硕士学位论文感应电机直接转矩控制转矩脉动抑制技术研究

1、感应电机直接转矩控制系统的转矩脉动抑制技术研究 分类号 密级 u d c 编号 学 位 论 文感应电机直接转矩控制系统的转矩脉动抑制技术研究 指导教师姓名 申请学位级别工学硕士 学科、专业检测技术与自动化装置 论文提交日期2012年5月2012 年 月research on torque ripples suppression techniques of direct torque controlled induction motor driving systemdissertation submitted tonanjing university of technologyin partia

2、l fulfillment of the requirementsfor the degree ofmaster of engineeringbysupervisor:may 2012摘 要直接转矩控制（direct torque control，dtc）是在矢量控制之后提出的一种高性能的交流电机控制方法，具有系统结构简单、转矩的动态响应快和鲁棒性好等优点。传统的直接转矩控制存在较大的转矩脉动，这在很大程度影响了直接转矩控制系统的推广应用。本文在深入分析直接转矩控制基本原理的基础上，通过对转矩脉动的产生机制的研究，指出了影响转矩脉动的主要因素，包括转矩滞环宽度，采样周期，电压矢量等。通过理论分

3、析和仿真对比，得出了一定工况条件下产生转矩脉动的主要原因。为减小直接转矩控制系统的转矩脉动，分别采用转矩预测控制技术、离散空间矢量调制(dsvm)技术和基于pi调节器的空间矢量调制(svm)技术来减小系统的转矩脉动。其中转矩预测控制根据转矩的动态误差计算出一个采样周期内的非零电压矢量作用时间，周期剩余时间作用零电压矢量，从而完成周期控制；dsvm-dtc在传统dtc基础上对电压矢量大小进行细分，采用5级转矩滞环比较器，并制定了不同转速下的开关表；svm-dtc采用磁链和转矩pi调节器分别来代替传统dtc中影响转矩脉动的滞环比较器，利用两个pi调节器输出的参考电压矢量在定子磁链坐标系上的电压分量

4、，并结合空间矢量脉宽调制(svpwm)技术来实现对电机转矩以及磁链的控制。在此基础上，采用matlab建立了相应的控制仿真模型，通过仿真比较了三种控制方法的转矩脉动抑制效果。仿真结果表明三种控制技术都能有效地减小转矩脉动，其中离散空间矢量调制技术比转矩预测控制在减小转矩脉动方面作用更明显，且控制方法简单，易于实现。基于pi调节器的空间矢量调制技术转矩脉动抑制效果最为理想，磁链圆轨迹更平滑，系统的调速性能优良。电机运行试验是在以tms320f2812为控制芯片，二极管整流桥和igbt逆变桥组成功率驱动电路的测试平台上进行的，采用c语言编写控制系统的软件。完成了dsvm-dtc运行实验，实验结果表

5、明该方法可有效降低直接转矩控制系统的转矩脉动。关键词： 感应电机 直接转矩控制 转矩脉动 转矩预测控制 离散空间矢量调制 空间矢量调制abstractdirect torque control (dtc) which is a high-performance control of induction motor after the vector control was put forward, and it has simple system structure, fast response of torque and robust characteristics. however, tra

6、ditional dtc has high torque ripple, and the further development and application of dtc are set back by this problem.based on the detailed analysis of the basic principle, after analyzing mechanism of torque ripple in this paper, several main factors that influence torque variation are found, includ

7、ing hysteresis width of torque, sampling period and voltage vector. through theory analysis and simulation contrast, main reasons which produce torque ripple is reached in a certain working conditions. in order to reduce torque ripple, torque predictive control technology, discrete space vector modu

8、lation (dsvm) technology, and based on pi regulator of space vector modulation (svm) technology are proposed in dtc system. torque predictive control based on dynamic error of torque to compute voltage vector duration of a sampling period, and the rest of the sampling time for zero voltage vector, t

9、hus completing the cycle control; voltage vectors are subdivided in dsvm-dtc based on traditional dtc, five step torque hysteresis controller is used, and switch tables in different speeds are made; pi regulators of flux and torque in svm-dtc are used to replace hysteresis controllers of traditional

10、 dtc, voltage components in stator flux axes are determined by pi regulators of flux and torque, and space vector pulse width modulation(svpwm) method are used to control flux and torque. finally, the paper uses matlab for establishing simulation model of the three control strategies to compare in t

11、erms of reducing torque ripple. the simulation results show that the three control techniques all can effectively reduce the torque ripple. dsvm is more obvious to reduce the torque ripple than torque predictive control, and dsvm which is simple is easy to implement. based on pi regulators of space

12、vector modulation techniques is the most ideal to suppress torque ripple, the circular trajectory of flux is more smooth , and the performance of system is the most excellent.the paper uses the digital processors（dsp）tms320f2812 as the core of the system mentioned, composes power main circuit by dio

13、de rectifier bridge and igbt inverter bridge, and uses c language to complete software design of control system. it finishes experimental research for dsvm-dtc system on motor test platform, and experiment results show that the method can effectively reduce the torque ripple.key words: induction mot

14、or; direct torque control; torque ripple; torque predictive control; discrete space vector modulation; space vector modulation; 目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 课题研究背景及研究意义11.2 直接转矩控制技术及研究现状21.2.1 直接转矩控制技术的产生及发展21.2.2 直接转矩控制技术的特点21.3 感应电机直接转矩控制系统的转矩脉动抑制方法概述31.4 论文主要研究内容及章节安排4第二章 感应电机直接转矩控制的基本原理62.1 感应电机的

15、数学模型62.2 直接转矩控制的基本原理72.2.1 空间电压矢量的形成82.2.2 定子磁链的控制92.2.3 电磁转矩的控制102.3 典型感应电机直接转矩控制系统的分析112.3.1 磁链和转矩的观测122.3.2 滞环控制器132.3.3 磁链所在扇区判断152.3.4 开关状态选择表162.4 本章小结18第三章 直接转矩控制系统的转矩脉动产生机制和影响因素分析193.1 直接转矩控制转矩脉动产生机制分析193.2 转矩脉动的各种影响因素分析203.3 仿真结果与对比分析213.3.1 滞环宽度影响223.3.2 采样周期影响233.3.3 转速影响253.4 本章小结26第四章 直

16、接转矩控制的转矩脉动抑制技术研究274.1 转矩预测控制274.1.1 转矩预测控制原理274.1.2 磁链、转矩观测模块294.1.3 电压矢量作用时间估算模块294.1.4 转矩预测控制仿真结果304.2 离散空间矢量调制直接转矩控制324.2.1 dsvm基本原理324.2.2 磁链、转矩滞环控制模块344.2.3 开关表模块344.2.4 dsvm-dtc仿真结果354.3 空间矢量直接转矩控制(svm-dtc)384.3.1空间电压矢量脉宽调制技术394.3.2 pi调节模块424.3.3 svpwm模块434.3.4 park逆变换及逆变器仿真模块454.3.5 svm-dtc仿真

17、结果474.4 本章小结50第五章 实验结果与分析515.1系统硬件电路515.2系统软件实现535.3实验平台545.4 实验结果分析555.5 本章小结58第六章 总结与展望59参考文献61攻读硕士学位期间的科研成果65致 谢66第一章 绪论1.1 课题研究背景及研究意义交流电机相对于直流电机具有结构简单、维护容易等优点1，是工农业产生中应用最广泛的一类电机。近年来，伴随着电力电子器件、微处理器以及控制理论的快速发展，交流传动技术也在不断的进步，目前的发展主要体现在以下四个方面：(1) 电力电子器件。电力电子器件是现代交流控制技术的基础，每当新的器件诞生时，如早期的不可控二极管到半控型晶闸

18、管，直至全控型的igbt等器件出现，都会促进相关交流控制技术向前发展2。(2) 脉宽调制 (pwm)技术。脉宽调制技术的发展及应用极大的提高了交流传动控制系统的性能，交流传动控制系统中采用的控制算法，基本上都要通过pwm技术来实现。目前的pwm有多种控制方案，大体可分为四种类型：正弦pwm法、磁链追踪pwm法、等宽pwm法以及电流追踪pwm法3。pwm技术在一定程度上解决了相控原理存在的问题，使交流电机的定子能够得到接近正弦波形的电流和电压，电机的输出效率也得到了提高。(3) 先进控制理论与技术。随着现代控制理论的进步，交流电机的控制理论与技术也得到了快速发展。目前高性能的交流电机控制方法包括

19、：矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、滑模控制与智能控制等4，这些现代控制理论在交流电机驱动控制中的应用，显著地提高了交流传动系统的综合性能。(4) 高性能的微处理器。随着现代控制理论的发展，一些复杂的控制算法要求大量的实时计算，对微处理器在性能方面提出了更高的要求。从ti公司推出了第一个用于电机控制的 tms320f240，再到之后的tms320f281x系列，dsp 的时钟频率也从20mhz发展到了150mhz，正是由于电机控制类 dsp 的快速发展，使得先进的电机控制策略的实现成为可能。1.2 直接转矩控制技术及研究现状1.2.1 直接转矩控制技术的产生及发展从上世纪70年代矢量控制被提

20、出后，交流电动机在各方面性能上达到了可以与直流电动机相媲美的程度。矢量控制按照直流电动机的控制方法，使用转子磁场定向和矢量变换来实现对交流电动机转矩和磁链的控制，而在实际控制中，由于转子磁链的准确观测比较困难，且电机参数对系统特性有较大影响，以及控制中使用复杂的矢量旋转变换，因此矢量控制在实际控制中难以达到理论分析的结果，这是矢量控制在实际应用中的问题所在512。直接转矩控制是在上世纪80年代继矢量控制之后发展起来的一种高性能电机控制技术。该方法的基本思想在1977年由a.b.piunkett首次提出，1985年德国鲁尔大学的德彭布罗克(m.depenbrock)教授首次成功的把这个控制技术应

21、用于实际控制中，然后1987年把它应用到了弱磁领域7。这种控制技术是让定子磁链按照正六边形轨迹运行，可以很容易的用三个施密特触发器来切换逆变器的六个工作状态，直接通过六个非零空间电压矢量来控制磁链的轨迹。这种控制方法系统结构简单，易于控制，但由于定子磁链是按照六边形的轨迹运行，所以电流与电压的波形会产生严重的畸变，低速时的转矩脉动较大，这在一定程度上影响了该方法在工程实际中的应用。日本学者 i.takahashi 首先提出了dtc圆形磁链控制方法8，这种方法根据转矩与磁链的误差，同时考虑定子磁链所在的空间位置来综合得到所需的电压矢量开关状态。由于磁链轨迹近似圆形，减少了电压和电流中的谐波含量。

22、该方案的控制结构复杂，开关频率高，可以很好地发挥新型电力电子器件(如igbt)的开关频率优势，但也会增加功率开关器件的损耗，且逆变器的开关频率不固定。因此不适于大功率的交流电机驱动控制，但可广泛应用于中小功率的交流传动系统。1.2.2 直接转矩控制技术的特点直接转矩控制体现的是转矩的直接控制效果，相对于矢量控制，直接转矩控制具有如下几个特点15：（1）直接转矩控制是在定子坐标系中对感应电机的数学模型进行分析，以此控制磁链和转矩。它不需要模仿直流电机的控制方式，也不需要为解耦而简化感应电机的数学模型，省掉了复杂的坐标变换和计算。（2）直接转矩控制主要观测定子磁链，只需要知道定子电阻就可以对定子磁

23、链进行估算。而矢量控制使用的是转子磁链，观测转子磁链不仅要知道转子电阻，而且还需要转子电感。因此直接转矩控制相对于矢量控制在控制性能方面更不容易受参数变化影响。（3）直接转矩控制把转矩直接作为被控对象，通过控制磁链角，来体现转矩的直接控制的效果。因此，使用直接转矩控制的感应电机的物理过程很容易被理解。从以上分析可以得出，直接转矩控制系统结构简单，转矩动态响应快，对参数鲁棒性好等优点，但是传统的直接转矩控制存在比较大的转矩脉动等问题影响了其更广泛的发展与应用910。1.3 感应电机直接转矩控制系统的转矩脉动抑制方法概述自从直接转矩控制提出以来，直接转矩控制转矩脉动较大这个问题就一直存在，对此国内

24、外许多学者提出了各种方案，其中在硬件方面的改进方法有：文献39中通过提高逆变器的开关频率，来抑制转矩脉动，而且其在一定程度上减小了定子电流的谐波含量，但是其对逆变器的高频开关特性提出了更高的要求，而且增加了功率损失，使逆变器的工作效率降低。 文献40提出了一种由两个pwm逆变器并联组成的双pwm逆变模块，它有64种开关状态，其中的18种开关状态为非零电压矢量，其余的状态为零电压矢量。该方法能够一定程度上降低转矩脉动，然而这种方法使硬件系统过于复杂，而且降低了系统的可靠性，使系统的成本增加。在系统控制方法改进方面有：文献35中采用矢量细分把六个扇区细分成十二个扇区，然后用空间矢量脉宽调制(svp

25、wm)技术来控制每个采样周期内的开关时间，以降低转矩脉动。但该方法需要复杂的算法，而且还产生了比较高的开关频率。文献41提出了空间矢量调制(svm)技术。这种方法的原理就是在一个采样周期内，求出可以补偿当前状态下的磁链和转矩误差的参考电压矢量，这个参考电压矢量能够用相邻的两个基本电压矢量和零电压矢量合成得到。svm技术能够效地减小转矩脉动，但是这种算法增加了控制算法的复杂性，计算量比较大，硬件要求高。文献42是在传统的dtc原理图上，在优化后的开关表和逆变器之间加入了一种模糊控制器，利用模糊估计的方法得到一个采样周期内非零电压矢量的作用时间，然后剩余时间作用零电压矢量。这种方法原理简单，没有增

26、加成本，由于采用模糊控制方法，计算量大，且结果不够精确。文献43中采用比例积分调节器代替转矩和磁链滞环比较器同时结合了svm控制方法，有效地减小了转矩脉动，但增加了dtc系统的复杂性，且计算量大。 文献30提出了离散空间电压矢量方法，就是把一个采样周期分成几个时间段，每个时间段输出一个电压矢量，从而合成了很多新的电压矢量，该方法有效地降低了转矩脉动，但电压矢量数目的增多导致了开关表的复杂性。文献14和44采用占空比方法来控制每个采样周期内的电压矢量作用时间，从而利用所选择的电压矢量和零电压矢量来合成所需电压矢量。对于如何设置占空比，文献45和46中分别设计了不同的模糊控制器来得到占空比。 文献

27、4748和49中采用智能控制算法，以及文献50使用预测控制方法。这些方法的算法比较复杂，在一定程度上增加了系统的复杂性，减少了直接转矩控制所固有的结构简单的特性。1.4 论文主要研究内容及章节安排针对传统的感应电机直接转矩控制转矩脉动大的问题，本文在详细分析感应电机直接转矩控制基本原理的基础上，通过对转矩脉动的产生机制的研究，指出了影响转矩脉动的主要因素。通过理论分析和仿真对比，得出了一定工况条件下产生转矩脉动的主要原因。为减小直接转矩控制系统的转矩脉动，本文分别采用转矩预测控制技术、离散空间矢量调制技术和基于pi调节器的空间矢量调制技术来减小系统的转矩脉动，并采用matlab/simulin

28、k建立了相应的控制仿真模型，通过仿真比较了三种控制方法的转矩脉动抑制效果。最后，针对离散空间矢量调制直接转矩控制系统，以tms320f2812为控制器，二极管整流桥和igbt逆变桥组成功率驱动器，编写了控制系统的软件，在电动机测试平台上完成了实验测试。全文共分六章，其章节安排如下：第一章为绪论，介绍了交流电动机调速的背景，概述了直接转矩控制的发展历程，阐述了直接转矩控制技术的特点，总结了感应电机直接转矩控制转矩脉动抑制方法的发展及研究现状。第二章建立了感应电机的数学模型，分析了直接转矩控制原理，并对传统的基于滞环加开关表的直接转矩控制系统的实现进行了详细分析，为直接转矩控制转矩脉动抑制的分析提

29、供了理论基础。第三章首先分析转矩脉动产生的机制，找出了影响转矩脉动的多种因素，并采用matlab做了相应的仿真对比分析，仿真结果表明滞环宽度、采样周期和转速对转矩脉动的影响有限，而可选的空间电压矢量太少以及一个控制周期内只能作用单一的空间电压矢量是造成较大转矩脉动主要原因。第四章针对可选择的电压矢量过少的问题，为减小转矩脉动，本文分别采用转矩预测控制、离散空间矢量调制、空间矢量脉宽调制三种直接转矩控制转矩脉动抑制技术，并在matlab/simulink环境下构建了三种控制技术的仿真模型，仿真结果表明三种控制技术都能有效地减小转矩脉动，其中同是基于滞环加开关表的离散空间矢量技术比转矩预测控制在减

30、小转矩脉动方面更明显，且控制方法简单，易于实现。而基于pi调节器的空间矢量脉宽调制技术抑制转矩脉动最为理想，磁链圆轨迹更平滑，系统调速性能优良。第五章完成了感应电动机直接转矩控制系统的软件设计。最后在电动机测试平台上对dsvm-dtc进行了实验测试，实验结果表明dsvm-dtc有效地减小了转矩脉动，提高了直接转矩控制系统的性能。第六章对论文的研究工作做了概括和总结，提出了研究工作需要改进的地方和下一步研究工作的方向。第二章 感应电机直接转矩控制的基本原理2.1 感应电机的数学模型在两相静止坐标系中建立感应电机的数学模型，把两相静止坐标轴固定在定子上，取轴的方向与定子a相绕组轴线一致，如图2-1

31、所示11。图2-1 两相静止坐标系和三相abc坐标系fig.2-1 three phase reference frame abc and在静止坐标系下，定子电压矢量为24： (2.1)其中： (2.2) (2.3)感应电动机的矢量形式动态数学模型可表达如下： (2.4) (2.5) (2.6) (2.7)其中、分别为定子和转子磁链矢量；、为定、转子电阻；、为定、转子自感，是互感；为转子电角速度。由上面的公式可以推得： (2.8)式中，为漏感系数。感应电机的转矩可以表示为6： (2.9)式中，为感应电机的极对数；为定、转子磁链矢量的夹角，也叫负载角，为定子磁链矢量，为转子磁链矢量。2.2 直接

32、转矩控制的基本原理感应电机的电磁转矩可以表示为： (2.10)式中，为转矩，为漏电感。 从式(2.10)可以看出转子磁链和定子磁链为常量，转矩的大小由转矩角决定。在动态过程中，由于受电压作用的响应时间比转子时间常数小得多，所以在极短的时间内，可以认为不变，直接转矩控制实际上就是保持的幅值不变，通过调节夹角来改变和控制电磁转矩。直接转矩控制的实现是建立在空间电压矢量的基础上，围绕感应电机的磁链和转矩的直接控制而进行的，因此我们首先介绍空间电压矢量的形成。2.2.1 空间电压矢量的形成在直接转矩控制系统中一般使用三相两点式的电压源逆变器来供电，电压源逆变器如图2-2所示，其中有6个等效开关。逆变器

33、每一个桥臂的上下开关不允许同时导通。、分别对应a、b、c三相开关。定义开关函数为：，其中“1”表示上桥臂导通，“0”表示下桥臂导通。图2-2 理想的三相电压源逆变器fig2-2 ideal three phase voltage inverter在不考虑死区的情况下，上下桥臂的开关状态互补，由此可以算出逆变器有=8种不同的开关状态，如表2-1所示。表2-1 逆变器的开关状态表table.2-1 switch state lookup table状态工作状态零状态12345607开关组110001010111000100011101其中状态16称为工作状态，对应着不同的输出电压，而状态0和7为逆

34、变桥的全开与全关状态，输出的电压为零，称为零状态1617。如果把逆变器的输出电压用空间电压矢量来表示，则逆变器的各种电压状态就有了空间概念。逆变器的8种状态对应8个基本的空间电压矢量（6个非零矢量和 2个零矢量），每两个电压矢量之间在空间相隔60，如图2-3所示。图2-3 空间电压矢量图fig.2-3 space voltage vector假设感应电机由理想对称的正弦电压供电，三相电压分别为、，则定子电压矢量可表示为： (2.11)其中，各桥臂开关状态下的各相电压可表示为： (2.12)由以上分析可知，直接转矩控制就是通过这8个电压空间矢量的组合发出pwm信号来控制异步电机的磁链和转矩。2.

35、2.2 定子磁链的控制由感应电机模型可以得到： (2.13)忽略定子电阻，可得关系式： (2.14)式中，为采样时刻的定子磁链矢量，为采样时刻的定子磁链矢量，为采样周期，为其间作用于电机的空间电压矢量。由式(2.14)可以看出，定子磁链矢量变化的方向与作用在定子上的电压向量的方向相同，并且变化量跟电压向量的大小成正比。如图2-4所示， 矢量端沿着的方向移动，由此，我们可以通过合理的选择8个基本的空间电压矢量来相应的控制定子磁链矢量，以使其幅值能够保持在给定值附近，从而使定子磁链以圆形轨迹运行的，而且可以通过插入零电压矢量来控制它的运动速度。图2-4 定子磁链与空间电压矢量的关系图fig.2-4

36、 the stator flux and voltage space vector of the relationship figure2.2.3 电磁转矩的控制根据公式(2.10)可知，转矩的大小与定、转子磁链的幅值以及定转子磁链之间的夹角的乘积成正比。在实际控制中，通常使定子磁链的幅值为额定值，且转子磁链幅值由负载决定，如果要改变电磁转矩的大小，可以通过改变磁链角来实现18。电压矢量与转矩的关系如图2-5所示。图2-5 电压矢量与电磁转矩的关系图fig.2-5 voltage vector and electromagnetic torque of the relationship fig

37、ure如上图，如果向定子磁链矢量加载正向电压矢量，则磁通角增大，相应的转矩随之增大；如果给定零电压矢量，定子磁链则在原来的位置保持静止不动，而转子磁链则继续旋转，那么磁通角减小，转矩也随之减小；而如果加载反向电压矢量，则磁通角迅速减小，转矩也随之迅速地减小。通过转矩两点式的调节来控制非零电压矢量和零电压矢量的交替出现，从而可以控制定子磁链矢量平均角速度的大小，以此获得高动态响应的转矩特性20。2.3 典型感应电机直接转矩控制系统的分析上面介绍了直接转矩控制的基本原理，由此我们给出感应电机直接转矩控制系统的原理结构图如图2-6所示。与其他电动机控制方式相同，dtc系统组成主要由三个部分组成；控制

38、器、逆变器和感应电动机。控制器是整个系统的核心，其主要包括磁链调节、转矩调节、磁链扇区划分，最终通过开关信号选择单元输出逆变器的开关状态。逆变器和感应电机采用前面介绍的理想模型19。图2-6 直接转矩控制系统基本框图fig.2-6 dtc basic block diagram直接转矩控制系统工作过程：定子电流、电压的采集信号经过3/2坐标变换，计算出、坐标系下的电压和电流分量，即、和、，将这些分量通过磁链和转矩观测器模块可以得到相应的磁链反馈值和转矩反馈值。然后转速pi调节器的输出值与转矩反馈值经过转矩滞环比较器可以得到转矩的开关信号，同理也可以得到磁链的开关信号，这两个开关信号与磁链所在扇

39、区共同选择下一个周期的开关状态，对逆变器进行控制，从而完成一个控制周期21。2.3.1 磁链和转矩的观测(1) 磁链的观测根据感应电机定子磁链表达式(2.13)，建立定子磁链的u-i模型，其结构如图2-7所示。图2-7 定子磁链u-i模型结构图fig.2-7 u-i model structure of the stator flux一般情况下，通过矢量在、坐标中的两个分量和来估计其幅值，在后面确定的空间位置时也需要这两个分量值。由式(2.13)可得： (2.15)并可由此求得定子磁链的幅值大小为： (2.16)该模型需要的定子电压和定子电流可以精确地测定，实现起来很简单，其在30%额定转速以

40、上时，可以较准确地确定定子磁链，并且结构简单，鲁棒性强；而在低速时由于定子电阻随温度的变化不能够忽略，因此对磁链观测的准确性有较大的影响。(2) 转矩的观测前面已经有了定、转子磁链矢量积表示的电磁转矩的表达式，同时电磁转矩还可以用定子电流和定子磁链来表示，在、坐标系下的电磁转矩方程为： (2.17)2.3.2 滞环控制器1磁链滞环控制器直接转矩控制的关键就是确保定子磁链恒定和控制其旋转速度，但由于直接测量定子磁链比较困难而无法对其直接进行控制，因而只能通过电压对其进行间接控制22。由感应电动机的动态方程可知，如果忽略定子电阻的压降，则式(2.13)可表示为：， (2.18)从上式可以看出，定子

41、磁链的变化量大小与作用的定子电压矢量大小及其作用时间成正比，定子电压矢量大小决定了定子磁链改变的速率。在电机运行时，磁链滞环控制器的作用是预先设定一个容差宽度，使定子磁链幅值在给定值允许的范围内波动。磁链滞环控制器实际上是由施密特触发器构成，对磁链幅值进行两点式调节，如图2-8和式(2.19)所示。图2-8 磁链滞环控制器fig.2-8 flux hysteresis controller (2.19)其中，。滞环控制器输出标志为“1”，表示系统要求增大磁链，反之输出“0”，表示要求减小磁链。2转矩滞环控制器转矩调节的目的就是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称也是由此而来。为了控制转矩，

42、转矩滞环控制器具备两个功能：一个功能是转矩滞环控制器对转矩进行直接控制，另一个功能则是控制定子磁链的旋转方向，从而加强对转矩的调节。一般的转矩滞环控制器采用了三级比较器，如图2-9所示，其输入为转矩给定参考值和转矩反馈值的信号之差为，控制器的输出为转矩控制量。最后根据控制器的输出量的不同值来选择定子电压矢量，从而控制转矩、磁链以及磁链的旋转方向21。的取值为“1”、“0”、“-1”。如式(2.20)所示。图2-9 转矩滞环控制器fig.2-9 torque hysteresis controller (2.20)其中，。转矩调节器的容差是，调节分为两部分，所以采用两个施密特触发器，当转矩控制器

43、的输出信号为1时，表示系统需要增大转矩，此时给出相应的正向电压矢量，使定子磁链向前旋转，转矩增大；反之，控制器的输出信号为-1时，作用反向电压矢量，使定子磁链反转，从而转矩迅速减小。当等于零时，采用零电压矢量控制定子磁链保持静止，此时转矩缓慢减小。需要说明的是，在实际的控制过程中，磁链与转矩在每个采样周期中都会有一个最小的变化量，而变化量大小是由定子电阻、三相定子电流、直流母线电压和定子电压作用时间等决定的。如果磁链与转矩的控制容差带比这个变化量还小，那么容差带的存在则是没有意义的，所以在实际控制中，磁链与转矩的控制器的容差一定要大于这个最小变化量23。2.3.3 磁链所在扇区判断前面介绍了磁

44、链和转矩的控制方法，由于其关键是对空间电压矢量的选择，所以正确地选择电压空间矢量不仅要求对磁链和转矩的具体状态做出判断，而且还要对定子磁链所处的空间位置做出准确判断。转矩调节器输出的开关信号，可以实现对转矩的控制；磁链调节器输出的开关信号，能够保证磁链幅值恒定；最后综合磁链、转矩两个控制器及磁链在空间中所处的位置共同选择逆变器的开关状态，就能保证磁链在给定范围内变化，又能使转矩快速跟随给定值变化，从而获得很高的动态性能25。定子磁链所在的扇区从图(2-10)可以看出，假定为磁链的轴分量，为磁链的轴分量。则，=i ( i =1,2,3,.,6)为磁链所在扇区。扇区判断方法如下式： (2.21)

45、图2-10 扇区划分fig.2-10 sector divided2.3.4 开关状态选择表逆变器有六个非零电压矢量，即(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)。而定子磁链矢量的运动方向由非零电压矢量决定，所以磁链只能在这六个电压矢量方向上运行。用六个电压矢量组合的方法，可以使磁链以近似圆形的轨迹运行，只要每个区域电压矢量数目足够多，那么磁链轨迹就可以足够逼近圆形，这就需要根据磁链和转矩调节器以及磁链矢量所在扇区等来综合考虑，从而选出相应的空间电压矢量，最优的空间电压矢量的选择不仅可以获得尽量好的磁链轨迹，还可以减小转矩脉动，同时能够减小逆变器的开关频率，所以选择

46、合理的开关状态在直接转矩控制系统中起到至关重要的作用21。下面由定子磁链以逆时针旋转为例来说明如何根据定子磁链和转矩的状态来选择空间电压矢量，首先假设定子磁链位于sl扇区，如图2-11所示，当转矩到达下限时，需要增加转矩，此时可以分两种情况：(1) 当定子磁链幅值也到达下限时，需要作用电压矢量，可以得到同时增加转矩和磁链的效果；(2) 当定子磁链幅值到达上限时，则需要作用电压矢量，以得达到增加转矩而减小磁链的效果。当转矩达到上限时，如果作用零电压矢量或，可以使转矩缓慢减小，同时保持定子磁链幅值基本不变；但如果采用反向的非零电压时，则会迅速减小转矩。图2-11 电压空间矢量选择原理fig.2-1

47、1 the selection of voltage space vector总之，在扇区sl时，通过、和工作电压矢量、之间的不断切换，就可以实现以转矩控制为中心的转矩和磁链的协调控制，其他扇区的分析方法类似。具体开关状态表如下表2-2所示。表2-2 电压空间矢量选择表tab.2-2. the selection of voltage space vector，2.4 本章小结本章对感应电机直接转矩控制的基本原理和实现进行了深入地分析和阐述。首先建立了感应电机在两相静止坐标系下的数学模型，在此基础上，详细叙述了感应电机直接转矩控制原理，建立了空间电压矢量的分析方法，讨论了直接转矩控制中定子磁链

48、和电磁转矩的控制。然后详细分析了典型感应电机直接转矩控制系统中滞环控制器、开关表、磁链和转矩观测器的工作原理。 第三章 直接转矩控制系统的转矩脉动产生机制和影响因素分析3.1 直接转矩控制转矩脉动产生机制分析传统的直接转矩控制始终存在着较大的转矩脉动。其关键原因是：在整个开关周期内，所选择的空间电压矢量始终作用于感应电动机，定子磁链和转矩一直沿着一个方向变化。当转矩误差比较小时，所选择的空间电压矢量在一个控制周期内就使转矩达到了参考值，而剩下的时间逆变器没有发生开关状态变化，所选择的空间电压矢量仍然作用于电动机，使转矩继续沿原来的方向变化，超出转矩滞环的范围，从而产生较大的转矩脉动14，如图3

49、-1所示。图3-1 转矩脉动示意图fig.3-1 graphical representation of torque ripple根据感应电机的数学模型，由式(2.6)，(2.7)可得出 (3.1) (3.2)式中，为漏感系数。把式(3.1)代入式(2.5)得 (3.3)对式(2.9)两边取微分，再同时乘以得 (3.4)将式(2.4)，(2.9)，(3.2)，(3.3)代入式(3.4)，整理可得 (3.5)其中，在感应电机直接转矩控制系统中，采样周期一般是固定的，而且在一个采样周期内通常只输出一个电压矢量，于是可得 (3.6)如果作用零电压矢量，即，则式(3.6)可化为 (3.7)从式(3.

50、6)可以看出，对转矩变化有影响的因素有电机参数、采样时间、转子速度、定子磁链、转子磁链，电压矢量。下面本文将简要分析以上因素对转矩脉动的影响27，并做相应的仿真对比研究。3.2 转矩脉动的各种影响因素分析由之前建立的数学模型可知，直接转矩控制系统中，转矩调节使用了一个转矩滞环比较器，目的是使实际转矩值保持在其参考值的容差范围之内变化。这导致了输出转矩必然存在一定的脉动范围。转矩给定容差的大小对转矩脉动有着直接的影响。在一定程度上减小转矩滞环比较器的容差，可以减小转矩脉动，但转矩容差不能小于转矩在一个采样周期中的最小变化量。且过小的容差会使逆变器开关频率过高，增加了开关损耗26。在实际的数字化控

51、制系统中，转矩脉动受到系统采样周期大小的影响，系统采样周期的大小很大程度上决定了转矩脉动的幅值33，采样周期越小，输出转矩的脉动越小。但是，系统的采样周期受到硬件的限制，不可能无限减小。可以从物理角度分析直接转矩控制中产生转矩脉动的原因，因为电压型逆变器只有六个非零电压矢量可以选择，而六个电压矢量在空间上间隔60度，所以电压矢量之间的切换是步进的、离散的，由于磁链是电压的积分效果，所以磁链在旋转的过程中其空间角度是连续的，这样就造成了磁链与电压之间的夹角同样是跃进的，这种夹角的不连续性就造成了转矩的脉动19。在高速运行时，极快的磁链转速在短时间内就可以消除磁链夹角的跃变，同时高频的脉动信号可以

52、被滤掉，因此不会造成转速太大的脉动。但低速运行时，由于定子磁链旋转较慢，转矩脉动中交流成分频率很低，造成转速的周期性脉动，而且更严重的是小的的转矩脉动也会造成速度较大的相对误差，这样的速度效果就是造成低速性能下降的部分原因 34。另外电机参数跟所选电机有关，无法改变；转子磁链由负载决定；定子磁链通常保持在额定值，所以在此不作考虑。3.3 仿真结果与对比分析由图2-7所示的系统结构框图，在matlab7.5的simulink环境下建立感应电机基于滞环和开关表的直接转矩控制系统仿真模型，仿真模型如图3-2所示。图中主要的功能模块包括：感应电机模型，逆变器模块，电机测量模块，dtc控制模块，转速pi

53、调节模块，整流模块等。通过改变模型中的 matlab 函数，设置不同的滞环宽度，采样周期和给定转速，分别对不同因素对转矩脉动影响进行仿真分析。仿真所用感应电机参数为：额定功率=3730w，额定电压=460v，额定频率=60hz，定子电阻=1.115，转子电阻= 1.083，定子漏感 =0.005974h，转子漏感=0.005974h，互感=0.2037h，极对数=2，转动惯量=0. 02kg.，参考定子磁链=0.8wb，速度pi调节=0.7，=60。图3-2 感应电机直接转矩控制系统仿真模型fig.3-2 dtc simulation model of induction motors3.3.

54、1 滞环宽度影响系统给定转速为700r/min，采样周期=40，负载转矩=10n.m保持不变，磁链容差=0.01wb，分别设置转矩容差为=0.2n.m和=2n.m，仿真实验结果如图3-3所示。(a) 转矩滞环容差=0.2n.m时的转速、转矩和定子相电流仿真波形(b) 转矩滞环容差=2n.m时的转速、转矩和定子相电流仿真波形图3-3 不同转矩滞环宽度的仿真结果fig.3-3 simulation results of different torque hysteresis width 图3-3为感应电机在设置不同的转矩滞环宽度下，速度给定为700r/min带负载10n.m起动的仿真结果，从图中可以看出，系统并不是从 t=0 时