（农业机械化工程专业论文）基于dsp控制的隧道式微波加热系统.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 嘲谚期：尸秒孑乡、多 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名：易1 日觌：妒8 j6 、毛 日期：m 扩莎 福矬农林人学顾 ：t i j 究生论文 摘要 利熠隧道式微波加热设备对烟叶进行复烤实验，针对隧道式微波加热控制系统中物料温 度快速准确测量的需要，采用1 卜接触式测温装置( 红外测温装置) 测温，有效地解决了传统 的隧道式微波加热设备测温延时现象，并大大减小了测温传感器对被测对象的温度场的影 响，实现了温度的精确测鼍。为实时测出物料进出i = 1 温度z 、乃，为隧道式微波加热设备的 实时在线控制提供了重要的控制条件。 采用直接转矩控制( d t c ) 的交流调速方法( a s d ) ，并针对该方法存在的转矩误差与磁 链误差，稳态运行时转矩、磁链、电流脉动的问题。在常规的异步电动机直接转矩控制策略 中引入了模糊控制逻辑，用模糊控制器来取代传统直接转矩控制中的转矩和磁链b a n g - b a n g 控制器，优化空间电压矢量的选择，达到既提高控制系统的鲁棒性与快速性，又能发挥传统 d t c 技术，减弱了系统的抖振的效果。 根据微波加热设备的实时在线控制理论、直接转矩控制原理和模糊理论，构建出模糊模 型的异步电动机直接转矩控制模型，根据m a t l a b 仿真得到传统d t c 和模糊d t c 的性能对比 图的比较，得出了模糊直接转矩控制的性能更优越的结论。搭建了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心模 糊型的异步电动机直接转矩控制系统，实验结果验证了在测温和转矩控制达到了预期设计要 求。 ， 关键词：微波加热设备直接转矩控制模糊控制数字信号处理器异步电动机m a t l a b 福建农林人学硕。f ：研究生论文 a b s t r a c t u s i n gt u n n e lm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，w eh a dr e d r y i n ge x p e r i m e n t so nt o b a c c o w i t h t h en e e do ff a s ta n da c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h em a t e r i a l s t e m p e r a t u r ei nt h et u n n e lm i c r o w a v e h e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，w eu s e dt h e n o n c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e v i c e s ( i n f r a r e d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e v i c e ) i te f f e c t i v e l ys o l v e dt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e l a y p h e n o m e n o no ft h et r a d i t i o n a lt u n n e lm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，a n dg r e a t l yr e d u c e dt h ee f f e c t o ft e m p e r a t u r es e n s o ro nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fm e a s u r e do b j e c t ，a c h i e v e dt h e p r e c i s e m e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r e i tp r o v i d e da ni m p o r t a n tc o n t r o lc o n d i t i o nf o r t h er e a l t i m e t e m p e r a t u r e ( t 1 ，t 2 ) m e a s u r e m e n to fi m p o r ta n de x p o r tm a t e r i a l s ，a n dt h er e a l t i m eo n - l i n e c o n t r o lf o rt u n n e lm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t w eu s e dt h ea cv a r i a b l es p e e dm e a t h o d ( a s d ) o fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) b u tt h e r ea r e s o m ep r o b l e m si nt h em e a t h o d ，s u c ha st o r q u ee r r o r , f l u xe r r o r , a n dt o r q u e ，f l u x ，c u r r e n tp u l s ei n t h es t e a d yr u n n i n g s ow ei n t r o d u c e dt h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt ot h ec o n v e n t i o n a li n d u c t i o nm o t o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y i tu s e df u z z yc o n t r o l l e rt or e p l a c et h et o r q u ea n df l u xb a n g - b a n g c o n t r o l l e ro ft h et r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a n do p t i m i z e dt h ec h o i c eo fs p a c ev o l t a g ev e c t o r i tn o to n l yi m p r o v e dt h er o b u s t n e s sa n dr a p i do ft h ec o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s od i s p l a y e dt h e t e c h n o l o g yo ft r a d i t i o n a ld t c ，a n dw e a k e n e dt h es y s t e mb u f f e t i n ge f f e c t s a c c o r d i n gt ot h er e a l t i m eo n - l i n ec o n t r o lt h e o r yo fm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，t h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o lp r i n c i p l e ，a n dt h ef u z z yt h e o r y , w ec o n s t r u c t e dt h ei n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u e c o n t r o lm o d e lf r o mt h e f u z z ym o d e l a c c o r d i n gt o t h e p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e n t r a d i t i o n a ld t ca n df u z z yd t co fm a t l a bs i m u l a t i o n ，w em a d eac o n c l u s i o nt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o li ss u p e r i o r w eb u i l tt h ef u z z yi n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e ma tt h ec o r et ot m s 3 2 0 f 2 8 1 2 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dt o r q u ec o n t r o la c h i e v e dt h ee x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l l e r , d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , i n d u c t i o nm o t o r ，m a t l a b 2 福建农林大学颀i ：研究生论文 第一章绪论 1 1 微波加热的原理及其应用 微波指波长范围1 咖1m ，频率范围3 0 1 0 2 m h z 一3 0 1 0 5 m h z ，具有穿透特性的电磁 波。微波加热的基本原理是在微波加热过程中，使物料中的极性分子( 如水分子) 的极性取 向随外加磁场的变化而变化，致使分子间产生急剧、高速的碰撞和摩擦，导致被加j ：物料温 度升高，它是微波与物料直接相互作用，将高频电磁波的能量转化为热能。目前j 泛应用于 加热的微波是频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 。 微波加热具有整体加热，热量不需由表及里地传递，直接加热物体内部，加热速度快、 且温度场分布均匀；物料温度可以通过控制微波功率得到瞬时控制，所需加热时间短；适当 调节微波辐照时间可使产品质量、产量及劳动生产率得到提高；节能高效、清洁卫生、选择 性加热等优点广泛用于食品、茶叶、烟草、皮革、药品、纸张、木材、橡胶等轻工业产品的 加工方面，以及农业上的粮食烘干、种子处理等方面。由于微波加热过程中不需要经过热传 导，因而没有热惯性，体现了节能和便予计算机自动控制的特点“忍耵。 特定的产品接受微波辐照的剂量与其温升、产品质量有着密切的关系，选择合适的加 热功率，可以很大程度提高产品的品质隅一1 。在微波加热过程中，根据产品的加工工艺，如 何准确控制微波功率、温度和加热时间，对提高产品的品质起到的重要作用。 1 2 隧道式微波加热设备概述 1 2 1 微波加热系统组成 微波加热系统主要由微波发生器、波导装置、微波干燥器、排湿冷却装置、传动系统、 控制系统、温度测量系统以及安全保护系统等部分组成n 一9 1 。图卜1 为隧道式微波加热设 备的结构简图。微波箱体内有微波发生器与微波加热箱，微波发生器是由磁控管和微波电源 组成，产生的微波通过波导装置无损耗地传输到微波加热箱中，形成均匀分布的微波场，微 波加热箱是实现物料与微波相互作用的空间，微波能在此转化为物料的内能1 ，被传送带输 送的产品就是在经过微波箱体的时候吸收微波而被加热的；微波能抑制器，是防上e 微波能泄 漏的机构；传动系统由调速电机、传送带、减速器组成。 产品从微波设备的物料入口处流入，经传送带传送进入微波箱，在微波箱体内被加热， 然后从微波设备的物料出口处流出。产品在箱体内运行的时间为微波加热时间，也就是产品 的升温时间。 3 福建农林大学顾t ：r 曰f 究生论文 图1 - 1 隧道式微波加热设备结构示意图 1 2 2 传送带的传输速度与物料温差的关系 黄艺娜等总结出了传送带的传输速度与物料温差的关系，其关系如下： 批。着 其中需要调整的速度为1 ，物料的初始温度f 。和被加热后的温度t ：，传送带的当前速 度为峰际，加热到目标温度f 暑n 0 1 。 1 2 3 隧道式微波加热原理 在微波加热过程中，根据产品的工艺要求控制被加热产品的辐照剂量，可以控制被加热 产品的温度。对被加热产品辐照剂量的精确控制，其关键是如何匹配功率、物料的运行速度、 微波加热设器的结构及如何规范研究出微波技术的应用等n 。在实际应用中，微波频率值是 固定的，为9 1 5 m h z 或者2 4 5 0 1 v t z 。所以对微波照射到物料的辐照剂量的控制，通常有两种方 法，即( 1 ) 改变微波源的输出功率而辐射时间不变；( 2 ) 微波源的输出功率不变，而改变物 料接受辐射的时间。目前，功率可调的微波源结构复杂，输出功率不大，一般在5 k w 以内， 而且售价昂贵，一般在实验室、科研用1 。实际应用的隧道式微波加热设备大都采用连续式 多谐振腔式微波干燥器，即根据具体物料所需微波辐照剂量采用不同级的方式调整微波功 率，如分别开一个谐振腔为5 k w 、一个为1 5 k w 、一个为2 0 k w ，各个谐振腔的开与关分别控 制，实现微波源的输出功率变化。一般加工特定的产品时，采用的功率是一定的。因此就隧 道式微波加热设备而言，对被加热产品的温升的控制可以转换为微波对产品辐照时间的控 制，再转换为对传送带速度控制，传送带的速度快，被加热产品接收的辐照剂量小，温度升 高就小，反之，当传送带的速度慢了，物料接收的辐照剂量大，温度升高就大。而传送带的 福处农林人学硕j f 究f f 论文 逃度与由l u 动机的转速决定，所以埘微波加热产r 协潞皮y l - i c t i 的实时控制实际上转化为对电动 机转速的控制。根据物料的入口温度和出口温度人体可以确定电动机的转速，但是物料质趟 的添加不可能完全一致，物料各部分湿度一般也不可能完全一致。这就要求应用隧道式微波 加热设备对物料加热时必须实时测出物料出口温度实际值，将这个值和目标温度值进行对 比，根据比较结果对电动机转速进行实时的调整。 目前，隧道式微波加热设备的可调传动( a s d ) 系统，大都采用电磁调速的方法来调：带 交流异步电动机的转速，从而调：1 了微波加热设备的传送带的速度。电磁调速电动机调速的动 态性能和在线测温系统的优劣是影响微波加热效果的重要因素。所以，加强各种物料微波加 热工艺以及微波加热设备的综合研究与开发，实现微波加热的在线检测与控制n 7 1 是发展的 趋势。 1 3 电机调速发展概述 电动机作为机电能量的变换设备在国民经济中起着重要的作用。从工业、农业、交通运 输业、航天航空、军事系统到办公室自动化、家用电器都有它的应用。对于许多机械负载已 证实，采用可调传动装置，不但会改善其性能，而且能够大大的提高生产效率和用电效率， 节省大量的能量。由于直流电动机在结构上为励磁磁场和电枢磁场空间上相互正交，控制转 矩的两个分量，励磁电流和电枢电流相互独立，使直流电动机具有优良的动静态转矩控制特 性。因而在近一个世纪，高性能可调传动系统绝大部分都是采用机械换向器的直流电动机。 但是直流电动机机械换向器需要经常维护，这造成转速、电压、功率和使用环境都受到了限 制，且价格昂贵。与直流电动机相比，异步电动机由于没有机械换向器和电刷，转子中没有 绕组，用的是无绝缘材料的导条形成“鼠笼”，因而具有坚实、结构简单、运行可靠、维护 少、环境适应广、容最大、电压和转速高、运行效率高、转动惯蹙小、动态响应快等优点， 可以做到高电压、大容量和高速化n 2 3 “一钉。但是异步电动机是一个多变量、强耦合、非 线性的对象，造成转矩控制上的困难。直到2 0 世纪7 0 年代，随着电力电子技术和微电子技 术及现代控制理论的发展，在交流调速控制领域上取得突破性进展。在物质条件上，各种新 型电力电子半导体器件 如功率晶体管( g t r ) 和可关断品体管( g t o ) 相继出现，各种高性能 的功率变换器，价格逐年下降，能够为人们所接受：微电子技术的快速发展，产生各种高性 能的微处理器，使得硬件简化，控制算法实施灵活：交流电机控制理论上的突破，特别是 2 0 世纪7 0 年代初创立的磁场定向矢量控制方法和此后推出的直接转矩控制法、非线性解耦 控制方法等。这些控制算法的推广和使用，使得交流调速具有优良的控制性能获得越来越 5 福建农林人学顾一l ：研究乍论文 广泛的应川，使得异步电动机的a s d 与直流电机a s d 一样具有优异的调速性能，交流传动取 代直流传动己成为今后发展的趋势。在本系统中的传动系统采用的是交流异步电动机n 吼1 7 1 。 1 4 本课题研究主要内容和工作 针对隧道式微波加热控制系统中两大问题：一是进行中物料温度的快速准确测量；二是 常规的直接转矩控制存在的转矩误差与磁链误差，稳态运行时转矩、磁链、电流脉动的问题。 对第一个问题，经过对接触式和非接触式测温方式在隧道式微波加热控制系统中应用认真分 析比较，选择了红外测温技术在微波加热系统中的应用。采用红外测温方法测温方式避免了 接触式测温所必需的被测物体与测温传感器充分接触达到热平衡时间，有效解决测温延时现 象。同时，采用非接触式的红外测温与接触式测温相比，非接触式测温对被测对象的温度场 的影响大大减小从而提高测量精度。对第二个问题，在研究工作融合了矢量控制与直接转矩 控制的优点，在常规异步电动机直接转矩控制策略中引入了模糊逻辑控制，融入了人工的控 制经验，将定子磁链误差、转矩误差和磁链角度进行了合理的模糊分级，用模糊控制器来取 代传统直接转矩控制中的转矩和磁链b a n g - b a n g 控制器，优化空问l 乜压矢鲑的选择，改善 磁链和转矩的综合控制性能，提高系统的动态响应，构建出模糊模型的异步屯动机直接转矩 控制系统。使传统直接转矩控制理论固有的稳态运行时转矩、磁链、电流脉动大、电机低速 运行时定子磁链与电磁转矩估计的补偿问题、速度估计精度差和低速到中速、高速平滑过渡 问题得到有效改善。研究工作对于完善隧道式微波加热控制系统，提高系统的自动化水平， 提高生产效率。取得了如下研究成果： 1 、采用非接触式的红外测温方法有效解决测温延时现象，避免测温仪器与被测物料直 接接触，大大减小测温仪器对被测物料温度场的影响从而提高测量精度。 2 、针对传统直接转矩控制技术稳态运行时转矩、磁链、电流脉动大的问题，融合了矢 量控制与直接转矩控制的优点，在常规异步电动机直接转矩控制策略中引入了模糊逻辑控 制，构建出模糊模型的异步电动机直接转矩控制系统。很好地解决了传统直接转矩控制所固 有的问题。 3 、由于转矩误差及定子磁链误差作为状态变量的状态方程具有时变、非线性特性等不 确定性因素，针对此问题，在控制系统中融入了人类的控制经验，将定子磁链误差、转矩误 差和磁链角度进行了合理的模糊分级，既提高控制的鲁棒性与快速性，又能发挥传统d t c 技术，减弱了系统的抖振，提高了控制系统的鲁棒性。 4 、搭建了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器为核心的实验平台，进行了改进的控制方案与传统的 6 福建农林人学顾：l 研究生论义 直接转矩控制方案的比较实验研究。 5 、根据m a t l a b 仿真结果，传统直接转矩控制和模糊直接转矩控制的性能对比图，对比 得出了模糊直接转矩控制的性能更优越。 7 福建农林人学顾：b o f 究生论文 第二章异步电动机直接转矩控制理论 本章中介绍具有用直接选择逆变器顺序状态的异步电动机高性能a s d 的控制方法。阐明 直接转矩控制( d t c ) 和直接自控制( d s c ) 技术，并叙述一个模糊型d t c 方案，在传动的稳态中 使刖模糊的空间矢量脉宽调制。 在异步电动机a s d 中变频调速是效率最高的一类，直接转矩控制( d t c ) 是其中的一种。 d t c 是德国学者d e p e n b r o c k 教授在1 9 8 5 年提出的一种高性能的控制方案n6 1 7 一鲫，它是继矢 量变换控制之后在交流调速领域里出现的一种新型变频调速技术。基本思想是在维持定子磁 链幅值恒定的前提下，通过调节定子磁链的旋转速度，进而调整定、转子的磁链角以控制转 矩，从而控制转速n 引。具体实现方法是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与 控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p 掰信号，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。直接转矩控制与其它的变频 调速相比，它调速精度高，动态性能好：与矢量控制相比，省掉了复杂的变换和计算，减少 了矢量控制技术中控制性能易受参数变化的影响n 6 一lz z 。因此，在本控制系统中，采用的 控制方式是直接转矩控制。 2 1 异步电动机的数学模型晗2 崩崩1 异步电动机数学模型a m m 包括磁链模型和转矩模型，其功能是根据系统检测到的定子电 压“，、定子电流，利用电动机自身的参数，分别计算出定子磁链分量妒。、妒口以及电磁 转矩z 。 定子磁链妒。的观测通常利用u i 模型来完成，即利用电动机的定子电压和定子电流来 计算。 该模型的数学表达式为： 讥( f ) = 厂( 心( f ) 一( f ) 足净( 2 - 1 ) 按磁链分量形式表达，则为： 妒。( f ) = 厂( ( f ) 一。( f ) rp ( 2 2 ) 妒卢( f ) = 肚户( f ) 一o ( f ) r 陟 ( 2 3 ) 该模型中只用到一个电动机参数( 定子电阻足) ，r 非常容易确定。模型中用到的“，( t ) 、 8 福矬农林人学硕i ：研究生论文 ( t ) 同样容易精确地检测得到，因此该模型具有简单实用的特点。 电动机高速运转时，r 随温度的变化并不显并，但是在低速时r 随温度的变化变得非 卜1 + 1 l 丝_ k 机口) 三 ( 2 - 4 ) 卜，。5 乏( 妒肛+ 妒，。) 一缈，卢 r 挚叩， 5 ， l 妒，2 尝( 妒印+ 妒，卢) 一妒，。 图2 - 1 i 三压型逆变器示意l ! i 直接转矩控制一般采用三相二点式电压型逆变器向交流电机供电。通过不断切换电压型 9 f i 址农林人7 顾i ：f i j f 究7 i - 论丈 逆变器的开关状态，使电机定子磁链逼近圆形：通过零电压久鲑的穿插调+ 1 7 来改变转筹频率， 控制电机的转矩。如图2 一l 所示，电压型逆变器由三组六个开关( 毛，毛，黾，s c ) 组成。其中对应的上下臂互为反向，即一个接通，另一个关断。所以三组开关有2 ：i = 8 种开 关组合。若规定a ，b ，c 三相负载的某一相与“+ ”极接通时，该相的开关状态为“l ”态： 反之，与“一”极接通时为“o ”态幢3 1 。则8 种可能的开关组合状态见表。 表2 1 逆变器的8 种开关 开关状态 0 l234 5 67 s 01o1o1o1 s bo011ooll s 。00o0111l 根据三组开关的不同导通模式，采用p a r k 变换，电动机输入电压的空间矢量可表示为： u s ( f ) = ( 2 7 ) 由此可以看出，空间电压矢量与电机的中性点电压无关，只与三相桥臂的开关状态有 图2 - 2 电压矢量空间分布图 v 4 0 0 0 ) 关。从几何意义上讲，空间合成矢量，( f ) 在某相轴线上的投影就是该时刻该物理量的瞬时 值。电压型逆变器的8 个基本电压矢最如图2 - 2 所示。其中v o 状态和v 7 状态表示三相上或 下桥臂同时导通，相当于将电机定子三相绕组短接，称为零矢量，其余6 个为非零空f b q 矢量。 这6 个非零矢量均匀分布在c 口一卢，坐标平面上，彼此相差6 0 0 ，幅值均居出。逆变器模 型是基于逆变器的电压状态与逆变器的开关状态和直流电压e d 之间的关系得到的。逆变器 的每个电压状态的关系见表2 - 2 。 福建农年小人学硕i j 研究生论文 表2 - 2 逆变器的电压状态与定子电压分量 定了r 匕压分量 电压状态 u a“芦 2 v 1 。- g o j 1 1 v 2 。g u d 一万 j 1 1 v 3 + 二 一万 j 2 v 4 + ； o 1 1 v g 4 - i + 万“a j 1 1 v g 一j “。 + 万 v o v 7 0 o| 2 i 2 磁链运动轨迹乜l3 1 堋1 在中高速时，若略去定子绕组的电阻和漏感，公式( ( 2 - 6 ) 可以转化为如下形式： 刁s = 炽一r js ￥t + 刁s o 一产蕊+ 刁s n 式中妒，o 表示定子磁链的初始值。通过该式得知：定子磁链综合矢量妒，将沿着电压综合矢 量u s 的方向，以正比于输入电压的速度移动。通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子 磁链矢量l f r ，的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。图2 - 3 所示是定子磁链矢 量随着选择电压矢量的不同而运动的轨迹通过选择合适的电压矢量，可使得磁链幅值在给定 值f | 和允许的偏差f i 的范围内变化，使其平均值基本保持不变。而其旋转转速则通 过改变有效电压矢量和零矢量的作用时间比例加以调整。 在磁链旋转过程中，每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小，而且 福建农林人学顾i ：研究生论文 还要考虑磁链欠量的方向。由于逆变器的输出电压矢量依次各相差6 0 。，为了便于选取， 把空间分成6 个区域( 见图2 - 3 ) ，每个区域所包括的范围是： u ，u 2 图2 3 异步电动机定子磁链的轨迹 ( 锄一3 ) 詈sp ( 加) ( 加一1 ) 互6 ( 2 - 8 ) 在实际控制中，可根据磁链所在的区域和磁链的旋转方向列出保持磁链基本恒定的开关 表，再根据实际运行条件随时选用。 2 1 3 转矩控制川1 根据异步电动机的状态方程( ( 2 - 1 ) 可以推得一阶微分方程形式的定子和转子磁链的关 系式： 警+ ( 老叫谚2 箍访 髀9 ， 2 2 异步电动机直接转矩控制系统 异步电动机直接转矩控制系统如图2 - 4 所示，它由逆变器、异步电动机、磁链估算环节、 转矩估算环节、开关选择表、转速调：声器、转矩调节器等组成。控制系统是将电机给定转速 和实际转速的误差，经过调节器输出给定转矩信号；同时系统根据检测的电机三相电流和电 压值，利用磁链模型和转矩模型分别计算出电机的磁链和转矩大小、给定磁链与实际磁链的 误差j 然后根据开关表选择逆变器的开关矢量，使电动机能够按照控制要求调节输出转矩， 达到调迷的目的怕扎3 5 ，s 6 , 3 7 。 直接转矩控制的简单工作过程口3 m3 7 1 为： 1 2 福建农林人学硕l 研究生论文 ( 1 ) 电动机定子电压髓，、定f 电流t 和转迷作为整个系统的输入量作用于电动机数学 模型，输出定子磁链分量妒和转矩实际值丁。数学模型输出定子磁链分量妒，。、妒，占后，判 断磁链的扇区口0 ) 。 + ? + 甾2 - 4 异步l 【l 动机直接转矩控制系统组成幽 ( 2 ) 磁链的给定值妒和磁链的反馈值妒和磁链调：宵器容差驴通过磁链调节器得到磁 链开关信号妒q 。 ( 3 ) 转矩实际值丁与转矩给定值r 以及转矩调节器容差r 经转矩调节器处理后得到转 矩开关信号t o ，转矩给定值丁由转速调节器获得 ( 4 ) 转矩开关信号、磁链开关信号妒q 和磁链区间信号臼0 ) ，共同作为开关信号选择 单元，经查表产生电压开关信号 。，& ，s 。) 。电压开关信号 。，s 。，s 。) 作用于逆变器的六 个开关，由此产生三相电压，作用于电动机。 2 2 1 直接转矩控制原理 1 磁链控制原理 磁链的大小与电机的运行性能密切相关，与电机的电压、电流、效率、温升、速度、功 率因素有关乜3 2 引，所以我们仍希望电机在运行中保持磁链幅值恒定不变，因此要对磁链进 行必要的控制。 1 3 祸处农林人学顾i i d l e ：j , 生论文 由异步电动机的定子磁链模型h 4 ，3 引式比，= r j , + 丢，在忽略定子电阻的情况下，可 表示为： z：一d妒。(2-10) “，2 万妒s 可见电机定子磁链i f ，是沿着与空间电压矢量“，平行的方向运动的。将此方程离散化 可得到： 妒，( ，2 ) = 妒，( 甩一1 ) + 肌。( 刀一1 ) 瓦( 2 - 1 1 ) 式子中，l 为采样控制周期。 从式( 2 1 1 ) 可以总结知道：若对异步电机施加1 零的电压矢量，则磁通的运行方向和 幅值将发生变化；而采用零电压矢量，则定子磁通的运行方向和幅值都不会变化。因此在直 接转矩控制中，控制非零工作电压矢量和零矢量交替作用，实现b a n g b a n g 控制。 2 转矩控制原理 根据电机学理论，异步电动机电磁转矩可以表示成 川1 乃= 如陟，l 陟，s i n 0 ( t ) ( 2 - 1 2 ) 式中：日为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角：k 为转矩系数；p ，i 为转子 磁链矢量的幅值；陟，i 为定子磁链矢量的幅值。 在实际运行中保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机的铁心；而转子磁链 矢量的幅值由负载决定。根据式( 2 - 1 2 ) ，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角 口o ) 的大小来实现m3 5 , 3 6 o 因为转矩的积分就是电机的转速，这样就能达到调节交流电动机 转速的目的，这就是异步电动机直接转矩控制的基本原理溉矧。一般地，当旅加超前电压矢 量使定子磁通的旋转速度火于转子磁通的旋转速度时，磁通角增大，相应转矩增加。同理， 当施加零矢量或滞后电压矢量，相当子定子磁通矢量停滞不前或反转，而转子磁通矢量继续 旋转，磁通角将会减小，相应转矩也减小。 直接转矩控制的基本思想就是根据定子磁链的幅值、空间位置以及电磁转矩的大小， 从8 个基本电压矢量中选择一个最佳的控制欠垃，使电机运行在期望状态。 2 2 2 系统的基本组成 根据前面所述的直接转矩控制原理，设计出的直接转矩控制系统的基本框图如图2 - 5 所示。 福处农林人学硕l ：研究生论文 2 2 3 坐标变换器u c t 坐标变换将静i l - - 相绕组( a b c ) 转化为静lj = = 两相( a 一) 绕组，应该遵守变换前 后电动机功率不变的原则，并使得交换前后所产生的旋转磁场等效。 ( 1 ) 根据变化前后所产生的旋转磁场等效原则堙引 由电机学公式啦e 3 5 1 ：磁动势f2 歹日d l = n i 式中，为线圈的匝数，f 为线圈的电流，为磁场强度，z 为任意包含有电流i 的导 体的闭合路径。 d s l i 图2 - 5 控制系统基本框图 图2 6 表示三相异步电动机的定子三相绕组a 、b 、c 和与之等效的两相异步电动机定子绕组 口、卢各相磁势欠量的空间位置。在这里，我们令三相的a 轴和两相的口重合。当二者的旋 转磁场完全等效时，合成磁势沿相同轴向的分量也会相等，即三相绕组和两相绕组的瞬时磁 动刃粘口、轴的孜影布目昔，即 吼。；n 3 i , 4 + c o s 塾3 + 3 i cc o s 等 ( 2 - 1 3 ) = o + 3 i bs i n 堡3 州3 i c s i n4 j：r(2-14) 式中：n 2 表示两相电机定子每相绕组的有效匝数，n 3 表示三相电机定子每相绕组的 有效匝数。 福建农林人学硕：i j 研究生论文 。k ，一 。 彬； 鹅乙 ： ：6 a0 。 1 ， ，f a ( a ： c 图2 6 三相定子绕组和二相定子绕组磁势的空间矢量位置 用矩阵表示等效磁场为 。it，卵oj 。瓦n 3 1 1 上 一一 2 o 鱼 2 1 i ；c 以 j 匕 z 口 z c ( 2 - 1 5 ) 由于c - 1 是奇异矩阵，不存在逆矩阵，为了求其逆矩阵，引进一个值为零的零序电流f o ， 并定义 n 2 i o = k n 3 + k n 3 i 口+ k n 3 i c 扣瓮( 矾蚂啦) ，贝 c - = n - - - - l 2 3 ， 2n 2 l q 一一 3n 3 1一三一1 22 o 鱼一生 2 2 k kk 10 2 k 1 4 3 1 22 2 k 1 4 3 1 22 2 k 1 6 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 12万一2 2 福处农林人学硕i j 研究生论文 c r ；三丝 3n 3 1一三 一三 。鱼一鱼 2 2 111 2 k2 磁2 k ( 2 ) 功率不变的原则m _ 帕 电流变换式： 1 4 f 口 z c q 。 c 2 l c 3 。 电压变换式： q ： c 2 2 c 3 ： 针医n 1 2 阶q 根据功率不变的原则，有： 0 丑 z c l “月 n l 。口i “口 l l u c p = u a i a + u n i b + u c i c = u s a i l 口七us b i s b 把式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入式( 2 - 1 9 ) 有： “一( c 1 1 t 。+ c 1 2 i ，卢) + 口口( c 2 1 i ，。+ c 2 2 i ，卢) + “c ( c 3 1 i ，。+ c 3 2 i 卵) = b u 一+ b 1 2 u 口+ b i 3 比c k 。+ ( b 2 1 “一+ b 2 2 “口+ b 2 3 比c k 口 ( 2 一1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 经整理得：矩阵曰一c r ，矩阵b 与电流变化矩阵c 1 都表示三相到两相的变换矩阵，所 以要求= c r ，由式c 2 ，和c 2 m ，求得惫= 据，k = 万1 代入式c 2 ， 得三相电流到两相电流的转换公式为： z ，口 z 妇 z 0 = 信 1一三一三 。笪一鱼 z2 111 厄压压 z a z 且 z c i ，。、i ，占分别表示电流在口一卢坐标系中的两个分量。 1 7 ( 2 - 2 3 ) 福建农林人学硕f ：研究生论文 两相电流到二相电流的变换为： z 一 z b z c 。店 10 上 4 2 1 3 1 22 2 1 4 3 1 22 2 z ，口 f 妇 f o 2 2 4 定子磁链运行区间判断和幅值计算 ( 2 - 2 4 ) 在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小， 而且还要考虑磁链矢量所处位置。由于逆变器输出电压矢量依次相差6 0 。，为了便于选取， 把空间分成6 个扇区，如图2 - 7 所示： i 。v 6 ( 1 1 1 刀 7 。 ，一 - 1 ， 巾7 ) - 弋jf ，一。v o 。 v i ( 0 0 1 ) v s ( a m ) 图2 - 7 空间f 乜压矢量和所对应扇区 1 0 0 ) 6 条虚线代表各个扇区的分界线，每个扇区包含一个非零电压矢量，并且是该扇区的角 平分线，称作“扇区主矢量”。对每个扇区编号，依次为i v i ，相应各扇区主矢量分别对应 v 4 ，v 5 ，v 6 ，v l ，v 2 ，v 3 ，零矢嚣记为v 0 ( 0 0 0 ) 和v 7 ( 1 1 1 ) 。 为了便于查阅整理成表2 3 的形式。我们可以通过定子磁通两个分量计算出矢量角， 然后根据表2 3 就可得出定予磁链所在扇区。 表2 - 3 扇区与矢量角对应表 卜詈 5 fj r l b 习b 爿 5 j r l 5 万15 石1 k 。刊卜了j 卜了j卜刊 vi i ii 1 8 褊处农林人学颀f ：研究生论义 定子磁链幅值为 ( 2 - 2 5 ) 在直接转矩控制系统中b a n g b a n g 控制器米凋：1 y 完成的定子磁通与电磁转矩的控制是 由两个调节器的输出是由输入误差信号来决定的，其实质是由磁通、转矩与给定值的比较来 决定的捌。 2 2 5 开关信号选择器 由直接转矩控制的基本原理可知，在控制过程中，实时观测转矩大小和定子磁链幅值， 分别与转矩给定值、定子给定值比较，然后得出转矩状态量乙和磁链状态量缈口，再结合 定子磁链的位置扇区判断信号s 0 ) ，最终决定逆变器合理的开关状态，以输出下一控制周 期内应该采用的工作电压矢量，目的是控制定子磁链按照近似圆形的轨迹运动并使得转矩达 到给定值，即要求定子磁链幅值运行在允许误差气范围内，转矩波动值也在允许误差白内， 也就是满足以下条件： p + 一妒卜 ( 2 2 6 ) 旷一z l ( 2 - 2 7 ) 其中f r 、妒的大小与逆变器的开关频率有关，由于逆变器开关频率的限制，在我们所 选择的控制系统中，不是f r 、曲越小，系统的脉动就越小。表2 4 给出了电机逆时针旋转 时优化的电压矢量开关表捌。 表2 - 4 最优矢量表( 正转) 妒口 n = 4n = 6n = 2 n = 3 n = i n = 5 1lu 5 ( 1 1 0 )u 6 ( 0 1 0 )u l ( 0 1 1 )u 2 ( 0 0 1 ) u 3 ( 1 0 1 ) u 4 ( 1 0 0 ) 0u 7 ( i i i )u 0 ( 0 0 0 )u 7 ( 1 “)u o ( 0 0 0 )u 7 ( i n )u 0 ( 0 0 0 ) - 1 u 3 ( 1 0 1 )u 4 ( 1 0 0 ) u 5 ( 1 1 0 u 6 ( 0 1 0 )u 1 ( 0 1 1 )u 2 ( 0 0 1 ) o lu 6 ( 0 1 0 )u 1 ( 0 1 1 ) u 2 ( 0 0 1 ) u 3 ( 1 0 1 )u 4 ( 1 0 0 )u 5 ( 1 l o ) 0u 0 ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 1 ) u 0 ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 1 )u 0 ( 0 0 0 ) u 7 ( 1 1 1 ) - 1u 2 ( 0 0 1 )u 3 ( 1 0 1 ) u 4 ( 1 0 0 )u 5 ( 1 1 0 )u 6 ( o l o ) u 1 ( 0 1 1 ) 最优矢量表的确定的原则是：( 1 ) 电磁转矩响应速度要最快；( 2 ) 定子磁链的变化量满足 1 9 福建农林人学硕i ? 研究生论史 p - p ls 妒； ( 3 ) 逆变器开关状态的切换次数最少。 2 2 6 磁链调节器 磁链调节器采用施密特触发器，容差士s 妒见图2 - 8 。调：肖器的输入信号是磁链给定值 和磁链反馈值竹的差值妒。调节器的输出信号是转矩开关信号f k 调节器采用离散的两 点式调解。 假设电动机运行在负载情况下，忽略了铁损。当磁链给定值与实际值竹之差上升到 纺 1 涔 十+ 0 一 + 图2 - 8 磁链两点式调节器 调节器容差的上限+ s 。，调节器的输山信号f k 变为“1 ”态。在f k = 1 作用下，得到相应的 电压空间矢量，使定子磁链增加。当磁链给定值与实际值吩之差下降到调节器容差的下 限一9 ，调节器的输出信号f k 变为“0 ”态。在f i ( = o 作用下，断开磁链电臣( 磁链电压是指 用于加大磁通量所施加的电压空间矢量，转矩电压指是加大转矩所施加的电压空间矢量) 。 由此可见，通过转矩调节器的两点式调节，把磁链波动限定在容差范围内，达到控制磁链的 目的吼4 0 1 。 2 3 模糊控制原理 2 3 1 转矩脉动问题的分析1 虬 亿捌 从真接转矩控制原理中可以知道，一般的直接转矩控制方法都是根据磁通和转矩的比较 值来选择需要的工作电压矢量，在整个采样控制周期t 内，该电压矢量一直作用于感应电动 机，使定子磁链、转矩等量始终沿着增加或减小的一个方向变化。当转矩误差较小时，常会 因为所选择的电压矢量的过度调节而造成转矩的脉动。可以设想，如果能按需要控制非零电 压矢量在一个周期内的确切作用时间，就可以避免由于过调而引起的转矩脉动。目前有关直 接转矩控制转矩脉动优化的方案很多，并且也取得了很好的控制效果。这里选择一种适合于 本系统的控制方案即异步电动机模糊型直接转矩控制系统。 祸建农林犬学颀：l j 研究生论文 2 3 2 异步电动机模糊直接转矩控制系统。“一钉 为进一步改善异步电动机直接转矩控制系统的动态和稳态性能，提高系统转矩响应速 度和减少转矩脉动，特别是减少在低速时的脉动。在常规直接转矩控制策略中引入了模糊逻 辑控制，融入了人类的控制经验，将定子磁链误差、转矩误差和磁链角度进行了合理的模糊 分级，用模糊控制器来取代传统直接转矩控制中的转矩和磁链b a n g b a n g 控制器，优化空间 电压欠量的选择，改善磁