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摘 要

感应电机变频调速系统因具有的优越的节能特性、良好的控制性能已广泛应用于各种工业场合。尤其是在近十年来，随着电力电子技术、微型计算机技术和控制理论技术的发展，交流电机调速范围、调速精度和交流电机动态性能发生了实质性的飞跃，使以脉宽调制变频调速技术为核心的矢量控制技术和直接转矩控制技术得到了快速发展。变频调速技术已成为先进运动控制技术的主流，广泛应用在需要高性能速度调节的现代数控机床、机器人和电动汽车等领域。

本论文首先介绍了直接转矩控制技术的基本原理，包括感应电机的数学模型、逆变器的数学模型、电压矢量控制和开关选择表，最后介绍了直接转矩控制系统的基本结构。矢量控制和直接转矩控制大都采用PI控制器来调节转速，然而PI控制器存在积分饱和（Windup）现象，严重影响控制系统的动态性能和静态指标。

为了克服Windup现象，论文在系统论述和分析两种典型的Anti-Windup PI控制方案的基础上，研究了一种新型的抗饱和PI控制器方案，不仅从理论上论证了新型PI控制器方案优于两种典型的Anti-Windup控制器，还利用Matlab/Simulink 进行了三种方案的仿真对比，得出了新型抗饱和PI控制器能够在系统进入非线性区域时更加快速地退出饱和区，从而达到减少超调量、缩短调节时间的目的。

关键词：感应电机 变频调速 直接转矩控制 非线性饱和 抗饱和PI控制器

Anti-Windup Speed Controller Design for Variable Frequency Drive System

ABSTRACT

Induction motor variable-frequency drives system has been widely used in various industrial occasions , with huge energy-saving feature, good control performance. Especially in the recent ten years , with the development of power electronic technology, microcomputers technology and control theory technology , the aspects of adjustable speed range, adjustable speed precision, and dynamic performance of AC (Alternating current) motor has occurred substantive leap ,making the PWM (pulse width modulation frequency) adjustable speed technology of the core of VC(vector control ) technology and DTC (direct torque control) technology quickly develop. Induction motor variable-frequency drives technology has become the mainstream of advanced motion control technology, and has been widely applied in modern high performance NC (numerical control) machine, robot and EV(electric vehicle) where in need of high-performance speed adjustment.

This paper firstly introduces the principle of DTC technology, including mathematical model of induction motor, mathematical model, voltage space vector control and the switching table, and finally describes the basic structure of the DTC system. The speed loop of VC and DTC mostly use PI controller; when PI controller integral saturation occurs, however, integral saturation phenomena can sometimes seriously affect the dynamic and static indexes of control system .

In order to overcome the Windup phenomena , chapter systematically introduces two typical Anti-Windup PI controller, and then study a new kind of Anti-Windup PI controller based on the front two. By comparing the three method of Anti-Windup PI controller ,which performs better than the two typical ones with the Matlab/Simulink technology . The saturated nonlinear area of new PI controller can quickly leave the saturated zone in the system, reducing the overshoot and shortening the settling time.

Keywords: Induction motor; variable-frequency drives; direct torque control; saturation non-linearity ; Anti-Windup PI controller

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 感应电机发展简介 1

1.2 抗饱和(Anti-Windup)技术 3

1.3 论文的主要内容 5

第二章 直接转矩控制基本原理 6

2.1 感应电机的数学模型 6

2.2 逆变器数学模型的建立 9

2.3 电压矢量的控制作用 11

2.4 开关选择表模块 12

2.5 直接转矩控制系统结构 13

2.6 本章小结 15

第三章 新型“抗饱和”控制器设计 16

3.1 积分饱和现象的产生 16

3.2 经典抗饱和积分方法 18

3.2.1 条件积分法 18

3.2.2 反积分法 19

3.3 新型抗饱和控制器设计 20

3.3.1 控制器设计原理 20

3.3.2 系统稳定性分析 21

3.4 仿真结果分析 24

3.5 本章小结 27

第四章 总结与展望 28

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1 感应电机发展简介

电机从发明至今已经有接近两百年的历史，总体上可以将其发展过程分为直流电机的产生和发展、交流电机的产生和发展以及电机制造工艺的完善和理论的形成三个阶段。若按时代划分，又可以将电机发展历史分为电机的初步发展时期和电机的近代发展时期^[1]两个阶段。

电磁感应定律的发现

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