电动机的直接转矩控制设计及仿真（毕业论文）

和人工神经网络的DTC系统，控制性能得到了进一步的改善和提高。对于研究直接转矩控制系统的人们来说了解直接转矩控制系统的发展现状有助于他们更好的改进直接转矩控制系统的性能，以便于用自己的研究更好服务社会。

直接转矩控制系统的性能是借助于控制环节来实现的，改善和优化各个环节的结构，必然有利于控制系统性能的提高。下面简要介绍一些对直接转矩控制中各控制环节的改进研究情况。

(l)磁链调节器和转矩调节器的细化改进

传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据各滞环的输出结果来确定当前的电压矢量。因为不同的电压矢量在不同的瞬间对转矩和定子磁链的调节作用互不相同，所以，只有根据当前转矩和磁链的实时偏差合理地选择电压矢量，才有可能使转矩和定子磁链的调节过程达到比较理想的状态。有人提出了通过改进转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了转矩和定子磁链的偏差区分，提高了系统的性能。磁链调节器和转矩调节器在结构上相同。

(2)新型开关状态选择器的研究

用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁链调节时，需要人为设定触发器的容差，其大小与系统的性能密切相关。为减少人为因素对系统性能的影响，有文章提出了将各种先进的智能控制理论应用于直接转矩控制的新方案，通过应用各种智能控制理论如模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态，异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究完全抵消了触发器的容差影响，使性能改善更加明显。 (3)电压矢量选择方式的改进

直接转矩控制通过定子磁链定向对转矩进行直接控制从而选择电压矢量，虽然在各控制周期的开始时刻控制效果最佳，但是整个控制周期内的效果却未必最好。为了改善这种情况，减小转矩的脉动，一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方法—预期电压法:首先根据转矩偏差、磁链偏差和转速计算出一个能达到最佳控制的预期电压，然后用电压型逆变器的6个工作电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它，计算出各自的工作时间，然后用零电压补足采样周期。 (4)低速性能的改善

传统的直接转矩控制系统中，低速时定子磁链的观测受定子电阻影响较大，因此如何准确地检测定子电阻的实时变化，一直是改善系统低速性能的首要问题。近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题。在一些文献里提到了一种基于模糊控制的定子电阻

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在线观测器。该观测器把对定子电阻值影响比较大的三个因素—定子电流、转速和运动时间作为输入量，以定子阻值的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改善。最近又有人提出了用神经网络来实现定子电阻观测器，实验结果也证明是可行的，但具体的网络结构还有待研究完善。

总之，直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步，科技的进步又进一步促进了直接转矩控制技术的迅猛的发展，相信在不久的将来应用了高科技的直接转矩控制技术会给社会带来巨大的生产力。

1.3课题研究的背景、目的及其意义

在我们的日常生活中，电机传动设备已经深入到社会生活的各个领域。在能源开采、工业生产以及交通物流等等领域中，电机传动设备更是必不可少的，可以说它与我们的生活息息相关。在这些电机传动设备的应用领域中，比如风机水泵、港口起重设备、风力发电机等等还有对电机进行调速的需求。交流异步感应电动机具有结构简单、运行稳定、成本低廉以及维护简单的特点，在其中占据了绝大多数。统计表明，我国60％的发电量是通过各类电动机消耗的。而在使用的所有电机中，80％以上为功率在220KW以下的中小型交流感应异步电机。就交流调速系统本身来说，在很多港口码头、工厂车间、大型电站和大型船舶航天器的制造场所，对调速性能有着很高的要求，不仅要求速度精度高，还要求转矩响应精确迅速。目前，我国在相关技术的研究和产品化上跟国外先进水平还相去甚远。更重要的是，统计表明，在我国电机驱动系统的能源利用率极低，与国外平均水平相比要低20％，存在非常严重的电能浪费情况，这对我国本来就十分严峻的用电现状可以说更加不利。

因此，为了满足不断发展的实际需求，同时减小能源损耗，延长电机寿命，必须不断发展高性能、高精度的交流电机调速技术。这不仅关乎我们当前的经济发展，更重要的，因为它与能源开发和节约息息相关，还对我们未来的可持续发展有非常重要的意义。

但是，由于交流感应电机的数学模型具有多变量、高阶数、强耦合以及非线性等等特点，使得对其进行高效和精确的调速控制非常困难。近年来，随着电力电子技术、各种传感技术、现代控制理论以及高性能数字信号处理器(DSP)的出现和不断发展，交流电机调速的研究进入了一个高速发展的阶段，涌现出了很多卓有成效的调速控制算法。其中比较有代表性的几种调速控制方法如下：

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(1)基于恒压频比的标量控制技术，也称Ⅵ控制。

(2)基于磁链和转矩完全解耦的矢量控制技术，也称矢量控制。 (3)基于磁链和转矩直接控制的矢量控制技术，也称直接转矩控制。

在这些方法中，尤其以直接转矩控制最为引人注目。直接转矩控制技术是继Ⅵ控制和矢量控制之后发展起来的一种高性能的交流变频调速算法，最早是由德国教授Depenbrock和日本学者Takahashi提出的。它的主要思想是利用滞环比较器实现对定子磁链和电磁转矩的分别控制，结合扇区信息，通过一个开关表有选择地输出基本空间电压矢量，来控制电磁转矩和定子磁链按要求快速变化。相比于开环的Ⅵ控制，采取闭环控制的直接转矩控制具有不可比拟的控制精度，具有更好的转矩动态响应。相比于矢量控制，直接转矩控制采用了定子坐标系，摒弃了复杂的坐标变换和解耦过程，控制结构简单，易于实现，动态响应也更好。

但是，经典的直接转矩控制算法也存在一些明显的不足，主要有以下几条： (1)由于在控制过程中只考虑了转矩和磁链误差的方向性，而忽略了误差的大小，这经常导致在控制过程中误差超过滞环比较的带宽，从而使实际的转矩和磁链产生较大的脉动，影响实际性能。

(2)由于采取根据控制信号选取开关表控制逆变器开关的方法，必然导致逆变器的开关频率不能固定，变化较大，导致电流脉动大且会影响逆变器的使用寿命。

(3)在定子磁链观测时采用了U-I模型，导致在低速运行区间，由于死区效应、定子电阻压降以及采样噪声的影响，使得定子磁链观测结果产生较大偏差，严重影响直接转矩控制在低速区间的控制性能。

虽然直接转矩控制存在上述缺点，但是由于它较之其他算法的确存在巨大优势，而且其缺点可以随着新的控制技术以及高性能的数字信号处理技术的发展被不断克服，使得直接转矩控制技术的研究成为目前交流调速研究领域最大的热点。

目前，国外的直接转矩控制技术已经成功地实现了产品化，瑞典的ABB公司、Emtron公司等都有相关的变频器问世。而在国内，清华大学的李永东教授在低频区间性能改善和死区补偿方面提出了很多好的解决方案；上海大学的陈伯时教授也对直接转矩算法有非常深入和有成效的研究；四川工业大学在直接转矩控制用于电力机车方面有比较深入的研究。但是总体来说，我国针对直接转矩控制算法的研究目前还停留在理论研究和仿真实验的阶段，与世界先进水平还有很大的差距，要想拿出有我国自主知识产权的相应产品，还有很远的路要走。

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鉴于以上所述，对于直接转矩控制的研究以及尽早地产品化具有非常重要的实际意义和良好的经济前景。可以预见，具备宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能的直接转矩调速产品是未来发展的主流。因此，研究高性能的直接转矩控制算法是大势所趋，非常必要。

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