（控制科学与工程专业论文）异步电机直接转矩控制系统快速正反转控制策略研究.pdf

摘要 在分析直接转矩控制工作原理的基础上，针对异步电机经典正反 转实现方法存在过渡过程时间长、转矩脉动大、反向起动电流畸变严 重等缺点，提出了异步电机直接转矩控制系统快速正反转控制策略， 该控制策略利用转子磁链惯性作用，通过控制定、转子磁链位置角的 相对关系，使电机输出制动转矩或电动转矩。当要求电机输出电动转 矩时，控制定子磁链超前转子磁链旋转；当要求电机输出制动转矩时， 控制转子磁链超前定子磁链旋转。通过b a n g - b a n g 控制策略，使电机 在正反转过渡过程阶段输出恒定的制动转矩和恒定的反向起动转矩。 该控制策略能有效缩短正反转过渡过程时间，反向起动电流畸变小， 转矩脉动小，过渡过程平滑，对传动机械装置无冲击，非常适用于要 求传动电机经常正反转的生产过程。 针对异步电机直接转矩控制系统低速时转矩脉动大的问题，设计 了异步电机直接转矩预测控制策略。该控制策略通过计算在当前控制 周期消除转矩误差电压空间矢量需要工作的时间，剩余时间施加零电 压空间矢量的方法，降低转矩脉动量，减少电流畸变，改善电机的低 速运行性能。 基于m a t l a b s i m u l i n k 平台分别对摩擦类和位能类恒转矩负载 d t c 系统正反转控制策略进行了仿真，并对传统控制方法与预测控制 方法做了对比仿真研究。仿真结果表明提出的快速正反转控制策略可 以使电机输出恒定制动转矩和恒定反向起动转矩，缩短异步电机正反 转过渡过程时间，且在整个过渡过程中，定子电流在电机允许最大范 围内。采用提出的预测控制策略，有效减小了直接转矩控制系统转矩 脉动，改善了定子电流波形，提高了异步电机直接转矩控制系统的性 能。最后，在3 7 k w 异步电机交流调速实验平台上对提出的快速正反 转控制策略进行了实验，实验结果表明提出的正反转控制策略可实现 电机快速、平滑正反转，验证了控制策略的有效性和可行性。 关键词异步电机，d t c ，快速正反转，预测控制 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 sd e e p l ya n a l y z e di n t h i sp a p e r i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl o n gr e v e r s i o ni n t e r i m , l a r g e t o r q u er i p p l ea n ds e r i o u sd i s t o r t i o no f m o t o r ss t a t o rc u r r e n ti nt h ep r o c e s s o fr e v e r s i o ns t a g e ，ac o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o r w a r dt or e a l i z eq u i c k r e v e r s i o nf u n c t i o ni ni n d u c t i o nm o t o rd t cc o n t r o ls y s t e m m a k i n gu s eo f r o t o r si n e r t i a ，m o t o ro u t p u t s d r i v i n gt o r q u ea n db r a k i n gt o r q u eb y c o n t r o l l i n gt h er e l a t i v ea n g l ep o s i t i o nb e t w e e ns t a t o rf l u xa n dr o t o rf l u x m o t o ro u t p u t sd r i v i n gt o r q u eb yk e e p i n gs t a t o rf l u xr o t a t i n ga h e a do f r o t o rf l u x ；m o t o ro u t p u t sb r a k i n gt o r q u eb yk e e p i n gs t a t o rf l u xr o t a t i n g b e h i n do fr o t o rf l u x m o t o ro u t p u t si n v a r i a b l eb r a k i n gt o r q u ea n dr e v e r s a l s t a r td r i v i n gt o r q u eb yb a n g b a n gc o n t r o ls t r a t e g y ，w h i c hc o u l ds h o r t e n t h er e v e r s i o ni n t e r i ma n dn oc u r r e n td i s t o r t i o no fm o t o r ss t a t o ra tr e v e r s a l s t a r ts t a g e ，a l s or e d u c et o r q u et i p p l e ，w i t h o u ts h o c kt ot r a n s m i s s i o n e q u i p m e n t i ti sv e r ya p p l i c a b l et op r o d u c t i o np r o c e s sw h i c hr e q u e s t m o t o r sf r e q u e n tr e v e r s i o nr o t a t e s e c o n d l y ，d i r e c tt o r q u ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e dt os o l v e t h ep r o b l e m so fl a r g et o r q u et i p p l e si nt r a d i t i o n a li md t cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h i sc o n t r o ls t r a t e g y ，w o r k i n gt i m eo fv o l t a g es p a c ev e c t o r i ne v e r yc o n t r o lp e r i o di sc a l c u l a t e dw h i c hc a ne l i m i n a t et h et o r q u er i p p l e ， m o t o ri sg i v e nz e r ov o l t a g es p a c ev e c t o ri nt h er e s tt i m eo f p r e s e n tp e r i o d t h ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yc a nr e d u c et o r q u et i p p l ea n ds t a t o r c u r r e n t sd i s t o r t i o ne f f e c t i v e l y ，i m p r o v em o t o r sl o ws p e e dp e r f o r m a n c e 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 la n dp r e d i c t i v ed t c s y s t e mw h i c hc a n r e a l i z em o t o r sr e v e r s i o nf u n c t i o na 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 a t l 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 n r e s u l t sp r o v et h a tr e v e r s i o nc o n t r o ls t r a t e g yc a nr e a l i z em o t o r sq u i c k r e v e r s i o nf u n c t i o nw i t hi n v a r i a b l eb r a k i n gt o r q u ea n dr e v e r s a l s t a r t b r a k i n gt o r q u e ，a l s os h o r t e nr e v e r s i o ni n t e r i mw i t h o u tl a r g es t a t o rc u r r e n t i i p r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g yc a nr e s t r a i n tt o r q u er i p p l e ，r e d u c es t a t o r c u r r e n t sd i s t o r t i o ne f f e c t i v e l y d t cq u i c kr e v e r s i o ns t r a t e g yi sr e a l i z e d i n37 k wi ma cs p e e dr e g u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r m , t h ep r o c e s so f r e v e r s i o ni sf i n i s h e ds l i d e l yi nas h o r tt i m e ，t h er e s u l t sp r o v et h ec o n t r o l s t r a t e g y se f f e c t i v i t ya n df e a s i b i l i t y k e yw o r d si n d u c t i o nm o t o r , d t c ，q u i c k r e v e r s i o n ，p r e d i c t i v ec o n t r o l 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：互恤日期：牛年量月丝日 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：掣l 导师签名罐日期：丑年上月覃日 中南人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提高利用率的课题，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 异步电机调速系统控制策略发展概况 异步电机由于结构简单、维护容易、价格便宜、对环境要求低等优点，已广 泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中【3 】。但由于异步电机的 磁链和电流的强耦合性、时变性与非线性，其调速难度很大。因此，2 0 世纪8 0 年代以前异步电机主要应用于对调速性能要求较低的场合。随着生产的发展，调 速性能成了电气传动设备的一项基本要求，除了满足一定的调速范围以及速度连 续可调之外，还必须具有良好的动态性能和鲁棒性。 随着电力电子技术、微电子技术的发展和现代控制理论、计算机控制技术的 广泛应用，交流调速技术发展十分迅速，理论上取得了突破性的进展，获得了许 多创造性的成果，并广泛应用于实际调速系统中。电气传动技术面临着一场历史 革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为 发展趋势。异步电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以及提高产品 质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。交流变频调速以其优异的调速 和起制动性能，高效率和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外 公认为最有发展前途的调速方式。 交流调速系统的控制理论和应用今后将主要沿着下述几个方向发展【】： 在一般性能的节能调速系统中，过去大量的所谓不变速交流传动，如风机、 水泵等总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合不得不依赖挡 板和阀门来调节送风和供水的流量，因而对能源造成了很大的浪费。若采用交流 中南大学硕士学位论文第一章绪论 调速系统，节省消耗在挡板和阀门上的能量，可明显提高经济效益。 在工艺上对调速性能要求较高的应用场合，过去多用控制策略成熟的直流传 动。但鉴于异步电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效 率高，交流传动必将成为未来的发展方向。但是，异步电机电磁转矩、转速难以 像直流电机那样直接通过电流施行灵活的实时控制。因此，其应用受到很大的限 制。矢量控制技术、直接转矩控制技术等新控制技术的应用，形成了一系列在性 能上可以和直流调速系统相媲美的高性能交流调速系统，大大扩展了异步电动机 的应用范围。 特大容量、高转速的交流调速中，直流电机换向器的换向能力限制了容量和 转速。因此，特大容量的传动和高转速的传动，如电力机车牵引等大都采用交流 调速系统，其控制策略的研究倍受科技界的重视。 随着控制科学的飞速发展及其与相关学科的融合也带动了交流调速控制系 统的应用研究。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、直接转矩控制 等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构控制、模型参考自适应控制、采用 微分几何理论的非线性解耦控制、鲁棒观测器、某种指标下的最优控制技术和逆 n y q u i s t 阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、人工神 经网络、专家系统和各种自优化、自诊断技术等r n 。其中，矢量控制作为发展最 早的先进控制策略，仍然是高性能交流调速系统的主流控制策略：直接转矩控制 则因为结构简单、易于控制等优点，具有良好的发展前景。同时，数字化控制技 术使得这些复杂的控制算法得以充分实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高 了控制精度；自诊断功能和自调试功能的实现进一步提高了系统可靠性，节约了 大量时间和人力，其操作、维修都更加方便简捷。随着今后微机运算速度及存储 器容量的提高，数字化己成为交流传动控制的发展方向，将逐步取代模拟控制系 统。 1 2 直接转矩控制的基本特点与研究现状 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 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 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 的成功，1 9 8 7 年又将它推广到弱磁调速范围【8 】。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 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 性控制【9 1 2 】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 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 【1 3 ，1 4 】 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 5 , 1 6 】。 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 课题研究背景及意义 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。 电机正反转过渡过程包括制动和反向起动两个阶段。目前异步电机实现制动 常用的方法有以下三种：惯性制动、能耗制动、反接制动。惯性制动是靠机械摩 擦力使电机自由停车，缺点是制动时间长；能耗制动是把定子两相绕组接入制动 电阻，电枢两端所感生的反电动势在制动电阻回路中产生反向电流，形成制动转 矩，缺点是需要增加制动电阻等额外的硬件设备，且低速时制动转矩很小。反接 制动是改变供电电源相序，虽然可以产生很大的制动转矩，但反向电流太大，必 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 须在电机回路中串入制动电阻。 电机正反转经典控制方法，将电机制动和反向起动分成两个独立的步骤分别 进行控制。这种方式下的反向起动实际上是静止起动。电机静止起动会产生很大 的瞬间冲击电流，起动电流有效值可高达额定电流的4 7 倍，甚至更大【l7 1 9 】。 过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大，特别是容量较大、起动转 矩大的电动机出现这种情况会更为严重。 在现代工业生产中，许多场合要求传动电机频繁正反转。例如起重机械、可 逆式轧钢机、龙i - n 床等，传动电机运行在正反转过渡过程的时间占整个生产时 间的比重很大，且对传动电机正反转操作频率较高，要求传动电机正反转过渡过 程时间尽量短，以提高生产效率【2 眦2 1 。缩短传动电机正反转过渡过程时间，必 须使电机输出最大制动转矩和反向起动转矩，同时要限制定子电流在电机允许的 最大定子电流范围内，且不能对传动机械设备有冲击。经典的异步电机正反转控 制方法，如果采用惯性制动再反向起动，过渡时间长，且反向起动阶段转矩脉动 大、定子电流畸变严重；如果采用能耗制动再反向起动，需要增加额外的制动设 备，且反向起动仍属于静止起动，动态性能很差；如果采用反接制动再反向起动， 虽然过渡时间很短，但定子电流很大，必须串联电阻，且对传动机械设备造成很 大的冲击。此外，上述三种实现异步电机正反转的方法，制动转矩和反向起动转 矩不恒定，不能控制正反转过渡过程的时间，不适用于要求传动电机频繁正反转 的生产过程。 本论文提出一种异步电机直接转矩控制系统实现快速正反转控制策略，使电 机能够输出恒定制动转矩和恒定反向起动转矩，通过设置制动转矩和反向起动转 矩的大小，可以对正反转过渡时间进行精确控制，同时有效限制起动电流。应用 于需要频繁正反转的生产过程，可以缩短正反转过渡时间，提高生产效率，同时 保证在正反转过渡过程中对传动机械设备无冲击，有效维护传动机械设备。 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 转矩控制系统转矩、磁链、电流之间的关系，在研究转子磁链惯性作用的基础上， 提出了一种异步电机直接转矩控制系统实现快速正反转控制策略，同时针对传统 直接转矩控制系统转矩脉动大，电流谐波大等问题，采用预测控制策略对系统性 能进行改善。仿真结果验证了本论文提出的正反转控制策略和直接转矩预测控制 策略的可行性与有效性；实验结果验证了正反转控制策略的可行性和有效性。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。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 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。 第三章分析转子磁链惯性在转矩调节上的作用，提出了一种异步电机直接转 矩控制系统实现快速正反转控制策略，阐述了正反转过渡过程中定、转子磁链位 置角相对变化时电机转矩、转速的变化情况；针对异步电机d t c 系统低速段转 矩脉动大的问题提出了直接转矩预测控制策略；设计了可实现快速正反转异步电 机直接转矩控制系统框图，并对重要的控制环节进行了详细说明。 第四章基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了异步电机直接转矩控制系统可实现快 速正反转仿真模型，通过对仿真结果的分析与对比，验证了正反转控制策略的可 行性和预测控制策略对减小转矩脉动的有效性。介绍了3 7 k w 异步电机交流调 速实验平台硬件结构和软件结构，对异步电机d t c 系统正反转控制策略在实验 平台上进行了实验，实验结果验证了正反转控制策略的可行性。 第五章是总结与展望，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。 6 中南大学硕十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【2 3 洲。 p 图2 - 1异步电动机在口- p 坐标系下空间矢量等效电路图 图2 一l 中：足。、r ，分别是定子电阻、折算到定子侧的转子电阻； 、分别是定子电流、折算到定子侧转子电流； 虮、 分别是定子磁链、折算到定子侧转子磁链矢量； 三肿幻、“分别为转子互感、定子漏感、转子漏感； u 。、u ，分别是定子电压矢量、转子电压矢量。 他一电机转速。 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。 ：r + 警 ( 2 1 ) u l 0 ：尽一誓+ q 悱 ( 2 2 ) u l 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式可得异步电动机在口一坐标系下的电压方程为【8 1 ： 7 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 “j 口 l ls 口 “r 口 u r p r s + l s p o l m p 一r l m o r s + l s p q 厶 厶p l m p o r r + l r p 一r l r 0 l m p r l r r + p z j 口 t s b t r a i r p ( 2 - 3 ) 式中“，口、“妒、“，口、“咿、i ，口、i 妒、i r 。、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；l ，为转子电感；p 表 示微分算子。 磁链方程为： 量。 虬。 妒s 口 l f ，r 。 v r b 厶0 0 厶 厶0 0 厶 厶0 0 厶 厶0 0 l r k i s b l r 口 | r 6 ( 2 4 ) 式中沙埘、妒、沙。、哆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 疋= p 。l 。( i 懈一口如) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 将式( 2 6 ) 代入转矩方程( 2 5 ) 得 z = p ( i s 卢g , 。一。虬声) = 见( o v s ) ( 2 - 7 ) 同理可得定子电流表达式 驴觜 ；一l 即s b l 潮r b 锄21 群 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 7 ) 得 z 2 等( 脏一) 2 乏( ) 式中l 矿= ( ，l ，一e ) l 。，将( 2 9 ) 改写成如下形式： 乃= 争川川s i n 0 台 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) t 妇 厶 厶 一 一 ： 妒 y y 。一厶一i厶 = = 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 式中瓦、以、秒分别表示电磁转矩、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臼来实现。 对于恒转矩负载，异步电动机运动方程如下： i 一无= 譬 ( 2 1 1 ) p u 式( 2 1 1 ) q b 五、j 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 。，s o ，咒，瓦疋，墨) 组成。由于s 。与瓦、咒与瓦、足与瓦之间互为反向， 即一个接通，另一个断开，所以三组开关有2 3 = 8 种可能的开关组厶【引。 引 引 图2 - 2 电压型逆变器示意图 把开关s 。与爱称为a 相开关，用s 。表示；s b 与爱称为b 相开关，用品表示； s ，与砖称为c 相开关，用s ，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“1 态；反之，与“一”极接通时，为“0 ”态。则8 种可能 的开关组合状态如表2 。l 。 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“1 至“6 ；另一类是零电 表2 - 1 逆变器的8 种开关组合状态 状态o123456 7 s o 01010101 s b 0011o01 1 9 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机赢接转矩控制基本原理及性能分析 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 变器加零电压时，定子磁链停止不转，电机转矩减小。 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 如果电压型逆变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 电压掰。、u 6 、u e 之间的关系为： u 。+ u 6 - i - u 。= 0( 2 1 2 ) 这样，由逆变器的开关状态可得【2 4 】 “。：2 s - i s b 一- s c ：尘掣( 2 - 1 3 ) 驴尘掣 引入空间矢量的概念，把逆变器输出的u 。、u 。、u c 这三个标量转换为一个 矢量。空间矢量的变换式为 x ( t ) = ( f ) + p ( r ) + p 2 以( f ) 】 ( 2 1 4 ) 式中p 为复系数，旋转因子p = 棚。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“。的变换表达式为 1 0 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 虬( ，& ，瓯) = ( 配+ s h e o + 疋p o ) ( 2 - 1 5 ) 将表2 1 中八种电压状态代入式( 2 一1 3 ) 可以得到，六个工作电压的大小均为 2 【厂如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 。，s ：，瓯) ，每个扇区对应 的磁链位置角的范围是：刀詈一三 刀詈一詈，其中刀。 1 ，2 ，6 ) 。 u 3 ( o l o ) 缘( 1 l o ) 弋 墨 7 s _ 。 万一，。j 。)i 妒1 1 ) 材o f o d h 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1 2 0 0 角的 电压空间矢量，称之为磁链电压【8 】。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，则有帆- i - e 。，此时，磁链滞环比较 器输出信号c ，为1 ，输出电压矢量应使i 。l 增加。综合考虑转矩滞环比较器输出， 如果需要沙。作逆时针旋转时，可选择电压矢量k 或圪；如果需要帆作顺时针旋 转，可选择电压矢量k 。同理，对于b 点有虮一e ，磁链滞环比较器输出信 号c ：，变为1 ，此时应选择电压矢量使i 沙。i 减小。如果需要沙。作逆时针旋转时，可 选择电压矢量以；如果需要沙。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： 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= 且蚝一r 灿+ 虮。 根据异步电机的定子磁链方程式( 2 1 6 ) 离散化得到2 5 ： 螈( 胛) = 虬( n - 1 ) + u ，( n - 1 ) t , 户 垫弋 缭1 0 1 刈- 一 二么 图2 - 4 圆形磁链轨迹控制 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 在全数手化控制系统中，由于采样周期是崮定的，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t 为几十至几百微秒，所以有式( 2 1 8 ) 至( 2 2 0 ) 成立： i u s ( 刀一1 ) z l i 虬( ，z ) i ( 2 1 8 ) i s ( 即一1 ) 正i i 虬( ，z 一1 ) i ( 2 1 9 ) i 虮( ，z 一1 ) i i 虬( ，z ) i ( 2 - 2 0 ) 从而得蛰i 虬= u f 出+ 虬o ( 2 2 1 ) 沙s = s 一s o = u f a t ( 2 2 2 ) i 虬i = l 坼a t l c o s o ，, = i t i c o s 巳 ( 2 - 2 3 ) 当巳= 0 时，。取最大值，即 虬一皑z = 缸瓦 ( 2 2 4 ) 如果取采样周期互为1 0 0 m ，定子侧电压为5 8 0 v ，磁链恒定幅值为 帆= 2 7 w b ，则 1 2 中南大学硕十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 层s s o o - 。61 8 ( 2 - 2 5 ) 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0 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u 。( f ) 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，从而改变磁通角目的大小，以达到控制异步电机电磁转矩的目的。 如图2 5 所示，在时刻，定子磁链、转子磁链和磁通角分别为y 。( f 1 ) 、沙，( ) 和鼠。从时刻到t 2 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为u ，( 0 1 0 ) ，则定子磁 链空间矢量将由虮( ) 的位置旋转到虬( f ：) 的位置，其运动轨迹a g ，( f ) 与坞平 行。根据式( 2 2 ) ，这期间转子磁链的旋转并不直接跟随超前于它的定子磁链， ， ：焱 1 誓 ? 耀s 誓夕 蒋岩 一。 1 。 、 图2 - 5 电压空间矢量对异步电机输出转矩的影响示意图 其位置变化实际上受该期间定子频率的平均值砭的影响。因此在到t ：这段时间 内，定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度，磁通角秒( f ) 由幺增大至岛，相应 的导致转矩增大。相反，如果在t 2 时刻，给出零电压空间矢量，则定子磁链空间 矢量| f ，( t z ) 将保持在乞时刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以瓦的 速度旋转，磁通角减小，从而转矩减小。 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 进行分析如下。对式( 2 7 ) 两边取微分，再乘以系数乙= ( 厶厶- 己) 肛得到： l 未乃= 见厶( 杀虬 + 虮。昙) c 2 2 6 ， f r i di l ，t = l s 一妒t + j r ? l ，i 。一2 8 ) ( 2 - 2 8 ) 1 r 斟t 2 l o s v 、 3 n 乒l 乞扣每( 虬吨) 专h 抄抄 式中。= 钐，将式( 2 - 2 6 ) 、式( 2 - 2 8 ) 代入式( 2 - 2 9 ) 得 厶。歹d 乙2 见c 每虮一乙，。蚝一仇国虮一n c 每足+ 每辟) ( 虮。u 。2 3 。， 一孚见( ”。虮) 。 瓦= p ( t qp 乇) = 争( 虮。悱) ( 2 3 1 ) 乙昙疋= 见( ”。) _ 岛国虬”一( 乞足+ 每耳) z ( 2 3 2 ) 1 4 中南大学硕十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 1 ) 磁链本身的脉动很小，一两拍内不及时控制，不会对磁链的轨迹造成多大的 影响。 2 ) 如果选择滞后的电压矢量，虽然兼顾到磁链的控制，但会造成转矩的脉动过 大，从而使电流和转速的脉动变大，影响系统稳态性能。 所以直接转矩控制系统策略中，一般优先考虑转矩，以转矩的脉动作为主要 参考指标。但是，当定子磁链幅值偏离给定过大时，或在起动初期尚未建立磁场 时，就应该优先考虑磁链的控制。可见，直接转矩控制方法主要是通过电压矢量 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，从而改变定子转子磁链之间的夹角，达到控制转矩的目的。 2 3 直接转矩控制系统结构 传统的直接转矩控制的结构框图如图2 - 6 所示，它包括转矩控制环和磁链控 制环。转矩控制环实现对给定转矩f 的快速跟踪控制，磁链控制环则使电机定 子磁链维持在给定值：的容差范围内。直接转矩控制中对定子磁链的控制通常 有两种，一种是控制定子磁链矢量端点按正六边形轨迹运行，另一种是控制定子 磁链矢量端点按近似圆形轨迹运行。研究和实践证明，六边形磁链更适合于直接 转矩控制的高速域，而在电机低速运行时，使用圆形磁链可以减小转速波动和电 流畸变，本文讨论基于后者【2 睨8 1 。 口卜r 图2 - 6 传统的直接转矩控制系统的结构框图 根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器输出的开关信号s 丁和墨，以及定子 磁链所在的扇区信号n ，从已知的定子电压开关信号选择表中选择合适开关状 态，控制逆变器输出空间电压矢量，以维持转矩和定子磁链的偏差在滞环比较器 的容差范围内，从而实现对转矩和磁链的直接控制。定子磁链和电磁转矩的反馈 值，可由磁链和转矩计算单元观测得到。 1 5 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 2 3 1 速度p i 调节器单元 由图2 - 6 可知，给定转矩c 由给定转速国和实际转速国偏差经过速度p i 调 节器得到。根据异步电动机运动方程( 2 - 11 ) p - i 矢【i ，电磁转矩z 与速度偏差之间存 在比例积分的关系。因此，通过速度p i 调节器能获得期望的转矩值，实现转矩 的闭环控制。p i 参数通常根据实际情况进行整定。 2 3 2 磁链和转矩滞环比较单元 定子磁链计算采用u 一，模型时，磁链与定子电压之间的关系由式( 2 3 3 ) 确定。式中帆。表示定子磁链的初始值。由于定子电阻通常很小，在分析时若忽 略定子电阻压降的影响，则 虬i u s d t + 虮o ( 2 3 3 ) 式( 2 3 3 ) 表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，即增 量关系，定子磁链矢量的变化方向跟随电压空间矢量的变化方向。 磁链滞环比较器如图2 7 所示。当缈：一虮时，说明定子磁链幅值实际值 虮少于幅值给定值矿，并且超出了容差上限，滞环比较器输出g = - 1 ，开关 选择表输出合适的定子电压空间矢量以增大虮；当以一一毛时，说明定子磁 链幅值实际值虮大于幅值给定值y ：，并且