基于十八邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制算法的深度剖析與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。早期，在工業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段，交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其調(diào)速主要依靠外界的皮帶和齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是電子技術(shù)和起重運(yùn)輸機(jī)械的興起，對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速提出了更高要求，直流電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直流電機(jī)憑借其快速正反轉(zhuǎn)和準(zhǔn)確的定位功能，在一定時(shí)期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，提高了生產(chǎn)的連續(xù)性、產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量。然而，直流電機(jī)存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)，導(dǎo)致其維護(hù)復(fù)雜、成本高昂，這在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)逐漸嶄露頭角，并在80年代以來(lái)開(kāi)始取代直流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如交流電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量更大、運(yùn)行轉(zhuǎn)速高且耐高壓，其體積、重量和價(jià)格均小于同容量的直流電動(dòng)機(jī)。此外，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更廣，在惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。在調(diào)速裝置方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，新控制算法的應(yīng)用使得交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置反應(yīng)速度更快、精度更高且可靠性更強(qiáng)，能夠達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的性能指標(biāo)。交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程與微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步緊密相連。70年代以前，約20%的電機(jī)采用直流電機(jī)進(jìn)行變速傳動(dòng)，而80%以上的交流電機(jī)用于定速傳動(dòng)。70年代以后，受能源危機(jī)的影響，人們開(kāi)始積極尋求更節(jié)能的解決方案，交流調(diào)速技術(shù)，特別是變頻技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。交流調(diào)速不僅能夠有效節(jié)省能源，還能通過(guò)變頻器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的精確控制，顯著提高了系統(tǒng)的效率和靈活性。交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋了一般性能的節(jié)能調(diào)速、高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)以及特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速等多個(gè)領(lǐng)域。在風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械設(shè)備中，采用交流調(diào)速系統(tǒng)可大幅降低能耗，通常每臺(tái)設(shè)備可節(jié)約20%-30%的電能。在自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人等對(duì)精密控制和高響應(yīng)速度要求較高的領(lǐng)域，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。在大型設(shè)備如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等高功率、高速度應(yīng)用中，交流調(diào)速系統(tǒng)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為首選。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DirectTorqueControl，DTC）是一種具有創(chuàng)新性的控制方法。該技術(shù)于20世紀(jì)80年代中期由德國(guó)魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出，其中M.Depenbrock教授提出了六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案，I.Takahashi教授提出了圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論被進(jìn)一步推廣到弱磁調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間矢量分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band）產(chǎn)生PWM波信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。它省去了復(fù)雜的矢量變換，無(wú)需對(duì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，也沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器，控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化具有較低的敏感性。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)也存在一些不足之處，其中較為突出的問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)現(xiàn)象。這一問(wèn)題主要是由于采用了轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)控制（Bang-Bang控制），三相電壓逆變器只有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩/磁鏈值由小到大達(dá)到給定值時(shí)，如果逆變器開(kāi)關(guān)速度較慢，狀態(tài)沒(méi)有及時(shí)轉(zhuǎn)換，則電壓矢量會(huì)繼續(xù)作用，直到轉(zhuǎn)矩/磁鏈值和轉(zhuǎn)矩磁鏈額定值的誤差達(dá)到轉(zhuǎn)矩/磁鏈容差，才會(huì)終止電壓矢量，從而產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，尤其是在低速時(shí)，這種脈動(dòng)現(xiàn)象更為明顯。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響，限制了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在一些對(duì)穩(wěn)定性和精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)問(wèn)題，學(xué)者們提出了多種改進(jìn)方案。其中，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法是一種具有重要研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的改進(jìn)方法。該算法通過(guò)增加逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將磁鏈軌跡由傳統(tǒng)的六邊形或圓形擴(kuò)展為十八邊形，使得電壓矢量的選擇更加精細(xì)，能夠更準(zhǔn)確地跟蹤參考磁鏈和轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法相比，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法能夠有效地解決諧波含量高的問(wèn)題。由于逆變器反射到中間直流回路的諧波明顯減弱，使得異步電動(dòng)機(jī)在高速域內(nèi)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著減小。這不僅提高了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，還能降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。通過(guò)優(yōu)化磁鏈軌跡和電壓矢量的選擇，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法能夠提高系統(tǒng)的控制性能，使電機(jī)在不同工況下都能更高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。在一些對(duì)調(diào)速性能要求較高的工業(yè)應(yīng)用中，如精密機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線等，采用十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法能夠顯著提升系統(tǒng)的整體性能，滿足生產(chǎn)過(guò)程對(duì)高精度、高穩(wěn)定性的需求。十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在降低諧波、減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提升交流調(diào)速系統(tǒng)的性能具有重要意義。深入研究和實(shí)現(xiàn)這一算法，有助于進(jìn)一步拓展直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的更廣泛應(yīng)用，提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)自20世紀(jì)80年代被提出以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外都引起了廣泛的研究興趣，取得了豐碩的研究成果，同時(shí)也暴露出一些有待解決的問(wèn)題，尤其是在轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)方面。在國(guó)外，德國(guó)魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授率先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論，為該領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ)。此后，眾多學(xué)者圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)展開(kāi)深入研究。在解決轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)問(wèn)題上，國(guó)外學(xué)者提出了多種改進(jìn)策略。部分學(xué)者嘗試通過(guò)增加零電壓矢量來(lái)優(yōu)化控制效果，零矢量在異步電機(jī)系統(tǒng)中能使電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降，而在永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中能基本保持電磁轉(zhuǎn)矩不變，利用這一特點(diǎn)，可把零矢量看作保持當(dāng)前轉(zhuǎn)矩的作用，從而減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。還有學(xué)者將空間電壓矢量進(jìn)行細(xì)分，增至十二等分或二十四等分，使電壓矢量更接近參考的空間電壓矢量，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。也有研究采用多電平控制功率變換器，通過(guò)增加逆變器的電平數(shù)，提高電壓矢量的分辨率，以改善磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制性能。在國(guó)內(nèi)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)同樣受到高度關(guān)注，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)投入大量精力進(jìn)行研究。學(xué)者們?cè)诮梃b國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用需求，開(kāi)展了富有成效的研究工作。有研究通過(guò)對(duì)基本直接轉(zhuǎn)矩控制的空間電壓矢量開(kāi)關(guān)表進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化電壓矢量的選擇，從而減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)。也有學(xué)者采用智能控制方法，如預(yù)測(cè)控制和模糊控制等，來(lái)提升直接轉(zhuǎn)矩控制的性能。但這些智能控制方法通常計(jì)算量較大，在實(shí)時(shí)控制中面臨一定的挑戰(zhàn)。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者倪大成、年曉紅、劉可安等提出了十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法，詳細(xì)闡述了基于這種十八邊形磁鏈電壓調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制方法的理論分析、諧波處理機(jī)理及算法實(shí)現(xiàn)方式，并通過(guò)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)運(yùn)行考核，驗(yàn)證了該方法能有效解決六脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法諧波含量高的問(wèn)題，顯著減小異步電動(dòng)機(jī)在高速域內(nèi)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高控制性能。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法方面取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。目前的改進(jìn)方法雖然在一定程度上減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)，但未能從根本上完全消除這一問(wèn)題，尤其是在低速和重載情況下，脈動(dòng)問(wèn)題仍然較為突出。一些改進(jìn)算法的計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)硬件設(shè)備的要求也相應(yīng)提高，這在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。不同的改進(jìn)方法在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)各異，缺乏一種通用的、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)化方案。此外，對(duì)于十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在不同類(lèi)型電機(jī)和復(fù)雜工況下的應(yīng)用研究還不夠深入，需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析交流調(diào)速系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理和特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高效的十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法，以提升交流調(diào)速系統(tǒng)的性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。具體研究?jī)?nèi)容如下：十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法原理分析：詳細(xì)闡述十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的基本原理，深入分析其與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法在磁鏈軌跡、電壓矢量選擇等方面的差異。研究在不同工況下，十八邊形磁鏈軌跡對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的影響機(jī)制，從理論層面揭示該算法在減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)。分析逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電壓矢量的關(guān)系，探討如何通過(guò)合理選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)十八邊形磁鏈軌跡的控制，以及這種控制方式對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響。十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法設(shè)計(jì)：根據(jù)算法原理，設(shè)計(jì)適用于十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確各組成部分的功能和相互關(guān)系。結(jié)合電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)在十八邊形磁鏈軌跡下的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制策略，確定控制參數(shù)的取值范圍和計(jì)算方法。研究如何優(yōu)化電壓矢量的作用時(shí)間和順序，以進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。考慮電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾等因素，設(shè)計(jì)具有一定魯棒性的控制算法，確保系統(tǒng)在不同工作條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法實(shí)現(xiàn)：基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）等硬件平臺(tái)，搭建十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。編寫(xiě)相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)算法的數(shù)字化運(yùn)算和控制邏輯，包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、電壓矢量的選擇與輸出等功能。對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，確保其穩(wěn)定性和可靠性，解決在硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的信號(hào)干擾、時(shí)序匹配等問(wèn)題。將實(shí)現(xiàn)的十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法應(yīng)用于實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證算法的可行性和有效性。十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法性能驗(yàn)證：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在不同工況下的性能數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度、磁鏈跟蹤精度、轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大小等指標(biāo)。與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在提升系統(tǒng)性能方面的效果，明確其優(yōu)勢(shì)和不足之處。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，探討影響算法性能的因素，提出進(jìn)一步改進(jìn)算法的方向和措施，為算法的優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。利用仿真軟件對(duì)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法進(jìn)行仿真研究，模擬不同的運(yùn)行工況和參數(shù)變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，深入研究算法的性能特點(diǎn)和適用范圍。1.4研究方法與技術(shù)路線為了實(shí)現(xiàn)對(duì)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的深入研究與有效實(shí)現(xiàn)，本研究將綜合運(yùn)用理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多種方法，確保研究的全面性、科學(xué)性和可靠性。在理論分析方面，深入研究交流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，特別是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的工作機(jī)制。詳細(xì)剖析十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的原理，包括磁鏈軌跡的生成、電壓矢量的選擇以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制策略等。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)算法進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析，明確各參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)的算法設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。研究不同工況下電機(jī)的運(yùn)行特性，以及算法在不同條件下的控制效果，揭示算法的優(yōu)勢(shì)和潛在問(wèn)題。仿真研究是本研究的重要環(huán)節(jié)。借助專(zhuān)業(yè)的仿真軟件，如MATLAB/Simulink等，搭建十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的仿真模型。在仿真模型中，精確設(shè)置電機(jī)的參數(shù)，模擬不同的運(yùn)行工況，如不同的負(fù)載、轉(zhuǎn)速等。通過(guò)仿真，直觀地觀察磁鏈軌跡的變化、轉(zhuǎn)矩和磁鏈的波動(dòng)情況，以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，評(píng)估算法的性能指標(biāo)，如轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度、磁鏈跟蹤精度、轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大小等。與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，明確十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的改進(jìn)效果。利用仿真模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，探索最佳的控制參數(shù)組合，以進(jìn)一步提升算法的性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)算法有效性和可行性的關(guān)鍵步驟?；跀?shù)字信號(hào)處理器（DSP）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）等硬件平臺(tái)，搭建實(shí)際的電機(jī)控制系統(tǒng)。編寫(xiě)相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的數(shù)字化運(yùn)算和控制邏輯。對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行精心調(diào)試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，解決可能出現(xiàn)的信號(hào)干擾、時(shí)序匹配等問(wèn)題。在實(shí)際電機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采集不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，驗(yàn)證算法在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相互印證，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究的技術(shù)路線遵循從理論研究到算法設(shè)計(jì)，再到仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的邏輯順序。首先，對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究，明確十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的原理和優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)理論研究成果，設(shè)計(jì)適用于十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法，確定控制參數(shù)的取值范圍和計(jì)算方法。然后，利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行仿真分析，通過(guò)調(diào)整參數(shù)和優(yōu)化算法，提升算法的性能。最后，將優(yōu)化后的算法在實(shí)際硬件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)這樣的技術(shù)路線，確保本研究能夠深入、系統(tǒng)地研究十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法，并為其實(shí)際應(yīng)用提供有力的支持。二、直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種新型的交流調(diào)速控制策略，其核心在于通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高效調(diào)速。該技術(shù)采用空間矢量分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行計(jì)算與控制。這種控制方式摒棄了傳統(tǒng)矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電機(jī)模型簡(jiǎn)化處理過(guò)程，具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等顯著優(yōu)點(diǎn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁場(chǎng)定向是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)將定子磁鏈作為定向基準(zhǔn)，能夠有效地簡(jiǎn)化控制算法，提高系統(tǒng)的魯棒性。借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制，從而獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和方法，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。2.1.1空間矢量分析方法空間矢量是一種用于描述交流電機(jī)中物理量的有效工具，它將交流電機(jī)中的電壓、電流、磁鏈等物理量表示為在空間中旋轉(zhuǎn)的矢量。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，空間矢量分析方法起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)將這些物理量表示為空間矢量，可以更直觀地理解它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。在交流電機(jī)中，定子電壓空間矢量是由逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定的。以三相逆變器為例，它有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著6個(gè)非零電壓矢量，2種無(wú)效開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著零電壓矢量。這些電壓矢量在空間中均勻分布，將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)。通過(guò)合理選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即選擇合適的電壓矢量作用于電機(jī)定子繞組，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的有效控制。在磁鏈控制方面，定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間存在著密切的關(guān)系。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定子磁鏈的變化率等于定子電壓。當(dāng)施加一個(gè)電壓矢量時(shí)，定子磁鏈會(huì)沿著該電壓矢量的方向以一定的速度變化。通過(guò)選擇不同的電壓矢量，可以使定子磁鏈按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通常將定子磁鏈的幅值保持為額定值，通過(guò)控制磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。在轉(zhuǎn)矩控制方面，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量積。通過(guò)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向，以及轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，可以改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)選擇合適的電壓矢量，使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度之間產(chǎn)生一定的差值，從而改變磁鏈夾角，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。當(dāng)施加超前定子磁鏈的電壓矢量時(shí)，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度加快，磁鏈夾角增大，電磁轉(zhuǎn)矩增加；當(dāng)施加滯后定子磁鏈的電壓矢量或零矢量時(shí)，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度減慢或停滯，磁鏈夾角減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小。2.1.2定子磁場(chǎng)定向定子磁場(chǎng)定向是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，它以定子磁場(chǎng)為定向基準(zhǔn)，將定子磁鏈?zhǔn)噶孔鳛閰⒖际噶?，通過(guò)控制定子電流在定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蛏系姆至?，?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制。與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)中采用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向相比，定子磁場(chǎng)定向具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在定子磁場(chǎng)定向中，只需要知道定子電阻這一個(gè)電機(jī)參數(shù)，就可以通過(guò)檢測(cè)定子電流和電壓來(lái)計(jì)算定子磁鏈。而定子電阻相對(duì)較為穩(wěn)定，受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化的影響較小，因此定子磁場(chǎng)定向的精確度更高，受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向需要準(zhǔn)確知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電感、轉(zhuǎn)子電阻等多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，從而影響磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響控制性能。采用定子磁場(chǎng)定向可以省去復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換過(guò)程。在矢量控制中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制，需要進(jìn)行多次坐標(biāo)變換，包括三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換、兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換等，這些變換過(guò)程計(jì)算復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)和控制難度。而在定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制中，直接在定子坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算和控制，無(wú)需進(jìn)行這些復(fù)雜的坐標(biāo)變換，大大簡(jiǎn)化了控制算法，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。定子磁場(chǎng)定向還具有較強(qiáng)的魯棒性。由于直接對(duì)定子磁鏈進(jìn)行控制，能夠更直接地反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾具有更好的適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)可能會(huì)受到負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等多種因素的影響，采用定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制能夠更好地應(yīng)對(duì)這些變化，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能。2.1.3離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)與PWM信號(hào)生成離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)是直接轉(zhuǎn)矩控制中產(chǎn)生PWM信號(hào)的關(guān)鍵方法，它通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差進(jìn)行比較和判斷，來(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制。離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)的原理基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，設(shè)定轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度和磁鏈滯環(huán)寬度。實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，并與給定的轉(zhuǎn)矩參考值和磁鏈參考值進(jìn)行比較。當(dāng)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值低于轉(zhuǎn)矩參考值減去滯環(huán)寬度時(shí)，判斷為轉(zhuǎn)矩過(guò)小，此時(shí)選擇使轉(zhuǎn)矩增加的電壓矢量作用于電機(jī)，以增大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值高于轉(zhuǎn)矩參考值加上滯環(huán)寬度時(shí)，判斷為轉(zhuǎn)矩過(guò)大，選擇使轉(zhuǎn)矩減小的電壓矢量作用于電機(jī)，以減小轉(zhuǎn)矩。同樣地，對(duì)于磁鏈的控制，當(dāng)磁鏈實(shí)際值低于磁鏈參考值減去滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使磁鏈增加的電壓矢量；當(dāng)磁鏈實(shí)際值高于磁鏈參考值加上滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使磁鏈減小的電壓矢量。通過(guò)這種離散兩點(diǎn)式的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差情況不斷地選擇合適的電壓矢量，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)冀K保持在給定的滯環(huán)范圍內(nèi)波動(dòng)。這種控制方式能夠快速地響應(yīng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。由于電壓矢量的作用時(shí)間是離散的，通過(guò)合理地控制電壓矢量的作用時(shí)間和順序，就可以產(chǎn)生PWM信號(hào)。在每個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)的結(jié)果，確定電壓矢量的作用時(shí)間，從而控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)選擇某個(gè)電壓矢量時(shí)，逆變器相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，使該電壓矢量作用于電機(jī)定子繞組；在一個(gè)控制周期結(jié)束后，根據(jù)下一個(gè)控制周期的調(diào)節(jié)結(jié)果，重新選擇電壓矢量并控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)不斷地重復(fù)這個(gè)過(guò)程，就可以產(chǎn)生一系列的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的精確控制。離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)與PWM信號(hào)生成的方式使得直接轉(zhuǎn)矩控制能夠獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。由于能夠快速地根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差調(diào)整電壓矢量，系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制，滿足不同工況下對(duì)電機(jī)快速響應(yīng)的要求。在電機(jī)啟動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)能夠迅速地調(diào)整轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速達(dá)到所需的運(yùn)行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)2.2.1控制思想與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思想與傳統(tǒng)控制方法有著顯著的差異，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系下的物理量轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制。在矢量控制中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制，需要進(jìn)行三相靜止坐標(biāo)系（ABC）到兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）的變換，再將兩相靜止坐標(biāo)系下的物理量變換到以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MT）下，通過(guò)對(duì)MT坐標(biāo)系下的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的控制，來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。這個(gè)過(guò)程中，需要準(zhǔn)確知道電機(jī)的多個(gè)參數(shù)，如轉(zhuǎn)子電感、轉(zhuǎn)子電阻、互感等，并且坐標(biāo)變換的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)和控制難度。而直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行計(jì)算與控制，摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變換過(guò)程。它以定子磁場(chǎng)定向，只需要知道定子電阻這一個(gè)參數(shù)，就可以通過(guò)檢測(cè)定子電流和電壓來(lái)計(jì)算定子磁鏈。由于定子電阻相對(duì)較為穩(wěn)定，受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化的影響較小，因此直接轉(zhuǎn)矩控制的精確度更高，受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小。在控制結(jié)構(gòu)上，直接轉(zhuǎn)矩控制省去了矢量控制中用于坐標(biāo)變換和參數(shù)計(jì)算的復(fù)雜環(huán)節(jié)，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制。這種控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直接，信號(hào)處理的物理概念明確，易于實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要像矢量控制那樣，為了實(shí)現(xiàn)解耦控制而對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化處理，從而能夠更真實(shí)地反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電機(jī)的控制更加直接和有效。2.2.2轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性直接轉(zhuǎn)矩控制具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，這是其在實(shí)際應(yīng)用中的一大顯著優(yōu)勢(shì)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，能夠快速地根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差調(diào)整電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制。當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與給定的轉(zhuǎn)矩參考值之間存在偏差時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)會(huì)迅速做出反應(yīng)。如果轉(zhuǎn)矩實(shí)際值低于轉(zhuǎn)矩參考值減去滯環(huán)寬度，系統(tǒng)會(huì)立即選擇使轉(zhuǎn)矩增加的電壓矢量作用于電機(jī)，通過(guò)改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向，使磁鏈夾角增大，從而增大電磁轉(zhuǎn)矩。反之，如果轉(zhuǎn)矩實(shí)際值高于轉(zhuǎn)矩參考值加上滯環(huán)寬度，系統(tǒng)會(huì)選擇使轉(zhuǎn)矩減小的電壓矢量，使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度減慢或停滯，磁鏈夾角減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小。這種快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性使得直接轉(zhuǎn)矩控制在許多對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，直接轉(zhuǎn)矩控制能夠迅速提供足夠的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速，縮短啟動(dòng)時(shí)間。在電機(jī)加速和減速過(guò)程中，也能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化，及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。在工業(yè)生產(chǎn)中的起重機(jī)、電梯等設(shè)備中，電機(jī)需要頻繁地啟動(dòng)、加速、減速和停止，直接轉(zhuǎn)矩控制的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性能夠滿足這些設(shè)備對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的嚴(yán)格要求，提高生產(chǎn)效率和安全性。在電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域，直接轉(zhuǎn)矩控制可以使電機(jī)快速響應(yīng)駕駛員的操作指令，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的快速加速和靈活制動(dòng)，提升駕駛體驗(yàn)和車(chē)輛的性能。2.2.3對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有較低的敏感性，這一特性使其在實(shí)際應(yīng)用中具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的矢量控制中，由于采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，需要準(zhǔn)確知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電感、轉(zhuǎn)子電阻、互感等多個(gè)參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向和轉(zhuǎn)矩控制。然而，這些電機(jī)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響而發(fā)生變化，如電機(jī)的溫度變化會(huì)導(dǎo)致電阻值的改變，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)變化會(huì)影響電感值。電機(jī)參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)定向的不準(zhǔn)確，從而影響轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制精度，降低系統(tǒng)的性能。而直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁場(chǎng)定向，只需要知道定子電阻這一個(gè)參數(shù)，就可以計(jì)算定子磁鏈。定子電阻相對(duì)較為穩(wěn)定，受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化的影響較小。即使定子電阻在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的影響也相對(duì)較小。由于直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算和控制，不需要像矢量控制那樣依賴于復(fù)雜的電機(jī)模型和多個(gè)參數(shù)的精確值，因此對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的敏感度較低。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，即使電機(jī)參數(shù)發(fā)生一定程度的變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仍然能夠保持較好的控制性能，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。這使得直接轉(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用中更加可靠，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。2.3直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的比較2.3.1控制特點(diǎn)比較直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制作為交流調(diào)速系統(tǒng)中兩種重要的控制策略，在控制特點(diǎn)上存在顯著差異。矢量控制以轉(zhuǎn)子磁通的空間矢量為定向基準(zhǔn)，這一過(guò)程需要精確獲取電動(dòng)機(jī)的多個(gè)參數(shù)，如轉(zhuǎn)子電感、轉(zhuǎn)子電阻、互感等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響著定向的精確度，而在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)參數(shù)會(huì)受到溫度、負(fù)載等因素的影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致定向精確度降低，影響控制性能。矢量控制需要進(jìn)行復(fù)雜的等效變換，包括直-交變換、2/3變換以及矢量旋轉(zhuǎn)變換等。這些變換過(guò)程涉及大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，增加了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度和運(yùn)算負(fù)擔(dān)。在調(diào)整過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)若干個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能完成，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，通常大于100ms，這在一些對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的場(chǎng)合難以滿足需求。與之不同，直接轉(zhuǎn)矩控制以定子電壓的空間矢量為定向基準(zhǔn)，僅需知道電動(dòng)機(jī)的定子電阻這一個(gè)參數(shù)。定子電阻相對(duì)較為穩(wěn)定，受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化的影響較小，易于測(cè)量，從而保證了定向精確度。直接轉(zhuǎn)矩控制無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的等效變換，直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行計(jì)算與控制。這種控制方式簡(jiǎn)化了控制算法，減少了計(jì)算量，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度大幅提高，響應(yīng)時(shí)間僅需15ms左右。直接轉(zhuǎn)矩控制還具有易于實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制的優(yōu)勢(shì)。由于其控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較低，通過(guò)對(duì)定子電流和電壓的檢測(cè)與分析，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的估算，從而省去了速度傳感器，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。2.3.2脈寬調(diào)制方式比較在脈寬調(diào)制方式上，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制也存在明顯的區(qū)別。矢量控制采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方式，這種調(diào)制方式需要專(zhuān)門(mén)的SPWM發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，增加了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和成本。SPWM方式通過(guò)對(duì)正弦波進(jìn)行調(diào)制，使逆變器輸出的電壓波形接近正弦波，從而有效減少了輸出電流的諧波分量，沖擊電流小。載波頻率是固定的，這使得電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁噪聲較小，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和舒適性。直接轉(zhuǎn)矩控制則不采用SPWM方式，而是采用“砰-砰”控制（雙位控制）方式。在這種控制方式下，逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)取決于實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)與給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)之間的比較結(jié)果。當(dāng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)時(shí)，逆變電路有電壓輸出，通過(guò)選擇合適的電壓矢量來(lái)增大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)時(shí)，逆變電路無(wú)電壓輸出或選擇使轉(zhuǎn)矩減小的電壓矢量。這種控制方式不需要PWM發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。由于“砰-砰”控制方式的特性，輸出電流的諧波分量較大，沖擊電流也較大。為了減少諧波對(duì)電機(jī)和系統(tǒng)的影響，逆變器輸出端經(jīng)常需要接入輸出濾波器或輸出電抗器。然而，這又會(huì)導(dǎo)致輸出電壓偏低，影響電機(jī)的運(yùn)行性能。逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率不固定，這使得電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲較大，在一些對(duì)噪聲要求較高的場(chǎng)合，可能需要采取額外的降噪措施。三、十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法設(shè)計(jì)3.1現(xiàn)有感應(yīng)電機(jī)六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法分析3.1.1工作原理與實(shí)現(xiàn)方式六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中的一種經(jīng)典控制模式。其工作原理基于空間矢量分析方法，通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生不同的電壓矢量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。在這種控制方法中，三相電壓逆變器具有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著6個(gè)非零電壓矢量，2種無(wú)效開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著零電壓矢量。這6個(gè)非零電壓矢量在空間中均勻分布，將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的定子電流和電壓，通過(guò)這些檢測(cè)信號(hào)，利用空間矢量分析方法，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。將計(jì)算得到的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩與給定的參考值進(jìn)行比較，得到磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差。根據(jù)磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（滯環(huán)控制）來(lái)選擇合適的電壓矢量。當(dāng)磁鏈實(shí)際值低于磁鏈參考值減去滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使磁鏈增加的電壓矢量；當(dāng)磁鏈實(shí)際值高于磁鏈參考值加上滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使磁鏈減小的電壓矢量。對(duì)于轉(zhuǎn)矩的控制同理，當(dāng)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值低于轉(zhuǎn)矩參考值減去滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使轉(zhuǎn)矩增加的電壓矢量；當(dāng)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值高于轉(zhuǎn)矩參考值加上滯環(huán)寬度時(shí)，選擇使轉(zhuǎn)矩減小的電壓矢量。通過(guò)不斷地根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差選擇合適的電壓矢量，使電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩能夠快速跟蹤給定的參考值。在每個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)的結(jié)果，確定電壓矢量的作用時(shí)間，從而控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)選擇某個(gè)電壓矢量時(shí)，逆變器相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，使該電壓矢量作用于電機(jī)定子繞組；在一個(gè)控制周期結(jié)束后，根據(jù)下一個(gè)控制周期的調(diào)節(jié)結(jié)果，重新選擇電壓矢量并控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法對(duì)電機(jī)的有效控制。3.1.2優(yōu)點(diǎn)與局限性六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。該方法具有快速的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。由于采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，能夠快速地根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差調(diào)整電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制。當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)矩偏差時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速選擇合適的電壓矢量，使轉(zhuǎn)矩快速增加或減小，從而滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩快速變化的需求。在電機(jī)啟動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，能夠迅速響應(yīng)，提供所需的轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)的快速平穩(wěn)運(yùn)行。這種控制方法的控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。它直接在定子坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算和控制，省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換過(guò)程，如傳統(tǒng)矢量控制中從三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換等。同時(shí)，也不需要對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行過(guò)多的簡(jiǎn)化處理，控制算法相對(duì)簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)。這使得系統(tǒng)的硬件成本和軟件復(fù)雜度都得到了降低，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該方法對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化具有較低的敏感性。采用定子磁場(chǎng)定向，只需要知道定子電阻這一個(gè)參數(shù)，就可以計(jì)算定子磁鏈。而定子電阻相對(duì)較為穩(wěn)定，受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化的影響較小，因此在電機(jī)參數(shù)發(fā)生一定變化時(shí)，該控制方法仍能保持較好的控制性能，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法也存在一些局限性。其中最突出的問(wèn)題是諧波含量高。由于逆變器只有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在控制過(guò)程中，輸出的電壓和電流波形不是理想的正弦波，存在較多的諧波分量。這些諧波分量會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的損耗增加，效率降低，同時(shí)也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。該方法存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在采用滯環(huán)控制時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩/磁鏈值由小到大達(dá)到給定值時(shí)，如果逆變器開(kāi)關(guān)速度較慢，狀態(tài)沒(méi)有及時(shí)轉(zhuǎn)換，則電壓矢量會(huì)繼續(xù)作用，直到轉(zhuǎn)矩/磁鏈值和轉(zhuǎn)矩磁鏈額定值的誤差達(dá)到轉(zhuǎn)矩/磁鏈容差，才會(huì)終止電壓矢量，從而產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。尤其是在低速時(shí)，這種脈動(dòng)現(xiàn)象更為明顯，會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，降低系統(tǒng)的性能。由于逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定，使得電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲較大。在一些對(duì)噪聲要求較高的場(chǎng)合，如精密儀器、醫(yī)療設(shè)備等，這種較大的電磁噪聲可能會(huì)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，限制了該控制方法的應(yīng)用范圍。3.2十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法的提出3.2.1設(shè)計(jì)思路與創(chuàng)新點(diǎn)十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法的設(shè)計(jì)旨在克服六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法存在的諧波含量高和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問(wèn)題。該方法的核心思路是通過(guò)增加逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式擴(kuò)展為十八脈沖開(kāi)關(guān)模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的更精確控制。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，三相電壓逆變器只有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些電壓矢量將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)，使得磁鏈軌跡呈現(xiàn)為六邊形。由于電壓矢量的數(shù)量有限，在控制過(guò)程中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)不夠精細(xì)，容易產(chǎn)生較大的諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法通過(guò)增加電壓矢量的數(shù)量，使逆變器具有更多的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，在每個(gè)傳統(tǒng)的六脈沖扇區(qū)內(nèi)，插入多個(gè)新的電壓矢量，將每個(gè)扇區(qū)進(jìn)一步細(xì)分。這樣，磁鏈軌跡不再是簡(jiǎn)單的六邊形，而是更接近圓形的十八邊形。通過(guò)這種方式，電壓矢量的選擇更加豐富，能夠更準(zhǔn)確地跟蹤參考磁鏈和轉(zhuǎn)矩，從而有效降低諧波含量和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。該方法的創(chuàng)新之處在于其獨(dú)特的諧波處理機(jī)理。在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式下，通過(guò)合理選擇電壓矢量的作用時(shí)間和順序，能夠有效地削弱逆變器反射到中間直流回路的諧波。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，逆變器輸出的電壓和電流波形存在較多的諧波分量，這些諧波會(huì)反射到中間直流回路，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生不利影響。而在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式中，通過(guò)巧妙地安排電壓矢量的作用，使得諧波相互抵消或減小，從而顯著降低了中間直流回路的諧波含量。該方法在控制算法上也進(jìn)行了創(chuàng)新。采用了更先進(jìn)的控制策略，能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓矢量的選擇和作用時(shí)間，以適應(yīng)不同的工況需求。在電機(jī)啟動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，能夠快速響應(yīng)，提供合適的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制，保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)引入智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，使系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾等因素的影響。3.2.2與六脈沖開(kāi)關(guān)模式的區(qū)別十八脈沖開(kāi)關(guān)模式與六脈沖開(kāi)關(guān)模式在多個(gè)方面存在顯著區(qū)別，這些區(qū)別直接影響著系統(tǒng)的控制性能和運(yùn)行效果。在電壓矢量數(shù)量方面，六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，三相電壓逆變器僅有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些電壓矢量在空間中均勻分布，將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)。而十八脈沖開(kāi)關(guān)模式通過(guò)增加開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使電壓矢量數(shù)量大幅增加。在每個(gè)傳統(tǒng)的六脈沖扇區(qū)內(nèi)插入多個(gè)新的電壓矢量，將每個(gè)扇區(qū)進(jìn)一步細(xì)分，從而使磁鏈軌跡更接近圓形。這種更多數(shù)量的電壓矢量為更精確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制提供了可能。從磁鏈軌跡形狀來(lái)看，六脈沖開(kāi)關(guān)模式的磁鏈軌跡是六邊形。由于電壓矢量數(shù)量有限，在控制過(guò)程中，磁鏈的變化只能沿著六邊形的邊進(jìn)行，這種不連續(xù)的變化導(dǎo)致磁鏈軌跡與理想的圓形存在較大偏差。而十八脈沖開(kāi)關(guān)模式的磁鏈軌跡是十八邊形。通過(guò)增加電壓矢量，磁鏈的變化更加連續(xù)和精細(xì)，十八邊形的磁鏈軌跡更接近理想的圓形。這種更接近圓形的磁鏈軌跡能夠減少磁鏈的脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。在控制效果上，兩種模式也有明顯差異。六脈沖開(kāi)關(guān)模式由于諧波含量高和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的損耗和振動(dòng)。諧波會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的發(fā)熱增加，效率降低，同時(shí)也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，產(chǎn)生噪聲，影響系統(tǒng)的性能和壽命。而十八脈沖開(kāi)關(guān)模式通過(guò)優(yōu)化電壓矢量的選擇和作用，有效地降低了諧波含量和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。逆變器反射到中間直流回路的諧波明顯減弱，使得異步電動(dòng)機(jī)在高速域內(nèi)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小。這不僅提高了電機(jī)的運(yùn)行效率，還降低了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。在高速運(yùn)行時(shí)，十八脈沖開(kāi)關(guān)模式能夠提供更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出，保證電機(jī)的高效運(yùn)行。3.3基于十八邊形磁鏈電壓調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制方法的理論分析3.3.1磁鏈軌跡分析十八邊形磁鏈軌跡的形成是基于對(duì)傳統(tǒng)六脈沖開(kāi)關(guān)模式磁鏈軌跡的改進(jìn)。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制中，三相電壓逆變器的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些電壓矢量將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)，磁鏈軌跡呈現(xiàn)為六邊形。由于電壓矢量數(shù)量有限，磁鏈的變化只能沿著六邊形的邊進(jìn)行，這種不連續(xù)的變化導(dǎo)致磁鏈軌跡與理想的圓形存在較大偏差。在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法中，為了使磁鏈軌跡更接近圓形，在每個(gè)傳統(tǒng)的六脈沖扇區(qū)內(nèi)插入多個(gè)新的電壓矢量。具體來(lái)說(shuō)，將每個(gè)六脈沖扇區(qū)再細(xì)分為三個(gè)小扇區(qū)。通過(guò)合理選擇這些新的電壓矢量的作用時(shí)間和順序，使得磁鏈軌跡不再局限于六邊形，而是形成了更接近圓形的十八邊形。在某一時(shí)刻，當(dāng)需要調(diào)整磁鏈時(shí)，不再僅僅局限于傳統(tǒng)的6個(gè)非零電壓矢量，而是可以從更多的電壓矢量中選擇，從而使磁鏈的變化更加平滑和連續(xù)。這種更接近圓形的磁鏈軌跡具有諸多優(yōu)勢(shì)。相比六邊形磁鏈軌跡，十八邊形磁鏈軌跡能夠更準(zhǔn)確地跟蹤理想的圓形磁鏈，減少磁鏈的脈動(dòng)。磁鏈脈動(dòng)的減小有助于降低電機(jī)的鐵損和銅損，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。更平滑的磁鏈軌跡能夠使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出更加穩(wěn)定，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的減小可以降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。與圓形磁鏈軌跡相比，十八邊形磁鏈軌跡雖然在形狀上存在一定差異，但在實(shí)際應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圓形磁鏈軌跡通常需要復(fù)雜的控制算法和高精度的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而十八邊形磁鏈軌跡通過(guò)增加有限數(shù)量的電壓矢量，在相對(duì)簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)下就能實(shí)現(xiàn)接近圓形磁鏈軌跡的控制效果。十八邊形磁鏈軌跡在保證控制性能的前提下，降低了系統(tǒng)的成本和實(shí)現(xiàn)難度，具有更好的工程實(shí)用性。3.3.2轉(zhuǎn)矩控制原理在十八邊形磁鏈軌跡下，轉(zhuǎn)矩的控制原理基于電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈和電流的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量積，即T_e=1.5p\frac{L_m}{L_sL_r-L_m^2}(\psi_{s\alpha}i_{r\beta}-\psi_{s\beta}i_{r\alpha})，其中T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，p為極對(duì)數(shù)，L_m為互感，L_s為定子電感，L_r為轉(zhuǎn)子電感，\psi_{s\alpha}、\psi_{s\beta}為定子磁鏈在\alpha、\beta軸上的分量，i_{r\alpha}、i_{r\beta}為轉(zhuǎn)子電流在\alpha、\beta軸上的分量。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向，以及合理選擇電壓矢量，來(lái)改變磁鏈夾角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的精確控制。當(dāng)需要增加轉(zhuǎn)矩時(shí)，選擇使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度加快的電壓矢量，使磁鏈夾角增大，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增加。反之，當(dāng)需要減小轉(zhuǎn)矩時(shí)，選擇使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度減慢或停滯的電壓矢量，使磁鏈夾角減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小。由于十八邊形磁鏈軌跡下電壓矢量的選擇更加豐富，能夠更精確地控制磁鏈的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的更精準(zhǔn)控制。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，由于電壓矢量數(shù)量有限，轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)相對(duì)粗糙，容易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)在每個(gè)小扇區(qū)內(nèi)選擇合適的電壓矢量，可以使轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為明顯，而十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制能夠通過(guò)精細(xì)的電壓矢量選擇，使電機(jī)在低速時(shí)也能保持較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出，提高電機(jī)的低速運(yùn)行性能。3.3.3數(shù)學(xué)模型建立為了深入研究基于十八邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包括磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和電壓方程等。磁鏈方程：在定子坐標(biāo)系下，定子磁鏈的表達(dá)式為\begin{cases}\psi_{s\alpha}=\int(u_{s\alpha}-R_si_{s\alpha})dt\\\psi_{s\beta}=\int(u_{s\beta}-R_si_{s\beta})dt\end{cases}，其中\(zhòng)psi_{s\alpha}、\psi_{s\beta}為定子磁鏈在\alpha、\beta軸上的分量，u_{s\alpha}、u_{s\beta}為定子電壓在\alpha、\beta軸上的分量，R_s為定子電阻，i_{s\alpha}、i_{s\beta}為定子電流在\alpha、\beta軸上的分量。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)定子電壓和電流，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以得到定子磁鏈的實(shí)時(shí)值。轉(zhuǎn)矩方程：如前文所述，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為T(mén)_e=1.5p\frac{L_m}{L_sL_r-L_m^2}(\psi_{s\alpha}i_{r\beta}-\psi_{s\beta}i_{r\alpha})。該方程表明，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈、轉(zhuǎn)子電流以及電機(jī)的參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。電壓方程：在定子坐標(biāo)系下，定子電壓方程為\begin{cases}u_{s\alpha}=R_si_{s\alpha}+\frac{d\psi_{s\alpha}}{dt}\\u_{s\beta}=R_si_{s\beta}+\frac{d\psi_{s\beta}}{dt}\end{cases}。該方程描述了定子電壓、定子電流和定子磁鏈之間的關(guān)系。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出不同的電壓矢量，從而改變定子電壓，進(jìn)而控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。這些數(shù)學(xué)模型是十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)這些模型的分析和求解，可以深入理解算法的工作原理和性能特點(diǎn)，為算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。四、十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的實(shí)現(xiàn)4.1硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)4.1.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本研究采用的主電路結(jié)構(gòu)為典型的電壓型逆變器主電路，其主要由整流電路、濾波電路和逆變電路三部分組成。整流電路的作用是將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)的電路提供穩(wěn)定的直流電源。本設(shè)計(jì)采用三相橋式不可控整流電路，利用二極管的單向?qū)щ娦?，將三相交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這種整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本較低。其工作原理是在交流電壓的正半周和負(fù)半周，通過(guò)不同的二極管組合導(dǎo)通，將交流電壓的正負(fù)半周都轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。在交流電壓的正半周，三個(gè)正向?qū)ǖ亩O管將正半周的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；在交流電壓的負(fù)半周，另外三個(gè)反向?qū)ǖ亩O管將負(fù)半周的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了三相交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。濾波電路連接在整流電路之后，其主要功能是對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)行濾波，減少電壓的波動(dòng)和紋波，使其更加穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)采用電容濾波的方式，通過(guò)在直流側(cè)并聯(lián)大容量的電容，利用電容的儲(chǔ)能特性，對(duì)電壓的波動(dòng)進(jìn)行平滑處理。當(dāng)直流電壓升高時(shí)，電容儲(chǔ)存能量；當(dāng)直流電壓降低時(shí)，電容釋放能量，從而使直流電壓保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。濾波電路還能有效地抑制高頻諧波，提高電源的質(zhì)量，為逆變電路提供穩(wěn)定、純凈的直流電源。逆變電路是主電路的核心部分，其作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率和幅值均可調(diào)的三相交流電壓，以滿足電機(jī)調(diào)速的需求。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法中，逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)直接決定了輸出的電壓矢量，進(jìn)而影響電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。本設(shè)計(jì)采用三相全橋逆變電路，由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）組成。通過(guò)控制這些開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了直流電壓到三相交流電壓的轉(zhuǎn)換。根據(jù)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的要求，通過(guò)合理地控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和順序，能夠產(chǎn)生十八個(gè)不同的電壓矢量，使電機(jī)的磁鏈軌跡形成十八邊形。在某個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)算法的計(jì)算結(jié)果，選擇合適的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通組合，輸出相應(yīng)的電壓矢量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。主電路中的各個(gè)部分相互配合，整流電路將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，濾波電路對(duì)直流電壓進(jìn)行平滑處理，逆變電路根據(jù)控制算法的要求將直流電壓轉(zhuǎn)換為合適的三相交流電壓，為十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)。4.1.2控制器選型與接口設(shè)計(jì)在本研究中，控制器的選型對(duì)于實(shí)現(xiàn)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為核心控制器。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，其運(yùn)算速度快，能夠滿足直接轉(zhuǎn)矩控制算法中大量的實(shí)時(shí)計(jì)算需求。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法中，需要實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩以及選擇合適的電壓矢量，這些計(jì)算任務(wù)需要快速的運(yùn)算能力來(lái)保證控制的實(shí)時(shí)性。DSP的運(yùn)算速度通常能夠達(dá)到幾百兆赫茲甚至更高，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，確保算法的快速執(zhí)行。DSP還具有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，如定時(shí)器、PWM發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器等。這些外設(shè)資源能夠方便地與主電路和其他外圍設(shè)備進(jìn)行接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面控制。定時(shí)器可以用于控制算法的采樣周期和控制周期，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。PWM發(fā)生器能夠根據(jù)控制算法的要求，產(chǎn)生精確的PWM信號(hào)，用于控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換器則可以將電機(jī)的電流、電壓等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行處理和分析。在控制器與主電路的接口設(shè)計(jì)方面，通過(guò)PWM輸出接口與逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件相連。DSP根據(jù)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)PWM輸出接口輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，控制逆變電路中功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。為了確保信號(hào)的可靠傳輸和隔離，在PWM輸出接口與功率開(kāi)關(guān)器件之間，加入了光耦隔離電路。光耦隔離電路能夠有效地隔離主電路的高電壓和大電流，保護(hù)DSP免受損壞，同時(shí)也能提高系統(tǒng)的抗干擾能力?？刂破鬟€需要與其他外圍設(shè)備進(jìn)行接口連接，如電流傳感器、電壓傳感器等。電流傳感器和電壓傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口輸入到DSP中。在A/D轉(zhuǎn)換接口之前，加入了信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。通過(guò)這些接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制器與主電路和其他外圍設(shè)備的有效連接，確保了十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的順利實(shí)現(xiàn)。4.2軟件實(shí)現(xiàn)流程4.2.1系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化是十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法實(shí)現(xiàn)的首要步驟，其目的是為系統(tǒng)的正常運(yùn)行建立穩(wěn)定的初始狀態(tài)，確保各個(gè)硬件模塊和軟件參數(shù)處于正確的工作條件。在硬件初始化方面，首先對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行初始化設(shè)置。配置DSP的時(shí)鐘系統(tǒng)，確定系統(tǒng)的工作頻率，確保DSP能夠以穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)運(yùn)行，滿足算法對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。設(shè)置定時(shí)器的工作模式和定時(shí)周期，定時(shí)器在系統(tǒng)中用于控制采樣周期和控制周期，通過(guò)合理設(shè)置定時(shí)周期，保證系統(tǒng)能夠按照預(yù)定的時(shí)間間隔對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采樣和控制。對(duì)中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)和中斷服務(wù)程序，以便在系統(tǒng)發(fā)生特定事件時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)，如電流、電壓采樣完成中斷、定時(shí)器溢出中斷等，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。接著對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化。配置A/D轉(zhuǎn)換器的采樣通道，使其能夠準(zhǔn)確采集電機(jī)的電流、電壓等模擬信號(hào)。設(shè)置采樣精度和轉(zhuǎn)換速率，根據(jù)電機(jī)控制的精度要求和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求，選擇合適的采樣精度和轉(zhuǎn)換速率，以保證采集到的模擬信號(hào)能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)的算法處理。對(duì)PWM發(fā)生器進(jìn)行初始化，設(shè)置PWM信號(hào)的頻率、占空比范圍等參數(shù)，為后續(xù)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)做好準(zhǔn)備。在參數(shù)設(shè)置方面，根據(jù)電機(jī)的額定參數(shù)，如額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等，設(shè)置電機(jī)的基本參數(shù)。這些參數(shù)是算法進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算的基礎(chǔ)，直接影響到控制算法的準(zhǔn)確性和性能。根據(jù)十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的要求，設(shè)置磁鏈滯環(huán)寬度和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度。磁鏈滯環(huán)寬度決定了磁鏈實(shí)際值與參考值之間允許的偏差范圍，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度同理。合理設(shè)置滯環(huán)寬度對(duì)于減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的控制精度至關(guān)重要。如果滯環(huán)寬度設(shè)置過(guò)小，系統(tǒng)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，可能導(dǎo)致逆變器開(kāi)關(guān)損耗增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；如果滯環(huán)寬度設(shè)置過(guò)大，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)會(huì)增大，影響電機(jī)的運(yùn)行性能。還需設(shè)置電壓矢量選擇表，根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差情況，預(yù)先確定在不同扇區(qū)下應(yīng)選擇的電壓矢量，為后續(xù)的電壓矢量選擇提供依據(jù)。變量初始化也是系統(tǒng)初始化的重要環(huán)節(jié)。定義并初始化用于存儲(chǔ)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的變量，如定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子電壓等。將這些變量初始化為合適的初始值，通?？梢栽O(shè)置為零或電機(jī)的額定值，確保在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，這些變量處于已知的狀態(tài)，避免因變量未初始化而導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤或系統(tǒng)異常。定義并初始化用于算法計(jì)算和控制的中間變量，如磁鏈偏差、轉(zhuǎn)矩偏差、電壓矢量作用時(shí)間等。這些中間變量在算法運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不斷更新，用于實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制以及電壓矢量的選擇。通過(guò)對(duì)這些變量的初始化，為算法的正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。4.2.2磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊是十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的核心部分之一，其準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。在該模塊中，采用基于定子坐標(biāo)系的磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的定子電流和電壓信號(hào)，利用前文提到的磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程進(jìn)行計(jì)算。在磁鏈計(jì)算方面，根據(jù)磁鏈方程\begin{cases}\psi_{s\alpha}=\int(u_{s\alpha}-R_si_{s\alpha})dt\\\psi_{s\beta}=\int(u_{s\beta}-R_si_{s\beta})dt\end{cases}，對(duì)定子電壓和電流信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，得到定子磁鏈在\alpha、\beta軸上的分量\psi_{s\alpha}和\psi_{s\beta}。為了提高積分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以采用數(shù)字積分算法，如梯形積分法或辛普森積分法。以梯形積分法為例，其計(jì)算公式為\psi_{s\alpha}(k)=\psi_{s\alpha}(k-1)+T_s\frac{(u_{s\alpha}(k)+u_{s\alpha}(k-1))-(R_si_{s\alpha}(k)+R_si_{s\alpha}(k-1))}{2}，其中T_s為采樣周期，k表示當(dāng)前采樣時(shí)刻。通過(guò)這種方式，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算定子磁鏈的實(shí)時(shí)值。在轉(zhuǎn)矩計(jì)算方面，依據(jù)轉(zhuǎn)矩方程T_e=1.5p\frac{L_m}{L_sL_r-L_m^2}(\psi_{s\alpha}i_{r\beta}-\psi_{s\beta}i_{r\alpha})，需要獲取定子磁鏈在\alpha、\beta軸上的分量\psi_{s\alpha}、\psi_{s\beta}以及轉(zhuǎn)子電流在\alpha、\beta軸上的分量i_{r\alpha}、i_{r\beta}。轉(zhuǎn)子電流分量可以通過(guò)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和定子電流、電壓信號(hào)計(jì)算得到。在實(shí)際計(jì)算中，為了提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，可以采用一些優(yōu)化算法和技巧。對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和標(biāo)定，減少參數(shù)誤差對(duì)轉(zhuǎn)矩計(jì)算的影響。利用快速傅里葉變換（FFT）等算法對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行處理，提高信號(hào)的分析精度，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算轉(zhuǎn)矩。4.2.3電壓矢量選擇模塊電壓矢量選擇模塊根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差情況，從預(yù)先設(shè)定的電壓矢量選擇表中選擇合適的電壓矢量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于磁鏈軌跡被劃分為十八個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)有多個(gè)電壓矢量可供選擇。首先，計(jì)算磁鏈偏差\Delta\psi=\vert\psi_s^*\vert-\vert\psi_s\vert和轉(zhuǎn)矩偏差\DeltaT=T_e^*-T_e，其中\(zhòng)vert\psi_s^*\vert為磁鏈參考值，\vert\psi_s\vert為磁鏈實(shí)際值，T_e^*為轉(zhuǎn)矩參考值，T_e為轉(zhuǎn)矩實(shí)際值。根據(jù)磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差的正負(fù)以及當(dāng)前磁鏈所在的扇區(qū)，從電壓矢量選擇表中查找對(duì)應(yīng)的電壓矢量。當(dāng)磁鏈偏差\Delta\psi為正，即磁鏈實(shí)際值小于參考值時(shí)，需要選擇使磁鏈增加的電壓矢量；當(dāng)\Delta\psi為負(fù)時(shí)，選擇使磁鏈減小的電壓矢量。對(duì)于轉(zhuǎn)矩偏差\DeltaT，當(dāng)\DeltaT為正，即轉(zhuǎn)矩實(shí)際值小于參考值時(shí)，選擇使轉(zhuǎn)矩增加的電壓矢量；當(dāng)\DeltaT為負(fù)時(shí)，選擇使轉(zhuǎn)矩減小的電壓矢量。在選擇電壓矢量時(shí)，還需要考慮電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的綜合影響。在某些情況下，雖然某個(gè)電壓矢量可以使磁鏈增加，但可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大，此時(shí)需要綜合權(quán)衡，選擇既能滿足磁鏈控制要求，又能使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小的電壓矢量。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可以采用查找表的方式快速選擇電壓矢量。將不同扇區(qū)、不同磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差情況下應(yīng)選擇的電壓矢量預(yù)先存儲(chǔ)在查找表中，在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的磁鏈偏差、轉(zhuǎn)矩偏差和磁鏈所在扇區(qū)，直接從查找表中讀取對(duì)應(yīng)的電壓矢量，提高電壓矢量選擇的速度和準(zhǔn)確性。4.2.4PWM信號(hào)生成與輸出模塊PWM信號(hào)生成與輸出模塊是將電壓矢量選擇模塊確定的電壓矢量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的PWM信號(hào)，用于控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法生成PWM信號(hào)。SVPWM方法通過(guò)對(duì)相鄰兩個(gè)有效電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間進(jìn)行合理分配，合成所需的參考電壓矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制。首先，根據(jù)電壓矢量選擇模塊輸出的電壓矢量，確定相鄰的兩個(gè)有效電壓矢量和零電壓矢量。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于電壓矢量的數(shù)量較多，需要根據(jù)具體的磁鏈軌跡和扇區(qū)劃分，準(zhǔn)確確定相鄰的有效電壓矢量。根據(jù)參考電壓矢量在相鄰兩個(gè)有效電壓矢量構(gòu)成的三角形中的位置，計(jì)算出這兩個(gè)有效電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間。假設(shè)參考電壓矢量\vec{V}_{ref}位于相鄰兩個(gè)有效電壓矢量\vec{V}_1和\vec{V}_2構(gòu)成的三角形中，其作用時(shí)間T_1、T_2和零電壓矢量的作用時(shí)間T_0可以通過(guò)以下公式計(jì)算：T_1=\frac{\sqrt{3}V_{ref}\sin(\frac{\pi}{3}-\theta)}{V_{dc}}T_sT_2=\frac{\sqrt{3}V_{ref}\sin\theta}{V_{dc}}T_sT_0=T_s-(T_1+T_2)其中V_{ref}為參考電壓矢量的幅值，\theta為參考電壓矢量與\vec{V}_1的夾角，V_{dc}為直流母線電壓，T_s為采樣周期。根據(jù)計(jì)算得到的作用時(shí)間，生成PWM信號(hào)。通過(guò)控制DSP的PWM發(fā)生器，按照T_1、T_2和T_0的時(shí)間順序，依次輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在輸出PWM信號(hào)時(shí)，還需要考慮一些實(shí)際因素，如死區(qū)時(shí)間的設(shè)置。死區(qū)時(shí)間是為了防止逆變器同一橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的時(shí)間間隔，通過(guò)合理設(shè)置死區(qū)時(shí)間，可以避免因開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通延遲和關(guān)斷延遲導(dǎo)致的短路故障，提高系統(tǒng)的可靠性。五、諧波處理機(jī)理及性能分析5.1諧波產(chǎn)生原因分析5.1.1逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的諧波在交流調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的關(guān)鍵設(shè)備，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作是諧波產(chǎn)生的重要原因之一。逆變器通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件（如IGBT）的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)直流電壓到交流電壓的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)器件的快速動(dòng)作，輸出的電壓和電流波形并非理想的正弦波，而是包含了一系列的諧波成分。當(dāng)逆變器的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，電流迅速上升，而當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，電流迅速下降，這種電流的快速變化會(huì)導(dǎo)致電壓的突變。根據(jù)傅里葉變換原理，非正弦周期信號(hào)可以分解為一系列不同頻率的正弦波分量，其中頻率高于基波頻率的分量即為諧波。逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的諧波頻率主要集中在開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近。如果逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，那么其產(chǎn)生的諧波頻率可能包括10kHz、20kHz、30kHz等。這些諧波的幅值和分布規(guī)律與逆變器的開(kāi)關(guān)方式、調(diào)制策略以及負(fù)載特性等因素密切相關(guān)。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制中，逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有限，導(dǎo)致輸出的電壓矢量數(shù)量較少，磁鏈軌跡為六邊形。這種控制方式下，由于電壓矢量的不連續(xù)性，使得輸出電壓和電流波形的諧波含量較高。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電壓矢量的突然切換會(huì)引起電流的突變，從而產(chǎn)生大量的諧波。而在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式控制方法中，通過(guò)增加逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使電壓矢量數(shù)量增多，磁鏈軌跡更接近圓形。這種方式能夠更精確地跟蹤參考磁鏈和轉(zhuǎn)矩，減少電壓矢量的突變，從而降低諧波含量。通過(guò)合理選擇電壓矢量的作用時(shí)間和順序，使得諧波相互抵消或減小，有效地削弱了逆變器反射到中間直流回路的諧波。5.1.2電機(jī)特性引起的諧波電機(jī)自身的特性也是諧波產(chǎn)生的重要因素，其參數(shù)和運(yùn)行特性對(duì)諧波的產(chǎn)生有著顯著的影響。電機(jī)的參數(shù)，如定子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電感以及互感等，會(huì)影響電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程，進(jìn)而影響諧波的產(chǎn)生。定子電阻和電感會(huì)影響電流的變化率，當(dāng)電流通過(guò)定子繞組時(shí)，電阻會(huì)消耗能量，電感會(huì)阻礙電流的變化，這些因素會(huì)導(dǎo)致電流波形的畸變，從而產(chǎn)生諧波。如果定子電阻增大，會(huì)使電流的上升和下降速度變慢，導(dǎo)致電流波形的失真加劇，諧波含量增加。電機(jī)的運(yùn)行特性，如轉(zhuǎn)速、負(fù)載等，也會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生影響。在不同的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，從而影響電機(jī)的電流和電壓波形。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)較小，電流相對(duì)較大，此時(shí)諧波含量可能會(huì)增加。負(fù)載的變化也會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生影響，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電流會(huì)增大，電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致諧波含量上升。在電機(jī)啟動(dòng)和加速過(guò)程中，由于電流的急劇變化，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波。電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)也會(huì)影響諧波的產(chǎn)生。電機(jī)的繞組通常采用分布式繞組或集中式繞組，不同的繞組結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)分布的差異，從而影響諧波的含量。分布式繞組可以使磁場(chǎng)分布更加均勻，減少諧波的產(chǎn)生；而集中式繞組可能會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)分布不均勻，增加諧波含量。電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)也會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生影響，磁極對(duì)數(shù)越多，諧波的頻率越高，但幅值可能會(huì)相對(duì)減小。5.2十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的諧波處理機(jī)理5.2.1增加電壓矢量對(duì)諧波的抑制作用十八脈沖開(kāi)關(guān)模式通過(guò)增加電壓矢量，對(duì)諧波的產(chǎn)生和傳播起到了顯著的抑制作用。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，逆變器僅有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些有限的電壓矢量使得磁鏈軌跡為六邊形，電壓和電流波形存在較多的諧波分量。由于電壓矢量的不連續(xù)性，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電壓矢量的突然切換會(huì)引起電流的突變，從而產(chǎn)生大量的諧波。而在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式中，通過(guò)在每個(gè)傳統(tǒng)的六脈沖扇區(qū)內(nèi)插入多個(gè)新的電壓矢量，將每個(gè)扇區(qū)進(jìn)一步細(xì)分，使逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)大幅增加。這些新增的電壓矢量使得磁鏈軌跡更接近圓形的十八邊形。更豐富的電壓矢量選擇為更精確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制提供了可能。在磁鏈控制方面，更多的電壓矢量能夠使磁鏈的變化更加平滑和連續(xù)。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，磁鏈的變化只能沿著六邊形的邊進(jìn)行，這種不連續(xù)的變化導(dǎo)致磁鏈軌跡與理想的圓形存在較大偏差，從而產(chǎn)生諧波。而在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式中，由于電壓矢量數(shù)量的增加，磁鏈可以沿著更接近圓形的十八邊形軌跡變化，減少了磁鏈的突變，進(jìn)而降低了諧波的產(chǎn)生。在轉(zhuǎn)矩控制方面，十八脈沖開(kāi)關(guān)模式能夠更精確地控制轉(zhuǎn)矩。通過(guò)合理選擇電壓矢量，能夠使轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的減小有助于降低諧波的產(chǎn)生。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電流的波動(dòng)，而電流的波動(dòng)是產(chǎn)生諧波的重要原因之一。在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式中，通過(guò)精確控制轉(zhuǎn)矩，減少了電流的波動(dòng)，從而有效地抑制了諧波的產(chǎn)生。十八脈沖開(kāi)關(guān)模式還能夠通過(guò)合理安排電壓矢量的作用時(shí)間和順序，使諧波相互抵消或減小。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，逆變器輸出的諧波會(huì)反射到中間直流回路，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生不利影響。而在十八脈沖開(kāi)關(guān)模式中，通過(guò)巧妙地安排電壓矢量的作用，使得諧波在中間直流回路中相互抵消或減小，顯著降低了中間直流回路的諧波含量。在某個(gè)時(shí)刻，選擇合適的電壓矢量組合，使它們產(chǎn)生的諧波在中間直流回路中相互抵消，從而減少了諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。5.2.2磁鏈軌跡優(yōu)化與諧波減少的關(guān)系十八邊形磁鏈軌跡的優(yōu)化與諧波減少之間存在著密切的關(guān)系。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，磁鏈軌跡的形狀直接影響著電機(jī)的運(yùn)行性能和諧波含量。傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，磁鏈軌跡為六邊形。由于電壓矢量數(shù)量有限，磁鏈的變化只能沿著六邊形的邊進(jìn)行，這種不連續(xù)的變化導(dǎo)致磁鏈軌跡與理想的圓形存在較大偏差。這種偏差使得電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電壓和電流波形會(huì)產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生大量的諧波。在六邊形磁鏈軌跡下，電壓矢量的切換會(huì)引起磁鏈的突變，進(jìn)而導(dǎo)致電流的突變，這些突變是產(chǎn)生諧波的重要原因。而十八邊形磁鏈軌跡通過(guò)增加電壓矢量，使磁鏈的變化更加平滑和連續(xù)。在每個(gè)傳統(tǒng)的六脈沖扇區(qū)內(nèi)插入多個(gè)新的電壓矢量，將每個(gè)扇區(qū)進(jìn)一步細(xì)分，從而形成了更接近圓形的十八邊形磁鏈軌跡。這種更接近圓形的磁鏈軌跡能夠更準(zhǔn)確地跟蹤理想的圓形磁鏈，減少磁鏈的脈動(dòng)。磁鏈脈動(dòng)的減小有助于降低電機(jī)的鐵損和銅損，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。更平滑的磁鏈軌跡能夠使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出更加穩(wěn)定，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的減小可以降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。從諧波產(chǎn)生的角度來(lái)看，十八邊形磁鏈軌跡的優(yōu)化能夠有效減少諧波的產(chǎn)生。由于磁鏈的變化更加平滑，電壓和電流波形的畸變程度減小，從而降低了諧波的含量。在十八邊形磁鏈軌跡下，電壓矢量的切換更加平穩(wěn)，避免了磁鏈和電流的突變，減少了諧波的產(chǎn)生源。十八邊形磁鏈軌跡還能夠通過(guò)合理安排電壓矢量的作用時(shí)間和順序，使諧波相互抵消或減小。在中間直流回路中，通過(guò)巧妙地選擇電壓矢量，使它們產(chǎn)生的諧波相互抵消，進(jìn)一步降低了諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。5.3算法性能分析5.3.1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，深入研究十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。在理論分析方面，基于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程T_e=1.5p\frac{L_m}{L_sL_r-L_m^2}(\psi_{s\alpha}i_{r\beta}-\psi_{s\beta}i_{r\alpha})，結(jié)合十八邊形磁鏈軌跡的特點(diǎn)進(jìn)行分析。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于電壓矢量數(shù)量的增加，磁鏈的變化更加平滑和連續(xù)。相比傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式，十八邊形磁鏈軌跡能夠更準(zhǔn)確地跟蹤理想的圓形磁鏈，減少磁鏈的突變。磁鏈的平穩(wěn)變化使得磁鏈夾角的變化更加穩(wěn)定，從而減小了電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。在傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式中，由于磁鏈軌跡為六邊形，磁鏈的變化存在較大的跳躍，導(dǎo)致磁鏈夾角的變化不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而在十八邊形磁鏈軌跡下，磁鏈的變化更加連續(xù)，磁鏈夾角的變化也更加平穩(wěn)，有效地減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。利用MATLAB/Simulink軟件搭建了十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的仿真模型，并與傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法進(jìn)行對(duì)比。在仿真過(guò)程中，設(shè)置電機(jī)的額定參數(shù)，模擬不同的運(yùn)行工況，如不同的負(fù)載、轉(zhuǎn)速等。通過(guò)仿真得到的轉(zhuǎn)矩波形圖，可以直觀地看出十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)。在相同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速條件下，傳統(tǒng)六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)矩波形存在明顯的波動(dòng)。而十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，轉(zhuǎn)矩波形更加平滑，接近理想的恒定轉(zhuǎn)矩輸出。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的平均值和峰值。結(jié)果表明，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平均值和峰值均顯著低于傳統(tǒng)六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法，進(jìn)一步證明了該算法在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面的有效性。5.3.2電流波形分析分析十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法對(duì)電流波形的改善效果，并與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，電流波形的質(zhì)量直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能和效率。傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法由于諧波含量高，導(dǎo)致電流波形存在較大的畸變。在這種控制模式下，逆變器輸出的電壓矢量數(shù)量有限，磁鏈軌跡為六邊形，使得電流波形中包含了大量的諧波分量。這些諧波分量會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的損耗增加，效率降低，同時(shí)也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。而十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法通過(guò)增加電壓矢量，優(yōu)化磁鏈軌跡，有效地改善了電流波形。由于電壓矢量數(shù)量的增加，磁鏈的變化更加平滑和連續(xù)，更接近理想的圓形磁鏈軌跡。這種更平滑的磁鏈變化使得電流波形更加接近正弦波，諧波含量顯著降低。通過(guò)合理選擇電壓矢量的作用時(shí)間和順序，能夠進(jìn)一步減少電流波形的畸變。在十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制中，根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差情況，精確選擇合適的電壓矢量，使電流的變化更加平穩(wěn)，避免了電流的突變，從而改善了電流波形。為了直觀地展示十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法對(duì)電流波形的改善效果，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到了兩種算法的電流波形圖。從電流波形圖中可以明顯看出，傳統(tǒng)六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法的電流波形存在嚴(yán)重的畸變，諧波含量高，波形呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。而十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的電流波形更加接近正弦波，諧波含量明顯減少，波形更加平滑和規(guī)則。對(duì)電流波形進(jìn)行諧波分析，計(jì)算電流的總諧波失真（THD）。結(jié)果表明，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法的電流THD顯著低于傳統(tǒng)六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法，進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法在改善電流波形方面的優(yōu)越性。5.3.3調(diào)速性能分析探討十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的調(diào)速性能，包括調(diào)速范圍、調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面。在調(diào)速范圍方面，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法具有較寬的調(diào)速范圍。由于該算法采用定子磁場(chǎng)定向，直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化。在低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)精確控制電壓矢量，能夠保證電機(jī)輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定問(wèn)題。在高速運(yùn)行時(shí)，十八邊形磁鏈軌跡的優(yōu)化使得電機(jī)能夠更高效地運(yùn)行，減少能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。相比傳統(tǒng)的六脈沖開(kāi)關(guān)模式直接轉(zhuǎn)矩控制算法，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法在低速和高速時(shí)都能保持較好的運(yùn)行性能，調(diào)速范圍更廣。在調(diào)速精度方面，十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法具有較高的調(diào)速精度。