异步电机直接转矩控制系统研究(本科毕业设计).docx

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1、目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1 电机调速技术的发展概况11.2 直接转矩控制技术的发展现状21. 2.1直接转矩控制的现状及发展趋势21.2.2目前的热点研究问题及解决方法21.3本文所做的工作3第2章 直接转矩控制理论42. 1概述42. 2直接转矩控制的基本原理42.2.1 异步电机动态数学模型42. 3逆变器的输出电压状态及电压空间矢量62.3.1 逆变器输出电压状态62.3.2 电压空间矢量72. 4电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响81. 4.1异步电机的磁链观测模型82. 4. 2电压空间矢量对定子磁链影响93. 4. 3电压空间矢量对转矩的影响102. 5

2、直接转矩控制系统的基本组成112.1.1 磁链滞环调节器122.1.2 转矩滞环调节器122.1.3 开关信号选择单元132. 6低速范围内的解决方案13第3章异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真163. 1仿真软件MATLAB简介163. 1. 1MATLAB 语言163. 1.2软件构成163. 2仿真模型搭建及参数设置183. 3仿真结果及分析20第4章系统硬件电路的设计214. 1控制电路结构简介214. 2DSP (TMS320LF2407A)214. 3 3. 3V DSP与5V逻辑器件的混合接口问题234. 3. 1逻辑电平不同，接口时出现的问题234. 3.2系统接口实现方法2

3、41.4 转子速度的测量261.5 A/D采样电路261.6 6主电路结构框图271.7 7 IPM智能模块7MBP50RA120功能简述281.8 主电路的保护功能294. 9主电路的控制电源30第5章系统控制软件的设计开发314.1 系统软件总体设计315. 2软件模块345.1 1初始化模块345.2.2 串口通讯模块355.2.3 电流采样模块355. 2. 4电机转速采样模块365.2.5 P1调节模块37参考文献38致谢40异步电机直接转矩控制系统研究摘要：本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，在此基础上，通过Matlab/Simulink建立了各个模块的仿真模

4、型，构建了直接转矩控制仿真系统，对直接转矩控制方法的特点及其存在的问题进行了仿真分析研究，验证了直接转矩控制系统的可行性。但转矩脉动较大，针对这一缺点，本文利用双PI控制方法进行了改进，设计出一种非零电压空间矢量和零电压空间矢量控制器，改进了速度调节器以及开关状态表，结果表明，所提方案能极大的减小转矩脉动和转速响应时间，同时算法简单，易于实现。最后在方案论证的基础上，选择了电机控制专用芯片TMS320LF2407A为控制核心，设计了一个控制系统。在DSP集成开发环境下给出了系统软件。关键词：直接转矩控制；异步电机;Matlab/Simulink： DSPInduction Motor Dire

5、ct Torque Control SystemABSTRACT： The basic principle and structure of DTC have been introduced, on this ground,Using Matlab / Simulink build the simulation models which form the whole DTC simulationsystem. Then, DTC method prove to be of feasibility according to study and analyze thecharacteristic

6、of the simulation system. It is well established that conventional direct torquecontrol(DTC)suffers from high torque. A new controller of non一zero voltage space vectorand zero voltage space vector using double-pi is proposed. It improves the speed adjustor andinverter switching table- Simulation res

7、ults show that the proposed controller managed toreduce the torque ripple and minish the response time of speed. The algorithm is simple andeasy to implement.On the basis of the theory analysis of DTC system, a least control system based onTMS320LF2407A is proposed, including software designing and

8、hardware designing - Systemsoftware Was compiled under CCS- Finallg The thesis sums up the whole work ofstudy andpredict the direction offorwardstudy as well.KEYWORDS： Direct torque control； induction motor； Matlab / Simulink； DSP第1章绪论1.1 电机调速技术的发展概况自十九世纪后半期，电机发明以来已经历了一个多世纪，电力拖动已渗透了人类活动每一领域，从人们日常生活的

9、办公楼到冶金、化工、轻工等各行各业。上世纪九十年代以前，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统，因此直流调速拖动系统一直在调速领域占居优势。随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件如GTO、MOSFET、IGBT等的不断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。1971年，德国学者E

10、Blaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是把交流电机模拟成直流电机，通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般的，转子磁通检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电机内部埋设感应线圈以检测电机磁通，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁通的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接

11、法是应用中实现磁通检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态重构的方法来观测电机的磁通。这种方法便于实现,也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统复杂化。1985年，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一一直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电

12、机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。1.2 直接转矩控制技术的发展现状1. 2.1直接转矩控制的现状及发展趋势目前，在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，美国、意大利、韩国和法国紧随其后，使得直接转矩控制的应用发展逐步扩大。目前直接转矩控制技术己成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得良好的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用

13、。而传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进一步研究。仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊径。现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撑，它已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结：(1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问题对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网

14、络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性能。(2)磁链与转矩估计问题对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚至会导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效.解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义。(3)速度估计问题近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。(4)空载或者欠载条件下

15、如何优化参考的定子磁链问题。1. 2. 2目前的热点研究问题及解决方法异步电机直接转矩控制计算方便，控制结构简单，动态性能好。但在低速运行时，存在一些问题，这些问题成为目前DTC研究的热点。主要体现在以下两方面:(1)低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流和磁链的畸变非常严重。主要解决方法：(1.(1) 110模型。使用电流PI调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流相等,精度大大提高，但结构比较复杂。(L2)模糊定子电阻辨识器(FLI),以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过推论和解模，对定子电阻进行辨识御。(2)低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。主要解决方法：1)使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的控制电压波形。(2. 2)运用Fuzzy PI转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能控制,用软件来解决转矩脉动问题。3)引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低转矩脉动。