基于svpwm的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究

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1、中北大學2012屆畢業(yè)論文1引言1.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科技、國防及日常生活等各個領(lǐng)域，電動機作為主要的動力設(shè)備被廣泛應(yīng)用。直流電動機相比于交流電動機，結(jié)構(gòu)復雜、體積大、成本和維護費用高，并且不適于環(huán)境惡劣的場合，但憑借控制簡單、調(diào)速平滑和性能良好等特點在早期電氣傳動領(lǐng)域中一直占據(jù)主導地位[1]。從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究。特別是20世紀60年代以后，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能得到很大的提高，在實際應(yīng)用領(lǐng)域也得到認可和快速的普及。交流調(diào)速的發(fā)展可以說是硬件和軟體的發(fā)展過程[3]。隨著電力電子技

2、術(shù)、微處理器技術(shù)和自動化控制技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，使得交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬、速度精度高和動態(tài)響應(yīng)快，其技術(shù)性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美、相競爭，并在工程應(yīng)用領(lǐng)域中逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)[5]?！　〗涣麟妱訖C的高效調(diào)速方法是變頻調(diào)速，它不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且根據(jù)負載的特性不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關(guān)系，可使電機始終高效運行，并保證良好的動態(tài)特性，更能降低起動電流、增加起動轉(zhuǎn)矩和改善電機的起動性能。交流調(diào)速控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了電壓-頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制，控制理論的發(fā)展使控制系統(tǒng)性能不斷提高[2]。電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，即恒壓頻比控制，是指在基頻以下

3、調(diào)速時維持輸出電壓幅值和頻率的比值恒定，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速運行；在基頻以上調(diào)速時，將輸出電壓維持在額定值，使磁通與頻率成反比下降，實現(xiàn)弱磁恒功率調(diào)速運行。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能滿足一般的平滑調(diào)速，但動、靜態(tài)性能有限，適用于風機、水泵等負載對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合[8]。矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器的矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等[12]。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)

4、性能?！　≈苯愚D(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl——DTC），國外的原文有的也稱為Directself-control——DSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制[20]第38頁共38頁中北大學2012屆畢業(yè)論文。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)

5、矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能[9]。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀1971年，德國西門子公司的F.Blaschke等提出的“感應(yīng)電動機磁場定向的控制原理”和美國P.C.Custman和A.A.Clark申請的專利“感應(yīng)電動機定子電壓的坐標變換控制”，經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)[9]。矢量控制的出現(xiàn)使交流調(diào)速控制技術(shù)步入了一個全新的階段，其控制思想是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理，經(jīng)坐標變換將定子電流矢量分解為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，分別進行獨立控制，從

6、而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動態(tài)性能。盡管矢量控制從理論上可以使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能得到顯著改善，但在實現(xiàn)時仍有許多技術(shù)問題需解決和完善，如復雜的坐標變換、需準確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈、對電機的參數(shù)依賴性大和難以保證完全解耦等，使實際控制性能難于達到理論分析結(jié)果[12]。1985年，德國魯爾大學的M.Depenbrock教授首次提出了異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DirectTorqueControl，DTC），1987年，又將該理論推廣到弱磁調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制是交流調(diào)速控制技術(shù)的又一次飛躍，與矢量控制技術(shù)相比，它是在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，不需要為解耦而簡化

7、交流電動機的數(shù)學模型，強調(diào)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制，避免了矢量控制中復雜的坐標變換和參數(shù)運算[9]。直接轉(zhuǎn)矩控制中磁場定向采用定子磁鏈，僅需定子電阻即可觀測得到，大大減小了矢量控制性能易受電機參數(shù)影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以其新穎的控制思想，簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動靜態(tài)性能受到研究學者們越來越多的關(guān)注。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的四個主要特點：1、直接轉(zhuǎn)矩控制直接定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型、控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。2、直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。3、直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制其各物

8、理量，使問