（控制理论与控制工程专业论文）无速度传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 直接转矩控制技术( 简称d t c ) 是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调 速技术。与矢量控制技术相比，它具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全 数字化等优点。 直接转矩控制摒弃了矢量控制中繁琐的电流解祸的控制思想，去掉了p w m 脉 宽调制器和电流反馈环节，省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处 理，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个 滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。这使得系统具有了控制结 构简单、控制手段直接、信号处理的物理概念明确等优点。然而，直接转矩控制 在低速时调速系统存在转矩脉动等一定的缺陷。文中深入的分析了直接转矩控制 方法的特点及其存在的问题，通过研究异步电机的数学模型，并根据直接转矩控 制系统的特点以及对电机调速性能的要求，改变对定子磁链的调节方式，使定子 磁链轨迹近似为一圆形；在常规控制的方法上改进了转矩跟踪控制的方案以提高 系统转矩动态响应。 为满足交流调速系统结构的简单化，在降低成本的同时，提高系统的整体可 靠性，无速度传感器调速系统的研究成为交流传动中一个重要的研究课题。本文 着重分析了基于模型参考自适应的速度辩识算法，设计了基于转子磁链方程的速 度辨识方法。 最后，在理论分析的基础上，完成系统算法的c 语言实现，并完成以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心、以e x b 8 4 1 为驱动的硬件电路的设计，实现了采用改进 算法的无速度传感器直接转矩控制系统，验证了系统方案的有效性。 关键词：直接转矩控制；无速度传感器；转矩跟踪；模型参考自适应 摘要 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t f o t ( d t c ) o f a s y n c h r o n o u sm o t o r s ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d i nt h er e c e n td e c a d e s i sap o w e r f u lc o n t r o lm e t h o df o rm o t o rd r i v e sa f t e rv e c t o r c o n t r 0 1 f o l l o w i n gt h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h eq u i c kd e v e l o p m e n to f d t cm a k e s i t s e l fan e wh i g h - p o w e r e da l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) d r i v i n gt e c h n i q u ep a r a l l e l i n gt o t h ev e c t o rc o n t r 0 1 1 1 1 ed t ci sg o o da ti t sr o b u s tc h a r a c t e r i s t i c s s i m p l er e a l i z a t i o n a n de x c e l l e n td y n a m i cr e s p o n s e i nt h i sp a p e r ，d t cd i s c a r d st h ec o n t r o lm e t h o do ff u s s yc u r r e n td e c o u p l i n gi n v e c t o rc o n t r 0 1 r e m o v e sp w ma n dc u r r e n tf e e d b a c kp a r t c u t sd o w nc o m p l e xv e c t o r t r a n s f o r ma n ds i m p l i f l e st h ep r o c e s so f m o t o r sm a t h e m a t i cm o d e l m o r e o v e r , t h r o u g h d e t e c t i n gg e n e r a t r i x sv o l t a g ea n ds t a t o r sc u r r e n t ，d t cc a nc o m p u t em o t o r sf l u xa n d t o r q u ed i r e c t l ya n di m p l e m e n tt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lt os t a t o r sf l u xa n dt o r q u eb y t w ol a gc o m p a r e r s i tm a k e st h es y s t e m ss t r u c t u r em o r es i m p l e ，t h ec o n t r o lm e t h o d m o r ed i r e c ta n dt h ec o n c e p to fs i g n a lp r o c e s sc l e a r e r h o w e v e r , d t ch a ss o m e s h o r t c o m i n g sa b o u tt o r q u ep u l s ew h e ni nl o ws p e e d f u r t h e r m o r e ，t h ef e a t u r e sa n d p r o b l e m so fd t cm e t h o da r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r a n dt h r o u g hr e s e a r c h i n g a s y n c h r o n o u sm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e la n da c c o r d i n gt of e a t u r e so fd t cs y s t e m a n dr e q u i r e so ft i m i n gp e r f o r m a n c eo fm o t o r , t h ea d j u s t i n gm e t h o dt os t a t o r sf l u xi s c h a n g e da n dt h ef l u xt r a c ko fs t a t o rb e c o m e sar i n g ，m o r e o v e r , t h es c h e m eo ft o r q u e t r a c k i n gc o n t r o li sa d v a n c e di no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs y s t e m t o r q u e i n o r d e r t os i m p l i f y t h es t r u c t u r e o f a l t e m a t i n g c u r r e n ts p e e d a d j u s t i n g o f s y s t e m ， r e d u c et h ec o s t ，a n di m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h es p e e de s t i m a t i o nw i t h o u t s p e e ds e n s o ri s a l li m p o r t a n tt r e n do fm o d e ma cd r i v e t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e d s e v e r a lp r i m a r ya l g o r i t h mo fs p e e de s t i m a t i o na n de m p h a s i z e do i lt h ea l g o r i t h mo f s p e e de s t i m a t eb a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) f i n a l l y , t h ed i r e c tt o r q u es y s t e mw i t h o u ts p e e d s e n o ri s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e di ncl a n g u a g e 、i mt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a si t s c o r ea n de x b 8 4 1a si t s h a r d w a r ed r i v i n gc i r c u i tb a s e do nt h e o r ya n a l y s e ，w h i c hp r o v e st h ev a l i d i t yo fs y s t e m s c h e m e k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s p e e d l e s ss e n s o r ；t o r q u et r a c k i n g ；m r a s 3 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：) 小幢套一 泗癣；窍rb 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 叫 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 办，犀年 怫 期期麓 扔夕 哆 签 签 者 师 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 第一章概述 电动机作为机电能量变换的电气传动装置在国民经济各部门中起着重要的 作用。它实现转矩、加速度、转速和位置等各种控制。从工业、农业、交通运输、 航空航天、军事系统到办公自动化、家用电器等领域都有它的应用。 1 1 现代交流调速技术的发展 电机分为直流电机和交流电机两大类。交流电机，特别是笼型异步电机，由 于其结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便可靠、环境适应能力强以及易于向 高电压、高转速和大容量方向发展等优点，在工农业生产中得到了极其广泛的应 用，但交流电机的调速比较困难，其原因在于它具有多变量、非线性、强耦合的 特征，控制起来较直流电机复杂如何使交流电机具有与直流电机一样的控制特 性，一直是人们不断探索和追求的目标。 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 近年来令人瞩目的发展，给交流电机控制系统带来了很多新的发展契机。 目前交流电机控制己经成为一门集电机、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。 纵观交流调速发展的过程，大致是沿着三个方向发展的：一个是取代直流调 速实现少维修、省力化为目的的高性能交流调速：另一个是以节能为目的，改恒 速为调速，适用于风机、水泵、压缩机等通用机械的交流调速；第三个是直流调 速难以实现的特大容量、高电压、极高转速领域的交流调速。 交流电机是一个多变量、非线性的被研究对象，过去的电压、频率恒定控制 都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想。1 9 7 1 年德 国的f b l a s c h k e 等提出了“感应电机磁场定向的控制原理”；此外，美国的 p c 。c u s t m a 和a a c l a r k 申请了专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”；以 后在实践中经过不断的改进，形成了现在应用的矢量控制变频调速系统。用矢量 第一章概述 变换的方法研究电机的动态控制过程，利用状态重构和估计的现代控制概念，实 现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机控制系统实用 化。目前，这种控制方法己较成熟且己产品化。但这种方法采用了坐标变换，所 以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控 制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国 内外学者进行了大量的研究。 1 2 直接转矩控制的发展及其前景 1 2 1 直接转矩控制的发展 交流电机高性能传动的关键在于动态力矩控制。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学 d e p e n b r o c k 教授提出异步机直接转矩控制法( d t c ) ，它不需要解耦电机数学模型， 强调对电机转矩进行直接控制，在很大程度上克服了矢量控制计算复杂和易受 参数变化影响的特点，成为交流调速控制理论第二次质的飞跃。和矢量控制不 同，直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁 链和转矩。它不需要交流电机与直流电机做比较、等效和转化：不需要为解耦而 简化交流电机数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的计算。其次，直接转矩控 制磁通估算所用的是定子磁链，因此只要知道定子电阻就可以把它观测出来，而 磁场定向矢量控制所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转子电阻和电 感，应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。最后，直接转矩控制对转矩实行直接控制，其控制方式是，通过转矩两点 式调节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环比较，把转矩波动限制在一定的容 差范围内，使得系统性能更加优越。 然而直接转矩控制还有些问题尚未解决，如低速时转矩观测器和转速波动 等仍未得到很好的解决。目前大多是采用了将磁场定向与直接转矩控制相结合的 方法，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时 观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。这种方法一来平稳切换的时机较 难确定；二来如果低速时采用磁链定向矢量控制，或采用观测转予磁链的方法， 还是要依赖转子参数，也就是说只要有转子磁链的成分在里面，还是对转子参数 较敏感，无法体现直接转矩控制的优势。 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 1 2 2 直接转矩控制发展的前景 ( 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。功能强大的数字处理芯片( d s p ) 的推出，许多以 前无法实时实现的算法都可以应用到实时控制系统中，如最近研究十分活跃的 模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、非线性控制等。 ( 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化，对 处理的实时性、快速性要求很高，d s p 正是能满足这种需求的芯片，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。 ( 3 ) 无速度传感器的控制系统：无速度传感器用于矢量控制、直接转矩控制 已有产品，但调速范围较小，有待于进一步改善。该领域今后研究的努力方向仍 是提高转速估计的精度及动态响应，增强对参数变化的鲁棒性以及获得更高的 调速范围。 ( 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， 现在人们开始把它用在同步电机控制中。现代控制理论与经典控制算法的进一步 结合成为交流电机控制算法发展的一种趋势。现在人们正致力于改善低速性能、 发展鲁棒控制策略。 1 3 本课题研究的意义 直接转矩控制经过二十年的发展和完善，无论是在控制手段、响应速度，还 是在静、动态调速性能方面，直接转矩控制都较其它交流调速控制策略有着明显 的优势。目前德国、日本和美国已成功将其应用于电力牵引中的大功率交流传动 系统。然而，我国在交流调速传动方面起步较晚，无论从调速理论的深度还是理 论应用于实际变频器都与国外相比相差甚远，尤其在高性能的交流传动方面，国 内基本上还没有形成批量生产能力。而随着对交流调速和变频节能认识的不断加 深，国内对变频调速装置的需求量会越来越大，同时对性能的要求也会越来越高。 目前国产的变频调速装置还不能满足性能要求，致使大量国外品牌的产品占有绝 大部分市场份额量。因此，研究和开发高性能的交流变频装置并使其国产化、商 品化，对于发展我国经济具有重要意义。 第一章概述 本课题将立足于将直接转矩控制技术由理论研究转变为实际应用，主要任务 将侧重于直接转矩控制系统的设计与实现。 1 4 课题主要任务 本论文结合国内在直接转矩控制技术实际情况，将侧重于直接转矩控制应用 于实际系统的工作上，开发设计出一套能够实现直接转矩控制理论的完整的软硬 件系统。 论文主要内容如下： 1 分析异步电动机的数学模型，在电机数学模型的基础上对直接转矩控制 理论进行介绍，在逐层推导下得到转矩以及定子磁链和电压矢量之间的关系。接 下来阐述电压空间矢量的概念，以及与其相关的一系列内容，进而得到六边形磁 链控制和圆形磁链控制方法。 2 研究了电机转速的辨识方法，选用模型参考自适应法辨识电机转速，构 成无速度传感器的电机直接转矩控制系统。 3 完成主电路与控制电路的设计。其中，主电路以日本三菱的i g b t c m 7 5 t f 一1 2 h 及整流桥r m 3 0 t a - h 为核心，完成整流、逆变及高频吸收缓冲电路的 设计；控制电路部分，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主控制芯片，完成c p u 外围电路设计， 以e x b 8 4 1 为驱动核心，完成i g b t 驱动电路、过流、过温等保护电路的设计。 4 分析了i g b t 驱动信号对整个系统的影响以及针对e x b 8 4 1 本身特点推导 出了适合本系统的驱动方案。 5 在c c s 编程环境下，完成直接转矩控制系统的c 语言程序的编制，并应 用于实际系统。 6 对系统实际试验结果进行了分析与总结。 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的基本思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空闯电压矢 量分析方法在定子坐标系上进行磁链、转矩计算，通过选择逆变器不同的开关状 态直接对转矩进行控制。不同于矢量控制技术，它不是通过控制电流、磁链等量 来间接控制转矩，而是直接以转矩作为被控制量进行控制。因此它并非要极力获 得理想的正弦波波形，也不是专门强调磁链的圆形轨迹，相反，从控制转矩角度 出发，强调转矩的直接控制效果，采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似 圆形磁链轨迹的概念。直接转矩控制不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解 耦而简化交流电机的数学模型，它只是在定予坐标系下分析交流电机的数学模 型，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制中磁场定向采用定子磁链， 定子磁链计算过程中存在的电机参数只有定子电阻，这是一个比较容易得到的参 数；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，转子磁链计算需要知道电机转予电 阻和电感，而得到这两个参数比较复杂、困难。因此，直接转矩控制对电机参数 的依赖与矢量控制相比要小很多，控制性能，受参数变化影响也比较小。 在电机控制过程中，比较容易得到的物理量是电机的定子电压和电流，直接 转矩控制就是通过这两个物理量进行电机定子磁链和转矩的控制。定子磁链轨迹 采用六边形轨迹或者近似为圆形的控制方法，也就是将定子磁链的幅值变化限定 在一个比较小的范围内，定子磁链的幅值一旦超出这个范围，相应改变定子电压 矢量。 2 1 异步电机动态数学模型【5 - ”l 与直流电机相比，异步电机调速系统的控制方式通常是比较复杂的，在实际 应用中为了能更好的分析系统的性能，针对异步电机建立合理的数学模型对研究 其动、静态性能及其控制显得尤为重要。 由于三相交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了建立 其数学模型，通常作如下假设4 l 【5 】1 6 1 ： 1 忽略空问谐波。假设三相绕组对称( 空间上互差1 2 0 。电角度) ，所产生 5 一 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布。 2 忽略磁路饱和，各绕组自感和互感都是恒定的。 3 忽略铁心损耗。 4 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 由于电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止的坐 标系中描述电机的模型将非常方便。经过坐标变换，将三相异步电机在三相静止 坐标系上的电压方程变换到两相静止坐标系上的电压方程，可以简化模型及获得 常参数的电压方程。将参考坐标系放在定子绕组上，即通常所用的n p 坐标系。 定子电压矢量为【6 】： “；= ；( u s a + u s b e 。“ + u s c e “。5 ) = 都，。+ ，“妒 c z 一， 式中： =；(甜。一吾甜曲一互1usu “。) ( 2 - 2 ， = 、j 【甜埘一j 甜曲一互“胙j = 半q 曲一) ( 2 3 ) 异步电机的动态特性可由下述方程描述： 阡出瓷耻出国也翻 t ， 中s = l s i | + l m i r y ，= 三。+ l ， ( 2 - 5 ) 将实部和虚部分离可得两相静止坐标系上的电压方程： “。= r ，。i 。+ p y ，。i u s 8 = r a i | p + p 1 ，口 o = r ，。+ p i g ，。+ 少印f ( 2 - 6 ) 0 = r r i , p 七p vr b 一vr 。 在两相静止坐标系上磁链方程为： 6 厦门大学硕士学位论文 无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，整理得到异步电动机在d 一0 坐标系的电压一电 流方程式为： u j 口 甜坩 0 o 葛嚎荽蝌0 l 5 p p l r rp 搠， o 足+ o 三。8 妇i ， ， 三。p ，lr ，+ ，p 甜，i i 。l 、。 一q 三。 。pq t，+ tl l 电机的电磁转矩方程为： 疋= 聍，上，( f ；口i ，。一i s a i 印) ( 2 9 ) 在般情况下，忽略电力拖动系统中的阻转矩阻尼和扭转弹性转矩时，电力 拖动系统的运动方程是： i 瑚丢等 ( 2 - l o ) ( 疋负载阻转矩：j 机组的转动惯量：极对数) 以上方程中： 。，i s p ，i ，。，i r p 是定、转子电流的d 、b 分量； 矿。，妒，y ，。， f ，巾是定、转子磁链的a 、b 分量： t k ，“卵，“，。，甜嵋是定、转子电压的a 、1 3 分量； 皿，足是定、转子绕组电阻；q 是转子角速度；p 是微分算子； 三。是定、转子绕组间互感； 三，三，是定、转子绕组电感； 在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法，将使问题变得更 为简单。下面，我q q l 入空间矢量变换( p a r k 变换) ： j o ) = j 詈 l ( f ) + 五o k 户+ 置o - 一 ( 2 一1 1 ) kbkk辘 + + + + 枷?和?w 厶厶厶4 = j | = j j 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 则可得到用空间矢量表示的异步电机数学模型： 玩趣乏+ 丢死 r # r + 务r 巾母f 矿；= 。瓦+ 三。i 【矿，= 。t + 三， 疋：孕舻，。妒。) 异步电机等效电路图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 异步电机空间矢量等效图 2 2 逆变器的数学模型与空间电压矢量控制 j e o p , ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由空间电压矢量的概念可建立电压型逆变数学模型，图2 - 2 为异步电机调速 系统逆变器理想等效电路。 图2 - 2 理想型逆变器数学模型 = ， m 。 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 逆变器的输入为经整流器、滤波电路后的恒定的直流电压p ，通过六个开关管 的“通”与“断”在电机侧获得幅值恒定、脉宽和频率可调的电压脉冲序列。为 方便起见，设定每一个桥臂上管导通时为“1 ”，下管导通时为“0 ”。为防止上、 下管直通短路，每个桥臂只有“0 ”和1 两种正常工作状态，三组桥臂共有2 3 = 8 中可能的开关组合，用二进制数组表示，如表2 - 1 ： 状态 0l234567 s 口 o1 0 l0101 0ol1o011 s c 000olll1 表2 - 1 理想电压型逆变器基本开关组合 根据以上可以分析出逆变器供电时的空间电压矢量。由图2 2 可以得出： u 。= u m u m i = u 一u m ( 2 - 1 5 ) u 。= u ( u u mj 将式2 - 1 5 带入2 - 1 1 可得： 函= j 詈 + u 。2 x 3 + u 4 4 j 3 一j ；p 。+ e j 2 + e 一”3 = 据l 。+ u 肋e 捌+ e ， ( 2 - 1 6 ) 假设j = g ”铀，则式2 - 1 6 可记作： 玩= 店p 矿u 舯工+ 】 ( 2 坩) 以逆变器开关状态来表示如下： 晚= 七等 ( - 1 p + ( _ 1 户帆( _ 1 户】 ( 2 - 1 8 ) 式中： s o 、r 、只为逆变器三个桥臂的开关状态。 由式2 一1 8 可以得出：逆变器输出电压矢量只与开关管的开关状态有关。将 表2 - 2 所列出的8 种开关带入式2 1 8 可得出电压型逆变器的基本输出电压矢量， 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 记作，对应开关管开关状态如表2 - 2 所示；其中v o 、巧的物理意义表示 将异步电机三相电输入端子短接，称为零矢量，其余为非零基本电压矢量。由式 2 一1 8 可以得出：非零基本电压矢量均匀分布在d b 坐标系下，空间上彼此相 差6 旷，幅值均为j ；。其空间分布如图2 - 3 所示： 状态 s as bs c v o0o0 v 1l00 v 2o10 v 3l10 v 4001 v 51ol v 6 0ll v 71ll 表2 - 2 逆变器输出基本电压矢量表 1 1 5 v l 图2 - 3逆变器输出电压矢量分布图 电压型逆变器的所有输出都是由这8 个基本矢量合成得到的。而直接转矩控 制的基本思想也就在于根据定子磁链的幅值、空间位置以及电磁转矩的大小，从 8 个基本矢量中选择一个最佳的控制矢量，使电机运行在期望状态。 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 2 3 磁通控制原理与空间电压矢量选择 2 3 1 磁通控制原理 出式2 1 4 可以看出电机电磁转矩与磁通是相互联系的，磁通控制的好坏， 对电机的运行性能影响很大。在电机运行过程中，如果磁通幅值出现较大的波动， 必然导致电机电流有较大的脉动，从而使得电机的损耗增加，因此，必须保持电 机磁通幅值恒定。此外，磁通的变化同样会影响到电机的动态性能，磁通幅值过 低，将导致电机转矩响应速度降低；如果电机磁通过大，将导致电机饱和，电机 工作电流急剧上升，给电机和逆变器造成威胁。 基于以上原因，一般情况下，调速范围在基速以内时，一般将磁通维持在电 机额定工作状态时的值，即恒磁通控制，以保证系统的动态性能；基速以上时考 虑到电机工作电压的限制，只能维持在额定工作电压，所以此时必须降低磁通幅 值。 由式2 1 2 中的定子电压方程，若忽略定子电阻压降可得： + d s 2面虬(2-19) 将式2 1 9 离散化后可得： 。( 疗) = 虬g 1 ) + 。n 1 ) 正1 虬：n 一1 ) cf ( 2 - 2 0 ) 式中：t 为数字系统中的采样周期。 由式2 2 0 可以得到定子磁通和定子空间电压矢量的关系如图2 4 所示： 图2 - 4 定子磁链、电压空间矢量关系图 综上所述，当异步电机定子绕组上施加电压空间矢量面后，在系统采样时问 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 z 内，异步电机气隙内将产生与磁相同方向的磁链虬，即虮的幅值大小与玩 的大小和采样周期z 相关。但其方向可能与该电压作用前以存在的帆0 1 ) 的方 向不同，该时刻的总磁链虮0 ) 应为二者的矢量和。口为施加的电压矢量与当前 磁通矢量之间的夹角。 因此我们可以得出： 1 非零电压矢量能产生电机磁链并驱动其运动。因此适当的选择电压矢量 作用的顺序和作用时问，即可迫使定子磁链按照预期的轨迹运动。 2 零电压矢量的作用使定子磁链运动停止。因此在直接转矩控制中，采用 开关控制，使非零电压矢量和零电压矢量交替作用，实现砰一砰控制， 从而控制磁链运动轨迹。 3 磁链幅值的变化取决于口角的大小，当夹角口的绝对值小于9 0 。时，作 用的结果是使磁链幅值增加：当夹角口的绝对值大于9 0 。时，作用的结 果是使磁链幅值减小；当夹角臼的绝对值等于9 0 。时或施加零矢量，作 用的结果是使磁链幅值基本保持不变。 2 3 2 定子磁链轨迹控制方法 将上述定子电压空间矢量按一_ k 斗屹哼斗k 斗循环一个周期，顺 序加到异步电机，将在定子气隙产生六边形磁链，如图2 - 5 所示： 以 ：_ 。一1 v ，? 巧 !i i 口 嘭lj v 。 矿 图2 - 5 六边形磁链轨迹 六边形分别对应六个非零电压矢量，简单的切换逆变器六个工作状态，直接 由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹控制。这种控制方法简单，开关次数少， 1 2 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 开关损耗小。但是该方法外部表现为电机工作电流波动大，转矩脉动、电机噪声 比较严重，所以只在某些大功率场合应用，如兆瓦级电力拖动。 1 9 8 6 年日本的i t a k a h a s h i 等人提出定子磁链近似圆形的直接转矩方法【7 l ， 由于异步电机由三相对称正弦波供电时，电机气隙磁场近似为圆形，因此合理的 选择非零空间电压矢量，控制逆变器按一定的开关规律变化，就可以获得幅值不 变而又旋转的定子磁链，即圆形的磁链轨迹，但由于逆变器空间电压矢量是离散 的，再加上开关频率的限制，控制中只可能是在一个容差范围内使定子磁链逼近 圆形。 2 4电磁转矩控制原理与空间电压矢量选择 电机转矩是电能向机械能转换的纽带，转矩特性直接影响着传动系统的动、 静态性能，因此，直接转矩控制将电机转矩控制放在首位以获得良好的系统性能。 由电磁转矩方程式2 1 4 可知：电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链之 间的矢量积决定的，要改变电磁转矩的大小，可以通过改变定转子之间的磁通角 来实现，而转子磁通的旋转速度不会突变，因而，主要是通过改变定子磁链的旋 转速度来达到改变转矩这一目的的。 一般情况下，在电机控制系统中，电磁转矩的控制有如下规律： ( 1 1当旌加超前电压矢量使定子磁通的旋转速度大于转子磁通的旋 转速度时。磁通角加大，相应的转矩增加。 ( 2 )当施加零电压矢量或滞后电压矢量，相当于定子磁通矢量停滞不 前或反转，而转子磁通矢量继续旋转，相应地转矩也减小。 由此可知：在直接转矩控制系统中，基本方法就是通过逆变器输出电压空间 矢量的合理选择来控制电机定子磁链的旋转速度，控制磁链的走或停，以改变定 子磁链的平均旋转速度，从而改变其与转子磁链的夹角，以达到控制电磁转矩的 目的。 2 5 定子磁链与转矩观测 根据以上分析，直接转矩控制系统的性能好坏直接取决于定子磁链和转矩观 测的准确性，下面将主要讨论定子磁链与转矩观测模型。 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 2 5 1 传统定子磁链观测模型 对于定子磁链的估计大体上可分为三种模型：即“一f 模型，f 一胛模型， “一n 模型。 1 “f 模型 由异步电动机定子磁链表达式我们可得到以定子电压和定子电流表达的异 步电机的定子磁链模型： 妒s = 姆s j s r 油 ( 2 - 2 1 ) 用式2 2 1 确定异步电机的定予磁链，在计算过程中唯一需要知道的电动机 参数是易于确定的定子电阻r ，式中的定子电压或和定子电流皿，同样也是易 于确定的物理量，合理的运用霍尔电压、电流传感器等手段能以足够的精度被检 测出来。 该模型在3 0 额定转速以上时，由于电流和电阻的乘积在整个积分项中所占 比例很小，采用“一f 模型可达到很高的观测精度，而且结构简单，鲁棒性强。 但是在低速时，由于电动机的反电动势很小，电流和电阻的乘积在整个积分项中 所占比例较大，由于电流测量以及电阻受温度等因素影响发生变化不能够忽略， 因此对磁链观测的准确性有较大的影响。 2f 一 模型 由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为f n 模型法。该模型在3 0 额定转速以下范围内是合适的。 根据异步电机空间矢量等效电路图( 图2 1 ) ，可以得出： 妒，2 ，+ 。 妒，= i , r r + j r o ，妒， = + = 妒，l ， t = 舻；一妒，) i l 。 根据式2 2 2 可以得出，定子磁链表达式： ，+ 妒，) + j c o ， ( 2 - 2 2 ) f 2 - 2 3 ) 伍吸 。 一k 一，t 一+ 妒 i 鲁 一 一虬 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机赢接转矩控制系统的设计与实现 在口一卢坐标系下分解成各分量的形式，则有： 矧 一咿r j 一掣r 8 一审r 冉一掣r 。 r 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 与u f 模型相比，f n 模型中不出现定子电阻r 。，即不受定子电阻变化的 影响。但是f 一露模型受转子电阻耳、漏电感乞和主电感上变化的影响。此外 f 一力模型还要求精确地测量角速度峨，角速度的测量误差对该模型的结果影响 很大。 3 甜一n 模型 由上可知，在高速时采用u f 模型最佳，低速时采用f n 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u 一疗磁链模型。该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 调节器，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。但是这种模型实现复杂，而且不能够摆脱f 一”模型的固有缺陷。 2 5 2 。基于低通滤波器的定子磁链观测模型的改进 直接转矩系统中定子磁链的观测一般采用简单的u - i 模型，前面分析得出： 该模型在高速领域能够准确估计定子磁链，然而在低速领域定子电阻压降所占比 例大，会使定子磁链观测精度下降以致使系统不能正常工作。另外，在u - i 模 型中引入的纯积分环节会给磁链观测环节带来直流偏置误差和初始积分误差，这 两种误差会在定子磁链幅值产生交流分量，使磁链轨迹发生畸变，转矩脉动增加， 为了提高控制系统的低速性能，研究者们采用低通滤波器代替积分器，积分器中 的直流偏移问题可以通过在滤波器中设定较大的时间常数来加以解决。然而采用 沁b 上土 旧 妒 妒 妒 、i，-t-j 口 芦帆k 生l 生l = = 第二章异步电机直接转矩控制的基本原理 低通滤波器必然会引起定子磁链幅值和相位的计算误差，使积分器的缺陷不可能 从根本上得到解决。为此在低通滤波器基础上，设计了一种新的定子磁链观测器， 该磁链观测器引人闭环幅值补偿方法来消除直流偏置积分误差，不仅提高了低速 时的磁链观测精度，而且对电机定子电阻变化的影响小并在设计高性能的定子 磁链观测器的基础上，设计了一种速度观测器。该观测器根据定子磁链的观测值 推算出转子磁链观测值，再从转子磁链中估计出转子速度，并成功地将这种速度 估计方法结合定子磁链观测器应用到无速度传感器直接转矩调速控制系统上。 根据式2 - 1 9 ，将定子磁链写成矢量的形式： 旷。= l u s 班 ( 2 - 2 6 ) 将式2 2 6 拉普拉斯变换可得： 帆：士，+ 当虬( 2 - 2 7 ) i , 2 7 ) 妒s2 一，+ _ - y 。 s 十珊cs 十埘c 式中：珊。为转折频率 式2 - 2 7 是计算磁链的纯积分替换环节一阶低通滤波器，这种方法虽然能降 低直流偏置误差对定子磁链观测的影响，但是当电机定子频率接近转折频率够。 时会引起新的幅值和相位误差，影响磁链观测器的精度因此将由公式( 2 2 7 ) 构 成的磁链观测器输出的妒，。和y ，。进行幅值和相位的分离后，再进行闭环反馈的 幅值补偿，这样就形成了一种带幅值补偿的定子磁链观测器。观测器输出的磁链 采用极坐标变换后，进行幅值和相位的分离： l 妒，l = 妒二+ 妒刍 ( 2 2 8 ) 口：撤t 蛳f 堕 l 。 ( 2 2 9 ) 当口在0 万2 之问变化时，t a n 口将在0 之间变化，为防止处理器计算时 的溢出，得用三角函数变换关系可以得到： 詈=而sinotan= 彘 3 0 ) 一2 1 2 一 l z 一 2l + c o s 目 i 1 + 。 嘲a r c t a n ( 最 。， 1 6 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转! 呈塑聱匿堑塑墼盐兰塞望 2 6 电磁转矩观测 对电机输出转矩进行直接控制，是控制系统获得高性能的关键。在直接转矩 控制系统中，需要实时检测电机电磁转矩t 作为反馈量。直接测量电磁转矩在 技术上存在定的难度，为此，在控制中一般采用间接法计算电磁转矩，根据式 2 1 4 ，由定予电流i ：及定子磁链，来计算电机的电磁转矩瓦，如下式所示： 2，、 疋= 三h p 妒，。f 妒一印t 。j ( 2 3 2 ) 二 知道了定子磁链和定子电流的口，声分量后，根据式2 3 2 就可以计算出电动 机的电磁转矩，将此值作为反馈值参与控制。 厦门大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 第三章直接转矩控制系统的组成 3 1 直接转矩控制系统的组成【1 6 1 根据磁链轨迹形状的不同，直接转矩控制一般可分为六边形磁链控制和近似 圆形磁链控制两种控制方式。六边形磁链控制的控制方法简单，器件的开关次数 较少，但是在六边形控制方法下，电流和转矩将产生较大的脉动。近似圆形磁链 控制使定子磁链近似为圆形，可较好的减少电流畸变带来的影响，改善电机的动 态性能，但要求器件有较高的开关频率。对于中小型变频器而言，一般采用近似 圆形的磁链控制方案。结构图如图3 1 所示。 图3 - 1 直接转矩控制系统结构框图 从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几部分组成： 1 磁链自控制：磁链自控制的任务是选择正确的区段，以形成六边形或近似 圆形磁链轨迹。 2 转矩调节：实现转矩直接自控制。 3 磁链调节：实现对磁链幅值的直接自控制。 4 开关信号选择：综合来自磁链自控制环节、转矩自控制环节和磁链调节环 一1 r 一 厦f j 大学硕士学位论文无传感器异步电机直接转矩控制系统的设计与实现 节的三种开关信号，形成正确的电压开关信号，以实现电压空间矢量的正 确选择。 5 异步电机数学模型：包括此磁链模型和转矩模型。 6 转速调节：实现对电机转速的调节。转矩给定值可由转速调节器的输出得 到。 3 2 磁链自控制 磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段且给出正确的磁链开关，以产 生相应的电压空间矢量，控制磁链按f 六边形或近似圆形轨迹正确旋转。 以正六边形轨迹为例，我们可以将静止坐标系平均分成六个区问q 乱，如 图3 - 2 所示： 图3 - 2 磁链所在区域划分 由此可知，计算出定子磁链与口轴夹角的大小即可确定磁链所在的区间，即 根据式2 3 1 估算出口值。 3 3 磁链调节环节 电动机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定子磁链将会不断减 小，因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定予磁 链幅值减小到容差以外，引入磁链调节闭环，磁链调节的任务是通过定子电压空 间矢量的选择将定子磁链的幅值变化控制在允许的范围内，使磁链的轨迹为六边 形或者接近圆形。 厦门人学硕士学位论文无传感器异步电机寅接转矩控制系统的设计与实现 由式2 2 6 可知，磁链幅值近似为定子电压的积分，并且定子磁链运动方向 与空间电压矢量作用方向一致的。磁链调节过程是实质上是确定更加合适的磁链 电压。所谓磁链电压是指这样一个定子电压空间矢量，它的主要作用是根据磁链 调节器的作用，在需要时被开启用以增加磁链幅值。定子磁链任一位置时能够增 大磁链幅值的电压矢量有两个，分别是与磁链运动轨迹成- - 6 0 。和一1 2 0 。的电 压矢量。在这儿选用与磁链运动轨迹成一1 2 0 。的电压作为磁链电压。 磁链调节的工作要求预先给定一个容差宽度g ，它是定子磁链幅值对 于给定值虮所允许的波动宽度。磁链调节器的结构实际上是施密特触发器，对 磁链幅值进行两点式调节，如图3 3 所示： 鼙廿j 譬 旷f + 里 3 4 转矩调节环节 图3 _ 3 磁链两点式调节器 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称由此而来。 为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转 矩，另外一个功能是在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩 的调节。 转矩调节器采用三值比较器，其输人为转矩给定值艺与转矩反馈值z i 删的信 号之差丁，调节器的输出量是转矩控制量r ，根据7 1 的取值不同来确定定子电 压矢量，进而调节转矩，同时也调节磁