论文总字数：20834字

摘 要

在交流电机出现后，人们一直没有找到理想的调速方案。然而随着科学技术在最近几十年的高速发展，以微电子技术，电力电子技术，以及现代控制理论为代表的一系列技术的高速发展为交流调速系统的研究提供了一条方便快捷的道路。这些技术的应用也使得交流系统在宽调速范围，快速响应，高稳定精度等方面的性能有了很大的提升。而具备转矩响应快，结构简单等非常优良特性的直接转矩控制技术便是其中具有代表性的一种交流调速技术，它是在矢量控制技术之后发展而来，并且自诞生以来，就因一系列的优点在各个方面取得了不俗的成绩。

本文首先回顾了直接转矩控制的发展历史并分析了国内外研究的现状。接着分析了感应电机在不同坐标下的动态数学模型。然后详细介绍了直接转矩控制技术和预测控制技术的具体理论内容以及它们的优缺点。在简要介绍完异步电机定子磁链观测方法之后，用matlab建立异步电机的仿真模型并对直接转矩控制进行了模拟仿真研究，得到了相关的波形。

论文通过仿真和分析，不仅验证了参数的合理性，还通过仿真结果的数据和图表体现了感应电机的工作原理和性能。

关键词：感应电机，直接转矩控制，预测控制。

Abstract

After the appearance of AC motor, it was proved to be very hard for people to find an ideal way to control the speed. But in recent decades, the rapid development of power electronics, microelectronics technology and modern control theory makes it possible for the study and development of AC variable speed product which gradually makes the AC system have very fast response, a wide speed range and good performance in accuracy and stableness. And the DTC is a newly developed way to control the frequency efficiently which comes after the vector control technology. Since it has a very simple structure, very quick response in torque control, it has achieved satisfying effects since its birth .

This article describes the history and current situation of domestic and international research on direct torque control. Then it analyzed the dynamic mathematical model of induction motor in different coordinates. Then the specific content and advantages as well as disadvantages of direct torque control and predictive control are expounded in detail. After a brief introduction of the induction motor stator flux observation method, a simulation study is carried out on direct torque control with matlab to obtain the relevant waveform.

Through simulation and analysis, the rationality of parameters is well verified. The data and charts through simulation reflect the working principle and performance of induction motor.

Key words : Induction motor, direct torque control, predictive control

目录

摘 要 2

Abstract 3

第二章 ：绪论 6

1.1课题的背景与意义 6

1.2国内外研究现状的介绍 6

1.2.1 直接转矩控制的现状： 6

1.2.2 预测控制的现状 7

1.3 课题应用前景 8

1.4 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 8

第三章 ：感应电机的建模 9

2.1感应电机的三相数学模型 9

2.2坐标变换 11

2.2.1坐标变换的基本思路 11

2.2.2三相- 两相变换（3/2变换） 12

2.2.3 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换） 14

2.3感应电机在静止两相正交坐标系中的动态数学模型 14

2.4 感应电机在旋转正交坐标系中的动态数学模型 16

第三章：转矩预测控制 18

3.1 直接转矩控制 18

3.1.1 直接转矩控制的发展史 18

3.1.2 直接转矩控制的理论介绍 18

3.1.3 直接转矩控制的现状及优缺点分析 21

3.2 预测控制 21

3.2.1 预测控制的发展史 21

3.2.2 预测控制的理论介绍 22

3.2.3 预测控制的现状及优缺点分析 24

3.3 转矩预测控制的原理 25

3.3.1 转矩预测控制的介绍 25

3.3.2 转矩预测控制的理论分析 26

3.3.3 通过离散空间矢量调制原理实现的转矩预测控制 27

第四章 感应电机定子磁链的观测方法 29

4.1 目前磁链观测的方法 29

4.1.1 传统的 u-i 积分器 29

4.1.2 低通滤波器的使用 29

第一章：绪论

1.1课题的背景与意义

近几十年来，交流电机的控制技术在电力电子技术、计算机技术高速发展的基础上，也取得了非常快速的发展，并且由于自身的优点己经开始逐渐替代传统的电机控制技术，在国民经济的许多领域发挥着越来越重要的作用。并且交流电机控制系统以结构简单，坚固耐用，动态响应好，惯量小，效率高，易于维护，经济可靠，适应环境广，易于向高压大容量发展等优点而正在逐步取代直流调速系统，并在传动领域正在逐步占据主导地位。现今，交流电机控制技术的发展方向是：更加的数字化，集成化和智能化。在交流调速控制技术的发展历史上先后有：调速控制技术，矢量调速控制技术，直接调速转矩控制技术以及目前正在逐渐成熟的智能调速控制。直接转矩控制技术是一种近年来发展起来的交流电机控制技术，因而它在交流电机控制领域成为了一个非常热门的研究对象。

除了转矩控制技术，还有从上世纪70年代问世以来的模型预测控制技术(Model predictive control,MPC)。预测控制针对控制问题有很好的优化作用。预测控制技术的应用，30多年来在复杂工业控制过程中取得了巨大的成功, 充分表现了它在复杂约束优化控制问题处理方面的巨大潜力。

直接转矩控制结构简单，鲁棒性比较强与控制快速的这些特点受到了各界普遍的关注，并且该技术已经成功地应用于大功率交流电机驱动系统。但是直接转矩控制技术在控制方面也有其不理想的一面，它给系统的稳态运行带来的严重问题有：转矩脉动大，定子磁链轨迹畸变，电流谐波成分重，等，究其原因，还是由于其容差形式的Bang-Bang控制模式。这个缺点在很大程度上给它的广泛应用产生了巨大的障碍。但如果将预测控制技术与直接转矩控制技术融合，产生新的交流电机控制系统的控制方法，将会很好的把问题解决。

1.2国内外研究现状的介绍

1.2.1 直接转矩控制的现状：

直接转矩控制技术在经过二十多年的发展之后已经日渐趋于成熟，世界各地的许多学者也纷纷从不同的角度提出了新的方法和思路。各种智能控制理论的快速发展，也给直接转矩控制的控制性能改善和提高创造了条件，同时也有许多的直接转矩控制系统出现了和模糊控制或人工神经网络相互协作的案例。

在国外，某些发达国家一直都在直接转矩控制技术开发方面处于领先地位。直接转矩控制技术已经在商用的变频器方面被成功的应用，并在工业、农业、国防及家电领域获得广泛的应用。在大功率电力机车牵引方面，我国已经将直接转矩控制技术成功地应用并取得了非常良好的效果。但是由于我国对这直接转矩控制技术的研究工作相对较晚的缘故，再加上当时国家的技术条件非常落后，技术基础薄弱，因此现在我国在这方面与世界先进水平还有很大的差距。但是另一方面，我国在机械制造等行业发展非常迅速，也为此技术提供了绝佳的成长空间。所以，我国要在学习并且吸收国际上先进经验，研发适用于自己的直接转矩控制技术。

在直接转矩控制技术中，非常明显的一个发展趋势是：多种智能化方法，经典和现代控制理论的应用和集成，多学科技术的交叉应用。但现在大部分智能控制技术的研究都局限于理论研究和仿真阶段，直接转矩控制技术发展的关键和核心任务便是进一步研究直接转矩控制中如何智能化的方法，集成的方法和效果，以及在实际工程操作中的应用问题。要想提高国内交流调速系统的整体控制水平，就要在快速引进吸收国外先进的控制技术的基础上，研发适合中国国情的交流控制技术。工程技术人员要把实现核心技术，核心设备的国产化作为自己毕生的责任。

1.2.2 预测控制的现状

预测控制属于一种很先进的过程控制方法，因而被学术界越来越多地吸引和关注，这是计算机控制算法的一个发展必然趋势。从技术的横向发展来看，预测控制目前基于线性时不变模型的算法研究日益成熟，并且有着诸多的成功用。在非线性控制领域中，由于非线性应用数学的发展不够完善，对预测控制的发展产生了很大约束，因此预测控制在发展方面显得相当不成熟，并且成功的应用实例亦是屈指可数。预测控制开始成为学术界关注的焦点也正是因为如此，并且也因此推动着预测控制理论和技术的不断向前和发展。在实际应用中,预测控制应用范围由于控制对象中非线性特性，时变特性的存在大打折扣。在研究方面，国外诸多公司从20世纪80年代起已投入大量精力开发出商业化的预测控制软件包。而使我国在这方面显得落后许多，目前除了有待进一步完善的多变量约束控制软件包(MCC)之外，至今我国在控制技术软件实现领域中鲜有突破。令人振奋的是，在国家不断提出理论研究与实际应用相结合的理论研究路线方针下，国内科研院校在高级过程控制实现技术方面投入更多的热情和精力。

1.3 课题应用前景

往往，人们对转矩控制系统和预测系统的研究往往还是从改善系统的某些性能方面出发。因此，人们提出了各种改进的措施来使得调速系统性能得到改善。同时，轻负载时损耗过大从而使得系统效率低下一直是传统控制策略存在的问题。有鉴于此，才有了本课题的研究交流电机转矩预测控制系统性能的设计与研究，以实现电机效率的优化。

1.4 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）

根据设计要求，掌握三相感应电机的转矩控制方法。研究出预测控制和转矩控制相结合的控制策略，用于三相感应电机。在电力电子仿真软件Saber中建立系统模型对设计结果进行仿真研究。对转矩控制交流驱动系统进行理论建模分析，并在实验室现有的条件上，确定了实验用主回路设计方案以及回路中各元器件参数的选择依据，在此基础上通过Matlab构建仿真模型，进行仿真分析以获得相应的结果。

第二章：感应电机的建模

异步电机的数学模型是一个高阶，非线性，强藕合的多变量系统。在建立其数学模型时我们按照惯例做以下假定：

①电机定子三相绕组和转子三相绕组完全对称，它们产生的磁动势在气隙中按照正弦分布；

②电机铁芯的导磁系数为无穷大，不考虑铁芯饱和的影响，从而可以将感应电机在各个绕组电流共同作用下产生的气隙合成磁场用叠加原理来获得；

③将频率和温度变化对绕组电阻的影响忽略，且不考虑电机的结构，都将它等效为绕线转子，并折算到定子侧。

电压方程，磁链方程，转矩方程和运动方程四个部分组成异步电机的数学模型。

2.1感应电机的三相数学模型

下图为三相异步电机的物理模型，定子的三相绕组轴线A，B，C是空间固定的，转子绕组轴线a，b，c以角速度ω随着转子旋转。

该模型的磁链方程为

=

由于

LAB = LBC = LCA = LBA = LCB = LAC = -Lms

Lab = Lbc = Lca = Lba = Lcb = Lac = -Lms

所以可以表示为

LAa = LaA = LBb = LbB = LCc = LcC = Lms cosθ

LAb = LbA = LBc = LcB = LCa = LaC = Lms cos(θ 2π/3)

LAc = LcA = LBa = LaB = LCb = LbC = Lms cos(θ-2π/3)

用分块矩阵表示为

=

电压方程为

uA = iARs

uB = iBRs

uC = iCRs

若把磁链方程带入电压方程，则得到

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