摘要
直接转矩控制技术是在20世纪80年代发展起来的一种交流调速技术，它是在定子坐标系下分析电机的数学模型，直接将定子磁链空间矢量和电磁转矩作为被控变量，对电磁转矩实现直接控制，控制方式更为简洁和快速，进一步提高系统的动、静态性能。但是其采用的交-直-交电压型逆变器给电网带来了谐波污染的问题。矩阵变换器具有能量双向流动、输入功率因数为1、输入输出正弦电流、不需要直流储能电容等优点，适用于交流调速的应用场合。
本文以“基于矩阵变换器供电的异步电动机直接转矩控制”为主题，首先在简单阐述了直接转矩控制的基本原理和数学模型的基础上，详细分析了直接转矩控制的六边形磁链轨迹和近似圆形磁链轨迹两种策略的控制方法，并对近似圆形磁链控制的控制策略进行了仿真研究。
其次针对矩阵变换器是功率器件较多，控制方法复杂的特征，从矩阵变换器的基本拓扑和工作原理出发，对矩阵变换器进行建模，引出了交-直-交型虚拟等效电路和间接矢量调制策略，详细分析了间接空间矢量调制和直接空间矢量调制的算法，然后对间接空间矢量调制的矩阵变换器模型进行了仿真。
最后提出将矩阵变换器用于直接转矩控制的系统中，使得矩阵变换器和直接转矩控制的优点结合在一起，构成对电网无污染、高性能的交流调速系统。主要对基于矩阵变换器的DTC原理进行了分析，给出了控制系统框图，然后用MATLAB/SIMULINK软件搭建了仿真模型。仿真结果表明，该组合控制策略是一种高性能的调速系统。
Direct Torque Control technology is developed as a kind of AC DriveTechnology in the1980's. It’s a mathematics model for analysis of electricalmachines based on stator coordinate system. In the model, Stator Flux SpaceVector and Electromagnetic Torque are directly used as the controlled variables,to realize the direct control of the Electromagnetic Torque. The method is moresimple and rapid, so the dynamic and static performance of system has beenfurther improved. But the harmonic pollution problems had been caused byAC-DC-AC voltage type inverter.Matrix converter is of bi-directional powerflow, the input power factor1, the input and output sinusoidal current, withoutthe need for DC energy storage capacitors and other, these advantages made itapplicable to AC applications.
Based on matrix converter fed induction motor direct torque control，firstly，we simply elaborated the basic principle and the mathematical model ofdirect torque control. On this basis，we detailedly analyzed the controlmethods, the direct torque control of hexagonal and approximate circle fluxlinkage locus, and made research of simulation on the second strategy.
Secondly, considering the large number of power devices, and the complexfeatures of the control methods of the matrix converter, we modeled the matrixconverter based on its topology and working principle, put forward theAC-DC-AC virtual equivalent circuit and indirect space vector modulationstrategy, detailedly analyzed the modulation algorithm of direct and indirectspace vector, and then simulated the indirect space vector modulation model.
Finally, we used the matrix converter in direct torque control system, inorder to combine the advantages of the matrix converter and direct torquecontrol, and constitute a high performance AC speed regulation system with nopollution to electric network. Based on the DTC principle analyzation, we gavethe block diagram of the control system, and then set up the simulation modelusing MATLAB/SIMULINK. The results showed that the combined controlstrategy is a kind of control system with high performance.
引文
[1]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]胡崇岳主编.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]夏超英编著，交直流传动系统的自适应控制.机械工业出版社，1999.
[4]贾洪平，贺益康.用于直接转矩控制的自适应正交反馈补偿磁链观测器[J].浙江大学学报(工学版).2007，41(2)：278~281.
[5]姜文，贺昱濯.基于滑模定子电阻观测器的直接转矩控制[J].微特电机，2008，(2)：48~56.
[6]刘琳，沈颂华，刘强.小波网络在直接转矩控制系统低速运行中的应用[J].北京航空航天大学学报，2006，39(2)：1067~1071.
[7]张春梅，尔桂花.直接转矩控制研究现状与前景[J].微特电机，2000,（6）：25~28.
[8]韩建群，郑萍.基于BP神经网络的永磁同步电机直接转矩控制器[J].电机与控制应用，2008，35(2)：16~20.
[9]胡卫华,奚国华，喻寿益，桂卫华．一种改善直接转矩控制低速性能的DSVM改进策略[J].电气传动，2007，37(9)：11~14.
[10]高雅，刘卫国，骆光照.基于模糊控制的永磁同步电机直接转矩控制系统[J].微特电机，2008，(1)：40~42.
[11]李辉，朱建林，兰志勇等.利用模糊控制改善直接转矩低速性能的研究[J].电气传动自动化，2006，28(1)：32~33.
[12]蔡斌军，刘国荣.一种新型的改善直接转矩控制低速性能的磁链观测方法[J].电气传动，2007，37（4）：21~25.
[13]韩如成等.直接转矩控制及DSP在其中的应用[M].北京：兵器工业出版社，2004.
[14]李夙．异步电动机直接转矩控制(第一版)[M].北京：机械工业出版社，1999．
[15]张爱玲，杨文杰，韦文武.感应电动机直接转矩控制低速性能的改善[J].微特电机，2007(8)：52~54.
[16]孙艳霞，雷丹.异步电动机直接转矩控制的低速性能的改善[J].大连交通大学学报，2008，29(1)：55~58.
[17]石伟峰，王浙娜等.一种改进的直接转矩控制在舰炮拖动系统中的应用[J].海军航空工程学院学报，2008，23(1)：98~100.
[18]陈伯时.矩阵变换器的发展与展望.电工技术杂志.2000(10)：4~5.
[19]黄科元.矩阵式变换器的空间矢量调制及其应用研究.浙江大学博士学位论文．2005.
[20]王胜东.矩阵变换器与异步电机直接转矩控制的融合研究[D].硕士学位论文.2005(6).
[21] Keyhani，Hamid Reza, Zolghadri.An extended and improveddiscrete space vectormodulation direct torque control for induction motors [C].Aachen Germany：IEEE35THAnnual Power Electronics Specialists Conference.2004：3414~3420.
[22] X. D.Toro，M.G.Jayne，P.A.Witting.New Direct Torque Control Scheme for InductionMotors [J]，EPE Dresden，2005，(3)：893~897.
[23]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.
[24]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[25] A.Ishiguro,T.Furuhashi．A novel control method for forced commutated cycloconvertersusing instantaneous values of input line to1ine voltages.IEEE.Tram.IndustrialElectronics.1991，38(3).
[26] L.Ben brahim, S.Tadakuma Alper Akdag.Speed control of Induction Motor withoutrational Transducers[J].IEEE Trans.On IA，1999，35(4)：844~849.
[27] Cristion Lascu, Ion Bo ldea.A modified Direct Torque Control for Induction MotorSensorless Drive[J]. IEEE Trans. On Industry Applications，2000，36(1)：122~130.
[28] F. Zidan, D. Diallo, M.E.H.Benbouzid.Direct Torque Control of Induction Motor WithFuzzy Stator Resistance Adaptation [J]. IEEE Transactions On Energy Conversion，2006，21(2)：619~621.
[29] M. Depenbrock.Direct self-control (DSC) of inverter-fed induction machine [J]. IEEETransactions on power Electros，1988，3(4)：420~429.
[30]姚玮.采用离散空间电压矢量调制方法的异步电动机直接转矩控制[J].浙江工业大学学报，2002，30(1)：17~21.
[31] Takahashi, Youichi Ohmor. High-performance Direct Torque Control of an InductionMotor [J].IEEE Trans.on Ins.App，1989，25(2)：257~264.
[32]朱鹏程，康勇，陈坚.异步电动机直接转矩控制系统研究[J].电力电子技术，2003，(1)：44~46.
[33]廖晓钟，周乐芳.直接转矩控制的磁链控制方案[J].电机与控制学报,2005，(3)：190~195.
[34] Nik Pumzi Nik Idris, Abdul Halim Mohamed Yatim.Direct Torque Control of Inducti-on Machines with Constant Switching Frequency and Reduce Torque Ripple [J]. IEEETransactions on Industry Electronics,2004,51(4)：759~767.
[35]于学涛，汤钰鹏.基于双PI控制的异步电动机直接转矩控制系统的研究[J].通信电源技术，2007，24(6)：35~38.
[36]邓国璋，胡婵娟，万宇宾.直接转矩控制中定子磁链模型切换问题的研究[J].自动化技术与应用,2007，26(10)：79~81.
[37]杨祖泉，姚绪梁，舒小芳.感应电动机直接转矩控制系统的仿真研究[J].电机与控制学报，2004，8(4)：229~232.
[38]徐进，张学.基于SVPWM的DTC转矩脉动减小研究[J].电力自动化设备,2005，25(6)：41~43.
[39]姜志鹏.双空间矢量调制矩阵变换器的研究[D]．硕士论文．2006．06．
[40]陈伯时，陆海慧.矩阵式交-交变换器及其控制.电力电子技术.1999，(1)：8~11.
[41]朱贤龙，龚幼民，陈伯时．矩阵式变换器的研制现状和发展方向．电气传动自动化.1998，20(4)：3~7.
[42]矩阵变换器控制策略的仿真研究.苏光靖.合肥工业大学硕士论文.2009.
[43] Pinto. S. F. Femado, Silva. J.Input filter design for sliding mode controlled matrixconverters[C].IEEE PESC，01，2001：648~653.
[44]矩阵变换器供电同步电动机直接转矩控制研究.周扬忠，钟天云.电气传动.2008.
[45]张林亭，朱建林．矩阵式交—交变换器的空间矢量调制原理[J]．变频器世界，2001(8).26~31.
[46]郭前刚.矩阵变换器及其电机驱动控制系统关键技术研究[D].博士学位论文，2006(10).
[47]孙凯，周大宁，梅杨编著．矩阵式变换器技术及其应用．北京：机械工业出版社，2007(9)．
[48] T.Svensson, M.Alakiila.The modulation and control of a matrix converter synchro-nousmachine drive.EPE Frenze，1991，v01.4：469~476.
[49] P. D. Ziogas, S.Ikhan, M.H.Rashid.Some improved forced commutated cycloconverterStructures.IEEE. Ias.1985，21(5).
[50] L.Hubcr, D.Borohcvic.Space vetor modulation for foreed commutated cycloconverter.Conf.Rec.Annu.Meet.IEEE.Ias.1989：871~876.
[51]杨武.矩阵变换器控制技术研究[D]．硕士学位论文.2006.04．
[52] Kai Sun, LiPei Huang, Kouki Matsuse.A combined controller for induction motor fedby matrix convener[C]．proceedings IEEE peds2003，1：189~192．
[53] Ralph Kennel, Elwy El-kholy, Sabry Mahmoud, Abdou El-refaei, FaroukElkady.Improved direct torque control for induction motor drives with rapidprototyping system [J]．Energy Conversion and Management，2006，47：1999~2010.
[54]陈华英.基于DSP的矩阵变换器研究．广东工业大学硕士学位论文，2005.
[55] M.Venturini, A.Alesina．The generalized transformer：A new bi-directional sinusoidalWaveform frequency conventer with continuously adjustable input powerFactor.PECC，1980：243~252.
[56] C. L. Toh, N. R. N. Iris, A. H. M. Yatim.Constant and High Switching FrequencyTorque Controller for DTC Drives [J].IEEE Power Electronics Letters，2005，3(2)：76~80.
[57] E. Monmassona, J. P. Louis.Presentation of a control law for IM drive based on thedynamic reconfiguration of a DTC algorithm and a SVM-DTC algorithm[J].Mathematics and Computers in Simulation，2003，63(3-5)：321~333.