1、LANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）GRADUATION DESIGN(THESIS)論文題目：電動汽車電機(jī)驅(qū)動控制策略研究本科生姓名:關(guān)海波學(xué)號：201211318指導(dǎo)教師姓名:趙峰職稱:申請學(xué)位類別:工學(xué)學(xué)士專業(yè)：電力工程與管理設(shè)計(jì)（論文）提交日期：（小四號楷體加黑） 答辯日期:（小四號楷體加黑）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動汽車電機(jī)驅(qū)動控制策略研究Investigation on control strategy of motor drivefor electric vehicle姓名：關(guān)海波學(xué) 號:201211318學(xué)院：新能源與動力工程學(xué)院專業(yè)班級：電

2、力工程與管理1201班指導(dǎo)教師：趙蜂完成日期：蘭州 交通大學(xué)Lanzhou Jiaotong University摘要本論文首先介紹了異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過坐標(biāo)變換，得到了異步電動機(jī)的空間矢量等效電路。并由理想逆變器的8 種開關(guān)狀態(tài)入手，得到了理想逆變器的數(shù)學(xué)模型，建立了空間電壓矢量的定義。并在此基礎(chǔ)上對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與空間電壓矢量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，闡述了六邊形磁鏈軌跡和近似圓形磁鏈軌跡異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。根據(jù)異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理，本論文在MATLAB/Simulink 的平臺下，分別搭建了六邊形磁鏈軌跡和圓形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型。并對仿

3、真結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的分析，驗(yàn)證了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的可行性。而且，對兩種磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍進(jìn)行了比較。本論文以電動汽車的電機(jī)驅(qū)動部分為研究對象，對于異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行了較為深入的理論研究，在電動汽車及其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：電動汽車；電機(jī)驅(qū)動；直接轉(zhuǎn)矩控制AbstractThis thesis starts with the mathematic model of the induction motor, and gets the space vector equivalent circuit by coordinate tra

4、nsform. The mathematic model of the inverter and the concept of the voltage space vector are gotten from the eight switched states of the inverter. Then, this thesis describes the structure and the principle of the DTC system both in hexagon flux track and in round flux track for induction motor bas

5、ed on the analysis of the relations between stator flux and electrical torque with voltage space vector.The DTC system models in hexagon flux track and in round flux track are built on the platform of MTATLAB/Simulink separated upon the principle of DTC. The feasibility of the strategy of the DTC fo

6、r induction motor is testified by the simulation, and the performances of the two kinds of DTC system are compared also.This thesis makes a further theory research, and makes a software and hardware design on DTC system for induction motor, which takes the motor drive of electric vehicle as the rese

7、arching object. This research is valuable for the application of the DTC for induction motor in electric vehicle and other relevant fields.Key Words： Electric vehicle， Motor drive， Direct torque control摘 要 - 1 -ABSTRAC.T-2-1 緒論 -1-1.1 國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展及現(xiàn)狀 - 1 -2 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)分析 -1-2.1 電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特殊要求 - 1 -2.2 電

8、動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的分類與選擇 - 2 -2.2.1 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) - 2 -2.2.2 交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) - 2 -2.2.3 永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) - 2 -2.2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) - 3 -2.2.5 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 -3-2.3 交流感應(yīng)電機(jī)的控制方法 - 4 -2.3.1 變壓變頻控制 -4-2.3.2 矢量控制 -4-2.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制 -4-2.3.4 交流感應(yīng)電機(jī)控制方法的選擇 -5-3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 - 5 -3.1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和空間矢量等效電路 - 5 -3.1.1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 - 5 -3.1.2 異步電機(jī)

9、空間矢量等效電路 - 7 -3.2 理想逆變器的數(shù)學(xué)模型 -8-3.3 異步電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與空間電壓矢量的關(guān)系 -8-3.4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成 -9-3.4.1 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的原理 - 9 -3.4.2 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 - 12 -4基于MATLAB/SIMULINK直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真 -15-4.1 六邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)建模與仿真 - 15 -4.1.1 主要子模塊建模 -15-4.1.2 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真 -16-4.2 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 - 19 -4.2.1 主要子模塊的建模 -19-

10、4.2.2 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制原理的仿真 -20-4.3 兩種控制方法的比較分析 - 22 -結(jié)論 -24 -致謝 -25 -參考文獻(xiàn) 錯誤！未定義書簽。附錄 A 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖 錯誤！未定義書簽。1緒論隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，更多的燃油汽車慢慢進(jìn)入了人們的日常生活。而目前世界面 臨的兩大問題就是環(huán)境污染和能源枯竭。 與此同時，由于電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的飛速發(fā)展， 現(xiàn)代工業(yè)對研制無污染、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低廉的電動汽車更加容易。電動汽車是指由車載電源為電動汽車提供行駛動力，由電動汽車的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動汽車行駛，符合交通法規(guī)要求的汽車，目前，電動汽車有三類，分別為混合動力電動汽車、

11、純電動汽車和燃料電池動力汽車1。電動汽車的大力發(fā)展，不但可以實(shí)現(xiàn)低排放而達(dá)到 減少環(huán)境污染的效果，而且可以緩解石油資源的枯竭。因此，電動汽車的研究已經(jīng)成為 未來汽車研究領(lǐng)域的重中之重。1.1國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展及現(xiàn)狀在國內(nèi)，電動汽車從20世紀(jì)末開始研究。經(jīng)過我國兩次五年計(jì)劃的的飛速發(fā)展， 國內(nèi)電動汽車的發(fā)展從零到有，從剛開始的研究開發(fā)階段上升到產(chǎn)業(yè)化階段。十年內(nèi)， 我國共有30個城市參與電動汽車示范推廣工程，累計(jì)推廣電動汽車共計(jì)2.1萬輛，示范 推廣運(yùn)行里程也超過1.9億多千米。因此，未來五年是我國電動汽車項(xiàng)目發(fā)展的重要時 期。在國外，尤其是以美國、日本、歐洲為代表的眾多發(fā)達(dá)國家的科研機(jī)構(gòu)、電

12、力公司、車輛公司很早就推出了電動汽車的概念車， 并且一些比較先進(jìn)的電動汽車研發(fā)企業(yè)已經(jīng) 進(jìn)入生產(chǎn)階段。例如，通用汽車公司開發(fā)的 E1型電動汽車，克萊斯勒公司重點(diǎn)研究和 設(shè)計(jì)的電動汽車；近幾年日本本田公司研發(fā)的電動轎車，德國寶馬公司開發(fā)的日電動旅行車等。2電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)分析電動汽車由三個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為能源子系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)以及輔助控制系 統(tǒng)2。電動汽車電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所需要的電能由車載蓄電池提供，并將車載蓄電池輸出 的電能轉(zhuǎn)化為電動汽車所需要的機(jī)械能， 而驅(qū)動電機(jī)的輸出軸便連接至該電動汽車的驅(qū) 動系統(tǒng)，經(jīng)過驅(qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的傳動裝置，由傳動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力驅(qū)動電動汽車正 常行駛。2.

13、1電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特殊要求電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，有一些特殊要求，如下所述：(1)電動汽車電機(jī)基速以下輸出的轉(zhuǎn)矩較大，所以，為了使驅(qū)動電機(jī)在啟動、加速、 負(fù)荷爬坡、起停等條件下都能正常工作，驅(qū)動電機(jī)需要3倍左右的過載。(2) 電動汽車電機(jī)達(dá)到規(guī)定速度以上時，要求以恒功率狀態(tài)運(yùn)行，是為了在高速運(yùn) 行條件下，電動汽車能夠正常行駛。(3) 驅(qū)動電機(jī)必須具有很高的動態(tài)特性、穩(wěn)定精度以及非常好的可靠性；(4) 電氣系統(tǒng)失效保障措施完善；(5) 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)備要物美價廉。2.2 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的分類與選擇電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按照電機(jī)類型不同可分為：交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、直流電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、開

14、關(guān)阻尼電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)以及永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。2.2.1 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)使用的驅(qū)動電機(jī)為直流電機(jī)。而直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所使用的變流器是斬波器，變流器的作用是將額定電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)電壓；直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所采用的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速與調(diào)磁調(diào)速。直流電動機(jī)根據(jù)有無勵磁繞組可以分為勵磁繞組式和永磁式。前者有勵磁繞組且磁場可由直流電流控制，而后者沒有勵磁繞組且永磁體的磁場是不可控制的。由于技術(shù)成熟，控制簡單，它們在許多驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)中都有非常廣泛的應(yīng)用。2.2.2 交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逆變器和控制器組成了交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的驅(qū)動控制器。驅(qū)動系統(tǒng)中的逆變器作用是將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電動

15、機(jī)運(yùn)行所需的交流電。電動機(jī)的輸入電壓、電流、轉(zhuǎn)速、頻率、波形、磁通、轉(zhuǎn)矩、開關(guān)方式、導(dǎo)通角和關(guān)斷角等都要通過控制器進(jìn)行控制，才能達(dá)到從電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的目的，還要讓控制器對交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制效果達(dá)到最優(yōu)。因此，交流感應(yīng)電機(jī)及其驅(qū)動控制器要求逆變器和控制器能夠同時作用、整體設(shè)計(jì)，使逆變器和控制器能夠完美配合，并且能夠達(dá)到一體化和集成化的整體，這樣就可以大大提升交流電機(jī)的潛力，使交流感應(yīng)電機(jī)更好的應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域。交流感應(yīng)電動機(jī)需要使用逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟姟＼囕d蓄電池存儲的電能為直流電，而交流感應(yīng)電機(jī)需要的是交流電驅(qū)動，所以必須使用逆變器對蓄電池輸出的直流電處理，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為

16、交流電。2.2.3 永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)永磁驅(qū)動電動機(jī)可以分為很多類型，根據(jù)永磁驅(qū)動電動機(jī)的輸入信號波形，可分為兩種，永磁直流和永磁交流電動機(jī)。由于永磁交流驅(qū)動電動機(jī)并沒有裝配電刷、換向器和滑環(huán)等器件，也可將永磁交流驅(qū)動電機(jī)稱為永磁無刷驅(qū)動電動機(jī)。若是按照永磁驅(qū)動電機(jī)輸入信號進(jìn)行分類，永磁無刷電機(jī)可分為兩種，分別是永磁同步電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)。永磁同步電動機(jī)需要輸入的信號波形是交流正弦波，并且是采用了連續(xù)轉(zhuǎn) 子位置反饋信號進(jìn)行換向控制；而對于另外一種永磁驅(qū)動電機(jī)而言，其輸入的是交流方 波，而這兩者進(jìn)行換向控制所采用的信號是一樣的。因?yàn)榉讲ㄅc正弦波相比，其磁場和 電流之間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)大

17、于正弦波，所以，就功率密度而言，直流電機(jī)要比同步電機(jī) 大。2.2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制器構(gòu)成，所用的電機(jī)為開關(guān) 磁阻電機(jī)。開關(guān)磁阻電動機(jī)是雙凸結(jié)構(gòu)。雙凸結(jié)構(gòu)十分牢固，比較適合高速旋轉(zhuǎn)的狀況, 并且不用維護(hù)，具費(fèi)用也低，所以很受工業(yè)重視。開關(guān)磁阻電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)包含位置傳感器，因此即使讓電機(jī)一直大轉(zhuǎn)矩工作，也不 會產(chǎn)生丟步，這是開關(guān)磁阻電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)。而它的缺點(diǎn)就是電機(jī)是雙凸結(jié)構(gòu)，就會導(dǎo) 致轉(zhuǎn)矩脈動引起的振動以及噪聲太大。2.2.5 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的選擇通過以上的分析，對以上闡述的四種主要電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，詳細(xì)說明 見表2.1所小

18、。表2.1電動汽車電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良。存在電刷、容易出現(xiàn)電火花、維 護(hù)不容易、價格昂貴。交流感應(yīng)電動機(jī)價格便宜、維護(hù)簡單、體積較小。控制裝置較復(fù)雜。永磁無刷電動機(jī)控制器較簡單、效率高、能量密度大。價格較貴。開關(guān)磁阻電動機(jī)簡單可靠、可調(diào)范圍寬、效率圖、控制靈 活、成本低。轉(zhuǎn)矩波動很大、噪聲較大。由上表可知，直流電動機(jī)存在電刷，維護(hù)困難，很難適應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展的需要；而永 磁同步電動機(jī)在價格以及研究技術(shù)上，依然不符合電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最終要求。 而交流感應(yīng)電動機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，所需成本很低，可靠性非常好，調(diào)速范圍比較寬，研 究時間較長，使用經(jīng)驗(yàn)較足，而且交流感應(yīng)電動機(jī)的

19、制造技術(shù)很可觀，況且其轉(zhuǎn)矩波動 小，引起的震動小，產(chǎn)生的噪聲也小，也不需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，因此，交流感 應(yīng)電機(jī)依然作為電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的不二之選。因此，在本論文中，用交流感應(yīng)電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)最終的研究對象。2.3 交流感應(yīng)電機(jī)的控制方法由于交流感應(yīng)電機(jī)的直軸和交軸具有磁耦合現(xiàn)象，使得感應(yīng)電機(jī)動態(tài)模型不良的高度非線性，從而導(dǎo)致感應(yīng)電動機(jī)在控制方面較直流電動機(jī)更復(fù)雜。此文列舉三種交流感 應(yīng)電機(jī)的控制方法，具體如下所述。2.3.1 變壓變頻控制變壓變頻控制技術(shù)指的是當(dāng)頻率低于基頻范圍時，需要運(yùn)用恒壓恒頻方法進(jìn)行控 制，當(dāng)頻率位于基頻以上時，利用變頻包壓方法控制。在頻率

20、很低時，定子阻抗下降， 通過提高電壓來補(bǔ)償電源電壓與感應(yīng)電動勢之間的壓降。交流感應(yīng)電動機(jī)的驅(qū)動特性如下圖2.1所示，可分為三段，第一段在電動機(jī)頻率低于基頻時，產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩，稱為包 轉(zhuǎn)矩區(qū)；在第二段，定子電壓保持恒定時滑差增加到極值，電動機(jī)的功率將一直保持為 固定功率。在高速區(qū)，滑差維持常數(shù)，而定子電流衰減，轉(zhuǎn)矩以速度的平方減少。圖2.1感應(yīng)電動機(jī)的特性曲線2.3.2 矢量控制矢量控制的基本原理：首先，需要對電機(jī)的定子電流矢量進(jìn)行測量，必要時進(jìn)行控 制，然后按照磁場定向原理控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流，最后達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的效果。 詳細(xì)流程是先將測得的異步電機(jī)的定子電流矢量分為兩種電流分量，一種產(chǎn)生磁

21、場，另 一種分量產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，接著控制這以上電流分量，與此同時，控制兩種電流分量之間的幅 值以及相位，因此把這種控制方法叫做矢量控制技術(shù) 網(wǎng)。2.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制原理：利用空間矢量的分析方法和定子磁場定向的分析方法，可以在 相應(yīng)的定子坐標(biāo)系下分析并搭建異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩并進(jìn)行相應(yīng)的控制40采用的調(diào)節(jié)器為離線型兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，將檢測到的轉(zhuǎn)矩值和已知給定 的轉(zhuǎn)矩值比較，使轉(zhuǎn)矩波動不要超出一定的容差范圍。2.3.4 交流感應(yīng)電機(jī)控制方法的選擇通過以上分析，可知直接轉(zhuǎn)矩控制采用離散的電壓空間矢量。因此可以把它觀測出 來，在知道定子電阻的情況下。在矢量控制技術(shù)中，由于

22、參數(shù)變化會影響控制性能，但 直接轉(zhuǎn)矩控制會降低了這種不良影響。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的重點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩的直接控制。既 直接又簡單。因此，本論文將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)的最佳控 制方法進(jìn)行深入研究。3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制是通過分析空間電壓矢量的方式， 可以在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并且控制 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向的分析方法，通過離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào) 制信號，對逆變器的開關(guān)情況直接進(jìn)行控制，以獲得高動態(tài)性能轉(zhuǎn)矩，這樣在一定程度 上便解決了矢量控制中存在的問題5。3.1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和空間矢量等效電路3.1.1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)下列條件存在時，可以搭建異步

23、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型:(1)氣隙均勻；(2)磁路線性；(3)定子和轉(zhuǎn)子的繞組對稱分布，并且有效導(dǎo)體部分沿均勻的氣隙空間作正弦分布;(4)忽略磁場諧波的影響不計(jì)。三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型有下列四個方程組成，分別為電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn) 矩方程以及運(yùn)動方程(1)電壓方程-Ua1一Rs00000IA-(a1Ub0Rs0000iB4fBUc00Rs000iC十P九tpraUa000Rs00iaUb0000Rs0ib甲b-uc -100000RsJc_i i(3.1)其中：Ua , Ub, Uc, Ua,Ub , Uc轉(zhuǎn)子定子之間相電壓的瞬時值;i A , i B , iC , ia , ib , ic轉(zhuǎn)子定

24、子之間相電流的瞬時值;(2)PM%B ?' C=r,中a中，,b ?中c-”aEE一 LaM ABM ACMAaMAbMM BAL bM BCMBaMBbMMcaM CBL cMCaMcbMMaAMaBMaCLaMabMMbAMbBMbCMbaLbMMcaMcBMccMcaMcblBcCCcacbcccUiAca1-b中A,中子繞組的全磁鏈;a1(3.2)式中：La、Lb、Lc、La、Lb定、轉(zhuǎn)子之間的自感；其它元素表示互感(3)轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩可由能量守恒定律導(dǎo)出。按照能量轉(zhuǎn)換的基本原理，當(dāng)電機(jī)為多項(xiàng)繞組電 機(jī)時，其中磁場的儲能為1Wm(3.3)2式中：T.i - iA i B i

25、B ia i b ic，i=%A %*中a九九丁。按照能量守恒的基本原理，當(dāng)異步電機(jī)運(yùn)行的時候，異步電機(jī)的電磁力矩Te等于電 流不變時磁場儲能對角位移盤的偏導(dǎo)。即T ：WmWm ,Te 二.|i =c pn 二.|i =c-?m-冊式中：Pn磁極對數(shù)；斗為電角位移，*=PnHm。丁1 . Ct 雨" sr. TePn i i i ie2怎r s s 演rPnMsr (iAiaiBib icic)Sinr(iAibiBic iCia)Sin(r 120 )(iAiciBiaicib)sin(3 -120 )式中：Msr 定轉(zhuǎn)子之間的互感。(4)運(yùn)動方程Te=TL+J七+旦曲6°

26、; pn dt2 Pn dt2T J d2 r D=Tlrr(3.4)(3(3.6)Pn dt Pn式中：Tl負(fù)載阻力矩；J機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量；D轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)。3.1.2異步電機(jī)空間矢量等效電路在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，所采用的參考坐標(biāo)系是放在定子繞組上的，一般采用的是 ap坐標(biāo)系，圖3.1為異步電機(jī)的空間矢量等效電路圖。圖3.1異步電動機(jī)空間矢量等效電路各量的含義如下：Us(t)定子電壓空間矢量；is(t)定子電流空間矢量；ir(t) 轉(zhuǎn)子電流空間矢量；'、一一定子磁鏈空間矢量；巳轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；,'電角速度0并且旋轉(zhuǎn)空間矢量在a軸上的投影稱為a分量，如圖3.2所示，而在正交的P軸

27、上的投影便稱為P分量3.2 理想逆變器的數(shù)學(xué)模型電壓型逆變器如圖3.3所示，由六個開關(guān)Sa、Sa、Sb、Sb、Sc、Sc組成。Sa和Sa、Sb和Sb、Sc和Sc每組之間互為反向，所以當(dāng)一個接通時，則另一個處于斷開狀態(tài)。Sa、&和Sc為三個互相獨(dú)立的變量，按照相關(guān)規(guī)定，則六個開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)均用1表示,關(guān)斷狀態(tài)均用0表小。圖3.3電壓型理想逆變器以a相為例，理想逆變器的輸出電壓和開關(guān)狀態(tài)存在公式3.7的對應(yīng)關(guān)系:*0=產(chǎn)，（三"（3.7）-E, Sb =0 （Sa =1）三個開關(guān)變量Sa、Sb、Sc共有八種組合，這些組合是 (000), (001), (111), (011),

28、(101), (100), (110), (010)。在這8種組合中，并非全部有效，其中在組合(000)和(111) 狀態(tài)時，理想逆變器輸出電壓為零，因此將其稱為無效組合。其它六種組合為有效組合。逆變器的開關(guān)狀態(tài)編號見表3.1 o表3.1逆變器的開關(guān)狀態(tài)（Sa、Sb、Sc）123456780010100111001011100001113.3 異步電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與空間電壓矢量的關(guān)系磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間存在的關(guān)系如下圖3.4所示。圖中，中p(t)的運(yùn)動軌跡與電壓空間矢量us(t)位置為平行關(guān)系，并且運(yùn)動方向和電壓空間矢量的作用方向相 互對應(yīng)。所以只要定子電阻的壓降|is(t)比

29、us(t)足夠小，則這種平行關(guān)系也就可以近似：由此可見，在必要的時刻依次給出定子電壓空間矢量S1至S6,可以得到定子磁量依次沿著圖中的S1-S2-S3-S4-S5-S6的次序運(yùn)動，形成了一個正六邊形磁鏈。但是若定子電 壓為零矢量，那么磁鏈的增量為也就零，而這個作用是使磁鏈?zhǔn)噶康庙旤c(diǎn)停在原來的空 間位置不動。二 u(100)S6' S5彳 u(101)S4u(001)S3u(110),_" p(tjS1鈾u(010)一S2 7 / u(011)圖3.4空間電壓矢量和磁鏈空間矢量之間的關(guān)系3.4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成二十世紀(jì)八十年代，國際上出現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，當(dāng)時有兩種

30、最為典型的控制 方案，分別為六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方案和近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方案。3.4.1 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的原理如圖3.5所示，為六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由此圖可知，定子電壓與電流經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換后，計(jì)算出定子磁鏈，然后分解得到a分量和P分量，再進(jìn)行兩相靜止三相靜止坐標(biāo)系變換，將磁鏈的計(jì)算值與給定值進(jìn)行比較，可以得出相應(yīng)的開 關(guān)量，而轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)的輸出值決定是否插入了零矢量，從而能夠確定出正確的電壓狀 態(tài)信號，更好的控制逆變器的輸出電壓，最后產(chǎn)生六邊形磁鏈6。(1)六邊形磁鏈的生成與電壓空間矢量的選擇如果要形成六邊形磁鏈，需要對六邊形磁鏈進(jìn)行分析，并且還要對電壓矢量對

31、磁鏈 的作用研究。所以需要對六邊形磁鏈軌跡的定子旋轉(zhuǎn)磁鏈空間矢量在P坐標(biāo)系P a、P b以及Pc軸上的投影進(jìn)行觀察，由此便可以得到三個梯形波，它們之間的相位相差120。 它們分別被稱為定子磁鏈的甲回、中田和甲艮分量。圖3.5六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制原理的基本結(jié)構(gòu)Us(001)Us(101)圖3.6六邊形磁鏈及3坐標(biāo)系Pa、Bb、0c軸從圖3.6可看出口-P坐標(biāo)系與P三相坐標(biāo)系存在如式3.8的關(guān)系。圖3.7是三個異 步電機(jī)磁鏈分量對應(yīng)的時序圖。=當(dāng)A(3.8)2- 2,-.-'-22區(qū)段萩函就suasibsicsua SUb sucyx f Tx /、1k乂X1 X X f Msiss3s

32、4s5s6001110001000111011100011,' ； abic圖3.7磁鏈開關(guān)信號與電壓空間矢量的選擇a異步電機(jī)定子磁鏈的 3分量 b異步電機(jī)磁鏈的開關(guān)信號c-電壓開關(guān)信號d-電壓狀態(tài)信號圖3.7中的每個區(qū)間s1s6分別向Pa、兒、民三個坐標(biāo)軸投影，可以得出該區(qū)間 內(nèi)的三個磁鏈分量，波形如圖3.10a,采用三個施密特觸發(fā)器(見圖3.5),施密特觸發(fā)器的容差是土中乩，將三個磁鏈分量和磁鏈的給定值一一比較，得到相對應(yīng)的磁鏈開關(guān) 信號，如圖3.7b區(qū)域所示。電磁開關(guān)信號 環(huán)、環(huán)和虹構(gòu)成與之相對應(yīng)的電壓開關(guān) ac信號 sUa、sib和sic 。 其關(guān)系是:s' a = s

33、ucs b = sua(3.9)s'- c = sUb電壓開關(guān)信號sUa、sib、suc反相便直接得到電壓狀態(tài)信號sua、sib、sic ,見圖 3.7do要是沒有力矩超出電壓開關(guān)信號，則逆變器的各相開關(guān)狀態(tài)按公式3.9所示；若是有力矩超出電壓開關(guān)信號，則按照公式3.9狀態(tài)給出開關(guān)變化最少所對應(yīng)的零電壓信號。這樣便可以很好地控制產(chǎn)生的六邊形磁鏈。(2)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)對于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)而言，如果需要達(dá)到較高的動態(tài)性能，就要對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn) 矩進(jìn)行最直接控制。實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)與控制使用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器即可完成。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入信號是轉(zhuǎn)矩給定值Tg和反饋值Tf比較所得的信號差開關(guān)信號TQ作為轉(zhuǎn)矩調(diào)

34、g解器對應(yīng)的輸出信號，轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的容差為土",運(yùn)用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)方法，把轉(zhuǎn)矩的波動可以限制在已知所給定值的容差范圍之內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩波動處于給定值的容差范圍之內(nèi)時，開關(guān)信號TQ=1,則會輸出相對應(yīng)的空間電壓矢量，可以使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)， 同時轉(zhuǎn)矩也將上升。當(dāng)實(shí)際測得的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)矩之差大于允許偏差時，開關(guān) 信號TQ=0,此時輸出的空間電壓矢量為零，定子磁鏈不會正常運(yùn)行，而是停止不工作， 此時的轉(zhuǎn)矩下降。3.4.2近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理圖3.8近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩基本控制結(jié)構(gòu)圖3.9磁鏈的圓形區(qū)域劃分與近似的圓形軌跡假如三相異步電機(jī)的輸入信號是三相對稱電流，那么電機(jī)將

35、會產(chǎn)生近似圓形軌跡的旋轉(zhuǎn)磁鏈，對應(yīng)的電機(jī)空間磁鏈的矢量軌跡為也會近似為圓形。反之，根據(jù)第三章敘述 的電壓矢量對磁鏈?zhǔn)噶康挠绊懀瑫闺姍C(jī)的磁鏈?zhǔn)噶坷@六個電壓矢量的方向走折線并且 會逼近圓形軌跡，如圖3.9所示；如此看來，變頻器的各相電流也就可以近似看作是正 弦電流。近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)如上圖3.8所示。(1)磁鏈的分區(qū)與滯環(huán)調(diào)節(jié)假如要使定子磁鏈的運(yùn)動軌跡達(dá)到近似為圓形軌跡的效果，應(yīng)該第一時間確定出定子磁鏈的幅值范圍|s*±®,利用定子磁鏈的幅值范圍可得到兩個實(shí)線的同心圓，而對 磁鏈控制的目的就是使定子磁鏈的軌跡在兩個實(shí)線同心圓共同確定的范圍之內(nèi)，見圖 3.9。將定子

36、磁鏈的軌跡劃分為六個區(qū)間，用 Sm表示，其中m=1, 2, 3, 4, 5, 6,如 表3.2所示，區(qū)域不同，則采用的定子電壓向量不同。當(dāng)定子磁鏈以正向旋轉(zhuǎn)且處于表 中S1區(qū)間時，采用U6(110)和U2(010)這兩種電壓矢量來控制定子磁鏈的幅值。采用以 上兩種電壓矢量進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)是上述兩個電壓向量中只有一位開關(guān)量與其他兩位開 關(guān)量不相同，因此在切換時只需要改變其中不同的一位開關(guān)量的狀態(tài)，這樣做比較簡單，也降低了逆變器的開關(guān)頻率，而且也會讓定子磁鏈的軌跡近似圓形運(yùn)動。當(dāng)定子磁鏈處 于其他區(qū)時，電壓矢量的選取方式類似70表3.2磁鏈位置判斷規(guī)則要想對定子磁鏈進(jìn)行以上控制，首先需要計(jì)算出定子磁

37、鏈的幅值，接著利用滯環(huán)控 制器將磁鏈給定值與計(jì)算得出值相互對比，再根據(jù)對比結(jié)果控制電壓向量的切換，具結(jié) 構(gòu)如圖3.9所示。將定子磁鏈幅值計(jì)算值 心 與定子磁鏈幅值給定值 產(chǎn)s*對比，并將得 到的比較結(jié)果=(,s -|s )，送入滯環(huán)控制器，當(dāng)中之名時，滯環(huán)控制器輸出Q=0, 而當(dāng)中再次到達(dá)閥值"且。甲A-W時，控制器保持不變，輸出值 中Q仍為“0”， 只有當(dāng)甲到達(dá)T時，控制器輸出Q=1o WQ的取值確定之后，按照磁鏈所在的區(qū)間 不同，選擇所對應(yīng)的電壓向量相互切換 網(wǎng)。圖3.10定子磁鏈的滯環(huán)調(diào)節(jié)器(2)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)與電壓開關(guān)矢量選擇表的建立此處的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器采用雙滯環(huán)調(diào)節(jié)器，雙滯環(huán)

38、調(diào)節(jié)器的輸入值為AT ,輸出為圖中的TQ,轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的工作原理如上圖 3.11,設(shè)置滯環(huán)寬度為sm ,而TQ由AT 判斷，當(dāng)AT <-am時，TQ=-1,當(dāng)ATcam時，TQ=1,當(dāng)AT =0時，TQ=0。根據(jù)以上 判斷便可列出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)，如表 3.3。表3.3異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)的開關(guān)變換狀態(tài)扇區(qū)轉(zhuǎn) 向 I扇區(qū)1 扇區(qū)2 扇區(qū)3 扇區(qū)4 扇區(qū)5 扇區(qū)6,Q TQTQ二1U5(101)u4(100)U6(110)u2(010)U3(011)u1(001)逆向,Q =1TQ二0u7(111)U0(000)u7(111)U0(000)u7(111)U0(000)(R

39、=1TQ-1U6(110)u2(010)U3(011)u1(001)U5(101)u4(100)順時針),Q =0TQ二1u1(001)U5(101)u4(100)U6(110)u2(010)U3(011)TQU0U0(000)u7(111)U0(000)u7(111)U0(000)u7(111)正向(R=0逆時針)TQ = -1TQ =1-Q=1 TQ =0TQ TQ =1-Q =0 TQ =0TQ - -1U2(010)用(011) 口(110) u2(010)u7(111)u0(000)U5(101)u4(100)u2(010)U3(011)U0(000) U7(111) u1(001)

40、 U5(101)U1(001)網(wǎng)(101)U3(011) u1(001) u7(111) u 0(000)U6(110) u2(010) u1(001) U5(101)U0(000) U7(111) u4(100)名(110)U4(100)U6(110)U5(101) u4(100) u7(111) u0(000)U3(011) u1(001) 山(100) U6(110)U0(000) U7(111) u2(010) U3(011)4基于MATLAB/SIMULINK的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真MATLAB具有很強(qiáng)的矩陣運(yùn)算和繪圖能力，仿真環(huán)境簡單，已較為廣泛的被工業(yè) 領(lǐng)域所應(yīng)用。在以下的仿真試驗(yàn)

41、中，我們重點(diǎn)使用的是MATLAB/Simulink平臺下的基本模塊，并且運(yùn)用基礎(chǔ)模塊搭建了仿真所需的自定義模塊，同時用到了 SimPowerSystems?模塊,來進(jìn)行六邊形與近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模以及仿真。4.1 六邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)建模與仿真4.1.1 主要子模塊建模(1) 3/2變換模塊圖4.1 3/2變換模塊3/2轉(zhuǎn)換矩陣如公式4.1。并由此，完成了 3/2模型的搭建，如圖4.1所示-iAl(4.1)(2)定子磁鏈計(jì)算模塊定子磁鏈模塊采用u-i模型。利用定子的磁鏈計(jì)算公式 中s= (us(t)-is(t)Rs)dt ,可 搭建模型，如圖42圖4.2定子磁鏈計(jì)算子模塊

42、(3)理想逆變器模型的建立根據(jù)第三章搭建的逆變器數(shù)學(xué)模型，可以建立理想逆變器的子模塊，如圖4.3所示。圖4.3理想逆變器模型4.1.2 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真MATLAB/Simulink中搭建的六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型參見附錄 A。 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：電動機(jī)類型選擇鼠籠式異步電動機(jī)，額定功率參數(shù)設(shè)定為7.5kW,額定轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定為為1440r/min,額定頻率參數(shù)設(shè)置為50HZ;逆變器直流電源E取100V o轉(zhuǎn)矩容差設(shè)為仿真結(jié)果如下：0.5N m。設(shè)定轉(zhuǎn)矩為10N m。仿真時間設(shè)置為0.25s。時間(s)圖4.4 a相電流出的0分量(Wb)圖4.5定子磁鏈軌跡0 0

43、 0 0 0 P8 6 4 2-2壓電o o4 65T-sz(間時 0/164圖演心T矩轉(zhuǎn)磁電圖4.7電磁轉(zhuǎn)矩6005004003002001000-1000.050.10.150.20.25時間(s)圖4.8電機(jī)轉(zhuǎn)速可見，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時，計(jì)算誤差較大，造成磁鏈軌跡畸變得比較厲害。隨著轉(zhuǎn)速的提升，會使磁鏈的畸變逐漸減小，慢慢形成正六邊形運(yùn)行軌跡。電機(jī)定子a相電流在啟動時較大，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸上升，電流也逐步接近正弦。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩在0.01s時，到達(dá)指定轉(zhuǎn)矩10N m,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。4.2 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真4.2.1 主要子模塊的建模(1)轉(zhuǎn)矩雙滯環(huán)控制器近似圓形磁

44、鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，使用的控制器為雙滯環(huán)控制器, 如圖4.9。圖4.9轉(zhuǎn)矩雙滯環(huán)比較器(2)定子磁鏈幅值計(jì)算與扇區(qū)判斷模塊利用復(fù)數(shù)模塊計(jì)算磁鏈的幅值，并利用查表模塊得出定子磁鏈所處的扇區(qū)，如圖4.10。mag_s_beat圖4.10定子磁鏈幅值計(jì)算與扇區(qū)判斷模塊(3)電壓矢量選擇模塊由查表模塊、多路選擇模塊組成電壓矢量選擇模塊，如圖4.11。Table 41Sabcu7圖4.11電壓矢量選擇模塊4.2.2 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制原理的仿真MATLAB/Simulink平臺下搭建的近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型參見附 錄B。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：所用的電機(jī)類型為鼠籠型異步電動機(jī)

45、：額定功率參數(shù)設(shè)定為 3.73kW,電阻Rs為1.11S;逆變器的直流電源E為100V。磁鏈容差設(shè)為0.001Wb,轉(zhuǎn) 矩容差設(shè)為1 N m。設(shè)定轉(zhuǎn)矩為10 N m。仿真時間設(shè)置為0.35s。仿真結(jié)果如下：15 0 5 b”量分：的S。-1 -1-0.500.5也的曲量(Wb)圖4.12定子磁鏈軌跡50(0流 電-5000.050.10.150.20.250.3時間(s)圖4.13定子a相電流100時間(s)I- S 1 i圖 4.14 定子 a相電壓100-20 1100.10.20.3時間(s)0.4圖4.15電磁轉(zhuǎn)矩400300200速100 轉(zhuǎn)0-10000.10.20.30.4時間(

46、s)圖4.16電機(jī)轉(zhuǎn)速在電機(jī)啟動時，采用磁鏈優(yōu)先的原則，迅速增加磁鏈。當(dāng)磁鏈達(dá)到一定幅值后，按 照圓形磁鏈控制的電壓矢量選擇表進(jìn)行控制。由于磁鏈容差非常小，為 0.001Wb,因此 磁鏈的軌跡毛刺極少，可以將其運(yùn)動軌跡看作圓形軌跡。并且，當(dāng)電機(jī)啟動時，定子瞬 時電流較大。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩上升較快，但在穩(wěn)定前有一定的波動。在 0.2s后，電機(jī)電磁 轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)矩10N-m附近，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。4.3 兩種控制方法的比較分析由以上仿真實(shí)驗(yàn)可知，六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有如下所述的特點(diǎn)：(1)六邊形磁鏈的控制方法簡單，進(jìn)行控制時只需要進(jìn)行兩種調(diào)節(jié)，通過電壓空間 矢量控制磁鏈?zhǔn)蛊淠軌蜓刂呅诬壽E運(yùn)動：(2)在六邊形磁鏈控制中，每個區(qū)段只根據(jù)有效電壓矢量和零電壓矢量通過判斷即可;(3) 功率器件的開關(guān)次數(shù)較少，因此減少了功率器件的損耗：(4) 在六邊形控制方法下，電流和轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生較大的脈動。 近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩的控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：(1) 相對六邊形磁鏈控制過于繁瑣，通過查事先確定的優(yōu)化開關(guān)狀態(tài)表確定每一時 刻的最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)；(2) 每個區(qū)段內(nèi)都需要根據(jù)數(shù)個電壓狀態(tài)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈近似圓形旋轉(zhuǎn)；(3) 在近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于開關(guān)的狀態(tài)非常復(fù)雜，便要求逆變 器開關(guān)非常頻繁，這樣會導(dǎo)致元器件的損耗增大；(4) 在六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制