异步电机直接转矩控制

河南理工大学毕业设计（论文）说明书i摘要直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它省去了复杂的矢量变化、克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性特点，响应快、控制结构简单、易于实现全数字化。本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，利用MATLAB/SIMULINK工具，构建了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩，直接跟踪定子磁链和转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式（Band-Band控制）产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩响应。通过直接改变影响电动机性能的磁链滞环调节器和转矩滞环调节器的参数，实现了对电动机的直接转矩的控制，通过仿真得到仿真图，对仿真图进行分析，验证直接转矩控制技术的有效性和可靠性。关键词：异步电机，直接转矩控制，磁链，仿真河南理工大学毕业设计（论文）说明书iiABSTRACTTheDirectTorqueControl(DTC)followingtheVectorControlisanewtypeandhigh-performancetechnology.ComparewithVectorControlWhichhascomplicatedcoordinatetransformationandstrongdependencyofparameters,theDTCtechniqueofinductionmotorsisknowntohaveasimplecontrolstructure,fasttorqueresponsesandeasytoimplement.ThebasicprincipleandstructureofDTChavebeenintoduced.UsingMatlab/SimulinkbuildtheDTCsimulationsystemmodle.UsingthemethodofParkvector.ThesignalofPWMisbulitbydintofthediscreteband-bandadjustmentinordertocontroloptimallythestateoftheswitchesofinverterandgetdynamicandstaticresponseoftheoptimalsystem.ControlingthemotorbychangingtheparametersoffluxchainhysteresisregulartorandtorquehydteresisregulartoachieveDTC.GettingandanalysingthechartbysimulatingtoconfirmationthevalidityandreliabilityofDTC.Keywords:AsynchronousMotor，DirectTorqueControl，Fluxlink，Simulation河南理工大学毕业设计（论文）说明书I目录摘要........................................................iABSTRACT.....................................................ii1绪论........................................................11.1交流电动机调速的发展和现状............................11.2直接转矩控制技术的现状与发展趋势......................21.2.1直接转矩控制技术的研究现状......................21.2.2直接转矩控制技术的发展趋势..........................31.3论文工作内容..........................................42直接转矩控制机理分析........................................52.1概述..................................................52.2异步电动机数学模型....................................52.2.1异步电动机理想数学方程..........................52.2.2异步电动机空间矢量等效电路......................72.3逆变器的输出电压状态及电压空间矢量....................82.3.1逆变器输出电压状态..............................82.3.2电压空间矢量....................................92.4异步电动机磁链模型...................................102.5电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响.............122.5.1电压空间矢量对定子磁链影响.....................122.5.2电压空间矢量对转矩的影响.......................132.6直接转矩控制系统调节器原理...........................142.6.1磁链滞环调节器.................................162.6.2转矩滞环调节器.................................163直接转矩控制的SIMULINK仿真................................183.1MATLAB/SIMULINK介绍.................................183.2仿真模型搭建及参数设置...............................21河南理工大学毕业设计（论文）说明书II3.3仿真结果及分析.......................................243.3.1改变磁链滞环容差...............................243.3.2突加转矩.......................................323.3.3改变转矩滞环容差...............................343.3.4改变负载转矩...................................364总结.......................................................39参考文献.....................................................40致谢.........................................................42河南理工大学毕业设计（论文）说明书11绪论1.1交流电动机调速的发展和现状在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。是用电量最多的电气设备。根据电动机采用电流方式的不同可分为直流电动机和交流电动机两大类。在上世纪80年代以前，直流调速占据着主导地位，原因在于直流电动机转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流不变，可通过改变电枢电压实现恒转矩调速，在额定转速以上，保持电枢电压不变，可通过改变励磁电流实现恒功率调速。这就使得调速简便、容易。但是，由于直流电动机本身结构存在机械换向和电刷，使得直流调速的发展受到一定的限制。它的机械换向器结构复杂，检修量大，维修费高，还容易产生火花等等因素，使得直流电动机的应用也受到了限制。然而交流电动机的产生改善了调速领域的发展，其具有结构简单，制造容易，价格便宜坚固耐用，转动量小，运行可靠，维修量小，适用于各种环境等优点使其在工农业生产领域得到广泛应用。但是交流电动机的调速比较困难，只有一些性能差，并且低效耗能的调速方法。20世纪60年代以后，由于生产发展需要，交流调速的到发展。20世纪70年代后，科学技术的发展使得交流调速有了质的发展飞跃，主要有以下四个阶段：（1）电力电子器件的发展促进了交流调速的发展。电力电子器件主要用于电动机的变频调速系统。（2）脉宽调制（PWM）技术。脉宽调制（PWM）技术的发展与应用使得变频装置的性能的到优化，适用于各类交流调速系统。其克服了相控原理的所有弊端，使得交流电机定子电压电流接近正弦波形，提高了电机的功率因素和输出功率。（3）矢量变换控制的发展奠定了现代交流调速高性能的基础。此类调速河南理工大学毕业设计（论文）说明书2采用参数重构和状态重构的现代控制的理论实现交流电机定子电流励磁分量和转矩分量的耦合，实现了等效于直流调速的控制过程，使得交流调速性能得到改善和提高。继矢量控制后直接转矩控制技术的运用，可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。现如今得到广泛应用（4）微型计算机技术与大规模集成电路的发展为现代调速系统的发展提供了重要技术手段。由于微机控制技术，尤其是以单片机与DSP为控制核心的微机控制技术，促使交流调速系统走向数字化控制，对信息的处理量的增大，可以实现许多复杂的控制方式。提高了交流调速系统的可靠性和操作设置的多样性和灵活性，降低交流调速装置的成本和体积。1.2直接转矩控制技术的现状与发展趋势1.2.1直接转矩控制技术的研究现状1985年，德国人M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，在实现磁链的同时也实现了对直接转矩的控制。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。根据M.Depenbrock所提出的直接转矩控制理论所实现的系统中，其磁链的轨迹是按正六边形运动，其六边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可简单的切换六个工作状态直接由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹，磁环控制简单。日本东芝公司的Takahashi教授于1986年提出了磁链轨迹的园形方案，即让磁链矢量基本上沿园形轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过比较实时计算所得的实际磁链幅值与给定值相比较，并同时考虑此时磁链所处的位置来选择电压矢量及持续时间的长短。T.G.Haberler提出了一种预前控制法，即依据当前状态的转矩、磁链误差和反电势，在一固定的开关周期条件下选择和计算下一个状态所需要的空间电压矢量。实现恒逆变开关频率控制。最近出现了谐振式逆变器构成的直接转矩控制系统，摒弃了滞环，采河南理工大学毕业设计（论文）说明书3用纯Band-Band控制，使得系统更容易实现。采用软件开关式逆变器，其开关频率可以达到几十个千Hz，它着眼于超大功率传动问题。有的学者提出定子磁通定向的新型控制方案，即采用了感应电机定子磁链定向的解耦模型，首先求出所需的d、q轴定子电流，然后得到d、q轴定子电压指令，经旋转变换得到静止坐标下对应作用的定子电压矢量。近几年发展起来的数字信号处理器（DSP）具有高速的运算功能，国外常用DSP来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，以弥补单片机运算速度太慢的缺点。1.2.2直接转矩控制技术的发展趋势直接转矩目前虽然已经被广泛运用，但是在理论和应用实践方面仍有许多问题需要进一步研究和探讨。（1）控制系统的的性能基本上不受电机参数的影响，但是定子电阻在不同频率时的变化需要考虑。在超低频时，定子电阻上的电压降对系统存在影响，故在超低速时定子电阻的正确辨识和偏差补偿，是直接转矩控制系统需要探讨的问题。（2）无速度传感器研究是当前交流传动中比较热的话题。直接转矩控制也是一种无需速度直接反馈的控制技术，基本控制系统需要两个电流传感器