基于svpwm的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p><b>　　二○一四年六月</b></p><p>　　基于SVPWM的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真</p><p>　　專業(yè)班級：電氣工程及其自動化1班</p><p>　　姓 名： &l

2、t;/p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　輪機工程學院</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文首先論述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，簡要回顧了電力電子器件、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程。

3、接著，系統(tǒng)地論述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)后發(fā)展的有一種高性能交流調(diào)速技術(shù)，它采用空間矢量的分析方式，在兩相靜止坐標系下計算并控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈。不過，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種較新穎的技術(shù)，自然存在著不少的問題，比如電流與轉(zhuǎn)矩的脈動問題等。本論文針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)所固有的問題，提出了基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。</p><p>　　這種新型控制策略將兩者的優(yōu)

4、點結(jié)合起來，把電動機和PWM逆變器看成一體，使電動機獲得幅值恒定的近似圓形的磁場，以解決其轉(zhuǎn)矩、電流脈動問題。在論文的撰寫階段，本人做了如下的工作：</p><p>　　通過理論分析，建立了兩相靜止坐標系下的異步電機數(shù)學模型，設計轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，設計坐標變換模塊，設計SVPWM生成模塊。</p><p>　　最后使用Simulink進行仿真，根據(jù)原理，搭建出各個模塊的仿真圖，仿真實驗結(jié)

5、果表明，此種控制策略可以減少電磁轉(zhuǎn)矩以及電流的脈動，大大提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：異步電動機；直接轉(zhuǎn)矩；空間矢量脈寬調(diào)制；MATLAB</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Firstly, this thesis discusses the current situati

6、on and development of the alternating current governor system. And briefly retrospect the development history of power electronic devices, direct torque control system, and space vector pulse width modulation. Then syste

7、matically discuss the theory of direct torque control. It’s an alternating current governor technology with high performance developed after vector control technology, which adopts the analysis method of space vector to

8、calculate </p><p>　　This new control policy combines two technologies together seeing the electromotor and PWM inverter as a whole to make a circular magnetic field with a constant amplitude to solve the pul

9、sation problem of current and electromagnetic torque. In the period of writing this thesis, I have done the work as follows:</p><p>　　Through the theory analysis, build the mathematical model of asynchronous

10、 motor in the two-phase static coordinate, and design the observation modules of torque and flux linkage, the coordinate transformation modules, and SVPWM generating modules.</p><p>　　Lastly, I use

11、 Simulink to simulate them, building every simulation diagram according to the theory. And the result indicates that this control policy can promote the control performance of direct torque control system greatly through

12、 reducing the pulsation of torque and current. </p><p>　　Keywords：Asynchronous motor， Direct torque control，Space vector pulse width modulation，MATLAB</p><p><b>　　目 錄</b></p>

13、;<p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展1</p><p>　　1.1.2 交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展1</p><p>　　1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀2<

14、/p><p>　　1.3 空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4本章小結(jié)4</p><p>　　第2章 異步電動機的數(shù)學模型5</p><p>　　2.1 三相靜止坐標系下的異步電機數(shù)學模型5</p><p>　　2.2 坐標變換6</p><

15、;p>　　2.2.1 三相—兩相靜止坐標變換6</p><p>　　2.2.2 兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換7</p><p>　　2.3 交流異步電動機在靜止兩相坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型：8</p><p>　　2.4本章小結(jié)9</p><p>　　第3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理10</p><p>

16、　　3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖10</p><p>　　3.2 磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)10</p><p>　　3.2.1 磁鏈控制閉環(huán)10</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)13</p><p>　　3.3 逆變器14</p><p>　　3.4電壓空間矢量選擇15</p

17、><p>　　3.5扇區(qū)判斷16</p><p>　　3.6 本章小結(jié)17</p><p>　　第4章 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)18</p><p>　　4.1 空間矢量脈寬調(diào)制原理18</p><p>　　4.2 期望電壓空間矢量的獲得21</p><p>　　4.3 SVPWM調(diào)

18、制算法22</p><p>　　4.4本章小結(jié)22</p><p>　　第5章 基于SVPWM異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)23</p><p>　　5.1 基于 SVPWM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)23</p><p>　　5.2 磁鏈定向方式23</p><p>　　5.3DTC-SVM的扇區(qū)判斷24<

19、;/p><p>　　5.4 空間電壓矢量調(diào)制26</p><p>　　5.5 本章小結(jié)28</p><p>　　第6章 DTC-SVM仿真研究29</p><p>　　6.1 MATLAB/Simulink的簡介29</p><p>　　6.2 基本仿真模塊29</p><p>

20、　　6.3 坐標變換仿真模塊29</p><p>　　6.3.1 三相—兩相靜止坐標仿真模塊30</p><p>　　6.3.2 旋轉(zhuǎn)坐標變換仿真模塊30</p><p>　　6.4 轉(zhuǎn)矩觀測仿真模塊30</p><p>　　6.5 磁鏈觀測仿真模塊圖31</p><p>　　6.6SVPWM仿真模

21、塊31</p><p>　　6.6.1SVPWM模塊仿真圖32</p><p>　　6.6.2 扇區(qū)判斷仿真模塊32</p><p>　　6.6.3 基本電壓空間矢量工作時間計算仿真模塊32</p><p>　　6.6.4 逆變器導通時刻計算34</p><p>　　6.6.5SVPWM波生成模塊

22、34</p><p>　　6.7 仿真實驗結(jié)果35</p><p>　　6.7.1定子磁鏈軌跡比較35</p><p>　　6.7.2 定子電流比較36</p><p>　　6.7.3 轉(zhuǎn)速響應比較38</p><p>　　6.7.4轉(zhuǎn)矩響應比較39</p><p>　　6.

23、8本章小結(jié)40</p><p><b>　　第7章 結(jié)論41</b></p><p>　　參 考 文 獻42</p><p><b>　　致 謝43</b></p><p><b>　　附錄144</b></p><p><b&g

24、t;　　附錄245</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　一直以來，直流調(diào)速系統(tǒng)以其簡單而優(yōu)越的調(diào)速性能，掩蓋了其具有結(jié)構(gòu)復雜，換向麻煩等缺點，被廣泛地應用。直至上世紀80年代，直流電機調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速傳動領域，都一直占據(jù)著主導地位。不

25、過，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和控制性能要求的不斷提高，直流調(diào)速系統(tǒng)所固有的缺點開始凸顯出來。</p><p>　　自上世紀30年代以來，科學家們就開始致力于對交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，礙于當時技術(shù)方面的諸多限制，直至60年代以后，隨著功率電子器件、微電子器件（中、大型集成電路以及微機）的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論在電氣傳動中的應用，交流調(diào)速系統(tǒng)研究才有了突破性的進展，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)和自動控制理論的不斷完善和發(fā)

26、展，使交流傳動系統(tǒng)的動靜態(tài)性能達到可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。又由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價相對低廉的特點，在實際應用中，開始逐步取代結(jié)構(gòu)復雜，維修不便的直流調(diào)速裝置。目前，工業(yè)較為先進的國家中，直流傳動裝置的應用呈下降趨勢，而交流傳動裝置的應用卻都在大幅地上升。以日本為例，在其1975年的調(diào)速傳動領域中，直流調(diào)速系統(tǒng)占80%，而交流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%，不過在1985年時，交流調(diào)速系統(tǒng)卻占80%，而直流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%。目前，直流調(diào)速

27、系統(tǒng)大有完全被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代的趨勢。</p><p>　　1.1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展</p><p>　　電力電子元器件是交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件，它是交流調(diào)速的實物基礎，其發(fā)展直接決定了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。1958年美國通用電氣公司研制出的第一個工業(yè)用普通晶閘管，取代了以前的旋轉(zhuǎn)變流機組，實現(xiàn)了變頻調(diào)速，直至80年代中期，交流變頻裝置主要還是采用晶閘管器件，其效率，可靠性，價格以

28、及體積都無法與相同容量的直流裝置相提并論。80年代中后期，電力晶體管(GTR)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，功率MOS場效應管等第二代電力電子器件相繼問世，在其基礎上產(chǎn)生的交流變頻裝置在性能與成本上可與直流裝置相比。80年代后期問世的IGBT，使交流調(diào)速裝置開關(guān)的通斷速度更快、通態(tài)壓降小、載流能力更大，目前是中小功率范圍應用最為廣泛的器件。之后，電力電子技術(shù)朝向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化的方向發(fā)展，其中模塊化器件將成為21世

29、紀的主流產(chǎn)品。以上所述的全控型開關(guān)器件主要應用于異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得異步電機調(diào)速系統(tǒng)的性能得以大幅度提高，達到可以與直流電機相媲美的程度。</p><p>　　1.1.2 交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展</p><p>　　單單電力電子器件不足以獲得高性能交流調(diào)速裝置，正確而有效的控制方法是實現(xiàn)交流調(diào)速的必要條件。感應交流電機的數(shù)學模型要比直流電機復雜得多，它是一個多變量、非線性、高

30、階、強耦合的系統(tǒng)，這就注定了控制交流電機的難度所在。上世紀七十年代初期，德國西門子公司的Blaschke 和美國的Clark共同創(chuàng)立了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式可以達到勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦，有利于設計兩者的控制器，達到獨立去控制勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的目的，從而實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，并得到推廣。八十年代中期，德國魯爾大學的M．Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，它是既矢量控制

31、系統(tǒng)之后，發(fā)展出來的又一種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它不用經(jīng)過復雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換，只需要簡單的靜止坐標變換。其核心就是對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制采用滯環(huán)比較器，以及利用其輸出去選擇合適的電壓空間矢量。由于采用的是滯環(huán)比較器，其轉(zhuǎn)矩必然是脈動的，而且調(diào)速范圍也不夠?qū)挕＞攀甏?，有學者提出了SVPWM技術(shù)，基于SVPWM的DTC系統(tǒng)能夠獲得非常優(yōu)越的動靜態(tài)性能。</p><p>　　1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀<

32、;/p><p>　　1985年，德國魯爾大學的Depenbrock提出了一個新穎的異步電動機控制理論，那就是直接轉(zhuǎn)矩控制理論，不久后，又將此理論推廣到了弱磁調(diào)速的范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是既矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展出來的一種高性能交流電機調(diào)速系統(tǒng)，它與矢量控制技術(shù)相比，存在著不少的優(yōu)點。它是在定子坐標系下分析異步電機的數(shù)學模型，不需要為了解耦而將異步電機數(shù)學模型簡化為直流電機的數(shù)學模型，只強調(diào)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制

33、，避免了復雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換，只需要進行簡單的靜止坐標變換。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，采用的是按定子磁鏈定向的方式，若磁鏈觀測器，采用的是U-i模型，則只需要觀測定子電阻，定子電流，定子電壓，若采用的是i-n模型，只需要觀測定子電流，轉(zhuǎn)速，而這些都是有關(guān)定子的參數(shù)，比較容易測得，從而大大地減小原先矢量控制系統(tǒng)易受電機參數(shù)影響的問題。實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是如何設計電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的觀測器（反饋模型）以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈的信號來選擇電壓空間

34、矢量。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有如下四個特點：</p><p>　　1. 直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機與直流電動機進行比較、等效、轉(zhuǎn)化；即不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學摸型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復雜的變換與計算。</p><p>　　2. 直

35、接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用的是按定子磁鏈定向的方式，只需去觀測定子上的有關(guān)參數(shù)來設計定子磁鏈觀測器。</p><p>　　3. 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了。</p><p>　　4. 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是對轉(zhuǎn)矩的直接控制。它包含有兩層意思：①直接控制轉(zhuǎn)矩；②對轉(zhuǎn)矩的直接控制。這種控制思想不僅能夠用于轉(zhuǎn)矩控制，也能應用于磁鏈，但應以

36、轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制。</p><p>　　目前在國外，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功地應用于兆瓦級的牽引機車以及大功率交流傳動上。但市場上采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流變頻器還不是很多，不過其應用前景還是相當光明的。當前，日本，德國，美國等技術(shù)發(fā)達的國家都在發(fā)展此項技術(shù)。最近，日本研究成功的1.5Kw的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器創(chuàng)造了幾項世界紀錄，比如，轉(zhuǎn)矩響應頻率可以達到2KHz，沖擊轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的20倍，+500到

37、-500轉(zhuǎn)/分的反轉(zhuǎn)時間僅為4ms。今后的，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展趨勢是采用第四代電力電子器件以及數(shù)字化控制器件。</p><p>　　我國已將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成功應用于大功率牽引機車，也取得了不錯的效果，不過我國開展此項技術(shù)的時間相對較短，技術(shù)基礎也相對薄弱，目前，仍與世界最高水平存在著不小的差距，國內(nèi)的交流變頻器市場也基本都被國外的品牌所占據(jù)。因此國內(nèi)不少的研究單位都在研究高性能的交流變頻裝置，以期能夠減少對國外

38、產(chǎn)品的依賴程度。</p><p>　　然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種剛誕生不久的新理論、新技術(shù)，仍存在著不少的不足，不完善的地方，比如，轉(zhuǎn)矩的脈動，低速性能較差等問題。目前，定子磁鏈觀測器，轉(zhuǎn)矩觀測器，無速度傳感器是研究熱點。為了解決這些問題，研究人員提出了不少理論，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的性能更加完善，比如基于SVPWM、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制等理論技術(shù)。</p><p>

39、　　1.3 空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀</p><p>　　上世紀九十年代中期，有學者提出了一種全新的技術(shù)理論，那即是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），SVPWM技術(shù)是PWM技術(shù)的一種。經(jīng)典的正弦PWM技術(shù)從電源角度出發(fā)，使交流變頻器的輸出電壓波形接近于正弦波，而SVPWM的主要思想是，輸入三相正弦電流形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，此技術(shù)將逆變系統(tǒng)和異步電動機看成一個整體，模型

40、較為簡單，便于使用微處理器進行實時控制。</p><p>　　傳統(tǒng)的SVPWM應用的是六拍階梯波逆變器，逆變器一個工作期間分為六個扇區(qū)，為了使磁鏈逼近圓形，將每個扇區(qū)再分為若干個小區(qū)間T0，T0越短，磁鏈越接近圓形，但T0受到開關(guān)器件的開關(guān)頻率所制約。每個小區(qū)間存在著多次的開關(guān)狀態(tài)切換，但每次切換只涉及一個開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗很小。</p><p>　　SVPWM技術(shù)的應用前景比較廣泛，

41、在逆變裝置中，它可應用于逆變電源、三電平無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)、變頻壓縮機等。在伺服裝置中，它可應用于直流無刷伺服電機，交流永磁同步伺服電機、步進電機等。在電力拖動方面上，可應用于異步電機調(diào)速系統(tǒng)，永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)等。近些年來，很多SVPWM的應用開始涌現(xiàn)出來，不過由于還處于研究和起步階段，其控制性能仍然無法與其他的控制方法相比擬。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b><

42、/p><p>　　本章首先介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的電力電子元件和控制方法的發(fā)展，接著著重介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展和基于空間電壓矢量的脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　第2章 異步電動機的數(shù)學模型</p><p>　　2.1 三相靜止坐標系下的異步電機數(shù)學模型</p><p>　　在建立異步電機的動態(tài)數(shù)學模型時，我們常作如下假設：<

43、/p><p>　　假設三相繞組對稱分布，在空間中互差120度，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦分布。</p><p>　　忽略磁路飽和，各繞組自感和互感被認為是恒定的。</p><p><b>　　忽略鐵芯損耗。</b></p><p>　　不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻所造成的影響。</p><p>

44、;　　將異步電動機轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)，這樣可以將定轉(zhuǎn)子統(tǒng)一放在同一個靜止坐標系中進行分析。異步電動機的數(shù)學模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。</p><p><b>　　電壓方程</b></p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　即為：</b></

45、p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　　磁鏈方程</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　即為</b></p><p>　　其中L為6*6電感矩陣，LAA，LB

46、B，LCC，Laa，Lbb，Lcc為各繞組的自感，其余均為互感。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　運動方程</b></p><p><b>　?。?.5）</b>&l

47、t;/p><p>　　由以上的數(shù)學模型可知道，異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個多變量、高階、強耦合的非線性系統(tǒng)。多變量可以體現(xiàn)在異步電機是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，非線性存在于電感矩陣L，以及旋轉(zhuǎn)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩兩個環(huán)節(jié)上。</p><p><b>　　2.2 坐標變換</b></p><p>　　由以上可知異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型十分復雜，直接進行分析

48、十分不便，而且在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們是通過空間矢量的方式在靜止的兩相坐標系中對異步電機進行分析，所以我們通常將靜止三相原始數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型，可以使分析和計算得到大大地簡化。異步電機的定子繞組是靜止的，因而只需要進行簡單的靜止坐標變換，即3/2 變換，由于轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，則需要進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，即2r/2s 變換。坐標變換的原則是功率不變，合成的磁動勢不變。</p><p>　　2.2

49、.1 三相—兩相靜止坐標變換</p><p>　　三相-兩相變換，即3/2變換，見圖2.1：</p><p>　　圖2-1 三相—兩相變換</p><p>　　在圖2.1中繪出了a、b、c和α、β兩個坐標系，a軸與α軸重合，三相繞組的匝數(shù)為N3，兩相繞組的匝數(shù)為N2，各相磁動勢為匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于各相上，根據(jù)合成磁動勢一致的原則，兩套繞組的磁動勢

50、在α、β軸上的投影應相等，由此可獲得方程：</p><p><b>　　寫成矩陣形式可得：</b></p><p>　　考慮變換前后功率不變，在此前提下，匝數(shù)比應為：</p><p>　　由此可得從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換關(guān)系矩陣為：</p><p><b>　　（2.6）</b><

51、;/p><p>　　2.2.2 兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換</p><p>　　兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換，即2r/2s 變換，見圖2.2：</p><p>　　圖2.2 兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換</p><p>　　在圖2.2中繪出了d、q兩相旋轉(zhuǎn)坐標系和α、β兩相靜止坐標系，由于各項繞組匝數(shù)都相等，則可以消去磁動勢的匝數(shù)，磁動勢可以直接用電流來表示

52、，磁動勢空間矢量都沿著各相繞組軸線。d軸與α軸的夾角為φ，由合成磁動勢相等原則可知，id、iq和iα、iβ在α、β軸上的投影應完全相等，則可獲得矩陣方程：</p><p>　　由此可獲得兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相靜止坐標系的變換矩陣為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　2.3 交流異步電動機在靜止兩相坐標系下的動

53、態(tài)數(shù)學模型：</p><p>　　三相靜止坐標系下的異步電機數(shù)學模型，經(jīng)過坐標變換后，可獲得靜止兩相坐標系下的數(shù)學模型：</p><p><b>　　電壓方程</b></p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中p為微分算子，Ls、Lr為定轉(zhuǎn)子繞組的自感，Lm為定轉(zhuǎn)子繞組

54、之間的互感，Rs為定子繞組內(nèi)阻，Rr為轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)阻，wr為轉(zhuǎn)子角速度，對于鼠籠式異步電機來說，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是短路的，所以轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流分量均為0。</p><p><b>　?。?） 磁鏈方程</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　?。?） 轉(zhuǎn)矩方程</b>

55、;</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　(4) 運動方程</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　將異步電機在兩相靜止坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型與原始三相坐標系下的數(shù)學模型相比，顯得簡單許多，階次也降低了，不過它的多變量、強耦合、非線性

56、的性質(zhì)仍然沒有改變。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對坐標變換原理進行了推導，基于坐標變換，將異步電機的數(shù)學模型</p><p>　　從在三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系內(nèi)，達到簡化異步電機的數(shù)學模型的目的。</p><p>　　第3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理</p>

57、<p>　　3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，在圖3.1中繪出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了常見的轉(zhuǎn)速閉環(huán)，還存在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)。在給定轉(zhuǎn)矩的后面設置轉(zhuǎn)矩反饋閉環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)矩

58、所造成的影響，在給定磁鏈的后面設置磁鏈反饋閉環(huán)，它可以抑制轉(zhuǎn)矩變化對磁鏈所造成的影響，從而使得轉(zhuǎn)矩與磁鏈子系統(tǒng)達到近似解耦的目的。對在異步電機定子側(cè)采集的定子電壓和定子電流信號，進行3s/2s變換后得到在α、β坐標系下的電壓和電流，并引入轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，觀測出轉(zhuǎn)矩反饋量和磁鏈的反饋量，以及定子磁鏈角，分別于給定轉(zhuǎn)矩和給定磁鏈進行比較，轉(zhuǎn)矩偏差</p><p>　　ΔTe和磁鏈偏差ΔΨs，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩遲滯比較器和磁

59、鏈遲滯比較器后得到轉(zhuǎn)矩偏差信號TQ和磁鏈偏差信號ΨQ，根據(jù)TQ、ΨQ的值以及定子磁鏈所在的扇區(qū)n，來共同確定使用何種開關(guān)狀態(tài)來控制變頻器，從而選擇合適的電壓空間矢量來控制異步電動機。</p><p>　　3.2 磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)</p><p>　　3.2.1 磁鏈控制閉環(huán)</p><p>　　磁鏈控制閉環(huán)主要包括磁鏈觀測器，以及根據(jù)磁鏈觀測器的輸出值與

60、給</p><p>　　磁鏈進行比較，通過磁鏈滯環(huán)比較器，繼而控制磁鏈的恒定，使異步電機獲得較高的動靜態(tài)性能。</p><p><b>　?。?）磁鏈觀測器</b></p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中一般使用的是定子磁鏈觀測器。顧名思義，定子磁鏈觀測器是指根據(jù)在電機中檢測到的定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速等參數(shù)來對定子磁鏈進行觀測，近似地觀測出定

61、子磁鏈的幅值與相位。定子磁鏈觀測器一般有三種模型。</p><p>　　其一，就是最簡單、常見的u-i模型，其公式為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　由公式3.1可以畫出u-i模型的結(jié)構(gòu)框圖，見圖2.4：</p><p>　　圖3.2 磁鏈觀測u-i模型</p>&l

62、t;p>　　由公式及圖3.2可知，u-i模型結(jié)構(gòu)十分簡單，不需要復雜的電機參數(shù)，只需要知道定子電阻參數(shù)，而且定子電壓以及定子電流也非常容易從定子中檢測出來。但是純積分磁鏈觀測器有一個固有的且十分嚴重的缺點，那就是會出現(xiàn)積分漂移的問題，嚴重影響磁鏈觀測的準確性，需通過使用低通濾波器來消除這方面的問題，這使得原本簡單的u-i模型定子磁鏈觀測器的結(jié)構(gòu)變得復雜。而且定子電阻受溫度影響很大，只有當轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的30%，Us遠大于is與R

63、s的乘積時，Rs引起的測量誤差和積分漂移才會變得很小，這種情況下才能較為準確地觀測出定子磁鏈。 </p><p>　　其二，就是稍復雜的定子磁鏈i-n模型，其公式為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　由公式3.2可以畫出i-n模型結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.3：</p><p>　　圖3.3

64、磁鏈觀測模型i-n模型</p><p>　　由圖3.3以及公式3.2可知，定子磁鏈i-n模型的復雜程度比u-i模型高。i-n模型用定子電流以及轉(zhuǎn)子角速度來觀測定子磁鏈，定子電流容易精確測得，所以此模型的精度直接與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量精度相關(guān)，當然也受到轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響。由于轉(zhuǎn)速測量肯定存在著誤差，而且轉(zhuǎn)速高時，誤差更大，因此i-n模型在高速時磁鏈觀測精度不如u-i模型，不過低速時觀測精度比u-i模型高。</p&

65、gt;<p>　　其三，是較復雜的定子磁鏈u-n模型，其公式為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由于u-i模型與i-n模型都有缺點，且互相彌補，能否將兩種磁鏈觀測方式綜合起來呢？答案是肯定的，第三種磁鏈觀測方式應運而生，那就是u-n模型，從上述公式可知，此模型較為復雜。它綜合了上述兩種觀測模型，通過定子電壓和轉(zhuǎn)速來觀

66、測定子磁鏈，實現(xiàn)了在全速范圍內(nèi)都可以適用的觀測模型。電機在低速時，定子磁鏈觀測實際工作于i-n模型，在高速時，定子磁鏈觀測器實際工作于u-i模型，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模型的平滑過渡。不過因為其公式以及結(jié)構(gòu)都相當復雜，比較難以實現(xiàn)，目前實際使用仍較少。由于篇幅，u-n模型的結(jié)構(gòu)框圖不在本論文中給出，有意者可以查閱相關(guān)參考書。</p><p>　　定子磁鏈的幅值可由下列公式求得：</p><p>&

67、lt;b>　　（3.4）</b></p><p>　　定子磁鏈的相位可由下列公式求得：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　（2）磁鏈的控制與調(diào)節(jié)</p><p>　　在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們一般使用磁鏈滯環(huán)比較器，來調(diào)節(jié)磁鏈幅值，使之保持恒定。滯環(huán)比較器原理上實際是施

68、密特觸發(fā)器。磁鏈滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.4：</p><p>　　圖3.4 磁鏈滯環(huán)比較器</p><p>　　磁鏈滯環(huán)比較器的容差為±eψ，其輸入為給定磁鏈值與磁鏈反饋值的差值，其輸出為磁鏈開關(guān)信號ψQ。根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出信號綜合磁鏈所在扇區(qū)來選擇合適的電壓空間矢量，對定子磁鏈進行調(diào)節(jié)，使之能夠保持恒定。當磁鏈差值大于等于+eψ時，ψQ輸出值為1，表示實際磁鏈值低于滯環(huán)

69、比較器的下限，則需選擇合適的電壓空間矢量來增加定子磁鏈，直到當磁鏈差值小于等于時，ψQ輸出為0，表示實際磁鏈值高于比較器的上限，則需選擇合適的電壓空間矢量來減小定子磁鏈，這樣通過對定子磁鏈反復調(diào)節(jié)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形。由于滯環(huán)比較器存在容差導致了實際值在一定的范圍內(nèi)脈動，此范圍受容差寬度影響，容差寬度越小，脈動越小，但容差寬度受開關(guān)器件的開關(guān)頻率的影響，不能設置過小。</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)矩控

70、制閉環(huán)</p><p>　　轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)包括轉(zhuǎn)矩觀測器，以及根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出值進行比較，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p><b>　　(1) 轉(zhuǎn)矩觀測器</b></p><p>　　根據(jù)兩相靜止坐標系下的轉(zhuǎn)矩公式：</p><p><b>　　（3.6）

71、</b></p><p>　　根據(jù)式3.6可以繪出轉(zhuǎn)矩觀測器的結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.5：</p><p>　　圖3.5 轉(zhuǎn)矩觀測器結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(2) 轉(zhuǎn)矩的控制與調(diào)節(jié)</p><p>　　在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，對于轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，我們同樣使用的是滯環(huán)比較器，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.6：</p>&

72、lt;p>　　圖3.6 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器</p><p>　　轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的作用就是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。從圖3.5中我們也可以看出它與圖3.6之間的不同之處。如果仍采用圖3.5中的方式，則轉(zhuǎn)矩脈動會很大，這是我們不愿意看到的。所以在圖3.6中，我們引入了零電壓矢量，來減少轉(zhuǎn)矩的脈動。其工作原理為，當轉(zhuǎn)矩差值大于等于+eψ時，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于1，此時應選擇合適的電壓空間矢量來增大電磁

73、轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)矩差值在+eψ與-eψ之間時，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于0，此時應選擇零電壓矢量。當轉(zhuǎn)矩差值小于等于時，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于-1，則此時應選擇合適的電壓空間矢量來減少電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p><b>　　3.3 逆變器</b></p><p>　　在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們采用的是三相電壓型逆變器，下圖為三相電壓型逆變器的原理圖，見圖3.7：</

74、p><p>　　圖3.7 三相電壓型逆變器</p><p>　　三相電壓型逆變器共有3組，6個開關(guān)管，分別為這些開關(guān)管可以使用IGBT等全控型電力電子器件。特別定義開關(guān)函數(shù)：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　則逆變器輸出的全部電壓空間矢量有八個，其中有六個非零電壓空間矢量，與兩個零電壓空間矢量，

75、分別為Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)與U0(000)、U7(111)。</p><p>　　3.4電壓空間矢量選擇</p><p>　　我們可以根據(jù)磁鏈偏差信號ψQ，轉(zhuǎn)矩偏差信號TQ以及所處的扇區(qū)號來選擇合適的電壓空間矢量來控制和調(diào)節(jié)異步電動機。在三相靜止坐標系a，b，c與兩相靜止坐標系α、β中繪出六個非零電壓空間矢量，并且在

76、兩相靜止坐標系α、β下對定子磁鏈進行扇區(qū)的劃分，傳統(tǒng)的劃分方式是將a軸與α軸重合，并且從a軸開始每隔60度劃分一個扇區(qū)，共可以劃分6個扇區(qū)。不過仔細分析時，會發(fā)現(xiàn)在此種劃分方式下，對于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果會前后不一致，比如按傳統(tǒng)方式劃分時，U2空間電壓矢量在S1扇區(qū)內(nèi)對磁鏈幅值作用效果不一致，0度到30度時是減小磁鏈，而30度到60度則是增加磁鏈。為了解決這個問題，本論文采用另一種劃分方式，以-3

77、0度軸與α軸重合，作為起始，每隔60度劃分一個扇區(qū)，共可以劃分6個扇區(qū)，分別用S1,S2,S3,S4,S5,S6來表示。扇區(qū)劃分如圖3.8所示</p><p>　　圖3.8 扇區(qū)劃分</p><p>　　在此種劃分方式下，對于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果是一致的。</p><p>　　異步電動機的定子磁鏈按逆時針旋轉(zhuǎn)，假設定子磁鏈位

78、于S2扇區(qū)，當實際磁鏈幅值達到下限，即ψQ=1時，應選擇非零電壓空間矢量來增加磁鏈，此時可以分兩種情況：</p><p>　?。?） 實際電磁轉(zhuǎn)矩達到下限，即TQ=1時，應增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U2(010)來同時增加磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　（2） 實際電磁轉(zhuǎn)矩達到上限，即TQ=-1時，應減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U4(100)來增加磁鏈幅值并減小電磁轉(zhuǎn)矩。</

79、p><p>　　當實際磁鏈幅值達到上限，即ψQ=0時，應選擇非零電壓矢量來減小磁鏈，此時也可以分為兩種情況：</p><p>　　實際電磁轉(zhuǎn)矩達到下限，即TQ=1時，應增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U3(011)來減小磁鏈幅值并增加電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　實際電磁轉(zhuǎn)矩達到上限，即TQ=-1時，應減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U5(101)來減小磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的幅值。&l

80、t;/p><p>　　類似地，我們用同樣的方法可以在S2,S3，S4，S5，S6扇區(qū)內(nèi)選擇合適的電壓空間矢量，并且零電壓矢量的使用應符合開關(guān)次數(shù)最小的原則，由此，我們可以獲得一個最優(yōu)的電壓空間矢量選擇開關(guān)表，如下表3.1所示:</p><p>　　表 3.1 電壓矢量開關(guān)表</p><p><b>　　3.5扇區(qū)判斷</b></p>

81、<p>　　對磁鏈的計算不僅包括幅值，還包括相位角，使用相位角判斷磁鏈所在的扇區(qū)，并將結(jié)果送到電壓矢量選擇（查表）模塊。360°被劃分成六個扇區(qū)S1,S2，S3，S4，S5，S6，每個扇區(qū)寬度為60º，本實驗中所采用的扇區(qū)劃分方法如下，即：</p><p>　　或者可以用定子磁鏈角θ來表示：</p><p>　　當-30°<θ<=30&

82、#176;時，處于扇區(qū)1</p><p>　　當30°<θ<=90°時，處于扇區(qū)2</p><p>　　當90°<θ<=150°時，處于扇區(qū)3</p><p>　　當150°<θ<=210°時，處于扇區(qū)4</p><p>　　當210°&

83、lt;θ<=270°時，處于扇區(qū)5</p><p>　　當270°<θ<=330°時，處于扇區(qū)6</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理進行了系統(tǒng)地分析和推導，對各個模塊進行了分析。</p><p>　　第4章

84、 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　4.1 空間矢量脈寬調(diào)制原理</p><p>　　與正六邊形的磁鏈軌跡不同，近似圓形的磁鏈軌跡舊是以SVPWM控制技術(shù)來實現(xiàn)。SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，相鄰的兩個非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量在時間上的不同組合，可以

85、得到該扇區(qū)內(nèi)的一組幅值相等相位不同的電壓空間矢量。從一個電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到另一個電壓空間矢量的過程中，應當使功率器件的開關(guān)次數(shù)最少，也就是說每次只有一個器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。通過控制各個電壓矢量的作用時間和不同電壓空間矢量的給出順序，使空間電壓矢量運動軌跡接近圓形，就可以便電機的磁鏈軌跡逼近圓軌跡。三相電壓型逆變電路如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 三相電壓型逆變電路</p>&l

86、t;p>　　由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù) Sx ( x = a、b、c) 為：</p><p>　　則一共可以組成8個電壓空間矢量，包括兩個零電壓矢量U0(000)、U7(111)和六個非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。在對異步電機進行分析和控制時，我們均需要

87、對三相進行分析和控制，可以引入Park矢量變換式：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　假設Sx ( x=? a、b、c)= (100)，有：</p><p>　　求解上述方程可得：UaN=2Udc /3、UbN=-U dc/3、UcN=-Udc /3，則代入Park矢量變換式可得：</p><

88、;p>　　按照此種計算方式，我們可以計算出各個狀態(tài)下的空間電壓矢量，如下表4.1所示：</p><p>　　表4.1 空間電壓矢量</p><p>　　(1)逆變器的六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們以周期性的順序出現(xiàn)，相鄰的兩個矢量之間相差60度。</p><p>　　(2)電壓空間矢量的幅值不變，都等于2/3Ud，因此六個電壓空間矢量

89、的頂點構(gòu)成了正六邊形的留個頂點。</p><p>　　(3)依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的六個電壓空間矢量的順序是：U4（100），U6（110），U2（010），U3（011），U1（001），U5（101）。</p><p>　　(4)零電壓矢量U0（000）,U1（111）位于正六邊的中心。</p><p>　　八個基本電壓空間矢量的位置與幅值如下圖4.2所示：<

90、;/p><p>　　圖4.2 電壓空間的位置與幅值</p><p>　　在每一個扇區(qū)中，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意期望電壓空間矢量，即：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　　或者等效成下式：</b></p&g

91、t;<p>　　其中，Uref 為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對應兩個非零電壓矢量Ux、Uy 和零電壓矢量U0在一個采樣周期內(nèi)的作用時間；其中U0包括了U0和U7兩個零矢量，矢量Uref在T時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果應與Ux、Uy、U0分別在時間Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果總和相同。</p><p>　　要使電壓空間矢量的運動軌跡趨近于圓形，從而使磁鏈的軌跡接近于圓形，可以利用

92、上述的電壓向量合成技術(shù)，在電壓空間向量上，將設定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個小增量，每一個小增量設定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設定電壓向量就等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。</p><p>　　4.2 期望電壓空間矢量的獲得</p><p>　　要獲得更多邊形

93、或是接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。我們可以用八個基本空間矢量合成其他多個矢量。</p><p>　　按照空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個有效工作矢量來合成期望的</p><p>　　輸出矢量。本文采用一種基本的方法，在合成空間電壓矢量時，八個電壓矢量</p><p>　　的組合應遵循以下原則：</p>

94、<p>　　(1)以降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗為原則，從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開</p><p>　　關(guān)狀態(tài)的切換應只有一個開關(guān)器件的狀態(tài)發(fā)生改變。</p><p>　　(2)以減小轉(zhuǎn)矩脈動和諧波分量為原則，我們采用零矢量集中的實現(xiàn)方法。</p><p>　　任一期望電壓矢量應由與該電壓矢量相鄰的兩個非零電壓矢量和兩個零電壓矢量合成。</p>

95、<p>　　三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為ω=2πf，旋轉(zhuǎn)一周所需的時間為 T =1/ f ；若載波頻率是 fs ，則頻率比為 R = f s / f 。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成R個小增量，即設定電壓向量每次增量的角度是 ：</p><p><b>　　? ?</b></p><p>　　今假設欲合成的電壓向量Uref 在第Ⅰ區(qū)中第一個增量的

96、位置，如圖4.3所示，欲用 U4、U6、U0 及 U7 合成，用平均值等效可得：U ref*Ts =U 4*T4 +U 6*T6 。</p><p>　　圖 4.3 電壓空間向量在第Ⅰ區(qū)的合成與分解</p><p>　　在兩相靜止參考坐標系（α，β）中，令 Uref 和 U4 間的夾角是θ，由此可得方程：</p><p><b>　?。?.3）</b

97、></p><p>　　因為 |U 4 |=|U 6|=2Udc/3 ，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時間為： </p><p>　　式中 m 為SVPWM 調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比）， m=|Uref|/Udc 。</p><

98、;p>　　而零電壓向量所分配的時間為：</p><p>　　T7=T0=(Ts-T4-T6 ) /2

99、 </p><p>　　得到以 U4、U6、U7 及 U0 合成的 Uref 的時間后，接下來就是如何產(chǎn)生實際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM 調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負載電流較大的時刻的開關(guān)動作，最大限度地減少開關(guān)損耗。</p><p>　　4.3 SVPWM調(diào)制算法</p><p>

100、;　　通過以上 SVPWM 的法則推導分析可知要實現(xiàn)SVPWM信號的實時調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量 Uref 所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶俊ｋ妷菏噶空{(diào)制的控制指令是控制系統(tǒng)給出的矢量信號 Uref，它以某一角頻率ω在空間逆時針旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個600扇區(qū)中時，系統(tǒng)計算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應的狀態(tài)去驅(qū)動功率開關(guān)元件動作。當控制矢量在空間旋轉(zhuǎn) 360&#

101、176;后，逆變器就能輸出一個周期的正弦波電壓。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)原理進行了細致的分析，了解了SVPWM波</p><p><b>　　是如何調(diào)制出來的。</b></p><p>　　第5章 基于SVPWM異步電機直接轉(zhuǎn)矩

102、控制系統(tǒng)</p><p>　　5.1 基于 SVPWM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)</p><p>　　基于SVPWM 的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1 基于SVPWM 的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如何將SVPWM 技術(shù)應用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是確定需要調(diào)制的控制量。美國學者 Ha

103、betler 提出的無差拍控制技術(shù)是在一個控制周期內(nèi)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差計算出能使誤差為零的定子電壓矢量，并在下一個控制周期中使用 SVPWM 技術(shù)將其合成來實現(xiàn)控制[19]。無差拍技術(shù)能在理論上完美解決 DTC 存在的問題，但實際計算量較大，不易實現(xiàn)。本文采用PI調(diào)節(jié)器獲得可以補償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的參考電壓量，再由SVPWM技術(shù)合成目標電壓矢量來控制逆變器，其方法直接簡單，利于實現(xiàn)。</p><p>　　DTC-

104、SVM系統(tǒng)包括定子磁鏈閉環(huán)、電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)。根據(jù)給定磁鏈|Ψs|*和磁鏈反饋|Ψs|之間的偏差ΔΨs ，給定轉(zhuǎn)矩Te*和反饋轉(zhuǎn)矩Te 之間的偏差ΔTe，經(jīng)過兩個PI調(diào)節(jié)器得到旋轉(zhuǎn)參考坐標系下的參考定子電壓矢量分量Usq*、Usd*，再經(jīng)反旋轉(zhuǎn)坐標變換得到靜止坐標系下的分量usα*、usβ*，作為SVPWM模塊的參考電壓矢量，得到恒定開關(guān)頻率的開關(guān)信號控制逆變器，從而實時地推導出任意大小、任意相位的電壓空間矢量施加在電機的定子繞組

105、上。</p><p>　　5.2 磁鏈定向方式</p><p>　　矢量控制系統(tǒng)中一般應用的是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，不過在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，一般使用的是按定子磁鏈定向。所謂的按定子磁鏈定向，是指繪出以WΨs 為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標系dq，以及靜止的坐標系αβ，WΨs 為定子磁鏈矢量Ψs相對于靜止α軸的旋轉(zhuǎn)角速度，d 軸與定子磁鏈矢量方向一致，由此定子磁鏈矢量方向與α軸的夾角，就可以作為dq/αβ

106、變換的變換角。</p><p>　　異步電機在以WΨs 為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標系d - q下的定子電壓矢量方程式：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　按此定子磁鏈定向，有Ψs=Ψsd+Ψsq即Ψs=Ψsd、Ψsq=0，定子電壓矢量方程可以改寫為：</p><p><b>　?。?.

107、2)</b></p><p><b>　　(5.3)</b></p><p>　　而電磁轉(zhuǎn)矩方程式可以改寫為：</p><p><b>　　(5.4)</b></p><p>　　由式（5.3）和式（5.4）可以得到：</p><p><b>　　(5.

108、5)</b></p><p>　　在此定向方式下，由方程5.2可知定子電壓矢量的d軸分量Usd可以產(chǎn)生定子磁鏈的控制量，由方程5.5可知，定子電壓矢量q軸分量Usq可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的控制量，也就是在一個控制周期內(nèi)，可以通過PI調(diào)節(jié)器得到消除磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓空間矢量。</p><p>　　DTC-SVM的扇區(qū)判斷</p><p>　　基于SVPWM的扇區(qū)劃

109、分如下圖5.2：</p><p>　　圖5.2 基于SVPWM的扇區(qū)劃分</p><p>　　空間電壓矢量Us*所處扇區(qū)位置的判斷可利用參考電壓矢量的分量和，與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的扇區(qū)判斷類似，Us所在的扇區(qū)由，，來決定，所以可定義方程組：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b&g

110、t;　　定義開關(guān)函數(shù)如下：</b></p><p><b>　?。?.7）令：</b></p><p>　　S 值與Us*所在扇區(qū)號的對應關(guān)系如下表5.1所示：</p><p>　　表5.1 S 值與扇區(qū)號的對應關(guān)系</p><p>　　上述扇區(qū)計算方式十分簡便，易于實現(xiàn)，這對于提高系統(tǒng)的響應速度具有很大的

111、意義。</p><p>　　5.4 空間電壓矢量調(diào)制</p><p>　　在每個扇區(qū)內(nèi)，可以利用兩個相鄰的作用時間不同的非零電壓矢量來等效合成所需要的期望電壓空間矢量Us*。假設Us位于I扇區(qū)，期望電壓空間矢量Us*可由兩個相鄰有效電壓矢量U4、U6和零電壓矢量來合成，則有下列方程成立：</p><p><b>　　(5.8)</b><

112、/p><p>　　其中，Ts 為一個采樣周期，Tx 、Ty 和T0 為U 4 、U 6 和零電壓矢量的作用時間。</p><p>　　SVPWM 的調(diào)制載波為等腰三角形，為了使輸出的 PWM波形在一個載波周期Ts內(nèi)對稱，本文采用了如圖 5.3（a）的Us*合成方式，該方法是把每個電壓矢量的作用時間都一分為二，同時將零矢量作用時間等分給U 0 和U 7。圖 5.3（b） 給出了I扇區(qū)中Us*

113、的 SVPWM 調(diào)制輸出波形，一個調(diào)制周期內(nèi)的開關(guān)順序為U0-U4-U6-U7-U7-U6-U4-U0這樣保證了每次電壓矢量切換時只有一個開關(guān)器件在動作，從而可以降低開關(guān)損耗和逆變器的輸出諧波。</p><p>　　圖5.3（a） 電壓空間矢量合成方式</p><p>　　圖5.3（b） 調(diào)制輸出波形</p><p>　　則由圖5.3（a）可得方程：</p&g

114、t;<p>　　6個非零電壓空間矢量的幅值都相等，且等于2/3Udc,則代入上式計算可得：</p><p>　　(5.9) </p><p>　　計算出Tx和Ty后，可由公式T0=Ts-Tx-Ty計算得到T0的值。</p><p>　　其他的扇區(qū)的計算方式與上面的計算方式完全一致，算出6個扇區(qū)后，可得如下規(guī)