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异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 摘要 直接转矩控制系统变频调速技术( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 是利用空 间矢量的分析方法，直接在定予坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转 矩，直接跟踪定子磁链和转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调 节( b a n g b a n g 控制) 产生p w m 信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得高动态性能的转矩响应。 定子磁链运动轨迹近似为圆形的控制方案是通过实时计算电机转矩与 磁链的误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。为了能 够更好的，更直观的观测圆形磁链轨迹，了解直接转矩控制的特点及其所能 达到的效果，本论文在对异步电动机直接转矩控制的基本原理进行充分分析 的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，构建了异步电动机直接转矩控 制系统的模型，对圆形磁链轨迹控制方法进行了仿真。 在仿真中分析了磁链滞环参数的变化对系统控制性能的影响，分析仿真 实验结果，本文所设计的系统模型基本上是成功的，实验结果是比较令人满 意的。 以t i 公司生产的电机专用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心可 方便实现直接转矩控制系统的数字化。f 2 4 0 内部的外设模块为电机控制提 供的硬件功能，使软件编程的工作得到大大的简化，它的实时运算能力大大 提高了电机的控制性能和可靠性。 关键训：直接转矩控制，磁链，仿真，m a t l a b s i m u l i n k ，d s p s i m u l a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l o fa s y n c h r o n o u sm a c h i n ew i t h m a t l a b a b s t r a c t r i h ef l u xa n dt o r q u eo fs t a t o ro fa s y n c h r o n o u sm a c h i n ea r ed i r e c t l yt r a c k e d ， c a l c u l a t e da n dc o n t r o l l e di nt h es t a t o r - o r i e n t e dc o o r d i n a t e s ，u s i n gt h em e t h o do f p a r kv e c t o r t h es i g n a lo fp w mi sb u i l tb yd i n to ft h ed i s c r e t eb a n d b a n d a d j u s t m e n ti no r d e rt oc o n t r o lo p t i m a l l yt h es t a t eo ft h es w i t c h e so fi n v e r t e ra n d g e tt h eo p t i m a ls y s t e m sd y n a m i ca n ds t a t i cr e s p o n s e i nt h es c h e m eo fr a k i n gt h et r a c ko fs t a t o rf l u xa p p r o x i m a t ec i r c l e ，t h e r e l e v a n tv e c t o ro fi n v e r t e rs w i t c hi ss e l e c t e db yc a l c u l a t i n gi nr e a lt i m et h ee r r o r o ft o r q u ea n df l u xa n dl i n k i n gt h ed i m e n s i o n a lp o s i t i o no fs t a t o rf l u x i no r d e rt o o b s e r v et h er o u n dt r a c ko ff l u xb e t t e ra n dm o r ed i r e c t l ya n dk n o wt h et r a i ta n d t h ee f f e c t g o tb y d t c ，t h es i m u l a t i o nm o d e lw i t h t h es o f to f m a t i 。a b s i m u l i n kw a ss e tu pb yu s i n gt h em e t h o do ft h er o u n df l u xi nt h i s t h e s i s i nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e sh a v eb e e na n a l y z e dw h e nt h e p a r a m e t e ro ft h ea s y n c h r o n o u sb a n do fs t a t o rf l u xi sc h a n g e d a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to l t h es i m u l a t i o n ，t h em o d e ld e s i g n e di nt h et h e s i sw a s p r o v e dc o r r e c t ，a n d t h er e s u l ti ss a t i s f y i n g ，i h ed i g i t a ld t cs y s t e mi si m p l e m e n t e de a s i l yu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ， w h i c hi saf i x e d p o i n td s pa n dd e v e l o p e ds p e c i a l l yf o rm o t o rc o n t r o lb yt e x a s i n s t r u m e n t si n c i tc o m b i n e sh i g h p e r f o r m a n c e p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s a n d s e v e r a la d v a n c e dp e r i p h e r a l st h a ti n c l u d et h ee v e n tm a n a g e rm o d u l ea n dad u a l 10 由ha n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls o f t w a r eb e c o m e s e a s ya n dt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r eg r e a t l y i m p r o v e dd u et ot h ea p p l i c a t i o no fd s p k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，f l u x ，s i m u l a t i o n ，m a t l a b s i m u l i n k ， d s p 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 l 绪论 1 1 电机调速技术的发展概况 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。在当今社会中广泛应用着各式各 样电气传动系统，其中许多机械有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织 机械等等，为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要调速的另一类设备如风机、水泵 等为了减少运行损耗，节约电能也需要调速。如果根据原动机来分类，那么原动机是直 流电动机的系统称之为直流电气传动系统；反之原动机是交流电动机的系统，则称之为 交流电气传动系统。如果根据转速的变化情况来分类，电气传动系统又可分为恒速电气 传动系统和变速电气传动系统两大类。 在上世纪8 0 年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式。这是因为直流电动机调速 方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以在宽广的范围内实现无级调速，而 且在磁场一定的条件下它的转矩和电流成正比，从而使得它的转矩易于控制、转矩的调 节性能和控制性能比较理想。 但是，在直流电气传动系统中，由于直流电动机本身在结构上存在严重的问题，它 的机械接触换向器不但结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花， 特别是由于换向器强度不高等问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组；此 外由于电刷易于摩擦等问题存在，在运行中需要有经常性的维护检修，以上这些缺陷就 造成了直流电气传动不尽理想 1 8 8 5 年交流鼠笼型异步电动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式的局 面。由于它结构简单、运行可靠、价格低廉而且坚固耐用，惯量小，便于维修，适用于 恶劣环境等特点，使其在工农业生产中得到了极广泛的应用。 但是交流电动机调速比较困难，而且其调速性能( 调速范围、稳定性或静差度、平滑 性等) 却无法与直流调速系统相媲美，因此这些电机绝大部分都是恒速运行的。早在1 9 世纪3 0 年代，国外就开始研究各种交流电机变速传动。在早期采用的主要是绕线式异步 电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速：后来在5 0 年代异步电动机定予串饱 和电抗器的调速方法也有了一定的发展。由于受电机结构和制造工艺的限制，变极调速 通常只能实现两三种极对数的变换，不能做到连续地调节速度，调速范围和极数都非常 有限。此外还可以依靠改变定子电压( 改变电源电压或定子串阻抗) ，或绕线型电动机转 子串电阻，或带转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机 的损耗与转差率s 成比例地增大，效率随转速的降低而降低，由于电机在高转差低转速 下运行特性恶化，使实际可行的调速范围受到限制。在6 0 年代大功率半导体变频装置的 问世丌创了电力电子技术发展的新时代，这种半导体电力电子器件具有体积小、价格低、 陕西科技大学硕士学位论文 坚固耐用、性能良好等优点，通过使用它可以连续地改变电源频率，十分理想地实现交 流电动机的无级调速，从而使交流电机调速技术飞跃发展。尤其是7 0 年代以来，大规模 集成电路和计算机控制技术的发展，新型电力电子器件的出现，以及先进控制理论( 如自 适应控制、模糊控制、神经网络控制等) 等的应用，为交流电力拖动的开发进一步创造了 有利条件。 如今交流调速领域相当活跃，新技术层出不穷。目前，交流调速系统正向集成化、 实用化、智能化方向发展。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电 动机调速，特别是矢量控制技术、直接转矩控制技术的应用，使得交流调速逐步具备了 宽调速范围、高稳速精度、快动态响应等良好的技术性能。原来的交直流拖动分工格局 被逐渐打破，在各工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动已指日可待，特别是在世界 能源紧张、能源费用高涨的今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手段，引起了 人们的高度重视。总之，交流调速技术的应用有着广阔的前景，随着生产技术的不断发 展，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。 1 2 直接转矩控制技术的产生及应用 直接转矩控制变频调速技术，德语称之为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ，英语称之为 d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 或d t c ( d i i e & t o r q u e o n t r 0 1 ) ，是近十几年继矢量控制变频调速 技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流调频技术。 在1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o e k 教授首次提出了一种新型交流调速理论 直接转矩控制系统( d t c ) 0 1 。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。 它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实 际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制，以转矩为主要对象进行 综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链的控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它 不是通过控制电流、磁链等变量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实 质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控 制的。这种方法是在定子坐标系上计算磁链的模和转矩的大小，通过磁链和转矩的直接 观测来实现p w m 控制和系统的高动态性能。此系统结构简单，在很大程度上克服了矢 量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大 等蚨点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。因 此，直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良 的静、动态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。 直接转矩控制系统具有控制原理简单、转矩动态响应快、需要传感器较少等优点。 法国阿尔斯通公司在上海地铁车辆上就是采用此种控制方式。 异步电动机赢接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 根掘d e p e n b r o c k 提出的直接转矩控制，定子磁链是依照正六边形轨迹运动的。由于 f 六边形的六条边分别与六个非零电压空间矢量对应，因此可以通过三个s m i t h 触发器 ( 每相一个) 来简单切换逆变器的六个工作状态，直接通过六个非零电压空间矢量实现磁 链轨迹控制。与其他控制方式相比，这种控制方式结构简单，在输出同样的频率时元件 开关次数最少，丌关损耗也小，因而在要求元件开关频率不能太高的大功率场合得到广 泛应用。这种技术己成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上，如德国的大功率g t o 电力机车。 为了得到高性能的速度控制，必须是电机气隙磁场尽可能为圆形。日本学者 1 t a k a h a s h i 提出了直接转矩控制的另一种形式磁链轨迹的圆形方案，即让磁链向量 基本上沿圆形轨迹运动。“。这种方法通过实时计算电机转矩和磁链的误差，结合电机定 子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。由于磁链运动轨迹近似为圆形，电压、电流 中谐波的含量在一定程度上减少了，但控制系统显得复杂一些。这种控制方式能充分发 挥新型申力电子器件( 如i g b t ) 的开关频率优势，因而在中小功率场合获得广泛应用。 在直接转矩系统控制算法上，主要针对定子磁链和电机输出转矩的基本控制这两方 面，有些学者改变电压矢量选取方式，设计定子电阻在线观测器、转矩观测器，结合高 级的预测算法、模糊控制原理进一步改进。 在数字式的d t c 系统中，由于采用了磁通和转矩环，而磁通和转矩均非直接检测的 状态变量，还需要用电流、电压检测信号运算得到，因此，其实时性的要求比矢量控制 更加难以满足。然而由于近几年发展起来的数字信号处理器( d s p ) 具有高速的运算功能， 解决了高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，此外还有其它各种高性 能硬件的推出，如具有很高开关频率的i g b t 模块，都为直接转矩控制系统性能的改进 提供了硬件基础，使许多需要很强运算能力，具有很高开关频率的改进方法得以实现， 所以d s p 等器件的出现为这类问题的解决开辟了一条新途径。 1 9 9 5 年a b b 公司首先采用直接转矩控制技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出 的高性能变频器a c s 6 0 0 系列直接转矩控制通用变频器，动态转矩响应速度已达到小于 2 m s ，在带速度传感器时的静态速度精度达到0 0 1 ：在不带速度传感器的情况下，即 使受到输入电压的变化或负载突变的影晌，同样可以达到0 1 o 5 的速度控制精 度。它具有很宽的功率范围、优良的速度控制和转矩控制特性、完整的保护功能以及灵 活的编程能力。因而，它能够满足绝大多数的工业现场应用，不使用电机轴上的脉冲码 盘反馈，从零速丌始就可以实现电机速度和转矩的精确控制。a c s 6 0 0s i n g l e d r i v e 能在 几毫秒内测出电机的实际转速和状态，所以在任何状态下都能立即起动，无起动延时。 在零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩；能够提供可控且平稳的最大起动转矩。 其他公司也在以直接转矩控制为努力目标研制新型产品n ，。 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 直接转矩控制技术的发展 对直接转矩控制系统而言，直接将瞬时转矩作为状态变量加以反馈调节，转矩在定 子侧展丌，兼顾磁链幅值的闭环控制，采用空间矢量p w m 策略，直接输出逆变器开关 状态，被公认为可使感应电动机达到高性能的新途径。但是实际上无法达到矢量控制那 种良好的低速性能，根源在于低速转矩控制特性变差，低速下定子电阻影响、逆变器的 死区效应、转矩脉动的产生及带负载能力下降，从而制约了d t c 方法实用化的进程。 因此，电动机直接转矩控制技术的发展主要以改进d t c 系统低速性能为研究方向， 相应地出现了很多研究方方法。新的控制思想，特别是智能控制思想开始应用到直接转 矩控制中，提出了基于模糊控制、神经网络控制、变结构控制、滑模控制、高级预测算 法以及模型自适应法的转速辨识等新型直接转矩控制方法。总之为了进一步提高控制性 能，消除低速脉动，交流调速向高频化方向发展。其中s v p w m 和软关断技术，与智能 控制相结合，这将使交流调速系统的性能有一个根本的提高，是直接转矩控制的未来。 现在，直接转矩控制已不仅仅用于交流异步感应电机，它也开始应用于永磁直流电机。 将来，结合高速d s p 的实际应用，改进系统低速性能，使直接转矩控制必将在电机调速 的各个方面发挥更大的作用。在国外直接转矩控制不断得到发展和完善，许多文章从不 同的角度提出了新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现了许多 基于模糊控制和人工神经网络的d t c 系统“。以下简单介绍几种改进直接转矩控制系 统性能的研究。 a 智能丌关状念选择器的研究 传统方法用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁通调节，触发器的容差 大小将直接影响系统的性能。并且，根据转矩误差、定子磁链幅值误差来选择逆变器的 开关状念，对于一些不确定的因素引起的误差微小变化不能及时控制，变化的参数对直 接转矩控制系统的性能有直接影响。有的方法是通过细化转矩调节器和磁通调节器的输 出来改善系统的性能的。而智能开关状态选择器则是通过使用模糊控制器或人工神经网 来选择丌关状念，较好地抵消了触发器的容差影响，性能改善更加明显。 b 电压矢量选择方式的改进 直接转矩控制通过定子磁通定向，直接对转矩进行控制，省去了繁杂的解耦过程， 使得系统结构简单、控制方便。该方式在每个采样周期所选用的电压矢量总是保证转矩 在t = 0 时刻能最快地向着正确的方向变化。很显然，用这种方法选择电压矢量虽然在 各时刻的控制效果最佳，但是整个采样周期内的效果却未必最好。为了改善这种情况， 减小转矩的脉动，一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方法预期电压法：首先 根掘转矩偏差、磁通偏差和转速计算出个能达到最佳控制的预期电压，然后用电压型 逆变器的6 个工作电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它，计算出各自的工作时间， 4 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 然后用零电压补足采样周期。采用该类型的直接转矩控制系统，虽然因为预期的电压的 计算和合成比较复杂，又要考虑磁通暂态和转矩暂态，致使采样周期有所增加，但是通 过电压合成，每个周期内一般有两个非零电压和一个零电压以最佳的时间搭配交替作用， 从而相当于将采样频率增到了两倍或两倍以上，使控制更加准确，性能在整个周期内趋 向最佳。 c 改善低速性能的研究 传统的直接转矩控制系统中定子磁通一般采用“一f 模型计算定子的磁通，有在低速 时受定子电阻影响比较大的缺点，因此如何准确地检测定子电阻的实时变化一直是改善 系统低速性能的重要问题。近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题。 在一些文献早提到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器。该观测器把对定子 电阻值影响比较大的三个因素定子电流、转速和运动时间作为输入量，以定子阻值 的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电 阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改善。 上面所提到的改进方法都是针对直接转矩控制系统的某一方面。虽然对系统的控制 性能有一定的改进，但它毕竟不能从根本上改善系统的性能，要使系统性能有一个根本 的改善必须从整个系统方面着手。 随着现代工业的发展，对交流调速技术的要求越来越高。因此，研制开发高性能的 交流调速装置是一项紧迫的课题，对我国国民经济的发展具有重要的意义。 1 4 论文内容 直接转矩控制技术是本世纪8 0 年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变换控制技 术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术，以其新颖的 控制思想、简洁的系统和优良的动静态性能得到了迅速的发展。本论文在研究和分析直 接转矩控制原理的基础上，利用图形仿真工具m a t l a b ，s i m u l i n k 完成了直接转矩控 制系统的近似圆形磁链控制方法的仿真实验。结合直接转矩控制的算法，通过改变控制 系统中直接影响电机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环调节器的参数，对仿真结果进行 了具体分析，验证了直接转矩控制方法的可行性和有效性。同时整个仿真系统的设计也 对下一阶段利用d s p 实现全数字化异步电动机直接转矩控制系统做好了前期准备。 论文在第一章和第二章分别介绍了电机调速系统的发展和直接转矩控制的基本原 理。第三章利用m a t l a b 工具对近似圆形磁链控制方案进行了仿真，第四章介绍专用 于电机控制的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，第五章初步探讨了直接转矩控制的数字化实 现。 陕西科技大学硕士学位论文 2 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 变频调速技术是近十几年来继矢量控制变 频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。直接转矩控制 技术基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，同时另一方面维持 定子磁链沿着给定轨迹( 预先设定，如六边形或近似圆形) 运动。在经典d t c 控制结构 中，采用b a n g b a n g 控制器对交流电机的电磁转矩和定子磁链幅值直接进行闭环 b a n g b a n g 控制，从而将转矩与磁链的脉动限定在预定的范围内，当实际值超过调节范 围的上下限时，b a n g - b a n g 控制器就会产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。借 助空问申j 压矢量的分析方法，利用该数字控制量产生p w m 信号，直接对逆变器的开关 状态进行最佳控制。 2 1 异步电动机的数学模型 2 1 1 异步电动机的理想数学方程 为了便于分析异步电动机的数学模型，抽象出理想电机模型，必须进行一些假定， 这些假定是： ( 1 ) 气隙均匀： ( 2 ) 磁路线性； ( ：3 ) 定、转子三相绕组对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布； ( 4 ) 忽略磁场谐波，即设磁场f 弦分布 1 电压方程o ” 式中 r ，0 0 r ， 00 00 00 00 000 000 r ，0 0 0 r ，0 00 r ， 000 1 1j 、h 8 、1 1 f 、i i 。、u 6 、u e 定子、转子相电压； i 。、i 。、i 。、i 、定子、转子相电流： 妒、9 。、。、虬、虬定子、转子绕组的全磁链 p 一微分算予。+ 6 ( 2 一1 ) l=hhhhh一 o 0 o o 0 q 鼬肌舯如如肌 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 2 磁链方程 妒 妒口 少c 虬 ( 2 2 ) 式中： l 、k 、三c 、l 、l 、定子、转子各相的自感，电感矩阵其他元素 分别为定子、转子或定转子之间的互感。 3 转矩方程 电磁转矩可由能量守恒定律导出。根据能量转换原理， 储能为 睨= f 7 y 式中： 在多相绕组电机中，其磁场 ( 2 3 ) i = 阮i ni cl 】r ： y = 砂。l ；c ，。少cy 。妒。妒。r 。 根据能量守恒原理，在异步电机运行时，其电磁力矩l 等于电流不变时磁场储能对 机械角位移吒的偏导数。即 t = 剖。诅 式中： p 。电机的磁极对数； 以电角位移，以= p 。气 t = 剐7 等7 等q = 一p 。肘，i ( + + i d , ) s i n 以 + ( 厶+ + i c i ) s i n ( 啡+ 1 2 0 。) + ( + + i c i d s i n ( 以一1 2 0 。) l 式中： m 一定转子之间的互感。 由于转子的旋转，定、转子绕组问的互感是定、 7 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 转子相对位置的函数，使得交流电 一一|：慨一忆|：肌 加 o k ，蚝虬以厶 肿 鼬 。 曲 。 曲厶 血 臼 。 如 撕蚝厶蚝蚝 们 盯 c 心 坼酊 m m 厶m m m 加 口 。 啦 拉 啦 m 工m m m m 删 a “ d m m m m m 陕西科技大学硕士学位论文 机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了解除定、转子间这种非线性的耦合关系， 需要对其进行变量的坐标变换，建立起口一参考坐标系内的异步电机数学模型。即将 三相静止绕组a 、b 、c 变换为两相静止绕组口、声之间的变换，这称为三相静止坐标 系和二相静止坐标系问的变换，简称3 2 变换“”。 2 1 2 异步电动机空间矢量等效电路 控制系统利用异步电机空间矢量的等效电路进行分析，如图2 - 1 所示。 ajbjc 图2 - 1 异步电机空间矢量等效电路 f i 9 2 - 1e q u i v a l e n t c i r c u i t o f s p a c e v e c t o r f o r a s m 异步电机在定子坐标系中由下列方程表示： 曩= 墨云+ 誓 0 = r r ir 一妒，+ j 币， 死= l s i s 母r = 币s l ，i f e = i 1i 3 冈网s i n 巳 式中： u s 、定子电压和电流空间矢量； 死、疵定子和转子磁链空间矢量； 置。定子电阻； 厶定子电感； 转子漏感； 巳定子磁链与转子磁链之间的磁通角。 2 2 逆变器的数学模型及空间电压矢量 2 2 1 逆变器的数学模型 8 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) f 2 1 0 ) 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 图2 - 2 电压逆变器结构图 f i g 2 2v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 图2 2 为电压逆变器结构图。以a 相为例，逆变器输出电压与开关状态的对应关系 为： “f + e 2 , s o = i t g , = 0 ： ( 2 - 1 1 ) 三个丌关变量s 。，瓯，s 。共有八种组合，分别是( s 。，s 。，s 。) = ( 0 0 0 ) ，( 0 0 1 ) ，( o i o ) ， ( 0 1 1 ) ，0 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 l o ) ，( 1 1 1 ) 。这八种组合中，组合( o o o ) ，( 1 1 1 ) 状态下，电动机的 线电压均为零，称为无效组合。其它六种组合则成为有效组合“3 。 2 2 2 空问电压矢量 三相电动机的电压、电流、磁动势、磁链势等均是三相电磁量。若在复平面中能用 一个矢量来表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为二维物理量，为分析和 计算带来很多方便。为此，引入p a r k 矢量变换。 p a r k 矢量变换是将三个变量变换为一个矢量，这种变换对于时间函数同样适用。若 用( f ) 、“。( ，) 、u c ( f ) 分别表示三相电磁链在三相坐标系中的瞬时幅值函数，用五( f ) 表 示合成作用矢量，则p a r k 矢量变换关系为 厅( f ) = ；f 盯。( f ) + h 6 ( f ) p 口“3 + u c ( ，) 已4 州3 l ( 2 1 2 ) j 矢量五( f ) 成为p a r k 矢量，它在某一时刻值代表三相电磁量合成作用在坐标系中的 空间位置，所以称为空i 司矢量。 对于三相异步电动机来说，空问磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存在的， 而电流矢量和电压矢量并不存在。但是磁动势与电流相关，电压又与磁链有关，所以仍 可以定义电流空问矢量和电压空间矢量，它们分别表示三相电流的合成作用和三相电压 的合成作用在坐标系中所处的位置。以下的分析均是建立在空间矢量的基础上。一个空 间矢量可由两个f 交的坐标表示，所以三相电机转化成两相电机模型，从而更方便问题 陕西科技大学硕士学位论文 的分析。 图2 - 2 中，丌关变量的八种组合对应为理想电压型逆变器的8 个电压状态，其中组 合( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 为零电压状态。若用空间电压矢量u s ( ，) 来表示，则形成了8 个离散的 电压空| 日j 矢量。 图2 - 3 给出了8 个空间电压矢量的分布，其中( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 对应坐标系的原点。 其余空间电压矢量的幅值均等于4 e 3 。矢量的顺序从状态“l ”到状态“6 ”逆时针旋 转，所对应的丌关状态是0 1 1 - 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 ，所对应的逆变器电压状态，即电 压空削矢量是“，一：一，一h ，一，；一。零电压矢量0 ，7 则位于六边形的中心点。 ”。( 1 0 0 ) “n ( 0 1 1 ) 图2 - 3 空问电压矢量 f i g 2 - 3v o l t a g es p a c ev e c t o r 2 3 异步电动机的磁链模型 在直接转矩控制中，定子磁链的准确观测对整个系统非常关键。对于定子磁链的估 计大体上可分为三种模型：一i 模型，f 一一模型，u n 模型“。 1 1 ，一f 模型 由异步电动机的空间矢量等效电路可得定子磁链的一种简单的计算式为： 虮( f ) = j ( 吩( f ) 一( f ) 月，) a t(2-13) 用该式确定异步电动机的定子磁链，在计算过程中唯一所需知道的电动机参数是易 于确定的定子电阻r ，若有足够精度检测出定子电压“，( f ) 与定子电流f ，( r ) ，实现起来 会很简单。 异步电动机商接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 图2 - 4 “一f 模型结构图 f i g 2 4 u - iv y p em o d e lf o rs t a t o rf l u x 该模型在3 0 额定转速以上时，能够较准确的确定定子磁链，而且结构简单，鲁棒 性强。在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观测的准确性有较大的影 响。 2 j 一”模型 在转速较低时可采用f 一打模型，在该模型中定子磁链由定子电流与转速来确定。 定子磁链方程式如下所示： 警2 孝等一妒巾 协 等2 孝冬”。 协 式中： y ，。、5 f ，垆、y ，。、定子磁链和转子磁链在口一坐标系下的分量。 从式中可以看到，用该模型计算定子磁链不受定子电阻变化的影响，但是受转子电 阻r ，、定子电感，、转子电感上，以及互感工：的影响。 该模型结构较复杂，同时跟转子参数有关，并且还要求精确地测量角速度国，而角速 度的测量误差对该模型的结果影响很大。 3 “一n 模型 对上面两种模型分析可知，中高速时采用u f 模型最佳，低速时采用f 一甩模型较好， 这样在全速范围内就会有一个模型的切换过程，由于瞬间切换相当于变结构，对整个系 统的动态性能会造成较大的影响为避免这种情况，可采用在全速范围内都实用的h 一月 模型磁链模型。陔模型由定子电压和转速来获得定子磁链，并且使用了电流p i 调节嚣， 精度大大提高。它结合了前两种模型的优点，自然的解决了高低速的切换问题。但u n 模型实现起来比较复杂，目前应用较少。 陕西科技大学硕士学位论文 2 4 空问电压矢量对定子磁链及转矩的作用 2 4 1 空间电压矢量对定子磁链的作用 忽略式( 2 一1 3 ) 中定子电阻曰，的影响，定子磁链空间矢量矿，( r ) 顶点的运动方向和轨 迹对应于相应空间电压矢量的作用方向，i ；f r 。o ) 的运动轨迹平行于h 。( f ) 指向的方向。图 2 5 给出在有效电压矢量的作用下定子磁链的轨迹，可以看到每两个有效空间电压矢量 在空间的位置相隔6 0 ”，6 个有效空间电压矢量的顶点构成正六边形的6 个顶点。 从前面的描述可知，在适当的时刻依次给出定子空间电压矢量，则可使得定子磁链 的运动轨迹形成f 六边形磁链。直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单的得到六边 形的磁链轨迹以控制电动机，这种方法是直接转矩控制的基本思想。电压空间矢量对定 子磁链矢量妒。的影响可以通过以下两种方式来实现。 ( 1 ) 在有效空间电压矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效空间电压矢量作 用时，定子磁链妒。沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作用时，定子磁链妒。停止 不动。出于零矢量的插入，妒。走走停停，所以旋转速度变慢了。如果在插入零矢量后仍 保持每个有效空间电压矢量的作用总时间不变，则定子磁链矢量的幅值将不变。用这种 方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，亦即恒转矩调速 ”j l f 0 1 l 1 0 图2 - 5 定子r , t t 链轨迹 f i g 2 5t r a c ko f s t a t o rf l u x 虬( t 一1 ) 一1 ) t 困2 - 6 定子磁通与电压矢量关系简图 f i g 2 - 6r e l a t i o n so f t h es t a t o rf l u xa n d v o l t a g es p a c ev e c t o r 空问电压矢量对磁链幅值作用如图2 6 所示，其中h 。( 七一1 ) 为施加的电压矢量，瓦 为电压矢量作用的时间，口为电压矢量与磁通矢量的夹角。 出图2 6 分析可得，当所施加的电压矢量与磁通的夹角0 小于9 0 “时，该电压矢量 作用的结果使磁通幅值增加：当口大于9 0 ”时，电压矢量作用的结果使磁通幅值减小： 当口等于9 0 ”或施加的是零矢量时，磁幅值基本保持不变。 ( 2 ) 改变有效空i 刮电压矢量的交替作用时间，即改变妒。的旋转速度。由于有效空间电压 矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后定子磁链所围的面积将会发生变化。 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 作用时问变短，面积将变小，定子磁链矢量的幅值也将变小。因此用这种方法可以控制 异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。 2 4 2 空间电压矢量对电磁转矩的作用 异步电动机电磁转矩的大小不仅与定子磁链的幅值、转子磁链的幅值有关，还和它 们之问的兴角有关，夹角从到9 0 。变化时，电磁转矩从零变化到最大值。在实际运行 中，一般保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心。而转子磁链幅值由负载 决定，因此要改变电动机转矩的大小可以通过改变磁通角先的大小来实现。 在直接转矩控制中，就是通过空间电压矢量h 。( f ) 来控制定子磁链的旋转速度，以改 变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁通角的大小来控制电动机的转 矩： ( 1 ) 若要增大电磁转矩，就施加正向有效空问电压矢量，使电压的幅值足够，定子磁 链的转速就会大于转子磁链，磁通角增大，从而使转矩增加。 ( 2 ) 若要减小电磁转矩，则施加零电压矢量，定子磁链就会停止转动，磁通角减小， 从而使转矩减小。 ( 3 ) 若要迅速减小电磁转矩，则旌加反向有效空间电压矢量，定子磁链就会向反方向 旋转，磁通角迅速减小，从而使转矩迅速减小。 图2 - 7 电压矢量与电磁转矩关系简图 f i g 2 7r e l a t i o n sb e t w e e nv o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt o r q u e 通过转矩调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子 磁链空问矢量的平均角速度的大小，通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特 性。 陕西科技大学硕士学位论文 2 5 直接转矩控制系统基本结构 1 德国d e p e n b r o c k 教授提出的自控制( d s c ) 方案( 六边形磁链) 8 0 年代，由德国d e p e n b r o c k 教授提出的自控制方案也就是六边形磁链直接转矩控 制方案，如图2 8 所示为六边形磁链控制系统框图。由系统框图可知，定子磁链由定子 三相电压与电流经过坐标变换后计算，并分解得到口、p 磁链的分量，再进行2 3 坐标 变换，计算所得磁链与磁链给定值比较，得到相应的开关量，转矩滞环调节输出决定插 入零矢量与否，确定正确的电压状态信号，以控制逆变器的输出电压，产生所期望的六 边形磁链。1 。 图2 8 六边形磁链控制d t c 系统框图 f i g 2 8d i a g r a mf o rd t cs ”t e m ( h e x a g o nt r a c ko ff l u x ) ( 1 ) 磁链滞环调节 六边形磁链轨迹控制系统在1 6 周期中仅采用一种开关工作状态，逆变器的开关次 数少、丌关频率小。它的控制电路逻辑比较简单，不需实时计算磁链矢量的幅值和相角， 只需在六边形磁链轨迹上建立坐标系，把磁链模型的输出即定子静止坐标系下的磁链 虬。、l ；c ，印投影在三相坐标系成、尻、羼轴上，得到定子磁链 f ，加、矿脚和y 皿分量。变 异步电动机直接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 换公式为： 出为 阱 10 13 22 13 22 倒 ( 2 - 1 6 ) 利用三个环宽为2 i 虬l 的滞环比较器，l 虬+ i 为磁链给定幅值。滞环比较器的输 y 肚矿，+ i i 妒，+ i j ；f ，加s 妒， y 加一妙，i ( 2 1 7 1 ( 2 ) 转矩滞环调节 对电机的电磁转矩进行直接控制是直接转矩控制系统获得高动态性能的关键。用转 矩两点式调节器可以直接实现对转矩的调节。调节器的输入信号是转矩给定值r + 和转矩 反馈值t 的信号差r ，输出量是转矩开关信号f ，调节器的容差是矗，采用离散的两 点式调节方式，把转矩波动限制在给定值的容差范围内。当转矩波动在容差范围内时， f = l ，输出适当的有效空间电压矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。当实际测得的 电机输出转矩和给定转矩之差大于允许偏差时，f = o ，则输出零电压矢量，定子磁链停 止，转矩下降。 在直接转矩控制系统的转矩调节中，转矩给定值，通常是由给定转速与速度传感器 所测的电动机转速之差进行p i 调节所得，转矩反馈值l 可根据下式求得： 1 t 2 号矽，a 锄一)( 2 一1 8 ) 式中： p ，极对数。 转矩调节器的容差占，决定着逆变器开关频率的大小。当理想空载转速一定时， 转矩容差越小，丌关频率越高。转矩的上升速度主要取决于定子磁链与转子磁链之间的 角速度差。转矩调节能让电机的输出转矩快速跟随给磁链与转子碰链之问的角速度差， 转矩调节能让电机的输出转矩快速跟随给定值而变化，从而使调速系统获得很高的动态 性能。 利用六个非零电压空间矢量控制磁链形成六边形磁链轨迹，这种方法控制简单，功 。破。 r，j、【 l i 口 s 陕西科技大学硕士学位论文 率器件丌关次数少，开关损耗小，但是六边形磁链方法会产生较大的电流脉动，因而转 矩脉动啦较大，故这种方法只能在某些大功率领域( 如开关频率、开关损耗均有限制) 的 场合使用。 2 r 本t a k a h a s h i 提出的d t c 方案( 近似圆形磁链) 近似圆形磁键控制系统在每1 6 周期中要交替多种开关工作状态，即多个工作电压 矢量，系统需要实时计算定子磁链矢量妒。的幅值和相角，计算工作量大，但磁链脉动量 较小。根据测得的定子实际磁链与给定值的差值进行滞环比较，当误差超出允许值时进 行开关的切换，即实际定子磁链矢量妒。的端点轨迹不能超出以给定磁链陟。+ l 为中心圆的 圆形偏差带( 偏差为e 。，) ”1 。图2 9 所示为近似圆形磁链控制d t c 系统框图。 图2 - 9 近似圆形磁链控制d t c 系统框图 f i g 2 - 9d i a g r a mf o rd t cs y s t e m ( r o u n dt r a c ko ff l u x ) 与六边形磁链控制系统类似，同样需要计算定子磁链，但在近似圆形磁链控制系统 中只需进行一次3 2 变换得到定子磁链在静止坐标系下的分量缈，。，。转矩滞环和磁 链滞环将决定正确的空间电压矢量，使定子磁链按照近似圆形的磁链轨迹旋转。 异步电动机赢接转矩控制系统的m a t l a b 仿真 3 直接转矩控制的计算机仿真 连续动态系统的研究通常采用理论分析、仿真研究和实验研究这三种方法。理论分 析即应用一些基本物理规律对要进行分析的物理系统写出表达其运动规律的数学方程 式，然后对方程式进行理论计算，得到其解答进而分析系统的品质特性等。但理论分析 比较烦琐，且有时难以得到解析形式的解，而实验研究则需要对真实的系统