【正文】 PENBROCK 又 提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，其思路 是把交 流電機(jī) 與逆 變器看 作一個 整體 對待?？刂?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，已有實(shí)際產(chǎn)品用于實(shí)際中。 近幾年 來，人 工智 能技 術(shù) —— 如 專家 系統(tǒng) 、模糊 邏輯 和人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，正在顯示出其實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的智能化 自適應(yīng)控制的巨大希望所在 ，有研究 結(jié)果表 明，智 能控 制技術(shù) 的 有效 利用 ，可使 變頻 調(diào)速系 統(tǒng)做到 高效、自適應(yīng)、自診斷、自保護(hù)、動態(tài)性能優(yōu)良。 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展 自從 20 世紀(jì) 70 年代向量控制技術(shù)發(fā)展以來，交流拖動技術(shù)就從理論上解 決了交 流調(diào)速 系統(tǒng) 在靜、 動態(tài)性 能上 與直流 調(diào)速 系統(tǒng)相 媲美的 問題。其 思路是 把異步 電動 機(jī)和逆 變器看 成是 一個整 體， 采用電 壓向量 分析方法 直接在 旋轉(zhuǎn) 坐 標(biāo)系 下分析 和計(jì)算 電動 機(jī)的轉(zhuǎn) 矩和 磁鏈， 通過磁 鏈 跟蹤得出 PWM 逆變器的開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù) ， 從而直接控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。 由于定 子磁 鏈的估 算只 與相對 比較容 易測量的 定子電 阻有關(guān) ，所 以使得 磁鏈的 估算 更容易 、更 精確， 受電動 機(jī)參數(shù)變 化的影 響也更 小。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問世便受到廣泛關(guān)注。 該系統(tǒng) 能夠 較好地 控制電 機(jī)的 轉(zhuǎn)速， 達(dá)到 了預(yù)期 的控制 效果，加深了對理論知識的理解，也增強(qiáng)了自身的知識應(yīng)用能力。 第 2 章 異步電機(jī)的 數(shù)學(xué)模型 異步電機(jī)的物理模型 認(rèn)真研 究異步 電動 機(jī)的動 態(tài)數(shù) 學(xué)模型 ，是 實(shí)現(xiàn)高 性能 的異步 電動機(jī)直接轉(zhuǎn) 矩控制 系統(tǒng)的 保證 。在研究異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型時，常作如下的假設(shè)： (1)忽 略空 間諧 波 ， 設(shè)三 相繞 組對 稱， 在空 間 上互 差 23? 電角度 ，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布； (2)忽略磁路飽和 ，各繞組的自感和互感都是恒定的； (3)忽略鐵心損耗； (4)不考慮 頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響； 無論異 步電動 機(jī)的 轉(zhuǎn)子是 繞線 型還是 鼠籠 型，都 將它 等效成 三相繞線 轉(zhuǎn)子 ，并折 算到定 子側(cè) ，折算 后的定 、轉(zhuǎn) 子繞組 匝數(shù) 相等。圖中，定子三相繞組軸線 A,B,C 在空間 是固定的 ；轉(zhuǎn)子三相繞組軸線 a， b， c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a 軸和定子 A 軸間的電 角度 ? 為空間角位移變量。 ABCuAuBuC?1?uaubucabc? 圖 21 三相異步電動機(jī)的物理模型 直流電 動機(jī)的 數(shù)學(xué) 模型比 較簡 單，其 主磁 通基本 上唯 一地由 勵磁繞組的勵 磁電流 決定， 這是 直流電 動機(jī)的 動態(tài) 數(shù)學(xué)模 型及 其控制 系統(tǒng)比 較簡單的 根本原 因。坐標(biāo)變換包括三相 兩相變換 和兩相 兩相旋轉(zhuǎn)變換。 ABCABCiAiBiCFω1?1FMTimitMT??F? i??i?ω1 (a)三相交流繞組 (b)兩相交流繞組 (c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組 圖 22 等效的電動機(jī)繞組物理模型 圖 22 等效的 交流電動機(jī)繞組和直流電動 機(jī)繞組物理模型以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為原則，圖 22 中的三種 物理模型彼此等效。 異步電機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型 （ 1） 電壓方程 三相定子繞組的電壓平衡方程為 ： 與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到 定子側(cè)后的電壓方程為 ： 式中 : Au , Bu , Cu , au , bu , cu — 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； Ai , Bi , Ci , ai , bi , ci — 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值 。 上 述 各 量 都 已 折 算 到 定 子 側(cè) ， 為 了 簡 單 起 見 ， 表 示 折 算 的 上 角 標(biāo)“ ’ ” 均省略，以下同此。 實(shí)際上 ，與電 機(jī)繞 組交鏈 的磁 通主要 只有 兩類： 一類 是穿過 氣隙的相間互 感磁通 ，另一 類是 只與一 相繞組 交鏈 而不穿 過氣 隙的漏 磁通， 前者是主 要的 。 對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，因 此，定子各相自感為 ： （ 210） 轉(zhuǎn)子各相自感為 （ 211） 其中 :定子 漏感 1sL —— 定子各相漏 磁通所 對應(yīng)的電 感，由 于繞組的對稱性，各相漏感值均相等； ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000??????piiiiiiRRRRRRuuuuuuΨRiu p???????????????????????????????????????????????????????????????cbaCBAcCcbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL??????LiΨ?smsCCBBAA lLLLLL ????rmsccbbaa lLLLLL ????轉(zhuǎn)子漏感 1rL —— 轉(zhuǎn)子各相漏磁通所對應(yīng)的電感 ； 兩相繞組之間只有互感。 三相繞組軸線彼此在空間的相位差是177。在 假定氣隙磁通為正弦分布的條件下，互感值應(yīng)為 ： 于是： （ 212） 定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置的變化，可分別表示為 （ 213） 當(dāng)定、 轉(zhuǎn)子兩 相繞 組軸線 一致 時，兩 者之 間的互 感值 最大， 就是每相最大互感 msL 。 。 。 。mm ???mmW??? 39。m ons tm39。 對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 0, 0DK? ? ? ，則 (221) 異步電動機(jī)在任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 下的數(shù)學(xué) 模型 設(shè)兩相坐標(biāo) 系 d 軸與三相坐標(biāo) A 軸的夾 角為 S? ，而 S dqsp??? 為兩相任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ dq 坐標(biāo)系）相對于定子的角轉(zhuǎn)速，數(shù)學(xué)模型由以下方程表述： （ 1） 磁鏈方程 00000000sd sdSmsq sqSmrd rdmrrq rqmriLLiLLiLLiLL????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? (222) 式中 ： sd? ， sq? ， rd? ， rq? —— dq 坐標(biāo)系下 定子磁鏈與轉(zhuǎn)子 磁鏈的兩個分量； sdi , sqi , rdi , rqi —— dq 坐標(biāo)系下定子電流與轉(zhuǎn)子電流的兩個分量； mL —— 定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感 ； SL —— 定子等效兩相繞組的自感； rL —— 轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感； (2)電壓方程 sd S S dq s m dq s m sdsq dq s s S S dq s m m sqrd m dq r m r r dq r r rdrq dq r m m dq r r r r rqU R L P L p L iU L R L P L L p iU L p L R L P L iU L L p L R L P i????????? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (223) 式中 ： sdU ， sqU ， rdU ， rqU dq 坐標(biāo)系下定子電壓與轉(zhuǎn)子電壓的兩個分量； SR , rR 定子電阻與轉(zhuǎn)子電阻 ； dqs? , dqr? dq 坐標(biāo)系分別相對于定子、轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速 ； sdi , sqi , rdi , rqi , SL , mL , rL 同上 。 (4)運(yùn)動方程 eL pJdTT n dt??? (225) LT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； ?—— 電動機(jī)轉(zhuǎn)速； J—— 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量； eT , pn —— 同上 以 上 構(gòu) 成 異 步 電 動 機(jī) 在 兩 相 以 任 意 轉(zhuǎn) 速 旋 轉(zhuǎn) 的 坐 標(biāo) 系 上 的 數(shù) 學(xué) 模型。 異步電動機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 異步電動機(jī)在兩 相靜止 坐標(biāo)系 （ ?? 坐標(biāo)系）下的 數(shù)學(xué)模 型是在 任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型當(dāng)轉(zhuǎn)速等于零時的特例。數(shù)學(xué)模型由以下方程表述 (1)磁鏈方程 00000000ssSmSmrrmrmriLLiLLiLLiLL????????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? (226) 式中 s?? ， s?? ， r?? ， r?? —— dq 子磁鏈的兩個分量； si? , si? , ri? , ri? —— dq 系下定子電流與轉(zhuǎn)子電流的兩個分量； mL —— 定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感； SL —— 定子等效兩相繞組的自感； rL —— 轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感； (2)電壓方程 sd S S dq s s m dq s m sdsq dq s s S S dq s m m sqrd m dq r m r r dq r r rdrq dq r m m dq r r r r rqu R L P L L p L iu L R L P L L p iu L p L R L P L iu L L p L R L P i????????? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (227) 式中 sdu ， squ ， rdu ， rqu —— dq 坐標(biāo) 定子電壓與轉(zhuǎn)子電壓的兩個分量； SR , rR —— 電阻； dqs?, dqr?—— dq 坐標(biāo)系分別相對于定子 ,轉(zhuǎn)子的角速度 ； sdi , sqi , rdi , rqi , mL , sL , rL —— 同上 。 第 3章 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理 直接轉(zhuǎn)矩控制 原理 直接轉(zhuǎn)矩控制是為電壓源型 PWM 逆變器傳 動系統(tǒng)提出的一種先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩 控 制技術(shù) ，基于 該技 術(shù)的