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1、 黄石理工学院 毕业设计（论文）第一部分 直流调速系统摘 要近年来由于微型机的快速发展，数字交直流调速系统得到广泛应用。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。本设计是用8031单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统
2、实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。关键词：单片机 双闭环 直流调速系统 数字方式1 ABSTRACTWith the rapid development of microcomputer recent years, the digitization of oversea AC/DC speed Regulation system has achieved to a practical stage. As the hardware circuit of d
3、igital control system centered on microprocessor possesses the advantages that it has higher standardization and lower cost, and it wont be influenced by the temperature drift of devices. Furthermore, the control software of digital control system can carry out logical judgment and sophisticated cal
4、culation，and it can make the control rules which are different from the optimality, adaptive trait, nonlinear and intelligence of the ordinary linear adjustability come true. So the function of digital control system is much more superior to analog control system in every aspects, and is being used
5、widely.This design is a digital DC speed Regulation system constituted of 8031 single-chip computer, the characteristic is the single-chip computer replaced the hardware devices such as the analog trigger, current regulator, rotation regulator, and logical handoff .Finally putting together the softw
6、are, testing and computer simulation. The result of real time control indicates that the digital DC speed Regulation system realized the constant speed adjustability of the double closed-loop of electric current and rotate speed. This system also has the specialties such as simple structure, high co
7、ntrol accuracy, low cost and easiness to be spread. In addition, its entire performance index is better than that of analog DC speed Regulation system. As a result, the digital DC speed Regulation system could be applied into production and ordinary life to meet the needs of modern manufacture.Keywo
8、rds: Single-chip computer；Double closed-loop ；DC speed Regulation system；Digital model1 引 言早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工
9、作效率。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基
10、础。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。2 系统方案选择和总体结构设计2.1调速方案的选择2.1.1系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号Z2-62型，额定功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A,额定转速1450r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。本次设计选用的电动机型号Z2-62型，其具体参数如下表2-1所示：表2-1 Z2-62型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-614.22
11、3018.2514501.23.431在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。2.1.2电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体
12、积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的
13、电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.2总体结构设计若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值
14、以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起
15、动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能4。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。直流调速系统的框图如图1所示： 图1 直流双闭环调速系统结构图3主电路设计与参数计算3.1整流变压器的设计
16、1.整流变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中Udmax -整流电路输出电压最大值；nUT -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；Ush -变压器的短路比，对10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即A=/；B-延迟角为时输出电压Ud与之比，即
17、B=/；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3) 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取=125V。电压比K=/=380/125=3.04。2.一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得：=A=4.9A =A=14.89A3.变压器容量的计算 ； （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3=33804.9=5.6 KVA=312514.89=5.58KVA =1/2（5.6+5.58）=5.59
18、 KVA 取=10KVA4.晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值8，即 （3-8）由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 （3-9） =A =A取=20A。故选晶闸管的型号为KP20-6。5.晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=V=V （3-10）取=800V。6.晶闸管保护环节的计算 （1）交流侧过电压保护阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=5.59kvA, U2=125VIem取值：取I
19、em=10。=F=21.47F耐压1.5Um =1.5125=265V选取25F,耐压300V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5V，=4.55，选5 =0.98A =W=W选取5、20W的金属膜电阻。压敏电阻的计算 =V=230V流通量取5KA。选MY31-230/5型压敏电阻。（2）直流侧过电压保护一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 =(1.82.2)230V=414460V 选MY-430/3型压敏电阻。允许偏差+10（484V）。（3）晶闸管两端的过电压保护 查下表：表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/
20、F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.15F，R=80，电容耐压1.5=1.5125=460V选C为0.2F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为500V。=W=0.46W 选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。7.过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。（1）快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=10
21、.54A选取RLS-50快速熔断器，熔体额定电流25A。平波电抗器的计算（1）算出电流连续的临界电感量 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.05=0.0518.25A=0.91A=mH=105mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量平波电抗器的临界电感量 （3-12） 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=71.58mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）取=
22、8、=230V、=18.25A、n=1450r/min、p=1= mH =34.76mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取5%10%。本设计中取=3.9、=5所以= mH =1.33mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： mH （3-15）（5) 电枢回路总电感:=67.5834.7621.33 mH =105mH8励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取800V。额定电流（取=0）可查得K=0.367，=(1.52)0.3671.6A=0.881.2A 可选用ZP型3A、700V
23、的二极管。RPL为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ，动作电流通过RPI 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。9. 继电器-接触器控制电路设计 为使电路工作更可靠，总电路由自动开关引入，由于变压器一次侧电流，故可选CM1-100H型断路器，其脱扣额定电流为85A。用交流接触器来控制主电路通断，由于,故可选CJ20-16.在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器，吸引电流可在3/1065/100范围内调节，释放电流在1/102/
24、10范围内调节。选用AL18-22Y型按扭，启动按扭用绿色，并带有工作指示灯，停止按扭用红色。选用XDX2型红色指示灯。36 图2 主电路图电路 10.触发电路选择晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件计算出 ，V=5.22V。因为=5.22V，3V，所以触发变压器的匝数比为取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数.触发电路需要三个互差120，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY
25、型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。触发器的电路图如下图3所示：图3 集成六脉冲触发电路4 双闭环的动态设计和校验 4.1电流调节器的设计和校验（1）确定时间常数已知s，s，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037s。（2）选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。（3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.0038s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系数=。（4）校验近似条
26、件 电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=6.1640=246.4，取45，取0.9，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图4 电流调节器（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1。故。其结构图如下： 图5 转速调节器5.控制电路的设计1. 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V
27、的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。2 .控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示 图6 直流稳压电源原理图3. 反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。3.1测速发电机的选择因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表5-1 ZYS-14A型永磁直流测速发电机 型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。3.2 电流截止反馈
28、环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA100-S的输出电流为1.2/1000=1.218.25/1000=0.022A，输出电压为470.25=11.75V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。6 系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，
29、使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。6.1 系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图7所示。转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等。 图7 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型6.2仿真参数计算：电流反馈系数：电抗电
30、磁转矩时间常数： 电机电磁转矩时间常数：三相晶闸管平均失控事件：电流环时间常数：又 按典I系统电流环参数计算： =T1=0.022s转速环参数计算：其中h取5。Ce=0.1435V.min/r,Tm=0.28s.6.3 系统仿真结果的输出及结果分析面分析一下仿真的结果。当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图8-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。图8 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开
31、环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。7.总结本设计用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、锁零单元和电流自
32、适应调节器等，从而使直流调速系统实现数字化。用软件编程完成电流、转速等各项参数的计算，实现最优化调节。本设计采用采用了MCS-51系列中的8031单片机，在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。在以往的数字化直流调速系统中转速常用测速发电机来检测，这种模拟测速方法的精度不够高，在低速时更为严重，很难保障生产的高效、安全运行，所以在本次设计中测速采用了目前较先进的旋转编码器测速，
33、即数字测速。数字测速不仅精度高，而且安全稳定、维护方便，同时采用M/T数字测速方法，兼备了M法和T法测速的优点，有效地扩大了调速范围。本设计最后通过MATLAB系统仿真取得了良好的结果，各项性能指标都能够满足实际生产的要求。第二部分 直接转矩控制的建模与仿真摘 要直接转矩控制系统的仿真对于研究直接转矩控制是非常重要的.本文首先介绍了直接转矩控制的基本原理和工作过程.然后在静止-参考坐标系下 ,推导出了基于 Simulink/ S函数的感应电机直接转矩控制系统的仿真模型 ,用 MATLAB/SIMULINK建立了异步电动机直接转矩控制动态仿真模型 ,同时对直接转拒控制系统六边形磁链和圆形磁桩轨迹
34、运行了仿真研究。该模型是深入研究直接转矩控制 系统的有效工具。关键词 直接转矩控制;MATLAB/SIMULINK; 仿真模型ABSTRACT In this paper ,the basic principle of Direct T orque Control is introduced. Then the simulation model of the direct torque control system based on SimulinkP S function is deduced in the static -reference frame ,and the modules o
35、f the simulation model are introduced in detail . The dynamic simulating model of Direct Self Control of Inductioon Motor is founded in this paper.Through the simulation research about hexagon flux trace and ring flux trace to DSCsystem,the result shows that the Simulation Model is a effective tool
36、to the study of DSC system. Key words:direct self-control; MATLAB/SIMULINK;simulation model1 引言直接转矩控制变频调速技术，是20世纪80年代由德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本学者Takahashi提出的。它用空间矢量分析方法，在二相静止坐标系下计算、控制异步电动机的磁链和转矩，采用两点式调节产生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。直接转矩控制技术自诞生起就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的注意和得到迅速的发展。直接转矩
37、控制（DTC）是在空间矢量调速理论的基础上发展起来的一种新型交流电动机调速策略，其基本思想是根据交流电动机的转矩要求，直接选择合适的定子电压空间矢量，实现交流电动机电磁转矩的快速响应。由于直接在定子两相静止坐标系统下分析交流电动机的数学模型，将定子磁链与电磁转矩作为被控制量，根据给定转矩与实际转矩以及给定定子磁链与实际定子磁链的偏差来直接选择电压矢量,从而避免了矢量控制中许多复杂的矢量变换计算。所以直接转矩控制策略具有控制方式简单、转矩响应快、便于实现全数字化等优点。直接转矩控制在异步电动机调速系统中的应用已经比较成熟，但在永磁同步电动机（PMSM）伺服控制系统中的应用研究相对滞后。由于永磁同
38、步电动机具有体积小、重量轻、运行可靠、功率密度高等诸多优点，将DTC控制策略应用于永磁同步电机控制中，以提高电机的快速转矩响应，成为研究者关注的课题究的热点课题。 Matlab Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的可视化软件包，用户利用该软件包可以迅速建立起各种连续、离散或者混合的线性和非线性系统，可以在仿真过程中方便直观地观测系统各处的动态变化，方便地对结果进行分析。Simulink包含许多的模块库，利用这个仿真软件，使得研究人员不必再将大量的精力用于编写程序，用户只需要利用鼠标点击、拖动所需的模块进行操作。总之，利用Simulink软件来建模仿真是非常方便的。2 直接
39、转矩控制的简介2.1 直接转矩控制理论直接转矩控制的核心思想是以转矩为中心来进行磁链、 转矩的综合控制。通过检测电机定子电压和电流 ,利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法 ,直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型 ,计算与控制异步电动机的磁链和转矩。它采用离散的两点式调节器(and-and控制) ,把转矩检测值与转矩给定值作比较 ,使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 ,并产生 PWM脉宽调制信号 ,直接对逆变器的开关状态进行控制 ,以获得高动态性能的转矩输出。为了获得高精度的速度控制，定子磁链轨迹就希望被控制成圆形。于是，日本学者提出了圆形磁链轨迹的直接转矩控制
40、方案，即控制定子磁链矢量沿着近似圆形的轨迹运动。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制是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转矩。采用定子磁场定向，借助于离散的二点式调节(Band一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。与空间矢量控制相比，其主要优点在于它摒弃了空间矢量控制思想，直接对电机的磁链和转矩进行控制，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向。避开了电机中不易确定的参数(转子电阻):因定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以
41、使得磁链的估算更容易、更精确，受电机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和定子磁链的偏差来确定电压矢量，与以前的调速理论相比，它具有控制直接、计算过程十分简化的优点。这种系统可以实现很快的转矩响应速度，但是却引起了电流和转矩的脉动，低速性能差，调速范围受到限制。2.2 研究的主要内容目前在高性能交流调速系统中实际效果较好的主要为磁场定向控制系统（矢量控制系统）和直接转矩控制系统。本文在阅读大量国内外文献的基础上，对直接转矩控制系统进行了仿真和一些实验研究，在定子磁链的观测、低速性能的改善方面都有一定的改进和提高，内容如下。(1) 对直接转矩控制理论进行了深入研究，充分总结了
42、前人对该控制理论所提出的各种优化措施及方案。(2) 叙述了直接转矩控制的原理，并建立了相应的数学模型和仿真模型。讨论了几种定子磁链模型及其优缺点。最后介绍了用于本文所研究的直接转矩控制调速系统的控制方案，并通过仿真实验验证方案的有效性。(3) 利用现有条件结合硬软件系统合理搭建实验平台，完成系统仿真及结果分析。直接转矩控制的实质是定子磁链定向控制，是一种特殊的定子磁链定向控制，采用此方案有以下优点：(1) 控制算法较为简单，可以直接在静止坐标系上进行矢量分解运算，摒弃了复杂的矢量变换与计算，大大减少矢量控制的性能易受参数变化影响的问题，鲁棒性好。(2) 可较为方便的对定子磁链的幅值和形状加以控
43、制，并且能对转矩进行直接控制，使系统在整个调速范围具有快速的动态转矩响应，是DTC最突出的优点。(3) 定子磁链矢量、定子电压矢量和开关状态关系一一对应，系统特别适合利用DSP实现全数字化。 3 直接转矩控制的基本原理及方案3.1 直接转矩控制的原理图3-1 直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制的结构原理如图3-1 所示 ,它由逆变器、 磁链估算、 转矩估算、 磁链位置估算、 开关表和调节器等部分组成。其工作过程如下:首先由检测单元检测出电机定子电流和电压值、实际转速。输入到感应电机数学模型模块计算出、 和转矩实际值 Te。 和通过磁链计算单元 ,得到了定子磁链s的幅值|s| 和所在区间信号
44、SN。磁链模型转矩模型3.2 直接转矩控制的基本思想任何电动机，无论是直流电动机还是交流电动机，都由定子和转子两部分组成。定子产生定子磁势矢量 Fs，转子产生转子磁势矢量 Fr，二者合成得到合成磁势矢量 F。F产生磁链矢量 m。由电机统一理论可知，电动机的电磁转矩是由这些磁势矢量的相互作用产生的，即等与他们中任何两个矢量的矢量积。Tei = Cm(Fs Fr) = Cm Fs Frsin (Fs，Fr) = Cm(Fs F) = Cm Fs Fsin (Fs，F) = Cm(Fr F) = Cm Fr Fsin (Fr，F) （2.1）式中，Fs、Fr、F分别为矢量 Fs、Fr、F的模；（Fs、Fr） 、（Fs、F） 、（Fr、F）分别是矢量 Fs 和 Fr、Fs 和F、Fr和F之间的夹角。异步电
