分類號 密級 U D C 編號 中南大學 士學位論文 論文題目 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 改善低速性能的研究 學 科 專 業(yè) 控制理論與控制工程 研究生姓名 甄 鵬 導(dǎo) 師 姓 名 桂 衛(wèi) 華 教授 I 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制（ 術(shù)是上世紀八十年代中期發(fā)展起來的新技術(shù)。它是繼矢量控制技術(shù)之后，與之并行發(fā)展的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動的控制技術(shù)。 目前該技術(shù)己成為交流調(diào)速傳動中的一個熱點，本文正是針對這一技術(shù)進行了一些研究。 常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是基于相電壓積分的， 因而在低速時對定子電阻變化很敏感，導(dǎo)致磁鏈觀測產(chǎn)生誤差， 最終影響系統(tǒng)的性能。本文中提出了一種新的直接轉(zhuǎn)矩控制方法， 它采用一種完全獨立于定子電阻變化的轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通估計方法。 該方法通過測量定子電壓三次諧波，計算氣隙磁通的三次諧波，換算為氣隙磁通實際值，用于直接轉(zhuǎn)矩控制。該方法由于不依賴定子電阻，因而結(jié)構(gòu)簡單，在很低的頻率下運行，性能也是比較好的。此外，由于該方法實際上并不需要速度反饋，因而只要加以改進，就可以作為一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本的無速度傳感器方案。仿真結(jié)果也證明了 該方法的正確性和可行性。 關(guān)鍵詞 異步電機，直接轉(zhuǎn)矩控制，三次諧波 of in is a TC a C to it an of it in on of TC is to In an a of A is in is on an of of of in TC by is to is In in of is so a be to of 目 錄 第一章 緒論. 1 流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況.接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生與特點.接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀.文的主要研究內(nèi)容.二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理.步電機數(shù)學模型及基本方程.變器的開關(guān)狀態(tài)及電壓狀態(tài). 電壓空間矢量的概念. 定子磁鏈的運動軌跡. 電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響. 電壓空間矢量的正確選擇.用六邊形磁鏈的. 磁鏈自控制. 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié). 磁鏈調(diào)節(jié).三章 基于定子電壓三次諧波的直接轉(zhuǎn)矩控制.采用圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制方案.傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能的分析.直接轉(zhuǎn)矩控制啟動方法的研究.定子電壓的三次諧波的產(chǎn)生和測量.由定子電壓的三次諧波計算轉(zhuǎn)矩.控制系統(tǒng)框圖.仿真研究. 仿真軟件簡介. 基于. 仿真結(jié)果.四章 關(guān)于三次諧波法一些補充研究.接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的聯(lián)系與區(qū)別. 于三次諧波法的一些補充.五章 結(jié)束語.參考文獻. 52 致 謝. .讀學位期間主要研究成果.中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 1 - 第一章 緒論 流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況 近十年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命， 即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。 電機交流調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善不斷惡化的環(huán)境，和推動技術(shù)進步的一種主要手段。7, 8, 9, 12, 14 目前，交流調(diào)速已遍及國民經(jīng)濟各部門的傳動領(lǐng)域，如：電氣牽引；冶金機械；數(shù)控機床；提升、起重、裝卸機械；原子能及化工設(shè)備；建筑電氣設(shè)備；紡織、食品機械等等。 而電力電子器件的迅猛發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的日新月異奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 50年代出現(xiàn)的晶閘管，使交流調(diào)速擺脫了笨重的旋轉(zhuǎn)變頻機組； 70 年代以來，隨著功率晶體管（ 、門極關(guān)斷晶閘管（ 閘管） 、功率 效應(yīng)晶體管（ 、絕緣柵雙極晶體管（ 、 制晶閘管（ 全控型器件的先后面世，逆變器的結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)小巧、簡單； 80 年代以后出現(xiàn)的功率集成電路（ 智能控制模塊（ ，更是集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護電路、接口電路等各種功能與一體，既減小了變頻器的體積，減輕了重量，又提高了變頻器的可靠性，使用、維護都更加方便。目前，電力電子器件正向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。 隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得飛速發(fā)展。以普通晶閘管構(gòu)成的方波形逆變器被全控型高頻率開關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制（ 變器取代后， 變器及其專用芯片得到了普遍的應(yīng)用；磁通跟蹤型 變器由于控制簡單、數(shù)字化方便，已呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng) 趨勢；滯環(huán)電流跟蹤型 變器更因其電流動態(tài)響應(yīng)快、實現(xiàn)方便、日益受到重視；近年研究出來的諧振型逆變器是一種新型軟開關(guān)逆變器，由于具有效率高、體積小、重量輕等特點，具有很好的發(fā)展前景。目前， 流技術(shù)的研究、新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，已成為變頻技術(shù)研究的一個熱點。 在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時， 交流調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)取得了突破性進展。由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，與直流電動機相比，轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。 70 年代提出得矢量控制理論8解決了交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 2 - 轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦， 從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的，從而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代。 直接轉(zhuǎn)矩控制1 80 年代中期提出的又一種轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，通過磁通跟蹤型 變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去了矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學者的重視。 微處理機引入控制系統(tǒng)，促進了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。數(shù)字化技術(shù)使得復(fù)雜的矢量控制得以實現(xiàn)，大大簡化了硬件，降低了成本，提高了控制精度；而自診斷功能和自調(diào)試功能的實現(xiàn)又進一步提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)約了大量人力和時間，操作、維修都更加方便。微機運算速度的提高、存儲器的大容量化，將進一步促進數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化已成為控制技術(shù)的方向。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。 接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生與特點 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，德語稱之為 ，英語稱為 近年來繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。 自從 70 年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，交流轉(zhuǎn)動就從理論解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術(shù)模仿直流電機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。它的提出具有劃時代的重要意義，其所達到的靜態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)并不亞于直流控制系統(tǒng)的指標。然而，在實際上由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準確觀測，由于系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大， 以及在模擬直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難于達到理論分析的結(jié)果。這是矢量控制技術(shù)的不足之處。 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理是德國的 授1和日本的, 3分別在80年代提出來。其基本思想是在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，對定子磁鏈定向，簡單地通過檢測到的定子電中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 3 - 壓、電流等量，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制克服了轉(zhuǎn)子磁場定向控制的不足之處，即參數(shù)魯棒性差，轉(zhuǎn)子磁鏈不易精確觀測，矢量變換過于復(fù)雜。因而它很大程度上解決了矢量控制中計算復(fù)雜、特性易受電動機參數(shù)變化的影響、實際性能難于達到理論分析結(jié)果的一些重大問題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的注意和得到迅速的發(fā)展。 目前該技術(shù)己成功地應(yīng)用在電力機車牽引及提升機的大功率交流傳動上。德國、日本、美國都競相發(fā)展此項新技術(shù)，目前己取得較大發(fā)展。 直接轉(zhuǎn)矩控制相對于其它控制具有以下特點5： 1. 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分 析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將直流電動機與交流電動機比較，等效，轉(zhuǎn)化。既不需要模擬直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜與計算。因此，它需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程能夠作出直接和明確的判斷。 2. 直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子 磁鏈，只要知道了定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動機轉(zhuǎn)子電阻和電感。 因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。 3. 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來 分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制其各物理量，使問題變的簡單明了。 4. 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)據(jù)的直接控 制與效果。它包含兩層意思：直接控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的直接控制。 與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流，磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)據(jù)，而把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量， 直接控制轉(zhuǎn)矩。 因此它并非極力獲得理想的正弦波形，也不專門強調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)據(jù)的角度出發(fā)，它強調(diào)的是轉(zhuǎn)據(jù)的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡的概念。 其二，對轉(zhuǎn)矩的直接控制是指直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)據(jù)實行直接控制。其控制方式是，通過轉(zhuǎn)據(jù)兩點式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作帶滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小，由頻率調(diào)節(jié)器來控制。因此它的控制效果不取決于電動機的數(shù)學模型是否能簡化， 而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況。它的控制既簡單又簡化。 對轉(zhuǎn)矩的這種直接控制方式也稱為“直接自控制” 。這種“直接自控制”的思想不僅用于轉(zhuǎn)矩控制，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。但以轉(zhuǎn)矩為中心來中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 4 - 進行綜合控制。 5. 綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空 間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié) (制 )產(chǎn)生 號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動機數(shù)學模型的簡化處理，沒有通常的 號發(fā)生器。它控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接， 信號處理的物理概念明確。 該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速， 限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。 接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀 十多年來，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多研究從不同的角度提出了見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制性能得到了進一步的改善和提高。下面分別就直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中出現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題及其研究狀況作一簡述。10, 11, 13, 16 1. 改善低速性能的研究 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中,定子磁鏈一般采用 = ，為定子磁鏈，別是定子電壓、電流瞬時空間矢量，定子電阻。當電機運行在中、高速時，若忽略定子電阻控制結(jié)果仍具有很高的精度，能獲得令人滿意的結(jié)果，這方面的理論研究和實驗工作已比較成熟。但速度愈低，定子電壓降落于定子電阻上的分量會愈來愈大。此時若忽略認為它是常數(shù)，則磁鏈幅角、 幅值與真實值偏差會越來越大,這是因為磁鏈的估算為開環(huán)積分型，一旦有誤差則無法衰減，只能依次疊加，就會嚴重影響系統(tǒng)性能。因此如何準確檢測實時變化一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。 此外，在低速時轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動、死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)頻率的問題也比較突出。當控制系統(tǒng)用全數(shù)字化實現(xiàn)時，采樣周期是固定的，在一個采樣周期內(nèi)，轉(zhuǎn)矩的增加量和減少量是不同的，于是產(chǎn)生低頻鋸齒波分量，它在低速時的頻率較低、幅值很大，影響系統(tǒng)低速性能。為避免上下橋臂同時導(dǎo)通造成直流側(cè)短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結(jié)果帶來死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使逆變器輸出電壓失真,于是又產(chǎn)生電流失真,加劇轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題。 在低頻低壓時,問題更嚴重,還會引起轉(zhuǎn)速脈振。 開關(guān)頻率是當前電力電子器件應(yīng)用的一個主要問題,對器件的要求 較高,根本的解決辦法是提 高器件的制造水平,使其能適合于高頻工作。 中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 5 - 在實際應(yīng)用中，安裝速度傳感器既增加了系統(tǒng)的成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性。因此取消速度傳感器的研究便成了交流傳動中的一個熱門方向，并取得了一些新的成果。最近國內(nèi)在這方面研究中，應(yīng)用較多的理論是模型參考自適應(yīng)。它從模型參考理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應(yīng)律，速度辨識器就能比較準確的辨識電機轉(zhuǎn)速，但是由于它無法同時正確地辨識電機直接電阻地變化， 因而使系統(tǒng)性能受到了影響，這是該方法需要改進的地方。 3. 磁鏈模型的研究 直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是磁鏈的正確控制， 直接檢測定子磁鏈存在不少工藝和技術(shù)的問題,因而使用較少。 實際系統(tǒng)中,往往采用間接觀測的方法即檢測電機的定子電壓、定子電流和電機轉(zhuǎn)速等容易測取的物理量,然后根據(jù)電機的數(shù)學模型,實時地計算出所需磁鏈的幅值和相位。 4. 開關(guān)信號的合理選取 由于轉(zhuǎn)矩控制在低速時采用基于圓形磁鏈的恒轉(zhuǎn)矩控制， 在基速以下采用基于六角形磁鏈的恒轉(zhuǎn)矩控制，在基速以上則采用基于于六角形磁鏈的恒功率調(diào)節(jié)。另外，磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器均要求在不同的情況下調(diào)用不同的電壓空間矢量對擬變器進行控制。 各個開關(guān)信號的合理調(diào)配也是直接轉(zhuǎn)矩控制研究的一個重要課題。 總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學的進步?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論（以模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主）是人們改進系統(tǒng)最主要的理論依據(jù)；高性能的數(shù)字處理器和眾多新型的器件的出現(xiàn)，則為改進系統(tǒng)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，人們對系統(tǒng)的研究往往還是從改善系統(tǒng)的某些性能出發(fā)，對所用的理論進行部分的改進。也就是說，整個領(lǐng)域的研究還基本停留在一個局部完善的水平上，而沒有達到全面提高的層次。 隨著近期研究成果的大量涌現(xiàn)，人們現(xiàn)在對直接轉(zhuǎn)矩控制的認識更加深刻，對各種局部性能的改善也有了更多的選擇方案。因此，追求整體性能最優(yōu)將成為今后直接轉(zhuǎn)矩控制研究的主要方向。 提高改進系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)性能，成為整個系統(tǒng)的控制核心。同時，系統(tǒng)的全數(shù)字化也是一個重要的發(fā)展方向。 文的主要研究內(nèi)容 本文系統(tǒng)、 全面地介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生和發(fā)展， 并分析其存在的缺點，提出了一種新的 案，該方法主要是基于定子電壓三次諧波的。該方法由中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 - 6 - 于不依賴定子電阻，因而結(jié)構(gòu)簡單，在很低的頻率下運行，系統(tǒng)的性能也是比較好的。 全文共分五章，內(nèi)容安排如下： 第一章綜述了交流傳調(diào)速系統(tǒng)并簡單歸納交流調(diào)速的控制方法，然后介紹 了直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀和發(fā)展，指出其優(yōu)越性和存在的問題，提出本論文主要研究問題。 第二章從異步電動機數(shù)學模型出發(fā)， 分析和研究傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理和基本結(jié)構(gòu)，指出控制異步電機的輸入電壓矢量就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向及速度，直接轉(zhuǎn)矩控制的核心就是合理的選擇電壓矢量。 第三章首先簡單介紹了采用圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制方案， 然后分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能， 并且分析了采用圓形磁鏈的 統(tǒng)的啟動過程，為下面采用三次諧波法的 引入打下了基礎(chǔ)。接下來分析了由于磁飽和而引起的氣隙磁通和定子相電壓中產(chǎn)生的零序分量， 提出了基于電子電壓三次諧波來進行氣隙磁通定向的 案。該方案采用一種完全獨立于定子電阻變化的轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通估計方法，通過測量定子電壓三次諧波，計算氣隙磁通的三次諧波，換算為氣隙磁通實際值，用于直接轉(zhuǎn)矩控制。由于擺脫的常規(guī)的 法比較依賴于電機參數(shù)、特別是定子電阻的固有缺點，因而即使在很低的頻率下運行，性能也是比較好的。仿真結(jié)果也證明了該方法的正確性和可行性。 第四章對三次諧波法進行了一些補充， 分析了直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的聯(lián)系與區(qū)別，并且簡要介紹了無速度傳感器技術(shù)。 第五章為結(jié)束語。 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 7 - 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 步電機數(shù)學模型及基本方程 一般來說，交流傳動系統(tǒng)特別是變頻傳動系統(tǒng)的控制是比較復(fù)雜的，要設(shè)計和研制出一個特性優(yōu)良的傳動系統(tǒng)， 就必須對它的靜態(tài)和動態(tài)特性進行充分的研究。對于變速傳動系統(tǒng)而言，交流電機是其中一個最為主要的環(huán)節(jié)，也是一個最為復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，建立一個合適的異步電機數(shù)學模型是研究交流變速傳動系統(tǒng)特性和控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。5, 6 在 ，采用空間矢量的數(shù)學分析方法可以使得問題簡單明了。下面就介紹 析中采用的異步電機的空間矢量等效電路及其數(shù)學模型的基本方程。圖 2異步電機空間矢量的等效電路圖。 si r&步電機空間矢量等效電路圖 該等效電路是在定子坐標系（ 標系）上描述異步電機的。各量的意義如下： )(定子電壓空間矢量； )(定子電流空間矢量； )(轉(zhuǎn)子電流空間矢量； )(定子磁鏈空間矢量； )(轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； 電角速度（機械角速度與極對數(shù)的積） 。 并且規(guī)定，旋轉(zhuǎn)空間矢量在 軸上的投影稱為 分量，在正交的 軸上的投影稱為 分量。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電機在定子坐標系上電壓方程為： 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 8 - （ 2 = 0 （ 2 而磁鏈方程如下： （ 2 = （ 2 定子旋轉(zhuǎn)磁場提供的功率如下： )(23)3*= （ 2 式中定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率。且 )( （ 2 由此方程可得出下面兩個方程： =2 =2 將式（ 2式（ 2入式（ 2，得到轉(zhuǎn)矩方程： )(23 = （ 2 如果用定子磁鏈代替定子電流，則轉(zhuǎn)矩方程將變成較簡明的形式。由 =（ 2 和式（ 2式（ 2得 )(231= （ 2 該公式表明電磁轉(zhuǎn)矩是定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈間的交叉乘積，也可寫成如下形式： = （ 2 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 9 - 變器的開關(guān)狀態(tài)及電壓狀態(tài) 壓型理想逆變器 一臺電壓型逆變器由三組、六個開關(guān)（組成。由于間互為反相，即一個接通另一個斷開，所以三組開關(guān)有8種可能的開關(guān)組合。15 把開關(guān)為 a 相開關(guān)，用示；把開關(guān)為 b 相開關(guān)，用示;把開關(guān)稱示；若規(guī)定 a、b、c 三相負載的某一相與“”極接通時，改相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“”極接通時，為“0”態(tài)。則八種可能的開關(guān)狀態(tài)（為（000） 、 （100） 、 （010） 、（110） 、 （001） 、 （101） 、 （011） 、 （111） 。 8種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分為兩類； 一類是6種所謂的工作狀態(tài)， 即狀態(tài) “1”到狀態(tài)“6” ，它們的特點是三相負載并不都接在相同的電位上；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即狀態(tài) “0”和狀態(tài)“7” ，它們的特點是三相負載都接到相同的電位上去。當三相負載都與“”接通時得到的狀態(tài)是“111” ，三相都有相同的正電位，所得到的負載電壓為零。當三相負載都與“”接通時得到的狀態(tài)是“000” ，負載電壓也為零。以上的開關(guān)順序只是一種數(shù)學上的排列順序，與現(xiàn)將實際工作的開關(guān)順序列于下表，并按照分析方便的原則重新編號。 表 2變器的開關(guān)狀態(tài) 工作狀態(tài) 零狀態(tài) 狀態(tài) 1 2 2 4 5 6 7 8 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 開 關(guān) 組 1 1 0 0 0 0 1 對應(yīng)于逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對外部負載來說，逆變器輸出7種不同的電中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 10 - 壓狀態(tài)。這7種電壓狀態(tài)同樣分為兩類：一類是6種工作電壓狀態(tài)，對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”稱為逆變 器的電壓狀態(tài)“1”至“6” ；另一類是零電壓狀態(tài)，對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“7”至“8” ，統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)“7” 。 如果用符號 )(間矢量，則逆變器的電壓狀態(tài)可用17示，即形成了 7 個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔060 角度，6 個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形的6個頂點。矢量的順序正是從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆時針旋轉(zhuǎn)。所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是 011001101100110010 則上面提到的 6 個零電壓矢量位于六邊形的中心點。所對應(yīng)的逆變器電壓狀態(tài)，或曰電壓空間矢量是123456或者表示成011)001)101)100)110)010)。零 電壓矢量7于六邊形的中心點。 壓空間矢量及其開關(guān)模式的選擇 壓空間矢量的概念 如前所述，為了便于對三相進行分析和控制，引入 量變換，將三個標量（三維）變換為一個矢量（兩維） 。這種表達關(guān)系對于時間函數(shù)也適用。選三相異步電動機的三相定子定子坐標系中的 a 軸與 量復(fù)平面的實軸 a 重合，則其三相物理量 )()()( )()()(32)(2+= 式中 120旋轉(zhuǎn)空間矢量 )(某個時刻在某相軸線 a、b、c 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。 就上面所說的逆變器來說，若其a、b、輸出電壓的空間矢量 )(32)(3432 += （2這樣就可以用電壓空間矢量 )(對于狀態(tài)“1” ，=011時， = = 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 11 - 將入得： 11( = 同理可計算各開關(guān)狀態(tài)的電壓空間矢量。由結(jié)果知：逆變器的六個工作電壓狀態(tài)分布在互差 60 度的平面上。電壓幅值都為不變?yōu)?電壓位于六邊形的中心。 電壓空間矢量在坐標系中的離散位置 子磁鏈的運動軌跡 逆變器的輸出電壓 )(定子電壓也為)(子磁鏈 )(定子電壓 )( = ()()( （2 若忽略定子電壓降的影響則： )( （2 上式表示定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間的積分關(guān)系。 該關(guān)系見圖 2 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 12 - )(電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖 2， )()(示磁鏈空間矢量，是正六邊型的六條邊。磁鏈空間矢量 )(圖 2示位置（其頂點在邊 ） ，如果逆變器加到定子上的電壓空間矢量 )(011)（如圖 2示，在 軸方向） ，則根據(jù)式（ 2（定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量的積分關(guān)系） ，定子磁鏈空間矢量的頂點，將沿著 的軌跡，朝著電壓空間矢量011)所作用的方向運動。當 )(著邊 動到 交點 J 時，如果給出的電壓空間矢量001)（它與電壓空間矢量011)成 60 夾角） ， 則磁鏈空間矢量 )(001)相平行的方向，沿著邊 軌跡運動。若在 101)，則 )(頂點將沿著邊 軌跡運動。同樣的方法依次給出100)、110)、010)，則 )(頂點依次沿著邊 此可以得到以下結(jié)論： 1. 定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和 軌跡（以后簡稱為定子磁鏈的運動方向和軌跡，或 )(運動方向和軌跡） ，對應(yīng)于響應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向， )(運動軌跡平行于 )(要定子電阻壓降( 比起)(么這種平行就能得到很好的近似。 2. 在適當?shù)臅r刻依次給出定子電壓空間矢量12 3456 則得到定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊形成了正六邊形磁鏈。 3. 正六邊形的六條邊代表著磁鏈空間矢量 )(個周期的運動軌跡。 每條邊稱為磁鏈軌跡的區(qū)段段直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)， 簡單地得到六邊形的磁鏈軌跡以控制電動機，這種方法是 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 13 - 壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響 根據(jù)式（ 1，轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 )(乘積成正比。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載決定；要改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角)(大小來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量 )(制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度大小，從而改變磁通角 )(大小，以達到控制電動機轉(zhuǎn)的目的，見圖 2 1t 時刻的定子磁鏈 )(1轉(zhuǎn)子磁鏈 )(1及磁通角 )(1位置見圖 21t 時刻考察到2t 時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量為 )(110)，則定子磁鏈空間矢量由 )(1位置旋轉(zhuǎn)到 )(2位置， 其運動軌跡 )(圖 2著區(qū)段 110)的指向平行。這個期間轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)情況，根據(jù)式（ 1直接跟隨超前于它的定子磁鏈。轉(zhuǎn)子磁鏈的位置變化實際上受該期間定子頻率的平均值影響。因此在1t 時刻到2t 時刻這段時間里，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角 )(大，由 )(1為 )(2相應(yīng)地轉(zhuǎn)矩增大。 )(121212電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 如果在2t 時刻，給出零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量 )(2持在2轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以速度旋轉(zhuǎn)，則磁通角減小，從而使轉(zhuǎn)距減小。通過轉(zhuǎn)距兩點式調(diào)節(jié)控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度大小。通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 14 - 壓空間矢量的正確選擇 所謂正確選擇，包括兩個含義：一是電壓空間矢量順序的選擇；二是各電壓空間矢量的給出時刻的選擇。 定子磁鏈空間矢量的運動軌跡取決于定子電壓空間矢量。反過來，定子電壓空間矢量的選擇又取決于定子磁鏈空間矢量的運動軌跡。 要想得到六邊形磁鏈進行分析， 為此觀察六邊形軌跡的定子旋轉(zhuǎn)磁鏈空間矢量在 三相坐標系上的投影 ( 坐標系見圖 2則可以得到三個相差 120相位的梯形波。它們分別被稱為定子磁鏈的量。圖 2這三個定子磁鏈分量的時序圖。 六邊形磁鏈與 三相坐標系 圖 2區(qū)段 別向，投影，得到該區(qū)段的三個磁鏈分量，見圖 2區(qū)段 磁鏈波形其中，在 個區(qū)段內(nèi)，持正的最大值，負的最大值變到零，零變到負的最大值。接著投影區(qū)段 量從正的最大值變?yōu)榱?，分量零邊為正的最大值，分量持負的最大值不變。同樣，投影區(qū)段 到磁鏈分量波形，見圖 2區(qū)段 成了一個周期之后，又重現(xiàn)已有的波形。 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 15 - 制開關(guān)信號及電壓空間矢量的正確選擇 a)定子磁鏈的三個分量 b)磁鏈開關(guān)信號 c)電壓開關(guān)信號 d)電壓狀態(tài)信號 采用三個施密特觸發(fā)器（見圖 2，施密特觸發(fā)器的容差是。作為磁鏈給定值，它等于圖 2的0 。通過三個施密特觸發(fā)器，用磁鏈給定值，分別與三個磁鏈分量行比較，得到圖 2示的磁鏈開關(guān)信號對照圖 2 b 可見，當升達到正的磁鏈給定值，施密特觸發(fā)器輸出低電平信號，低電平；當降達到負的磁鏈給定值時，高電平。由此可得到磁鏈開關(guān)信號時序圖，同理可得到時序圖。 電磁鏈開關(guān)信號以很方便地構(gòu)成電壓開關(guān)信號 其關(guān)系是： 電壓開關(guān)信號 時序圖見圖 2壓開關(guān)信號與磁鏈開關(guān)信號的關(guān)系可對比圖 2 c 清楚地看出。 把電壓開關(guān)信號 相，便直接得到電壓狀態(tài)信號見圖 2 中南大學碩士學位論文 第二章 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 16 - 用作磁鏈比較器的施密特觸發(fā)器 對比圖 2 d 可以清楚地看到，由以上分析已經(jīng)得到了電壓開關(guān)狀態(tài)順序的正確選擇。所得到的電壓開關(guān)狀態(tài)的順序是 011好對應(yīng)于六邊形磁鏈的六個區(qū)段： 對比圖 2 d 還可以清楚地看到：通過以上分析，解決了所選電壓空間矢量的給出時刻問題。這個時刻就是各 磁鏈分量到達磁鏈給定值時刻。 通過磁鏈給定值比較器得到響應(yīng)的磁鏈開關(guān)信號 再通過電壓開關(guān)信號 到電壓狀態(tài)信號 ，也就得到了電壓空間矢量 )(這里磁鏈給定值一個很重要的參考值。它決定電壓空間矢量的切換時間。由圖 2見磁鏈給定值幾何概念是六邊形磁鏈的邊到中心的距離，它就是圖 2的0 。