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摘 要

随着现代交流调速系统不断发展，人们对其性能要求也越来越高，矢量控制及直接转矩控制（DTC）作为主流的两种电机驱动方式，也随之不断地发展、进步。DTC区别于矢量控制之处在于其注重对转矩直接的控制效应，避免了许多繁琐的矢量旋转变换以及复杂的计算过程，结构较简单，转矩响应速度快，具有较高的动态性能，适合应用于一些大功率场合。与此同时，为了达到减少开关损耗与提高系统安全性的目的，实际应用中的一些大功率调速系统的开关频率普遍比较低，因此，国内外科研学者们对低开关频率下电机DTC的研究也就应运而生。本文正是在这个背景下，选用直接转矩控制为控制方式，以异步电机为研究对象进行低开关频率下驱动策略的研究。

首先，本文讨论了异步电机及三相电压源型逆变器的基本结构组成与数学模型，分析了异步电动机DTC系统的结构与基本原理，介绍了电压空间矢量的定义及其对电磁转矩和定子磁链造成的效应。接着，讨论了定子磁链估算的准确性对整个系统结构的重要性，在分析了传统定子磁链估算模型的基础上，引出了一种经过改进的估算模型，使得定子磁链的估算更加精确。然后，选用圆形磁链作为系统的驱动策略，进行整体系统模型的架构。

最后，在设计理论的支撑下，在Matlab/Simulink仿真软件的帮助下，成功搭建出了直接转矩控制整个系统结构的仿真模型，对低开关频率下异步电动机在高速与低速运行状态下的驱动效果进行定性比较分析。

关键词：异步电机 直接转矩控制 电压空间矢量 滞环调节器 低开关频率

Research on the motor-driven strategy at Low Switching Frequency

Abstract

With the development of AC drive system,people have more command on speed control system.As the two mainstream control modes,Direct Torque Control (DTC) and vector control are continually advancing with the times.Compared to Vector Control,Direct Torque Control eliminates a series of complicated transformation and calculation.Moreover,it concentrate on the direct torque control effect.Another way,the structure of DTC is relatively simple and torque can response quickly.It is especially suitable for some high power applications with its high dynamic performance.However,the switching frequency is relatively low in these high-power applications in order to ensure safe operation and reduce the switching losses,which prompting the study at low switching frequency of direct torque control strategy.The research chooses the DTC as the control method and the asynchronous motor as the research objects to perform the research of the driven strategy at low switching frequency.

First of all,the research introduces the basic principle of direct torque control and control structure of the control system by analyzing the model of asynchronous motor and three-phase voltage source inverter.Besides,we analyse the effect of voltage space vector on stator flux and electromagnetic torque.At the same time,an improved stator flux observer model is developed so that the stator flux estimation can be more accurate.Moreover,we use circle flux control strategy to achieve the structure of the system architecture.

Finally,we build simulation models in matlab/simulink successfully ,which conducts qualitative analysis of low switching frequency at high-speed and low-speed motor on the basis of theoretical design.

Keywords：low switching frequency,Direct Torque Control,voltage space vector,hysteresis controller,,asynchronous motor

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 本课题的研究背景 1

1.2直接转矩控制的特点及研究现状 1

1.2.1 离散空间电压调制型直接转矩控制(DSVM-DTC) 2

1.2.2 基于空间电压矢量调制的连续型直接转矩控制 3

1.3 本文研究的主要内容 4

1.4 本章小结 4

第二章 异步电动机直接转矩控制的基本原理 5

2.1 异步电动机的数学模型 5

2.2 逆变器的数学模型 5

2.3 直接转矩控制的结构 6

2.4 电压空间矢量 8

2.4.1 电压空间矢量的定义 8

2.4.2 电压空间矢量对定子磁链的影响 9

2.4.3 电压空间矢量对电磁转矩的影响 9

2.5 本章小结 11

第三章 低开关频率下定子磁链观测器的研究 12

3.1 传统定子磁链模型 12

3.1.1 u-i 模型 12

3.1.2 i-n 模型 13

3.1.3 u-n 模型 13

3.2 低开关频率对定子磁链观测的影响 14

3.3 改进的定子磁链观测模型 14

3.4 本章小结 16

第四章 低开关频率下驱动策略研究 17

4.1 滞环控制器与开关频率的关系 17

4.2 圆形磁链驱动策略 19

4.3 本章小结 22

第五章 Simulink仿真模型的建立与结果分析 23

5.1 定子磁链及转矩估算模块 23

5.2 滞环控制器模块 24

5.2.1 定子磁链滞环控制 24

5.2.2 转矩滞环控制 24

5.3磁链空间位置判断 25

5.4 逆变器信号输入模块 26

5.5低开关频率下的仿真 26

5.6 本章小结 31

结语 32

参考文献 33

致谢 34

第一章 绪论

1.1 本课题的研究背景

在相当长的一段时间内，直流电机调速系统在高性能驱动领域中发挥着重要作用^[1]，其磁场电流和电枢电流可以被分别独立地进行控制，另一方面，由于直流电机存在着换向的问题，故而其应用领域也由此受到了较大的制约。20世纪60年代以来，由于受到现代各种先进电子技术取得突破进展的影响，包括计算机技术、大规模电路集成技术、电力电子技术等，极大地促进了交流电动机调速技术的发展，并逐渐地在工程应用领域以其优异的调速性能取代了直流调速系统^[2]。

实际工程应用中，目前应用最为广泛的控制技术是矢量控制^[3]，矢量控制实现了电动机转矩和磁通的解耦控制，使得调速范围比较宽，交流调速系统的动态性能也能因此得到很大的提升，另一方面，矢量控制需要知道电机的很多参数，结构也比较复杂，故而还有很多研究工作需要做。20世纪80年代中期，德国教授M.Depenbrock提出了直接自控制理论，与此同时，日本科研工作者I.Takahashi提出的直接转矩控制理论也随后问世^[4]，这两种驱动理论相继地在高性能交流调速领域应用中获得成功，我们将它们统称为直接转矩控制（DTC），均是在进行转矩反馈的基础上，对电动机的转矩实施最直接的控制。

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