异步电动机直接转矩控制调速系统的控制与仿真(附件)【字数：11526】
摘 要异步电动机直接转矩控制是1970年后发展起来的一种新式高性能电动机交流变频控制技术。异步电动机直接转矩控制系统是异步电动机频率控制技术的重要发展方向，是交流调速领域重点研究的问题。本文主要研究异步电动机的直接转矩控制调速方法。本文介绍了交流调速的研究现状，分析了异步电动机的数学模型，研究了异步电动机直接转矩控制的原理,对直接转矩控制系统的结构设计和系统各模块进行了说明。对直接转矩控制的优点进行了讨论，使用MATLAB搭建了仿真模型，并进行了仿真验证，仿真分析了高速、低速两种电机运行状态，仿真结果表明直接转矩控制具有转矩脉动小、对于负载扰动响应迅速等优良的动静态性能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2研究现状 1
1.2.1国内外研究现状 1
1.2.2直接转矩控制的研究问题 2
1.3研究意义 3
1.4本文主要工作 3
第二章 直接转矩控制的基本原理 4
2.1异步电机的工作原理 4
2.2直接转矩控制技术的特点 4
2.3异步电机的数学模型 4
2.4逆变器的开关状态及电压空间矢量 6
2.5电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响 8
2.5.1电压空间矢量对定子磁链的影响 8
2.5.2电压空间矢量对转矩的影响 10
第三章 直接转矩控制系统的结构设计 11
3.1磁链、转矩观测器 12
3.1.1磁链观测的UI模型 12
3.1.2磁链观测的IN模型 12
3.1.3磁链观测的UN模型 12
3.2磁链位置检测单元 12
3.3转速调节器 13
3.4磁链调节器 13
3.5转矩调节器 14
3.6开关状态选择单元 15
第四章 直接转矩控制系统的MATLAB仿真 17
4.1系统仿真模型的建立 17
4.2直接转矩控制模块构成 18
4.2.1转矩与定子磁链估算模块 18
4.2.2磁链与转矩滞环模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
块 19
4.2.3电压开关矢量选择模块 19
第五章 仿真结果与分析 21
5.1仿真参数设计 21
5.2结果与分析 21
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
绪论
1.1课题研究背景
直接转矩控制在德语中被称为DSR(Direkte SellbRegellung)，英语被称为DTC(Direct Torque Control)或DSC(Direct SelfControl)异步电机直接转矩变频调速控制系统，是上世纪七十年代后后发展起来的一种新式的高性能的电机交流变频调速控制技术。
1977年，美国学者A.B.Piunkett初度发表了直接转矩控制的理念，然而A.B.Piunkett的研究只是在概念，而不是在实验中，所以没有引起学者们的关注。1981年，S.Yamamura教授的交流异步电动机控制系统的研究提出了改变频率控制转矩方法,创新的方法是改变气隙磁通转度,倾覆之前的气隙磁场稳定不变的方式。1983年，Y.Murai教授提出了空间矢量的概念，并将其应用于电机控制系统，把变频器和电机当做整体概念考虑，分别考虑定子磁链，使其始终保持圆轨迹，提高磁链计算方法。1985年，德国人De Peng Brock总结了以往学者的思想，加入了空间电压矢量这一理念，总结出了更完善的直接转矩控制系统概念，并且通过实际应用，验证了该方案的准确性。在1980年代后期，Takahashi等人改进的直接转矩控制系统，提高了直接转矩控制的使用，使其可以弱磁控制的情况下得到较好的控制效果。 上世纪90年代，由于微处理的信息不多，交流电机控制系统具有快速的处理能力，通过许多专家们的研究得出了解决方案，得到了高性能复杂算法的直接转矩控制系统[1]。 二十一世纪初期，早期的控制不能满足生产需要，所以产生了用智能控制来解决当前遇到的问题，许多学者在时变控制系统方面做了大量的研究。
1.2研究现状
1.2.1国内外研究现状
目前变极调速、变转差率调速、变频调速是最为常见的三种调速方法。
变极调速：因为异步电机旋转同步转速反比于电机的极对数，所以要想同步转速变化，可以采用改变异步电机的定子绕组极对数的方式，从而实现调速。它的优势在于：变极调速装置简单，操作方便，机械性能高，效率高，可用于恒转矩和恒功率调速。然而，对于一般电机来说，它的极对数数值和速度范围都有限，因此不能用来平滑调速[2]。
变转差率调速：变转差率控制引入闭环转速，变频调速与实际转速同步上升或下降，与恒压控制相比，加减速相对稳定，系统更加稳定。因此，变频调速系统基本达到了直流调速系统双闭环调速性能的要求。不过，这是由电机稳态方程得到的，对控制电磁转矩的动态过程并没有作用，所以动态性能仍然是有不足之处的[35]。
变频调速：在相同数目的磁极的情况下，定子的电源频率与转子的转速成正比，改变感应电机的转速可以采用改变定子的供电频率的方法来实现。该方法具有在不同频率下的恒定滑移的优点。换言之，在不同的速度时，转差率是恒定的，所以具有低损耗，速度范围宽，速度精度高的特点，适用于高性能的速度控制应用。但另一方面，变频调速的装配所需的花费更高，原理也更为复杂[6]。直接转矩控制系统变频调速方法中发展较为先进的一种调速方法，它在定子侧使用定子磁链，消除了旋转变化和电流控制的需要，从而使得控制器的结构更加简单，只要检测到定子电阻的大小，就可以计算出定子磁链的大小，并且对电动机模型参数的依赖性很小，因此已经成为交流调速控制方法的研究热点[7]。
交流调速除三种最常用的调速方法外，还有一些其他较少使用的调速方法，如串级调速、电阻调速、电磁调速、偶合调速等。
目前，交流调速技术的发展十分迅速，逆变器的先进控制策略也越来越多。在一些发达国家，异步电机变频调速技术已经走在了时代的前沿，使用矢量控制技术已逐步形成了成熟的逆变器产品，采用更为先进的直接转矩控制技术的逆变器也出现了。国外，主要是在德国、美国、日本和意大利等国家，关于直接转矩控制的理论研究及其应用已经变得非常成熟，其他一些国家的直接转矩控制应用也紧随他们的脚步正在逐步扩大。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2研究现状 1
1.2.1国内外研究现状 1
1.2.2直接转矩控制的研究问题 2
1.3研究意义 3
1.4本文主要工作 3
第二章 直接转矩控制的基本原理 4
2.1异步电机的工作原理 4
2.2直接转矩控制技术的特点 4
2.3异步电机的数学模型 4
2.4逆变器的开关状态及电压空间矢量 6
2.5电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响 8
2.5.1电压空间矢量对定子磁链的影响 8
2.5.2电压空间矢量对转矩的影响 10
第三章 直接转矩控制系统的结构设计 11
3.1磁链、转矩观测器 12
3.1.1磁链观测的UI模型 12
3.1.2磁链观测的IN模型 12
3.1.3磁链观测的UN模型 12
3.2磁链位置检测单元 12
3.3转速调节器 13
3.4磁链调节器 13
3.5转矩调节器 14
3.6开关状态选择单元 15
第四章 直接转矩控制系统的MATLAB仿真 17
4.1系统仿真模型的建立 17
4.2直接转矩控制模块构成 18
4.2.1转矩与定子磁链估算模块 18
4.2.2磁链与转矩滞环模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
块 19
4.2.3电压开关矢量选择模块 19
第五章 仿真结果与分析 21
5.1仿真参数设计 21
5.2结果与分析 21
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
绪论
1.1课题研究背景
直接转矩控制在德语中被称为DSR(Direkte SellbRegellung)，英语被称为DTC(Direct Torque Control)或DSC(Direct SelfControl)异步电机直接转矩变频调速控制系统，是上世纪七十年代后后发展起来的一种新式的高性能的电机交流变频调速控制技术。
1977年，美国学者A.B.Piunkett初度发表了直接转矩控制的理念，然而A.B.Piunkett的研究只是在概念，而不是在实验中，所以没有引起学者们的关注。1981年，S.Yamamura教授的交流异步电动机控制系统的研究提出了改变频率控制转矩方法,创新的方法是改变气隙磁通转度,倾覆之前的气隙磁场稳定不变的方式。1983年，Y.Murai教授提出了空间矢量的概念，并将其应用于电机控制系统，把变频器和电机当做整体概念考虑，分别考虑定子磁链，使其始终保持圆轨迹，提高磁链计算方法。1985年，德国人De Peng Brock总结了以往学者的思想，加入了空间电压矢量这一理念，总结出了更完善的直接转矩控制系统概念，并且通过实际应用，验证了该方案的准确性。在1980年代后期，Takahashi等人改进的直接转矩控制系统，提高了直接转矩控制的使用，使其可以弱磁控制的情况下得到较好的控制效果。 上世纪90年代，由于微处理的信息不多，交流电机控制系统具有快速的处理能力，通过许多专家们的研究得出了解决方案，得到了高性能复杂算法的直接转矩控制系统[1]。 二十一世纪初期，早期的控制不能满足生产需要，所以产生了用智能控制来解决当前遇到的问题，许多学者在时变控制系统方面做了大量的研究。
1.2研究现状
1.2.1国内外研究现状
目前变极调速、变转差率调速、变频调速是最为常见的三种调速方法。
变极调速：因为异步电机旋转同步转速反比于电机的极对数，所以要想同步转速变化，可以采用改变异步电机的定子绕组极对数的方式，从而实现调速。它的优势在于：变极调速装置简单，操作方便，机械性能高，效率高，可用于恒转矩和恒功率调速。然而，对于一般电机来说，它的极对数数值和速度范围都有限，因此不能用来平滑调速[2]。
变转差率调速：变转差率控制引入闭环转速，变频调速与实际转速同步上升或下降，与恒压控制相比，加减速相对稳定，系统更加稳定。因此，变频调速系统基本达到了直流调速系统双闭环调速性能的要求。不过，这是由电机稳态方程得到的，对控制电磁转矩的动态过程并没有作用，所以动态性能仍然是有不足之处的[35]。
变频调速：在相同数目的磁极的情况下，定子的电源频率与转子的转速成正比，改变感应电机的转速可以采用改变定子的供电频率的方法来实现。该方法具有在不同频率下的恒定滑移的优点。换言之，在不同的速度时，转差率是恒定的，所以具有低损耗，速度范围宽，速度精度高的特点，适用于高性能的速度控制应用。但另一方面，变频调速的装配所需的花费更高，原理也更为复杂[6]。直接转矩控制系统变频调速方法中发展较为先进的一种调速方法，它在定子侧使用定子磁链，消除了旋转变化和电流控制的需要，从而使得控制器的结构更加简单，只要检测到定子电阻的大小，就可以计算出定子磁链的大小，并且对电动机模型参数的依赖性很小，因此已经成为交流调速控制方法的研究热点[7]。
交流调速除三种最常用的调速方法外，还有一些其他较少使用的调速方法，如串级调速、电阻调速、电磁调速、偶合调速等。
目前，交流调速技术的发展十分迅速，逆变器的先进控制策略也越来越多。在一些发达国家，异步电机变频调速技术已经走在了时代的前沿，使用矢量控制技术已逐步形成了成熟的逆变器产品，采用更为先进的直接转矩控制技术的逆变器也出现了。国外，主要是在德国、美国、日本和意大利等国家，关于直接转矩控制的理论研究及其应用已经变得非常成熟，其他一些国家的直接转矩控制应用也紧随他们的脚步正在逐步扩大。
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