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1、山东大学硕士学位论文异步电机直接转矩控制理论和技术的研究姓名：孙振川申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：刘锦波20080531山东大学硕士学位论文摘 要直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。虽然直接转矩控制的优势是矢量控制所不能实现的，但是直接转矩控制依然存在一系列不能忽视的问题。直接转矩控制采用两点式转矩和磁链滞环控制器，使转矩和磁链被控制在给定值的一定范围以内，这种控制方法不可避
2、免地带来电机输出转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定等问题。直接转矩控制采用定子磁链定向，只用便于测量的定子电阻来估计定子磁链，这样在低速运行时会带来磁链估计的误差。虽然在全速范围内估计定子磁链运用低速时采用的电流一转速模型和高速时采用的电压一电流模型的合成模型，即电压一转速模型，然而两种模型的平滑切换又是一个新的问题。直接转矩控制在基频以下调速的理论和应用已经实现，在基频以上的弱磁调速范围内的理论和应用还需要进一步的研究。为了解决这些问题，本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型，对传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统进行了研究。在传统直接转矩控制系统中，详细讨论了定子磁链估
3、计的三种基本模型，设计了定子磁链估计的加权模型，使电机在全速运行的范围内都能够得到准确的定子磁链。针对转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定的问题，本文设计了两种改进的直接转矩控制系统。在基于占空比控制的直接转矩控制系统中，通过对一个采样周期内非零电压矢量作用时间占采样周期的占空比的优化，解决了转矩脉动过大的问题；在一个采样周期内，从非零电压矢量到零电压矢量的转换只有一次，实现了开关频率的恒定。在基于滑模变结构的直接转矩控制系统中，本文设计了转矩和磁链滑模变结构控制器代替传统直接转矩控制系统中的转矩和磁链滞环控制器；运用空间矢量脉宽调制技术，实现了开关频率的恒定。本文把传统直接转矩控制系统和两种改
4、进的直接转矩控制系统扩展到基频以上的弱磁范围内的异步电动机调速系统中，对其进行了相关研究。为了验证上述各种控制系统的正确性和有效性，本文采用MatlabSimulink山东大学硕士学位论文仿真软件对其进行了仿真验证。针对传统直接转矩控制系统，对定子磁链估计的加权模型进行了仿真验证。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种改进的直
5、接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统，依然能够减小转矩脉动和转速的稳态误差。关键词：异步电动机；直接转矩控制；占空比；滑模控制山东大学硕士学位论文ABSTRACTDirect torque control(DTC)technology has been widely used in electricallocomotive，automotive industry，household appliances
6、 and other industrial controlareasIn the motion control systems direct torque control，as a new strategy of ACdrive，is playing an enormous role in the fields of motion control because of itsnovel idea，simple structure，and fast dynamic response to torqueAlthough DTChas many advantages over fluxoriente
7、d vector control，there are many needfulimprovements exi sted in DTCDTC adopts two torque and flux hysteresiscontrollers，which serve to control torque and flux within a certain value of giventorque and flux respectivelyThis control strategy inevitably brings some problemssuch as undesirable torque ri
8、pple and unconstant inverter switching frequencyDTC adopts stator flux orientation and uses stator resistance to estimate stator flux，both of which will bring flux error in lowspeed operationWhile estimating statorflux within full-speed adopts a compound voltage-speed model composed bycurrentvelocit
9、y model at low-speed and voltage-current model at highspeed，thesmooth handoff between two models is a problem needed to be solvedDTC underbasefrequency has been achieved；however，its theory and application can beextended to above basefrequency realmIn order to solve these problems，this paper presents
10、 the traditional DTCsystem and two improved DTC systems aiming at the mathematical model ofasynchronous machine on two-phase standstill axisIn the traditional DTC system，three estimation models of the stator flux are discussed in detail and the weightedmodel is designed，both of which serve to get pr
11、ecise stator flux in full-speedoperationIn order to cope with undesirable torque ripple and unconstantswitching行equency this paper designs two improved DTC systemsIn the DTCsystem based on duty cycle control，an optimized duty cycle of a nonzero voltagevector is adopted to solve the problem of large
12、torque rippleThere is only oneswitching opportunity from the nonzero voltage vector to zero one in a totalsample cycle，which realizes the constant inverter switching frequencyIn the DTC山东大学硕士学位论文system based on sliding mode control，this paper designs torque and flux slidingmode controllers to replac
13、e the traditional ones，and realizes constant switchingfrequency by handling SVPWMThis paper extends the traditional DTC and twoimproved DTC methods to above base-frequency realmIn order to verify the effectiveness of the control systems mentioned above，simulations are made using MatlabSimulinkA stat
14、or flux estimated weightedmodel is constructed in the traditional DTC systemSimulation shows a goodresult within all speedsAs for the DTC system based on duty cycle control andthe DTC system based on sliding mode control，this paper discusses four instancesof the load torque with disturbance and no d
15、isturbance，the constant and variableassigned revSimulation shows that both improved DTC methods Can reducetorque ripple and the steadystate error of rev effectivelyFor the opptunity abovebase-frequency，three different DTC methods are utilizedSimulation shows thatboth improved DTC systems are superio
16、r to the traditional one in abovebase-frequency operationKey words：asynchronous motors；diret torque control；duty cycle；sliding modecontrol原创性声明和关于论文使用授权的说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。
