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1、 毕业设计(论文)开题报告题 目： DTC 系统中定子磁链观测器的设计 院： 电气信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，
2、学生写文献综述的参考文献应不少于 10 篇（不包括辞典、手册） ，其中至少应包括 1 篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用 A4 纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告文 献 综 述1 、概述直接转矩控制(DTC)变频调速系统是近十几年继矢量变频调速技术之后发展起来的一种新型高性能的控制方式。运用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Bang-Bang控制）产生 PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获
3、得转矩的高动态性能。其省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。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
4、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2、定子磁链观测方法的研究现状在高性能异步电机交流传动系统中，磁链信号的获取是至关重要的。矢量控制需要获取电机的转子磁链，直接转矩控制则需要获取定子磁链，且磁链信号准确与否决定着系统的控制性能。通常定子磁链是难于直接测量得到的，均需通过间接方法估算得到，即先检测定子电压、电流等容易测量的量，再根据异步电
5、机数学模型实时地计算出定子磁链幅值和相位，但电机数学模型是基于电机参数的，故电机参数变化将影响到定子磁链的准确。所以，在高性能交流调速系统中，怎样准确地观测定子磁链，或者说怎样消除或者降低参数变化对定子磁链估计带来的影响，一直是我们所面临的一个严峻课题3、定子磁链观测方法定子磁链估算方法有很多，包括常用的一些开环方法和基于观测器的闭环方法，下面分别介绍这些方法。3.1 开环观测方法常见的几种开环磁链估算方法主要有电压电流模型法、电流转速模型法和电压转速模型法。其中，电压模型法主要用于中高速区域定子磁链估算，结构简单、对参数依赖性小、鲁棒性好；电流模型法则主要用在低速范围内，需要电流、转速及转子
6、参数，鲁棒性较差；而电压转速模型法综合了前两种模型的优点，但其系统结构复杂，模型平滑切换困难，故较少应用。电压模型法在中高速区域内可获得较高的观测精度，而在低速区时，由于定子电阻压降占定子电压的比例较大，此时用电压模型法估算定子磁链将会产生较大的幅值和相位误差。电压模型本身含有纯积分器，而纯积分器存在积分初值和漂移问题，当电机运行在较高速时，其影响不明显；当电机运行在低速区时，由于定子电阻压降作用明显，反电势被测量误差淹没，使观测精度变低。常用的解决方法是采用一阶低通滤波器来代替纯积分器，这样可以部分消除直流偏移和积分初值问题，同时将引起相位偏移和幅值偏差。提出了一种方法用以提高积分器的低速特
7、性，其基本思想是改进电压和电流的检测质量，并用简单的算法消除积分器中的直流分量，使系统的低速性能获得一定的提高，但它只能在一定程度上消除直流偏移问题，依然无法克服积分器的固有缺陷。提出了一种定子磁链幅值和相位补偿算法，以消除低通滤波器存在的不足，但此方法只适用于稳态情况。在分析电压模型存在问题的基础上，提出了三种改进型积分器，用于全速范围内观测定子磁链。其中，算法二和算法三可以很好地消除积分器所具有的积分初值问题，在一定程度上补偿低通滤波器引起的幅值和相位误差。算法三引入了定子磁链与反电势正交控制器来自适应调整限幅值，然而算法复杂，增加了系统的计算负担。算法二适合于电机运行过程中磁链保持恒定的
8、情况。由于定子频率的变化和直流偏移的不可预测性，改进型积分器还不能很好的解决实际问题。如果低通滤波器的截止频率是一个固定值，当速度变化时，滤波器的滤波效果将变差。为实现电机的高性能控制，不同的电机运行状态要求相应的截止频率与之对应。显然，固定的截止频率无法实现电机的高性能。开环定予磁链估算方法结构简单，容易实现，但其精度受电机参数变化影响较大，无法在较宽速度范围内精确估算定子磁链，故需要引入各种反馈，构成闭环定子磁链观测器。3.2 闭环观测方法直接转矩控制系统中用于定予磁链估算的闭环观测器主要有：全维状态观测器法、滑模观测器法、神经网络观测器和扩展卡尔曼滤波器。采用基于电机理想模型的状态观测器
9、方法来估算定子磁链。采用基于扩展Luenberger观测器的磁链闭环观测方法，改善了感应电机直接转矩控制系统的低速运行性能，具有算法简单，收敛速度易于调节等优点。观测器所采用的数学模型依赖于电机转速，因此，通常把转速作为一个状态变量，建立一个增广的状态模型，进而同时估算磁链与转速。速度估计通常受到累积误差、噪声及延迟的影响，速度估计误差的反馈将导致磁链估计的精度下降。采用基于定子电流误差模型的磁链观测器，用以解决磁链的饱和问题；采用基于神经网络的磁链观测器，该观测器是充分考虑了电机的非线性特点而设计的一种观测器，它可以在线学习，满足了实时性的要求；采用滑模观测器方法来观测定子磁链。在转速可测的
10、条件下，利用定子电流误差建立滑模平面，滑动模态过程迫使估计的定子磁链以幂指数收敛于实际值，并证明了观测器的稳定性及鲁棒性。这种方法需要速度传感器来得到转速信息，转速的精度对磁链观测器性能起到决定性作用。采用感应电机全维状态观测器方案，对参数变化和测量噪声干扰方面有较强的抗干扰能力。该方案将全维状态观测器作为可调模型，由此构成的系统在低速区对定子磁链能够较准确观测。为使系统全局稳定，在电机不同的运行速度范围内，观测器需采用不同的增益矩阵。观测器法也会受电机参数影响，故需要额外设计在线状态观测器来实时估计电机参数，致使系统结构复将电机转速作为一个状态变量，与电机模型合并成一个五阶非线性模型，采用扩
11、展卡尔曼滤波器进行磁链与转速估计。扩展卡尔曼滤波器提供了迭代形式的递推估计方法，避免了对测量信号的微分。但是这种方法是建立在对噪声统计特性己知的基础上进行的，而且计算量很大，对于实时性要求很高的电机控制领域将是很大的挑战。4、问题的提出与解决问题的途径在感应电动机直接转矩控制系统中电路模型采用的是空间矢量等效电路模型，并且利用矢量变换将三个电压标量三维变换为一个电压矢量二维，这样可得到七个电压状态。通过转矩调节器来控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小，从而控制转矩。正确选择电压空间矢量，可以形成六边形定子磁链。从转矩控制的角度来看，只关心转矩
12、的大小，即电流和磁链的乘积，但从电动机合理运行的角度出发，仍希望磁链幅值不变。为了得到高动态性能的转矩特性，还应使定子磁链的平均值尽可能为恒定值，这就需要对最初提出的直接转矩控制系统进行改进，最为理想的情况当然是采用三相正弦波给感应电动机供电，定子磁链轨迹为圆形，谐波、噪音及转矩脉动最小，这需要增加开关数量及其切换频率。这对直接转矩控制提出了更高的要求，也说明研究高性能的直接转矩控制系统是非常必要的。为了减小直接转矩控制系统中的转矩脉动，提高感应电动机的调速性能，采用了定子磁链轨迹近似为圆形的控制方法，也就是将定子磁链的幅值限定在一个比较小的范围内，而不是使定子磁链按照六边形轨迹运动，定子磁链
13、的幅值一旦超出这个范围，相应改变定子电压向量，控制其回到限定的范围内。为实现这一控制，并且考虑到逆变器件所能承受的开关频率，将定子磁链的轨迹分为六个区，对定子磁链实行分区控制，不同区域采用不同定子电压切换向量，使得定子磁链的轨迹近似为一圆形。对于转矩调节采用三值调节器，可以控制定子磁链正转、反转或静不动，从而控制转矩，以实现转矩的快速调节。参考文献1 李华德、白晶、李志民等.交流调速控制系统，北京：电子工业出版社，2003.3 2 史国生等.交直流调速系统，北京：化学工业出版社，2002 3 李永东.交流电机数字控制系统，北京：机械工业出版社，2002.4 4 吴安顺等.最新实用交流调速系统，
14、北京：机械工业出版社，1998.8 5 胡崇岳等.现代交流调速技术，北京：机械工业出版社，1998.9 6 周渊深.交直流调速系统与 MATLAB 仿真，北京： 中国电力出版社，2003 7 吕锋、牛金生等.电机与控制，北京：电子工业出版社，2002.6 8 别红波.异步电机直接转矩控制研究与系统开发，大连理工大学：硕士论文，2005.3 9 赵伟峰、朱承高.直接转矩控制的发展现状及前景，电气传动，1999（3） 10唐中琦、谢运祥.直接转矩控制技术发展综述，微电机，1998 11 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 200812 冯江华，陈高华, 黄松涛. 异步电动
15、机的直接转矩控制. 电工技术学报， 1999，第 14 卷第 3 期 13 蔡文皓，刘庚，程红，贺伟. 直接转矩控制的磁链控制方法仿真与分析. 电机技术，2010 年第 3 期14 徐建华，姚来强. 异步电机直接转矩控制系统的设计与仿真. 冶金自动化，2008，125105 15 D. Casadei, F. Profumo. FOC and DTC Two Viable Schemes for InductionMotors Torque ControlJ. IEEE Trans. on Power Electronics, 2004, 17(5):77978616 I. Takahashi, T. Naguchi. A New Quick-Response and High-EfficiencyControl Strategy of an Induction MotorJ. IEEE Trans on. Industry Application,19865毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 开 题 报 告一、课题的目的与意义通过对异步电机直接转矩控制定子磁链观测的初步研究，熟悉直接转矩控制中磁链设计的相关程序和研究方法了解直接转矩控制技术的研究现状和发展趋势，完成毕业设
