分類號 密級 U D C 編號 碩士學位論文 論文題目 基于預測控制的直接轉矩 空間矢量脈寬調制方法 學科、專業(yè) 檢測技術與自動化裝置 研究生姓名 王 瑜 導師姓名及 專業(yè)技術職務 桂衛(wèi)華 教授 中南大學碩士畢業(yè)論文 摘 要 I 摘 要 近年來, 隨著電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計算機控制技術的應用, 交流調速領域發(fā)展非常迅速, 不斷取得許多新的成果。在交流傳動矢 量控制技術普遍應用的同時,直接轉矩控制（術也得到快速 發(fā)展, 與矢量控制相比，直接轉矩控制的優(yōu)點是強調對電機磁鏈和轉矩的直接控制。 論文通過對異步電機數(shù)學模型和直接轉矩控制工作原理的分析， 指出異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的關鍵是根據(jù)電機運行 狀況對磁鏈和轉矩的要求， 合理選擇定子電壓矢量來達到最佳的控制效果。 論文分析了傳統(tǒng)直接轉矩控制引起轉矩脈動的原因。 傳統(tǒng)的直接轉矩控制在選取逆變器的開關狀態(tài)信號時只考 慮轉矩和磁鏈誤差的方向而在控制過程中忽略了轉矩和磁鏈的大小， 導致轉矩雖然按需求增大或減小，但在幅值上又超過了其滯環(huán)帶寬范圍，影響電機牽引性能。由分析可知，如果對轉矩進行預測控制，通過一定的算法得到一個優(yōu)化的電壓矢量 （該電壓矢量能由逆變器的 6 個工作電壓矢量和零電壓工作矢量合成得到） ，在該矢量的作用下預測的下一采樣周期轉矩誤差剛好能在下一控制周期剛好得到補償。 由此本文提出基于預測控制的直接轉矩空間矢量脈寬調制方法，根據(jù)電機轉矩誤差的大小，通過算法計算出在下一控制周期補償該誤差應輸出的工作電壓矢量，利用 現(xiàn)對該電壓矢量的 成計算。 由于該電壓矢量的大小和方向可以通過空間 電壓矢量脈寬調制方式得到， 相比傳統(tǒng)直接轉矩控制使用幾個固定電壓矢量而言， 能更好地跟蹤轉矩的設定值，有效地降低轉矩脈動。論文為將交流調速實驗裝置中轉矩/轉速傳感器輸出的脈沖信號轉換為 0直流電壓信號還進行了電路設計和實現(xiàn)。 本文通過高性能 驗結果表明，該方法能有效降低轉矩脈動。 關鍵詞： 交流變頻調速系統(tǒng)，直接轉矩控制，預測控制，空間矢量脈寬調制（ ， 字信號處理器）中南大學碩士畢業(yè)論文 of of in C of is C to of to of of TC is of on of is so we of of In we s we of of so it or on if we of we an it be by s 0). at be in So a TC to of of be to TC s, it s by of in to to C in C of At 2812中南大學碩士畢業(yè)論文 I AC 目 錄 錄 第一章 緒 論. 1 流調速傳動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展 .步電動機交流調速傳動系統(tǒng)及其控制方法 . 恒壓頻比控制. 矢量控制. 直接轉矩控制. 智能控制.接轉矩控制的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景 .能控制與直接轉矩控制的結合 .題來源及研究意義 .文主要內容和結構安排.二章 直接轉矩控制策略與原理.步電機數(shù)學模型 . 異步電機數(shù)學模型分析 . 靜止兩相坐標系的數(shù)學模型與基本方程. 異步電機的坐標變換.接轉矩控制的基本原理 . 空間電壓矢量 . 定子磁鏈空間矢量.接轉矩控制的基本結構與控制策略 . 磁鏈控制單元. 電磁轉矩控制單元. 開關狀態(tài)選擇單元.結 .第三章 傳統(tǒng)直接轉矩控制脈動分析.統(tǒng)直接轉矩控制存在的轉矩脈動問題分析 .制系統(tǒng)數(shù)字化中電壓矢量的選擇對轉矩脈動的影響 .矩脈動對系統(tǒng)性能的影響及改進方案 .結 .第四章 基于預測控制的直接轉矩空間矢量調制方法.測控制方法基本原理與算法 . 根據(jù)轉矩脈動提出的新型區(qū)域電壓矢量表.南大學工學碩士學位論文 目 錄 測算法原理.出電壓矢量的 成 . 空間矢量脈寬調制原理及特點. 字化設計原理 .結 .第五章 基于預測控制的直接轉矩空間矢量調制方法的實現(xiàn).統(tǒng)硬件部分概述 . 交流傳動實驗裝置電路圖與設計原理. 轉矩轉速測量裝置及其工作原理 . 控制電路設計.統(tǒng)軟件部分功能與設計 . 制器 介 . 集成開發(fā)環(huán)境 介. 系統(tǒng)軟件設計與功能 .驗結果與分析 .章小結 .六章 總結與展望.考文獻. 59 致 謝. .讀學位期間主要研究成果.南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 1第一章 緒 論 流調速傳動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展 20 世紀 80 年代以前 ,在變速傳動領域中 ,直流調速一直占據(jù)主導地位。隨著電力電子學、微電子學和控制理論的飛速發(fā)展，尤其是先進控制策略的成功應用與完善，交流調速傳動系統(tǒng)有了巨大的進步。近幾年來，現(xiàn)代交流調速技術以其顯著的節(jié)電效果、 優(yōu)良的調速性能以及廣泛的適用性成為電氣傳動發(fā)展的主流方向。 成門極換向性晶閘管 )等新型電力電子器件和 字信號處理器 )、 用集成電路 )的快速發(fā)展以及新穎控制理論和技術 (如矢量控制、直接轉矩控制等 )的完善，使變頻調速系統(tǒng)在調速范圍、調速精度、動態(tài)響應、功率因數(shù)、運行效率和使用方便等性能指標超過了直流調速系統(tǒng)，達到取代直流調速的地步，受到各行業(yè)的歡迎并取得顯著的經(jīng)濟效益。 此后，交流調速傳動理論及應用技術大致沿下述四個方面發(fā)展：一、電力電子器件是現(xiàn)代交流調速裝置的支柱， 電力電子器件的蓬勃發(fā)展直接決定和影響交流調速傳動技術的發(fā)展；二、脈寬調制 (技術的發(fā)展和應用優(yōu)化了變頻裝置的性能 ,不僅能夠及時準確地實現(xiàn)變壓變頻控制要求 ,而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量 ,從而降低或消除了變頻調速時電機的轉矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調速系統(tǒng)的調速范圍， 脈寬調制 (技術種類很多 ,并且還在不斷發(fā)展之中；三、矢量變換控制技術及直接轉矩控制技術的發(fā)展與完善；四、隨著微機控制技術 ,特別是以單片微機及數(shù)字信號處理器 現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。 步電動機交流調速傳動系統(tǒng)及其控制方法 交流調速傳動技術包含的內容比較多，控制方法多樣化，具有代表性的有恒壓頻比( V/F=常數(shù))控制、按轉子磁鏈定向的磁場定向控制(矢量控制)、按定子磁鏈定向的直接轉矩控制和智能控制等。 開發(fā)應用較早且應用廣泛的控制方法是矢量控制。 直接轉矩控制由于具有控制思想新穎， 控制算法簡單， 系統(tǒng)結構簡明，動態(tài)響應迅速，受電機參數(shù)影響較小等優(yōu)點，是繼矢量控制之后出現(xiàn)的又一高性能感應電機控制方法。 壓頻比控制 要使電機的運行性能與控制效果穩(wěn)定，必須有效地控制轉矩。恒壓頻比控制中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 2是一種比較簡單的方法，但它只是保持電機的氣隙磁通為恒定值，充分利用電動機鐵心，發(fā)揮其產(chǎn)生轉矩的能力，從而使得控制定子電流的傳動可以具有快速的響應，而不具有對轉矩進行調節(jié)的功能，因此動態(tài)性能不高。 量控制 1971 年，德國西門子公司的 提出了 “感應電機磁場定向控制原理 ”并在實踐中不斷逐步完善，形成了現(xiàn)在得到普遍應用的矢量控制交流調速系統(tǒng)，矢量控制的基本思想是通過坐標變換把交流電機模擬成直流電機來進行控制。其基本原理是在按轉子磁鏈定向的旋轉坐標系中，將定子電流分解為相互正交的 2 個分量：一個與轉子磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量；另一個與轉子磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，然后對其分別獨立控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，成功解決了交流電動機電磁轉矩的有效控制，從而使交流電機變頻調速系統(tǒng)獲得了直流調速系統(tǒng)的全部優(yōu)點。 矢量控制的實現(xiàn)方法有以下幾種：磁通直接反饋型矢量控制、滑差頻率控制型的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式等。但不論那種方式，其控制器的設計在某種程度上都依賴于電機參數(shù)。為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了很多參數(shù)辯識、補償和自適應的方案，并且收到了一定的效果。然而在理論上，一般矢量控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)轉矩與轉子磁鏈的動態(tài)解耦，只有在轉子磁鏈恒定的條件下，系統(tǒng)才是非線性解耦的。非線性解耦控制系統(tǒng)由于綜合考慮了各種非線性耦合效應，能夠實現(xiàn)真正的動態(tài)解耦，但控制器參數(shù)與電機參數(shù)密切相關，實現(xiàn)起來不很精確和方便。 盡管矢量控制從理論上可以明顯改善異步電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性， 但也存在一些問題：實現(xiàn)時要進行復雜的坐標變化，需準確觀測轉子磁鏈，而且對電機參數(shù)的依賴性較大，難以保證動態(tài)過程的完全解耦等；另外，由于電機參數(shù)受電機運行狀態(tài)影響存在時變性， 矢量控制對參數(shù)變化的敏感性導致實際控制效果難以達到理論分析的程度。 接轉矩控制 直接轉矩控制系統(tǒng)是近十余年來繼矢量控制之后迅速發(fā)展起來的一種新型的高性能交流調速傳動控制系統(tǒng)。 理論界普遍認為直接轉矩控制是由德國魯爾大學 授和日本的 授于 1985 年分別提出的，接著于1987 年把它推廣到弱磁調速范圍。 不同于矢量控制技術，直接轉矩控制有著自己的特點。它無需將交流電機與直流電機進行比較、等效、轉化，不需要模擬直流電機的控制策略，也不需要簡化交流電機的模型來進行解耦。它在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，強中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 3調對電機轉矩的直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜變換與計算，直接轉矩控制磁場定向用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就能觀測出來，因此在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性易受電機參數(shù)變化的影響、實際性能難于達到理論分析結果的一些重大問題。 直接轉矩控制的研究雖然已取得了相當?shù)倪M展， 但在理論和實踐上還是不夠成熟，如低速時的轉矩脈動問題、帶負載能力、控制的魯棒性等等。 能控制 近年來，智能控制的研究在控制領域非?；钴S，并獲得了許多應用，也取得了良好的效果。智能控制是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級階段，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)其控制目標的復雜系統(tǒng)控制。由于它無需對象的精確數(shù)學模型，并可以在處理不精確性和不穩(wěn)定性方面獲得可處理性、魯棒性，因而現(xiàn)在已經(jīng)將智能控制方法引入交流傳動控制系統(tǒng)領域，并且在參數(shù)辯識、自適應性方面都取得了顯著的成效。 智能控制與傳統(tǒng)和經(jīng)典的現(xiàn)代控制方法相比，具有獨到和先進之處。首先，它突破了傳統(tǒng)的控制理論中必須基于數(shù)學模型的束縛， 不依賴或不完全依賴于控制對象的數(shù)學模型，只根據(jù)實際控制的效果來進行調整。其次，智能控制具有非線性的特點，同時利用計算機控制的先進性，用控制算法對控制效果進行預測，隨時做出相應的調整或是根據(jù)當前狀態(tài)切換控制器的結構， 用變結構的方法改善系統(tǒng)的性能。電機是一個典型的、強耦合的系統(tǒng)，因此采用智能控制是一個非常理想的方法。智能控制還具有學習、適應等功能。常見的智能控制方法有：模糊控制、預測控制、專家控制、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。將這些智能控制方法應用于交流電機傳動控制中，從而提高控制性能是我們研究的目的。 接轉矩控制的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景 自從矢量控制技術發(fā)展以來， 交流傳動技術就從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術雖然模仿直流電機的轉速，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電機的轉速和磁鏈的完全解耦，但是在實際上由于轉子磁鏈難于準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，以及在模擬直流電機控制過程中所用變換的復雜性，使得實際的控制效果難于達到理論分析的結果。 直接轉矩控制在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜，特性易受電機參數(shù)變化的影響，實際控制效果和性能不佳等缺點，以其新穎的控制思想，簡明的系統(tǒng)結構，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。 目前直接轉矩控制技術已成功應用在電力機車牽引的大功率交中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 4流傳動上。 直接轉矩控制的基本原理就是通過對電機定子磁鏈和轉矩的輸出值與給定值之差的控制來控制電機的運行， 其最初的具體實現(xiàn)方法就是用兩個滯環(huán)比較器對轉矩和定子磁鏈的測量值與給定值進行比較， 由滯環(huán)比較器的輸出確定應輸出的電壓矢量，進而控制電機的定子磁鏈和轉矩在期望的范圍內。這種方法有它一定的優(yōu)點，特別是在以前的模擬電路中 ,因為它能對磁鏈和轉矩的變化做出實時、快速的反應。但用這種方法進行直接轉矩控制時轉矩脈動比較大，特別是在現(xiàn)在的數(shù)字電路中，所以近年來提出了許多改進算法，主要集中在兩個方面：定子磁鏈和電機輸出轉矩的基本控制方式的改進以及計算方法的改進。 與矢量控制采用的對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解耦方法不同， 直接轉矩控制通過快速改變電機磁場對轉子瞬時轉差速度， 直接控制異步電機的轉矩和轉矩增長率。在直接轉矩控制系統(tǒng)中，采用電機定子側參數(shù)計算出磁通和轉矩，并用二點式調節(jié)器直接控制逆變器的開關狀態(tài)，對電機磁通和轉矩進行直接自調整控制，它不僅能獲得快速的動態(tài)響應，而且具有最佳的開關頻率和最小的開關損耗。直接轉矩控制將逆變器與電機作為一個在整體進行控制，逆變器的所有開關狀態(tài)的變化都以電機的電磁過程為基礎， 將電機的轉矩控制和磁鏈控制有機地統(tǒng)一。目前已得到推廣和應用的直接轉矩控制方法具有以下特點： (1) 轉矩和磁鏈都采用直接反饋的兩點式 制，避開了將定子電流分解成轉矩和勵磁分量，省去了旋轉坐標變換，簡化了控制器的結構。 (2) 選擇定子磁鏈作為被控制的對象，由于定子參數(shù)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有比矢量控制好得多的穩(wěn)定性，控制性能不受轉子參數(shù)變化的影響。 (3) 變器采用空間電壓矢量控制方式，性能優(yōu)越。 且與矢量控制的交流調速控制相比，直接轉矩控制有以下優(yōu)點： (1) 直接轉矩控制直接著眼于轉矩控制以得到快速轉矩響應，選擇在定子坐標下進行磁鏈轉矩的控制，轉子參數(shù)變化對系統(tǒng)表現(xiàn)為非參數(shù)干擾，能夠通過閉環(huán)控制克服。 (2) 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，控制電機的磁鏈和轉矩，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算，所需要的信號處理工作特別簡單。 (3) 直接轉矩控制可對磁鏈進行直接調節(jié)， 易于實現(xiàn)弱磁控制， 調速范圍寬。 (4) 直接轉矩控制由逆變器開關狀態(tài)直接控制轉 矩，易于優(yōu)化系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低開關頻率。 (5) 直接轉矩控制結構簡單，易于實現(xiàn)，便于數(shù)字化。 近年來各種高性能硬件的推出，具有高運算精度的數(shù)字信號處理器 中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 5應用，也為直接轉矩控制系統(tǒng)性能的改進提供了硬件基礎，使許多需要很強運算能力，具有很高開關頻率的改進方法得以實現(xiàn)。尤其是一些智能控制思想開始應用到直接轉矩控制中來，提出了基于模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制，變結構控制，滑?？刂坪皖A測控制等新型直接轉矩控制方法。 能控制與直接轉矩控制的結合 近幾年來，國內外對智能控制的理論和應用研究十分活躍，其中在把智能控制理論和直接轉矩控制理論結合的目的是為了進一步解決現(xiàn)有的傳統(tǒng)直接轉矩控制方法中存在的一些較難解決的問題，提高交流調速系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能和魯棒性。采用智能控制與直接轉矩控制結合的控制方法是非常有意義的，主要體現(xiàn)在以下方面： (1) 低速性能的提高。傳統(tǒng)直接轉矩控制的低速性能存在很多問題，比如說轉速較低時，定子電阻的變化將大大影響電機的數(shù)學模型計算結果，使定子磁鏈和轉矩的控制效果變差。智能控制中的模糊控制、自適應控制都能改善交流調速系統(tǒng)的低速性能。模糊控制不倚賴于被控對象的精確數(shù)學模型，因此能克服非線性因素的影響，增強系統(tǒng)對參數(shù)變化的魯棒性，從而提高轉矩的動態(tài)響應性能。 (2) 低速時轉矩響應速度和轉矩脈動。傳統(tǒng)的直接轉矩控制無法根據(jù)磁鏈和轉矩誤差的大小程度最合理的選擇定子電壓矢量， 限制了低速或轉矩突變時的響應速度并且經(jīng)常導致轉矩脈動超過容差范圍。通過自適應控制和預測控制，可以合理選擇最佳的空間電壓矢量對上一控制周期的轉矩脈動進行補償， 很大程度上減小低速時的轉矩脈動。 另外還有一些難點尤其值得我們去攻克解決： 采用最合理的逆變器死區(qū)補償提高控制系統(tǒng)的精度；無速度傳感器的直接轉矩控制；優(yōu)化磁鏈軌跡，降低諧波損耗和尖峰電流；自適應，模糊控制在具體應用過程中的專家參數(shù)選擇和效果保證問題。 題來源及研究意義 目前國外已將直接轉矩控制技術成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。國內由于這方面起步比較晚，對這方面的核心技術研究還不夠成熟，且很多傳動控制設備需要進口。 目前國內株洲電力機車研究所成功將直接轉矩控制技術應用在了電力機車牽引上且取得了較為理想的效果。 株洲電力機車研究所主要從事機車電傳動技術及工業(yè)、民用變流技術的應用研究和工程化研究，是我國在這一領域的龍頭企業(yè)和科研單位。他們參與研究生產(chǎn)了 “神州 ”、 “中原之星 ”、 “奧中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 6星 ”等一系列電力牽引機車，尤其是 “中華之星 ”交流傳動電動機車組，創(chuàng)造了每小時 里的中國鐵路最高速度。 “中華之星 ”交流牽引機車采用的即是直接轉矩控制策略，在工程應用中取得了很好的效果，但從控制上來講，還存在有一些理論上尚未良好解決的問題，仍有許多有待深入研究和改進的領域。尤其是直接轉矩控制在電力牽引中存在的轉矩脈動問題，直接影響到機車拖動的性能效果，特別是在低速時的轉矩脈動，更一直是困擾直接轉矩控制發(fā)展前景和交流調速領域重點期待解決的問題。 借此中南大學信息與控制研究所與株洲電力機車研究所合作創(chuàng)建國家交流變電調速實驗室， 引進了全套交流電動機及其直接轉矩控制設備，包括交流傳動電氣系統(tǒng)實驗柜 (參數(shù)顯示和操作臺 )、主控制柜 (主控電路和逆變器 )異步電動機 (37直流發(fā)電機及勵磁電源屏、負載電阻屏，其實驗設備在國內高校相近研究領域中處于絕對的領先地位， 力求在直接轉矩控制的核心研究領域對直接轉矩控制效果做出進一步的優(yōu)化和改善。 其中在把智能控制理論和直接轉矩控制理論結合上有一些難點尤其值得我們去攻克解決： 通過對異步電機的關鍵參數(shù)如定子電阻，轉子電阻的在線辯識，增強系統(tǒng)對參數(shù)變化的魯棒性；采用最合理的逆變器死區(qū)補償提高控制系統(tǒng)的精度；無速度傳感器的直接轉矩控制；優(yōu)化磁鏈軌跡，降低諧波損耗和尖峰電流；通過自適應，模糊控制、預測控制和直接轉矩控制的結合，使轉矩脈動和容差控制達到最好的效果。 因此，努力跟蹤國際最新研究方向，積極研究具有我們自己知識產(chǎn)權的高性能交流調速系統(tǒng)控制策略，在此基礎上研發(fā)我們國家自己的高性能傳動控制設備，對整個國家的現(xiàn)代化建設和可持續(xù)發(fā)展，都具有重要的意義。本課題旨在通過調查國內外交流調速系統(tǒng)的最新研究狀態(tài)， 深入研究大功率異步電動機及其交流調速傳動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型和現(xiàn)代控制理論、 智能控制理論等先進的控制策略， 基于已開發(fā)的高性能交流調速實驗控制系統(tǒng)開展大功率異步電動機直接轉矩控制的深入研究，有針對性的解決工程應用中提煉出的各種問題，并在此研究的基礎上總結提出高性能的大功率異步牽引機車交流調速控制策略。 文主要內容和結構安排 本文詳細闡述了直接轉矩控制的產(chǎn)生、發(fā)展及其基本原理、模型、結構與控制策略，根據(jù)傳統(tǒng)直接轉矩控制存在的轉矩脈動較大的問題，分析了其產(chǎn)生原因和帶來的不利影響， 并將預測控制與直接轉矩控制和空間矢量脈寬調制方法相結合，提出了基于預測控制的直接轉矩空間矢量脈寬調制方法，結合實驗室的配套裝備， 全面介紹了其整套交流調速傳動系統(tǒng)的基本組成、 控制與工作原理和硬件、軟件部分的改進完善， 最后通過實驗證明了該控制方法能有效改善直接轉矩控制性能。 中南大學碩士學位論文 第一章 緒 論 7論文全文共分六章，內容安排如下： 第一章概述了交流傳動控制系統(tǒng)及其控制方法， 介紹了直接轉矩控制的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，指出了其優(yōu)點和存在的問題，由此引入了智能控制中一些方法與直接轉矩控制的結合。 第二章從異步電動機數(shù)學模型出發(fā)， 深入透徹地分析和研究直接轉矩控制的基本原理、結構和控制、調節(jié)方案，并通過詳細分析說明其優(yōu)缺點。 第三章詳細說明了傳統(tǒng)直接轉矩控制存在的脈動問題產(chǎn)生原因及其對交流傳動調速的影響， 這也是直接轉矩控制目前存在的影響控制性能和急需解決的最大問題。 結合業(yè)內對改進直接轉矩控制脈動問題所提出的一些改進方法的優(yōu)缺點提出一種能提高電機牽引性能的基于轉矩預測控制和 直接轉矩控制方法。 第四章說明了預測跟蹤算法能減小轉矩脈動的原理， 詳細介紹了基于預測控制的直接轉矩空間矢量脈寬調制方法的原理與方案，并介紹了 成的原理、機制特點和其數(shù)字化設計原理，為第五章的具體實現(xiàn)做好鋪墊。 第五章從詳細剖析實驗配套交流傳動裝置入手， 系統(tǒng)介紹交流傳動系統(tǒng)的組成及工作原理、控制方法，闡述了基于轉矩預測控制和 直接轉矩控制方法的具體實現(xiàn)， 對實驗裝置中的轉矩轉速測量部分做出了實驗結果模擬化的改進，便于實驗過程的結果反饋。最后通過實驗結果及分析小結總結了本論文工作重點與實驗意義。 第六章為結論與展望，就本文開展的研究和實驗工作予以總結，并展望將來的技術發(fā)展趨勢與工作方向。中南大學碩士學位論文 第二章 直接轉矩控制策略與原理 8第二章 直接轉矩控制策略與原理 直接轉矩控制技術是近十幾年來繼矢量控制變頻調速技術之后發(fā)展起來的一種新型的、高性能的交流調速技術。直接轉矩控制將逆變器和電機看成一個整體，采用空間電壓矢量的分析方法在定子坐標系中進行磁通和轉矩計算，通過選取合適的逆變器開關狀態(tài)直接控制轉矩。與矢量控制相比，直接轉矩控制具有以下特點： (1) 直接轉矩控制直接著眼于轉矩控制以得到快速轉矩響應，選擇在定子坐標下進行磁鏈轉矩的控制，轉子參數(shù)變化對系統(tǒng)表現(xiàn)為非參數(shù)干擾，能夠通過閉環(huán)控制克服。 (2) 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，控制電機的磁鏈和轉矩，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算，所需要的信號處理工作特別簡單。 (3) 直接轉矩控制可對磁鏈進行直接調節(jié)， 易于實現(xiàn)弱磁控制， 調速范圍寬。 (4) 直接轉矩控制由逆變器開關狀態(tài)直接控制轉 矩，易于優(yōu)化系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低開關頻率。 (5) 直接轉矩控制結構簡單，易于實現(xiàn)，便于數(shù)字化。 步電機數(shù)學模型 圖 2相異步電機物理模型 為便于分析異步電機的數(shù)學模型，我們必須進行一些假定，以抽象出所謂的中南大學碩士學位論文 第二章 直接轉矩控制策略與原理 9理想電機來，其假定為： (1) 氣隙均勻； (2) 磁路線性； (3) 定子和轉子三相繞組對稱，其有效導體沿氣隙空間作正弦分布； (4) 忽略磁場諧波 (即假設磁場正弦分布 )。 步電機數(shù)學模型分析 圖 2步電機等效電路圖 由電路分析，我們可以得到以下式子： &+= (2 += &0 (2定子和轉子磁鏈的計算為： (2= (2定子旋轉磁場提供的功率為： )(23& += (2)( & (2由此得出下面兩個方程： =& (2=& (2中南大學碩士學位論文 第二章 直接轉矩控制策略與原理 止兩相坐標系的數(shù)學模型與基本方程 綜合以上分析，在正交定子靜止兩相坐標系下，異步電動機的電壓 電流模型的狀態(tài)空間方程描述為： +=0000000000000022&(2其中： )/(12= ， 將式 (22入式 (2可以得到轉矩方程： )(23= (2如果用轉子磁鏈代替定子電流，轉矩方程式將變成更簡明的形式。由=和式 (2 (2得： )(231= (2即轉矩是定子磁鏈和轉子磁鏈的交叉乘積，也可以寫成如下形式： = (2上式即為電動機輸出電磁轉矩方程。式中， 為定子磁鏈和轉子磁鏈的夾角（磁通角） 。 在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電動機；而轉子磁鏈幅值由負載決定。如果要改變異步電動機的轉矩，可以通過改變磁通角 來實現(xiàn)。轉子磁鏈可以根據(jù)式 (2定子電壓的積分來改變。穩(wěn)態(tài)轉矩的計算則是根據(jù)式 (2過對轉子磁鏈與磁通角 )(計算來完成。 由電動機力學分析，其機電運動方程為： )(2步電機的坐標變換 三相電機的電壓、電流、磁鏈等都是三相電、磁量。為了方便計算和分析，中南大學碩士學位論文 第二章 直接轉矩控制策略與原理 11可以把電機實際三相軸系的各量通過坐標變換變到一個靜止正交軸系的新軸量。為使變換前后等效，應遵循以下的變換原則： (1) 在確定電流變換矩陣時，保證變換前后電機的合成磁勢等效。 (2) 確定電壓與阻抗變換矩陣，應保證變換前后功率不變。 (一) 三相 /兩相變換 取垂直的坐標軸 、 如圖 2 3 所示，并且取 軸的方向與 A 向繞組軸線一致。 圖 2相 /兩相變換 三相變二相變換矩陣為： =21212123230212113223 (2反變換陣為： =