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1、目 录摘要：1Abstract：21 前言31.1 交流电机控制技术的发展与展望31.2 直接转矩控制技术的优点51.3 直接转矩控制技术的现状及发展趋势62 三相异步电机直接转矩控制基本原理82.1 三相异步电动机的数学模型82.1.1 三相异步电机的数学模型82.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响92.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响112.2三相异步电机直接转矩控制系统的实现112.2.1逆变器的开关状态和电压状态112.2.2电压空间矢量122.2.3圆形磁链轨迹的形成132.3电压空间矢量开关信号的选择142.4本章小结163 三相异步电机直接转矩控制策略173.1定子磁链矢量空间
2、位置检测173.2 定子磁链和电磁转矩的估计183.2.1定子磁链估计183.2.2 电磁转矩估计223.3磁链调节和转矩调节223.4 起动问题233.5 直接转矩控制技术233.6 本章小结254 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真264.1 仿真软件MATLAB简介264.2 三相异步电机直接转矩控制系统的仿真284.3直接转矩控制系统的仿真结果与分析294.4本章小结30结论31谢辞32参考文献33三相异步电动机直接转矩控制研究摘 要异步电动机以其结构简单、制造方便、经济耐用的优点，在工、农、国防等诸多领域得到了广泛应用，其总用电量占全国工业用电量的60%以上。直接转矩控制
3、是上世纪80年代继矢量控制之后的又一新型高性能交流电机控制技术，它直接对电机转矩进行控制，解决了矢量控制计算复杂、特性易受电机参数影响等问题。本论文在掌握直接转矩控制理论的基础上，对异步电动机直接转矩控制系统进行了仿真研究。 本文首先概述了交流电机控制技术和直接转矩控制技术的发展过程，并对它们的发展趋势做了展望。然后，阐述了直接转矩控制的基本概念，理论基础，数学模型。分析了电压空间矢量对磁链和转矩的作用及圆形磁链的形成原理。介绍了异步电动机直接转矩控制系统的各部分组成。最后，运用MATLAB/SIMULINK进行了基于六矢量异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，搭建了系统的仿真模型。仿真结果体
4、现了直接转矩控制的优点。 关键词:异步电动机;直接转矩控制;空间矢量;定子磁链观测; MATLAB仿真AbstractAsynchronous motor has been avidly applied in industry, agriculture andnational defence because of its simple structure, easy manufacture, good economy and durability. Its electric energy consumption is 60% of the industrialelectric energy c
5、onsumption. DTC Direct torque control) was first presented in 1980s. It is another new high performance AC motor control technology after VC (vector control). DTC controls the motor torque directly and solves the VCs problems of complex computation and unstable performance affected by motor paramete
6、rs.In the first part, a summary and a prospect of AC motor control technology and DTCs development are given. Several schemes of DTC system are introduced briefly.In the second part, the basic concepts, theory and mathematical model are expatiated. The effect on flux linkage and torque by voltage sp
7、ace vector and the forming principle of round flux linkage are analyzed. Then the composition of DTC system is introduced.In the third part, .the simulation research on asynchronous motor DTC system base on six voltage space vectors is realized in MATLAB/Simulink. Keywords：asynchronous motor; DTC; s
8、pace vetor; flax linkage observer; simulation1 前 言统计表明，在我国电机驱动系统的能源利用率极低，与国外平均水平相比要低20，存在非常严重的电能浪费情况，这对我国本来就十分严峻的用电现状可以说更加不利。因此，为了满足不断发展的实际需求，同时减小能源损耗，延长电机寿命，必须不断发展高性能、高精度的交流电机调速技术。这不仅关乎我们当前的经济发展，更重要的，因为它与能源开发和节约息息相关，还对我们未来的可持续发展有非常重要的意义。随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电机调速技术发展到今天，有了长足的进步。特别是20世纪70年代出现的
9、矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电机调速系统性能可以与直流电机调速系统相媲美。而交流电机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电机调速系统的优势高于直流电机调速系统。因此，交流电机调速系统的市场占有率不断扩大，在工业、农业和国防等领域得到越来越多的关注。1.1 交流电机控制技术的发展与展望 交流电机控制技术的发展离不开电力电子技术、数字控制技术和控制策略的 展。 电力电子技术对电机控制技术发展的影响电机控制技术的发展与电力电子器件制造工艺的提高、产品的更新密不可分.早在19世纪末，交流电机便己面世。但是其调速困难，调速性能和转矩控制特性都赶不上直流电机
10、调速系统，因此在调速传动领域中多采用直流电机调速系统。上世纪20年代，人们开始意识到变频调速是一种较理想的交流电机调速技术，然而其所需设备庞大，可靠性差的缺点限制了它的发展。直到20世纪80年代第一代电力电子器件SCR (Silicon Controlled Rectifier)的出现，才使交流调速技术有了新的转机。之后电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高o SCR作为最早的电力电子元件，以其高电压、大电流的特性，至今仍在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应用中占有不可动摇的地位。自第二代以GTR (Giant Transistor), GTO(Gate-
11、Turn-Thyristor)、MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)至第三代以IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)为代表的电力电子器件的发展中，除了自关断能力外，元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了GTR做成的通用型变频器，GTR的开关频率约为2 kHz左右，变频器输出的最低工作频率约为3 Hz，最高频率120 Hz左右。而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20 kHz左右，变频
12、器的最低输出频率可达0.5 Hz，最高工作频率可达400500 Hz。用它控制电机运行，则噪声更小，运行更平稳。高开关性能元件的问世是现代矢量变换控制应用于中小功率、高性能交流调速系统的保证。第四代电力电子器件IPM(Intelligent Power Module)和PIC (Power Integrated Circuit)的出现，大幅度降低了开发时间和费用，进一步提高了系统的可靠性。它们不但可以提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。其内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供PWM (Pulse
13、Width Modulation)信号给IPM，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。总之，电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础。数字控制技术对交流电机控制技术发展的影响最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为模拟、数字混合电路，在很大程度上提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而发展很快。随着数字技术的进步，在电机控制中开始引入数字芯片作为控制器。市场上较通用的变频器大多采用了单片机来控制。但单片机的处理能力有限，对采用矢量变换控制的
14、系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。之后DSP (Digital Signal Processor)被应用到电机控制中，改善了电机控制的实时性和运算精度。为了在广阔的电机控制市场抢占份额，各大DSP生产厂商纷纷推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路。如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP-TMS320C 24x。电机控制技术发展的多样化、复杂化，使其对电机控制电路的要求更加苛刻，这样自己开发电机专用的控制芯片显得非常必要。CPLD (Complex Programmable Logic Device)和F
15、PGA (Field-Programmable Gate Array)是一种很好的解决方案。作为开发器件，CPLD或FPGA具有用户可编程的特性。利用CPLD或FPGA，工程师可以在实验室中设计出专用的电机控制集成电路，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。一片CPLD或FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。数字控制技术对电机控制的影响是深远的，它大大推动了电机控制技术的发展和电机控制行业的繁荣。近年来，随着电力电子技术、各种传感技术、现代控制理论以及高性能数字信号处理器(DSP)的出现和不断发展，交流电机调速的研究进入了一个高速发展的阶段，涌现出了很多卓有成效的调速控制算法。其中比较有代表性的几种调速控制方法如下。(1)基于恒压频比的标量控制技术。(2)基于磁链和转矩完全解耦的矢量控制技术，也称矢量控制。(3)基于磁链和转矩直接控制的矢量控制技术，也称直接转矩控制。在这些方法中，尤其以直接转矩控制最为引人注目。由于它较之其他算法的确存在巨大优势，而且其缺点可以随着新的控制技术以及高性能的数字信号处理技术的发展被不断克服，使得直接转矩控制技术的研究成为目前交流调速研究领域最大的热点。目前，国外的直接转矩
