异步电机直接转矩控制及其数字化研究.doc

华学文华学学毕业设计论题学 学号学 专 业 级： 导 师 职称学2010年5月16日 目 录 异步电机直接转矩控制及其数字化研究 3 摘 要 3 关键词 4 Asynchronous motor direct torque control and digital research 4 ABSTRACT 4 Key words 6 1． 绪论 7 1.1 课题背景 7 1.2 直接转矩控制的产生与概况 7 1.3 异步电机发展概况： 8 1.4 课题的主要研究内容 9 1.4.1 定子磁链的准确估计 9 1.4.2 减小转矩脉动和保持开关频率恒定 10 1.5 本章小结 12 2. 应电动机直接转矩控制的基本原理 12 2.1 异步电动机的数学模型 12 2.1.1 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型 13 2.1.2 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 15 2.1.3异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型 16 2.1.4仿真结果及分析 18 2.2直接转矩控制的基本原理 21 2.3定子磁链的估计模型 26 2.3.1定子磁链估计的u-i模型 26 2.3.2定子磁链估计的i-n模型 26 2.3.3定子磁链估计的u-n模型 27 2.3.4定子磁链估计的加权模型 27 2.3.5仿真结果及分析 29 2.4电压空间矢量的选择 34 2.4.1电压空间矢量的分类 34 2.4.2电压空间矢量对定子磁链的影响 36 2.4.3电压空间矢量对电磁转矩的影响 40 3． 直接转矩控制系统的仿真研究 41 3.1系统的总体构成 41 3.2仿真模型的建立 42 3.3仿真结果及分析 49 4． 总结与展望 51 参考文献 51 致谢 53 异步电机直接转矩控制及其数字化研究 摘 要 直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。虽然直接转矩控制的优势是向量控制所不能实现的，但是直接转矩控制依然存在一系列不能忽视的问题。直接转矩控制采用两点式转矩和磁链滞环控制器，使转矩和磁链被控制在给定值的一定范围以内，这种控制方法不可避免地带来电机输出转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定等问题。直接转矩控制采用定子磁链定向，只用便于测量的定子电阻来估计定子磁链，这样在低速运行时会带来磁链估计的误差。虽然在全速范围内估计定子磁链运用低速时采用的电流-转速模型和高速时采用的电压-电流模型的合成模型，即电压-转速模型，然而两种模型的平滑切换又是一个新的问题。直接转矩控制在基频以下调速的理论和应用已经实现，在基频以上的弱磁调速范围内的理论和应用还需要进一步的研究。 为了解决这些问题，本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型，对传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统进行了研究。在传统直接转矩控制系统中，详细讨论了定子磁链估计的三种基本模型，设计了定子磁链估计的加权模型，使电机在全速运行的范围内都能够得到准确的定子磁链。针对转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定的问题，本文设计了两种改进的直接转矩控制系统。在基于占空比控制的直接转矩控制系统中，通过对一个采样周期内非零电压向量作用时间占采样周期的占空比的优化，解决了转矩脉动过大的问题；在一个采样周期内，从非零电压向量到零电压向量的转换只有一次，实现了开关频率的恒定。在基于滑模变结构的直接转矩控制系统中，本文设计了转矩和磁链滑模变结构控制器代替传统直接转矩控制系统中的转矩和磁链滞环控制器；运用空间向量脉宽调制技术，实现了开关频率的恒定。本文把传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统扩展到基频以上的弱磁范围内的异步电动机调速系统中，对其进行了相关研究。 为了验证上述各种控制系统的正确性和有效性，本文采用Matlab／Simulink仿真软件对其进行了仿真验证。针对传统直接转矩控制系统，对定子磁链估计的加权模型进行了仿真验证。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载 转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进