三相异步电机直接转矩控制系统研究

武汉大学珞珈学院本科毕业论文

保密类别 编 号

武汉大学珞珈学院

毕 业 论 文

异步电机直接转矩控制系统的研究

系 别 电气工程与自动化 专 业 电气工程与自动化 年 级 2012级电气四班 学 号 20120801155 姓 名 颜东明 指导教师 应黎明

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摘 要

直接转矩控制技术简称为 DTC，是继矢量控制技术之后，发展起来的另一种新型的，

高动态性能变频调速技术。具有控制结构较简单、转矩响应快并且易实现全数字化等特点。 但由于其转矩脉动较大，启动电流过大等不足，阻碍了其发展跟应用。为此，本文针对感 应电机直接转矩控制系统的性能展开相应的理论跟实验研究，主要研究内容如下：

（1）建立三相异步电机的数学模型，通过变换矩阵得到电机在二相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。

（2）阐述三相异步电机的直接转矩控制原理，利用Matlab/Simulink仿真软件，设计出直接转矩控制模型。

（3）对直接转矩控制进行的系统的分析，包括系统的静态特性和动态特性。

关键词：感应电机 ；直接转矩控制；Matlab/Simulink仿真

Study of the induction motor direct torque control system

ABSTRACT

Abbreviation for DTC direct torque control technology, which is after the vector control technology, developed a kind of new,High dynamic performance of frequency control technology. Have control structure is simple, fast torque response and easy to realize the fully digital, etc.But due to the large torque ripple, the start current is too large, such as insufficient, hinder its development and application. Therefore, in this paper should be motor direct torque control system about the performance of the corresponding theory and experimental research, the main research content is as follows:

(1) to establish the mathematical model of three-phase asynchronous motor, the motor is obtained by transformation matrix under the second phase stationary and two phase rotating coordinate system mathematical model.

(2) in this paper, the three-phase asynchronous motor direct torque control principle, using Matlab/Simulink simulation software, design the model of the direct torque control.

(3) the analysis of direct torque control system, including the static characteristic and dynamic characteristic of the system.

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目 录

第一章 绪论 1.1

1.2之间转矩控制技术发展状况以及研究 1.2.1直接转矩控制技术的发展 1.2.2直接转矩控制（DTC） 1.2.3直接转矩额定特点

1.2.4直接转矩控制技术热门研究 1.2.5定子电阻辨识和磁链补偿

1.2.6低速转矩脉动大和开关频率不固定的研究 第二章 感应电机数学模型及其原理

2.1异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 2.1.1变换关系 2.1.2变换过程

2.1.3转矩和运动方程

2.1.4异步电机在?，?上地数学

2.1.5异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 2.1.6两相静止坐标系下的异步电动机方程 第三章 传统直接转矩控制的仿真 3.1异步电动机数学仿真模型的建立

3.2六边形磁链轨迹直接转矩控制系统仿真 3.2.1仿真模块的建立 3.2.2开环仿真 3.2.3闭环仿真

3.3.1仿真模块的建立 3.3.2仿真结果与分析

3.4全速范围内直接转矩控制系统仿真研究 3.4.2仿真结果 结论 后记 参考文献

第1章 绪论

随着现代化的工厂、企业的自动化，微电子技术以及集成化程度的逐步上升，高速微处理器的应用日益普及。目前电气传动设备能够实现良好的速度控制精度和高稳态精度等比较优秀的性能。电气传动往大多都已以电动机作为它的控制对象，采用电

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力电子功率变换装置来做为它的执行部分，以此来作为自动控制系统。因此交流伺服系统所拥有的市场相当的广阔，而且其研究也具有非凡的意义，相信不久之后，它将在现代工业上崭露头角，广泛应用。

变频调速系统是工业自动化必不可少的基础技术。感应电机其价格低、高性高、容量大的特点，使其在工业，企业中都具有相当广阔的发展空间。感应电机不仅在变频调速系统中应用非常广泛，而且在伺服运用控制系统中也占相当大的比例。

1.1直接转矩控制技术发展状况以及研究 1.1.1直接转矩控制技术的发展

20 世纪80 年代之前，由于直流电机调速性能非常优异，控制起来也很简单、所以直流电机调速在调速领域长期坐拥着主导地位。但是由于直流电机上存在电刷和机械换向器等一些硬件结构，导致其在转动惯量、单机容量等多方面受到了一定的程度的限制，使它不能满足向大型化，可靠性、快速性等方面提高的目的，严重的限制了它的应用范围。与直流电机相对比，交流电机就拥有了很多非常明显的优点。比如它的结构简单、制造成本很低、运行比较可靠和能够在恶劣工况下工作，在一定的工业领域同时也拥有相应的广泛应用。但是异步电机本身是高阶、强藕合、非线性、多变量的一种复杂系统，想要实现其控制则有一定的难度。异步电机的控制技术中，具有一定代表性的有两种：矢量控制技术跟直接转矩控制技术。它们的控制性能比较优越，特别是直接转矩控制技术，由于它简单高效，因此在现代的交流电气传动领域中拥有了一席之地。

1.1.2直接转矩控制(DTC)

由于矢量控制在实践上存在不足之处，1985年德国鲁尔大学DePenbrock教授发现直接控制异步电动机的电磁转矩和电机定子磁链，而删去电流闭环环节将能得到更好的动态性能。特别是在大功率机车中，若定子磁链控制成六边形，则能减少功率管的切换次数，大大改善了电力电子器件的发热性能。这种控制方法称为直接自控制(DirectSelf Control, DSC)。定子磁链六边形方案虽然控制简单，但它使电机的电磁转矩脉动加大。在大功率的牵引机车中，由于有很大的惯性，这中转矩脉动能被大惯量滤去，转速不会出现明显波动。但是在中小功率系统中，这种转矩脉动会使转速波动到不允许的地步，因此希望定子磁链控制成圆形而不是六边形。于是，1986年日本LTakahashi教授提出了定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制方案。定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制常称为DTC(Direct Torque Control，直接转矩控制)。

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不同于矢量控制，直接转矩控制克服了矢量控制中计算复杂、受电动机参数的影响、实际性能不佳等缺点。因此，直接转矩一诞生，便受到了普遍的关注，并得到了迅速的发展

1.1.3直接转矩的特点

直接转矩控制的变频调速系统，可以使电机的磁场接近于圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机要小得多。直接转矩控制系统具有如下特点:

(1)直接转矩控制直接在定子坐标系下来分析交流电动机的模型，直接控制电动机的磁链和转矩。省去了复杂的坐标变换和计算，信号处理工作比较简单。

(2)采用定子磁链定向，只需知道定子电阻便可以观测出定子磁链。而矢量控制采用转子磁链定向，磁链的观测需要依据数值会发生变化的转子侧电阻。所以直接转矩控制减少了矢量控制中对电动机转子电阻的依赖性。

(3)直接转矩控制引入了空间矢量的概念，使得交流电动机数学模型的分析过程变得简单明了。

(4)直接转矩控制不是通过控制电流、磁链来间接控制转矩的，而是直接将转矩作为控制量，因此控制效果不取决于电动机的数学模型是否得到简化，而是取决于转矩的实际情况，1.2.2直接转矩的基本思想直接转矩控制将电动机与逆变器视为一个整体，通过空间矢量和定子磁链定向的分析方法，在定子坐标下观察分析电机的数学模型，直接计算与控制电机的转矩，借助于离散的两点式调节器((Band-Band控制[12]，比较检测转矩值和指令转矩值的大小，产生PWM脉宽调制信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而获得较高的动态该控制即直接又简单。性能。它省略了矢量变换方式的坐标变换及电动机数学模型的简化过程，控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调。因此它是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速下开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等问题，限制了直接转矩控制在低速区的应用。

直接转矩控制控制技术简称DTC，是新型的，具有高性能的交流调速技术。它是继矢量控制技术发展起来的。它通过利用定子磁场定向、空间矢量的分析，在定子交流直流坐标系下，直接分析电机的数学模型，计算出定子磁链跟转矩值，把转矩的命令值和估算值，磁链指令值和估算值进行差值比较，限制输出转矩跟定子磁链的波动在允许的误差范围内。与矢量控制技术不同，直接转矩控制技术有着其自身的相关特点。

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1985年，直接转矩控制理论由德国鲁尔大DePenbrock教授第一次提出。过了两年，就把它推广到了弱磁调速范围。直接转矩控制理论的提出很快就受到了众多学者的普遍关注。在不同的年代，调速技术也得到了一些较快发展:

0~70年代：以控制直流电机与晶闸管(SCR)直流供电作为调速执行部件，直流调速系统占据了一定的主导地位。

80年代： 伴随着电子器件GTR、GTO等的发展，以 VVVF 为基本控制方式，交流异步电动变频调速开始其发展路程。

90年代: 电力电子器件IGBT，IGCT 等数字化技术得到了利用和开发，其中特别是矢量控制技术的发展，让变频器的应用发展达到了质的飞跃。

2000 年：随着能源及环保问题的提出，节能成为异步电机的研究主题。其中，中大容量永磁式电机开发跟其价格比与性能控制都受到特别的关注。

2010 年：环保型变频器的开发跟应用，变频器需要适用于新能源的使用。并且要求交流电机具备一定的高效率。 直接转矩控制是基于电机定子磁链变量，直接控制转矩的一种非线性控制方式，并被看作与 FOC并列的控制策略。DTC 摒弃了解藕的思想，取消掉了旋转坐标变换，只检测电机的定子电流、电压，定子磁链以及转矩的计算则根据瞬时空间矢量理论来进行，最后把它们的值于它们各自的给定值相互比较之后来获得相应差值，从而实现了磁链、转矩的相关控制。表 1.1是两种控制方案的性能与特点比较。

表 1.1

特点、性能 磁链控制 转矩控制。 坐标变换 旋转坐标变换，较复杂 静止坐标变换，较简单 矢量控制 转子磁链 连续控制，比较平滑 Bang-bang控制，有转矩脉动 直接转矩控制 定子磁链闭环控制 6

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转子参数变化影响 有 电流模型估计磁链时有 调速范围 转矩动态响应

宽 逐步改进式 不够快 比较快 从上所述来看，直接转矩控制技术表现出的特征是：控制定子磁链，在定子

静止坐标系下，通过空间矢量的概念，通过检测定子电压、电流得出相应的电磁转矩、磁链，PWM 信号则由离散滞环调节器来得到，实现直接对逆变器开关状态的最佳控制，以此来实现转矩的高性能控制。同矢量控制比较，它省去了电机数学模型的相应处理与矢量变换的复杂度。 虽然直接转矩控制具有众多的优点，但由于其还是一种新技术，在理论上的不够完善和控结构上的缺陷使本身存在许多不足之处。如低速时转矩脉动比较严重；定子电阻的变化会引起磁链畸变和电流的脉动；使用零矢量引起开关频率低；速度传感器影响其系统的稳定性等问题，限制了其控制性能，这些存在的问题阻碍了其进一步的发展与应用。因此怎样才能行之有效的解决这些问题已经成为了目前的热门研究。

1.2.4直接转矩控制技术热门研究

经过一系列良好的发展，控制技术其各方面的性能都得到了较大的提升，并

且已经进入到了实际应用阶段，目前国外己成功的将该技术应用于大功率高速电力机车的主传动系统当中。德国和日本在这方面的研究也居于遥遥领先的地位。直接转矩转矩动态响应快、想法新颖、对参数依赖性不高并且结构简单等优点，但是因其建立在单一的矢量控制、磁链和转矩的滞环控制基础之上，难以避免的产生了低速转矩脉动大、速度传感器昂贵还影响其控制性能等方面的缺陷，为此，该控制技术成为了当今社会研究探索的热点。下面介绍了直接转矩控制技术目前的几个热点研究： 1.2.5 定子电阻辨识和磁链补偿

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直接转矩控制技术中还存在许多的难解之题，特别是在定子电阻的辨识问题，己经阻碍了它的进一步发展，各国学者都为之困扰。定子电阻的参数在定子磁链观测和电机转速辨识等方面尤为重要，特别在低速状态下的准确辨识会直接影响磁链观测和转速辨识的精度，受电机运行温度、集肤效应和电压频率等多方面因素影响，定子电阻具有时变性、非线性等特点。定子电阻的变化会带来相应的很多问题，尤其是定子磁链跟电流的畸变，已经达到了十分严重的程度。要能够辨识的了定子电阻，则能够从本质上消除电流与定子磁链方面的变形，随之的问题就可以得到很好的解决。但实践表明，从电机自身为出发点来改善直接转矩控制技术是不可能的了，必须要再想良方。各国研究者地把现代控制技术越来越多的应用于交流电机的调速系统当中。直接转矩控制技术作为一种新兴的先进技术，需各种相关的辅助技术来作为其技术支撑，各种新技术的应用推广也给直接转矩控制技术带来了新的动力，使得它得到不断的完善与发展。最近，人工神经网络已经开始应用在直接转矩控制的定子电阻辨识当中了，这是一个很好的开端。将现代控制理论应用到直接转矩控制技术研究之中，绝对是当代学者们值得深入研究

1.2.6 低速转矩脉动大和开关频率不固定的研究

直接转矩控制中，由于转矩和磁链的控制建立在两个滞环比较器的基础上，

两点式控制通过滞环比较器的容差范围设定来控制，由于离散电压矢量所能够提供的数量有限，因此肯定会产生转矩脉动。与此同时，因为使用了过多的零矢量在低速控制时，因此致使逆变器开关频率不能够保持固定，再加上滞环比较器，因此产生了一定的电流谐波进而影响了它的控制性能。为改善直接转矩控制低速转矩脉动大和开关频率不固定问题，国内外研究者提出了不同的改良方法。多位滞环比较器控制法的提出，通过增加转矩、磁链偏差分级，电压矢量则根据其所处不同的速度范围来进行相应的选择，这在一定程度上减小了转矩脉动，但改进效果十分的有限度。有些学者提出预期电压矢量法，根据上一个采样周期的磁链，转矩的偏差来确定下个采样周期所期望的电压矢量，而这个矢量可以由两个相邻非零开关电压矢量和零电压矢量线性组合而成，并以它能逼近期望电压矢量为目标来确定这三个开关电压矢量各自的作用时间，由此来构成预期电压矢量。该方法减小了转矩脉动并且提高了电压矢量利用率。

第二章感应电机数学模型及其原理

两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的，其中以任意转速旋转的坐标系为最一般的情况，有了这种情况下的数学模型，要求出某一具体两相坐标系上的模型就比较简单了。

2.1异步电机在两相任意旋转坐标系(dq坐标系)上的数学模型

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2.1.1变换关系：

设两相坐标

轴与三相坐标

为

轴的夹角为

， 而

为

坐标系相对

于定子的角转速，坐标系相对于转子的角转速。

图1.1

2.1.2变换过程

图1.2

具体的变换运算比较复杂:

另0轴为假想轴d轴和A轴夹角为 θ 可得:

（2.1）

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（2.2）

写成矩阵形式:

（2.3）

合并以上两个方程式得三相静止ABC坐标系到两项旋转dq0坐标系的变换

式

（2.4）

(1)磁链方程

利用变换将定子的三项磁链和转子的三项磁链变换到dqo坐标系中去，定子磁链的变换阵是

其中d轴与A轴的夹角为

，转子磁链的变换阵是

是旋转三相坐标系变换到不同转速的旋转两相坐标系。其中 d 轴与 α 轴

的夹角为

(2.5)

。

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(2.6)

(2)则磁链的变换式为:

(2.7)

把定子和转子的磁链表达成电感阵和电流向量乘积，在用把电流变换到dq0坐标上:

和

的反变换阵

(3) (2.8)

(4)磁链的零轴分量为 （2.9）

它们各自独立对dq轴磁链没有影响，可以不考虑则可以简化。

(5)控制有关。

代入参数计算，并去掉零轴分量则dq坐标系磁链方程为

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（2.10）

或写成

式中

-- dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;

-- dq坐标系定子等效两相绕组的自感; --dq坐标系转子等效两相绕组的自感。

异步电机在两相旋转坐标系dq上的物理模型

12 （2.11）

（2.12）

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（图2.3）

异步电动机在两相旋转坐标系dq上的物理模型(2)电压方程

利用上式A得定子电压变换的关系为

先讨论A相的关系 同理 在ABC坐标系下A相的电压方程，

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2.13）2.14）2.15）2.16）

（

（

（

（

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代入得

（2.17）

为dq0旋转坐标系对于定子的角速度

由于为任意值因此下式三式成立

同理转子电压方程为

式中

为dq0旋转坐标系相对于转子的角速度

同理利用B相和C相的电压方程求出的结果与上面一致。(2)电压方程

上面的方程整理有定子和转子的电压方程：

14 （2.18）

2.19）

2.20）

（

（武汉大学珞珈学院本科毕业论文

（2.21）

令

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旋转电动势向量

则式(6-106a)变成

这就是异步电机非线性动态电压方程式。与第6.6.2节中ABC坐标系方程不

同的是:此处电感矩阵 L 变成 44 常参数线性矩阵，而整个电压方程也降低为4维方程。

(3)转矩和运动方程

dq坐标系上的转矩方程为

运动方程与坐标变换无关，仍为 其中

--电机转子角速度。

阶数下降，但非线性、强耦合、多变量性质未变。

异步电机在dq坐标系上的动态等效电路

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(a)d轴电路（a）q轴电路

2. 异步电机在

在静止坐标系于零时的特例。当成

坐标系上的数学模型

上的数学模型是任意旋转坐标系数学模型当坐标转速等时，

，即转子角转速的负值，并将下角标

改

，则式(6-105)的电压矩阵方程变成

代入式(6-107)并整理后，即得到

坐标上的电磁转矩

式(6-108)~式(6-110)再加上运动方程式便成为坐标系上的异步电机数

学模型。这种在两相静止坐标系上的数学模型又称作Kron的异步电机方程式或双轴原型电机(Two Axis Primitive Machine)基本方程式。

3. 异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模

型

另一种很有用的坐标系是两相同步旋转坐标系，其坐标轴仍用d，q表示，只是坐标轴的旋转速度

等于定子频率的同步角转速

。而转子的转速为，

因此 dq 轴相对于转子的角转速得同步旋转坐标系上的电压方程

在二相同步旋转坐标系上的电压方程

，即转差。代入式(6-105)，即

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3.1 磁链方程、转矩方程和运动方程均不变。

两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流。 3.1.1按转子磁场定向下的数学模型

在dq坐标系放在同步旋转磁场下使d轴与转子磁场的方向重合此时转子的d轴的磁通分量为0，既有下式。带入式(6-111)

三四行出现零元素，减少了耦合，简化了模型.上式中解得转矩方程有如下结果，

，带入dq坐标系中的

这个关系和直流电机的转矩方程非常接近了，如果是鼠笼电机结果会更

加简单。

2.1两项相静止坐标系下的的异步电动机方程

为了方便地对异步电动机进行直接转矩控制，需要分析其在两相静止坐标系下的电机模型。通过对三相静止坐标系下的电动机数学模型进行坐标变换，可以建立起

?-?参考坐标下的电机模型，如图2.1所示。直接转矩控制就是在定子的静止两相坐标系分析电机的。

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图2.1异步电动机在三相坐标系和两相坐标系下的数学模型 两相静止坐标下的方程式如下: (1)电压方程

?坐标下定子电压为 （2.1）

?坐标下定子电压为 (2)电流方程

（2.2）

?坐标下定子电流为 （2.3）

?坐标下定子电流为(3)磁链方程

（2.4）

?坐标下定子磁链： （2.5）

?坐标下定子磁链: （2.6）

?坐标下转子磁链：（2.7）

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?坐标下转子磁链:

(4)转矩方程:电流与磁链形式:

（2.8)

（2.9）

式((2.13)还可以写成如下形式:

(5)转速方程

其中，

ir,is转子和定子电流

Te电机转矩

us,ur转子和定子电压

TL电机负载转矩 ?s,?r转子和定子磁链

J电机的转动惯量Rs,Rr定子和转子电阻

np电机级数

Ls,Lr定子和转子电感

?电机转速

Lm定子和转子间的互感漏感

L?漏感

20 2.10）

2.11）

（（

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3传统直接转矩控制的仿真

本章在对传统的直接转矩控制系统进行了理论分析的基础上，首先通过建立异步电 动机的仿真模型为直接转矩控制系统提供控制对象。然后分别针对六边形磁链和圆形磁 链两种控制策略下的直接转矩系统进行仿真研究，得出其动态性能极其使用范围。

3.1异步电动机数学仿真模型的建立

异步电动机的仿真模型主要有电压模块、磁链模块、转矩模块和速度模块等组成。 通过分别构建上述各个模块，并进行组合即可构成异步电动机的数学仿真模型。

在Matlab/Simulink的仿真环境下，根据方程式(2.1)一(2.4)即三相静止坐标系下的 电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程建立电压、磁链、转矩和速度等异步电动 机仿真模型的子模块。经过连接可形成异步电动机仿真模型，如图3.1所示。 图3.1异步电动机仿真模型

本文仿真用到的异步电动机参数如下[[40] 额定功率

PN=2Kw，额定电压UN =380V，额定频率fN=SOHz，定子电阻Rs = 3.5252 ,

Ls =1.216H，转子自感Lr =1.216H，定、转子互感

转子电阻Rr = 4.32?，定子自感

Lm=0.800H，极对数Pn=2，J=0.0075kg?m2。

3.2六边形磁链轨迹直接转矩控制系统仿真

为了得出六边形磁链直接转矩控制系统性能，本节在MATLAB/SIMULINK环境下， 根据六边形磁链轨迹直接转矩控制的原理和结构构建其仿真模型，并分别在开环和闭环 条件下进行仿真研究。

3.2.1仿真模块的建立

六边形磁链直接转矩控制系统分别由电压电流坐标变换模块、磁链和转矩估计模 块、磁链和转矩调节模块、逆变器模块和作为控制对象的异步电动机组成。为了完成六 边形磁链DTC的仿真研究，本节实现该控制系统仿真模块的建立。 (1)坐标变换模块

在实际应用中，可检测到的电压、电流量都是基于三相静止坐标系的，因此需要坐 标变换将三相静止坐标系中的各个量转换到两相静止坐标系中。利用SIMULINK搭建 的CLARK坐标变换模型如图3.2所示。

图3.2电压变换模块 （2)磁链和转矩估计模块

图3.3电流变换模块

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定子磁链观测采用的是电压电流(u-i)模型，具体仿真模块如图3.4所示。

根据转矩的磁链与电流表示形式((2.13)建立模块计算电机转矩。如图3.5所示。

图3.4定了磁链观测模型 示的磁链自调节模块。有磁链估计

模块得到定子磁链在两相静止坐标下的分量Y' a ` Y' /3 '然后经过坐标变换到三相静止坐 标系中得到梦、·梦。·梦。，施密特触发器进行磁链调节后得到的磁链开关信号SSA , S}、S}，经过关系式((2.31)得到和电压U,} \\ Up \\ U。的开关信号。 图3.5转矩观测模型

磁链自调节模块和转矩调节模块

根据六边形磁链轨迹控制原理，建立如图3.6所示的磁链自调节模块。有磁链估计 模块得到定子磁链在两相静止坐标下的分量标系中得到?A、?B、

根据六边形磁链轨迹控制原理，建立如图3.6所

??、?? '然后经过坐标变换到三相静止坐

?C，施密特触发器进行磁链调节后得到的磁链开关信号S?A、,

S?mS?c，经过关系式((2.31)得到和电压UA、UB、UC。的开关信号。

图3.6磁链白调节模块

转矩调节模块如图3.7所示。在闭环控制中转矩给定值专速的差经过PI调节后得到的。不调节得到转矩开关信号TQo

Tg为给定转速与电动机实际

Te为电动机输出的电磁转矩值。Tg与Te比较后经过滞

图3.7转矩调节模块 (4)逆变器模块

电压开关信号需经过逆变器作用于三相异步电动机，图3.8建立的是电压源型逆变

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器模块，由电压开关信号得出电压值。

图3.8逆变器模块

3.2.2开环仿真

为了能深入理解直接转矩控制调速系统的原理，本文首先对六边形磁链直接转矩控制系统进行了开环仿真。首先，在仿真中不加入转矩调节，得出定子磁链选择频率与电机转速之间的关系。其次，加入大小不同的转矩调制占空比，分析得出转矩调节与电机转速之间的联系。

开环仿真一:不考虑转矩的调节，且电机空载运行。分别对以下两种情况进行仿真，分析其转速和磁链的变化。

T = 0.02(定子磁链走完一个周期时间)，f =1/T=50Hz (2) T=0.0333，.f=1/T=60Hz

(a)转速波形 （b）磁链轨迹 图3.9 f= 50Hz时六边形磁链DTC开环仿真波形

(a)转速波形 (b)磁链轨迹

图3.10 f = 60Hz时六边形磁链DTC开环仿真波形 通过仿真结果观测得，f = 50Hz时，n, =1505r/min，如图3.9 (a)所示:f = 60Hz 时，n,=1795r/min，如图3.10 (a)所示。

仿真结果表明，随着频率的增大，转速增加。不同频率并且空载条件下的转速近似 等于

n0=60f / p=30f。对比磁链轨迹图3.9 (b)和图3.10 (b)可得，频率增大，定子磁链

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运动周期减小，定子磁链幅值减小即六边形变小。

开环仿真二:考虑转矩的调节，定子磁链实现走走停停，但定子磁链幅值不变，保 持仿真一(1)中磁链幅值大小，观测速度的变化。 (1)转矩调制占空比为D=75% (2)转矩调制占空比为D=50%

(a) D=75% (b) D=50%

图3.11磁链轨迹

(a) D=75% (b) D=50%

图3.12局部放大的逆变器SA桥臂开关信号、相电压波形、转速波形

通过对仿真结果观测得，两种情况下磁链幅值的大小符合限定条件即磁链幅值大小 保持不变，如图3.11 (a)和(b)所示。由于闭环调速中磁链给定值为固定值。则在满足这 一条件前提下，分析逆变器开关信号、电压波形和转速情况便可得到直接转矩调节的具 体原理，如图3.12所示。

观测图3.12 (a)和(b)中逆变器SA桥臂开关信号波形，当电压开关状态信号为1时， SA开通与关断时间比分别为3: 4和1: 1。当D=75%，定子磁链旋转时间大于停止时 间;当D=50%时定子磁链在每一扇区内走和停所需时间相同。转矩调制占空比D越小， 定子磁链旋转一个扇区时间越长，周期越长。

观测图3.12中相电压波形，逆变器上下桥臂开通、关闭作用于电机输出断断续续相 电压，表现为定子磁链走走停停，即转矩调制的作用。通过仿真结果得，D=75%时， 稳定时空载速度-

n2?1132?75%n0?1125，D = 50%稳定时n3 = 755?50%n0 = 750。

定子磁链停时间越长，其旋转平均速度越低，导致电机转速度相比D=75%时明显下降。

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仿真结果表明，在保持定子磁链幅值恒定的情况下，定子磁链走停比例越小电机转 速越小。且定子磁链走走停停是转矩进行调节的结果，则控制转速的大小实际上是控制 定子磁链的平均旋转速度。

综上分析，可清楚看到直接转矩控制中转矩调节的原理。即控制定子磁链的走走停 停来调节转速的大小。

3.2.3闭环仿真

闭环仿真分别针对低速域(30%额定转速及以下)和高速域(30%额定转速以上)两种 情况进行仿真，确定六边形磁链轨迹直接转矩控制模型的正确性及不同速度域中该模型 的动静态性能，并分析得出此模型的适用范围。

正六边形磁链控制的闭环仿真结果如图3.13和图3.14所示。低速域中给定转速 150r/min空载启动，0.25s后加负载TL=6N.m，仿真结果如图3.13所示。仿真得出，低 速情况下采用六边形磁链控制导致定子磁链畸变严重，电流谐波分量大且转矩脉动大。 故在低速时不宜采用六边形磁链控制方法。

高速域中速度最先给定1000r/min, 0.2s后跳变为1500r/min，且在0.3 s后负载由最 初的空载跳变为TL=6N.m，仿真结果如图3.14所示。由图得出在高速范围内采用六边 形磁链控制转速响应迅速，电流谐波分量小，且转矩脉动较小。

在六边形磁链控制中，每1/6周期电压空间矢量切换一次，逆变器开关切换一次， 所以这种控制方式下逆变器开关频率较低，开关损耗较小，但在低速时产生较大的磁链 脉动。

图3.13低速域仿真波形图

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3.14高速域仿真波形

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仿真结果表明，六边形磁链控制在低速时定子磁链畸变严重且电流谐波大，转矩脉 动大;在高速范围内动静态性能都有所提高，所以六边形磁链控制只适合用在电动机高 速范围内。

3.3圆形磁链轨迹直接转矩控制系统仿真

六边形磁链控制的直接转矩控制由于其在每1/6周期磁链开关一次，导致转矩脉动 大，因此引入圆形磁链控制方法对其进行改善。在第二章介绍的理论基础上，本节分别 针对磁链和转矩估计与调节模块、扇区判断模块以及开关选择表模块进行建模，并进行 仿真研究。

3.3.1仿真模块的建立

在六边形磁链控制中已经对坐标变换模块、转矩估计和调节模块、逆变器模块进行 了建模，所以在圆形磁链控制中不再进行介绍。 (1)磁链估计模块和磁链调节模块

在圆形磁链轨迹控制中，定子磁链幅值保持恒定，根据式((2.32)建立磁链估计模块， 且磁链调节模块采用施密特触发器进行调节，图3.巧为磁链估计及调节模块。

图3.巧磁链估计模块 (2)扇区判断模块

为了选择合适的电压矢量，在辨识磁链的幅值的同时还要计算磁链运行的区间。利 用2.4.2节介绍的区间划分的标方法构建出区间判断模块，如图3.16所示。

图3.16区问判断模块 (3)开关选择表模块

开关矢量选择表采用SIMULINK系统自带的Lookup Table(2-D)模块，如图3.17所

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示。由于该模块为双输入单输出，因此需要将磁链和转矩开关信号转换(Cin=2为一种输出状态。Lookup Table(2-D)模块中第一行为磁链所变换的磁链和转矩开关信号Cin。

?Q +

TQ)

TQ在扇区编号，第一列为经过

图3.17开关矢量选择表模块

3.3.2仿真结果与分析

圆形磁链轨迹控制的仿真分别针对低速域和高速域两种情况进行仿真，确定圆形形 磁链轨迹直接转矩控制模型的正确性及不同速度域中该模型的动静态性能，并分析得出 此模型的适用范围。在高低速仿真时，仿真条件与六边形磁链控制相同。

图3.18 (a)和3.19 (a)分别为低速和高速仿真得到的定子磁链轨迹图，可以看出在圆 形磁链控制中磁链轨迹光滑，磁链脉动小，近似圆形。

图3.18 (b)和3.19 (b)分别为低高速时仿真得出的磁链开关信号，高速范围内磁链开 关信号频率快，这样在实际中会对开关器件要求较高，损耗大。

图3.18 (c)和3.19 (c)分别为低高速时仿真得出的A相电压、A相电流、电磁输出转 矩、电机转速和磁链幅值波形。由图3.18 (c)得出低速时采用圆形磁链控制具有电流谐 波分量小波形近似正弦波、转矩脉动较小、对于负载扰动响应迅速的优越性能。3.19 (c) 反映出高速范围内圆形磁链控制的优良的动、静态性能。

图3.18(a)

图3.19(a)

图3.18 (b)

图3.19 (b)

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图3.18圆形控制低速域仿真波形 图3.19圆形控制高速域仿真波形 仿真结果表明，圆形磁链轨迹控制的直接转矩控制系统电流谐波分量小、转矩脉动

较小、对于负载扰动响应迅速的优越性能。但是考虑到快速的磁链开关频率对开关器件 的影响，圆形磁链控制较适宜在低速范围内使用。

3.4全速范围内直接转矩控制系统仿真研究

由3.1节和3.2节的仿真结果分析得，六边形磁链控制方法在高速范围内有较好的 性能，而圆形磁链控制方式在低速范围内保证满足性能要求外，磁链开关频率较低，损 耗较小。由这两种方法结合即可以形成全速范围内直接转矩控制系统。全速范围内关于 模型的切换可以通过对电机转速的判断实现。3.4.1模型切换

全速范围内进行直接转矩控制仿真主要是实现圆形磁链控制和六边形磁链控制之 间的切换，因此准确进行模型切换起着关键的作用。如果只设置一个速度切换值，则可 能影响过渡过程，无法顺利完成模型之间的切换。为此，本文利用施密特触发器实现对 电机转速的判断和模型切换，当测得转速小于正向闽值时，输出高电平1，工作在圆形 磁链控制模型;若电机转速升到正向闽值后，输出低电平0，工作在六边形磁链控制模 型，进行模型切换。如果转速大于反向闽值则输出低电平，模型不变。从而保证转速改 变后模型能可靠切换。转速下降时情况类似。

3.4.2仿真结果

为了验证全速范围内直接转矩控制系统模型的正确性，本文对上述方案进行了仿真。控制速度切换的施密特触发器正向闽值设为450，即速度上升到额定转速的30%(在本文参考电机模型中额定

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速度为1500r/min)后进行切换，反向阀值设为440

仿真中起始速度给定为80r/min，运行3s后速度给定上升到500 r/min。则在速度上升到450r/min后模型进行切换，从圆形磁链控制模型切换到六边形磁链控制模型。如图3.20 (a)为定子磁链轨迹，可得磁链轨迹顺利完成了两模型直接的切换。图3.20 (b)为仿真所得A相定子电压、A相定子电流、电机输出电磁转矩和电机输出转速以及磁链开关波形图。从图可得此模型电磁转矩脉动较小，转速过渡平滑，开关频率较小的优越性能。

图3.20全速范围内仿真波形

仿真结果表明，在全速范围内上述两模型之间实现了平滑过渡，且切换到正六边形磁链后磁链开关

3.5本章小结

本章对传统直接转矩控制系统进行了仿真研究。在Matlab/Simulink的

仿真平台上，构建了三相坐标系下异步电动机仿真模型，建立了传统六边形和圆形磁链轨迹控制系统的仿真模型，并对其进行仿真。仿真结果表明六边形磁链轨迹直接转矩控制开关频率低，适用于在高速范围内使用;圆形磁链轨迹直接转矩控制转矩脉动相对较小，但开关频率高，适用于在低速范围内使用。在此基础上引入速度切换模块，构建了全速范围内的直接转矩控制模型，并对其进行仿真研究，仿真结果表明全速范围内两种控制模型可以实现平滑过渡。

结 论

在对大量的国内外文献分析研究的基础上，对异步电机直接转矩控制方法进行了全面和深入的研究。针对不同的控制策略，详细对传统的六边形磁链和圆形磁链控制方法进行了理论分析和仿真研究。针对传统直接转矩控制存在的问题，采用了基于空间矢量调制的控制策略进行改进。此外，对基于速度自适应磁链观测器法的无速度传感器方法进行了理论和仿真研究。本文的主要工作和研究成果归纳如下

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(1）在对直接转矩控制原理分析的基础上，详细介绍了六边形磁链轨迹的产生原 理和方法，并对六边形磁链直接转矩控制进行建模仿真，结果表明低速定子磁链畸变严 重，电流谐波大且转矩脉动大，此模型适用于高速范围。

(2)为了改善六边形低速性能引入了圆形磁链轨迹控制策略。根据圆形磁链直接 转矩控制的原理和结构建立了其仿真模型，并进行了仿真研究。结果表明采用圆形磁链 控制低速范围电流谐波减小，转速波形平滑，鲁棒性好，高速域磁链开关频率快，导致 功率损耗严重，因此适用于低速范围。并针对两模型的不同适用范围构建了全速范围内 仿真模型，实现了平滑过渡。

(3)针对传统直接转矩控制存在的问题，引入了基于空间矢量调制(c svPwM > 的方法，形成了基于空间矢量调制的的直接转矩控制((SVM-DTC)系统。详细介绍了 SVPWM形成的方法和原理结构，并进行了建模和仿真研究。仿真结果表明采用

SCM-DTC的控制方法低速范围转矩脉动明显较小，定子磁链轨迹平滑，性能较传统直 接转矩控制得到了提高。

(4)对基于速度自适应磁链观测器法的无速度传感器方法进行了理论和仿真研究， 结果表明此方法可以对转速进行准确辨识。

后 记

大学的日子到此快结束了，校园生活也随之要结束了，到此真是感慨万千。

这段日子里的成绩，首先要感谢我的导师应黎明教授，他的指导和意见是完成毕设的最重 要因素。从题目的选择到设计的如何进行，再到对我提出的问题的及时讲解，应老师给 予我非常大的帮助，在这个过程中也让我受益匪浅。应老师严谨认真的科研态度、一丝 不苟的治学作风、平易近人的处事风格给我留下了深刻的印象，将令学生终生受益，在 此向应老师致以衷心的感谢!

在即将离别的季节里，我要感谢武汉大学珞珈学院所有的老师四年来的培养和教育。四 年的日子，虽然学的东西可多可少，但是收获却是非常多。无论我们在课上学到

什么，有一点是不会变的，那就是，我们一定都从老师们的治学、教学态度中收获颇丰。 每一位老师，无论所授何课，如何授课，但是他们踏踏实实的为学态度，都让我敬佩和 感动。而很多老师的语录也都被我们所铭记。大学，从来最重要的不是课堂上学到的、 书本上看到的知识，而是这个过程中的收获。

还要感谢我的家人，他们一路上对我莫大的支持，让我深深感动。在我最需要帮助、 最需要支持的时候，家人从来都是毫不犹豫地做我的坚实后盾，让我在追寻梦想的道路 上少了太多的顾虑，可以一往无前，勇猛拼搏。家人是我永远的依靠和港湾，也是我不 断前进的最大动力。

也要感谢我的朋友们。感谢我的室友们一直以来的包容、理解和支持。感谢她们， 在我最需要的时候一直陪在我身边，陪我哭陪我笑，给我肩膀和依靠。感谢她们，希望 我们友谊长存。当然，还有一个人最要感谢，感谢你的支持、鼓励，感谢你教会我的一 切，感谢你让我成长和成熟，没有你，就没有今天的我。

还要感谢所有帮助过我、给我提意见的人，没有你们，就没有现在的我。更要感谢 所有讨厌我、讨厌过我、或者指责批评过我的人，你们让我更加清醒地认识自己、反省 自己，你们让我更快地成长。

感谢四年来我经历的所有伤心、难过、不快乐的时刻。生活从来都是有苦有甜，但是正是因为经历苦难，我们才能更加明白甜蜜的日子是多么可贵，也才能更加努力去让自己过得更好。

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1、所呈交的毕业论文（设计），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

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