【正文】 多領域得 到了廣泛應用，其總用電量占全國工業(yè)用電量的 60%以上。直接轉矩控制是上世紀 80年代繼矢量控制之后的又一新型高性能交流電機控制技術，它直接對電機轉矩進行控制，解決了矢量控制計算復雜、特性易受電機參數(shù)影響等問題。 本文首先 概述了交流電機控制技術和直接轉矩控制技術的發(fā)展過程，并對它們的發(fā)展趨勢做了展望。分析了電壓空間矢量對磁鏈和轉矩的作用及圓形磁鏈的形成原理。 最后 ， 運用 MATLAB/SIMULINK進行了基于六矢量異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的仿真研究 ， 搭建了系統(tǒng)的仿真模型 。 關鍵詞 :異步電動機 。空間矢量 。 MATLAB仿真 2 Abstract Asynchronous motor has been avidly applied in industry, agriculture andnational defence because of its simple structure, easy manufacture, good economy and durability. Its electric energy consumption is 60% of the industrialelectric energy consumption. DTC {Direct torque control) was first presented in 198039。s problems of plex putation and unstable performance affected by motor parameters. In the first part, a summary and a prospect of AC motor control technology and DTC39。 DTC。 flax linkage observer。因此，為了滿足不斷發(fā)展的實際需求，同時減小能源損耗，延長電機壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機調(diào)速技術。 隨著微電子技術、電力電子技術、計算機控制技術的進步，交流電機調(diào)速技術發(fā)展到今天，有了長足的進步。而交流電機尤其是鼠籠異步電動機由于其自身結構和運行特性的優(yōu)點，使得交流電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢高于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。 交流電機控制技術的發(fā)展與展望 交流 電機控制技 術的發(fā)展離不開電力電子技術、數(shù)字控制技術和控制策略的 展。但是其調(diào)速困難，調(diào)速性能和轉矩控制特性都趕不上直流電機調(diào)速系統(tǒng)，因此在調(diào)速傳動領域中多采用直流電機調(diào)速系統(tǒng)。直到 20世紀 80年代第一代電力電子器件 SCR (Silicon Controlled Rectifier)的出現(xiàn)，才使交流調(diào)速技術有了新的轉機。自第二代以 GTR (Giant Transistor), GTO(GateTurnThyristor)、 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field 4 Effect Transistor)至第三代以 IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor)為代表的電力電子器件的發(fā)展中，除了自關斷能力外，元件的開關頻率不斷提高，元件通態(tài)壓降不斷降低，在電機控制中應用的結果是使電機控制性能有了很大的提高。而采用 IGBT做成的通用型變頻器 ， IGBT的開關頻率約達 20 kHz左右，變頻器的最低輸出頻率可達 Hz，最高工作頻率可達 400500 Hz。高開關性能元件的問世是現(xiàn)代矢量變換控制應用于中小功率、高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的保證。它們不但可以提供一定的功率輸出能力，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和 自診斷等功能。外界只需提供 PWM (Pulse Width Modulation)信號給 IPM，就可以實現(xiàn)以往復雜的主電路及其外圍電路的功能。 數(shù)字控制技術對交流電機控制技術發(fā)展的影響最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術的進步，基礎電路甚至電機控制專用集成電路被大量在電機控制中引用，這些電路大多為模擬、數(shù)字混合電路，在很大程度上提高了電機控制器的 可靠性、抗干擾能力，又縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費用，因而發(fā)展很快。市場上較通用的變頻器大多采用了單片機來控制。之后 DSP (Digital Signal Processor)被應用到電機控制中，改善了電機控制的實時性和運算精度。如占 DSP市場份額 45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用 DSPTMS320C 24x。 CPLD (Complex Programmable Logic Device)和 FPGA (FieldProgrammable Gate Array)是一種很好的解決方案。 5 利用 CPLD或 FPGA，工程師可以在實驗室中設計出專 用的電機控制集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)、上市的時間，降低了開發(fā)成本。數(shù)字控制技術對電機控制的影響是深遠的，它大大推動了電機控制技術的發(fā)展和電機控制行業(yè)的繁榮。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。 (2)基于磁鏈和轉矩完全解耦的矢量控制技術，也稱矢量控制。 在這些方法中，尤其以直接轉矩控制最為引人注目。目前，國外的直接轉矩控制技術己經(jīng)成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品化?？梢灶A見，具備寬調(diào)速 范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好技術性能的直接轉矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。 直接轉矩控制技術的優(yōu)點 直接轉矩控制技術是繼Ⅵ控制和矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國教授 Depenbrock和日本學者 Takahashi提出的。相比于開環(huán)的Ⅵ控 制，采取閉環(huán)控制的直接轉矩控制具有不可比擬的控制精度，具有更好的轉矩動態(tài)響應。 6 直接轉矩控制之所以從誕生到現(xiàn)在一直受到人們的普遍關注，是因為其具有其它控制策略不可比擬的優(yōu)點 : （ 1） 直接轉矩控制是在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，所需要的信號處理工作簡單。 （ 3） 直接轉矩控制使用空間矢 量的概念分析交流電機數(shù)學模型和控制機理，使其控制理論通俗易懂。 綜上所述，直接轉矩控制是一種針對交流電機自身特點，提出的適用于交流調(diào)速的高性能控制策略。 1987年 ， 直接轉矩控制被推廣到弱磁調(diào)速技術范圍 ]5]。直接轉矩控制技術一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的關注，得到迅速發(fā)展。市場應用方面， ABB公司于 1995年推出了其直接轉矩控制產(chǎn)品 ACS600，隨后的 ACS800, ACS1000也都應用了直接轉矩控制技術。與智能控制相結合 。變結構方案。在理論研究方面，針對直接轉矩控制的缺陷，結合各種交叉控制技術，一些改善直接轉矩控制性能的新方 法將被不斷提出。移項并積分可得定子磁鏈公式 : (22) 轉矩公式： (23) 9 式中 —— 電磁轉矩（ N ） —— 電機極對數(shù) —— 磁通角（ rad） 電機運動公式 (24) 式中 —— 負載轉矩（ N ） J —— 轉動慣量（ kg ） 對于式 (23)，若忽略定子電阻壓降的影響，則有 : (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關系，該關系見圖 。當定子磁鏈空間矢量 ，在圖 24所示位置時，其頂點在邊 上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011)，根據(jù)式 (25)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關系，定子磁鏈空間矢量的頂點將沿著邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運動，到達 和 的交點時，這時如給逆變器加上電壓空間矢量 (001)，則定子磁鏈空間矢量 ，頂點會按照與 (001)平行的方向，沿著邊 的軌跡運動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子 磁鏈空間矢量 ，將依次沿著 、 、 的軌跡運動。 ，比如在圖 ，依次給出定子電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6，則定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊 ，形成正六邊形定子磁鏈軌跡 。 直接利用逆變器的六種工作開關狀態(tài)，簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用 于控制電動機的轉矩。 轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值和磁通角 有關。在直接轉矩控制技術中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉速度，控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度 ，從而改變磁通角，以達到控制電動機轉矩的目的。在 時刻，磁通角為 ( )，此時施加電壓空間矢量(110)，定子磁鏈 將從 ( )旋轉到 ( )，運動軌跡為 (t)，平行于 (110)。如果在 時刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉，磁通角減小，轉矩相應減小。由三組、六個開關器件組成。分別用 、 、 來表示三相上橋臂的開關狀態(tài)，以 相為例，當 相上橋臂導通時，記作 Sa = 0。這樣，八種可能的開關狀態(tài)如表 。另一類開關狀態(tài)是零開關狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“ 7”和狀態(tài)“ 8”，它們的特點是三相負載都接到相同的電位上去。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類 :一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對應于開關狀態(tài)“ 1”至“ 6”；分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“ 1”至“ 6” 。 空間矢量 理想交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等都是在空間位置上互差 120度的三維物 13 理量，可以把它們定義為空間矢量。為了將三維物理量轉換成二維物理量，以便合成空間矢量，這里引入 Park矢量變換。其中開關狀態(tài) (000) (111)對應坐標系的原點?？臻g矢量的順序從狀態(tài)“ 1”到狀態(tài)“ 6”逆時針旋轉。零電壓矢量位于六邊形的中心點。由于定子磁鏈空間矢量的運動方向由電壓空間矢量的方向確定，所以定子磁鏈只能在這六個方向上運行。用六 個電壓空間矢量的組合的方法，就可以實現(xiàn)近似圓形定子磁鏈軌跡的運行方式，如圖 。這要求配合轉矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器等控制單元，提供相應的電壓開關信號。 當定子磁鏈空間矢量位于不同區(qū)間時，都要解決一個 既要考慮轉矩偏差又要兼顧磁鏈偏差，如何合理優(yōu)選開關電壓矢量的問題?？晒┻x擇的電壓矢量有 、 、 、 以及 、 。前四個開關電壓矢量對磁鏈和轉矩的作用分別用 、 和 、 來表示，下標“ +”號表示增加，下標“ ”號表示減小。對于其他區(qū)間可做出同樣的合理選擇， 表 給出了六個區(qū)間的開關電壓矢量查詢表，表中用 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 來表示區(qū)間。 若 sref ss Δ+≥ ψψψ ，則輸出為 0， ψΔ 取 1。 若 ref ee ≥TT ，則輸出為 0， TΔ 取 0。 若 ref ee ≤TT ，則輸出為 0， TΔ 取 0。圖 表示當電磁轉矩實際值達到滯環(huán)比較器下限值后，即 16 eref ee Δ≤ TTT ，選擇合適的開關電壓矢量向前快速旋轉，電磁轉矩隨之增大，當轉矩由圖 中 A 點升高到 ref e=TTe 時候，開始采用零電壓矢量，此時轉矩不會立刻停止變化，當 ref e≥TTe 時，零電壓矢量依然起作用，在其作用下，可以使轉矩的變化放緩慢?？梢杂纱丝闯?，零電壓矢量能夠使得電磁轉矩的劇烈變化變的緩和。 00ABeTΔ+ref eT eΔ T 圖 采用零電壓矢量 對應于磁鏈和轉矩調(diào)節(jié)的兩種形式，電壓空間矢量 開關信號的選擇也有兩種形式。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考電壓空間矢量的兩個分量，合成所需要施加的參考電壓空間矢量。 本章 介紹了三相異步電機的數(shù)學模型 。 17 3 三相異步電機直接轉矩控制 策略