（控制科学与工程专业论文）异步电机直接转矩控制系统起动及低速性能改进方法的研究.pdf

摘要 本文在分析直接转矩控制( d t c ) 原理的基础上，对异步电机 d t c 系统串行、并行和混合型3 种不同起动方式进行分析比较，针 对电机起动电流过大，定子电流过流时施加零电压矢量而引起转矩波 动较大、定子磁链轨迹严重畸变，造成起动过程不稳定，甚至起动失 败等问题，提出了一种带电流滞环的分阶段起动方法，该方法在起动 过程中对磁链、转矩的幅值分段控制，使磁链、转矩逐渐增加，既保 证快速起动又避免磁链和转矩建立过快而造成定子电流过流，明显改 善了异步电机直接转矩控制系统的起动性能。 针对异步电机d t c 系统中采用ui 模型观测定子磁链时纯积分 环节造成直流分量积分漂移，引起低速时转矩波动严重，采用一种具 有幅值补偿环节的改进积分器算法取代纯积分环节克服积分漂移；针 对六区段电压矢量开关表在定子磁链处于区段分界线附近控制性能 差，引起低速运行时定子磁链内陷和电流畸变等问题，采用细分优化 的十二区段选择电压矢量开关表来代替传统六区段电压矢量开关表。 改善了异步电机d t c 系统的低速运行性能。 最后，基于m a t l a b s i m u l i n k 平台分别构建d t c 算法的仿真模 型，进行传统与改进方法的对比仿真研究。仿真结果表明本文提出的 异步电机d t c 带电流滞环控制分阶段起动方法和改进直接转矩控制 的方法明显改善了起动性能和磁链轨迹，减小了转矩脉动，提高了异 步电机d t c 控制系统的性能。 关键词：d t c ，电流滞环控制，分阶段起动，改进积分器算法，十二 区段开关表 a b s t r a c t a tf i r s t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t h e o r yi sa n a l y z e di nt h i s p a p e r t h e nas c h e m eo fg r a d i n gs t a r t u pc o n t r o lw i t hc u r r e n th y s t e r e s i s b a n di sp r o p o s e do nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft h r e ed i f f e r e n ts t a r t - u p m e t h o d si n c l u d i n go fs e r i a ls t a r t - u p ，p a r a l l e ls t a r t - u p ，h y 晰ds t a r t - u pi n d t co fa s y n c h r o n o u sm o t o r 1 1 1 ep r o b l e m so fl a r g er i p p l e so ft o r q u ea n d d i s t o r t i o no fs t a t o rf l u xo w i n gt ou s i n gz e r ov o l t a g ev e c t o rw h e ns t a t o r c u r r e n ti sl a r g ei ns t a r t - u pp r o c e s sa r es o l v e db yg r a d i n gs t a r t u pc o n t r o l w i t hc u r r e n th y s t e r e s i sb a n dm e t h o d s ot h ea m p l i t u d el i m i t a t i o no ff l u x a n dt o r q u ea r er e s p e c t i v e l yg r a d i n gc o n t r o l l e dt h a tt o r q u e a n df l u x i n c r e a s es l o w l yi ns t a r t u pp r o c e s s t h ei n s t a b i l i t yo fs t a r t - u pp r o c e s s ，a s m u c ha st h ef a i l u r eo fs t a r t - u pa r ea v o i d e di nt h ed t ca s y n c h r o n o u s m o t o r i naw o r d t h es t a r t u pp e r f o r m a n c eo fi md t cs y s t e mi sg r e a t l y i m p r o v e dt h r o u g ht h es c h e m eo fg r a d i n gc o n t r o lw i t hc u r r e n th y s t e r e s i s b a n di ns t a r t - u p + s e c o n d l y , a ni m p r o v e di n t e g r a t i o na l g o r i t h m w i t h a m p l i t u d e c o m p e n s a t ei sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m so fl a r g er i p p l e so ft o r q u e a n ds t a t o rf l u xd e p r e s s i o na tl o ws p e e du s i n gt h es i n g l ei n t e g r a t i o n a l g o r i t h mi nt h eui m o d e l t h em o d i f i e ds t r a t e g yt a k e sp l a c eo ft h e s i n g l ei n t e g r a t i o nt oo v e r c o m et h ep r o b l e m o ft h ei n t e g r a t o rd r i f tb e c a u s e o fd i r e c tc u r r e n to f f s e ti nt h euim o d e l t h et w e l v e - s e c t i o nc o n t r o l m e t h o do fv o l t a g es e l e c tt a b l ei sp r e s e n t e dt od e a lw i t ht h ed e f e c t so f t r a d i t i o n a ls i x s e c t i o nc o n t r o lo fv o l t a g es e l e c tt a b l e t h ed e f e c t sa r e d e p r e s s i o no fs t a t o rf l u xa n dd i s t o r t i o no fs t a t o rc u r r e n tw h e n s t a t o rf l u x i sn e a rt h es e c t i o nl i n e t h ei m p r o v e di n t e g r a t i o na l g o r i t h mm e t h o da n d t h et w e l v e s e c t i o nv o l t a g ev e c t o rs e l e c tt a b l em e t h o dc o m p r i s ea n i m p r o v e dm e t h o dw h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m m a r k e d l y a tl a s t s i m u l a t i o nm o d e l so ft h ec o n v e n t i o n a ld t c ，a n dt h e i m p r o v e dd t ca r es e p a r a t e l y e s t a b l i s h e db a s e do nt h em 棚，a b s i m u l i n kp l a t f o r m s i m u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v et h a tt h e s ei m p r o v e d l l m e t h o d sc a l ld e c r e a s er i p p l e so ft o r q u e s t a r t - u p ，s t a t o rf l u xa n dw h o l es y s t e mi n a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f d t c s y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：d t c ，c u r r e n t h y s t e r e s i sb a n dc o n t r o l ，g r a d i n gs t a r t u p ， t w e l v e s e c t i o nv o l t a g ev e c t o rs e l e c tt a b l e ，i m p r o v e di n t e g r a t i o na l g o r i t h m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：弛日期：盟年月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：超导师签名羔纪象丑日期：趁2 窆年上月鱼 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 上个世纪，随着生产技术的不断发展，直流拖动系统暴露出越来越多的不足， 诸如直流电机制造复杂、维护麻烦以及对使用环境要求较高等，这些都使它的应 用受到一定的限制。于是，人们开始转向结构简单、坚固可靠、运行可靠、便于 维护、制造成本低、恶劣环境适应能力强等优点的交流电机调速研究【l 】。 最初，交流调速技术进展缓慢，其调速性能很难满足生产要求。上世纪六、 七十年代以后，随着电力电子器件、微电子技术和计算机技术等迅速发展，以及 现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，使得交流调速在很大范围内都得到了 有效的应用，并且其调速性能日趋优良，甚至达到了可以和直流调速相媲美的地 步【2 】。现在全世界都面临着能源危机，节能已经成为许多先进技术的首要评定标 准，直流电机由于换向器的存在使其在节能方面的性能远远低于交流电机。目前， 交流调速已进入替代直流调速的时代。 1 1 研究背景介绍 现代交流电机调速技术的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、降低成本， 另一方面又不断地要求技术指标的提高。随着微电子技术和计算机技术的飞速发 展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、d s p 和f p g a 近年来的发展，给交流电机控制系统带来了很多新的发展机会。目前交 流电机控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为 一体的新兴学科。 交流电机调速技术发展日新月异，离不开以下几个方面的因素： l 电力电子器件的发展 电力电子器件的发展为现代交流调速奠定了坚实的基础。5 0 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应用于交流调速时必须附加强 迫换相电路。 7 0 年代以后，功率晶体管( g t r ) ，可关断晶闸管( g t o ) 、功率m o s 场效应 晶体管( p o w e rm o s f e t ) ，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。m o s 控制晶闸管( m c t ) 等 先后出现，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型 器件。它使得逆变器结构简单、紧凑。其中g t o 和i g b t 从9 0 年代开始成为变 频器制造的主流产品，中、小功率的变频调速装置主要是采用i g b t ，中、大功 率的变频调速装置采用g t o 器件。 随着电力电子器件向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 展，8 0 年代以后出现的功率集成电路( p i c ) ，集成功率开关器件、驱动电路、 保护电路、接口电路于一体，虽然目前p i c 的功率都还比较小，但这代表了电力 电子技术的发展的重要方向。随后出现智能功率模块( i p m ) ，更是集成了功率 开关器件、电流传感器、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，即减少了体积、减轻了重量， 又提高了可靠性。模块化的功率器件将是2 1 世纪主流器件。 正是这些不断进步革新的电力电子元器件，为现代交流电机控制技术能够应 用于高性能调速系统提供了重要物质保证。 2 交流调速控制理论的发展 随着电力电子器件的发展，交流调速系统的控制策略也得到了发展。目前实 用的调速系统的控制策略，主要有以下几种【2 】： 1 ) v f 控制 v f 控制是交流电机最简单的一种控制方法。通过在控制过程中保持v f = 常数，保证定子磁链的恒定。其优点是控制结构简单、成本较低；缺点是系统性 能不高，转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效 应的存在而使得性能下降等。这种控制方法适合于风机、水泵等调速要求不高的 场合。后来增加了电流环，称之为转差频率控制，这种方法在控制性能方面得到 了改善，但系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，并没有考虑过渡过程，因 而在动态响应方面仍不尽如人意。后来研究者又提出了一些改进的方法，但是由 于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 2 ) 矢量控制 矢量控制是在1 9 7 1 年由德国人b l a s c h k e 首先提出的。矢量控制又称为磁场 定向控( f i e l d o r i e n t a t i o n c o n t r 0 1 ) ，其工作原理是：把磁场矢量的方向作为旋转坐 标系中坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。矢 量控制应用坐标变换将三相静止系统等效为两相静止系统，再经过按转子磁场定 向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，从而达到对 交流电机的磁链和转矩分别进行控制的目的。这样就可以将一台三相感应电机等 效为直流电机来控制，因而获得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。矢量控制技术的提出具有划时代的意义， 然而，在实际中应用中，由于转子磁链难于精确观测、系统特性受电动机的参数 影响较大、在模拟直流电动机的控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实 际的控制效果难于达到理想水平。 3 ) 直接转矩控制 直接转矩控制是继矢量控制之后出现的又一种交流调速控制策略。它与矢量 控制不同，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 中南大学硕士学位论文第一章绪论 被控量来控制。直接转矩控制采用定子磁链定向，直接在定子坐标系下计算磁链 和转矩，借助于离散的两点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆 变器的开关状态进行最佳控制，对电机磁链和转矩进行直接自调整控制，以获得 转矩的最高动态性能。由于直接转矩控制无须对定子电流进行解耦，省掉了复杂 的矢量旋转变换，克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性，控制结构简单， 信号处理的物理概念明确，便于实现全数字化，是一种具有优良静、动态性能的 交流调速方法，目前正受到各国学者的普遍重视。随着现代控制理论的发展，交 流电机的控制也获得了长足的进展，非线性解耦控制、神经网络自适应控制、模 糊控制等新的控制方法不断地向电机控制领域渗透，展现出广阔的发展前景。 3 控制元件的发展 随着微机技术的发展及不断应用，给工业控制技术带来了前所未有的变化， 促使工业控制向数字化、小型化、智能化方面发展。特别是微型控制器的广泛应 用，使控制系统的组成发生显著的变化，不仅降低了控制系统的硬件费用，而且 提高了控制系统的可靠性。 现代交流电机调速的广泛应用与微机技术的进展和普及有十分密切的关系， 利用单片微控制器芯片使调速装置的性能大为提高，同时使调速装置的体积更小 和重量更轻。在最近十几年间，微机技术突飞猛进，性能不断提高，并行处理技 术、专用数字信号处理器( d s p ) 的出现，都为电机调速高性能化奠定了良好的 硬件基础。特别是d s p 芯片的出现，被广泛地应用在高性能感应电机调速领域。 目前高性能交流电机控制系统大多采用d s p 芯片进行控制。高性能控制器的出 现为在交流电机调速领域运用先进的控制理论提供了坚实的物质基础。 4 计算机仿真手段的发展 随着电力电子技术和控制技术发展，为交流调速系统的应用带来了极大推 动，但人们在获得交流调速系统更优性能的同时，调速系统结构的复杂程度也在 不断增加，这给分析、研究和设计带来了困难，对每一种调速方案采用试制样机 进行探索性试验很不现实，而计算机仿真技术的应用能为设计开发交流调速系统 带来极大的便利。 计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或者预研系统的仿真模 型。在交流调速控制系统中，可通过分析研究仿真结果，验证方案的可行性，探 讨系统结构的合理性以及参数对系统暂态特性的影响，从而确定最佳的控制方 案，仿真手段的引入可以大大提高开发工作的效率和准确性。 一一一- 目前在实际交流调速系统的设计和开发中应用最广泛的计算机仿真软件当 属m a t h w o r k s 公司的m a t l a b s i m u l i n k ，尤其是专为电气系统仿真准备的 s i m p o w e r s y s t e m 模块，基本涵盖了交流调速系统所需的各个功能单元，它提供 了种类似电路建模的方式进行各种功能单元模块图形连接，建立系统模型，仿 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 真过程直观高效。但这种方式只是纯数字的方式，并未考虑和外部真实系统的关 系，并且在很多工程中，系统准确地数学模型很难获得，所以需要将实际模型放 置在仿真系统进行研究，这样的仿真叫做半实物仿真。半实物仿真通常有两种情 况：一种是控制器用实物，而受控对象使用数字模型；另一种用计算机实现其控 制器，而将实际受控对象放置在仿真回路中。半实物仿真对仿真结果的验证更 为直观，例如，西门子公司的d s p a c e 仿真系统，有着巨大的发展前景。仿真 手段的日益完善，为设计开发交流调速系统带来了更大的便利和更高的可靠性。 总体上我国交流变频调速技术较国际先进水平有着近l o 年的差距。在发达 国家，在交流变频调速技术的巨大市场需求下，近年来随着高电压大电流的 g t o 、i g b t 、i g c t 等器件及其联接技术的发展应用，使变频器产品大量应用于 高电压大功率场合。高速处理器和专用集成电路的飞速发展，为先进传动控制理 论的成熟应用提供了高性能的硬件平台。欧美国家基础工业和各种制造业高度发 达，变频器及其相关配套件的生产社会化、专业化程度很高。相反国内交流变频 调速及其技术产业状况则不很乐观。虽有很多单位投入了一定的人力物力，但由 于没有形成一定的技术优势和生产规模，变频器和产品所用半导体功率器件的制 造业几乎是空白，而且相关配套产业落后，产销量少、工艺水平不高。我们在交 流传动控制理论研究上还落后于国际水平，尤其是应用环节，因此产品技术含量 较低。目前，我国自行生产的为数不多的变频器产品中，绝大多数为采用传统的 转速开环频率协调控制调速和转速闭环转差频率控制的通用变频器，采用矢量或 直接转矩控制策略的高性能变频器就极为稀少，采用其他先进控制策略的则还只 是处在研究阶段。因此，努力跟踪国际最新研究方向，积极研究具有我们自己知 识产权的高性能交流调速系统控制策略，在此基础上研发我们国家自己的高性能 变频器，对整个国家的现代化建设和可持续发展，都具有重要的意义。 1 2 直接转矩控制的基本特点与发展 直接转矩控制技术是在2 0 世纪8 0 年代中期继矢量变换控制技术之后发展起 来的一种异步电动机变频调速技术。自7 0 年代矢量控制技术问世以来，交流传 动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问 题。矢量控制技术模仿直流电机的控制，它以转子磁场定向为基础，用矢量变换 的方法，实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。然而，实际上由于 转子磁链难以准确观测，且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流 电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理 论分析的结果。直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提 出，1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次取得了实际应用 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的成功，1 9 8 7 年又将它推广到弱磁调速范围1 4 l 。不同于矢量控制技术，直接转矩 控制有着自己的特点，它很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动 机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接 转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、 动态性能受到了普遍的关注并获得了迅速的发展。 直接转矩控制主要特点： 1 ) 直接转矩控制摒弃了矢量控制技术的解耦思想，直接对电机的磁链和转矩进 行控制。它不需要将异步电动机与直流电动机进行比较、等效、转化，无需 模仿直流电动机的控制，也无需为解耦而简化交流电动机的数学模型，省掉 了矢量旋转变换等复杂变换计算。此外，直接转矩控制所需要的信号处理工 作比较简单，所用的控制信号易于观察者对异步电动机的物理过程做出直接 和明确的判断。 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以实现观 测计算。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，计算转子磁链需要知道电 动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制 性能易受参数变化影响的问题。 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制 各物理量，使问题变得简单明了。 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与矢量控制不同，直接控制转 矩不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控 量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点 式调节将转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，使转矩波动限制在一定的容 差范围内。其控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而取决于 转矩的实际状况。 综上所述，直接转矩控制技术思想新颖、结构简单、手段直接、信号处理的 物理概念明确，该控制系统的转矩响应迅速，实时性强，是一种具有优良的动、 静态性能的交流电机控制方法。 目前直接转矩控制的主要研究方向可归分为以下几个方面发展： 1 ) 现代控制技术的实用化：现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统 的动态性能和鲁棒性得以提高。功率强大的数字处理芯片( d s p ) 的推出，使得 许多以前无法实现的方法都可以应用到实时控制系统中，如最近研究十分活跃的 自适应控制、变结构控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、非线 性控制【6 ，7 ，8 ，9 1 等都能通过d s p 来实现。 2 ) 控制手段的全数字化：直接转矩控制在结构上特别适合于全数字实现， 对处理的实时性、快速性要求高。d s p 正是能满足这种需要的芯片，它快速高效 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 地实现复杂的控制规律，同时便于故障监视、诊断和保护，增强系统的可靠性， 确保系统的高速响应性。全数字化控制系统已成为现代电气传动系统的发展趋势 l lo 1 1 1 o 3 ) 无速度传感器的控制系统：在现代交流调速系统中，为了达到高精度的 速度闭环控制，速度传感器的安装必不可缺的。但速度传感器的安装不仅增加了 系统成本，降低了系统的稳定性和可靠性，而且在有些恶劣应用场合，传感器的 安装和维护都非常不方便，因此无速度传感器控制系统的研究是当前交流传动热 门研究方向。无速度传感器控制技术利用检测到的电机电压、电流和电机的数学 模型观测出电机转速，具有不改造电机、省去昂贵的速度传感器、降低维护费用 和不怕粉尘和高温高湿等恶劣环境影响的优点。提高转速的观测精度以及动态响 应速度，增强对电机参数变化的鲁棒性以及获得宽的调速范围是今后的主要研究 方向【1 2 , 1 3 】。 4 ) 应用于同步电机的控制：直接转矩控制技术主要的应用领域是异步电机， 现代人们开始将它用于永磁同步电机的控制中。 总之，直接转矩控制理论一问世便受到广泛的关注。目前国内外围绕直接转 矩控制的研究仍十分活跃，主要表现在电动机的参数辩识，定子磁链的准确观测， 无速度传感器的直接转矩控制系统的研究，以及抑制低速区转矩脉动和提高转速 调节性能等方面的研究。其目标主要是从理论上解决直接转矩控制在小功率、小 惯性、低转速、高调速性能要求的系统的应用问题。目前，直接转矩控制己不仅 仅应用于异步感应电机，它也开始应用于永磁同步电机。相信在不久的未来，直 接转矩控制必将使交流调速系统的性能有一个根本的提高，在各个应用场合发挥 更大的作用。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来自中南大学与国家变流技术工程研究中心共建的现代交流调速研 究实验室建设项目，得到中国北车集团的支持。 在发达的工业化国家，感应电动机消耗了大约7 0 的电能【1 4 , 1 5 l 。交流电动机 起动是个非常重要的问题，目前很多应用场合的电机还在使用直接合闸的起动方 式，即直接起动。直接起动方式虽然起动简单，但是电机在直接起动时会产生很 大的瞬间电流冲击【1 6 , 1 7 , 1 8 l ，起动电流有效值可高达额定电流的4 7 倍，甚至更 大1 1 9 2 0 2 。起动电流太大在实际工程中可能造成破坏性影响。具体来说，当电流 增大，而电源容量有限时将造成电源电压下降，引起电网电压波动，对同一系统 的其他电器的正常运行有影响；另外，大起动电流造成大损耗，如果感应电机需 要经常起动会引起电机发热过大，缩短电机使用寿命，甚至烧毁电机；过大的起 动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大【2 2 , 2 3 , 2 4 】，特别是容量较大、起动转矩 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大的电动机出现这种情况会更为严重。所以采用良好的起动过程控制策略对起动 过程进行控制，限制起动电流使起动过程无明显的瞬态冲击，且能充分利用电机 的过载能力，对设备的安全运行具有重要意义。 对于异步电机直接转矩控制i md t c 系统，起动性能的好坏直接关系到整个 系统能否顺利进入稳态运行状态。而异步电机直接转矩控制系统低速时性能较 差，特别是大容量异步电机起动更加困难。因此，很有必要研究直接转矩控制系 统的起动和低速问题。 目前，直接转矩控制技术已广泛应用于电力机车、电动汽车及卫星通讯伺服 系统等各种交流传动领域。瑞士a b b 公司己成功将直接转矩控制技术应用于通 用变频器中，具有良好的电机调速性能。然而，直接转矩控制技术仍然存在许多 问题，如转矩脉动、逆变器开关频率不恒定和低速性能差等问题，严重限制了其 应用场合。因此，研究异步电机直接转矩控制系统起动和低速性能改进控制策略， 降低起动电流，缩短起动过程，减少输出转矩脉动，提高负载能力，抑制电流谐 波，改善异步电机直接转矩控制系统低速性能有着十分重要的现实意义和广阔的 应用前景。 1 4 论文主要研究内容及结构安排 本文在介绍异步电机直接转矩控制系统工作原理的基础上，详尽分析了直接 转矩控制系统起动时转矩、磁链、电流之间的关系，在研究串行、并行、混合起 动方法的基础上，提出了一种带电流滞环的分阶段起动方法，同时针对传统直接 转矩低速时以及起动过程中转矩脉动大，电流谐波大等问题，采用改进的定子磁 链观测器和改进的开关表对系统低速性能进行改善。对比仿真研究结果验证改进 方案的可行性与有效性。文章结构安排如下： 第一章主要介绍异步电机调速系统控制策略发展概况和直接转矩控制的特 点，阐述了论文的研究目的和意义。 第二章阐述异步电机直接转矩控制的基本概念、控制思想、系统组成，重点 分析了电压空间矢量对定子磁链和电磁转矩的影响。 第三章介绍常用的异步电机起动方法，重点分析了串行、并行、混合起动方 法，针对起动电流过大问题，分析了起动定子电流过大的原因，针对起动电流过 大时频繁施加零电压矢量造成转矩脉动、磁链畸变，提出了一种带电流滞环的分 阶段起动方法。 第四章针对传统直接转矩系统低速时转矩脉动较大、电流谐波大，分析了 u 一，模型的磁链和相位误差，并提出了一种具有幅值补偿环节的改进积分器算 法取代纯积分环节；采用细分优化的十二区段选择电压矢量开关表来代替传统六 区段电压矢量表改进策略。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章基于m a t l a b s i m u l i n k 分别建立传统d t c 算法、改进的d t c 算法 异步电机直接转矩控制系统起动仿真模型，进行仿真研究的对比，验证了分段起 动控制策略和低速性能改进方法的可行性与有效性。 第六章是总结与展望，总结本文所作的工作，并结合实际情况提出下一步的 研究工作方向。 8 中南大学硕士学位论文第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 2 1 直接转矩控制的理论基础 2 1 1 异步电动机数学模型 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，一般包 括电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和电机运动方程。按惯例在建立其数学模 型时做如下假设。 1 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中是正弦分 布。 。 2 忽略定子和转子铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，各绕组的自感和互 感是线性的。 3 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。 交流异步电动机按定子磁场定向在口一坐标系下的空间矢量等效电路图如 图2 1 所示1 2 7 川。 图2 - 1 异步电动机在o r 一夕坐标系下空间矢量等效电路图 图2 1 中：r 。、母分别是定子电阻、折算到定子侧的转子电阻； t 、分别是定子电流、折算到定子侧转子电流； 帆、 分别是定子磁链、折算到定子侧转子磁链矢量； 厶、b 、“分别为转子互感、定子漏感、转子漏感； n s 、甜，分别是定子电压矢量、转子电压矢量。 矾一电机转速。 一 。 该等效电路采用空间矢量分析方法，在正交定子坐标系上描述异步电机。电 机在定子坐标系上电压、磁链以及转矩方程可写成下列表达式。 心：r ，十华 ( 2 1 ) 9 中南大学硕士学位论文第二章异步电机直接转矩控制基本原理及隹缝至! 丛 _-_-_-_一一一一 o = b 卜警+ j t o r 少r ( 2 - 2 ) 由( 2 i ) 、( 2 2 ) 式可得异步电动机在口一坐标系下的电压方程为1 4 1 ： s a u , p 甜r 口 诅r b r s 七l s p 0 三。p 一国r l m 0 r s + l s p ，l 。 l p l m p 0 b + l ，p 一r l r 0 l m p r l r r r4 - l r p i1 船i fi 妒l ( 2 3 ) kl 如j 式中“，口、“妒、“旭、“印、0 、锄、f 馏、分别表示定子电压、转子电压、 定子电流、转子电流在口轴和轴的分量；厶为定子电感；厶为转子电感；p 表 示微分算子。 磁链方程为： 量。 毕呶 v s 8 中r 伍 v r b t 0 0 厶 k 0 0 厶 厶0 0 厶 0 0 l s d l s p 1 r d l r b ( 2 _ 4 ) 式中l f ，蚶、吵妒、5 f ，m 、沙埔分别表示定子磁链和转子磁链在口轴和轴的分 转矩方程为： 由磁链方程( 2 4 ) 可得 瓦= p n l ( 0 0 0 ) ( 2 5 ) 将式( 2 - 6 ) 代入转矩万栏( 2 - 5 ) 得 z = 以( c 芦虮口一k ) = 以( 圆帆) 同理可得定子电流表达式 f ；一生竺墅二刍竺型 卜一t 一己 k 等 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 得 乏2 笔( 口一) 2 乏( 帆。 式中l ：( 三一l e ) z 。，将( 2 9 ) 改写成如下形式： i 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 0 妇 厶 厶 一 一 号l 妒 彬 沙 上厶一l k 中南大学硕士学位论文第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 乙= 争l y ，l l y ，l s i n 秒 ( 2 1 0 ) 式中疋、p 。、0 分别表示电磁转矩、电机极对数及磁通角。在直接转矩控 制中，实际运行时保持定子磁链的幅值为额定值，而转子磁链幅值由负载决定。 如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角0 来实现。 对于恒转矩负载，异步电动机运动方程如下： 疋一瓦：华 ( 2 1 1 ) p n a t 式( 2 1 1 ) 中互、，分别为负载转矩和转动惯量。 2 1 2 电压型逆变器数学模型 三相两电平电压型逆变器模型如图2 2 所示。它由三组六个开关 ( s o ，墨，s b ，瓦s c ，墨) 组成。由于与瓦、瓯与瓦、& 与墨之间互为反向， 即一个接通，另一个断开，所以三组开关有2 3 = 8 种可能的开关组合f 4 l 。 纠 锚 图2 - 2 电压型逆变器示意图 把开关与爱称为a 相开关，用s o 表示；s b 与夏称为b 相开关，用& 表示； & 与& 称为c 相开关，用墨表示。若规定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“ 极接通时，为“0 态。则8 种可能 的开关组合状态如表2 1 。 对应于逆变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电 压状态。这7 种不同的电压状态分成两类：一类是6 种工作电压状态，它对应于 开关状态“1 至“6 分别称为逆变器的电压状态“l ”至“6 ”；另一类是零电 压状态，它对应于零开关状态“0 和“7 ( 见表2 1 ) ，两个都称为逆变器的零 电压。当逆变器输出工作电压时，定子磁链旋转，电机转矩增大或缩小；当给逆 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 变器加零电压时，定子磁链停止不转，电机转矩减小。 表2 - 1 逆变器的8 种开关组合状态 状态01234 567 s。0 1010 101 s b 001 1 0 0 1 1 s c 0000i 111 据图2 - 2 电路分析可以得到三相逆变器的开关状态与三相线相电压的关系， 如表2 2 所示。直接转矩控制就是直接通过转矩、磁链信号输出不同的逆变器开 关状态来控制异步电动机的三相供电压以实现转矩控制和速度可调。 表2 - 2 三相逆变器的开关转换模式 如果电压型逆燹器对一个定子绕组对称的异步电机供电，那么异步电机的相 电压、u 6 、1 , 1 c 之间的关系为： u 。+ + 材。= 0 ( 2 一1 2 ) 这样，由逆变器的开关状态可得2 8 1 ：堡萼生 ：尘掣 ( 2 1 3 ) ：尘掣 1 2 中南大学硕士学位论文第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 引入空间矢量的概念，把逆变器输出的材。、u 。、“。这三个标量转换为一个 矢量。空间矢量的变换式为 x ( t ) = 三【兄( f ) + 饯( ，) + p 2 鼍( f ) 】 ( 2 - 1 4 ) 式中p 为复系数，旋转因子p = 嬲。对于图2 2 所示的逆变器，若其a 、b 、c 三 相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢量厅。的变换表达式为 ，f 三!f 塑 玩( ，魏，) = ( & + 墨p o + 疋f o ) ( 2 1 5 ) 将表2 - 1 中八种电压状态代入式( 2 1 3 ) 可以得到，六个工作电压的大小均 为2 u a , ：3 ( 为直流母线电压) 。因此，六个工作电压的顶点在矢量空间构成 正六边形，图2 3 给出了电压矢量的空间位置分布及扇区分布，两个零电压矢量 位于原点，六个工作电压把空间分为6 个扇区( s 1 ，s ：，& ) ，每个扇区对 应的磁链位置角的范围是：疗 三钆 刀 詈，其中n - 1 ，2 ，o 96 。 | o ) 。 s 2 局一。 ， ，t l i 塑1 1 )甜o j o d h“1 ( 2 0 0 ) 1 5 ( 0 0 1 ) 图2 - 3 逆变器输出电压在矢量空间的分布 2 2 电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响 2 2 1 电压空间矢量对定子磁链的影响 使磁链幅值增大的电压状态有两种：与磁链运动轨迹成6 0 0 角和成一1 2 0 。角的 电压空间矢量，称之为磁链电压1 4 1 。图2 _ 4 为圆形磁链轨迹调节过程示意图。定 子磁链处于第一扇区，假设运动至a 点，则有虮+ 气，此时，磁链滞环比较 器输出信号g 为一l ，输出电压矢量应使眵，l 增加。综合考虑转矩滞环比较器输出， 中南大学硕士学位论文第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 如果需要痧。作逆时针旋转时，可选择电压矢量巧或圪；如果需要妒。作顺时针旋 转，可选择电压矢量k 。同理，对于b 点有虮一气，磁链滞环比较器输出信 号巳变为1 ，此时应选择电压矢量使眵，l 减小。如果需要痧。作逆时针旋转时，可 选择电压矢量圪；如果需要痧。作顺时针旋转时，可选择电压矢量圪或k 。因此， 磁链调节使得定子磁链空间矢量在旋转的过程中，其幅值始终在容差范围之内波 动。 定子磁链计算采用较为简单的u 一，模型，磁链与定子电压之间的关系是： 妒，= i ( 露，一r 。t ) 出- i - 妒如 ( 2 1 6 ) 根据异步电机的定子磁链方程式( 2 1 6 ) 离散化得到【2 9 1 ： 帆( 以) = 虮( n - 1 ) + u , ( n - 1 ) t ( 2 - 1 7 ) p o s 弋 勰一 划j k s b n l l 图2 - 4 圆形磁链轨迹控制 在全数字化控制系统中，由于采样周期是固定的，磁链的波动范围也是一定 的，它是一个与采样周期成正比的量，采样周期越短，磁链的波动范围就会越小。 通常采样周期e 为几十至几百微秒，所以有式( 2 1 8 ) 至( 2 2 0 ) 成立： f 虬( 万一1 ) t l k ( 刀) i ( 2 1 8 ) i u s ( 聆一1 ) 互i 1 ( 珂一1 ) f ( 2 - 1 9 ) i 虬( 力一1 ) i k ( 刀) f ( 2 - 2 0 ) 从而得到 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机直接转矩控制基本原理及性能分析 虮= u s a t + 虬o ( 2 - 2 1 ) a m 。= 缈。一吵曲= a t ( 2 2 2 ) i 虬l _ i 吩a t l c o s o , = i “，t s l c o s 0 ，, ( 2 - 2 3 ) 当巳- - - 0 时，虮取最大值，即 虬一嘲：缸瓦( 2 - 2 4 ) 如果取采样周期互为1 0 0 s ，定子侧电压为5 8 0 v ，磁链恒定幅值为 j v s = 2 7 w b ，则 店s s 叫o o t 。巧 1 8 ( 2 2 5 ) s j 2 | 定子磁链的观测准确性，可以说是改善直接转矩控制系统性能的技术关键之 一。若定子磁链幅值或相位出现较大误差，都会影响系统的控制性能，甚至使系 统不稳定。式( 2 2 3 ) 表明当缩小采样时间z 时，磁链脉动还可以进一步减小，磁 链控制得越好，电流谐波就会越小，转矩脉动也会越小，从而获得更好的系统性 能。 2 2 2 电压空间矢量对电磁转矩的影响 由式( 2 1 0 ) 可知，电磁转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通 角秒正弦值的乘积成正比。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分 利用电动机铁心，转子磁链幅值由负载决定，要改变电动机转矩的大小，可以通 过改变磁通角秒的大小来实现。 在直接转矩控制技术中，其控制思想就是通过电压空间矢量。( ，) 来控制定 子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的 大小，从而改变磁通角口的大小，以达到控制异步电机电磁转矩的目的。 如图2 5 所示，在l 时刻，定子磁链、转子磁链和磁通角分别为沙，( f 1 ) 、吵，( f ，) 和只。从，时刻到岛时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为蚝( 0 1 0 ) ，则定子磁 链空间矢量将由虬( f ，) 的位置旋转到虮( ，：) 的位置，其运动轨迹a m 。( r ) 与甜3 平 行。根据式( 2