三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

摘 要

直接转矩控制(Direct Self Control, DSC)系统利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算、控制交流电动机的磁链和转矩，直接跟踪定子磁链和转矩。采用定子磁场定向或转子磁场定向，借助于Bang-Bang控制，产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩响应。

对于两电平的主回路结构，定子磁链运动轨迹为六边形的控制方案，通过实时计算电机电磁转矩、磁链的误差，根据电机定子磁链的空间位置来选择相应的驱动矢量。为了能够更好的，更直观的观测磁链轨迹，了解直接转矩控制的特点及其所能达到的效果，本论文在对异步电动机直接转矩控制的基本原理进行充分分析的基础上，采用六边形磁链轨迹的控制方法，建立了异步电动机直接转矩控制系统的利用Matlab/Simulink软件模型。

在对磁链、转矩估算模型的分析设计过程中，比较了几种估算方法，综合了这几种估算方法的优点，设计出了磁链转矩估算的模型。在实际中，电磁转矩的是系统动态调节的关键，制定了转矩调节优先的控制策略，设计了转矩的调节器，并在电压空间矢量选择上，以优先考虑达到转矩要求为目标，以便能更好的实现对转矩的控制。

仿真实验结果表明，设计的系统模型是成功的，实验结果是令人满意的。

关键词：三相交流异步电动机， 直接转矩控制; 磁链; Matlab/Simulink仿真;

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Study on dynamic performances of asynchronous machine based

on Direct torque Control

Abstract

The fluxes and torque of stator of asynchronous machine are directly tracked, calculated and controlled with stator-oriented coordinates based on transvector. The signals of PWM are produced with the controller of Bang-Bang in order to control optimally the state of the switches of inverter and get the optimal system's dynamic and static responses.

In the scheme of making the track of stator flux approximate circle, the relevant vector of inverter switch mode is selected by calculating in real time the error of torque and flux and linking the dimensional position of stator flux. In order to observe the round track of flux better and more directly and know the trace and the effect got by DTC, the emulation model is set up with the soft of MATLAB/SIMULINK according to the method of the round flux in this thesis. In the process of analyzing and designing the model of calculating the torque and flux, kinds of models were compared. Finally, the U-I model was designed based on synthesizing the virtue of a few models. In view of the importance of the torque in the practice of motor-control, the strategies of giving the torque priority was chosen and the three-band adjustor was designed besides choosing the suitable transvector of space-voltage vector.

According to the result of the emulation, the model designed in the thesis is correct, at the same time, results are satisfying.

Key Words：Three-phrase AC induction motor, Direct Self Control; flux; Emulation Matlab/Simulink;

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

目 录

摘要 ................................................................................................................................ 1 第一章 绪论................................................................................................................... 1

1.1现代交流调速技术的应用和发展................................................................. 1 1.2直接转矩控制技术的产生 ............................................................................ 2 1.3直接转矩控制技术的特点 ............................................................................ 3 1.4本文的研究目的及意义 ................................................................................ 4

第二章 异步电动机的基本结构和模型 ........................................................................ 5

2.1三相交流异步电机传动系统的结构特点 ..................................................... 5 2.2异步电动机的数学模型 ................................................................................ 7 2.3异步电动机数学模型的基本方程................................................................. 7 2.4异步电动机的电磁转矩模型 ........................................................................ 9 2.5异步电动机的磁链模型 .............................................................................. 11

2.5.1定子磁链的u-i模型........................................................................... 11 2.5.2定子磁链的i-n模型........................................................................... 12 2.5.3 定子磁链的u-n模型 ......................................................................... 13

第三章 直接转矩控制的基本概念 .............................................................................. 16

3.1 逆变器的8种开关状态和电压状态 .......................................................... 16 3.2 电压空间矢量的概念 ................................................................................. 19 3.3 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 ...................................................... 21 3.4 电压空间矢量对电磁转矩的影响 .............................................................. 22 3.5 电压空间矢量的正确选择 ......................................................................... 24 第四章 直接转矩控制的实现 ...................................................................................... 27

4.1 直接转矩控制............................................................................................. 27 4.2 直接转矩控制系统的基本结构.................................................................. 30 4.3 直接转矩控制系统各单元的功能 .............................................................. 32

4.3.1数学模型的建立................................................................................. 32 4.3.2 坐标变换器........................................................................................ 33 4.3.3磁链自控制单元................................................................................. 34

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4.3.4磁链幅值构成单元 ............................................................................. 34 4.3.5磁链调节器AΨR .............................................................................. 35 4.3.6转矩调节器ATR................................................................................ 36 4.3.7开关信号选择单元 ............................................................................. 37 4.3.8速度控制和调节................................................................................. 37 4.4 低速范围内直接转矩控制的缺陷 .............................................................. 38 4.5 启动过程的分析......................................................................................... 39 第五章 直接转矩控制在MATLAB下的实现 ............................................................ 40

5.1 MATLAB软件的简介 ................................................................................ 40

5.1.1 MATLAB的开发 ............................................................................... 40 5.1.2 MATLAB软件构成 ........................................................................... 41 5.2 三相异步电机直接转矩控制系统的MATLAB仿真 ................................ 42 结 论 ...................................................................................................................... 48 致 谢 ...................................................................................................................... 49 参 考 文 献 ................................................................................................................. 47

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

第一章 绪论

1.1现代交流调速技术的应用和发展

直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生，在20世纪的大部分年代里，在调速传动的生产领域内，大多采用直流电动机传动系统，因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以独立控制，其起动、调速性能和转矩控制特性都比较理想，并容易获得良好的动态响应。

但是，直流电动机在结构上存在接触式的机械换向器，它不仅工艺复杂价格昂贵，而且在运行中很容易产生换向火花和发生环火故障。另外，由于换向问题的存在，要求电动机各换向片之间的电压不能过高，这样远远不能适应现代生产向高转速、大容量化方向发展的要求。

三相交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，由于其转子上没有机械换向器，也没有带绝缘的绕组，不存在换向火花和环火现象等问题。因此，它的结构简单、惯量小、运行可靠，可以更高的转速运转。但与直流电动机相比较，交流电动机调节速度比较困难，有很大一部分交流传动都是应用在恒速运转的场合。

在上世纪30年代，人们已经认识到变频调整是交流电动机一种理想的调速方法。但是为了改变供电频率，它需要一套变频电源。过去采用的旋转变频机动车组或水银变流器，由于设备笨重庞大，可靠性差，故变频调速技术的发展很缓慢，真正投入实际运行的装置尚不太多。到60年代，随着电力电子技术的发展和变频调整装置的研制成功，交流调速方法重新受到人们的重视，成为电动机调速的发展方向。70年代中期，在世界范围内出现了能源危机，节约能源成为人们关注的问题。过去许多一般没有调速的传动装置，如风机、水泵等类负载，为了减少无谓的电能损失，也都采用了高速传动。由此对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。80年代以来，随着电力电子器件和微电子技术的发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作匹象限运行等优良的技术性能。

由于交流电机控制系统的种种突出优点，很多大学、公司及科研机构投入了大量人力、财力加以研究，并在20世纪80年代已经推出了一系列商品化的交流电机控制系统的技术、元器件和装备。为进一步提高交流电机控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开:

1. 采用新型电力电子器件和脉宽调制(PWM)控制技术

电力电子器件的不断进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新的可关断器件的实用化，使得高频化PWM技术成为可能。目前电力电子器件正向高压、大功率、高频化、组合化和智能化方向发展。目前国外正在加紧研制新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段，预示着新一代电机控制系统即将产生。

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2.交流电机是一个多变量、非线性的被控对象，过去的控制方式都是从稳态方程出发研究其控制特性，所以动态控制效果均不理想。20世纪70年代初提出的矢量控制，巧妙地实现了交流电机磁能和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。此外，为解决系统复杂必和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制等。尤其是自从计算机用于实时控制之后，使得现代控制理论中各种控制方法得到应用。

3. 广泛应用计算机技术随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得以单片机为控制核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。计算机的应用主要体现在两个方面，一是控制用微机，交流电机数字控制系统既可用专门的硬件电路，也可以采用总线形式，加上通用或单片微机模板组成最小目标系统。对于控制系统复杂，要求存储多种数据和快速实时大量的信息可采用微处理机加数字信号处理(DSP，如TMS320等)的方案，既实现了复杂的控制，又便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。计算机的第二个应用就是数字仿真和计算机辅助设计。

1.2直接转矩控制技术的产生

直接转矩控制技术是在上世纪80年代中期继矢量控制变换技术之后发展起来的一种三相交流异步电动机传动系统调速技术(ASD)。基于直接转矩控制原理实现的变频调速系统,德语称之为DSR,英语称之为DTC(Direct Torque Control)。自从上世纪70年代矢量技术发展以来,交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制,以转子磁场定向,用矢量变换的方法,实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。它的提出具有划时代的重要意义。然而,在实际上由于转子磁链难以准确观测,并且系统特性受电动机参数的影响较大,以及在模拟直流电动机控制过程中，矢量旋转变换的复杂性使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。

直接转矩控制思想实际上是一种bang-bang控制,1977年A.B. Piunket在IEEE杂志上首先提出。1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克(Depenbrock)教授首先取得了实际应用的成功。接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直接转矩有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接转矩技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅猛的发展。

实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小、损耗低、噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小的多。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

1.3 直接转矩控制技术的特点

直接转矩控制的主要特点有：

（1） 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机进行比较、等效、转化；即不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解藕而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变化和计算。因此，它所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程做出直接和明确的判断。

（2） 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

（3） 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变的简单明了。

（4） 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。

与著名的矢量控制的方法不同，直接控制转矩是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的范围由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制即直接又简单。对转矩的这种直接转矩控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控制。

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开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制在低速区的应用。

综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于Bang-Bang控制，产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静动态响应的交流调速技术。

1.4 本文的研究目的及意义

直接转矩控制技术是上世纪80年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变换控制技术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术。随着直接转矩控制技术应用越来越广泛。需要不断对其技术进行改进，论文针对其主要控制对象定子磁链幅值及电动机转矩提出了相应的控制方法，由于采用了优化的定子电压向量控制方式，使得定子磁链轨迹近似为圆形，转矩响应迅速，减小了电

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动机的谐波成分、噪声及转矩脉动，获得高性能的转矩响应。通过上面的介绍可以看出先进控制技术的引进促进了直接转矩控制技术的发展，拓展了直接转矩控制技术的研究方向，使这一全新的控制技术具有光明的发展前景。通过对直接转矩控制系统的仿真，我们可以进一步加深对这种新型异步电动机控制方法的了解。仿真时如发现系统性能不理想，则可用改变控制器的参数、结构以至控制方式，直到满意为止。这样得到的参数可以直接加到实际的系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可能性。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

第二章 异步电动机的基本结构和建模

2.1 三相交流异步电机传动系统的结构特点

异步电动机变压变频调速时需要进行电压或电流和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个输出变量。因为电动机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。由于这些原因，异步电动机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以是强耦合的多变量系统。

在异步电动机中，电流与磁通相互作用产生电磁转矩，电磁转矩与磁通作用得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。

三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个高阶系统。

图2.1 三相异步电动机的物理模型

综上所述，异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

如图2.1所示为三相异步电动机的物理模型。

图中，定子三相绕组轴线A, B, C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a、b，c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度θ为空间角位移变量。

1. 电压方程：

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uARsu0BuC0ua0u0b0uc0Rs000000Rs000000Rr000000Rr00iAAiBB0C0iCp0iaa0ibbRricc （2.1）

式中

uA,uB,uC,ua,ub,uc 定子转子相电压的瞬时； iA,iB,iC,ia,ib,ic, 定子转子相电流的瞬时值；

A,B,C,a,b,c定子转子绕组的全磁链；

pddt 微分算子， Rs,Rr 定子、转子每相电阻。

2.磁链方程

在磁路线性的假设条件下，磁链方程可以描述为：

ALABMBACMCAaMaAMbbAcMcAMABMMACBCMMAaBaMMAbBbMLBMCBMaBMbBMcBLCMaCMbCMcCMCaLaMbaMcaMCbMabLbMcbiAMBciBMCciCMaciaMbcibLcicAc （2.2）

式中LA,LB,LC,La,Lb,Lc分别为定、转子各相的自感，电感矩阵中其他元素分别为定子和转子间的互感。

3.转矩方程

电磁转矩可由能量守恒定律导出。根据能量转换原理，在多相绕组电机中，其磁场储能为

Ti （2.3） Wm12式中 i[iA[AiBiCBiaibic]T

c]

TCab根据能量守恒定律，在异步电机运行时，其电磁转矩等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数。即

TemTem12WmmicpnWmric （2.4）

式中，pn为电机的极对数，r为电角位移，rpnm。

pn[irTMrsrisisTMsrrir]0pnMsr[(iAiaiBibiCic)sinr(iAibiBiciCia)sin(r120) （2.5） (iAiciBiaiCib)sin(r120)]04.运动方程

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

TemTLTLJdrpndt22wrDdrpndtJdwrpndtDpn （2.6）

式中， TL—负载阻力矩；

J—机组的转动惯量；

D—与转速成正比的阻转矩阻尼系数。

2.2 异步电动机的数学模型

异步电动机的定子绕组通常为三相绕组，转子绕组为三相或多相绕组，没有励磁绕组，钉子绕组磁势和转子绕组磁势共同作用产生异步电动机的气隙磁场。为了减小定子电流的励磁电流分量，异步电机的气隙长度较短。通过绕组的分布、短距、转子斜槽等措施，常用三相异步电动机的气隙磁场的空间谐波较小在分析异步电机动态过程时，为了便于工程应用，常常对异步电动机的模型加以“理想化”，“理想化”的异步电动机有如下假定：

（1） 忽略电机铁芯的饱和、磁滞及涡流的影响以及铁心和导线的趋肤效应； （2） 忽略定子、转子谐波磁势的影响，即认为气隙磁势按正弦分布； （3） 忽略定子、转子齿槽影响，即认为气隙是均匀的； （4） 转子为三相绕组；

用异步电动机的自感系数、互感系数等参数，选择电机的定子、转子电流（或磁通）作为状态变量，写出电机的状态方程。以下是 在不同坐标系下电机的数学模型。

2.3 异步电动机数学模型的基本方程

在直接转矩控制分析中，所采用的异步电动机的空间矢量的数学分析方法，使问题变得简单了。图2.2是异步电动机的空间矢量的T型等效电路图。

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图2.2 异步电动机的空间矢量等效电路图

该等效电路图是在静止正交定子坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。各量的意义如下：

us(t)-----定子电压空间矢量 is(t)----- 定子电流空间矢量

ir(t)----- 转子电流空间矢量 (t)-----转子磁链空间矢量

（t）----定子磁链空间矢量

r ω------ 电角速度（机械角速度和极对数的积）

且规定，将旋转空间矢量在α轴（见图2.3）上的投影称为α分量，在正交的β轴上投影称为β分量。则异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示：

usRsisu （2.7）

Rrirrjr0 （2.8）

定子磁链和转子磁链由下式获得：

uLiu （2.9）

ruLir （2.10）

定子旋转磁场提供的功率如下：

PsTd且

jsL(iji) （2.12）

由此方程可得：

sLis 和 32Re{is}32(isis) （2.11）

式中ωs-------定子频率（定子旋转磁场的频率）。

 （2.13）

sLis （2.14）

将式（2.13）和（2.14）代入式（2.11），得转矩

Td3(isis) （2.15） 2如果将转子磁链代替定子电流，转矩方程式将简明的形式。

由

isiir （2.16） 和式（2.9）和式（2.10）可得

Td1L32rr （2.17）

该公式表达的是定子磁链和转子磁链之间的交叉乘积，也可以写成如下形式：

Td13L2rsin （2.18）

式中 ------定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子 磁链幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角来实现。转子磁链可以根据（2.8）通过改变转子电流来实现。而定子磁链可以根据（2.7）以定子

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

电压的积分来改变。稳态转矩的计算根据（2.18）通过对转子磁链与磁通角 （t）的计算来完成。

图2.3 空间矢量分量的定义 2.4异步电动机的电磁转矩模型

异步电动机各量的空间矢量关系如图2.4所示。并且规定，将旋转空间矢量在轴（见图2.5）上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。

图 2.4 异步电动机各量空间矢量图

图中：is（t）为定子电流空间矢量； ir（t）为转子电流空间矢量；s(t)为定子磁链空间矢量；r(t)为转子磁链空间矢量；为电角速度（机械角速度和极对数的积）； Lm为互感；Ls为定子漏感；Ls为定子全电感；Lr为转子电感。

根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示定、转子磁链： 定子磁链 sLsisLmir(LmLs)isLmir

转子磁链 rLmisLrir(LmLs)irLmis (2.19)

气隙磁链 mLmisLmir

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不同与矢量变换控制系统，直接转矩控制方法是以定子磁链矢量为基准，并维持其幅值为恒定，为此中的第二式计算异步电动机的电磁转矩Tem；

TemCm(FsF)CmFsFsin(Fs,F)Kmmissin(m,is)

由于msin(m,is)s。所以

TemKmssin(s,is) （2.20）

式中， Km为转矩系数。

把s和is置于定子正交坐标系中，如图2.5所示，得到 sin(s,is)sin(12)sin1cos2cos1sin2

从而在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩模型可以表达为

TemKm(sissis) （2.21） 式中，is、is、s、s分别是is,s在轴系上的分量。需要明确的是，这些分量都是交流量。根据式（2.21）构成的转矩观测器模型如图2.6所示。

以定子磁链矢量s为基准的优越性是，在定子坐标系中计算定子磁链，受电机参数影响最小（只受定子电阻Rs影响），而且定子电流可以直接测取。

由式（2.20）可以看出，在实际运行中，保持定子磁链矢量的幅值为额定值，可以成分利用电机。式中sin(s,is)为定子电流is的转矩分量，它由转矩决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变定子磁通角(s,is)来。

式（2.21）可以用来作为异步电动机电磁转矩的观测模型来求取转矩的观测值。

图2.5 定子正交坐标系

图2.6 异步电动机转矩观测模型框

2.5异步电动机的磁链模型

2.5.1 定子磁链的u-i模型

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

异步电动机的定子磁链可以根据下式来确定 SteSdttt(usisRs)dt

SS(uiR)dtsss （2.22） t(usisRs)dt 式中eS为电机定子反电动势

用式（2.22）来确定异步电动机的定子磁链的方法有一个优点，就是在计算过程中唯一所需要了解的电动机的参数就是易于确定的定子电阻。式中的定子电压Us 和定子电

流is同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精确度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式(2.21)，就可以计算出电动机的转矩。

用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫电机的磁链电压模型法，简称为u-i模型，其结构如图2.7所示。

图 2.7 定子磁链的u-i模型 2.5.2 定子磁链的i-n模型

按照u-i模型只要用两个积分器便可以计算电机磁链，但实现起来存在下列问题： （1） 积分器存在漂移，为抑制漂移需引入反馈通道，反馈通道使输出信号幅值和相移减小，随电机转速和频率降低，积分器误差增大。 （2） 随电机转速和频率降低，uS的模值减小，由iSRS项补偿不准确带来的误差就

越大。

（3）电机不转时eS0，无法按式计算磁链，也无法建立初始磁链。 借助于电机的电流模型（简称i-n模型）可以解决上述问题，电流模型用定子电流计算磁链，精度与转速有关，也受电机参数，特别是转子时间常数的影响，在高速时不如电压模型，但低速时比电压模型准确，因此两种模型必须配合使用，高速时使用电压模型，低速时使用电流模型。如何实现两模型的过度呢？简单的切换不行，由于两模型计算结果不可能一样，简单切换会在切换点附近造成冲击和振荡。采用图2.8模型即解决了两模型的过度，又解决了电压模型积分器漂移问题。

，电压模型计算出的磁链值为S。若两模型均准电流模型计算出的磁链值为SS为零，积分器反馈通道不起作用，无积分误差；但确，两磁链值相等，SS中无信号抵消它，反馈通道起作用。实际上，两模型计算结果不当积分器漂移时，S可能完全一样，S0，反馈通道对积分器仍有一些影响，但比无电流模型小的多，

图2.8所示框图表示为

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Sa1ap) （2.23） (eS1Sa的大小与转速有关，eS与转速成比例，低速时eS〈0.5S，以电流模 式中，S，以电压模型为主，a值决定过度点，通常a10，在10%型为主；高速时eS〉0.5S额定速度过度。

电机的电流模型表示为

式中，TrLrRrTrTrddrdtrrrTrrLmisTrrLmisrrdt （2.24）

为转子时间常数；r为转子角速度。

由式（2.19）得：

SrLiS 

SrLiS （2.25）

式中，LLsLr。

由式（2.24）和式（2.25）的电流模型（i-n模型），如图2.8所示。

图 2.8 i-n模型框图

2.5.3 定子磁链的u-n模型

i-n模型与u-i模型相互切换使用，经实验证明是可行的。但是，由于u-i模型向i-n模型进行快速平滑切换的困难仍未得到解决，而且实际上两模型计算结果不可能完全一样。所以当S0时，反馈通道对积分器仍有一些影响，磁链计算结果仍存在一定的误差，只不过比无电流模型时小的多而已。代之而起的是在全速范围内都实用的高精度磁链模型，称为u-n模型，也叫做电动机模型。

u-n模型由定子电压和转速来获得定子磁链。它综合了i-n模型与u-i模型特点。

为了表达清楚，重列模型所用的数学方程式如下：

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

TrTrddrdtrrrTrrLmisTrrLmisrrdt （2.26） s SS(usisRs)dtt(usisRs)dt （2.27） t(usisRs)dtt

SrLiSSrLiS （2.28）

根据上面三组方程构成u-n模型，如图2.9所示

图2.9 定子磁链的u-n动态模型（电动机模型）

图2.9同图2.8一样，分为两个（通道和通道）通道，以分别获得磁链的两个分量S，S。

下面以通道为例来进行说明。

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根据式（2.26）得到转子磁链r信号；根据式（2.27）得到定子磁链S信号；根据式（2.28）得到定子电流is信号。由此可见u-n模型的输入量是定子电压和转速信号，以此可以获得电动机的其它各量。如果在计算式（2.21），则还能获得电动机的转矩。因此u-n模型也可以称为电动机模型，它很好的模拟了异步电机的各物理量。 图2.9中，电流调节器PI的作用是强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相

与实际测量得到的电机电流is不相等，就会产生一等。如果电动机模型得到的电流is送入到电流调节器的输入端。电流调节器就会输出补偿信号加到个差值iisis“I”单元的输入端，以修正S和电流值，直至is完全等于is为止， i才为零，电流调节器才停止调节。由此可见，由于引入了电流调节器，使得电动机模型的仿真精度大大提高了。

电动机模型综合了i-n模型与u-i模型的优点，又很自然的解决了切换问题。高速

时，电动机模型实际工作在u-i模型下，磁链实际只是由定子电压和定子电流计算得到。由定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。

第三章 直接转矩控制的基本概念

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

3.1逆变器的8种开关状态和电压状态

逆变器是变频调速系统中将直流电转换成电压和频率满足电机一定转速需要的交流电的部分。一台电压型的逆变器（如图3.1），有三组、六个开关（Sa,Sa,Sb,Sb,Sc,Sc）组成。由于Sa与Sa、Sb与Sb、Sc与Sc之间互为反相，即一个接通，另一个关断，所以三组开关有8种可能的开关组合。

把开关Sa与Sa称为a相开关，用Sa表示；Sb与Sb称为b相开关，用Sb表示; Sc与Sc称为c相开关，用Sc表示。若规定a、b、c三相负载的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态：反之，与“-”极接通时，为“0”态。则8种可能的开关组合状态见表3.1。

8种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种所谓的工作状态，即表3.1中的状态“1”到状态“6”，他们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，如表3.1中的状态“0”和状态“7”。它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上，当三相负载都与“+”极接通时，得到的状态是“111”，三相都有相同的正电位，所得到的负载电压为零。，当三相负载都与“-”极接通时，得到的状态是“000”，负载电压也为零。

图3.1 电压型理想逆变器

对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态，可用图3.2表示。若用电压空间矢量uS(t)来表示，则形成7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔60，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边行的6个顶点。矢量的顺序正是从状态“1”到状态“6”逆时针旋转。所对应的开关状态是011-001-101-100-110-010。

所对应的逆变器电压状态，或称为电压空间矢量“us1us2us3us4us5us6”，或者：us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)u(010)。零电压矢量0和7则位于六边行的中心点。

表3.1 逆变器的8种开关组合状态

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表3.2逆变器的开关状态

用开关状态Sabc对应表3.2中的开关状态Sa，Sb，Sc。例如表3.3中Sabc011，对应于表3.2中的Sa=0，Sb=1，Sc=1，代表状态“1”。如果用符号uS表示逆变器的电压状态的空间矢量，那么逆变器的电压状态与开关状态的对照关系如表3.3所示：

表3.3 逆变器的电压状态与开关状态对照关系表

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图3.1所示的电压型逆变器在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，其输出的6种工作电压状态的电压波形见图3.2。图3.2表示出逆变器的相电压波形、幅值以及与开关状态和电压状态的对应关系。

图3.2 无零矢量输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态

由图可知，相电压波形的极性和逆变器的开关状态为“1”态，反之为“0”态。因此由相电压ua,ub,uc的波形图可直接得到逆变器的各开关状态。由相电压波形得到的开关状态顺序与表3.2中所规定的顺序完全一致。电压状态和开关状态都是6个状态为一周期，从状态“1”至状态“6”，然后再循环。相电压波形的幅值是两个：2ud34E3和ud32E3。

3.2 电压空间矢量的概念

在电压矢量中，8种状态将000与111看成一种零状态

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图3.3 用电压空间矢量表示的7个离散的电压状态

在对异步电机进行分析与控制时，均需对三相进行分析和控制，若引入Park矢量变换会带来很多的方便。Park矢量将三个标量（三维）变换为一个矢量（二维），这种表达关系对于时间关系也适用。如果三相异步电机中对称的三相物理量如图2.2所示，选三相定子坐标系的A轴与Park矢量平面的实轴a重合，则其三相物理量Xa(t),Xb(t),Xc(t)的Park矢量X（t）为

X(t)23Xa(t)Xb(t)2Xc(t) j23式中，为旋转因子， e物理量的瞬时值。

。

旋转空间矢量X(t)的某个时刻在某相轴线（a、b、c轴上）的投影就是该时刻该相就图3.1所示的逆变器来说，若其a、b、c三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压空间矢量us(t)的矢量变换表达式应为

us(t)23uuejba23ucej43 （3.1） 其中，ua,ub,uc分别是三相定子负载绕组的相电压。

对于式（3.1）的电压空间矢量us(t)的理解可以举例说明。把图2.2和 图3.3合并在一张图上，构成图3.4，以便描述的电压空间矢量us(t)在坐标系和定子三相坐标系（a-b-c坐标系）上的相对位置。图3.4中，三相坐标系中a轴与复平面正交的坐标系的实轴轴重合。各电压状态的空间矢量的离散位置见图3.4下面，根据式（3.1）对电压空间矢量坐标系中的离散位置举例说明如下：

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图3.4 电压空间矢量在坐标系中的离散位置

图3.5 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系

对于状态“1”，Sabc011，有

2 ua3ud43E

ud2E ubuc133将ua,ub,uc代入式（3.1）得

us(011)232323(2343E)1223Eej232323ej4312((434343E)E(23j32)E(j32)E)(43E)

EEej对照图3.4可知，us(011)位于轴的负方向上。

对于下个状态“2”，Sabc001时

uaubua4323E

E

将ua,ub,uc代入式（3.1），类似上面推倒得

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us(011)再计算一个ej043Eej43

的矢量，既状态“4”，Sabc100时

ua43E

23ubucE

j0将上式代入式（3.1）得：

us(011)43Ee

依次计算各开关状态的电压空间矢量，可以得到本节所直接给出的有关电压空间矢量的结论，综上所述：

（1） 逆变器的六个工作电压给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性顺序出现，相邻两个矢量之间相差60度。 （2） 电压空间矢量的幅值不变，都等于4E/3。因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。

（3） 六个电压空间矢量的顺序是：

us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)。它们依次沿逆时针方向旋转。

（4）零电压状态“7”位于六边形的中心。

3．3电压空间矢量与磁链空间矢量的关系

这里引出六边形磁链的概念。逆变器的输出电压us(t)直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为us(t)。定子磁链s(t)与定子电压之间的关系为

s(t)t(us(t)isRs)dt （3.2）

t若忽略定子电阻压降的影响，则

s(t)us(t)dt （3.3）

上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。该关系见图3.5 。 图3．5中，us(t)表示电压空间矢量，s(t)表示磁链空间矢量，

S1,S2,S3,S4,S5,S6是正六边形的六条边。当磁链空间矢量如s(t)在图

3．5所示位置时

(其顶点在S1边上)，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量us(t)为us(011)(如图3．5所示，轴方向)，则根据式(3．3)(定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量的积分关系)，定子磁链空间矢量的顶点，将沿着S1边的轨迹，朝着电压空间矢量us(011)所作用的方向运动。当s(t)沿着S1边运动到S1与S2的交点时，如果给出电压空间矢量

us(001)(它与电压空间矢量us(011)成us(101)，

60度夹角)，则磁链空间矢量s(t)的顶点会按照

与us(001)相平行的方向，沿着边S2的轨迹运动。若在S2与S3的交点时给出电压

则s(t)的顶点将沿着边S3的轨迹运动。同样的方法依次给出

的轨迹运动。至此可以得

us(100),us(110),us(010)，则s(t)的顶点依次沿着边S4,S5,S6到如下结论：

(1) 定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹(以后简称为定子磁链的运动方向和轨迹，或s(t)的运动方向和轨迹)，对应于相应的电压空间矢量的作用方向， s(t)的

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

运动轨迹平行于us(t)指示的方向。只要定子电阻压降限is(t)Rs，比起us(t)足够小，那这种平行就能得到很好的近似。

(2) 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量us1us2us3us4us5us6则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S1S2S3S4S5S6运动，形成正六边形磁链。 （3）正六边形的六条边代表着磁链空间矢量s(t)一个周期的运动轨迹。每条边代表一个周期磁链轨迹的1／6，称为一个区段。六条边分别称为磁链轨迹的区段S1，区段S2，直至区段S6。

直接利用逆变器的六种开关状态，简单的得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这就是DSC控制的基本思路。

3.4电压空间矢量对电磁转矩的影响

在直接转矩控制技术中，其控制机理是通过电压空间矢量us(t)来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。为了便于弄清电压空间矢量us(t)与异步电动机电磁转矩之间的关系，明确电压空间矢量us(t)对电动机转矩的影响，我们用定、转子磁链矢量的矢量积来表示异步电动机的电磁转矩，

即

TemKm(s(t)r(t))KmsKmsrrsin(s(t),r(t)) （3.4） sin(t)式中，s,r分别为定、转子磁链矢量s(t)，r(t)的模值，(t)为s(t)，r(t)之间的夹角，称为磁通角。

图3.6 电压空间矢量对电动机转矩的影响

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图3.7 六边形磁链及三相坐标系

在实际运行中，保持定子磁链矢量的幅值为额定值，以充分利用电动机铁心：转子磁链矢量的幅值由负载决定。要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角(t)的大小来实现，见图3．6。

t1时刻的定子磁链少s(t1)和转子磁链r(t1)及磁通角(t1)的位置如图3．6所示。从t1时刻考察到t2时刻，若此时给出的定子电压矢量us(t)us(110)，则定子磁链矢量由

s(t1)的位置旋转到s(t2)的位置，其运动轨迹s(t)见图3．6，沿着区段S5与

us(110)的指向平行。这个期间转子磁链的旋转情况，受该期间定子旋转角频率的平均

值s的影响。因此在时刻t1到时刻t2这段时间里，定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度，磁通角(t)加大，由(t1)变为(t2)，相应转矩增大。

如果在t2时刻，给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量s(t2)保持在t2时刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以s的速度旋转，则磁通角减小，从而使转矩减小。通过转矩两点式调节来控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度s的大小。通过这样的瞬态调节就能获得高动态响应的转矩特性。

3．5电压空间矢量的正确选择

正确选择电压空间矢量，可以形成六边形磁链。所谓正确选择，包含两个含义：一是电压空间矢量顺序的选择；二是各电压空间矢量给出时刻的选择。

定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于与定子电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢量的选择又取决于定子磁链空间矢量的运动轨迹。要想得到六边形磁链，就要对六边形磁链进行分析，为此观察六边形轨迹的定子旋转磁链空间矢量在三相坐标系和a,b,c轴上的投影(坐标系见图3．7)，则可以得到三个相差120度相位的梯形波，它们分别被称为定子磁链的a,b和c分量。图3．8(a)是这三个定子磁链分量的时序图。为了加强理解，现举例说明如下：

图3．7的区段S1分别向a轴,b轴,c轴投影，得到该区段内的三个磁链分量，见图3．8(a)中区段S1的磁链波形a,b和c。其中，在S1的整个区段内，a保持

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

正的最大值，b从负的最大值变到零，c从零变到负的最大值。接着投影区段S2,得

a分量从正的最大值变为零，b分量从零变为正的最大值。c分量保持负的最大值

不变。同样，投影区段S3,S4,S5,S6得磁链分量a,b,c的波形，见图3．8(a)．从区段S1S6循环一个周期之后，又重复出现已有的波形。

图3．9中，施密特触发器的容差是sg，sg作为磁链给定值，它等于图3．6中的s0。通过三个施密特触发器，用磁链给定值sg，分别与三个磁链分量

a,b,c进行比较，得到图3．8(b)所示的磁链开关信号Sa,Sb和Sc.照图

3．8(a)和(b)可见，当a上升到正的磁链给定值sg时，施密特触发器输出低电平信号Sa为低电平；当a下降达到负的磁链给定值sg时，Sa为高电平。由此得到磁链开关信号Sa的时序图，同理可得到的Sb,Sc时序图。

磁链开关信号Sa,Sb,Sc可以很方便的构成电压开关信号Sua,Sub和Suc。其关系为：

SSSabcSucSua Sub

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图3.8 DSC 控制开关信号及电压空间矢量的正确选择

(a) 定子磁链的两个分量 （b）磁链开关信号 （c）电压开关信号 （d）电压状态信号

电压开关信号Sua,Sub和Suc的时序图见图3．8(c)．电压开关信号与磁链开关信号的关系可对比图3．8(b)和3．8(c)。

电压开关信号Sua,Sub和Suc反相，便直接得到电压状态信号Sua，Sub和Suc，见图(d)。

所得到的电压开关状态的顺序是011-001-101—100-110-010，正好对应于六边形磁链的六个区段：S1S2S3S4S5S6。这个顺序与3．2小节中分析的顺序是一致的。对比图3．8(a)和图3．8(d)还可以清楚的看到：通过以上分析，解决了所选电压空间矢量的给出时刻问题。这个时刻就是各磁链分量a,b,c到达磁链给定值

sg的时刻。通过磁链给定值比较器得到相应的磁链开关信号Sa,Sb和Sc，再通过

电压开关信号Sua,Sub和Suc得到电压状态信号Sua，Sub和Suc，也就得到了电压空间矢量us(t)。这里磁链给定值sg是一个很重要的参考值，它决定了电压空间矢量的切换时间。当磁链的分量变化达到值sg时，电压状态信号发生变化，进行切换。磁链给定值sg的几何概念是六边形磁链的边到中心的距离，它就是图3．6中的s0。 为了捕获定子磁链的分量，必须对定子磁链进行检测。由检测出的定子磁链向三相坐标系投影得到磁链的分量，通过施密特触发器与磁链给定值比较，得到正确的电压开关信号状态，以控制逆变器的输出电压，并产生所期望的六边形磁链。以上整个过程，称为“磁链自控制”。而图3．9所示的单元，称为“磁链自控制”单元。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图3.9 用作磁链比较器的施密特触发器

第四章 直接转矩控制的实现

4．1直接转矩控制

前面阐述了直接转矩控制(DSC)系统的基本概念和控制思想，下面来看看它是如何实现的。一台电压型逆变器处于某一工作状态时，定子磁链轨迹沿该状态所对应的定子

E (E：逆变器直流输入电压的一半)。利矢量方向运动，速度正比于电压矢量的幅值43用磁链的Bang—Bang控制切换电压矢量的工作状态，可使磁链轨迹按六边形(或近似圆形)运动。如果要改变定子磁链矢量s(t)的旋转速度，可引入零电压矢量。在零状态下，电压矢量等于零，磁链停止不动。利用转矩Bang—Bang控制交替使用工作状态和零状态，使磁链走走停停，从而改变了磁链的平均旋转速度s的大小，也就改变了磁通角(t)的大小，达到控制电动机转矩的目的。转矩、磁链闭环控制所需要的反馈控制量由电机定子侧转矩、磁链观测模型计算给出。

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根据以上内容，可以构成直接转矩控制系统的基本结构，如图4．1所示。“磁链自控制”单元DMC的输入量是定子磁链在三相坐标系上的三相分量a,b和c。DMC的参考比较信号使磁链给定值sg通过DMC内的三个施密特触发器分别把三个磁链分量与sg相比较，在DMC输出端得到三个磁链开关信号Sa,Sb和Sc。三相磁链开关信号通过开关S换相，得到三相电压开关信号Sua,Sub和Suc。其中开关S的换相原则是：SaSuc,SbSua,ScSub。图4．1中的电压开关信号Sua,Sub和Suc，经反相后变成电压状态信号Sua,Sub,Suc，就可直接去控制逆变器UI，输出相应的电压空间矢量，从而产生所需六边形磁链。

磁链分量a,b和c。可通过坐标变换单元UCT的坐标变换得到。UCT的

输入量是定子磁链在坐标系上的分量和。UCT的输出量则是三个磁链分量。UCT单元的输入量与输出量的关系，也就是坐标系和三相坐标系的变换关系。如图3．3所示，s,s分别向a轴、b轴、c轴做投影，容易得到变换关系如下：

a32s （4.1）

b c32s1s （4.2） 2s1s （4.3） 2

可以由磁链模型单元AMM得到。AMM的

定子磁链在坐标系上的分量s,s系，也就是磁链模型，可由下式得到：

s s输入量是定子磁动势在坐标系上的分量es,es，AMM的输出量和输入量之间的关

tttesdtt(usisRs)dt （4.4）

esdt(usisRs)dt （4.5）

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图4.1 DTC的基本结构原理框图

式中的is，is可通过检测三相定子电压并经变换得到。式中的us，us可同理求得。坐标系和定子三相绕组坐标系的位置如图3．3所示，下面是定子三相绕组坐

标系到两相坐标系变换关系的推导过程。 首先设两相坐标系到定子三相绕组坐标系的电流变换矩阵为C，则根据功率不变原则有定子三相绕组坐标系到两相坐标系的电压变换矩阵为：BCT。所以余下的工作就是根据确定电流变换矩阵的原则给出电流变换矩阵C了。

如图2．3所示，三相绕组和两相绕组的瞬时磁势沿轴的投影应当相等， 既

N2isN3iN3(1i)N3(1i)2b2cN2is0N3(32ib)N3(32ic)

式中，N3，N2分别为三相电机和两相电机定子每相绕组有效匝数。用矩阵表示

is为： isN3N2103212iib32ic12 (4.6) 这样得到了C1，为了取得C就引入另一个独立于is和is的新变量，记这个新变量为i0，称为零序电流，并定义为：

N2i0KN3iaKN3ibKN3ic

式中，K为待定系数。

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对于两相系统来说，虽然零序电流是没有物理意义的，但是，这里为了纯数学上的求逆矩阵的需要而补充定义这样一个其值为零的零序电流，补充i0后，式（4.1）成为

isi si0式中，

N3N210K10K1232K12i32ibKic32 K12K12K12K12 （4.7） 12C1N3N232K将C1求逆，得到

2N23N3

C112121012K03232 （4.8） 其转置矩阵为

12T2N23N33212K C23 （4.9） 12K12K12根据确定电流变换矩阵的原则，要求C1CT，这样就有 从而可求得 N2N3N22N23N3 ， K12

N323以及K，代入式（4.6）和式（4.9）就得到定子三相绕

组坐标系到两相坐标系的电流和电压变换关系，如下：

is

63ia12116ib121is063ibub1ic （4.10） ic6us

ua1216us0ub2uc （4.11） uc6下面再来分析转矩调节部分。转矩的大小可以通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制。要改变定子磁链沿轨迹运动的平均速度，就要引入零电压矢量来进行控制。零状态选择单元提供零状态电压信号，它的给出时间由开关S来控制。开关S又由转矩调节器ATR的输出信号“TQ”来控制。转矩调节器的输入信号是转矩给定值Temg和转矩反馈值Temf的差值．转矩调节器ATR也是与磁链比较器一样的施密特触器，它的容差是

m。它对转矩实行离散式的两点式调节：当转矩实际值和转矩给定值的差值小于m

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

时，即TemfTemgm时，ATR的输出信号“TQ”变为“1”态，控制开关S接通“磁链自控制”单元输出磁链开关信号，把工作电压矢量加到电动机上，是定子磁链旋转，磁通角加大，转矩较大；当转矩实际值和转矩给定值的差值大于m时，即TemfTemgm时，ATR的输出信号“TQ”变为“0”态，控制开关S接通零状态选择单元提供的零电压信号，把零电压加到电动机上，使定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。该过程即所谓的“转矩直接自调节”过程。通过直接自调节作用，使电压空间矢量的工作状态与零状态交替接通，控制定子磁链走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的m(容差)的范围内，如此既控制了转矩，又形成了PWM的调制过程。 转矩实际值由转矩计算单元根据式(2．27)计算得到。转矩计算单元的输入量是磁链模型的输出量s,s以及被测量is和is。

图4．1所示的DSC基本机构可以控制异步电动机的转速从10％一100％的范围内实现高动态的转矩调节。

4．2直接转矩控制系统的基本结构

图4.2 直接转矩控制的基本组成框图

图中，各单元的意义： ASS-----开关信号选择单元； DMC-----磁链自控制单元； UCT-----坐标变换器；

AMM-----异步电动机数学模型； ATR-----转矩调节器； AΨR----磁链调节器；

AMA-----磁连幅值构成单元； ASR-----转速调节器；

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AZS-----零状态选择单元。

各单元的功能简述如下：

（1） 被测信号只有两个：即us和is，这两个信号经过异步电动机数学模型AMM处理后得到,和转矩实际值Tf。,通过两相／三相坐标变换UCT后得到磁链的三个分量信号a,b,c，然后输入磁链自控制单元DMC得到磁链开关信号

Sa,Sb,Sc

(2) 磁链幅值构成单元AMA计算得出磁链幅值f，该值与系统磁链给定值g一起输入到磁链调节器AΨR，AΨR输出磁链开关信号Q。

(3) 异步电动机的数学模型计算出的转矩Tf、系统转矩给定值Tg以及转矩调节器容差m，经转矩调节器ATR处理后得到转矩开关信号TQ。

(4) 磁链开关信号的三个分量a,b,c，磁链开关信号Q，转矩开关信号TQ，零状态选择单元AZS的输出信号，共同作为开关信号选择单元ASS的输入，ASS的输出为电压空间矢量开关信号Sua,Sub,Suc。

(5) 电压空间矢量开关信号Sua,Sub,Suc作用于逆变器的六个开关，由此产生三相电压，作用于电动机。

由图4．2可知，直接转矩控制系统的基本组成有以下几个部分：

(1)异步电动机的数学模型：异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。它可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。

(2)坐标变换器UCT：实现两相／三相坐标变换。

(3)磁链自控制DMC：磁链自控制的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁链。 (4)转矩调节器ATR：转矩调节环节实现转矩直接自控制。

(5)磁链调节器AΨR：磁链调节环节实现对磁链幅值的直接自控制。

(6)开关信号选择ASS：开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节，转矩调节环节和磁链调节环节的三种开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。

4．3直接转矩控制系统各单元的功能

4．3．1数学模型的建立

图4．2中的异步电动机的数学模型AMM包括两部分：磁链模型AΨM和转矩模型ATM(见图4．3)，其功能是根据系统检测到的定子电压us、定子电流is，利用电动机自身的参数，分别计算出定子磁链分量,，以及电磁转矩Tf。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图4．3异步电动机的数学模型框图

图4．3中，磁链模型部分已经在前面比较详细地讨论过了，并且得到了较完善磁 链模型u—n模型。本文定子磁链外的观测模型是通过u—i模型宋实现的，即利用电动机的定子电压和定子电流来计算。

该模型（u-i）的数学表达式为：

(t) (t) (t)t(us(t)is(t)Rs)dt （4.12）

按定子磁链的分量形式表达，则为：

tt(us(t)is(t)Rs)dt （4.13） (us(t)is(t)Rs)dt （4.14）



该模型中只用到一个电动机参数—————定子电阻Rs，Rs非常容易确定。模型中用到的us(t)和is(t)同样容易精确地检测得到，因此该模型具有简单实用的特点。

从磁链模型中得到了，后就很容易得到转矩模型。利用输入信号， 和i,i，能计算出转矩：

Td32(sisi) （4.15）

磁链模型和转矩模型合为完整的电动机模型AMM。AMM的输出量是磁链分量,和转矩实际值Tf。AMM的输入量是电压信号u,u，电流信号i,i和转速信号n。

电压信号由3／2坐标变换器变成u,u信号以供AMM使用。由于测量交流电压

ua,ub,uc比较困难，可以用模型的方法来获得，这就是所谓的逆变器模型的方法。

4．3．2坐标变换器UCT

坐标变换器UCT的功能是将异步电动机数学模型AMM计算出定子电压、定子电流、磁链的两相分量x,x变换至三相坐标系下，得到三相分量xa,xb,xc，提供给幅值计算单元和磁链自控制单元。两相、a、b、c三相坐标系如图4．4所示。

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图4．4空间矢量及两相，a、b、c三相坐标系

该两相／三相坐标变换基于下式实现：

xa10x13x22 bx31xc22三相／两相坐标变换为该变换的逆变换。 4．3．3磁链自控制单元DMC

 (4.16) 磁链自控制单元的任务是识别磁链轨迹的区段，即确定磁链所处的扇区，扇区的定义如图4．5中(1)到(6)所示。由图可知，通过判断磁链与轴的所成角度就可以确定它所处于的扇区。并且给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转。

磁链自控制任务的执行单元是以磁链自控制单元为主，配合以坐标变换器和开关信号选择单元，共同完成此项任务。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图4．5 磁链所在区域

4．3．4磁链幅值构成单元AMA

在直接转矩控制中，需要对不断变化的磁链幅值进行调节，为使其被限制在一定的波动范围内，首先要求检测出当前磁链幅值。

对于六边形磁链，磁链分量a,b,c，对称：

a(t)b(t)c(t)0 (4.17) 所以定子磁链的幅值为： f0.5(abc) (4.18)

对于圆形磁链，a,b,c不对称，因此需要用,分量计算:

4．3．5磁链调节器AΨR

磁链调节器的任务是对磁链量进行调节。电动机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定子磁链将会不断减小，因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定子磁链幅值减小到容差以外，引入磁链调节闭环，由磁链调节器给出一个定子电压空间矢量，加大定子磁链幅值，这就是磁链调节器AR所需完成的工作。磁链调节器的结构实际上也是滞环控制器，对磁链幅值进行两点式调节，见图4.6。

这里的容差宽度是。它是定子磁链幅值对于给定值g所允许的波动宽度。磁链调节器的输入信号是磁链给定值g与磁链量反馈值f之差，其输出值是磁链量开关信号Q。

磁链的调节过程是通过磁链电压来完成的。在分析磁链调节过程之前，先提出磁链电压的概念。所谓磁链电压是指这样的定子电压空间矢量，它的主要作用是加大定子磁链幅值。任何一个定子电压空间矢量，只要把它接通时，其所起的主要作用是加大磁链量，这时电压空间矢量就可称为磁链电压。所谓电压“接通”是指，当某个电压空间矢量被加到定子绕组上时，或逆变器输出某个电压空间矢量时，就简称为“接通”。

根据异步电动机的数学模型，在式(3．2)中，若忽略定子电阻Rs，则

(t)f22b (4.19) tus(t)dt (4.20)

从式（4.20）中可以看出：定子磁链矢量与定子电压空间矢量us之间为近似积分关系，并由此得到定子磁链运动方向与空间电压矢量作用方向一致的结论。

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图4．6磁链两点式调节器

提出磁链电压的目的是为了区别转矩电压，转矩电压是前面提到过的电压空间矢量，它的主要作用是加大转矩。

定子磁链任意一位置时能够增大磁链幅值的电压矢量有两种：一种是与磁链运动迹成—60度角的电压空间矢量；另一种是成—120度角的电压空间矢量。两种都能使磁链量加大，本文选与磁链运动轨迹成—120度的电压作为磁链电压。由于磁链调节的作用，使得定子磁链空间矢量在旋转的过程中，其幅值保持在以给定值为基准，以为容差限的范围内波动。磁链调节以两点式调节的方式保证了磁链量恒定。 4．3．6转矩调节器ATR

转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称由此得来。转矩调节器的结构与磁链自控制单元一样，也是采用滞环控制器，只是容差不同。转矩调节器的容差是m，且可调，见图4．7。

图4.7 转矩两点式调节器

图4．7中，调节器的输入信号是转矩给定值Tg和转矩反馈值Tf的信号差T。调节器的输出量是转矩开关信号TQ，TQ的取值决定着转矩电压的开启与关闭。调节器的容差是m。调节器采用离散的两点式调节方式。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

假设电动机运行在空载情况下，忽略了损耗，平均转矩为零，则要求Tg0，

TTf。在某时刻t1时，转矩实际值Tf下降到调节器容差的下限m。，调节器的输

出信号变为“1”态。在TQ1作用下，得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。而磁链作为对应电压的积分，其增量。是按恒定的斜率上升的。到时刻t2(t2t1)，Tf上升到容量的上限m，TQ变为“0”态，在TQ=0的作用下，零电压加到电动机上，定子磁链静止不动，转矩减小。这个期间的是保持水平不变，没有增长。再到t3(t3t2)时刻，又重复t1时刻的过程。由此可见，通过转矩调节器的两点式调节，把转矩波动限制在给定值的容差范围内，达到了转矩直接控制的目的。 以上由TQ=1得到的电压空间矢量称之为转矩电压。转矩电压的主要作用使转矩增加。

4．3．7开关信号选择单元ASS

论述至此，已得到磁链区域，转矩电压开关信号TQ，磁链电压开关信号Q。直接转矩控制中所有上述信号将共同决定施加于逆变器的开关信号。如何综合这些信号，并根据它们的组合产生相应的开关信号，是开关信号选择单元ASS的任务。

实际应用中，一般将各种开关信号的组合以及所对应的电压矢量制表，编制软件时通过查表的方式来确定电压矢量。

定义各开关信号：

TQ Q0101

TTTT TTgTf (4.21) gf (4.22)

以电动机逆时针旋转为例，由TQ,Q信号和定子磁链所在区域决定的电压矢量如表4.1所示。

表4．1直接转矩控制中逆时针旋转时的电压矢量选取

4.3.8 速度控制和调节

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在直接转矩控制系统中，主要的是通过控制定子电压空间向量来控制定子磁链的平均旋转速度，从而控制转矩。而转矩的控制又成为速度控制的基础，故在系统中应用闭环控制。闭环控制系统具有简洁、直观、有效的性能。既是从速度传感器中引出速度反馈信号与速度给定信号作比较后送入PI调节器。调节器的输出直接作为转矩的给定值，便可以实现转速的闭环控制了。如图4.8所示。

图4.8 转速调节器

在图中，当需要使电机升速时，则加大n*的值，则经调节器就会使Te增加，从而使转矩调节器的输出TQ=1，而使电机的转速增加，从而使电机的转速上升。当电机的转轴收到外界的扰动而使n，下降，则同样可以使转矩上升，从而提高转速。可见对转速实现了闭环控制。

4．4 低速范围内直接转矩控制的缺陷

直接转矩控制作为一种新型的控制技术，它简化了控制结构，模糊了对特定控制对象的参数要求，表现出良好的控制特性。但是，在低速范围内直接转矩控制却存在着一些缺陷，已成为限制其发展的瓶颈。

当电机运行在中、高速时，若忽略定子电阻Rs，控制结果仍具有很高的精度；但速度愈低，定子电压降落于定子电阻上的分量会愈来愈大。此时，若忽略Rs或认为它是常数，磁通角、磁链幅值与真实值偏差会越来越大，这是因为磁链的估算为开环积分型，一旦有误差，则无法衰减，只能依次叠加，就会严重影响系统性能。因此如何准确检测Rs的实时变化一直是改善直接转矩控制系统低速性能的首要问题。

按照不同的转速范围，划分工作区域，确定相应的调节方法，是很重要的。 低速范围是指30％额定转速以下的转速范围。在这个范围内，由于存在转速(包括零转速)，定子电压降影响大等特点，会造成一些需要解决的问题：如磁链波形畸变，在低定子频率乃至零频时保持转矩和磁链基本不变等等。

前面第2章已经介绍了磁链的模型，在低速时可选i-n磁链模型，为了能在全速范围内进行快速平滑切换最好选u—n模型，这样就很好的解决了低速范围内直接转矩控制的缺陷。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

4.5 启动过程的分析

经过以上各节的分析，现有的环节己经可以使电动机平稳的运行在稳定状态了。但是关于对控制系统的快速性起决定作用的启动过程却没有具体的分析。启动是电机整个运行过程中的一个非常重要的环节。启动过程的好与坏将直接的影响到整个控制系统的性能。下面就将直接转矩控制系统的启动方法进行初步的分析。感应电动机在启动时的要求是其输出量快速达到稳态值。磁链、转矩一般在十几ms内达到稳态的速度相对慢一些。通常在几十到几百ms内达到稳态。根据对磁链转矩的控制方案的不同，可供采取的有三种方式。即优先启动法，同步并行启动法，混合启动法。优先启动法把启动过程分为两步； (I)使磁链幅值达到参考值。而这一过程是使电压向量恒定。(2)是在保证磁链幅值不变的情况下，使转矩快速达到稳定值。这种启动方法虽然快速性比较好，但是由于第一阶段是加在电机上一固定的电压向量，相当于一直流电压作用于电机上，会使电机的电枢电流过载很大。所以该方法不适合运用于实际。同步并行启动法就是使磁链和转矩同步增加，并几乎同时达到参考值。这种方法实现起来很方便，不需要任何附加的调节器件，直接按照开关表运行即可。这种启动方法虽然解决了电流过载大的问题，但这种方法下的启动过程响应慢。燥音较大，因此不可取。

经过了上述的分析，综合上述方法。即为混合启动法。本系统设计中采取的启动方法是以上两种方法的从启动时刻到实际磁链达到参考值的一半这段时采用与同步并行启动法相同的控制策略，然后采用并行法，同时调节转矩和磁链。

第五章 直接转矩控制在MATLAB环境下的实现

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电气传动控制系统的计算机仿真是应用现代科学对其进行科学研究的十分重要的手段之一。进入20世纪80年代以来，几乎所有的电动机调速控制系统的高品质均离不开系统仿真研究。通过仿真研究可以对照比较各种策略于方案，优化并确定相关的参数，特别是对于新控制决策与算法的研究，进行系统仿真更是不可缺少的。一般而言，对控制系统进行计算机仿真首先应建立数学模型，然后根据模型编制仿真程序，充分利用计算机作为根据工具对其进行数据求解并将结果加以显示。近年来国外在控制领域中推出了一些功能强大的仿真软件，如Matlab软件中的Simulink仿真工具箱等。这些软件的出现为系统提供了强有力的支持，极大的推动了仿真工作的发展。

5.1 MATLAB仿真软件的简介

5.1.1 Matlab的开发

Matlab是美国MATHWORKS公司于1984年推出的一个仿真软件，历经升级，到2001年已经有了6．0版，现在Matlab6.1，6.5，7.0版都已相继面世。Matlab是一种科学计算软件，原本为“矩阵实验室”之意(MATRIX LAB)，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。它吸引入的地方在于其强大的工具箱Toolbox，如动态系统的建模与仿真工具Simulink；电力系统仿真、建模的工具Power System Blockset：与数字信号处理器相关的DSP Blockset 工具箱；与模糊控制相关的Fuzzy Logic工具箱等等，涉及到电气(电路、电子、电力)、机械、通信等多个领域的建模与仿真，是一个应用前景广泛的软件。

此外，MATLAB还具有强大的数据分析能力，同时也提供了对GUI图形用户界面的设计以及与C语言，FORTRAN语言和Visual B，Visual C++等应用程序的接口，故而在此使用它作为对交流传动系统进行研究的主要工具。

使用仿真软件进行研究有下述特点：

A 起点高每个变量代表一个矩阵，它可以有nm个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。

B 人机界面适合科技人员Matlab的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员的交流。Matlab是以解释的方式工作的，若有错误立即就会做出反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。

C 强大而简洁的作图功能，能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出图形。

D 智能化程度高绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法;数值积分时自动按精度选择步长， 自动检测和显示程序错误的能力强， 易于调试。

E 功能丰富，可扩展性强Matlab软件包括基本部分和专业部分。基本部分包括:矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技人员在此基础上，根据专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这些工具箱就是

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

专业部分。现在它们已有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。

5.1.2 软件构成

Matlab软件主要由主包，Simulink和工具箱三大部分组成。

Matlab主包包括以下五个部分：

1．Matlab

Matlab语言是一种基于数组和矩阵的高级语言，它本身具有流程控制语句，函数，数据结构和输入输出，并且具有面向对象的程序设计特性。用Matlab语言可以迅速地建立临时性的小程序，也可以建立复杂的大型应用程序。

2. Matlab工作环境

Matlab工作环境集成了许多工具和程序，用户用工作环境中提供的功能完成他们的工作。MATLAB工作环境给用户提供了管理工作空间内的变量和输入，输出数据的功能，并给用户提供了不同的工具用以开发，管理、调试MATLAB文件和MATLAB应用程序。

3. 句柄图形

句柄图形是Matlab的图形系统。它包括一些高级命令，用于实现二维和三维数据可视化，图象处理，动画等功能；还有一些低级命令，用来定制图形的显示以及建立Matlab应用程序的图形用户界面。

4. MATLAB数学函数库

Matlab数学函数库是数学算法的一个巨大集合，该函数库既包含了诸如求和、正弦、余弦复数运算等简单函数；也包含了矩阵转换、特征值、贝塞尔函数、快速傅立叶变换等复杂函数。

5. Matlab应用程序接口（API）

Matlab应用程序接口是一个Matlab语言同C语言和Fortran等其它高级语言进行交互的库。包括从MATLAB调用其它程序（动态连接），把Matlab作为计算引擎来调用，还包括读写Matlab数据文件（MAT文件）。

Simulink是用于动态系统仿真的交互式系统。Simulink允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能够动态的控制该系统。Simulink采用鼠标驱动方式，能够处理线性、非线性、连续、离散、多变量以及多级系统。

此外，Simulink还为用户提供了两个附加项：Simulink Extensions（扩展）和Blocksets（模块集）。

Simulink Extensions是一些可选择的工具，支持在Simulink 环境中开发的系统的具体实现，包括：

Simulink Accelerator Real-time Workshop Real-time Windows Target Stateflow

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Blocksets是为特殊应用领域中设计的Simulink模块的集合。Blocksets包括以下几个领域的模块集：

DSP(数字信号处理)

Fixed-point(定点)

Nonlinear control Design(非线性控制设计) Communications（通信）

工具箱是MATLAB用来解决各个领域特定问题的函数库，它是开放式的，可以应用，也可以根据自己的需要进行扩展。

Matlab提供的工具箱为用户提供了丰富而实用的资源，工具箱的内容非常广泛，含盖了学科研究的很多门类。目前，已有涉及数学、控制、通信、信号处理、图象处理、经济、地理等多种学科的二十多种Matlab工具箱投入应用。这些工具箱的作者都是相关领域的顶级专家，这当然的确定了其权威性。应用MATLAB的各种工具箱可以在很大程度上减少用户编程是的复杂度。Mathworks公司也一直致力于追踪各学科的最新进展，并及时推出相应功能的工具箱。毫无疑问，MATLAB能在数学应用软件中成为主流是离不开各种功能强大的工具箱。

5.2 三相异步电机直接转矩控制系统的MATLAB仿真

本文主要用到MATLAB里面的Simulink模块。整个传动控制系统（见图5.1）可以看成是由控制信号给定部分、控制部分、电压逆变器部分以及交流异步电机四部分。 （1）系统的给定有电机的转速给定、定子磁链的给定以及负载转矩。

（2）系统的控制器部分控制器模块（见图5.5）是整个直接转矩控制交流传动系统的核心环节。其目的是：在适当的时刻选择出合适的磁链开关信号，以定子磁链给定和由传感器提供的电机电压、电流及实际转速作为输入量，得到的定子实际磁链，依据直接转矩控制的策略，与给定比较得到磁链开关信号。

（3）系统的逆变器是电压源逆变器（直接转矩控制策略是针对与电压型逆变器供电的交流电机进行控制的）。在仿真中，其模型是理想化的模型，不考虑开关的开通与关断时的过度过程，同一桥臂上下两个开关元件的开关控制信号是互补的，因此，不许要考虑贯穿。该模块的输入量仅仅是三相开关信号共三个，以及直流侧的电压；输出三相电压向交流电机供电。

（4）系统中的异步电机的模型是必要的，它用来模拟实际应用中的异步电机。其输入量是三相定子电压和负载转矩，输出量是三相定子电压、定子电流、电机的转速和电磁转矩（转子为鼠笼型，故而转子端电压为零）。异步电动机的数学模型是由电压模型、磁链模型、转矩模型和动力模型组成的。

在仿真模型中，必须将电机的模型进行适当的变形和重构以后，将其变成适于进行仿真的模块才能进行仿真。为此，我们选磁链模型为u-i模型，磁链模型的输入量为定子电压和定子电流，输出为定子磁链的分量和β分量（见图5.5）；转矩模型的输入量为定子电流，定子磁链的分量和β分量，输出量为电磁转矩（见图）。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图5.1 直接转矩控制交流传动系统的仿真框图

图5.2 定子磁链的u-i模型

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图5.3 电磁转矩模型

图5.4 转速调节器

图5.5 磁链开关信号产生单元

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图5.6 2/3变换

图5.7 转矩调节器

图5.8 磁链幅值单元

图5.9 磁链调节器

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图5.10 开关选择单元

5.3 系统仿真参数及结果

本文系统给定的参数为：电机的定子磁链的给定为0.5Wb，电磁转矩的给定为40NM,负载转矩为0NM；磁链容差的给定为0.01Wb，转矩容差的给定为0.1NM。

仿真电机（转子类型为鼠笼式）参数为：额定功率为3.73kW，额定电压（线电压）为460V，转动惯量为0.02kgm2,极对数为2，定子电阻为1.115Ω，转子电阻为1.083Ω，定子电感5.974mH，转子电感5.974，定、转子互感为0.2037H，频率为60Hz，取摩擦系数为0.005752Nms。 仿真结果如下：

图5.10 定子电流波形图 5.11 电磁转矩波形

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

图5.12 电机转速波形

本系统的转矩和定子磁链模型（u-i模型）采用Bang-Bang控制，结构简单，鲁棒性好，可以获得开速的动态响应。

但由于DTC系统采用Bang-Bang控制，实际转速必然在给定值上下限内脉动，而不是完全的恒定。再者，由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响到磁链计算的准确度。这些影响在低速时都比较显著，为了解决这些问题，还需作进一步的研究。

结 论

直接转矩控制技术是二十世纪八十年代中期发展起来的新技术，它是继矢量变换控制技术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流传动控制技术。直接转矩控制系统控制异步电动机定子磁链和电磁转矩实际跟踪给定值，是直接控制逆变器开关状态来完成的，不仅省去了一般的脉调制器，而且对定子磁链和电磁转矩瞬时值的控制，使系统有良好的动态响应。因此，直接转矩控制与矢量控制相比好不逊色，非常有发展前途和使用价值。

本文介绍了直接转矩控制的基本原理和方法。直接转矩控制技术适用与异步电动机的整个调速范围，它避免了复杂的坐标变换，减少了对电机参数的依赖性，以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能备受人们的青睐，近年得到迅速的发展。本文的研究成果主要体现在以下方面：

(1) 从直接转矩控制技术在交流调速领域的地位出发，介绍了直接转矩控制系统对异步电动机调速的基本原理；

(2) 在正交定子坐标系下分析异步电机的数学模型和等值电路，得到异步电机较为简单的磁链模型和转矩模型；

(3) 根据DTC技术的基本理念，在Simulink平台上构建出异步电动机DTC系统仿真模型。通过系统的仿真结果，分析了DTC系统的优点和不足之处。

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异步电动机的直接转矩控制思想是在定子坐标下，利用空间矢量的概念，对定子磁链定向以建立电机数学模型。通过易于测量的定子电压电流和转速等，计算出电机的定子磁链和转矩，直接对磁链和转矩进行控制。这种方法关系明确且直观，可以获得较好的控制性能。由于磁链控制选用了定子磁链，因而避开了未知且时变的转子参数，故参数鲁棒性好。转矩和定子磁链调节器采用Bang-Bang控制，可以获得快速的动态响应，缺点是带来了转矩脉动，调速范围受限，低速时调速性能明显下降。

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三相交流异步电机直接转矩控制系统动态性能的分析

致 谢

本论文是在黄松清教授的精心指导下完成的。近一个学期来黄松清老师自始至终以极大的热情和耐心指导我，经过这一学期的努力，我的论文终于完成。老师扎实的专业知识、严谨的治学作风、求实的治学思想，不仅使我的专业知识得到提高，也将影响我以后的工作和生活。至此论文完成之际，向黄老师表以最诚挚的谢意。

在论文工作的研究过程中，得到了同学吕斌和宿舍室友的热心帮助和大力支持，在此向他们表示衷心的感谢。

我将在今后的学习、工作和生活中保持乐观向上的态度，努力奋斗，积极进取，以优异的成绩来报答所有帮助过我的人。

谨以此文献给在我成长道路上给予我关怀和帮助的亲人和朋友。

杨立安

2007.6.7

参 考 文 献

1. 李夙，异步电动机直接转矩控制.北京：机械工业出版社，1994

共 50 页 第 47 页

2. 李发海，电机学，清华大学

3. Depenbrock M. Direct self-control(DSC) of invert-fed induction machine. IEEE Trans.on PE,1988,3(4)

4. Power System Blockset For Use with Simulink User’s Guide, Hydro-Quebec and TEQSIM International Inc. (Translating material pp.2-29 to 2-40 , 4-3 to 4-19, 4-152 to 4-158) (备) 5. 黄立培,电动机控制 (Motor Control),清华大学出版社，北京，2003 6. 尔桂花,运动控制系统（Motion Control）,清华大学出版社，北京，2002 7. 陈伯时,运动控制系统,机械工业出版社

8. 冯江华 陈高华 黄松涛，异步电动机的直接转矩控制，1999年 第14卷 第3期,Vol.14 No.3 1999

9. 洪乃刚，电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真，北京：机械工业出版社，2006

10. 洪乃刚，电力电子电力拖动系统课程设计和仿真，安徽工业大学，2005年