基于svpwm的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

PAGE┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊二○一四年六月基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化1班姓名：指導(dǎo)教師：輪機(jī)工程學(xué)院PAGEI摘要本文首先論述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，簡要回顧了電力電子器件、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程。接著，系統(tǒng)地論述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)后發(fā)展的有一種高性能交流調(diào)速技術(shù)，它采用空間矢量的分析方式，在兩相靜止坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈。不過，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種較新穎的技術(shù)，自然存在著不少的問題，比如電流與轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)問題等。本論文針對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)所固有的問題，提出了基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。這種新型控制策略將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，把電動(dòng)機(jī)和PWM逆變器看成一體，使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的近似圓形的磁場(chǎng)，以解決其轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)問題。在論文的撰寫階段，本人做了如下的工作：通過理論分析，建立了兩相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，設(shè)計(jì)坐標(biāo)變換模塊，設(shè)計(jì)SVPWM生成模塊。最后使用Simulink進(jìn)行仿真，根據(jù)原理，搭建出各個(gè)模塊的仿真圖，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此種控制策略可以減少電磁轉(zhuǎn)矩以及電流的脈動(dòng)，大大提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制性能。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩；空間矢量脈寬調(diào)制；MATLABPAGEIIABSTRACTFirstly,thisthesisdiscussesthecurrentsituationanddevelopmentofthealternatingcurrentgovernorsystem.Andbrieflyretrospectthedevelopmenthistoryofpowerelectronicdevices,directtorquecontrolsystem,andspacevectorpulsewidthmodulation.Thensystematicallydiscussthetheoryofdirecttorquecontrol.It’sanalternatingcurrentgovernortechnologywithhighperformancedevelopedaftervectorcontroltechnology,whichadoptstheanalysismethodofspacevectortocalculateandcontroltheelectromagnetictorqueandfluxlinkageofmotorinthetwo-phase

static

coordinate.However,naturally,therearesomeproblems,suchasthepulsationproblemofcurrentandelectromagnetictorqueindirecttorquecontroltechnologyforitisarathernoveltechnology.ThisthesisputsforwardacontrolpolicyofdirecttorquecontrolsystembasedonspacevectorPWMaimingattheinherentproblemsoftraditionaldirecttorquecontrolsystem.ThisnewcontrolpolicycombinestwotechnologiestogetherseeingtheelectromotorandPWMinverterasawholetomakeacircularmagneticfieldwithaconstantamplitudetosolvethepulsationproblemofcurrentandelectromagnetictorque.Intheperiodofwritingthisthesis,Ihavedonetheworkasfollows:Throughthetheoryanalysis,buildthemathematicalmodelofasynchronousmotorinthetwo-phase

static

coordinate,anddesigntheobservationmodulesoftorqueandfluxlinkage,thecoordinatetransformationmodules,andSVPWMgeneratingmodules.Lastly,IuseSimulinktosimulatethem,buildingeverysimulationdiagramaccordingtothetheory.Andtheresultindicatesthatthiscontrolpolicycanpromotethecontrolperformanceofdirecttorquecontrolsystemgreatlythroughreducingthepulsationoftorqueandcurrent.Keywords：Asynchronousmotor，Directtorquecontrol，Spacevectorpulsewidthmodulation，MATLABPAGEIV目錄第1章緒論 11.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 11.1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展 11.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展 11.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 21.3空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀 31.4 本章小結(jié) 4第2章異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 52.1三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 52.2坐標(biāo)變換 62.2.1三相—兩相靜止坐標(biāo)變換 62.2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 72.3交流異步電動(dòng)機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型： 82.4 本章小結(jié) 9第3章直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理 103.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 103.2磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán) 103.2.1磁鏈控制閉環(huán) 103.2.2轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán) 133.3逆變器 143.4電壓空間矢量選擇 153.5扇區(qū)判斷 163.6本章小結(jié) 17第4章空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù) 184.1空間矢量脈寬調(diào)制原理 184.2期望電壓空間矢量的獲得 214.3SVPWM調(diào)制算法 224.4 本章小結(jié) 22第5章基于SVPWM異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 235.1基于SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 235.2磁鏈定向方式 235.3 DTC-SVM的扇區(qū)判斷 245.4空間電壓矢量調(diào)制 265.5本章小結(jié) 28第6章DTC-SVM仿真研究 296.1MATLAB/Simulink的簡介 296.2基本仿真模塊 296.3坐標(biāo)變換仿真模塊 296.3.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊 306.3.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊 306.4轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊 306.5磁鏈觀測(cè)仿真模塊圖 316.6 SVPWM仿真模塊 316.6.1 SVPWM模塊仿真圖 326.6.2扇區(qū)判斷仿真模塊 326.6.3基本電壓空間矢量工作時(shí)間計(jì)算仿真模塊 326.6.4逆變器導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算 346.6.5 SVPWM波生成模塊 346.7仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 356.7.1 定子磁鏈軌跡比較 356.7.2定子電流比較 366.7.3轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較 386.7.4 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較 396.8 本章小結(jié) 40第7章結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 42致謝 43附錄1 44附錄2 45基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真PAGE45第1章緒論1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀一直以來，直流調(diào)速系統(tǒng)以其簡單而優(yōu)越的調(diào)速性能，掩蓋了其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向麻煩等缺點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用。直至上世紀(jì)80年代，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域，都一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。不過，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和控制性能要求的不斷提高，直流調(diào)速系統(tǒng)所固有的缺點(diǎn)開始凸顯出來。自上世紀(jì)30年代以來，科學(xué)家們就開始致力于對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，礙于當(dāng)時(shí)技術(shù)方面的諸多限制，直至60年代以后，隨著功率電子器件、微電子器件（中、大型集成電路以及微機(jī)）的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)研究才有了突破性的進(jìn)展，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的不斷完善和發(fā)展，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。又由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)相對(duì)低廉的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，開始逐步取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便的直流調(diào)速裝置。目前，工業(yè)較為先進(jìn)的國家中，直流傳動(dòng)裝置的應(yīng)用呈下降趨勢(shì)，而交流傳動(dòng)裝置的應(yīng)用卻都在大幅地上升。以日本為例，在其1975年的調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速系統(tǒng)占80%，而交流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%，不過在1985年時(shí)，交流調(diào)速系統(tǒng)卻占80%，而直流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%。目前，直流調(diào)速系統(tǒng)大有完全被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代的趨勢(shì)。1.1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展電力電子元器件是交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件，它是交流調(diào)速的實(shí)物基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。1958年美國通用電氣公司研制出的第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管，取代了以前的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，直至80年代中期，交流變頻裝置主要還是采用晶閘管器件，其效率，可靠性，價(jià)格以及體積都無法與相同容量的直流裝置相提并論。80年代中后期，電力晶體管(GTR)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管等第二代電力電子器件相繼問世，在其基礎(chǔ)上產(chǎn)生的交流變頻裝置在性能與成本上可與直流裝置相比。80年代后期問世的IGBT，使交流調(diào)速裝置開關(guān)的通斷速度更快、通態(tài)壓降小、載流能力更大，目前是中小功率范圍應(yīng)用最為廣泛的器件。之后，電力電子技術(shù)朝向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化的方向發(fā)展，其中模塊化器件將成為21世紀(jì)的主流產(chǎn)品。以上所述的全控型開關(guān)器件主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能得以大幅度提高，達(dá)到可以與直流電機(jī)相媲美的程度。1.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展單單電力電子器件不足以獲得高性能交流調(diào)速裝置，正確而有效的控制方法是實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速的必要條件。感應(yīng)交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型要比直流電機(jī)復(fù)雜得多，它是一個(gè)多變量、非線性、高階、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，這就注定了控制交流電機(jī)的難度所在。上世紀(jì)七十年代初期，德國西門子公司的Blaschke和美國的Clark共同創(chuàng)立了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式可以達(dá)到勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦，有利于設(shè)計(jì)兩者的控制器，達(dá)到獨(dú)立去控制勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的目的，從而實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，并得到推廣。八十年代中期，德國魯爾大學(xué)的M．Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，它是既矢量控制系統(tǒng)之后，發(fā)展出來的又一種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它不用經(jīng)過復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，只需要簡單的靜止坐標(biāo)變換。其核心就是對(duì)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制采用滯環(huán)比較器，以及利用其輸出去選擇合適的電壓空間矢量。由于采用的是滯環(huán)比較器，其轉(zhuǎn)矩必然是脈動(dòng)的，而且調(diào)速范圍也不夠?qū)?。九十年代，有學(xué)者提出了SVPWM技術(shù)，基于SVPWM的DTC系統(tǒng)能夠獲得非常優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)性能。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1985年，德國魯爾大學(xué)的Depenbrock提出了一個(gè)新穎的異步電動(dòng)機(jī)控制理論，那就是直接轉(zhuǎn)矩控制理論，不久后，又將此理論推廣到了弱磁調(diào)速的范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是既矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展出來的一種高性能交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它與矢量控制技術(shù)相比，存在著不少的優(yōu)點(diǎn)。它是在定子坐標(biāo)系下分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，不需要為了解耦而將異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型簡化為直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，只強(qiáng)調(diào)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制，避免了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，只需要進(jìn)行簡單的靜止坐標(biāo)變換。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，采用的是按定子磁鏈定向的方式，若磁鏈觀測(cè)器，采用的是U-i模型，則只需要觀測(cè)定子電阻，定子電流，定子電壓，若采用的是i-n模型，只需要觀測(cè)定子電流，轉(zhuǎn)速，而這些都是有關(guān)定子的參數(shù)，比較容易測(cè)得，從而大大地減小原先矢量控制系統(tǒng)易受電機(jī)參數(shù)影響的問題。實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的觀測(cè)器（反饋模型）以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈的信號(hào)來選擇電壓空間矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有如下四個(gè)特點(diǎn)：1.直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化；即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)摸型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。2.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用的是按定子磁鏈定向的方式，只需去觀測(cè)定子上的有關(guān)參數(shù)來設(shè)計(jì)定子磁鏈觀測(cè)器。3.直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了。4.直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。它包含有兩層意思：①直接控制轉(zhuǎn)矩；②對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。這種控制思想不僅能夠用于轉(zhuǎn)矩控制，也能應(yīng)用于磁鏈，但應(yīng)以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制。目前在國外，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功地應(yīng)用于兆瓦級(jí)的牽引機(jī)車以及大功率交流傳動(dòng)上。但市場(chǎng)上采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流變頻器還不是很多，不過其應(yīng)用前景還是相當(dāng)光明的。當(dāng)前，日本，德國，美國等技術(shù)發(fā)達(dá)的國家都在發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。最近，日本研究成功的1.5Kw的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器創(chuàng)造了幾項(xiàng)世界紀(jì)錄，比如，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)頻率可以達(dá)到2KHz，沖擊轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的20倍，+500到-500轉(zhuǎn)/分的反轉(zhuǎn)時(shí)間僅為4ms。今后的，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采用第四代電力電子器件以及數(shù)字化控制器件。我國已將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成功應(yīng)用于大功率牽引機(jī)車，也取得了不錯(cuò)的效果，不過我國開展此項(xiàng)技術(shù)的時(shí)間相對(duì)較短，技術(shù)基礎(chǔ)也相對(duì)薄弱，目前，仍與世界最高水平存在著不小的差距，國內(nèi)的交流變頻器市場(chǎng)也基本都被國外的品牌所占據(jù)。因此國內(nèi)不少的研究單位都在研究高性能的交流變頻裝置，以期能夠減少對(duì)國外產(chǎn)品的依賴程度。然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種剛誕生不久的新理論、新技術(shù)，仍存在著不少的不足，不完善的地方，比如，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，低速性能較差等問題。目前，定子磁鏈觀測(cè)器，轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，無速度傳感器是研究熱點(diǎn)。為了解決這些問題，研究人員提出了不少理論，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的性能更加完善，比如基于SVPWM、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論技術(shù)。1.3空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀上世紀(jì)九十年代中期，有學(xué)者提出了一種全新的技術(shù)理論，那即是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），SVPWM技術(shù)是PWM技術(shù)的一種。經(jīng)典的正弦PWM技術(shù)從電源角度出發(fā)，使交流變頻器的輸出電壓波形接近于正弦波，而SVPWM的主要思想是，輸入三相正弦電流形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，此技術(shù)將逆變系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，模型較為簡單，便于使用微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。傳統(tǒng)的SVPWM應(yīng)用的是六拍階梯波逆變器，逆變器一個(gè)工作期間分為六個(gè)扇區(qū)，為了使磁鏈逼近圓形，將每個(gè)扇區(qū)再分為若干個(gè)小區(qū)間T0，T0越短，磁鏈越接近圓形，但T0受到開關(guān)器件的開關(guān)頻率所制約。每個(gè)小區(qū)間存在著多次的開關(guān)狀態(tài)切換，但每次切換只涉及一個(gè)開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗很小。SVPWM技術(shù)的應(yīng)用前景比較廣泛，在逆變裝置中，它可應(yīng)用于逆變電源、三電平無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)、變頻壓縮機(jī)等。在伺服裝置中，它可應(yīng)用于直流無刷伺服電機(jī)，交流永磁同步伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。在電力拖動(dòng)方面上，可應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等。近些年來，很多SVPWM的應(yīng)用開始涌現(xiàn)出來，不過由于還處于研究和起步階段，其控制性能仍然無法與其他的控制方法相比擬。本章小結(jié)本章首先介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的電力電子元件和控制方法的發(fā)展，接著著重介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展和基于空間電壓矢量的脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展第2章異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.1三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型在建立異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們常作如下假設(shè)：假設(shè)三相繞組對(duì)稱分布，在空間中互差120度，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦分布。忽略磁路飽和，各繞組自感和互感被認(rèn)為是恒定的。忽略鐵芯損耗。不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻所造成的影響。將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)，這樣可以將定轉(zhuǎn)子統(tǒng)一放在同一個(gè)靜止坐標(biāo)系中進(jìn)行分析。異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。電壓方程（2.1）即為：（2.2）磁鏈方程（2.3）即為其中L為6*6電感矩陣，LAA，LBB，LCC，Laa，Lbb，Lcc為各繞組的自感，其余均為互感。轉(zhuǎn)矩方程（2.4）運(yùn)動(dòng)方程（2.5）由以上的數(shù)學(xué)模型可知道，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、高階、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。多變量可以體現(xiàn)在異步電機(jī)是一個(gè)雙輸入雙輸出系統(tǒng)，非線性存在于電感矩陣L，以及旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩兩個(gè)環(huán)節(jié)上。2.2坐標(biāo)變換由以上可知異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，直接進(jìn)行分析十分不便，而且在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們是通過空間矢量的方式在靜止的兩相坐標(biāo)系中對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析，所以我們通常將靜止三相原始數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以使分析和計(jì)算得到大大地簡化。異步電機(jī)的定子繞組是靜止的，因而只需要進(jìn)行簡單的靜止坐標(biāo)變換，即3/2變換，由于轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，則需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，即2r/2s變換。坐標(biāo)變換的原則是功率不變，合成的磁動(dòng)勢(shì)不變。2.2.1三相—兩相靜止坐標(biāo)變換三相-兩相變換，即3/2變換，見圖2.1：圖2-1三相—兩相變換在圖2.1中繪出了a、b、c和α、β兩個(gè)坐標(biāo)系，a軸與α軸重合，三相繞組的匝數(shù)為N3，兩相繞組的匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)為匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于各相上，根據(jù)合成磁動(dòng)勢(shì)一致的原則，兩套繞組的磁動(dòng)勢(shì)在α、β軸上的投影應(yīng)相等，由此可獲得方程：寫成矩陣形式可得：考慮變換前后功率不變，在此前提下，匝數(shù)比應(yīng)為：由此可得從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系矩陣為：（2.6）2.2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，即2r/2s變換，見圖2.2：圖2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換在圖2.2中繪出了d、q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和α、β兩相靜止坐標(biāo)系，由于各項(xiàng)繞組匝數(shù)都相等，則可以消去磁動(dòng)勢(shì)的匝數(shù)，磁動(dòng)勢(shì)可以直接用電流來表示，磁動(dòng)勢(shì)空間矢量都沿著各相繞組軸線。d軸與α軸的夾角為φ，由合成磁動(dòng)勢(shì)相等原則可知，id、iq和iα、iβ在α、β軸上的投影應(yīng)完全相等，則可獲得矩陣方程：由此可獲得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為：（2.7）2.3交流異步電動(dòng)機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，可獲得靜止兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：電壓方程（2.8）其中p為微分算子，Ls、Lr為定轉(zhuǎn)子繞組的自感，Lm為定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感，Rs為定子繞組內(nèi)阻，Rr為轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)阻，wr為轉(zhuǎn)子角速度，對(duì)于鼠籠式異步電機(jī)來說，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是短路的，所以轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流分量均為0。（2）磁鏈方程（2.9）（3）轉(zhuǎn)矩方程（2.10）(4)運(yùn)動(dòng)方程（2.11）將異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型與原始三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型相比，顯得簡單許多，階次也降低了，不過它的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的性質(zhì)仍然沒有改變。本章小結(jié)本章對(duì)坐標(biāo)變換原理進(jìn)行了推導(dǎo)，基于坐標(biāo)變換，將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從在三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)，達(dá)到簡化異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的目的。第3章直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理3.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，在圖3.1中繪出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩滯環(huán)磁鏈滯環(huán)電壓矢量開關(guān)信號(hào)選擇逆變器異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型磁鏈模型－－－扇區(qū)判斷＋圖3.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了常見的轉(zhuǎn)速閉環(huán)，還存在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)。在給定轉(zhuǎn)矩的后面設(shè)置轉(zhuǎn)矩反饋閉環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)矩所造成的影響，在給定磁鏈的后面設(shè)置磁鏈反饋閉環(huán)，它可以抑制轉(zhuǎn)矩變化對(duì)磁鏈所造成的影響，從而使得轉(zhuǎn)矩與磁鏈子系統(tǒng)達(dá)到近似解耦的目的。對(duì)在異步電機(jī)定子側(cè)采集的定子電壓和定子電流信號(hào)，進(jìn)行3s/2s變換后得到在α、β坐標(biāo)系下的電壓和電流，并引入轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，觀測(cè)出轉(zhuǎn)矩反饋量和磁鏈的反饋量，以及定子磁鏈角，分別于給定轉(zhuǎn)矩和給定磁鏈進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe和磁鏈偏差ΔΨs，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩遲滯比較器和磁鏈遲滯比較器后得到轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)TQ和磁鏈偏差信號(hào)ΨQ，根據(jù)TQ、ΨQ的值以及定子磁鏈所在的扇區(qū)n，來共同確定使用何種開關(guān)狀態(tài)來控制變頻器，從而選擇合適的電壓空間矢量來控制異步電動(dòng)機(jī)。3.2磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)3.2.1磁鏈控制閉環(huán)磁鏈控制閉環(huán)主要包括磁鏈觀測(cè)器，以及根據(jù)磁鏈觀測(cè)器的輸出值與給磁鏈進(jìn)行比較，通過磁鏈滯環(huán)比較器，繼而控制磁鏈的恒定，使異步電機(jī)獲得較高的動(dòng)靜態(tài)性能。（1）磁鏈觀測(cè)器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中一般使用的是定子磁鏈觀測(cè)器。顧名思義，定子磁鏈觀測(cè)器是指根據(jù)在電機(jī)中檢測(cè)到的定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速等參數(shù)來對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，近似地觀測(cè)出定子磁鏈的幅值與相位。定子磁鏈觀測(cè)器一般有三種模型。其一，就是最簡單、常見的u-i模型，其公式為：（3.1）由公式3.1可以畫出u-i模型的結(jié)構(gòu)框圖，見圖2.4：圖3.2磁鏈觀測(cè)u-i模型由公式及圖3.2可知，u-i模型結(jié)構(gòu)十分簡單，不需要復(fù)雜的電機(jī)參數(shù)，只需要知道定子電阻參數(shù)，而且定子電壓以及定子電流也非常容易從定子中檢測(cè)出來。但是純積分磁鏈觀測(cè)器有一個(gè)固有的且十分嚴(yán)重的缺點(diǎn)，那就是會(huì)出現(xiàn)積分漂移的問題，嚴(yán)重影響磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性，需通過使用低通濾波器來消除這方面的問題，這使得原本簡單的u-i模型定子磁鏈觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。而且定子電阻受溫度影響很大，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的30%，Us遠(yuǎn)大于is與Rs的乘積時(shí)，Rs引起的測(cè)量誤差和積分漂移才會(huì)變得很小，這種情況下才能較為準(zhǔn)確地觀測(cè)出定子磁鏈。其二，就是稍復(fù)雜的定子磁鏈i-n模型，其公式為：（3.2）由公式3.2可以畫出i-n模型結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.3：圖3.3磁鏈觀測(cè)模型i-n模型由圖3.3以及公式3.2可知，定子磁鏈i-n模型的復(fù)雜程度比u-i模型高。i-n模型用定子電流以及轉(zhuǎn)子角速度來觀測(cè)定子磁鏈，定子電流容易精確測(cè)得，所以此模型的精度直接與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度相關(guān)，當(dāng)然也受到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。由于轉(zhuǎn)速測(cè)量肯定存在著誤差，而且轉(zhuǎn)速高時(shí)，誤差更大，因此i-n模型在高速時(shí)磁鏈觀測(cè)精度不如u-i模型，不過低速時(shí)觀測(cè)精度比u-i模型高。其三，是較復(fù)雜的定子磁鏈u-n模型，其公式為：（3.3）由于u-i模型與i-n模型都有缺點(diǎn)，且互相彌補(bǔ)，能否將兩種磁鏈觀測(cè)方式綜合起來呢？答案是肯定的，第三種磁鏈觀測(cè)方式應(yīng)運(yùn)而生，那就是u-n模型，從上述公式可知，此模型較為復(fù)雜。它綜合了上述兩種觀測(cè)模型，通過定子電壓和轉(zhuǎn)速來觀測(cè)定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)了在全速范圍內(nèi)都可以適用的觀測(cè)模型。電機(jī)在低速時(shí)，定子磁鏈觀測(cè)實(shí)際工作于i-n模型，在高速時(shí)，定子磁鏈觀測(cè)器實(shí)際工作于u-i模型，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模型的平滑過渡。不過因?yàn)槠涔揭约敖Y(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，比較難以實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)際使用仍較少。由于篇幅，u-n模型的結(jié)構(gòu)框圖不在本論文中給出，有意者可以查閱相關(guān)參考書。定子磁鏈的幅值可由下列公式求得：（3.4）定子磁鏈的相位可由下列公式求得：（3.5）（2）磁鏈的控制與調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們一般使用磁鏈滯環(huán)比較器，來調(diào)節(jié)磁鏈幅值，使之保持恒定。滯環(huán)比較器原理上實(shí)際是施密特觸發(fā)器。磁鏈滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.4：圖3.4磁鏈滯環(huán)比較器磁鏈滯環(huán)比較器的容差為±eψ，其輸入為給定磁鏈值與磁鏈反饋值的差值，其輸出為磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ。根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)綜合磁鏈所在扇區(qū)來選擇合適的電壓空間矢量，對(duì)定子磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之能夠保持恒定。當(dāng)磁鏈差值大于等于+eψ時(shí)，ψQ輸出值為1，表示實(shí)際磁鏈值低于滯環(huán)比較器的下限，則需選擇合適的電壓空間矢量來增加定子磁鏈，直到當(dāng)磁鏈差值小于等于時(shí)，ψQ輸出為0，表示實(shí)際磁鏈值高于比較器的上限，則需選擇合適的電壓空間矢量來減小定子磁鏈，這樣通過對(duì)定子磁鏈反復(fù)調(diào)節(jié)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形。由于滯環(huán)比較器存在容差導(dǎo)致了實(shí)際值在一定的范圍內(nèi)脈動(dòng)，此范圍受容差寬度影響，容差寬度越小，脈動(dòng)越小，但容差寬度受開關(guān)器件的開關(guān)頻率的影響，不能設(shè)置過小。3.2.2轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)包括轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，以及根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的輸出值進(jìn)行比較，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。(1)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩公式：（3.6）根據(jù)式3.6可以繪出轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.5：圖3.5轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖(2)轉(zhuǎn)矩的控制與調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，我們同樣使用的是滯環(huán)比較器，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.6：圖3.6轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的作用就是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。從圖3.5中我們也可以看出它與圖3.6之間的不同之處。如果仍采用圖3.5中的方式，則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)很大，這是我們不愿意看到的。所以在圖3.6中，我們引入了零電壓矢量，來減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。其工作原理為，當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值大于等于+eψ時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于1，此時(shí)應(yīng)選擇合適的電壓空間矢量來增大電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值在+eψ與-eψ之間時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于0，此時(shí)應(yīng)選擇零電壓矢量。當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值小于等于時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于-1，則此時(shí)應(yīng)選擇合適的電壓空間矢量來減少電磁轉(zhuǎn)矩。3.3逆變器在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們采用的是三相電壓型逆變器，下圖為三相電壓型逆變器的原理圖，見圖3.7：圖3.7三相電壓型逆變器三相電壓型逆變器共有3組，6個(gè)開關(guān)管，分別為這些開關(guān)管可以使用IGBT等全控型電力電子器件。特別定義開關(guān)函數(shù)：，則逆變器輸出的全部電壓空間矢量有八個(gè)，其中有六個(gè)非零電壓空間矢量，與兩個(gè)零電壓空間矢量，分別為Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)與U0(000)、U7(111)。3.4電壓空間矢量選擇我們可以根據(jù)磁鏈偏差信號(hào)ψQ，轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)TQ以及所處的扇區(qū)號(hào)來選擇合適的電壓空間矢量來控制和調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)。在三相靜止坐標(biāo)系a，b，c與兩相靜止坐標(biāo)系α、β中繪出六個(gè)非零電壓空間矢量，并且在兩相靜止坐標(biāo)系α、β下對(duì)定子磁鏈進(jìn)行扇區(qū)的劃分，傳統(tǒng)的劃分方式是將a軸與α軸重合，并且從a軸開始每隔60度劃分一個(gè)扇區(qū)，共可以劃分6個(gè)扇區(qū)。不過仔細(xì)分析時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在此種劃分方式下，對(duì)于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果會(huì)前后不一致，比如按傳統(tǒng)方式劃分時(shí)，U2空間電壓矢量在S1扇區(qū)內(nèi)對(duì)磁鏈幅值作用效果不一致，0度到30度時(shí)是減小磁鏈，而30度到60度則是增加磁鏈。為了解決這個(gè)問題，本論文采用另一種劃分方式，以-30度軸與α軸重合，作為起始，每隔60度劃分一個(gè)扇區(qū)，共可以劃分6個(gè)扇區(qū)，分別用S1,S2,S3,S4,S5,S6來表示。扇區(qū)劃分如圖3.8所示圖3.8扇區(qū)劃分在此種劃分方式下，對(duì)于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果是一致的。異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，假設(shè)定子磁鏈位于S2扇區(qū)，當(dāng)實(shí)際磁鏈幅值達(dá)到下限，即ψQ=1時(shí)，應(yīng)選擇非零電壓空間矢量來增加磁鏈，此時(shí)可以分兩種情況：（1）實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到下限，即TQ=1時(shí)，應(yīng)增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U2(010)來同時(shí)增加磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩。（2）實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限，即TQ=-1時(shí)，應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U4(100)來增加磁鏈幅值并減小電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)實(shí)際磁鏈幅值達(dá)到上限，即ψQ=0時(shí)，應(yīng)選擇非零電壓矢量來減小磁鏈，此時(shí)也可以分為兩種情況：實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到下限，即TQ=1時(shí)，應(yīng)增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U3(011)來減小磁鏈幅值并增加電磁轉(zhuǎn)矩。實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限，即TQ=-1時(shí)，應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U5(101)來減小磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的幅值。類似地，我們用同樣的方法可以在S2,S3，S4，S5，S6扇區(qū)內(nèi)選擇合適的電壓空間矢量，并且零電壓矢量的使用應(yīng)符合開關(guān)次數(shù)最小的原則，由此，我們可以獲得一個(gè)最優(yōu)的電壓空間矢量選擇開關(guān)表，如下表3.1所示:表3.1電壓矢量開關(guān)表yQTQSn1234561u611)u2(01)u3(01)u1(00)u510)u410)10u711)u0(00)u711)u0(00)u711)u0(00)-1u510)u410)u611)u2(01)u3(01)u1(00)1u2(01)u3(01)u1(00)u510)u410)u611)00u0(00)u711)u0(00)u711)u0(00)u711)-1u1(00)u510)u410)u611)u2(01)u3(01)3.5扇區(qū)判斷對(duì)磁鏈的計(jì)算不僅包括幅值，還包括相位角，使用相位角判斷磁鏈所在的扇區(qū)，并將結(jié)果送到電壓矢量選擇（查表）模塊。360°被劃分成六個(gè)扇區(qū)S1,S2，S3，S4，S5，S6，每個(gè)扇區(qū)寬度為60o，本實(shí)驗(yàn)中所采用的扇區(qū)劃分方法如下，即：位于扇區(qū)六位于扇區(qū)二位于扇區(qū)六位于扇區(qū)二位于扇區(qū)一當(dāng)時(shí)，若位于扇區(qū)五位于扇區(qū)五位于扇區(qū)四當(dāng)時(shí)，若位于扇區(qū)三或者可以用定子磁鏈角θ來表示：當(dāng)-30°<θ<=30°時(shí)，處于扇區(qū)1當(dāng)30°<θ<=90°時(shí)，處于扇區(qū)2當(dāng)90°<θ<=150°時(shí)，處于扇區(qū)3當(dāng)150°<θ<=210°時(shí)，處于扇區(qū)4當(dāng)210°<θ<=270°時(shí)，處于扇區(qū)5當(dāng)270°<θ<=330°時(shí)，處于扇區(qū)63.6本章小結(jié)本章對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和推導(dǎo)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了分析。第4章空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)4.1空間矢量脈寬調(diào)制原理與正六邊形的磁鏈軌跡不同，近似圓形的磁鏈軌跡舊是以SVPWM控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，相鄰的兩個(gè)非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量在時(shí)間上的不同組合，可以得到該扇區(qū)內(nèi)的一組幅值相等相位不同的電壓空間矢量。從一個(gè)電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)電壓空間矢量的過程中，應(yīng)當(dāng)使功率器件的開關(guān)次數(shù)最少，也就是說每次只有一個(gè)器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。通過控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間和不同電壓空間矢量的給出順序，使空間電壓矢量運(yùn)動(dòng)軌跡接近圓形，就可以便電機(jī)的磁鏈軌跡逼近圓軌跡。三相電壓型逆變電路如圖4.1所示：圖4.1三相電壓型逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=a、b、c)為：則一共可以組成8個(gè)電壓空間矢量，包括兩個(gè)零電壓矢量U0(000)、U7(111)和六個(gè)非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。在對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，我們均需要對(duì)三相進(jìn)行分析和控制，可以引入Park矢量變換式：（4.1）假設(shè)Sx(x=a、b、c)=(100)，有：求解上述方程可得：UaN=2Udc/3、UbN=-Udc/3、UcN=-Udc/3，則代入Park矢量變換式可得：按照此種計(jì)算方式，我們可以計(jì)算出各個(gè)狀態(tài)下的空間電壓矢量，如下表4.1所示：表4.1空間電壓矢量SaSbSc矢量符號(hào)相電壓電壓空間矢量UaNUbNUcNUs000U00000100U4110U6010U2011U3001U1101U5111U70000(1)逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們以周期性的順序出現(xiàn)，相鄰的兩個(gè)矢量之間相差60度。(2)電壓空間矢量的幅值不變，都等于2/3Ud，因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的留個(gè)頂點(diǎn)。(3)依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的六個(gè)電壓空間矢量的順序是：U4（100），U6（110），U2（010），U3（011），U1（001），U5（101）。(4)零電壓矢量U0（000）,U1（111）位于正六邊的中心。八個(gè)基本電壓空間矢量的位置與幅值如下圖4.2所示：圖4.2電壓空間的位置與幅值在每一個(gè)扇區(qū)中，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意期望電壓空間矢量，即：（4.2）或者等效成下式：其中，Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0在一個(gè)采樣周期內(nèi)的作用時(shí)間；其中U0包括了U0和U7兩個(gè)零矢量，矢量Uref在T時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果應(yīng)與Ux、Uy、U0分別在時(shí)間Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果總和相同。要使電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡趨近于圓形，從而使磁鏈的軌跡接近于圓形，可以利用上述的電壓向量合成技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。4.2期望電壓空間矢量的獲得要獲得更多邊形或是接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。我們可以用八個(gè)基本空間矢量合成其他多個(gè)矢量。按照空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量來合成期望的輸出矢量。本文采用一種基本的方法，在合成空間電壓矢量時(shí)，八個(gè)電壓矢量的組合應(yīng)遵循以下原則：(1)以降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗為原則，從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的切換應(yīng)只有一個(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)發(fā)生改變。(2)以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和諧波分量為原則，我們采用零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法。任一期望電壓矢量應(yīng)由與該電壓矢量相鄰的兩個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量合成。三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為ω=2πf，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為T=1/f；若載波頻率是fs，則頻率比為R=fs/f。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成R個(gè)小增量，即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是：今假設(shè)欲合成的電壓向量Uref在第Ⅰ區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖4.3所示，欲用U4、U6、U0及U7合成，用平均值等效可得：Uref*Ts=U4*T4+U6*T6。圖4.3電壓空間向量在第Ⅰ區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系（α，β）中，令Uref和U4間的夾角是θ，由此可得方程：（4.3）因?yàn)閨U4|=|U6|=2Udc/3，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為：式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比），m=|Uref|/Udc。而零電壓向量所分配的時(shí)間為：T7=T0=(Ts-T4-T6)/2得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的時(shí)間后，接下來就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻的開關(guān)動(dòng)作，最大限度地減少開關(guān)損耗。4.3SVPWM調(diào)制算法通過以上SVPWM的法則推導(dǎo)分析可知要實(shí)現(xiàn)SVPWM信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶俊ｋ妷菏噶空{(diào)制的控制指令是控制系統(tǒng)給出的矢量信號(hào)Uref，它以某一角頻率ω在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)600扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。本章小結(jié)本章對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)原理進(jìn)行了細(xì)致的分析，了解了SVPWM波是如何調(diào)制出來的。第5章基于SVPWM異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)5.1基于SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖5.1所示：速度PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器速度PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器磁鏈PI調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換SVPWM調(diào)制模塊逆變器異步電動(dòng)機(jī)磁鏈角計(jì)算轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型磁鏈觀測(cè)模型＋——＋三相-兩相坐標(biāo)變換圖5.1基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如何將SVPWM技術(shù)應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是確定需要調(diào)制的控制量。美國學(xué)者Habetler提出的無差拍控制技術(shù)是在一個(gè)控制周期內(nèi)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差計(jì)算出能使誤差為零的定子電壓矢量，并在下一個(gè)控制周期中使用SVPWM技術(shù)將其合成來實(shí)現(xiàn)控制[19]。無差拍技術(shù)能在理論上完美解決DTC存在的問題，但實(shí)際計(jì)算量較大，不易實(shí)現(xiàn)。本文采用PI調(diào)節(jié)器獲得可以補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的參考電壓量，再由SVPWM技術(shù)合成目標(biāo)電壓矢量來控制逆變器，其方法直接簡單，利于實(shí)現(xiàn)。DTC-SVM系統(tǒng)包括定子磁鏈閉環(huán)、電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)。根據(jù)給定磁鏈|Ψs|*和磁鏈反饋|Ψs|之間的偏差ΔΨs，給定轉(zhuǎn)矩Te*和反饋轉(zhuǎn)矩Te之間的偏差ΔTe，經(jīng)過兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器得到旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的參考定子電壓矢量分量Usq*、Usd*，再經(jīng)反旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下的分量usα*、usβ*，作為SVPWM模塊的參考電壓矢量，得到恒定開關(guān)頻率的開關(guān)信號(hào)控制逆變器，從而實(shí)時(shí)地推導(dǎo)出任意大小、任意相位的電壓空間矢量施加在電機(jī)的定子繞組上。5.2磁鏈定向方式矢量控制系統(tǒng)中一般應(yīng)用的是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，不過在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，一般使用的是按定子磁鏈定向。所謂的按定子磁鏈定向，是指繪出以WΨs為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系dq，以及靜止的坐標(biāo)系αβ，WΨs為定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝相對(duì)于靜止α軸的旋轉(zhuǎn)角速度，d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蛞恢?，由此定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蚺cα軸的夾角，就可以作為dq/αβ變換的變換角。異步電機(jī)在以WΨs為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系d-q下的定子電壓矢量方程式：（5.1）按此定子磁鏈定向，有Ψs=Ψsd+Ψsq即Ψs=Ψsd、Ψsq=0，定子電壓矢量方程可以改寫為：（5.2)(5.3)而電磁轉(zhuǎn)矩方程式可以改寫為：(5.4)由式（5.3）和式（5.4）可以得到：(5.5)在此定向方式下，由方程5.2可知定子電壓矢量的d軸分量Usd可以產(chǎn)生定子磁鏈的控制量，由方程5.5可知，定子電壓矢量q軸分量Usq可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的控制量，也就是在一個(gè)控制周期內(nèi)，可以通過PI調(diào)節(jié)器得到消除磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓空間矢量。DTC-SVM的扇區(qū)判斷基于SVPWM的扇區(qū)劃分如下圖5.2：圖5.2基于SVPWM的扇區(qū)劃分空間電壓矢量Us*所處扇區(qū)位置的判斷可利用參考電壓矢量的分量和，與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的扇區(qū)判斷類似，Us所在的扇區(qū)由，，來決定，所以可定義方程組：（5.6）定義開關(guān)函數(shù)如下：（5.7）令：S值與Us*所在扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表5.1所示：表5.1S值與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系S123456扇區(qū)號(hào)ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ上述扇區(qū)計(jì)算方式十分簡便，易于實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度具有很大的意義。5.4空間電壓矢量調(diào)制在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)，可以利用兩個(gè)相鄰的作用時(shí)間不同的非零電壓矢量來等效合成所需要的期望電壓空間矢量Us*。假設(shè)Us位于I扇區(qū)，期望電壓空間矢量Us*可由兩個(gè)相鄰有效電壓矢量U4、U6和零電壓矢量來合成，則有下列方程成立：(5.8)其中，Ts為一個(gè)采樣周期，Tx、Ty和T0為U4、U6和零電壓矢量的作用時(shí)間。SVPWM的調(diào)制載波為等腰三角形，為了使輸出的PWM波形在一個(gè)載波周期Ts內(nèi)對(duì)稱，本文采用了如圖5.3（a）的Us*合成方式，該方法是把每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間都一分為二，同時(shí)將零矢量作用時(shí)間等分給U0和U7。圖5.3（b）給出了I扇區(qū)中Us*的SVPWM調(diào)制輸出波形，一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的開關(guān)順序?yàn)閁0-U4-U6-U7-U7-U6-U4-U0這樣保證了每次電壓矢量切換時(shí)只有一個(gè)開關(guān)器件在動(dòng)作，從而可以降低開關(guān)損耗和逆變器的輸出諧波。圖5.3（a）電壓空間矢量合成方式圖5.3（b）調(diào)制輸出波形則由圖5.3（a）可得方程：6個(gè)非零電壓空間矢量的幅值都相等，且等于2/3Udc,則代入上式計(jì)算可得：(5.9)計(jì)算出Tx和Ty后，可由公式T0=Ts-Tx-Ty計(jì)算得到T0的值。其他的扇區(qū)的計(jì)算方式與上面的計(jì)算方式完全一致，算出6個(gè)扇區(qū)后，可得如下規(guī)律：(5.10)對(duì)應(yīng)于不同的扇區(qū)，Tx、Ty按下表5.2的方式取值。表5.2Tx、Ty賦值表扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥTx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X定義（5.11）Ta，Tb，Tc是與等腰三角波進(jìn)行比較以產(chǎn)生PWM波形的三個(gè)比較值。它們?cè)诓煌纳葏^(qū)對(duì)應(yīng)不同矢量的作用時(shí)間，從圖4.2（b）看出各扇區(qū)內(nèi)三相a,b,c脈沖的對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間Ta，Tb，Tc如表5.3所示。表5.3a、b、c三相在各扇區(qū)的Ta、Tb、Tc扇區(qū)號(hào)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥa相TabccbTab相bTaTabccc相ccbTaTab5.5本章小結(jié)本章對(duì)基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和推導(dǎo)，推導(dǎo)出的結(jié)果將在各個(gè)模塊仿真時(shí)用到。第6章DTC-SVM仿真研究6.1MATLAB/Simulink的簡介MATLAB，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，是目前國際上最流行，應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，也是發(fā)展最為迅速的軟件之一。它是MATLAB產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)，其數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，非常強(qiáng)大。它集成了二維和三維的圖形功能，以此可以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語言-M語言，其具有如下的特點(diǎn)。(1)功能強(qiáng)大(2)人機(jī)界面友好編程效率高(3)強(qiáng)大而智能化的作圖功能(4)可擴(kuò)展性強(qiáng)(5)Simulink動(dòng)態(tài)仿真功能Simulink是Matlab的仿真工具箱，它可以用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、分析，并且支持持續(xù)的、離散的、線性的、非線性的系統(tǒng)。Simulink最顯著的特點(diǎn)就是只需用戶根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和一些具體的模擬要求，從模塊庫中選擇合適的模塊組合在一起，只需要知道所選模塊的輸入輸出關(guān)系，而不必知道模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)功能的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用組成控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真與分析。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)中常用的基本元件和模塊，可以方便的進(jìn)行電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。也可以根據(jù)用戶自己的需求來封裝產(chǎn)生新的模塊，Simulink的仿真功能十分地強(qiáng)大。6.2基本仿真模塊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈達(dá)到轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。而基于空間矢量脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是結(jié)合了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和空間矢量脈寬調(diào)制兩者的特點(diǎn)?；赟VM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成，結(jié)構(gòu)，以及原理已在前面論述過，本章節(jié)主要是將前文的各個(gè)模型，用Simulink搭建出來。6.3坐標(biāo)變換仿真模塊6.3.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊3/2坐標(biāo)變換仿真模塊，如下圖6.1所示：圖6.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊6.3.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊2r/2s旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊，如下圖6.2所示：圖6.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換6.4轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊由于電磁轉(zhuǎn)矩不能直接測(cè)得，只能用定子電壓和定子電流對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊如下圖6.3所示：圖6.3轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模塊6.5磁鏈觀測(cè)仿真模塊圖在本仿真試驗(yàn)中，我采用的是定子磁鏈觀測(cè)i-n模型，即全電流模型，需要用到定子電流以及轉(zhuǎn)子角速度來對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，仿真模塊如下圖6.4所示：圖6.4磁鏈觀測(cè)模塊其中Lr=Lm+Llr，T=Lr/Llr=0.1717sSVPWM仿真模塊SVPWM模塊仿真圖SVPWM模塊仿真圖，如下圖6.5所示圖6.5SVPWM模塊仿真圖6.6.2扇區(qū)判斷仿真模塊電壓空間矢量所處的扇區(qū)判斷模塊仿真圖，由下圖6.6所示：圖6.6扇區(qū)判斷模塊6.6.3基本電壓空間矢量工作時(shí)間計(jì)算仿真模塊根據(jù)式，可得仿真模塊圖，如下圖6.7所示：圖6.7（a）X、Y、Z計(jì)算模塊仿真圖6.7（b）T1、T2生成模塊仿真圖需要特別注意的是，需要對(duì)T1、T2進(jìn)行飽和判斷，若T1+T2>Ts，則?。?.6.4逆變器導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算根據(jù)式，可搭建仿真模塊圖，如下圖6.8所示：圖6.8導(dǎo)通時(shí)刻仿真模塊圖SVPWM波生成模塊SVPWM波生成模塊仿真圖由下圖6.9所示：圖6.9SVPWM模塊生成模塊仿真6.7仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果本仿真實(shí)驗(yàn)所用的異步電機(jī)為鼠籠式異步電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率為7.5Kw，額定電壓為380V，頻率為50Hz，定子電阻為0.7384歐，轉(zhuǎn)子電阻為0.7402歐，定子漏感為0.003045H，轉(zhuǎn)子漏感為0.003045H，定轉(zhuǎn)子互感為0.1241H，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.0343Kg/。其他參數(shù)：直流側(cè)電壓有效值540V，三角載波頻率36KHz。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：定子磁鏈軌跡比較傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制與基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制的定子磁鏈軌跡如下圖6.10所示：圖6.10（a）傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)定子磁鏈軌跡圖6.10（b）基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由圖6.10（a）與圖6.10（b）可知，當(dāng)參數(shù)設(shè)置得不錯(cuò)的時(shí)候，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都能獲得不錯(cuò)的定子磁鏈軌跡，都十分接近圓形。但仔細(xì)觀察可知，基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈軌跡更加的完美，畸變