高速电主轴直接转矩控制仿真与分析毕业论文.docx

重庆大学本科学生毕业设计（论文）高速电主轴直接转矩控制仿真与分析学 生：学 号：指导教师： 专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二o一二年六月graduation design(thesis) of chongqing universitysimulink and analysis of high speed motorized spindle under dtc controlundergraduate: supervisor: prof. major: mechanical and electronic engineeringcollege of mechanical engineeringchongqing universityjune 2012重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要随着数控技术及切削刀具的迅速发展，越来越多的用于机械制造的装备在不断向高速、高精度、高效率、高自动化发展，电主轴凭借机械主轴所不能替代的优异特点，成为最能适宜现代高性能数控机床的核心部件之一，并广泛用在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，其质量、性能和技术水平在很大程度上决定了整机的质量、性能和水平。目前使用高频交流异步电动机来驱动高速电主轴是主流，其控制方式通常采用变频调速方法。其中，直接转矩控制是一种发展于矢量控制技术之后的新型的高性能交流调速技术，其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，这使其成为交流传动领域的一个热点技术。本文介绍了高速电主轴直接转矩控制的基本原理和控制系统的基本构成，并利用matlab/simulink软件，构建了高速电主轴直接转矩控制的仿真模型。利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机的的磁链和转矩，借助于双位模拟调节器产生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。通过设定并改变相应参数，得到仿真结果，并对结果进行分析。关键词：高速电主轴，异步电动机，直接转矩控制，磁链，matlab/sumilink仿真重庆大学本科学生毕业设计（论文） abstractabstractas the rapid development of cnc technology and cutting tools, the equipment manufacturing industry in the world develop towards the directions of high speed, high precision and high efficiency rapidly. the high speed motorized spindle has become one of core components which are the most suitable for high-performance cnc machine tools, especially in multi-axis polyhedron processing, parallel machine, compound machine tools and other advanced products. it could not be substituted by the mechanical motorized spindle unit because of its outstanding features. the quality, performance and level of the electric spindle may largely descide the quality, performance and level of the machine.high frequency induction motor is used in high speed motorized spindle predominantly, and the control method is frequency control. direct torque control a new type of high-performance ac variable speed technology which is developed following vector control technology. because of the novel control idea and the sample system structure, the high speed motorized spindle is more suitable for high-speed electric spindle driver. it meets the high-speed, wide speed range, high-speed instant quasi-stop dynamic characteristics and the requirements of the static characteristics and become a hot technology in the field of ac drive. in this paper, the basic principle and structure of dtc have been introduced. and use matlab/simulink build to build the dtc simulation system mode. calculating and control the ac motor flux and torque in the stator coordinate system direct by using space vector analysis method.the pwm signal produce by the double-bit analog regulator let he inverter switching state in optimal controlling lead to torques high dynamic performance. by setting the corresponding parameters, simulation results and the results were analyzed.keywords: high speed motorized spindle , asynchronous motor ，direct torque control， flux link，matlab/simulink simulation 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录摘 要abstract1 绪论11.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势11.1.1国内外高速电主轴的现状11.1.2 国内外高速电主轴的差距21.2直接转矩控制技术的发展和现状41.2.1直接转矩控制技术的现状及发展趋势41.2.2直接转矩控制技术的发展趋势41.3论文主要内容51.4本章小结52 直接转矩控制的基本原理62.1引言62.2异步电动机的数学模型62.2.1异步电动机理想数学模型62.2.2异步电动机空间矢量等效电路82.3逆变器的开头状态及电压空间矢量92.3.1逆变器的开关状态92.3.2电压空间矢量102.4异步电动机的磁链模型112.5空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用132.5.1空间电压矢量对定子磁链的作用132.5.2空间电压矢量对电磁转矩的作用142.6直接转矩控制系统的基本结构152.7本章小节163 直接转矩控制系统matlab/simulink仿真173.1 引言173.2matlab软件介绍173.2.1matlab简介173.2.2动态仿真工具simulink173.3建立直接转矩控制仿真模型183.4仿真的主要对数设置223.5本章小结224 仿真及结果分析234.1仿真结果234.2改变转速254.3改变负载274.4本章小结28总 结30致 谢31参考文献32重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1绪论1 绪论1.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势1.1.1国内外高速电主轴的现状我国电主轴研发生产起源于磨加工，特别是轴承的内表面磨加工，这是根据行业的生产需要而发展起来的的。早在20世纪50年代末，我国的轴承行业就开始生产电主轴，目前国内电主轴的生产主要以洛阳轴研科技公司最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有50年的历史。近年来，除了洛阳轴研科技股份有限公司（洛阳轴研所改制而成）、安阳莱必泰机械有限公司、无锡开源机床集团有限公司这三家传统的生产电主轴的企业以外，又涌现出一大批新兴企业，将电主轴行业推向新高度。一时间，生产电主轴的企业多达70多家，且大多数为民营企业，北京机床研究所在这个时候也开发出用日本 fanuc电机组装的20000转/分、24000转/分电主轴。与此同时，借助于德国rexroth的电机，不少单位纷纷组装出了转速高于10000转/分的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈通过中外企业合作的方式也研发出了转速高于10000转/分的电主轴。在行业规模不断壮大的情况下，汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司、大连机床厂等数家企业也相继进入了研发生产电主轴的行业。目前，随着常规磨用电主轴、雕铣机床用电主轴在国内技术不断成熟，产量来断提高，国内相关产品几乎占据了全部的市场需求。由于一般的电主轴技术门槛相对较低，国内企业技术实力雄厚，在电主轴性价比方面占有绝对优势，因此国外产品一般很少用到。由于大功率电主轴技术难度大，能进行生产的企业不多，目前尚处于样机阶段。在电主轴的数控机床的需求增加的趋势下，数控机床专用电主轴将替代磨用电主轴成占领电主轴市场。与国内不同的是，国外电主轴起源于内圆磨床，早在上世纪末，随着机械主轴发展过慢，越来越不能满足高性能数控机床、高速切削的发展和生产需要，电主轴技术凭借近年来取得的重大成就和良好的技术支持使其广泛应用于加工中心、数控机床等高端数控机床中。为了能满足机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，数控机床用电主轴的性能必须不断提高，这对高水平企业来说是发展的动力。目前国外著名的机床用电主轴制造商有：德国gmn和cytec、西门子、瑞士ibag和steptec、fishcher、美国setco、意大利omlet和gamfior、日本大隈等，其中gmn、ibag、omlet、setco、gammfier等企业代表了世界电主轴行业的最高水平。这些国外公司电主轴产品与国内的相比，有以下几明显个优势：转速高、功率大。轴承速度高、刚度高。不同轴承的运用场合不同，其中陶瓷轴承和液体动静压轴承主要应用在高速精密主轴上，空气润滑轴承和磁悬浮轴承主要用于特殊场合。加工与装配精度高，工艺高超。相关控制系统性能好。这些控制系统包括转子平衡系统、定转子冷却温度精密控制系统、轴承油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。国外诸多企业在这个基础上，研发出了多种高技术水平的高速机床。如世界著名的精密机床制造商之一的瑞士米克朗公司，它生产的机床配备所有的电主轴均使用恒温冷却水套来对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。这种转矩最高可达60000r/min的高速电主轴，采用矢量控制技术，在低转速时可输出大扭矩因此可以满足不同的切削要求。由于高速切削1和实际应用的需要，数控机床电主轴在轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具2及其接口技术等相关技术快速发展趋势下，高速化成为主流。在这个技术潮流下，瑞士ibag的钻、铣用电主轴hf42的转速最高可达140000r/min，英国westwind公司的pcb钻孔机电主轴d1733更是达到了250000r/min；瑞士fischer的加工中心志用电主轴最高转速达到42000r/min，意大利camfior达到了75000r/min。轴承及润滑技术的不断发展，使电主轴的系统刚度越来越大，这大大提高了高速电主轴的性能，使其更好的推动数控机床向高速、高效率和高精度的方向发展。大多数控机床在实际使用时需要同时满足在低速时粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，要成为机床电主轴，就必须低速大转矩、高速大功率的性能。目前，世界高端的加工中心用电主轴无论是在高速段还是低速段，达到了一定的高度，意大利camfior、瑞士steptec、德国gmn等制造商的研发的产品，在低速段输出转矩能轻松达到200nm以上，德国cytec生产的数控铣床和车床用电主轴，最大扭矩更是达到了630n.m的高度；在高速段大功率方面， cytec电主轴的最大输出功率为50kw；瑞士steptec用于制造航空器和加工模具的电主轴的最大功率更是达到65kw(s1)；此外，还有报道称目前还处在研发阶段的电主轴功率可达到80kw。1.1.2 国内外高速电主轴的差距国内电主企业国外相比在产品研发的能力、投入和技术的创新能力上相对落后，唯一具有的是相对成本优势，这并不乐观。国外数控机床主轴公司分工很细很明确，研发主要包括电主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，而像主轴轴承、驱动电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等关键零部件统一从别的企业采购，这样使自身的研究方向更细致，加快了研发速度。细致的分工与不断的投入，使电主轴这个产业具有组织性和互补性，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性合作的循环，并不提高和展本专业的关键技术，一环带动一环，从而带动了国外电主轴行业的整体技术水平不断提高。然而，国内电主轴行业由于竞争意识太强，技术资源比较分散。大多数企业目光短浅，基本上是在模仿国内外的电主轴产品进行生产，这种短期效益带来的后果是企业技术实力落后，严重缺乏创新能力，使行业畸形发展。虽然作为原来国家轴承行业的技术领先的洛阳轴研科技，自身具备一定的研发实力，但缺乏过硬的产品和关键技术。在电主轴轴承的润滑方式、零部件材料、加工工艺路线、内装式驱动电机、拉刀接口等方面，特别在如伺服驱动控制器、编码器、动力缸、智能传感器等电主轴的附件领域，国外产品占主导地位。正是这几个方面制约了国内高性能数控机床的发展。国内外电主轴产品的差距无论是附件、性能、关键技术还是质量上都是比较明显的，主要存在以下差距: (1)在电主轴低速段最大输出转矩，国外电主轴在可以达到200nm以上，德国的cytec更是达到600nm，而国内目前普遍在100nm以内。(2)在最高输出转速上，国外用于加工中心的电主轴的转速已经达到75000rmin，而我国最高只到20000r/min。对于其它电主轴，英国westwind公司d1733的转速已经达到了250000r/min，而国内电主轴的最高只能达到150000r/min。(3)电主轴常用润滑方式上，在国外高速电主轴行业，油气润滑技术已经普遍应用，而国内主要以油脂润滑和油雾润滑为主。(4)在电主轴发展方向，国外在常规电主轴不断完善的基础上，开始向多功能、高性能的新型数控机床用电主轴转移，而国内主要以常规产品为主。(5)在电主轴的支承技术上，国外成功研究出了采用动、静压液(气)浮轴承和磁浮轴承的电主轴，国内大多处于研发或小批量生产阶段。(6)在关键技术方面，国外电主轴驱动电机的交流伺服技术、闭环矢量控制技术、c轴传动技术、停机角向准确定位(准停)技术、快速启动与停止技术、hsk刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等是趋成熟，国内的相关技术还不够成熟，距离实际应用还要相应的改善。(7)在产品的种类和规模方面，国内高性能数控机床专用电主轴的研究处于起步阶段，相应的技术投入比较少，还是以生产磨床专用电主轴为主，想达到专业化、规模化的生产还需要更多努力，与国外已经形成一定规模电主轴行业相比，需要更多的投入来满足国内市场，并与国外产品相竞争。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的，这是他们最具有优势的地方。1.2直接转矩控制技术的发展和现状1.2.1直接转矩控制技术的现状及发展趋势1895年，德国的m.depenbrock提出直接转矩控制3的理论，就是在实现对磁链的控制的同时，也实现对直接转矩的控制。直接转矩控制这种新型技术一出现，就凭借新颖的控制思想，简洁的系统结构及优良的静态性能受到业界广泛的关注而快速的发展。根据m.depenbrock所提出的直接转矩控制理论系统，这是一个六边形的控制系统。其磁链轨迹在六边上分别有相应六个非零电压矢量与其对应，组合起来正好可以按正六边形4的方式运动。根据这个特点，将六个工作状态通过转换可直接由六个非零电压矢量来实现六边形磁链轨迹以及磁环控制，从而实现直接转矩控制。1986年，日本东芝的takahashi教授在六边形方案的基础上，提出了对磁链轨迹圆形5控制方案，实现了让磁链轨迹基本沿着近似圆形的轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过考虑某一时刻磁链所在位置，综合计算得到的该时刻的磁链幅值与给定值比较结果来选择电压矢量以及持续时间，从而实现直接转矩控制。t.g.haberler提出了一种预前控制，即固定开关周期条件下，根据当前状态下电机的磁链误差、转矩和反电势，通过计算和比较选择出可以满足下一状态的空间电压矢量，从而实现对恒逆变开关频率控制。最近研究出一种更新型的直接转矩控制系统，为了解决超大功率传动的问题，其逆变器采用软件开关式，这使得开关频率可以达到几千hz。系统整体上采用谐振式逆变器构成，摒弃了滞环并使用纯band-band的控制方式，使控制系统更容易实现。有学者提出利用感应电动机定子磁链定向的解耦模型，首先通过求出的d、q轴的定子电流得到d、q轴定子电压指令，经转换后可得出静止坐标下对应的定子电压矢量，即利用定子磁通定向的新型控制方案。近几年来，国外常常用具有高速运算功能的数字信号处理器（dsp）来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，以弥补单片机运算速度慢的缺点，这是随着dsp技术的发展而出现的。1.2.2直接转矩控制技术的发展趋势直接转矩因为系统简单和性能优良被广泛运用，但是在理论和应用实践方面还存在许多需要进一步研究和解决的技术问题。 (1)控制系统的的性能摆脱了电机参数的影响，但受定子电阻影响还是很大，因此需要考虑在不同频率时的变化。在超低频时，定子电阻上的电压降较大，对系统影响比较明显，因此在超低速时，需要解决定子电阻的正确辨识和偏差补偿的问题，这是直接转矩控制系统需要研究的。(2)直接转矩控制是一种无需速度直接反馈的控制技术，由于算法的不同，其基本控制系统只需要两个电流传感器，可靠性高，但是速度辨认方法还不明确，系统模型也需进一步研究改良。这使无速度传感器研究逐渐兴起，并成为当前交流传动中的热门话题。(3)直接转矩控制系统形成pwm脉冲的目的是产生圆形气隙磁场。通过控制主回路中电压型逆变器，对开关切换时间作出正确选择，可以获得近似圆形的磁场，从而降低电机的谐波损耗、温度、转矩脉动和噪音。直接转矩控制的关键在于根据电机转速和开关频率选择合适的开关状态，这需要很高的要求。所以如何选择最佳开关控制策略还需要进一步的研究。(4)直接转矩控制系统最显著的特点在于系统结构简单，控制思路简单，性能稳定，便于数字化。因此实现数字化的直接转矩控制的交流调速系统具有很大的经济价值和跨时代的意义。然而高速dsp价格昂贵，普通单片机运行较慢，这对数字化来说是个急需解决的问题。1.3论文主要内容本文主要介绍了高速电主轴直接转矩控制系统的基本结构和基本原理，并用matlab/sumilink软件根据高速电主轴内置的异步电动机的数学模型建立仿真模型，从而进一步组建异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。在这基础上，改变控制系统中直接影响异步电动机性能的参数，得到仿真结果，对其进行分析，验证高速电主轴直接转矩控制的有效性和可行性。1.4本章小结 本章详细介绍了高速电主轴的国内外研究现状及差距，并分析了直接转矩控制技术的现状和发展趋势，最后给出了论文的研究目的和主要研究内容。44重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2直接转矩控制系统的基本原理2 直接转矩控制的基本原理2.1引言直接转矩控制(dtc)变频调速系统6是近十几年来继矢量变频调速技术后发展起来的一种新型高性能的控制方式。运用空间矢量的分析法，采用定子磁场定向，之后在定向的坐标系中计算与控制交流电机的转矩，通过离散的两点式调节（bang-bang控制）产生pwm信号直接控制逆变器的开关状态，从而获得转矩的高动态性能。这种控制系统结构简单，控制方式直接，控制过程中省掉了复杂的矢量变换运算，并且将电动机数学模型的简化处理，使信号处理的物理概念明确，因此是一种具有高动态响应的新型交流调速技术。2.2异步电动机的数学模型2.2.1异步电动机理想数学模型 交流异步电机7的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型8。为了能够根据异步电动机的数学模型建立理想的电机模型，必须对电动机结构参数进行理想化设定：（1）电动机气隙均匀；（2）磁路线性；（3）电机有效导体沿气隙空间呈正弦状态分布，定子、转子三相绕组对称（4）磁场正弦分布，磁场谐波忽略不计。1.电压方程 (2-1)上式中：、依次为定子和转子相电压 、依次为定子和转子相电流； 、依次为定子和转子绕组的磁链； -微分算子。2.磁链方程： (2-2)上式中：、依次为为各相定子、转子自感，其他元素依次为定子、转子或定、转子间的互感。3转矩方程由能量守恒定理，在多绕组电机中，其磁场储能方程为: （2-3）上式中: 由能量守恒定理，异步电机在运行时，其电磁力矩的大小相当于在电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数，即：上式中：电机磁极对数 电角位移，= （2-4）上式中；定转子间的互感。交流电机的数学模型是一组非线性的微分方程式，这是由于转子的旋转使定、转子绕组间的互感为定、转子相对位置的函数。所以需要对变量进行2/3坐标变换，这是为了解除定、转子之间非线性的耦合关系需要。即在建立参考坐标系内的异步电机数学模型，三相静止绕组a、b、c变换为两相静止绕组，从而将三相静止坐标系变换成两相静止坐标系。2.2.2异步电动机空间矢量等效电路将控制系统中异步电动机的空间矢量电路进行等效变换后，得到等效电路，即： 图2.1异步电动机空间矢量等效电路该等效电路是将异步电动机分解到正交定子坐标系（-坐标系）下，各元素的意义如下：定子电压空间矢量； 定子电流空间矢量； 转子电流空间矢量； 定子磁链空间矢量； 转子磁链空间矢量； 电角速度（机械角速度与极对数的积）。并且规定，将旋转空间矢量分解的到参考坐标系中，其中在轴上的投影称为分量，在的轴上的投影称为分量。 根据上述规定，在定子坐标系下，可推导出异步电动机的方程: （2-5） （2-6） 根据上述方程，可推导出定子磁链、转子磁链方程式： （2-7） （2-8） （2-9）2.3逆变器的开头状态及电压空间矢量2.3.1逆变器的开关状态逆变器（见图2-2）由三组、六个开关（、）组成。根据与、与、与之间接通一个就会断开一个逻辑特点，三组开关可以组成23=8种可以实现开关方式。图2-2逆变器等效电路为了更好的讨论开关状态，作如下规定：a、b、c三相负载的其中一相与“+”极接通时，则该相开关状态记为“1”；与“-”级接通时，开关状态记为“0”。根据这个规则可得到8种开关状态，见表 2-1。表2-1 逆变器的8种开关状态状态01234567 sa 0 0 0 0 1 1 1 1 sb 0 1 1 0 0 0 1 1 sc 0 0 1 1 1 0 0 1在外部负载作用下，这8种开关状态中逆变器可输出7种不同的电压状态。而这7种不同的电压状态又有两种情况：一种是相当于开关状态“1”至“6”，分别被称为逆变器的电压状态“1”至“6”的6种工作电压状态；另一种是相当于零开关状态“7”和“8” 的零电压状态，对外部电路来说，由于其输出的电压都为零，因此把这两种状态统称为逆变器的零电压状态（见表2-2）。表2-2逆变器的电压状态与开关状态对照表状态工作状态零状态12345678开关状态sabc011001101100110010000111电压状态（011）（001）（101）（100）（110）（010）（000）（111）us1us2us3us4us5us6us712345672.3.2电压空间矢量由于对异步电动机进行分析和控制时，为了使这过程更方便，引入park矢量变换9来对三相进行分析和控制。park矢量变换的作用是把三个标量（三维）转换成为一个矢量（二维）。三相定子绕组相三相电压、进行park矢量变换后，得到合成量。 （2-10）其中，、分别是三相定子负载绕组的相电压。代表着三相电磁量的电压空间矢量。逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向并且呈周期性地顺序出现电压空间矢量，两两相差600，因此六个电压空间矢量正好构成了了一个正六边形。其空间电压矢量状态为,对应的开关状态是011-001-101-100-110-010其中零电压矢量位于正六边形中心。空间电压矢量状态图如下图示。 图2-5电压空间矢量与磁链空间矢量的关系2.4异步电动机的磁链模型在直接转矩控制中，定子磁链的实际值通常是根据定子电压、电流和转速的检测值以及电动机参数通过估计求得。常用的磁链估计方法有：电压-电流模型法，电流-速度法，电压-转速法。1.电压-电流模型法一般在高速段，采用电压-电流模型法。对于定子磁链矢量，根据定子电压矢量方程，有： （2-11） 通过该公式确定异步电动机的定子磁链，根据异步电动机的参数来确定定子电阻，如果检测出的定子电压与定子电流足够精确，那么通过这个方法估计磁链就会很方便。通过此方法估计定子磁链，其误差同定子电阻引起的。在上30%额定转速以上范围内，采用电压-电流模型法，结构简单，精度高，优于其他的方法。在定子频率接近零时，此方法不适用，理由是作用在定子电压和定子电阻间的差值消失，导致只有误差被积分。以下为电压-电流模型法的原理图。图2-4电压-电流模型法原理图2.电流-速度模型法在低速段，可利用电流-速度模型法来估计定子磁链。在此模型中定子磁链由定子电流与转速来确定。定子磁链方程如下所示： (2-12) (2-13) (2-14) (2-15)其中：、为转子磁链在坐标系上的分量； 、为定子磁链在坐标系上的分量。由上式可知，电流-速度模型法估计定子磁链中没有出现定子电阻，因此不受定子电阻的影响。但是此方法要利用转子时间常数及定、转子电感值，还要精确测量转子电角速度。这些参数的准确性以及测量方法的精确性对估计结果都有很大的影响。另外，这些电动机参数也随温度和磁路饱和程度的变化而变化。3.电压-速度模型法一般来说，在高速段可采用电压-电流模型法，因为电压-电流模型法，结构简单，精度高，且只受定子电阻的影响。而在低速段，采用电流-速度模型法，因为此时电压-电流模型法已经不能正常工作，尽管电流-速度模型法有一定的误差，但可以正常工作，并且可以采取措施，减小误差。但是，要实现两个模型间的快速平滑切换是困难的。为解决这一难题，可将两种模型综合到一起，这就是电压-速度模型法。该模型由定子电压和转速来获得定子磁链，并且使用电流pi调节器，精度大大提高。由于他结合了前两种模型法的优点，自然而然的解决了高低速切换的问题。但由于这种模型实现起来比较复杂，应用没有那么普及。2.5空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用2.5.1空间电压矢量对定子磁链的作用当把逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定子两端，此时定子电压与逆变器电压相等也为，得定子磁链与定子电压关系式为： （2-14）忽略定子电阻电压降落的影响，定子磁链可近似为： （2-15）该公式表明定子磁链空间矢量与电压空间矢量之间的关系。如下图图2-5电压空间矢量与磁链空间矢量的关系根据图2-5可得出：（1）忽略定子电阻时，可看出定子磁链顶点的运动轨迹方向平行于电压空间矢量指向的方向。（2）当定子电压空间矢量给定时，定子磁链运动的轨迹正好围成一个正六边形。因此要实现的直接转矩控制系统，基本思路通过逆变器的六个工作电压状态得到六边形的磁链轨迹，从而对异步电动机进行控制。其中，电压空间矢量对定子磁链的控制可通过以下方式实现：（1）在正常电压空间矢量作用期间，有规律的插入零矢量对电动机进行控制，当有效的电压空间矢量作用时，定子磁链运动轨迹沿着电压空间矢量作用方向运动。在零矢量插入后，定子磁链静止，这使得旋转速度下降，在插入零电压矢量的期间后仍保持这期间作用时间不变，定子磁链幅值不变，通过这种有规律的插入零矢量对电动机进行控制的方法，可以实现恒磁通调速，即恒转矩调速。（2）通过改变电压空间矢量的作用时间，即可改变定子磁链的旋转速度。由于电压空间矢量幅值是不变的，改变了作用时间，就相当于改变了定子磁链所围成的面积，作用时间变短，面积变小，定子磁链幅值也随之变小。通过改变电压空间矢量的作用时间对异步电动机进行控制的方法，可以实现了恒功率调速。2.5.2空间电压矢量对电磁转矩的作用异步电动机转矩的大小由定、转子磁链的幅值以及磁通角决定的。因此在实际运用时，保持磁链幅值不变，以便充分利用铁芯，而转子磁链的幅值是决定于负载，因此在直接转矩控制系统中，改变磁通角的大小可以使电动机的输出转矩发生变化，其控制方法为通过控制电压空间矢量来对定子磁链的转速进行控制，从而使定子磁链的平均转速改变，进而改变了磁通角的大小，从而电机转矩的直接控制。图2-6电压空间矢量对电动机转矩的影响根据上图，可得出直接转矩控制的方法有：（1）增大转矩：插入正向有效电压空间矢量，当电压幅值增大到一定程度，可使定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，从而增大磁通角，使对应的转矩增大。（2）减小转矩：插入零电压空间矢量，定子磁链会停止不动，定子磁链旋转速度下降，进而小于转子旋转速度，从而减小磁通角，使对应的转矩减小。（3）迅速减小转矩：插入有效的反向电压空间矢量，定子磁链会进行反向旋转，磁通角迅速减小，使得转矩也迅速减小。 通过控制工作状态的电压空间矢量和零状态电压空间矢量的交替出现的，从而改变定子磁链旋转速度的大小，通过这样的瞬态调节可以获得高动态性能的转矩特性。2.6直接转矩控制系统的基本结构 总的来说，直接转矩控制就是通过对定子电压空间矢量的控制达到以下目的：维持定子磁链幅值的恒定和控制定子磁链旋转速度的大小。直接转矩控制系统主要组成有以下部分：（1）磁链自控制：通过选择正确的区段，使定子磁链成六边形的方式运动（2）转矩调节：主要实现对转矩的调节（3）磁链调节：对磁链幅值的调节和控制（4）开关信号选择：综合来自磁链自控制、转矩调和磁链调的控制信号，形成相应的电压开关切换信号，来正确地选择电压空间矢量。（5）开关频率调节：对逆变器的开关频率进行控制，改变转矩容差（6）异步电动机的数学模型：异步电动机的数学模型的分为磁链模型和转矩模型。可实现方案有多种，也可设定不同的输入量。（7）转速调节：主要实现对转速的调节。转矩给定值可由转速调节器的输出得到，也可单独给定得到。图2-7直接转矩控制系统原理图图中各个元件名称为： amm-异步电动机的数学模型 utc-坐标变换器dmc-磁链自控制单元azs-零状态选单元ut-逆变器amc-转矩计量单元atr-转矩调节单元由直接转矩控制系统原理图可以看出其基本原理为：被测量的三个信号经由amm处理后得到定子磁链，并在-坐标系中分解，之后再经过utc，得到定子磁链的三个分量信号，再由dmc处理后得到磁链的开关信号，经amc计算得到转矩值。至于是否要插入零状态，确定电压开关状态，控制逆变器的输出电压，使其得产生六边形磁链，这取决于转矩调节器atr的输出量来决定。2.7本章小节直接转矩控制技术是近十几年来继矢量变频调速技术后发展起来的一种新型高性能的控制方式。本章介绍了直接转矩控制系统的基本组成部分，并推导异步电动机的数学模型，分析组成部分的基本原理。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3直接转矩控制系统的matlab/simulink仿真3 直接转矩控制系统matlab/simulink仿真3.1 引言控制系统的计算机仿真是一门综合了控制理论、数学建模和计算机技术的新型学科。它是借助计算机软件，在控制系统11的数学模型的基础上，对系统进行仿真研究的一种方法。系统仿真就是利用计算机提供的各种方便、灵活可靠的模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。因此，可以用计算机仿真来代替需要用模型进行实验的，再根据被仿真系统的工作特点，选择最佳参数和设计最合理的系统方案。随着计算机技术的不断发展，越来越多的纯物理仿真被计算机仿真取代，这为控制系统的分析、研究和综合设计提供了快速、经济、和科学有效的技术支持。目前，对控制系统仿真主要软件是matlab。3.2matlab软件介绍3.2.1matlab简介matlab是矩阵实验室12（matrix laboratory）的简称，是美国mathworks公司开发的一款用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境的商业数学软件，主要包括matlab和simulink两大部分。现在matlab软件不但广泛的应用于控制领域，也应用与其他的工程领域和非工程领域。在控制界，很多著名的专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多的工具箱已成为该领域的标准。3.2.2动态仿真工具simulink simulink13是matlab的一个应用工具箱，它用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、混合系统和具有多种采用速率的系统仿真。simulink由于采用可视化组态技术建模，具有简洁直观、方便的优点。simulink包含liner等一系列具有各种各样功能的子模型库，用户也可以根据自己的需要建立相应的功能模块。利用simulink创建的模型时，用户可以自上而下或自下而上的建立模型。由于建立的模型具有递阶的结构，用户可以深入的建立模型的组织结构和并且很容易看出各部分是如何相互作用的。在仿真模型完成后，借助于matlab强大的可视化输出功能模块，用户可以通过simulink菜单或matlab的命令来对它进行仿真和分析。下面就具体介绍高速电主轴直接转矩控制系统的matlab/simulik仿真系统。3.3建立直接转矩控制仿真模型 本章将对直接转矩控制的主要环节进行仿真。 图3-1直接转矩控制仿真模型根据上一节的内容，遵循直接转矩控制系统中各主要组成部分的原理，在simulink软件下依次建立转速调节器（asr）、转矩调节器（atr）、转速给定模块（n*）磁链给定模块（flux*）、磁链观测器（observation）、电压矢量选择模块（selector）、电压3/2转换（u_3s/2s）、电流3/2转换（i_3s/2s）这几个模块。之后直接从sumilink的模块库中找出直流电源（dc）、逆变器（universal bridge）、三相测量模块three-phase v-i measurement及高速电主轴组成主电路，两根据图2-7，将各模块按一定原则连接起来，这就组成了一个直接转矩控制系统。为了得到仿真结果并进行分析，再找出分别用于观测电机输出转矩、转速、三相电流的示波器，为了追踪并观测磁链，引入xy graph模块，恰当连好线，得到直接转矩控制的仿真模型，如图3-1所示。下面介绍直接转矩控制系统的主要仿真环节：1.转矩滞环调节器转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。为了实现这一效果，转矩调节器必须有以下两个功能：一是用转矩两点式调节器直接调节转矩；二是在调节转矩的同时，能够控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。转矩调节器采用施密特触发器，输入信号为转矩给定值与转矩反馈值的信号差。调节器输出量为转矩开关信号。容差为，调节器采用离散的亮点式调节方式。图3-2转矩滞环调节器当下降到调节器容差下限，调节器输出信号状态为”1”。在作用下，得到相应的电压空间矢量，使得定子磁链前转，转矩上升。当上升到容量上限时，变为“0”态，在作用下，零电压加到电动机上，定子磁链静止，转矩减小，下降到调节器容差下限，重复运行。反复这样运行，实现了调节器两点式调节，把转矩波动限制在给定值的容差范围内，达到转矩的直接控制。根据上述理论，建立转矩滞环调节器模块。如图3-3所示。图3-3转矩滞环调节器2.磁链滞环调节器磁链调节过程是通过调节定子电压空间矢量来完成，主要目的在于区别转矩电压和增大定子磁链幅值。对电压空间矢量的选择主要有两种：一种是与磁链运动轨迹成-600角的电压空间矢量；另一种是成-1200角的电压空间矢量。磁链调节器是一个对磁链幅值进行两点式调节施密特触发器。引入容差宽度，它是定子磁链幅值与给定幅值之间允许的波动范围，磁链调节器输入量为给定磁链幅值与反馈磁链幅值之差，输出两为磁链量开关信号图3-4磁链滞环调节器磁链调节的主要任务调节磁链大小。当电动机运行地低速段时，受定子电阻压降的影响，定子磁链幅值减小。当电动机运行在低频段时，定子磁链幅值也减小。由于定子磁链的减小会降低系统的稳定性，必须引入用于加大定子磁链幅值的磁链滞环调节器，这样可以使磁链幅值在允许范围内波动。图3-5磁链滞环调节器3 .磁链观测器磁链观测器的作用是根据经三相转换后的电流及电压来计算磁链大小和转矩，其结构如图3-6。图3-6磁