【正文】 aU 、 bU 、 cU 的 Park 矢量 ()stu 為： 2433() 23 jjacbstu u u e u e????????? ?? （ 213） 從而我們可以得到逆變器的 7 個電壓狀態(tài)， (000 和 111 為零狀態(tài) )六個為有效電壓矢量，幅值均為 23dcu ，相鄰矢量相差 60 度，把整個平面均勻的劃分成六個扇區(qū)如圖 23 所示。 第 3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成 直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 機的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的變化，從而控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。 M速 度 P I調(diào) 節(jié) 器磁 鏈 滯 環(huán)轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán)開 關(guān)狀 態(tài)選 擇扇 區(qū) 判 斷磁 鏈 觀 測轉(zhuǎn) 矩 計 算逆變器3 / 2 相坐 標(biāo)變 換速 度 檢 測（ 速 度 傳 感 器 ）*s?*r?,ii??, buu??? ???? *eTNs? ,a b ci i i, bcu u u?r?F?TFeT 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖 圖 31 為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個系統(tǒng)是一個磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。另一方面系統(tǒng)檢測三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系，由此計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩 eT 、磁鏈幅值 e? 和磁鏈所在的扇區(qū) N。開關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號確定下一個時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而確定電機的端電壓，保證電機在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載的要求。 (2)磁鏈調(diào)節(jié)器 :為了控制定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點式控制，輸出磁鏈控制信號 。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 12 (4)開關(guān)狀態(tài)選擇單元 :根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài) abcS 來控制逆變器驅(qū)動電機穩(wěn)定運行。將測量得到實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩 *eT 。最后開關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號 F? 、轉(zhuǎn)矩控制信號 tF 和磁鏈位置 ||n? ，查逆變器開關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機正確運行。 (l)速度 PI 調(diào)節(jié)器單元 由圖 31 可知，給定轉(zhuǎn)矩 *eT 由給定轉(zhuǎn)速 *r? 和實際轉(zhuǎn)速 r? 。根據(jù)異步電動機運動方程 r eLdJ TTp dt? ??可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行整定。由此可知控制異步電機的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向和速度。滯環(huán)比較器如圖 32 所示。調(diào)制規(guī)則為 : 當(dāng) s ????? 時， 1F?? ，此時選擇電壓矢量使 ||s? 增加 。當(dāng) || s ????? 時， F? 不變，此時電安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 壓矢量不變。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器 (見圖 33)輸入量為轉(zhuǎn)矩給定值 *eT 及轉(zhuǎn)矩觀測值 eT ，輸出量為 TF ， 2T? 為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個功能 :(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 。通過電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠e來表達(dá)異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩?？梢酝ㄟ^改變磁通角 ()t? 的大小來改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 : s? 逆時針 旋轉(zhuǎn)時： 若 *ee TTT? ??時，則 1tF? ； 若 * 0eeTT??時，則 0tF? ； 若 *0 ee TTT? ? ? ?時，則 tF 保持不變。 若 * 0eeTT??時，則 0TF ? ； 若 * 0eeT TT?? ? ? ?時，則 TF 保持不變 *eTe?? TFT?T??10 1? 圖 33 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響 與磁鏈運動軌跡成 60 度和 120 度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。定子 磁鏈處于第一扇區(qū)，假設(shè)運動至 A 點，則有 s ???? ?? ，此時，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為 F? ,輸出電壓矢量應(yīng)使 ||s? 增加。如果需要 s? 作順時針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量 2U 。如果需要 s? 作逆時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量 5U 。因此， 磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。從圖安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 23 可以看出 :如對異步電動機施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運動方向和幅值都將發(fā)生變化 。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。 (2)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角 ? 的絕對值大于 90 度的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值減小。 空間電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。 式 219 也可以寫成： 32 Pe s sTi??? (37） 對式 37 兩邊進(jìn)去微分計算，再乘以 L? ，可得以下式子： ()T P P Re r s r m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (38) 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 式中 srm s rmmLLR R RLL?? (39) 將 rs??? 代入式 221 可得 ()T P P Re r s s m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (310） 因此，單純從數(shù)學(xué)式 (310)上來看，可以得到以下結(jié)論 : (l)當(dāng)施加超前于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時，轉(zhuǎn)矩增加。 在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心 。要改變電動機的轉(zhuǎn)矩大小，可通過改變磁通角 ?（ t） 的大小來實現(xiàn)。從 1t時刻考察到 2t 時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量 ( ) (010)ssu t u? ，則定子磁鏈空間矢量由 1()st? 的位置旋轉(zhuǎn)到 2()sut 的位置。因此從 1t 時刻到 2t 時刻這段時間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由 1()t? 變大為 2()t? ，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會增大。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 18 空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇 對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速方案 在研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的時候必須對異步電動機在不同運行速度下，電動機空間電壓矢量以及磁鏈的變化進(jìn)行分析。 雖然在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機在中速（正常的運行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。 低速調(diào)節(jié)方案 異步電動機的低速范圍是指額定轉(zhuǎn)速 30%以下的異步 電動機轉(zhuǎn)速范圍。為此要求在控制方法上做相應(yīng)的考慮。 二 .為了改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能，對定子磁鏈空間矢量要實現(xiàn)正反向變化控制。 四 .用符號比較器確定區(qū)段。 六 .圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于 15%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于 15%30%額定轉(zhuǎn)速的范圍。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用 0o 電壓矢量、 60o ―電壓矢量、 +60o 電壓矢量和 120o 電壓矢量協(xié)調(diào)控制。 高速調(diào)節(jié)方案 高速范圍是指從 30%到 100%額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個特點 : 一 .用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器 (也叫磁鏈給定值比較器 )來確定區(qū)段。 四 .磁鏈兩點式調(diào)節(jié)。 在這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的 DSR 控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)起作用。轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。 弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案 弱磁范圍的工作特點與基速以下時有很多不同。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時間，工作電壓在整個區(qū)段中起作用。由此帶來弱磁范圍工作的兩個特點 :一是轉(zhuǎn)速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。轉(zhuǎn)矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。 四 .用功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。 六 .每個區(qū)段上用一個工作電壓狀態(tài)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出一直為 ―1‖態(tài)，電壓為全工作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 20 本章小結(jié) 本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 第 4 章 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)仿真工具的介紹 MATLAB 簡介 MATLAB 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB的兩個顯著的特點，即強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應(yīng)用最廣泛的首選計算機工具。在控制界，很多著名的專家和學(xué)者為其擅長的領(lǐng)域開發(fā)了工具箱，而其中很多的工具箱已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。 MATLAB 的程序與科技人員的書寫習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員的交流。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。 ，可擴展性強 MATLAB 軟件包括基本部分和專業(yè)部分。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)?，F(xiàn)在它們已有控制系統(tǒng)、信號 處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等 20 多個工具箱，并且還在繼續(xù)擴展。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng) 用程序（ M 文件）后再一起運行。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。其擁有 600 多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方 便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。 （ 5）出色的圖形處理功能 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。可用于科學(xué)計算和工程繪圖。允許用戶編寫可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語言程序。 （ 7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel和 HDF5 進(jìn)行連接。它支持連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)仿真。 Simulink 包含 Liner等一系列具有廣泛功能的子模型庫，用戶也可以自己定制、創(chuàng)建功能模塊。這種方法使得用戶可以深入的立即模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型 異步電動機仿真模塊 由第二章知兩 相靜止坐標(biāo)系下的異步電機的電壓方程 : 0000sm ss SsssmSr rm m s mSr sm m m sSR L P L P iuuiR L P L Pu iL P L R L P Lu iL L P L R L P????? ?? ??????? ?????? ???????????????????????? ????????? ? ? 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