直接轉矩控制交流調速系統的轉矩數字調節器

電子通信論文編號:TX072       論文字數:21418,頁數:51

目錄
第一章  緒論  3
1.1 直接轉矩控制技術的發展及其現狀  3
1.1.1 直接轉矩控制技術的誕生   3
1.1.2 直接轉矩控制的特點  4
1.1.3 直接轉矩控制的現狀  5
1.2 直接轉矩控制的發展方向及存在的問題   6
1.2.1 直接轉矩控制的發展方向  6
1.2.2 直接轉矩控制存在的問題  7
1.3 課題目標及論文主要內容   7
第二章 直接轉矩控制系統的組成和基本原理   8
2.1 異步電動機數學模型的基本方程  8
2.1.1 異步電動機的數學模型  8
2.1.2 逆變器的8種開關狀態和逆變器的電壓狀態  10
2.2 電壓空間矢量  12
2.2.1 電壓空間矢量的概念  12
2.2.2 電壓空間矢量對定子磁鏈的影響   13
2.4 磁鏈自控制   15
2.4.1磁鏈開關信號正確選擇的實現  16
2.4.2 低速時磁鏈的正反轉   17
2.5 轉矩調節器   20
2.5.1 轉矩調節器   20
2.5.2  P/N調節器   20
2.6 磁鏈調節   21
2.6.1 磁鏈調節器   21
2.6.2 磁鏈幅值構成單元   22
2.7  本章小結  22
第三章 轉矩數字調節器  23
3.1 電壓空間矢量對電機轉矩的影響   23
3.2轉矩調節器  24
3.2.1轉矩調節器調節過程  24
3.2.2 定子磁鏈空間矢量最大的軌跡速度   25

3.2.3定子磁鏈空間矢量的平均軌跡速度  25
3.2.4 由轉矩調節器所決定的逆變器頻率的估計  26
3.2.5 轉矩上升與下降時間  28
3.3 P/N調節器  29
3.4 電壓狀態的選擇  30
3.5 轉矩數字調節器的軟件開發  35
3.6 本章小節  37
第四章 直接轉矩控制系統的建模與仿真   38
4.1 直接轉矩控制系統的基本原理  38
4.2 系統仿真的實現   39
4.2.1 系統各模塊仿真模型  39
4.2.2系統仿真模型及仿真運行  43
4.3 仿真結果及分析  44
4.3.1 系統高速運行仿真結果分析   45
4.4 本章小結   46
第五章  總結與展望   47
5.1 完成的主要工作   47
5.2 進一步研究工作  48
致謝   49
參考文獻   50

第一章  緒論
直接轉矩控制技術是本世紀80年代中期發展起來的新技術。它是繼矢量變換之后，且與之并行發展的一種新型高性能的交流調速傳動的控制技術。因為具有控制手段直接、結構簡單、性能優良的特點而引起了人們的極大關注。該方法主要是屏棄了矢量控制中解耦的思想，將轉子磁通定向更換為定子磁通定向，由于定子磁通定向只牽涉到定子電阻，因而對電機參數的依賴性大為減弱。另外，直接轉矩控制通過轉矩偏差和定子磁通偏差來確定電壓矢量，不需要象矢量控制那樣進行復雜的坐標變換，計算過程大為簡化。目前該技術已成功地應用在電力牽引中的大功率交流傳動上。德國、美國、日本都競相發展此項新技術。
1.1 直接轉矩控制技術的發展及其現狀
1.1.1 直接轉矩控制技術的誕生
直接轉矩控制變頻調速技術，德語稱之為DSR（Direkte Selbstregelung）。，英語稱之為DSC（Direct self-control）,是近10來繼矢量控制變頻調速技術之后發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術[1]。
自70年代矢量控制技術發展以來，交流傳動技術就從理論上解決了交流調速系統在靜、動性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術模仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現了對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解耦[2]。它的提出具有劃時代的重要意義。然而。在實際上由于轉子磁鏈難于準確觀測，由于系統特性受電動機參數的影響較大，以及在模擬直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換的復雜性，使得實際的控制效果難于達到理論分析的結果。這是矢量控制技術在實踐上的不足之處。
1985年由德國魯爾大學的德彭布羅克（depenbrock）教授首次提出的直接轉矩控制(DTC)理論，接著1987年把它推廣到弱磁調速范圍。不同于矢量控制技術，直接轉矩控制有著自己的特點。它在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性容易受電動機參數變化的影響、實際性能難于達到理論分析結果的一些重大問題[3]。
直接轉控制技術一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統結構，優良的靜、動態性能受到了普通的注意和得到迅速的發展。在短短不到10年的時間里已經取得了很大的進展。

1.1.2 直接轉矩控制的特點
直接轉矩控制有以下幾個主要特點[1]：
a.直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。他不需要將交流電機與直流電機作比較、等效、轉化；既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學模型。它省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。因此，他所需要的信號處理工作特別簡單，所需要的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。
b.直接轉矩控制磁場定向所采用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題。
c.直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數學模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。
d.直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果。它包含有兩層意思：①直接控制轉矩；②對轉矩的直接控制。
1）直接控制轉矩  與著名的矢量控制的方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來見解控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量，直接控制轉矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強調磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉矩的角度出發，它強調的是轉矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。
2）對轉矩的直接控制  直接轉矩控制技術對轉矩實現直接控制。其控制方式是，通過轉矩兩點式調節器把轉矩檢測與轉矩給定植作帶滯環的比較，把轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小，由頻率調節器來控制。因此它的控制效果不取決于電動機的數學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況。它的控制既直接又簡化。
e.綜上所述，直接轉矩控制技術，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉矩，采用定子磁鏈定向，借助于離散的兩點式調節（Band-Band控制）產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。它省掉了復雜的矢量變換與電動機數學模型的簡化處理，沒偶通常的PWM信號發生器。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。該控制系統的轉矩響應迅速，限制在一拍以內，且無超調，是一種具有高靜動態性能的交流調速方法。