1、摘要直接轉矩控制是一種控制思想新穎、系統(tǒng)結構簡明、動靜態(tài)特性優(yōu)良的新型高性能交流調速傳動控制技術，但是存在一些不足之處?？臻g矢量調制技術可以使逆變器的開關頻率固定，減小轉矩脈動；無差拍控制可以在一個采樣周期內消除磁鏈和轉矩的誤差。因此，空間矢量調制技術和無差拍控制的結合是一種很有希望提高直接轉矩控制性能的方法?；谶@兩方面的內容，本文針對直接轉矩控制系統(tǒng)進行了分析和研究。介紹了空間矢量調制技術的原理，對采用空間矢量調制的直接轉矩控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)進行了比較。研究了一種新的無差拍直接轉矩控制算法，該算法計算簡單、物理意義明確、不用求解二次方程。仿真結果表明控制效果比較好，對定子電流干

2、擾和電機參數(shù)變化有一定的魯棒性。分析了幾種磁鏈觀測方法，研究了電機參數(shù)變化和電流測量誤差對其影響。無速度傳感器技術可以提高交流傳動控制系統(tǒng)的可靠性。本文分析了擴展卡爾曼濾波器轉速估計算法，建立了轉速估計模型，研究了系統(tǒng)對干擾的適應能力。對本文所研究的無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)進行了實驗研究，采用了新的磁鏈觀測方法，運用匯編語言編程，在dsp實驗平臺上初步驗證了系統(tǒng)設計的可行性。關鍵詞：直接轉矩控制空間矢量調制磁鏈觀測無差拍控制無速度傳感器abstractdirect torque control (dtc), is a new high performance ac drive system wi

3、th novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. but the classic dtc also have some shortages. switching frequency of inverter will be stable and torque ripple will be reduced by using space vector modulation. the errors of stator flux and torque can be elim

4、inated by using deadbeat controller in a sampling period. so combining space vector modulation with deadbeat control is a hopeful method to improve the performance of dtc. according to these, dtc is analyzed and researched in this thesis.the principle of space vector modulation is introduced, and sp

5、ace vector modulation dtc and classic dtc are compared. a new method of deadbeat dtc with simple calculation, explicitly meaning and without saluting equation is researched. the simulating results show that its effect is good and the robustness to interference with currents and motor parameters is h

6、igh.some methods of stator flux observation are analyzed. the influence of variance of motor parameters and current error is researched.to improve reliability of system, speed sensorless technique is implemented. the method of speed estimation by extended kalman filter is analyzed. the simulation mo

7、del is set up to confirm this method. ability to adapt interference is researched.the deadbeat dtc researched in thesis is confirmed in the dsp test-bed for experimentation by dsp assembly language with a new flux observer.key words: direct torque control；space vector modulation； flux observation；de

8、adbeat；speed sensorless目錄1緒論11.1交流調速技術的發(fā)展和現(xiàn)狀11.2直接轉矩控制技術的產(chǎn)生背景及研究現(xiàn)狀21.2.1直接轉矩控制技術的產(chǎn)生背景21.2.2直接轉矩控制技術的研究現(xiàn)狀31.3本論文的研究內容6直接轉矩控制82.1異步電機數(shù)學模型82.2逆變器數(shù)學模型102.3直接轉矩控制系統(tǒng)11采用空間矢量調制的直接轉矩控制系統(tǒng)173.1空間矢量調制原理173.2空間矢量調制直接轉矩控制系統(tǒng)203.3svm-dtc仿真21無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)254.1無差拍直接轉矩控制254.2無差拍控制算法改進284.3無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)304.4無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)仿真3

9、1磁鏈觀測和速度估計365.1磁鏈觀測365.1.1飽和反饋法365.1.2幅值補償法395.1.3自適應補償法405.2速度估計435.2.1擴展卡爾曼濾波器445.2.2速度估計濾波器算法465.2.3速度估計仿真50直接轉矩控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)546.1控制系統(tǒng)的硬件構成546.2無差拍直接轉矩控制軟件設計566.3實驗結果59結論65參考文獻671緒論1.1交流調速技術的發(fā)展和現(xiàn)狀能源和環(huán)境始終是當今全球經(jīng)濟發(fā)展的兩條相互交織的主線。能源的緊張不僅制約了相當多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈敶蟮膯栴}，節(jié)能降耗已經(jīng)成為世界各國普遍采取的措施。而電機（以下均稱電機）是把電能

10、轉換為機械能最主要的手段，具備高效率和變頻調速的電機可以大大提升節(jié)能的效果。電力電子技術、微電子技術、現(xiàn)代控制理論的不斷完善和發(fā)展，為交流調速的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，使交流調速系統(tǒng)逐步具備了寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應和四象限運行等技術性能，完全可與直流調速系統(tǒng)相媲美，從而開辟了交流調速的新紀元1。電力電子技術的迅猛發(fā)展為交流調速技術奠定了物質基礎2。20世紀50年代出現(xiàn)的晶閘管使交流調速擺脫了笨重的旋轉變頻機組，標志著電力電子的誕生。70年代第一代電力電子器件晶閘管的出現(xiàn)形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品。隨后又出現(xiàn)了gtr、gto和功率mosfet等自關斷全控型第二代電力電子

11、器件。而以絕緣柵雙極晶體管(igbt)為代表的第三代電力電子器件，使得高頻化的pwm技術成為可能。從90年代到現(xiàn)在電力電子器件正朝著大功率化、高速化、模塊化、智能化的方向發(fā)展。隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術獲得飛速發(fā)展。從電力電子器件的發(fā)展歷史來看，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術的革命，而每一場電力電子技術的革命都預示著新一代交流調速系統(tǒng)的產(chǎn)生?，F(xiàn)代控制理論的不斷完善為交流調速技術提供了理論依據(jù)。在變頻技術日新月異發(fā)展的同時，交流調速系統(tǒng)控制技術取得了突破性進展。vvvf控制電路簡單、通用性強、經(jīng)濟性好，基本上解決了異步電機平滑調速的問題。但是其系統(tǒng)控制是從電

12、機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)控制效果不理想。20世紀70年代提出得矢量控制理論較好地解決了交流電機的轉矩控制問題，應用三相到兩相的坐標變換方法以及轉子磁場定向的同步旋轉變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電機的磁鏈和轉矩分別控制的目的，獲得了與直流調速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的動靜態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調速的新時代。直接轉矩控制是80年代中期提出的又一種轉矩控制方法，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鏈、轉矩計算，通過磁鏈跟蹤型pwm逆變器的開關狀態(tài)直接控制轉矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去了矢量變換的復雜計算，控制結構簡單，便

13、于實現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學者的重視。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調速系統(tǒng)控制技術的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制、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，進一步推動交流調速技術的發(fā)展。微電子技術的發(fā)展為交流調速技術的數(shù)字化實現(xiàn)提供了可能。微處理器的引入，促進了交流調速技術由模擬化向數(shù)字化的轉變。數(shù)字化技術使得復雜的控制算法得以實現(xiàn)，而電路的簡化、成本的降低、控制精度的提高以及控制系統(tǒng)可靠性的增強等則為交流調速的發(fā)展帶來了新的契機。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機（如凌陽科技的spmc系列）、數(shù)字信號處理器（如德州儀器的tms320f系列）、專用

14、集成電路（application specific integrated currentasic）等。對于高性能的交流調速系統(tǒng)來說，由于控制系統(tǒng)復雜，需要微處理器采用高速緩沖儲存器、多總線、流水線和多核的結構。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流調速系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高、成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比。1.2直接轉矩控制技術的產(chǎn)生背景及研究現(xiàn)狀1.2.1直接轉矩控制技術的產(chǎn)生背景隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，對電氣傳動的調速精度、調速范圍、動靜態(tài)響應和轉矩脈動等方而提

15、出了更高要求。基于穩(wěn)態(tài)模型的標量控制方式，如轉速開環(huán)恒壓頻比控制、轉速閉環(huán)轉差頻率控制等控制策略，己經(jīng)不能滿足高精度的工藝要求。20世紀70年代，西門子公司的f.blaschke等人提出了磁場定向控制，奠定了矢量控制的基礎。該方法模仿直流電機控制，以轉子磁場定向，運用矢量變換的方法實現(xiàn)了電機定子電流的勵磁分量與轉矩分量的完全解耦，將異步電機等效成直流電機。矢量控制的提出具有劃時代的重要意義，其靜態(tài)精度和動態(tài)響應并不亞于直流控制系統(tǒng) 3。然而，矢量控制采用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電機轉子電阻和電感，因此，容易受到電機轉子側參數(shù)的影響。此外，矢量控制需要復雜的矢量旋轉變換與計算。在總結前

16、人研究成果的基礎上，1985年，德國魯爾大學的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi教授分別提出了直接轉矩控制的理論45。與矢量控制不同，直接轉矩控制摒棄了矢量控制的解耦思想和復雜的坐標變換，通過簡單地檢測定子電壓和電流，以空間矢量的分析方法，直接在定子靜止坐標系下計算電機的磁鏈和轉矩，利用雙位模擬調節(jié)器產(chǎn)生pwm,直接控制逆變器的開關狀態(tài)，從而獲得轉矩的高動態(tài)性能。直接轉矩控制技術一誕生，就以新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的動靜態(tài)性能受到了普遍的關注并得到了迅速的發(fā)展6。目前該技術己經(jīng)成功地應用在電力機車牽引及提升機的大功率交流傳動上，如abb的acs6000就

17、是成功應用直接轉矩控制的變頻器，最大功率可達27兆瓦。1.2.2直接轉矩控制技術的研究現(xiàn)狀直接轉矩控制在理論和技術上有許多優(yōu)點，但是作為新興的技術，還存在諸多不完善的地方，而這些問題恰恰成了目前直接轉矩控制技術的研究熱點，吸引了該領域廣大專家學者進行研究。1.2.2.1磁鏈和轉矩觀測器的研究磁鏈和轉矩觀測器歸根結底是對磁鏈的觀測，因為只要觀測出定子磁鏈，根據(jù)采樣得到的定子電流就容易計算出轉矩的大小。對于傳統(tǒng)的直接轉矩控制來說，定子磁鏈的幅值和相角是決定電壓矢量選擇的關鍵因素。因此，合理地構建磁鏈模型，對定子磁鏈進行準確地觀測，對于直接轉矩控制來說非常重要。傳統(tǒng)的直接轉矩控制常用的磁鏈模型有三種

18、：電壓模型、電流模型和基于電壓電流模型切換的混合模型3。電壓模型采用定子電壓和定子電流來確定磁鏈，由于該模型優(yōu)點是所需參數(shù)定子電壓、定子電流和定子電阻容易確定，方法簡單。缺點是存在純積分環(huán)節(jié)，必然帶來直流偏移和初始值問題，導致低速時誤差較大，且定子電阻易受溫度影響。因此，該方法適合于額定轉速以上的情況。電流模型不受定子電阻變化的影響，低速性能較好。但是受到轉子電阻、漏電感和主電感變化的影響，并且要求精確地測量角速度?；旌夏Ｐ途C合了電壓模型和電流模型的優(yōu)點，在電機運行在高速時采用電壓模型，運行在低速時采用電流模型，因此存在模型切換的問題。國內外在磁鏈的準確觀測方面的研究很多。針對電壓模型低速時易

19、受定子電阻影響的問題，文獻7提出了一種新型的定子磁鏈觀測模型,采用一階低通濾波器替換電壓模型中的純積分環(huán)節(jié),并引入pi閉環(huán)校正環(huán)節(jié)來補償磁鏈觀測的直流偏移誤差。實驗表明,該磁鏈觀測器精度高,對電機參數(shù)的魯棒性好,并能夠有效地解決直流偏移誤差問題。文獻8分析了磁鏈觀測存在的問題,在定子磁鏈定向的同步坐標系下,以位置角為反饋量,采用閉環(huán)雙積分結構,分別估計了定子磁鏈的幅值和相位。這種結構理論上可以從根本上解決電壓模型的初始值不準確和積分零漂的問題。但是該方案受到位置角估計精度的影響較大。文獻9提出了一種利用擴展卡爾曼濾波器估計定子磁鏈的方法，使用這種方法可以同時估計定子磁鏈矢量和其他狀態(tài)變量，但是

20、這種方法在實際應用中還存在估計精度低，收斂速度慢等問題。1.2.2.2無速度傳感器技術鑒于安裝速度傳感器會使控制系統(tǒng)的成本增加，可靠性變差。因此，無速度傳感器技術顯得十分重要，已經(jīng)成為電機傳動領域研究的熱點。無速度傳感器技術常用的速度估計方法包括:模型參考自適應法（mras）、擴展卡爾曼濾波法（ekf）、高頻信號注入法、滑模觀測法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的估計方法等。模型參考自適應法（mras，model reference adaptive system）是將不含未知數(shù)的方程作為參考模型，將含有待估計參數(shù)的模型作為可調模型，兩個模型具有相同的物理意義，通過對兩個模型輸出的偏差根據(jù)一定的自適應率不斷調節(jié)

21、可調模型的參數(shù)，直到兩個模型輸出相同10。文獻11提出了一種以電機的瞬時無功作為輔助變量的mras方法估計轉速，避免了積分環(huán)節(jié)，對電機參數(shù)魯棒性較好，計算量小，收斂速度決，速度估計精確較高。文獻12提出了一種在靜止坐標系下實現(xiàn)的mras系統(tǒng)。該方法的參考模型和可調模型分別由電機定子側和轉子側的方程構成。參考模型中不含定子電阻，避免了純積分運算。為了避免對定子電流的純微分，該文應用微分跟蹤器以提取高質量的微分信號，仿真和實驗效果較好。擴展卡爾曼濾波法（ekf，extended kalman filter）是將定子電流、定子或者轉子磁鏈和轉速作為狀態(tài)變量，構成電機狀態(tài)方程，根據(jù)預測值和測量值之間的

22、偏差來調整系統(tǒng)狀態(tài)，從而達到估計轉速的目的13。文獻14提出了擴展卡爾曼濾波法。該方法在定子靜止坐標系下以定子電流、定子磁鏈和轉速作為狀態(tài)變量，考慮電機的五階非線性模型，在每一步估計時都重新將模型在該運行點線性化，再沿用線性卡爾曼濾波器的遞推公式進行轉速估計。擴展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計方法，避免了對測量值的微分計算，可有效抑止噪聲干擾，提高轉速估計的準確度。但是，缺點是計算量大和初始值整定復雜，數(shù)字化實現(xiàn)難度較大。文獻11利用ekf算法,通過測量電機的端電壓和流過定子線圈的電流在線估計電機轉子的位置和速度，利用模糊自適應機構替代常規(guī)自適應機構,構成一個模型參考模糊自適應系統(tǒng)

23、。該系統(tǒng)具有較強自適應和抗干擾能力，但是，由于同時采用ekf算法、模型參考自適應算法和模糊控制，系統(tǒng)過于復雜，難以數(shù)字化實現(xiàn)。高頻信號注入法是向電機端部注入三相旋轉高頻信號（250hz），使轉子凸極呈現(xiàn)一定的效應，通過檢測轉子凸極的位置，就可以獲得轉子的位置和速度。由于該方法是基于電機非理想模型，因此對電機參數(shù)的變化具有魯棒性。缺點是諧波的注入影響了電流波形，增加了電機損耗，且只適合低速，高速時信號濾波分離困難1516?；Ｓ^測法采用估計電流偏差來確定滑?？刂茩C構，是控制系統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在設計好的滑模超平面上。文獻17針對交流電機的時變、非線性、多變量、強耦合的特性，運用滑模變結構控制理論,

24、設計了一種滑模變結構控制器,并對常規(guī)滑?？刂破鞔嬖诘亩秳訂栴}提出一種改善方法,即在滑模控制器后加一個模糊比例積分環(huán)節(jié)。該方法構成的系統(tǒng)十分復雜，同時計算量也不小。文獻18采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論對電機轉速進行了實時估計，算法中基本上消除了純積分和定子電阻對控制系統(tǒng)的影響，獲得了較寬的調速范圍，但是系統(tǒng)過于復雜。1.2.2.3現(xiàn)代控制理論的應用自上世紀60年代以來，基于狀態(tài)空間和狀態(tài)方程的現(xiàn)代控制理論已經(jīng)成熟和完善，在解決具有不確定性和無法精確描述的系統(tǒng)控制問題上發(fā)揮了經(jīng)典控制理論難以奏效的作用。自適應控制是現(xiàn)代控制理論的一個分支。自適應控制的控制器具備自適應的能力，自動校正其自身的設計參數(shù)以保證控

25、制系統(tǒng)的性能不變。與傳統(tǒng)的反饋控制器相比，自適應控制器包含一個自適應機構。這個反饋回路根據(jù)給定的期望值與實際值之間的偏差，修正控制器參數(shù)或產(chǎn)生附加控制信號，保證系統(tǒng)性能。自適應控制這種特點在磁場定向解耦控制中的應用比較廣泛，通過自適應控制或校正技術將能夠正確決定磁場的位置和大小，保證磁場與轉矩的解耦控制。此外自適應控制在電機轉速估計中也有廣泛的應用?；Ｗ兘Y構控制是現(xiàn)代控制理論的一個新的研究方向?；Ｗ兘Y構控制的思想是設計一個合適的滑動面，使其狀態(tài)收斂在上面，它的主要特點是降低階次、實現(xiàn)解耦、抑制干擾和對參數(shù)變化不敏感10。因此，將滑模變結構控制引入到直接轉矩控制中，可以降低磁鏈和轉矩脈動、改

26、善低速性能。智能控制是現(xiàn)在控制理論發(fā)展過程中的一個嶄新階段。它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學模型的框架,不依賴或不完全賴于控制對象的數(shù)學模型,只按實際效果進行控制；繼承了人腦的非線性思維，能夠根據(jù)當前狀態(tài)用變結構的方法改善系統(tǒng)的性能；針對復雜系統(tǒng)具有分層信息處理和決策的功能。在直接轉矩控制中,應用較多的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模糊控制技術,主要作為控制器和觀測器使用。文獻19和文獻20應用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等來選擇開關狀態(tài)消除了觸發(fā)器的容差影響，具有系統(tǒng)響應快、超調量小、抗擾動能力強的特點。但是這種方案也存在一些難于克服的缺點，例如模糊控制算法的應用中，由于人為選取的模糊狀態(tài)選擇器中各變量隸

27、屬度具有較大的主觀性和盲目性，一旦選擇不當，系統(tǒng)性能的改善就不復存在，甚至還會變得更差。為了解決這個問題，文獻21采用遺傳算法來學習轉矩誤差的隸屬度函數(shù)分布，以達到進一步提高轉矩響應速度與減小轉矩脈動的目的。文獻22提出了一種基于模糊控制的在線定子電阻觀測器。1.3本論文的研究內容本文作者在了解國內外異步電機直接轉矩控制研究狀況的基礎上，分析了傳統(tǒng)直接轉矩控制的不足，針對直接轉矩控制系統(tǒng)做了仿真和實驗研究，采取了一些改進傳統(tǒng)直接轉矩控制的措施，主要工作如下：對于傳統(tǒng)直接轉矩控制中逆變器輸出電壓矢量單一、開關器件利用率低和開關頻率不固定等問題，研究了空間矢量調制直接轉矩控制系統(tǒng)，并和傳統(tǒng)直接轉矩

28、控制系統(tǒng)做了仿真比較。針對定子磁鏈電壓模型中純積分環(huán)節(jié)的局限性，研究了三種改進的磁鏈觀測方法。第一種改進方法采用具有飽和反饋的積分器，該算法可以消除直流偏移問題，但是卻帶來了幅值和相位的誤差。第二種改進方法通過引入定子磁鏈幅值補償環(huán)節(jié)，減小了由第一種改進方法所產(chǎn)生的誤差。第三種是在第二種方法的幅值補償環(huán)節(jié)中采用了自適應控制，該方法增強了磁鏈對定子電阻的魯棒性，提高了磁鏈觀測的精度。傳統(tǒng)直接轉矩控制的磁鏈和轉矩采用滯環(huán)控制，低速時轉矩脈動較大。無差拍控制可以克服滯環(huán)控制的不足，其主要思想是在一個采樣周期內，根據(jù)轉矩誤差和磁鏈誤差和空間電壓矢量之間的關系組成方程組，通過解方程組就可以求出下一個采樣

29、周期使轉矩誤差和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量，從而達到轉矩和磁鏈的無差拍控制23。但是已有的無差拍控制方法需要求解二次方程，算法難度較大。為此，研究了一種新的無差拍控制方法，在定子磁鏈定向的同步旋轉坐標系下分析和計算電壓矢量，通過定子磁鏈和電流的坐標變換求出所需的電壓矢量。對新的無差拍控制系統(tǒng)進行了理論分析，研究了電機參數(shù)變化和定子電流干擾對其影響。通過配置磁鏈觀測模型，采用匯編語言在dsp實驗平臺上對其正確性進行了初步的實驗驗證。無速度傳感器技術可以有效地降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)的可靠性。本文應用擴展卡爾曼濾波算法對電機轉速進行了估計，仿真結果表明，采用擴展卡爾曼濾波算法能夠在較低的轉速下獲得較

30、好的估計效果，同時對于定子電流還有一定的適應能力。直接轉矩控制直接轉矩控制（dtc，direct torque control）是在20世紀80年代中期繼矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能異步電機變頻調速系統(tǒng)3。直接轉矩控制避免了矢量控制中復雜的坐標變換，去掉了pwm脈寬調制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉矩，并利用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉矩的解耦控制，是基于轉矩和磁鏈誤差的滑差控制24。這種經(jīng)典的直接轉矩控制技術具有如下特點23:（1）簡單明了的控制結構；（2）優(yōu)良的動靜態(tài)性能；（3）無需專門的pwm技術；（4）對轉子參數(shù)變化不敏感，魯棒性比較

31、強；（5）把電機與逆變器結合在一起,對電機的控制最為直接，且能最大限度發(fā)揮逆變器的能力；（6）滯環(huán)控制會產(chǎn)生磁鏈和轉矩脈動，且開關頻率不是常數(shù)。20多年來，直接轉矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多學者從不同角度提出新的見解和方法，使控制性能得到了進一步的改善和提高。2.1異步電機數(shù)學模型異步電機就其本質而一言，是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，為了便于分析，在建立異步電機的數(shù)學模型時，作以下幾點假設2627：（1）電機定、轉子三相繞組完全對稱。三相定子繞組和三相轉子繞組在空間對稱分布(在空間互差)，各相電流所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和。各相繞組的自感和互感都是線

32、性的，從而可以使用疊加原理；（3）鐵芯的渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計；（4）不考慮頻率和溫度變化對電機參數(shù)的影響。在直接轉矩控制系統(tǒng)中，電機的電壓和電流都是在靜止的坐標系中測量得到的，因此采用靜止的定子坐標系較為方便。異步電機動態(tài)數(shù)學模型可以由以下方程描述： （2-1）（2-2）其中定子電壓定子電壓轉子電流定子磁鏈轉子磁鏈定子電感轉子電感互感電角速度微分算子，即將公式（2-1）和公式（2-2）整理并把實部與虛部分離得（2-3）電機的電磁轉矩可表示為定子電流與定子磁鏈的矢量積(2-4)此外電磁轉矩還可以表示成定子磁鏈和轉子磁鏈的矢量積(2-5)式中定子旋轉磁鏈與轉子旋轉磁鏈的夾角，即磁通角。，異

33、步電機漏磁系數(shù)。運動方程為：(2-6)式中負載轉矩摩擦系數(shù)電機轉動慣量2.2逆變器數(shù)學模型在異步電機變頻調速系統(tǒng)中，通常采用圖2-1所示的三相電壓型pwm逆變器28。利用逆變器6個功率開關管的開關狀態(tài)和順序組合,以及開關時間的調整,可以實現(xiàn)電壓空間矢量的圓形運動軌跡。圖2-1三相電壓型逆變器模型fig.2-1model of three phase voltage source inverter 圖2-1中，是三相電壓型逆變器的橋臂對地電壓，是兩狀態(tài)的開關量，表示所對應的上橋臂功率管導通，0表示所對應的下橋臂功率管導通，其余類推。定義開關函數(shù)，開關向量共有種開關模式，分別是000、001、01

34、0、011、100、101、110、111，對應8個電壓矢量、,其中和為兩個零電壓矢量。根據(jù)圖2-1可以得到電機相電壓和開關函數(shù)的關系，見公式2-7。(2-7)式中，三相相電壓直流母線電壓電壓矢量可以表示為：(2-8)在兩相靜止坐標系平面上，各電壓矢量如圖2-2所示。圖2-2空間電壓矢量fig.2-2space voltage vector2.3直接轉矩控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)對電機的定子電壓和電流進行采樣，然后通過變換將三相電壓電流信號變換到兩相靜止坐標系平面。變換見公式(2-9)。(2-9)根據(jù)變換后得到定子電壓電流，通過磁鏈和轉矩觀測器求出定子磁鏈和轉矩。定子磁鏈可以根據(jù)模型求得，見公式(2-1

35、0)。(2-10)轉矩的計算通過公式(2-4)進行。重寫公式(2-4)如下：(2-4)將磁鏈和轉矩觀測器求得的定子磁鏈和轉矩分別與給定值和比較，將比較產(chǎn)生的誤差信號和分別送入滯環(huán)控制器中。磁鏈控制器如圖2-3a）所示，輸出關系見公式(2-11)。a）磁鏈控制器 b）轉矩控制器圖2-3控制器特性fig.2-3characters of flux and torque controllera) flux controller; b) torque controller(2-11)式中磁鏈控制器的輸出信號磁鏈控制器的總滯環(huán)帶寬轉矩控制器如圖2-3b）所示，輸出關系見公式(2-12)。(2-12)式中

36、轉矩控制器的輸出信號轉矩控制器的總滯環(huán)帶寬此外，磁鏈和轉矩觀測器還計算定子磁鏈的相角，并確定其所在的扇區(qū)。如圖2-4所示，把電壓矢量空間等分為6個扇區(qū)，每個扇區(qū)所包含的范圍為，其中。圖2-4扇區(qū)劃分fig.2-4the distribution of the plane將上面求得的信號送入開關狀態(tài)選擇單元，通過查表的方式產(chǎn)生逆變器所需的開關狀態(tài)，控制逆變器產(chǎn)生合適的電壓矢量。直接轉矩控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。圖2-5直接轉矩控制系統(tǒng)框圖fig.2-5block diagram of dtc system下面對直接轉矩控制的控制策略做如下說明：重寫電機定子磁鏈公式(2-13)忽略定子電阻，并將

37、公式(2-13)離散化，得(2-14)或者(2-15)式中采樣周期公式(2-15)表明，定子磁鏈增量為電壓矢量與采樣周期的乘積，即定子磁鏈增量與逆變器的六個非零電壓矢量之間存在一定的關系，如圖2-6a)所示。當電機剛上電的時候，在定子電壓作用下，電機的磁鏈軌跡逐漸建立起來。在某一時刻，磁鏈在圖中的點，當下一時刻磁鏈超出圖中點所在的環(huán)時，應該減小磁鏈，由公式(2-11)知。如果此時轉矩需要增加,即，而磁鏈在扇區(qū)，根據(jù)圖2-6b)可以判斷需要施加的電壓矢量為。磁鏈沿的方向到達圖中點，此時，如果此時，磁鏈在扇區(qū)，應選擇電壓矢量。a) b)圖2-6a)定子磁鏈軌跡； b)逆變器狀態(tài)選擇fig.2-6a

38、) trajectory of stator flux; b) selection of inverter如此下去，磁鏈就被控制在以磁鏈幅值為半徑，容差帶寬為的圓環(huán)內29。根據(jù)定子磁鏈、轉矩的調節(jié)信號、以及可以得到如下的開關狀態(tài)選擇表（表2-1）。表2-1開關狀態(tài)選擇表table2-1switching section1010-110-1采用空間矢量調制的直接轉矩控制系統(tǒng)傳統(tǒng)直接轉矩控制具有結構簡單、動態(tài)響應快和容易實現(xiàn)等特點。但是也存在著低速轉矩脈動較大，開關頻率不固定等問題。有很多文獻對傳統(tǒng)直接轉矩控制進行了研究與改進分析，如提高采樣頻率，減小控制周期；注入高頻信號，提高逆變器的開關頻率等

39、。然而，這些改進方法要么是以增加系統(tǒng)的處理速度，要么是以犧牲逆變器的開關頻率為代價30-32。磁鏈和轉矩存在較大脈動的原因主要在于輸出電壓矢量單一，選擇輸出矢量的主要依據(jù)是磁鏈、轉矩誤差的正負，而沒有考慮誤差的大小。如果同時考慮磁鏈、轉矩誤差的大小和方向，那么施加的電壓矢量是實時推導出的任意大小、方向的電壓矢量。采用該電壓矢量就可以降低磁鏈、轉矩的脈動。雖然逆變器輸出的基本電壓矢量數(shù)目有限，但是可以利用空間矢量調制（svm，space vector modulation）來合成，這樣就實現(xiàn)了逆變器開關頻率的恒定33。3.1空間矢量調制原理svm方法將逆變器和異步電機作為一個整體來考慮，以三相異

40、步電機理想三相對稱定子理想圓形磁鏈為參考，通過適當切換逆變器的開關模式，從而形成pwm波，用所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈圓。圖3-1三相電壓型逆變器空間電壓矢量fig.3-1space voltage of three phase voltage source inverter 在圖3-1中，、表示兩個相鄰的基本電壓矢量，表示控制所需的參考電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉速度就是輸出正弦電壓的角頻率。在一個采樣周期內，可以通過、的線性組合來合成，它等于。其中、表示一個周期內基本電壓矢量、的作用時間。在下一個采樣周期內，只要在、所包括的范圍，那么仍然使用、來合成，只是作用時間、有

41、所不同。在每一個采樣周期內，都可以通過相鄰的兩個基本電壓矢量來合成。針對圖3-1所示的情況，參考電壓矢量位于被基本空間矢量、所包圍的扇區(qū)中，按照伏秒平衡的原則，得6（3-1）由公式（3-1）表示的矢量關系得（3-2）（3-3）此外，零電壓矢量的作用時間為：（3-4）式中為采樣周期為直流母線電壓如果將投影到兩相靜止坐標系上，其、分量分別為、。那么、又可以通過公式（3-5）和（2-6）求得。（3-5）（3-6）的求解公式（3-4）保持不變，重寫為公式（3-7）。（3-7）同理,可計算出目標電壓矢量在任意扇區(qū)內基本空間電壓矢量開通持續(xù)作用的時間、，見表3-1。表3-1每個扇區(qū)內電壓矢量作用時間tab

42、le3-1function time of voltage in every plane作用時間扇區(qū)號123456zx-z-xx-yy-xxz-y-z其中（3-8）一個采樣周期內各個電壓狀態(tài)的導通順序決定了電機電流諧波分量的大小，也關系到開關器件的開關頻率。為此采用波形對稱的方法，把每個矢量的作用時間都一分為二，同時，把零電壓矢量時間等分給兩個零矢量和。圖3-2中顯示了兩個電壓矢量、及零矢量在區(qū)間的作用順序。圖3-2 電壓矢量的作用順序（七段式法）fig.3-2the application sequences of pace voltage vector以上分析都是針對正常的調制模式（線性調

43、制或者欠調制）的情況，電壓矢量的軌跡位于圖3-1所示的正六邊形的內切圓內。但是，當計算求得的電壓矢量超出逆變器的輸出極限值（正六邊形內切圓的半徑，見圖3-1）時，svm進入過調制模式，此時電壓矢量將會出現(xiàn)嚴重失真，影響電機的輸出轉矩。為了解決這一問題，有些文獻提出了一些補償?shù)姆椒?，但是計算比較復雜。通常的做法是，先計算出、，然后判斷是否成立，如果不成立，則、保持不變；如果成立，則按照下面的公式計算28。（3-9）3.2空間矢量調制直接轉矩控制系統(tǒng)設定旋轉坐標系和定子磁鏈同步旋轉，軸與定子磁鏈方向一致，也就是說、。則此時電機方程可以寫成（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）根據(jù)公式（3

44、-11）、（3-12）和（3-13）可以得到（3-14）（3-15）由公式（3-14）可知，定子磁鏈的變化主要由空間電壓矢量的軸分量來控制；而公式（3-15）則表明，電磁轉矩的變化主要由空間電壓矢量的軸分量來控制。圖3-3空間矢量調制直接轉矩控制系統(tǒng)框圖fig.3-3block diagram of svm-dtc system空間矢量調制直接轉矩控制（svm-dtc）系統(tǒng)如圖3-3所示。定子電壓矢量通過定子磁鏈的誤差和轉矩的誤差得到，具體是根據(jù)磁鏈誤差通過pi調節(jié)器來計算定子電壓的軸分量，根據(jù)轉矩誤差通過pi調節(jié)器來計算定子電壓的軸分量。然后結合定子磁鏈相位角通過2r/2s變換，把旋轉坐標系

45、的定子電壓矢量、變換成與定子坐標系的電壓矢量、。與傳統(tǒng)直接轉矩控制相比，空間矢量調制直接轉矩控制系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)直接轉矩控制的優(yōu)點，采用兩個pi調節(jié)器代替兩個滯環(huán)比較器，并且用空間矢量調制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關狀態(tài)選擇表。3.3svm-dtc仿真針對圖3-3的svm-dtc系統(tǒng)進行了仿真，并和傳統(tǒng)直接轉矩控制進行了比較，空間矢量脈寬調制算法采用simulink中的s-function來實現(xiàn)34。電機參數(shù)為：定子電阻， 轉子電阻，定子自感等于轉子自感，定、轉子互感，轉動慣量，極對數(shù)。系統(tǒng)采樣時間?？刂葡到y(tǒng)在時轉速給定，在時轉速給定。仿真結果如圖3-43-9所示，圖中a) 表示傳統(tǒng)直接轉矩控制仿真，b)表

46、示svm-dtc仿真。a) b)圖3-4定子磁鏈軌跡fig.3-4trajectory of stator fluxa) b)圖3-5電機轉速fig.3-5motor speeda) b)圖3-6電磁轉矩fig.3-6electromagnetic torquea) b)圖3-7定子磁鏈幅值fig.3-7amplitude of stator fluxa) b)圖3-8 定子磁鏈分量fig.3-8a)b)圖3-9定子電流fig.3-9stator current從圖3-4中可以看出，兩種方案的定子磁鏈軌跡都近似圓形，但是svm-dtc的效果更好。電機轉速響應差別不大（圖3-5），但是轉矩相比較

47、，svm-dtc的轉矩脈動已經(jīng)大為減?。▓D3-6）。在圖3-7和圖3-9中，svm-dtc的定子磁鏈幅值和定子電流的波動明顯小于傳統(tǒng)直接轉矩控制，在轉速降低以后，svm-dtc對磁鏈幅值和定子電流控制的比較好，而傳統(tǒng)直接轉矩控制卻有較大的脈動。值得注意的是，svm-dtc的轉矩波形不是很好，其原因是公式（3-13）中電機轉矩不僅僅由決定，同時還受同步轉速和乘積的影響，并且還是在變化的。但是，從仿真的整體效果來看，空間矢量調制技術的應用，降低了直接轉矩控制系統(tǒng)磁鏈和轉矩的脈動。無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)第3章在傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)中應用了空間矢量調制技術，直接轉矩控制的性能得到了明顯地改善。然而，空

48、間矢量調制技術盡管解決了輸出電壓矢量單一和開關頻率不固定的問題，但是由于轉矩受同步轉速的影響，pi調節(jié)器的參數(shù)難以整定，轉矩控制效果不十分理想無差拍控制(deadbeat control)應用于直接轉矩控制是由美國人t.g.habetler基于離散化直接轉矩控制系統(tǒng)提出的3536。其控制思想是根據(jù)轉矩差值和磁鏈幅值差值與空間電壓矢量之間的關系，組成以空間電壓矢量為未知數(shù)的方程組。通過解方程組就可以求出使轉矩和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量，從而達到轉矩和磁鏈的無差拍控制。無差拍控制的最顯著的優(yōu)點就是數(shù)學推導嚴密、跟蹤無超調、系統(tǒng)動態(tài)響應快、易于計算機執(zhí)行等，缺點是它要求建立精確的數(shù)學模型，當理想模

49、型與實際對象有差異時，劇烈的控制動作會引起輸出電壓的振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。隨著數(shù)字信號處理器(dsp)應用的不斷發(fā)展，這是一種很有前途的控制方法。4.1無差拍直接轉矩控制4.1.1t.g.habetler的控制方法根據(jù)異步電機的數(shù)學模型，在坐標系上，一個采樣周期內電機轉矩的給定值和反饋值的差值可以寫成如下形式30：(4-1)式中、定子磁鏈在、坐標軸上的分量、定子反電動勢在、坐標軸上的分量、定子電壓在、坐標軸上的分量顯然，只要、滿足公式(4-1)的要求，在下一個控制周期內就可以消除轉矩誤差。定子磁鏈給定值和反饋值的差值可以寫成如下形式： (4-2)當、滿足公式(4-2)時，就可以在下一個控制

50、周期內消除磁鏈模值誤差。 由公式(4-1)得(4-3)將公式(4-3)代入公式(4-2)得(4-4)式中采樣周期開始時刻的轉矩和給定值的差求解公式(4-4)關于的二次方程，將代入公式(4-3)就可以得到。這樣就得到了既能消除轉矩誤差又能消除磁鏈誤差的定子電壓給定值(、)，通過空間電壓矢量調制技術生成該電壓矢量，從而實現(xiàn)直接轉矩的無差拍控制。從理論上講，無差拍控制可以在一個采樣周期內，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉矩的動靜態(tài)誤差。同時由于這種控制方法沒有使用滯環(huán)比較器，從而消除了由于使用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的轉矩脈動，使電機可以運行在極低速下，擴大了調速范圍。但是，這種方法仍然是建立在定子磁鏈純積分觀測

51、器的基礎之上，對于純積分器的問題依然存在37。并且該方法在定子固定坐標軸上計算，需要求解二次方程，增加了控制算法的計算量和實現(xiàn)難度。4.1.2轉矩（磁鏈）跟蹤預測法針對上述無差拍直接轉矩控制計算量大的問題，出現(xiàn)了一系列的簡化的無差拍直接轉矩控制，其中的轉矩跟蹤預測方法應用比較廣泛38-42。該方法分析了低速轉矩脈動的情況，得出轉矩脈動鋸齒不對稱的結論，并且根據(jù)電機模型得出轉矩變化和電壓矢量的關系。(4-5)式中逆變器輸出定子電壓矢量由公式(4-5)可以看出，如果電壓矢量為零電壓矢量，即，那么，轉矩的變化總是小于零，即；如果電壓矢量為非零電壓矢量即，那么轉矩的變化可能大于零，也可能小于零，或者等

52、于零。因此，零電壓矢量和非電壓矢量對轉矩的變化是不同的。轉矩跟蹤預測方法的目標是，在下一個采樣周期內使非零電壓矢量和零電壓矢量共同作用產(chǎn)生的轉矩等于本周期計算出來的轉矩誤差，用公式表示為(4-6)式中、非零電壓矢量、零電壓矢量產(chǎn)生的轉矩變化通過求解公式(4-6)的方程，可以獲得消除轉矩誤差的非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時間，達到轉矩無差拍控制的目的。針對求出的電壓矢量作用時間超出采樣周期或者小于零的情況，解決方法見公式(4-7)。(4-7)式中針對單一的轉矩無差拍控制的不足，文獻43提出了對磁鏈和轉矩都進行預測跟蹤控制的方法。該方法既消除了轉矩脈動,又不會產(chǎn)生磁鏈畸變,同時也沒有顯著的增加控

53、制算法的計算量。效果明顯優(yōu)于單純的轉矩跟蹤預測控制。無論是轉矩預測跟蹤控制、磁鏈預測跟蹤控制，還是轉矩和磁鏈的預測跟蹤控制，比起上述t.g.habetler的無差拍控制簡單了許多，且易于實現(xiàn)。局限性是對電機參數(shù)變化較為敏感,要提其高魯棒性，需要在線估計電機參數(shù)。4.1.3基于幾何圖形的無差拍控制在文獻44中，對定子磁鏈方程、轉子磁鏈方程以及由定、轉子磁鏈表示的轉矩方程進行離散化，然后把前兩個方程帶入到轉矩方程中去。通過離散的轉矩方程分析可以知道,施加電壓矢量可以使轉矩誤差為零，滿足要求的電壓矢量的軌跡在平面上是一條直線上，且與轉子磁鏈矢量方向平行。采取同樣的方法可以分析知道施加電壓矢量可以使磁鏈誤差為零，該電壓矢量的軌跡在平面上是一個圓，且與磁鏈圓同心。于是利用直線和圓的交點就可以得到使轉矩和磁鏈無差拍控制的電壓矢量，當然這個電壓矢量受到逆變器所能輸出的電壓大小的限制。把幾何圖形引入到無差拍的控制中來是一個比較好的思路，可以得到最優(yōu)的無差拍控制的電壓矢量，同時也有助于理論上的分析。但是就如何把圖形方式和數(shù)字化控制結合起來從實現(xiàn)方式上來說還是存在有一定的難度10。4.2無差拍控制算法改進以上介紹的幾種無差拍控制方法都有一定的優(yōu)勢，也存在一定的弊端。針對上述無差拍控制采用一種改進的方法，目的是避免求解二次方