【正文】 到 d、 q軸定子電壓指令，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到靜止坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)作用的定子電壓矢量。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 直接轉(zhuǎn)矩目前雖然已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，但是在理論和應(yīng)用實(shí)踐方面仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探討。 在 超 低頻 時(shí)，定子電阻上的電壓降對(duì)系統(tǒng)存在影響，故在超低速時(shí)定子電阻的正確辨識(shí)和偏差補(bǔ) 償，是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要探討的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制也是一種無(wú)需速度直接反饋的控制技術(shù)，基本控制系統(tǒng)需要兩個(gè)電流傳感器，可靠性高，但是采用何種速度辨認(rèn)方法和模型需進(jìn)一步研究。但是，根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率和微機(jī)運(yùn)行速度選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)需要很大技巧。 （ 4）直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)最顯著的有點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，便于數(shù)字化。但是如何解決實(shí)時(shí)性是個(gè)問(wèn)題，高速 DSP 價(jià)格昂貴，普通單片機(jī)運(yùn)行較慢 ，如何找到一個(gè)折中的方法是需要考慮的問(wèn)題。然后在 SIMNLINK 環(huán)境下使用該模型組建異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 論文在第一章闡述了電機(jī)調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 ， 第二章對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制 技術(shù)的 基本原理 進(jìn)行分析 ，第三章對(duì) MATLAB/SIMULINK 仿真軟件做基本介 紹，建立仿真模型并對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，第四章對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。運(yùn)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（ BangBang 控制） 產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)理想數(shù)學(xué)方程 為了能夠便于分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立出理想電機(jī)模型，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) 進(jìn)行一些假設(shè)： （ 1） 氣隙均勻； （ 2） 磁路線性 （ 3） 定子，轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱，有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布 。 ????????????????????cbaCBAuuuuuu=????????????????????rrrsss 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 RRRRRR????????????????????cbaCBAiiiiii+p????????????????????caBA??????bC （ 21） 式中； Au 、 Bu 、 Cu 、 au 、 bu 、 cu —— 定子、轉(zhuǎn)子相電壓； Ai 、 Bi 、 Ci 、 ai 、 bi 、 ci —— 定子、轉(zhuǎn)子相 電流； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 A? 、 B? 、 C? 、 a? 、 b? 、 c? —— 定子、轉(zhuǎn)子繞組的全磁鏈 ； p —— 微分算子 。 由 能量守恒定律推出電磁轉(zhuǎn)矩。 mme WT ???? ci? =rmn Wp ??? ci? 式中 ； np — 電機(jī)磁極對(duì)數(shù) r? — 電角位移， r? = np m? eT = ?????? ????? rrsrTssrrsTrn iMiiMip ??21 = np rsM ? ?? rcCbBaA iiiiii ?sin?? +? ? ? ?oraCcBbA iiiiii 120s in ??? ? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 7 +? ? ? ??orbCaBcA iiiiii 120s in ??? ? （ 24） 式中 ； rsM — 定轉(zhuǎn)子間的互感。為了解除定、轉(zhuǎn)子間這種非線性的耦合關(guān)系需要對(duì)其進(jìn)行變量的坐標(biāo)變換，建立 ??? 參考坐標(biāo)系內(nèi)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 異步電動(dòng)機(jī) 空間矢量等效電路 控制系統(tǒng)利用異步電機(jī)空間矢量的等效電路進(jìn)行分析 。 sRsu rRs ?Lrirjw ?uψ? rψ?uiL 圖 2 1 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 空 間 矢 量 等 效 電 路 圖中各量定義如下： su — 定子電壓空間矢量； ui — 定子電流空間矢量； ri — 轉(zhuǎn)子電流空間矢量； u? — 定子磁鏈空間矢量； r? — 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； ? — 電角速度（機(jī)械角速度和極對(duì)數(shù)的積）。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系上可由以下方程表示： usss iRu ??? （ 25） rrr jiR ??? ???0 （ 26） 由以上方程推出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： su iL?? （ 27） rur iL??? ?? （ 28） ????sin231 rue LT ? （ 29） 逆變器的 輸出電壓狀態(tài) 及電壓空間矢量 逆變器輸出電壓狀態(tài) 逆變器 （見(jiàn)圖 22） 由三組、六個(gè)開(kāi)關(guān)（ aS 、 aS 、 bS 、 bS 、 cS 、 cS ）組成。 EE aS bSbS cScSa b cdu+aS圖 2 2 逆 變 器 等 效 電 路 規(guī)定 a、 b、 c 三相負(fù)載的某一相與“ +”極接通時(shí)，該相開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“ 1” 。則 8種可能的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)見(jiàn)表 21。這 7 種不同的電壓狀態(tài)可分成兩類(lèi)：一類(lèi)是 6種工作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)狀態(tài) “ 1” 至 “ 6” 分別稱為逆變器的電壓狀態(tài) “ 1”至 “ 6” ；另一類(lèi)是零電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于零開(kāi)關(guān)狀態(tài) “ 7” 和 “ 8” ，由于對(duì)外來(lái)說(shuō)，輸出的電壓都為零 ， 因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài) （詳見(jiàn)表 22） 。引入 PARK矢量變換，可以方便的進(jìn)行控制， PARK 矢量變換是將三個(gè)標(biāo)量變?yōu)橐粋€(gè) 矢量。 ??tus = ? ?343232 ?? jcjba eueuu ?? （ 210） ??tus 代表著三相電磁量在空間的位置，故稱之為空間矢量。 矢量順序從狀態(tài)“ 1” 到狀態(tài)“ 6”逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。其所對(duì)應(yīng)空間電壓矢量狀態(tài)為 1su — 2su — 3su — 4su — 5su — 6su ，零電壓矢量 7位于正六邊形中心。 1234571su 2su 3su5su6s ? ?011? ?001? ?101? ?100? ?110? ?01 0? ?00 0? ?1114su 圖 2 3 電 壓 空 間 矢 量 表 示 的7 種 離 散 電 壓 狀 態(tài) 異步電動(dòng)機(jī)磁鏈模型 對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行定子磁鏈觀測(cè)非常重要，對(duì)于磁鏈的估算提出了三種模型： iu? 模型， ni? 模型和 nu? 模型。 1. iu? 模型 用定子 電壓和定子電流來(lái)確定定子磁鏈的方法叫 iu? 模型發(fā)。 iu? 模型計(jì)算定子磁鏈，其誤差由定子電阻 sR 引起。在定子頻率接近零時(shí)，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失，以致 只有誤差被積分。 下圖為 iu? 模型的原理圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在 30%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)， 磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，這時(shí)利用 ni? 模型計(jì)算磁鏈?zhǔn)欠浅：线m的。 由公式可知， ni? 模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉(zhuǎn)子電阻rR 、漏電感 ?L 、主電感 L 的影響。 3. nu? 模型 nu? 模型綜合了 iu? 模型和 ni? 模型的特點(diǎn) ，是一個(gè)在全速范圍內(nèi)都適用的磁鏈模型，其由定子電壓和轉(zhuǎn)速來(lái)獲得定子磁鏈。 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓 ??tus 直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子上，定子電壓與逆變器電壓相等也為 ??tus ，得定子磁鏈 ??ts? 與定子電壓 ??tus 關(guān)系式為： ??ts? = ? ? ? ?? ?dtRtitusss? ? （ 214） 若忽略定子電阻壓降的影響，近似為： ??ts? = ??dttus? （ 215） 該關(guān)系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的積分關(guān)系。 （ 2）在適當(dāng)時(shí)給出定子電壓空間矢量 654321 ssssss uuuuuu ????? ，可得到定子磁鏈運(yùn)行的軌跡為 654321 SSSSSS ????? ，形成正六邊形。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思 想，電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)： （ 1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：在 正常 電壓空間矢量作用期間， 適時(shí)的插入零矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng) 有效電壓空間矢量作用時(shí)，定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運(yùn)動(dòng) 。 （ 2）恒功率調(diào)速： 通過(guò)改變電壓空間矢量的作用時(shí)間，達(dá)到改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的目的。 對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了恒功率調(diào)速。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，為了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值是根據(jù)負(fù)載決定，故在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)改變磁通角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，其控制方法為通過(guò)控制電壓空間矢量來(lái)對(duì)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，改變了定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變了磁通角的大小 ，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。 （ 2）減小轉(zhuǎn)矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會(huì)走走停停，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩減小。 通過(guò)控制工作狀態(tài)的電壓空間矢量和零狀態(tài)電壓空間矢量的交替出現(xiàn)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度的改變，通過(guò)這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)可獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可分為以下 幾 個(gè)部分： （ 1） 控制部分： 分為 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 ； （ 2）逆變部分：由逆變器組成； （ 3）電機(jī)部分： 為 異步電動(dòng)機(jī)。 由圖可知，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過(guò) AMM計(jì)算得到定子磁鏈，并分解到 ??, 坐標(biāo)軸，然后經(jīng)過(guò) UCT進(jìn)行坐標(biāo)變換，通過(guò)將計(jì)算得到的磁鏈值與 DMC給定的磁鏈值進(jìn)行比較，得到磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)， 通過(guò) AMC計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩值，根據(jù) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 ATR的輸出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 16 壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生六邊形磁鏈。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于定子電阻壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，定子磁鏈幅值也減小，為了避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持磁鏈幅值在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。對(duì)磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成 600角的電壓空間矢量；另一種是成 1200角的電壓空間矢量。引入容差寬度???，它是定子磁鏈幅值g?與給定幅值f?之間允許的波動(dòng)范圍，磁鏈調(diào)節(jié)器輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開(kāi)關(guān)信號(hào)Q?。為了實(shí)現(xiàn)這一效果，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須有以下兩個(gè)功能：一是用轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式 調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；二是在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，能夠控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器輸出量為轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)QT。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 17 ??fTgTm??QTm??m?10T?圖 2 7 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 節(jié) 器 原 理 圖 當(dāng)fT下降到調(diào)節(jié)器容差下限 m?? ，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)QT狀態(tài)為 ” 1” 。當(dāng)fT上升到容量上限 m?? 時(shí)，QT變?yōu)椤?0”態(tài)，在 0?QT作用下，零電壓加到電動(dòng)機(jī)上，定子磁鏈靜止，轉(zhuǎn)矩減小，下降到調(diào)節(jié)器容差下限m?? ，重復(fù)運(yùn)行。