直接转矩控制交流调速系统的转矩数字调节器

范文编号:TX072       范文字数:21418,页数:51

第一章  绪论
直接转矩控制技术是本世纪80年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变换之后，且与之并行发展的一种新型高性能的交流调速传动的控制技术。因为具有控制手段直接、结构简单、性能优良的特点而引起了人们的极大关注。该方法主要是屏弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，由于定子磁通定向只牵涉到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减弱。另外，直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，不需要象矢量控制那样进行复杂的坐标变换，计算过程大为简化。目前该技术已成功地应用在电力牵引中的大功率交流传动上。德国、美国、日本都竞相发展此项新技术。
1.1 直接转矩控制技术的发展及其现状
1.1.1 直接转矩控制技术的诞生
直接转矩控制变频调速技术，德语称之为DSR（Direkte Selbstregelung）。，英语称之为DSC（Direct self-control）,是近10来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术[1]。
自70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦[2]。它的提出具有划时代的重要意义。然而。在实际上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。
1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克（depenbrock）教授首次提出的直接转矩控制(DTC)理论，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性容易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题[3]。
直接转控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普通的注意和得到迅速的发展。在短短不到10年的时间里已经取得了很大的进展。

1.1.2 直接转矩控制的特点
直接转矩控制有以下几个主要特点[1]：
a.直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。他不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，他所需要的信号处理工作特别简单，所需要的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。
b.直接转矩控制磁场定向所采用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。
c.直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。
d.直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思：①直接控制转矩；②对转矩的直接控制。
1）直接控制转矩  与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来见解控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。
2）对转矩的直接控制  直接转矩控制技术对转矩实现直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测与转矩给定植作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。
e.综上所述，直接转矩控制技术，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动机的转矩，采用定子磁链定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）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。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没偶通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。

目录
第一章  绪论  3
1.1 直接转矩控制技术的发展及其现状  3
1.1.1 直接转矩控制技术的诞生   3
1.1.2 直接转矩控制的特点  4
1.1.3 直接转矩控制的现状  5
1.2 直接转矩控制的发展方向及存在的问题   6
1.2.1 直接转矩控制的发展方向  6
1.2.2 直接转矩控制存在的问题  7
1.3 课题目标及范文主要内容   7
第二章 直接转矩控制系统的组成和基本原理   8
2.1 异步电动机数学模型的基本方程  8
2.1.1 异步电动机的数学模型  8
2.1.2 逆变器的8种开关状态和逆变器的电压状态  10
2.2 电压空间矢量  12
2.2.1 电压空间矢量的概念  12
2.2.2 电压空间矢量对定子磁链的影响   13
2.4 磁链自控制   15
2.4.1磁链开关信号正确选择的实现  16
2.4.2 低速时磁链的正反转   17
2.5 转矩调节器   20
2.5.1 转矩调节器   20
2.5.2  P/N调节器   20
2.6 磁链调节   21
2.6.1 磁链调节器   21
2.6.2 磁链幅值构成单元   22
2.7  本章小结  22
第三章 转矩数字调节器  23
3.1 电压空间矢量对电机转矩的影响   23
3.2转矩调节器  24
3.2.1转矩调节器调节过程  24
3.2.2 定子磁链空间矢量最大的轨迹速度   25

3.2.3定子磁链空间矢量的平均轨迹速度  25
3.2.4 由转矩调节器所决定的逆变器频率的估计  26
3.2.5 转矩上升与下降时间  28
3.3 P/N调节器  29
3.4 电压状态的选择  30
3.5 转矩数字调节器的软件开发  35
3.6 本章小节  37
第四章 直接转矩控制系统的建模与仿真   38
4.1 直接转矩控制系统的基本原理  38
4.2 系统仿真的实现   39
4.2.1 系统各模块仿真模型  39
4.2.2系统仿真模型及仿真运行  43
4.3 仿真结果及分析  44
4.3.1 系统高速运行仿真结果分析   45
4.4 本章小结   46
第五章  总结与展望   47
5.1 完成的主要工作   47
5.2 进一步研究工作  48
致谢   49
参考文献   50

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