论文总字数：17449字

摘 要

异步电机具有多变量、强耦合与非线性等特点，如何对其电磁转矩进行高效的控制曾一度是学术与工程上的难点^[1]。直接转矩控制技术是继矢量控制技术后有一个新发展出来的拥有高性能的交流电机变频调速技术^[2]。直接转矩控制技术采用了空间矢量控制法，将电机电磁转矩作为控制对象，通过αβ变换，直接在定子的αβ坐标系下对定子磁链与电磁转矩进行观测，然后使用滞环控制器输出信号来选择定子电压空间矢量，从而能控制定子磁链与电磁转矩。异步电机直接转矩控制系统具有控制结构简单，响应快，对电机参数依赖少等优点^[2]。

本文对异步电动机的数学模型以及物理模型进行分析，对3/2变换进行介绍，再进一步分析异步电机直接转矩控制系统的基本原理和系统结构。给出异步电机直接转矩控制系统的设计流程图，并依据流程图详细介绍异步电机直接转矩控制系统在MATLAB/SIMULINK中的模型搭建，并进行仿真，对仿真所得到的结果进行分析，以此验证异步电机直接转矩控制方法的精确性及可行性。在本文第五章，将针对原仿真模型在低转速运行时的不足提出改进方法。

关键词：定子磁链估测 异步电机交流调速 磁链观测模型 直接转矩控制

Design and Simulation of Direct Torque Control System for Induction Motor

Abstract

Asynchronous motor has the characteristics of multivariable, strongly coupled and nonlinear, how to control the electromagnetic torque efficiently was once a difficulty in academic and engineering.Direct torque control technology is a high performance variable frequency speed control technology for ac motor,which developed after the vector control technology.Direct torque control technology using the space vector control method, the electromagnetic torque motor as control object.Estimating stator flux and electromagnetic torque directly in the stator's alpha beta coordinates by alpha beta transformation. Hysteresis controller output signal is then used to select the stator voltage space vector for the control of the stator flux and electromagnetic torque.Induction motor direct torque control system has many advantages such as simple structure, fast response and less dependence on motor parameters.
Firstly,this paper analyses the mathematical model and physical model of asynchronous motor, the 3/2 transformation and the basic principle and system structure of asynchronous motor .Secondly, this paper would introduce the flow chart of the asynchronous motor direct torque control system.According to the flow chart ,the detail of the model,which built in MATLAB/SIMULINK,would be introduced in this paper. After that,this paper analyses the simulation results to validate the accuracy of the induction motor direct torque control method and feasibility.In the fifth chapter, this paper will focus on the original simulation model’s deficiency in low speed running mode,then modify the origional modle.

Key Words: Estimation of Stator’s Flux; Speed Control of AC Motor; Flux observer model; DTC control

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1课题研究背景 1

1.2 直接转矩控制理论的发展历程 1

1.3 直接转矩控制的优缺点及研究方向 2

1.3.1直接转矩控制系统的优缺点 2

1.3.2直接转矩控制系统的研究方向 2

1.4 DTC技术展望 3

1.5本文工作及章节安排 4

1.6 本章小结 4

第二章 异步电机直接转矩控制原理 5

2.1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换 5

2.2 异步电动机在αβ坐标系上的数学模型 7

2.2.1 定转子绕组的3/2变换 7

2.2.2 静止两相正交坐标系中的矩阵方程 8

2.3 直接转矩控制原理 10

2.3.1电压型逆变器数学模型 10

2.3.2 异步电机DTC原理 11

2.4 本章小结 12

第三章 DTC系统在Matlab/Simulink软件环境下的仿真 13

3.1 异步电机DTC系统仿真整体图 13

3.1.1异步电机直接转矩控制原理图 13

3.1.2异步电机直接转矩控制仿真图 14

3.2 仿真结果与分析 19

3.3 本章小结 26

第四章 基于U-N模型的定子磁链观测器 27

4.1 U-N模型的数学表达式 27

4.2改进后仿真所得结果及分析 28

4.3 本章小结 32

第五章 总结与展望 34

参考文献 35

致谢 36

第一章 绪 论

1.1课题研究背景

随着近年来我国的工业自动化水平的迅速发展，电动机作为动能与电能的能量转换的重要设备，有着越加广泛的应用。长期以来，在高性能调速领域得到广泛应用的是直流电机，但直流电机有换向的问题，从而限制了直流电机的应用范围。异步电机的交流调速技术自20世纪30年代开始发展，但应受到当时的技术等原因的限制，发展十分缓慢。交流调速技术研究的重大变革是以电力电子器件发展为先导的。电力半导体器件在美国1956年生产硅整流管以及1985年生产晶闸管后，慢慢发展起来。经历过20世纪60、70年代的快速发展阶段，交流传动系统也以此为基础飞速的发展起来。在交流调速的各种方法中，发展最快的是变频调速，现在，交流调速系统逐渐取代直流调速系统的时代已经向我们走来了。最具有代表性的交流电机控制策略如下：转速开环恒压频比控制、矢量控制、自适应控制、转差频率控制及直接转矩控制等^[1]。

1.2 直接转矩控制理论的发展历程

直接转矩控制理论第一次被提出，是在20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授提出了直接转矩控制（DTC）的理论^[1]，并且取得了令人满意的控制效果。直接转矩控制于1987年被推广到了弱磁调速的范围内。与矢量控制技术的不同在于，DTC技术不需要将交流电机和直流电机进行比较、等效以及转化，也不用将异步电机的数学模型进行解耦简化。DTC技术是在定子的静止两相坐标系当中，对异步电机的数学模型进行分析，强调对异步电机的电磁转矩进行直接的控制，因此被称为直接转矩控制技术。与矢量控制需要观测转子磁链不同，DTC只需对定子磁链进行估测，从而使控制系统对电机参数的依赖性得到降低。DTC系统通过检测定子电压与电流，通过它们对异步电机的定子磁链与转矩进行估测，再通过磁链控制系统以及转矩控制系统来实现直接控制电磁转矩的目的。

自从直接转矩控制技术诞生，其独特并新颖的控制思想，简洁明了的系统结构以及良好的动态性能与静态性能是得DTC技术受到了各界的广泛关注^[1]。世界各国的学者都为其发展做出了贡献，提出了各种各样的控制方案。日本学者I.Takahashi教授提出了近圆形磁链控制的控制方案^[1]。采用了近圆形磁链的控制方案的侧重点在于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，近圆形磁链控制的电机损耗、转矩脉动以及噪声都比较小。德国是DTC技术的发源地，德国研究者通常会采用六边形磁链的控制方案。六边形磁链的控制方案转矩脉动与噪声都较大，和气隙磁场为圆形的理想情况有着较大的差距。但如果从另外一个方面来看，将六边形磁链控制方案与近似圆形磁链控制方案相比较可以发现，采用六边形磁链控制方案能够减小功率原件的开关频率，因此六边形磁链控制方案较为适合使用于大功率电机的领域，而近似圆形磁链控制方案与之相反，更加适合使用于中小功率的对性能要求高的电机。美国对于与直接转矩控制技术进行研究的主要有T.G.Habetler等人，其研究目的是将直接转矩控制技术应用于电动汽车的牵引之中，因此其研究重点主要放在在全速度范围内对转矩进行有效的控制，他们提出了差拍预测控制法，该控制方法使得“bang-bang”控制开关频率可变的问题得到了解决^[1]。

1.3 直接转矩控制的优缺点及研究方向

1.3.1直接转矩控制系统的优缺点

直接转矩控制系统的优点：

1. 在直接转矩控制中，对转矩与定子磁链的控制采用了双位式控制器，在逆变器中直接使用这两个控制信号来产生输出电压，使得控制器的结构得以简化。
2. 直接转矩控制选择定子磁链作为被控量，在磁链计算中涉及的电机参数只有定子绕组的电阻，所以计算模块不受转子参数的变化的影响，因而能够提高系统的鲁棒性。
3. 采用直接转矩控制的系统，有着快速的转矩响应，但要注意限制冲击电流的大小，以避免过大的冲击电流对开关器件等造成损坏，因此，在实际应用中的转矩响应范围是有限的。

直接转矩控制系统的缺点：

1. 直接转矩控制系统采用的是双位式控制器，因此在实际的应用中，电机转矩会在上下限中脉动。
2. 在磁链估测模块中采用带有积分环节的电压模型，因此积分的初始值、积分过程中产生的误差以及定子电阻的变化等因素都会对磁链的估测造成影响，从而影响磁链估测的准确度。

1.3.2直接转矩控制系统的研究方向

伴随着现代科学技术的飞速进步,DTC系统得到了进一步发展。现在，学者们主要以智能控制理论与现代控制理论作为主要理论依据，从而进一步改善以及优化现有的DTC技术。DTC的研究方向主要有以下几个：

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