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直接转矩控制系统的低速性能研究 摘 要 直接转矩控制技术是既矢量控制技术之后发展起来的高速变频调速技术具有动态响应迅速。控制简单、受电机参数变化影响小的技术优势，能够获得非常好的动态性能。 本文首先介绍了异步电机直接转矩控制系统的基本原理和基本结构，搭建了各个模块的仿真模型和异步电机直接转矩控制系统的整体仿真模型，对直接转矩控制系统的动态和静态性能的进行分析研究，揭示了异步电动机直接转矩控制系统存在着低速转矩脉动较大的缺点。 接着，论文先分析了定子电阻的变化对异步电机磁链和转矩脉动的影响，进而分析了电压矢量作用时间的长短对异步电机转矩脉动的影响，在上述分析研究了电压矢量作用的长短对异步电机转矩脉动的影响，在上述分析研究的基础上，建议了一种采用在线定子电阻辨识与转矩预测控制相结合的控制方案，构成了改进的异步电机直接转矩控制系统。 关键词：直接转矩控制；异步电动机；圆形磁链；转矩脉动；转矩预测控制； 第一章 引言 1.1 交流调速技术的发展概况 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢.在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断.因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展，通过对这些器件门极(基极、栅极)的控制，既能控制导通又能控制关断，又称自关断器件。它不再需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关速度较高的电路。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率、高频化、智能化发展。80年代以后出现的功率集成电路(Power IC-PIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。 现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有： 基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制。 基于消除指定次数谐波的HEPWM控制。 基于电流环跟踪的CHPWM控制。 电压空间矢量控制SVPWM控制。 在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，因此目前应用最广。 由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 直接转矩控制是20世纪80年代中期提出的又一转矩控制方法，是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不