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一靴蝴雠撇一辨y 1 7 3 8 9 8 0 纱 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 ：吩甏气 孙幽砟日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 屯彳，时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲辑蔼肾师签名：棚呜孑6 月洲日 q |?量!叠覆曩f气必一l 赛一豁铲逡墨叠夏葛 基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 摘要 异步电机矢量控制技术在连续控制上有很大的优势，并且有较宽的调 速范围；但这种控制方法对被控电动机的参数要求很高，而电机运行时， 有些参数是不断变化的，这样便严重影响了矢量控制系统的鲁棒性。直接 转矩控制技术抛弃了矢量控制中部分复杂的坐标变换计算，对转矩和定子 磁链进行砰砰控制，简化了控制结构。但传统直接转矩控制方法在对三相 异步电机控制时采用空间矢量p w m 进行六边形磁链控制，一个采样周期 内控制矢量比较单一，在低速时不可避免地产生很大的转矩脉动，低速性 能较差，调速范围受到比较大的限制。 本文在分析了异步电机数学模型、矢量控制和直接转矩控制原理后， 提出一种新型三相电机控制方法，仿真和实验表明，这种控制方法具有矢 量控制和直接转矩控制的部分优点，同时消弱了这两种控制方法性能上的 一些不足。在硬件设计上，以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 12 为控制核心，采用 高性能i p m 模块与专用的驱动电源j s l5 8 等器件搭成硬件平台。另外，本 系统加入无线收发模块，可实现远程控制。 关键字：直接转矩控制矢量控制开关表控制 m o t o rs p e e ds y s t e mb a s e do nc u r r e n tv e c t o r a n ds w i t c h i n gt a b l e a b s t r a c t v e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sag r e a ta d v a n t a g ei nt h ec o n t i n u o u sc o n t r o lw i t ht h ew i d et i m i n g r a n g e h o w e v e r , t h i sc o n t r o lm e t h o di sb a s e do na c c u r a t em o t o rp a r a m e t e r s ，i nu s en e e d i n gf o r p r e c i s em o t o rp a r a m e t e r s ，a n ds o m eo ft h e s ep a r a m e t e r sa r ep o s s i b l et ob ec h a n g e d ，i tw i l l a f f e c tt h ea c c u r a c yo fm o t o rc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fi n v e r t e r , r e d u c i n gt h er o b u s t n e s so ft h e s y s t e m d i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g ya b a n d o ns o m ec o m p l e xc a l c u l a t i o no fc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o no fv e c t o rc o n t r o l ，i m p l e m e n t i n gb a n g b a n gc o n t r o lo nt o r q u ea n ds t a t o rf l u x ， s i m p l i f y i n gt h ec o n t r o ls t r u c t u r e h o w e v e r , t 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 lm e t h o df o r t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o ru s es v p w mt oc o n d u c th e x a g o n a lf l u xc o n t r 0 1 c o n t r o lv e c t o r s i n g l ei nas a m p l i n gp e r i o d ，i n e v i t a b l yh a v i n gg r e a tt o r q u er i p p l ei nl o ws p e e d ，s ol o w - s p e e d p e r f o r m a n c ei sb a d ，a n dt i m i n gr a n g eh a sr e l a t i v e l yl a r g el i m i t s t h i sp a p e rp r o p o s e san e wt h r e e - p h a s em o t o rc o n t r o lm e t h o da f t e r a n a l y z i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o lp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sc o n t r o lm e t h o dh a sp a r ta d v a n t a g e so f v e c t o rc o n t r o l a n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o la n dw e a k e ns o m ed e f i c i e n c i e so fp e r f o r m a n c eo ft h e s et w oc o n t r o l m e t h o d s i nh a r d w a r e ，u s i n gt i st m s 3 2 0 f 2 812a sc o r e ，u s i n gh i g h - p e r f o r m a n c ei p mm o d u i e a n dd r i v ep o w e rj s15 8b u i l dh a r d w a r ep l a t f o r m i na d d i t i o n , t h es y s t e ma d dw i r e l e s s t r a n s c e i v e rm o d u l e s o ，i tc a nb er e m o t ec o n t r o l l e d k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；v e c t o rc o n t r o l ；s w i t c ht a b l ec o n t r o l i i 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 电动机控制技术的发展概况1 1 2 三相交流电机的类型2 1 2 1 三相同步电机2 1 2 2 三相异步电机4 1 3 本课题的主要目的5 第2 章矢量控制和直接转矩控制6 2 1 异步电机矢量控制技术6 2 1 1 矢量控制基本原理6 2 1 2 矢量控制等效电路与稳态分析6 2 1 3 异步电动机矢量控制的坐标系与矢量方程8 2 1 3 1 异步电动机定子坐标系8 2 1 3 2 异步电动机转子坐标系8 2 1 3 3 同步旋转m t 轴坐标系9 2 1 4 异步电机定子与转子矢量方程一1 0 2 1 5 坐标变换一1 1 2 1 5 1 三相到两相变换1 1 2 1 5 2 静止坐标系到旋转坐标系1 1 2 1 5 3 反变换12 2 1 6 三相异步电机矢量控制系统的建立1 2 2 1 6 1 异步电机各个参数的数学方程1 2 2 1 6 2 矢量控制系统的建立1 4 2 2 异步电机直接转矩控制技术16 2 2 1 直接转矩控制基本原理1 6 2 2 2 定子电压矢量与定子磁链的变化1 7 2 2 3 逆变器电压空间矢量1 7 2 2 4 磁链调节器与转矩调节器18 2 2 4 1 磁链调节器18 2 2 4 2 转矩调节器18 2 2 5 定子磁链观测与转矩估计1 9 i i i 2 2 5 1 定子磁链观测模型。1 9 2 2 5 2 电磁转矩估计2 2 2 2 6 直接转矩控制系统的建立2 2 2 2 6 1 静止坐标系变换2 2 2 2 6 2 控制系统的结构2 3 2 3 本章小结2 4 第3 章基于电流矢量和开关表格控制的异步电机控制方法2 5 3 1 矢量控制算法和直接转矩控制算法的对比分析2 5 3 2 直接转矩控制与矢量控制优缺点总结2 6 3 3 结合矢量控制和直接转矩控制的新控制方法2 7 3 4 系统的创建思路与结构2 9 3 4 1 系统创建的基本思路2 9 3 4 2 新型控制系统的结构。3 0 3 5 系统仿真3l 3 5 1磁链和转矩与电流分量之间的计算模型31 3 5 2 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换模型一3 2 3 5 3p a r k 变换模型3 2 3 5 4 选择开关矢量3 3 3 5 5 仿真结果3 4 3 6 本章小结3 7 第4 章系统硬件与软件设计3 8 4 1 系统硬件设计。3 8 4 1 1 主电路3 8 4 1 2 驱动模块4 0 4 1 3 保护电路4 l 4 1 4 核心处理模块4 2 4 1 5 采样反馈模块4 3 4 1 6 显示模块4 6 4 1 7 无线收发模块4 7 4 1 8 负载电机_ 4 7 4 2 系统软件设计4 7 4 2 1 主程序设计4 8 4 2 2 子程序设计4 8 4 3 本章小结51 第5 章实验结果及分析5 2 i v 5 1 硬件测试5 2 5 2 性能测试5 3 5 2 1 观察定子电流波形5 3 5 2 2 观测电流转矩分量5 4 5 2 3 速度实验5 6 5 3 实验结果5 6 第6 章总结与展望5 7 6 1 本文主要工作5 7 6 2 研究展望5 7 参考文献5 8 至炙谢6 0 附录a 实物图6 1 攻读学位期间发表的学术论文6 2 v 基于电流矢量和开关表控制的电机调逮系统 第1 章绪论 1 1 电动机控制技术的发展概况 直流电动机可以通过改变电枢输入电压以及调节励磁电流实现调速，而且其转矩与 电枢电流和励磁磁通两者的乘积成正比，并且电枢电流和励磁磁通两者都可以独立控 制，动态性能很好，所以在现代调速系统中，直流电动机仍然有一定的市场。但是直流 电机存在着结构复杂，造价昂贵，机械换向器与电刷之间存在换向火花等问题，而且维 修困难，不太适应工作在恶劣的环境中。 交流电动机结构简单，维护起来相对容易，而且价格便宜，并且还克服了电动机诸 多机械方面的不足之处。但因为调速困难，在半个世纪以前并未得到广泛应用。随着现 代科技的飞速发展，现代电力技术、微电子技术、现代控制理论、微机控制技术等为交 流电机调速提供了全新的理论基础和技术平台，使其逐渐取而代了原先直流电动机在电 力传动中的主导地位。 现代交流感应电机控制策略有很多，但常用的，总结起来有以下几种： ( 1 ) 恒压频比控制与转差频率控制。这两种控制方法都比较简单，但只有快速有 效的控制转矩才能使电机的转速得到快速响应，而开环恒压频比控制只是控制电机的气 隙磁通，不能调节转矩，故调速性能不高。转差频率控制能够在一定程度上控制电机转 矩，但它依据只是稳态模型，而电机转动过程中是个动态过程，在这个控制方法中，动 态过程的转矩并不能得到很好的控制，所以用这种方法得不到很理想的动态控制性能。 ( 2 ) 矢量控制。矢量控制就是模拟直流电机控制方法，用坐标变换将感应电机各 动态电气参数变换至正交的旋转坐标系统中，并对各物理量的幅值和相位进行解耦。分 别设置转速调节与磁链调节。这种控制方法目前是主流的交流电机控制方法，调速性能 比较强，但因为转子在运动过程中，受温度影响，其参数会不断变化，故又给矢量控制 带来很多复杂的变数。 ( 3 ) 空间矢量调制控制。空间矢量调制控制技术根据电机定子磁场的运动规律， 选择合适的基本电压空间矢量来合成电机运行需要的其他电压空间矢量。这种空间矢量 调制方法产生的基波电压幅值要比正弦脉宽调制产生的基波电压幅值高，因此提高了电 压的利用率，提高了气隙磁场的稳定，减少了谐波，优化了功率控制器开关模型，降低 了开关损耗。 ( 4 ) 直接转矩控制。直接转矩控制直接在定子坐标系统中计算磁通和电磁转矩的 大小和位置角，通过控制磁通幅值和转矩来直接控制电机。由于磁链的幅值限制在较小 广西大掌硕士掌位论文基于电流矢- r - 和开关表控制的电机调追系统 的误差范围内，对转矩控制不会有大的影响，因此直接转矩控制方法对电机参数变化不 敏感，但是，低速时，由于开关频率较低，调速系统会产生很大的转矩脉动，造成低速 性能不强。 ( 5 ) 智能控制。智能控制系统主要根据各种人工智能理论精确模拟电机的各种动 态特性，并通过一系列运算，最终确定智能控制模型的输出。这些常用的人工智能理论 有：模拟人脑物理模型的人工神经网络、模拟人脑不确定思维或推理过程的模糊逻辑理 论( f u z z yc o n t r lt h e o r y ) 等。用智能控制算法来控制电机极其复杂，需要具有高速、 实时计算能力强的智能处理模块【l j 。 1 2 三相交流电机的类型 电机结构多样，但它们都是按电磁感应定律来工作的。因此，它们必然要适当的导 磁和导电材料构成电磁感应的磁路和线圈闭合电路，通过电磁作用，产生力矩，从而使 电能转化为机械能。 按不同的划分标准，三相交流电机可以分成很多种类，这里只介绍按结构和工作原 理来划分的几种电机。 1 2 1 三相同步电机 在直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止， 产生恒定的电磁转矩。受此启发，将电机定子绕组改造成三相对称绕组a x 、b y 、c z ， 如图1 1 所示，在这样的三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的 旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组， 将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒 定的励磁磁场，它随着转子一起旋转。 2 广西大掌硕士掌位论文 基于电流矢量和开关表控制的电机调逮系统 磁极 励磁绕组 图1 1 同步电机结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo fs y n c h r o n o u sm o t o r 定子磁场与转子磁场相互作用，形成电磁转矩。定子旋转磁场速度q 和转子速度q 的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当q = q 时，这个电角度为常数，两个磁场 的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩【3 1 0 三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。 但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。 同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用乙来表示，再用表示定 子电流，用0 表示分布绕组中的励磁电流，用卢表示定子旋转磁场在d q 坐标系中的空 间相位，则电磁转矩乙可由下面公式计算得到： 乞三一f 厂l ms i n 3 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中的负号表示电磁转矩的方向应使卢减小。用l f ，表示励磁绕组磁链，其大小 为： y ，= 厶f 厂 ( 1 2 ) 这样，式( 1 1 ) 又可以改为： 乙= l f ，s , s i n f l ( 1 3 ) g - 西大学硕士掌位论文基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 1 2 - 2 三相异步电机 三相异步电机又称为三相感应电机。与三相同步电机一样，如图l - 2 所示，将定子 绕组改为三相对称绕组a x 、b y 、c - z ；再将转子绕组也改为三相对称绕组a - x 、b - y 、 c - z ，并将它们短接起来，这样便构成了三相异步电机。 七 、 国s 芹 国s 图1 - 2 异步电机结构 f i g 1 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r 在定子三相绕组中通入三相对称正弦电流会在气隙内产生正弦分布的旋转磁场，其 旋转速度等于正弦电流角频率哆。如果这时转子是静止的，由电磁感应定律可知，在定 子旋转磁场的作用下，转子的三相绕组中会感应出三相对称正弦电流，其角频率也为q ， 这转子中的三相对称电流也会在气隙中产生旋转磁场，其旋转速度为q ，方向与定子旋 转磁场相同，但在空间上却存在相位差。 定子旋转磁场与转子旋转磁场互相作用产生电磁转矩，初始时，电磁转矩比负载转 矩大，故转子由静止开始转动，不过，由于转子绕组中的电流是由于定子旋转磁场感应 产生的，所以，转子角速度一定小于定子旋转磁场角速度，因为，如果转子角速度大于 或者等于定子旋转角速度，则定子旋转磁场将不能在转子绕组中产生感应电流，也就没 有转子磁场，同样就没了相互作用的电磁转矩了【4 】。 由以上分析可知，转子角速度q 与定子旋转角速度q 存在差值，即= q q ， 这个差值可用转差率s 来表示，即： s = 生卫 ( 1 4 ) +03， 气隙旋转磁场在转子绕组中感应产生的三相对称电流角频率称为转差频率，用叶 4 亡酉本掌砸士拳垡爹文_ 基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 表示，即吁= = c o s c o r = s o j s 。这个转差电流也会产生旋转磁场，其相对定子旋转速 度为q ，从这可以看出，当转子运行稳定后，定子旋转磁场与转子旋转磁场在空间上仍 然是相对静止的，只是在相位上转子旋转磁场滞后定子旋转磁场钆。 用心表示定子绕组与转子绕组之间的互感最大值，则电磁转矩乞为： 乞= 一t 纪s i n 鲒 ( 1 5 ) 1 3 本课题的主要目的 矢量控制技术和直接转矩控制技术是当前主流的两种交流电机控制技术，但这两种 技术都有着各自的缺点。矢量控制技术运算复杂，而且及其依赖于电机的各项参数，实 时性也不够理想。直接转矩在低速时转矩脉动很大，严重的影响了控制系统的低速性能 和控制系统的使用寿命t 。 因此，为了满足现代工业控制的需求，研究一种更为精确有效的控制策略便尤为必 要，本课题从矢量控制与直接转矩控制的原理出发，结合二者相似之处，提出一种新型 控制策略，并进行系统性能仿真和相关硬件实验。 5 广西大掌硕士掌位论文基于电流矢哳a 开关表控制的电机调遣系统 第2 章矢量控制和直接转矩控制 随着交流电机的应用变得广泛，各种电机控制方法也越来越成熟，矢量控制技术和 直接转矩控制便是其中两种比较主流的电机控制方法，下面将对这两种方法进行详细地 介绍。 2 1 异步电机矢量控制技术 2 1 1 矢量控制基本原理 异步电机的矢量控制方法在上世纪7 0 年代由西门子工程师f b l a s c h k e 首先提出。 其基本原理是先测量异步电机定子电流，然后通过坐标运算，计算出电机需要的电流矢 量，再分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行单独控制，从而实现异步电机转矩 与磁链的单独调节。 具体来说：异步电机的矢量控制核心是坐标运算，先将异步电动机的三相定子电流 由静止a b e 坐标系变换到静止d - q 坐标系中，然后再将参数从静止d - q 坐标系变换到同 步旋转的m t 坐标系中，定子电流参数在m t 坐标系中实现解耦，得到转矩分量和励 磁分量，再通过对比分析，得到需要的转矩分量与励磁分量，再通过坐标反变换，得到 异步电机所需要的电流值。矢量控制方法实际上是将异步电机等效为直流电机来进行控 制。 2 1 2 矢量控制等效电路与稳态分析 前面绪论中提到，往异步电机定子通入三相对称正弦电流便可得到定子旋转磁场， 并在转子绕组中感应出三相电流电流，而三相电流再产生转子旋转磁场，通过互感，便 可得到转矩，从而使异步电机转动起来。在转动趋于稳定时，异步电机可用图2 - 1 来描 述。 6 基于电流9 量和开关表控制的电机调速系统 a x r t 图2 - 1 异步电机在正弦稳态下的等效电路 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r i ns i n u s o i d a ls t e a d ys t a t e 按图2 1 ，在正弦稳态下，异步电机的稳态转矩可表示为： t e ：堑er ir c o j 又有： e r = r 则： ( 2 - 1 ) 乏= 3 a g ， ( 2 3 ) y ，表示转子磁链，由式( 2 - 3 ) 分析可知，p 为常数，如果再能保持l f ，恒定不燹， 则就仅与转子电流有关，并且可表示为： 小鲁 c 2 4 ，氅 这样，联合式( 2 - 4 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 2 ) ，则有： ；詈 沼5 ， 所以，如果保持转子磁链y ，恒定，就好比将三相异步电机等效成了直流电动机。但 是，转子参数在转动过程中是不断变化的，如何保持l f ，不变呢? 通过图2 - 1 可知，1 5 分成了两条支流，一个成为了产生电磁转矩的转矩分量j ，r ， 另一个成为了转子磁场的励磁电流j 州，即： 。一。( 2 - - 6 ) i1 s =j m 一1j r 又因为j 打：j ，厶，则： ，谢= j ，+ 争i ， ( 2 7 ) 7 广西大掌硕士掌位论文基于电流矢晴a 开关表控制的电机调速系统 在式( 2 7 ) 两边同时乘以已，则式( 2 7 ) 又变为： r 2r ， 争，谢= 争( l ，。+ i ，) ( 2 - 8 ) l tl 。 在异步电机等效电路中，又因为多，：厶j ，+ j ，结合式( 2 8 ) ，可得： y ，= 厶k ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 为异步电机转子磁链方程，由此可知只要能保持匕分量恒定，则转子磁 链就不会变化。 上面分析表明，将定子电流j ，分解成相位上正交的j 谢和j ，r ，则可以模拟直流电 机分别控制磁链与转矩【4 】。 2 1 3 异步电动机矢量控制的坐标系与矢量方程 前文提到，异步电机矢量控制实际是模拟直流电机控制方法，其核心在于坐标变换。 为了实现对转子磁场与转矩的控制，必须得到m t 旋转坐标系中0 和0 的控制方程，这 便要先从异步电机的坐标系开始分析。 2 1 3 1 异步电动机定子坐标系 三相异步电机定子绕组成三相对称分布，三相绕组轴线a b c 互相成1 2 0 度角，其 构成的三相定子坐标系a b c 如图2 2 所示。其平面直角定子a - p 坐标系中的a 轴则 与a 轴重合，p 轴超前a 轴9 0 度。 图2 2 异步电机定子坐标系 f i g 2 - 2t h es t a t o rc o o r d i n a t a t es y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r 2 1 3 2 异步电动机转子坐标系 三相异步电机的转子绕组与定子绕组类似，也是成三相对称分布，其绕组轴线a b c 8 g - 西大学硕士学位论塞一 基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 互成1 2 0 度角，它的平面直角d - q 坐标系中，d 轴位于转子绕组轴线上，q 轴超前d 轴 9 0 度。如图2 3 所示。 图2 3 异步电机转子坐标系 f i g 2 - 3t h er o t o rc o o r d i n a t a t es y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r 2 1 3 3 同步旋转m t 轴坐标系 要想实现异步电机矢量控制，首先要解决的问题是将定子电流矢量分解为励磁分量 和转矩分量，这就必须将静止的a b c 轴系的矢量方程转变为m t 轴坐标方程。坐标系 如图2 4 所示。 _ m ( 磁链轴) ( 转子轴) a ( 定子轴卅轴) 图2 _ 4 异步电机m t 轴坐标系 f i g 2 - 4m ta x e so fa s y n c h r o n o u sm o t o r 9 广西大掌硕士掌位论文基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 这是一个同步旋转的坐标系，它随着磁链一起旋转，所以，坐标系的m 轴是跟磁 链轴重合的，而t 轴则是比m 轴超前9 0 度。 2 1 4 异步电机定子与转子矢量方程 异步电机定子绕组具有三相对称结构，而转子也同样如此，其物理模型如图2 5 所 示。 图2 5 三相异步电机物理模型 f i g 2 5p h y s i c a lm o d e lo ft h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r 图中、如、i c 表示定子电流，用足表示每一相定子绕组的电阻，可将三相异步电 动机的定子三相绕组电压方程表示为： = r + 百d v f a ( 2 - 1 0 ) 驴匙+ 等 ( 2 - = r t + 等 ( 2 _ 1 2 ) 同样，用屯、之表示转子电流，用b 表示转子每一相绕组的电阻，可将异步电 机转子三相绕组电压方程表示为： = 墨乞+ 誓 铲b + 誓 驴础+ 誓 l o ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 广西大学硕士学位论文 基于电流矢量和开若表控制的电机调速系统 2 1 5 坐标变换 前文分析了异步电机的矢量方程，a b c 坐标系的矢量方程是不能直接用于矢量控 制的，如果基于转子磁场定向的矢量控制，必须先将定子电流矢量分解为励磁分量0 和转矩分量，而这就需要先把a b c 三相坐标系的电流量先变换成a 一卢两相坐标系的 电流量，再变换到d - q 坐标系，再变换到旋转坐标系中，还有反变换等等。 2 1 5 1 三相到两相变换 三相异步电机模型中，要解除定子磁场与转子磁场间的耦合，首先是可以将三相坐 标系变换到两相垂直坐标系，也称c l a r k e 变换，其变换关系如下公式： 可以简化为： r ；1 悱 卧 1 1 1 o 鱼一鱼 22 11l 压压压 压 ，、 一u 2 1 e 万“ ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 这种变换仅是相数之间的变换，将三相电流变成了两相电流，依据的只是磁场等效骞 原理与功率不变原理。 2 1 5 2 静止坐标系到旋转坐标系 通过c l a r k e 变换，可以得到a 一卢轴正交坐标系的电流矢量，但这个电流矢量仍然 不能实现定子电流的解耦，还需将其变换至随转子磁通同步旋转的m t 坐标系中，这 种变换称之为p a r k 变换，其变换关系可用下面公式描述： 卧 篇c 咖o s 黝e j l i 卢 倍 m t 轴系与定子电流矢量同步旋转，旋转速度为q ，通过变换，已经将定子二相 绕组中的对称正弦电流变换为了m t 轴系定子二相绕组中的恒定直流，即0 、已经 变成了直流量。从静止a b c 轴系或a b e 轴系到二相a 卢系的变换仅仅只是由三相到二 相的相数变换而已，但之后的p a r k 变换却是频率变换。在直流电机中，通过电刷和换 广西大学硕士掌位论文基于电流矢4 1 - 和开关表控制的电机调速系统 向器，外部电路的直流电变成了电机绕组的交流电，矢量变换正是模拟直流电机控制， 而这个变换正好比是电刷和换向器，将交流电机等效成了直流电机。 2 1 5 3 反变换 矢量控制坐标变换中的反变换包括c l a r k e 反变换和p a r k 反变换。先看c l a r k e 反变 换，将各种电参数由静止口卢坐标系变换到静止三相坐标系就称之为c l a r k e 反变换， 其变换关系可用下面式子描述： 简化一下，可以写成： m 压 ”了 阡 1 0 1 声 4 2 14 31 22 4 2 131 22 2 笪 o 2 1l 垢压 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 而p a r k 反变换则是由旋转坐标系到静止两相坐标系的变换，其变换关系为： 盏嚣捌 沼2 ， 从三相静止坐标系到旋转m t 坐标系的变换是为了实现定子电流的解耦，解耦 后，0 是纯励磁分量，是纯转矩分量，两个分量互成9 0 度角，可以单独控制。由公 式( 2 3 ) 可知，当y ，保持不变时，电机转矩就只与有关。通过解耦，能够很好的控 制电机转矩与磁链，但在实际控制中，还需要将控制量i r 、0 再还原到最初的三相a b c 轴系，所以c l a r k e 反变换和p a r k 反变换是必须的【引。 2 1 6 三相异步电机矢量控制系统的建立 2 1 6 1 异步电机各个参数的数学方程 一个控制系统的建立，必须先找到各个变量之间的数学关系。前文中由图2 - 5 得到 了定子三相绕组电压方程与转子绕组电压方程，整合起来，可归纳如下： “=ri+pli=ri+po(2-22) 其中，p 为微分算子。 1 2 广西大学硕士掌位论文 基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 ( 1 ) 转子磁通方程与转子电流方程 当磁场方向一定时，转子磁链l f ，的方向与同步旋转坐标的m 轴是一致的，也就是 说同步旋转坐标的m 轴和转子磁链轴是重合的，这个时候转子磁链在t 轴上的分量为0 ， 即l f ，= l f ，肘= l 0 ，y 。表示转子磁链在m 轴上的分量。当处于稳态时，l f ，是恒定不变 的。当处于动态时，转子磁链并不恒定，有关系如下： 乙一等一警( 2 - 2 3 ) 从式( 2 - 2 3 ) 中可以看出，当l f ，。变化时，转子绕组内产生了感应电流乙。因为磁场 定向，l f ，。可表示为： y 。= 厶04 - ( 2 2 4 ) 将式( 2 2 3 ) 带入式( 2 2 4 ) 中，可得： 叫m 咆南 旺- 2 5 ) 式( 2 - 2 5 ) 中，巧为转子时间常数，i = 耳，可以看出，式( 2 2 5 ) 其实是个一 阶的滞后环节。 异步电动机的结构决定了它不用从外部接电流给转子励磁，异步电机的转子磁场是 由定子电流产生的磁场感应出来的，确切的说，是由定子电流在旋转坐标系中的0 分量 产生的。 用0 表示产生转子磁通的等效励磁电流，并令0 = i f ，厶，结合式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) ， 可得： 乙，= 上l + t , p ( 2 - 2 6 ) ( 2 ) 定子电流控制方程 当转子磁通恒定时，0 = 0 ，又因为磁场定向，转子磁链在t 轴分量为0 ，所以有： p 每( 2 - 2 7 ) 表示t 轴上的转子电流，从而又可以得到定子电流的控制方程： z b2 产i f ，町( 2 - 2 8 ) k2 产l f ，(2-291 p ) + 互 堕大学硕士掌位论文基于电流矢量和开关表控制的电机调速系统 ( 3 ) 转矩动态方程 下面，再讨论转矩方程。因为电磁转矩在各个坐标系中是等价的，所以电磁转矩在 m - t 坐标系中的表达式为： z = 一见l f ，y ( 2 3 0 ) 在磁场定向时，电磁转矩又可以表示为： 互：以争y ，( 2 - 3 1 ) 将式( 2 2 5 ) 代入式( 2 3 1 ) ，可得： = 磋南 沼3 2 ， 再结合( 2 2 6 ) 式，则有： 驴p 。l l 2 - i ，易 ( 2 - 3 3 ) 从上面式子可以看出，在磁场定向的情况下，电磁转矩与产生转子磁通的等效励磁 电流和定子电流在旋转m t 坐标下的转矩分量的乘积成比例，所以又称为矢量控制系 统的控制方程【2 6 1 。 ( 4 ) 转速方程 磁场定向时，转差角频率国，有如下关系式： 叶= 嫠= 毒( 半卜 沼“， 。w ，il0 。 。 结合式( 2 3 1 ) ，有： 吁= 去号嘉( 2 - 3 5 )吁2 瓦亏方 式( 2 - 3 4 ) 和式( 2 3 5 ) 是通用的速度公式，当转子磁通恒定时，上面公式还可以 简化为： 吁2 万吉( 2 - 3 6 ) 2 1 6 2 矢量控制系统的建立 矢量控制系统有很多种控制方案，比如转差频率矢量控制方案、气隙磁场定向矢量 控制方案、定子磁场定向矢量控制方案、转子磁场定向矢量控制方案等等，结合前文分 1 4 要查兰塑查兰垡垒壅 垫至皇鎏叁量塑歪叁壅堡型箜皇垫塑鎏墨簦 析讨论，本文以转子磁场定向建立矢量控制系统，也即设定转子磁链在旋转m - t 坐标系 中t 轴磁链分量为0 ，也即是将m 轴与转子磁链轴完全重合，在m t 坐标系中实现解 耦，分别控制励磁分量与转矩分量。 由于m 轴与转子磁链轴重合，t 轴垂直于m 轴，则转子磁链少，在t 轴上的分量为 零，也就是说l f ，是由m 轴绕组中电流产生的，那么，定子电流矢量0 在m 轴上的分量。 为纯励磁电流分量，在t 轴上的分量0 为纯转矩分量。可用方程组表示为： y v ：二0 笔毫：芝k 亿3 7 ， 盯= = 0 + k 0j 结合m - t 轴系上的电动机数学方程，可以得到相应三相异步电机的数学方程组，如 下所示： u s u u ，t 0 o r s 七l d p s l 证 l 租p 国k 一s k r s + l 订p o 0 l m d p s l | l i d r r + l 嘣p k 一s l m d l 嘲p o 足 l s t i r m i r t ( 2 - 3 8 ) 乙= c 0 l f ，0( 2 3 9 ) 上面式子中，= i p 厶耐k 。 在转子定向矢量控制系统中，由于测量量是定子电流矢量c ，所以必须找到定子电 流矢量与其他物理量之间的关系，同时按照矢量控制方法的核心思想与异步电机的数学 模型建立转子磁场定向的矢量控制系统，其结构如图2 6 所示： 图2 - 6 转子磁场定向的矢量控制系统结构图 f i g 2 6s t r u c t u r ed i a g r a mo ff i e l do r i e n t a t e dc o n t r o ls y s t e m g - 西大掌硕士掌位论文基于电流矢- 1 - 和开关表控制的电机调速系统 2 2 异步电机直接转矩控制技术 2 - 2 1 直接转矩控制基本原理 矢量控制是通过分别控制定子电流励磁分量和转矩分量来实现控制电机的目的，在 这过程中，有许多繁杂的坐标运算需要处理，但本章介绍的直接转矩控制方法不同，它 是直接以定子磁链和转矩作为控制量，不需要再做其他的变换和计算，能极大的提高系 统的实时性能。 从前文中，可得出电磁转矩的矩阵表达方式： t 。= wsxis(2-40) 式子中，虬表示定子磁链，表示定子电流矢量，在三相定子坐标系中，定子磁链 可表示为： 虬=gi,+乙f，(2-41) 同理，转子磁链可表示为： l f ，= l + f r ( 2 - 4 2 ) 用t = 丘一已表示定子瞬时电感，联合( 2 4 0 ) 、( 2 - 4 1 ) 和( 2 - 4 2 ) 式，可得： 广西大学硕士掌位论文 垂量整选叁量和开关表控制的电机调速系统 则在这非常短暂的时间内，可以看成，l 恒定不变，这时，只要快速的调节负载角便可 以很好的调节转矩了。 2 - 2 2 定子电压矢量与定子磁链的变化 在三相异步电机定子轴系中，定子电压矢量可表示为： 驴r + 警( 2 - 4 5 ) 因为作用时间小，忽略定子电阻的变化，那么定子磁链的变化值为： av，=u,a，(2-46) 从上面式子可以看出，在很短的甜，作用时间内，定子磁链矢量的增量等于蚝与作用 时间，的乘积。 2 2 3 逆变器电压空间矢量 当三相异步电机用逆变器驱动控制时，逆变器三组桥臂只能提供6 个非零电压矢量 和2 个零电压矢量。如图2 - 7 所示，6 个非零矢量分成6 个扇区，连续作用可形成正六 变形磁链轨迹。 心v l v j心l 1 1 v ， l 、2 区 6 区一 、l ( 0 1 1 )- 、? ? i ，。 u 心 一 、忒 ， 一 1 3 区 - 0 、4 1 x 7 、 i? 7 l 区 5 区 、 - i 、 u , ( 0 0 1 )虬( 1 0 1 ) 图2 7 空间电压矢量示意图 f i g 2 - 7s p a c