（机械电子工程专业论文）异步电动机直接转矩控制系统仿真研究.pdf

托京交通大学硕士学位论文 摘要 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 技术是2 0 世纪 8 0 年代中期发展起来的交流变频调速技术新型控制策略。它以自己新颖 的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能得到各国科研工 作者的广泛关注和研究。目前，直接转矩控制技术在国外已成功地应用 于大功率交流传动领域。 本文所做的对异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，是国防基 金项目“电涡流测功机的智能p i d 控制”中的一部分。为了对被测试件 进行各种加载性能试验，拖动被测试件的异步电动机必须随时快速、稳 定地改变转速及转矩。采用直接转矩控制技术对此主动机进行控制，能 很好地满足整个电涡流测功机系统对驱动性能的要求。具体工作可归纳 为以下几方面： 1 ) 介绍直接转矩控制技术及其在电涡流测功机智能p i d 控制 系统中的应用： 2 ) 剖析传统直接转矩控制系统的构造，建立异步电动机直接转 矩控制系统仿真模型，进行仿真试验，分析传统直接转矩控制系统 的性能优劣，发现其主要缺点是产生较大的转矩脉动： 3 ) 研究d t c 产生较大转矩脉动的原因和目前的解决措施，设 计一种新型控制策略，对新策略进行仿真试验的结果表明此方法能 明显减小转矩脉动： 4 ) 采用v c + + 编制程序，控制p c l 8 3 6 多功能板卡输出频率可 调的p w m 脉冲，为新的d t c 控制策略的应用打下基础。 关键词：直接转矩控制，变频调速，m a t l a b s i m u l i n k 仿真 北京变通人学碳l ：学位论文 a b s t r a c t d t c t e c h n i q u ei sal l e wc o n t r o ls t r a t e g ye m p l o y e d i ns p e e dc o n t r o lb y v a r i a b l ef r e q u e n c yd e v e l o p e di nt h em i d d l eo f1 9 8 0 s w i t hi t sn o v dd e s i g n ， s i m p l es t r u c t u r e ，a n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，i th a sa l r e a d yw o n e x t e n s i v e a t t e n t i o nf r o mm a n ys c i e n t i f i cr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d s of a r , d t c t e c h n i q u eh a sb e e ns u c c e s s i v e l ya p p l i e dt ot h ep o w e r f u ld r i v i n gi ne l e c t r i c p o w e r t r a c t i o na b r o a d t h ew o r ko ft h ea r t i c l ei sa p a r t o ft h ep r o j e c t ：t h ei n t e l l i g e n tp i d c o n t r o l s y s t e m o fe l e c t r i c a lv o r t e x e r g o g r a p h i n o r d e rt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h eo b j e c tt o b et e s t e d ，t h es p e e da n dt h e t o r q u e o ft h e a s y n c h r o n o u sm o t o rf o rd r a g g i n gs h o u l dv a r i a b l er a p i d l ya n dp r o m p t l y d t cs y s t e mc a nb ef i tf o rt h i s p l a n t t h ew o r kc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 ) t oi n t r o d u c e t h ef u n c t i o no fd t cs y s t e mi nt h e i n t e l l i g e n t p i d c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c a lv o r t e xe r g o g r a p h ； 2 ) t oa n a l y z et h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a ld t c s y s t e ma n dm a k e m o d e l o nd t c s y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o rm a t h e m a t i cm o d e l t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em a i n s h o r t a g eo f t h i ss y s t e mi sl a r g e t o r q u ew a v e f o r m ； 3 ) t o s e tf o r t h p o s s i b l e c a u s e s l e a d i n g t ot h ec o m p a r a t i v e l y l a r g et o r q u e w a v e f o i t na n dt h ec u r r e n ts o l u t i o n sa sw e l l t op u tf o r w a r dan e wc o n t r o l s t r a t e g yi n t h ea r t i c l ea n dc o m p a r i s o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s b yu s i n gt h e t r a d i t i o n a la n dn e w a p p r o a c h e s ； 4 ) t of u l f i l l t h ep w m p o w e rf u n c t i o nw i t ha d j u s t a b l ef r e q u e n c yb y a p p l y i n gp c l 8 3 6 m u l t i - f u n c t i o nb o a r dw i t h v c + + p r o g r a m m i n g c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o lc d t c ) ，s p e e dc o n t r o lb yv a r i a b l e f r e q u e n c y , m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n 垄塞窒望查兰堡兰鱼堡苎 f 塑二量! ! ! ! 一 第一章绪论 1 1 课题的目的及意义 在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活巾广泛地应 用着电机传动。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，为了满足运行、生产、工艺的要求需要调速；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。以 前在要求调速的领域多采用直流电动机，这是因为直流电动机调速方便 【1 】，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枢电流成正比，它 的转矩易于控制，因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特 性。所以过去直流电动机调速系统一直在变速传动领域中占统治地位。 但是，直流电动机本身在结构上存在严重的问题，它的机械接触式 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，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等问题的存在，在运行 中需要有经常性的维护检修；对环境的要求也比较高，不能适用于化工、 矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气体的场合。特别是 由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，远远不 能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护 方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，因此在工 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，变频 装置昂贵及交流调速性能差 2 1 ，直到在2 0 世纪5 0 年代中期，晶闸管 ( 可控硅整流器) 研制成功，开刨了电力电子技术发展的新时代。这种 半导体电力电子器件由于体积小，价格低，坚固耐用，性能良好，使电 机特别是交流电机调速技术的发展起了一个飞跃。尤其是在7 0 年代， 全世界范围内出现了能源危机，电费涨价，节约能源的问题世界瞩目， 垫塞茎望查堂堕! ：兰竺笙苎塑工里! ! ! l 作为节约电能的一- 个重要手段，电机的调速问题得到了重视，许多过去 一般不调速的装置如风机、水泵等也都采用了调速。交流调速用变频装 置增加的成本已经能被采用交流电动机而节约的成本所补偿，由此对交 流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用，交流调速开始进入许多 苴流调速的世装领域。 2 0 【吐纪7 0 年代微电子器件( 微机及中、大规模集成电路) 的迅速 发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，交流调速领域里 出现的矢量控制技术，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上 的问题。现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系 统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传 动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可以采用交流调速传动。交流 调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相抗衡，并有 取尔代之的趋势。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 技术是2 0 世纪 8 0 年代中期才出现的一种异步电动机控制方法【3 】，是交流变频调速 技术的一种新型控制策略快速瞬时转差控制法。它和以往采用的解 耦控制方法不同，通过快速改变电机磁场对转子的瞬时转差速度，以直 接控制异步电动机的转矩和转矩的增长率，获得电机的快速响应。 理论分析和实验研究均证明，按这种控制思想构成的交流调速系 统，其性能不低于矢量变换控制系统，却能消除矢量控制方案的缺陷， 具有良好的应用前景。直接转矩控制技术在国外已成功地应用在电力牵 引中的大功率交流传动上。早在1 9 8 9 年就有报导，利用这种转矩直接 控制法已经研制成功了1 5 k w 的样机，其转矩响应频率可高达2 k h z ， 冲击转矩可在瞬时达额定转矩的2 0 倍，大大缩短了电机翻转时间。而 且由于采用直接转矩控制，逆变器切换频率低，电机磁场接近圆形，谐 波小，损耗小。噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小的多。 本文所做对异步电动机直接转矩控制系统仿真工作，是国防基金项 目“电涡流测功机的智能p i d 控制”中的一部分。电涡流测功机试验台 分为动力系统和加载设备，动力系统作为试验台的原动力，采用电力拖 动，测功机为被测试件的负载。为了对被测试件进行各种性能试验，拖 2 北京交通大学硕上学位论文 第一章绪论 动被测试件的异步电动机必须随时快速、稳定地改变转速及转矩。采用 直接转矩控制技术对此主动机进行控制，能很好地满足整个电涡流测功 机系统对驱动的要求。研究直接转矩控制系统的结构性能，并在此基础 上对其不足之处进行改善，使之达到试验台的建立目的，不仅优化了测 功机试验台系统，也是直接转矩控制系统本身性能的一次提高。 总而言之，直接转矩控制技术以自己新颖的控制思想，简洁明了的 系统结构，优良的静动态性能得到各国科研1 ：作者的广泛关注和研究。 对异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，为实现全数字化、智能化 的测功机系统打下了坚实基础。 1 2 国内外对d t g 的研究状况和进展 直接转矩控制是德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授于 1 9 8 5 年首次提出的一种新型交流电机调速理论，接着又在1 9 8 7 年把它 推广到弱磁调速范围。它很大程度上解决了对于矢量控制中计算控制复 杂、特性易受电机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的 一些重大问题，在直接转矩控制技术领域里己经得到了很大程度上的解 决。 直接转矩控制理论提出以来的这十多年，在各国工程师的共同努力 下，已经取得长足进步。许多工程师从不同的角度对它进行了改进 4 - - 8 】，使其控制性能有了很大的改善。 比如，在数字实现直接转矩控制时，由于电压矢量个数的有限和采 样及数值运算带来的滞后，使稳态输出转矩的波动远大于给定转矩容 差。若采用离散空间矢量调制方法【9 】，可以在不增加功率管开关频率 的前提下明显改善转矩和电流波动。根据空间电压调制技术，新的电压 矢量可以由几个电压矢量在一个采样周期综合得到。离散空间矢量将一 个采样周期分为三个时间段，每时间段输出不同的电压矢量，从而合成 许多新的电压矢量，明显减小了转矩和电流波动，且不需要太复杂的丌 关表。文献【1 0 采用双三相逆变器控制感应电动机，也使逆变器输出 的非零空问电压矢量增加，并按转矩、磁链、零序电流和开关频率优先 3 北京交通大学硕_ 上学位论文 第一章绪论 级递减的方式优化逆变器开关状态选择，使磁链轨迹更加逼近圆形，实 现高性能直接转矩控制。 直接转矩控制系统的一个重要环节是准确地观测异步电机的定子 磁链。文献【1 1 】将一种新型的速度自适应磁链闭环观测器应用于直接 转矩控制系统中，取代了传统的积分器，对电机参数变化具有很好的鲁 棒性，同时辨识速度能够快速准确地收敛于真值。 近年来，许多学者开始把智能控制理论和直接转矩控制理论相结合 【1 2 1 5 】，提出了许多基于模糊控制和人工神经网络的直接转矩控制 系统，使其控制性能有了更进一步的提高。考虑到定子电阻随端部绕组 温度的变化关系具有非线性、时交性，难以建立精确的数学模型，文献 【1 4 1 提出了采用模糊神经网络对定子电阻进行在线检测的方案，在线 训练这种网络之后，可以对定子电阻值精确检测，改善了系统的低速性 能。 目前，a b b 公司的最新一代a c s 8 0 0 系列全数字多传动交流变频 器，采用的就是直接转矩控制技术。这种变频器具有i g b t 逆变器、全 数字技术控制，能够在没有码盘或测速电机的反馈条件下，精确控制任 何标准鼠笼电机的速度和转矩，满足系统需要正反转、经常快速加减速 和高稳速精度及快速动态性能的要求。 现在它已成为各种交流调速方法中研究最多，应用前景虽广的交流 调速方法。 总体看来，异步电动机的直接转矩控制有以下两个发展趋势： 第一，为了进一步提高控制性能，消除脉动，交流调速必然向高频 化方向发展，其中s p w m ( 正弦波脉宽调制) 和软关断技术是其中的 重点。 第二，把d t c 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。 1 3 论文所做的工作 本文从交流调速系统的理论出发，对直接转矩控制系统的核心思想 4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 和系统基本结构进行了深入研究，将之与交流调速技术领域中的其它控 制方法作了比较，得出直接转矩控制技术的优劣。并通过学习国内外专 家在相关课题上研究的成果，对各种不同的开关表编制方法归纳总结， 在此基础上制定出一种电压状态的新型选择方法及新型开关选择表。本 文在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对系统进行建模仿真，结果表明，这种新 方法与传统直接转矩控制系统的仿真结果相比较，转矩脉动得到了减 小，转速曲线响应更快，可见调速性能得到了明显提高。具体工作可归 纳为以下几方面： 1 ) 介绍直接转矩控制在“电涡流测功机智能p i d 控制系统” 中的作用； 2 ) 剖析传统直接转矩控制系统的构造，建立异步电动机直接 转矩控制系统仿真模型； 3 ) 分析传统直接转矩控制系统的优劣，阐述产生较大转矩脉 动的各方面原因和目前现有的解决措施，并详述本文采用一种新型 控制策略，对新方法与传统方法仿真结果进行分析比较； 4 ) 采用v c + + 编程控制p c l 8 3 6 多功能板卡输出频率可调的 p w m 脉冲。 5 北京交通人学硕 学位论文 第二章异步电动机原理和数学模型 第二章直接转矩控制研究与测功机系统 2 1 电涡流测功机智能p i d 控制系统介绍 本课题“异步电动机直接转矩控制系统的仿真”，来源于国防基金 项目“电涡流测功机的智能p i d 控制”试验台的开发，是对试验台驱动 部分控制性能的研究。整个试验台系统通过主动机驱动被测试件、测功 机对被测试件加载的过程，模拟主动机在实际运行过程中的多种受载状 态，如可模拟不同行驶阻力状态下驱动轮的输出功率，并可测试燃油消 耗量，自动变速特性等性能指标。 图2 - 1 试验台功能不意图 试验台分为动力系统和加载设备，动力系统作为试验台的原动力， 采用电力拖动，加载设备为测功机，作为被测试件的负载。试验台由一 台主动机为被测试件提供原动力，被测试件的四根动力输出轴带动四台 作为负载设备的测功机。通过试验台控制系统改变主动机和测功机的扭 矩和功率参数，对被测试件进行相应的各种试验。通常主动机处于电动 状态，通过动力控制装置从电网中吸收能量，输出动力，拖动被测件旋 转，被测件带动测功机运行。测功机为被测件提供负载转矩，通常处于 发电机运行状态。 北京交通人学硕士学位论文第二章异步电动机原理和数学模型 试验台的动力部分和加载部分共用一台变压器和一台整流器。试验 台的主电机和测功机都是交流电机，每台电机由一台逆变器控制，均可 实现四象限运行。同时，整个系统只从电网吸收由于摩擦产生的很小的 有功功率，整流器和变压器的容量较小，电能直流母线处达到平衡。试 验台动力部分由一台连接在直流母线上的逆变器带动一台交流电动机 组成。整个系统的转速由宅电机决定，测功机为被动性负载，测功机的 转矩加载到被测试件上。整流单元是带有预充电回路的一个6 脉冲整流 桥，向连接逆变器的直流电压母线提供电动状态能量。逆变器连接在直 流母线上，采用i g b t 功率元件，具有全数字技术功能和电压中问回路。 整个系统能够快速的将电流以最短的采样时间接入到电机绕组中，使转 矩产生相对较高的动态上升率，形成高性能的闭环控制回路。通过变频 控制系统拖动交流电动机，为被测试件提供动力。 图2 2 控制流程简图 主动机输入能量至被测试件，被测试件拖动测功机旋转。每台测功 机分别由台逆变器控制。当测功机控制系统对测功机进行恒转矩调速 时，整个系统的转速由主电机决定，测功机提供负载转矩，对主动机转 速影响很小。这时设定测功机控制系统的速度给定值n ，总小于或大于 实际：速度反馈值，使得实际转速无法达到给定值，导致速度环开环。此 时设定速度给定值相当于设定速度给定限幅值，进而相当于设定电流给 定值i 。控制系统的电流环决定测功机的输出转矩，由电流给定值的正 负性决定测功机的输出转矩的正负性，即控制测功机处于电动状态或发 电状态。这样便可通过设定逆变器相应参数值使测功机准确快速的实现 对被测试件进行试验所需要的负载转矩。并且系统可自适应进行弱磁控 制，对测功机进行恒功率调速。 北京交通大学颁士学位论史 第二章异步电动机原理和数学模型 2 2 测功机系统中的d t c 技术 此电涡流测功机控制系统中的主动机为异步电动机，对它的转速和 转矩的调节控制一般采用交流变频调速技术。目前，研究最成熟、应用 最广泛的是脉宽调制变频调速技术，即p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 变频器，能满足一般生产和使用的需要。为了更好地配合电涡流测功机 系统的试验要求，迸一步提高电动机控制系统性能，选取系统结构更简 单、性能更优越的调速技术作为主动机控制器的核心技术卜分必要。若 采用直接转矩控制技术实现变频调速，则能够在没有码盘或测速电机的 反馈的条件下，精确控制任何鼠笼型异步电机的速度和转矩。 将测功机试验台系统中的交流电源、整流器、逆变器、d t c 控制 器、异步电动机以及转速传感器部件分离出来，就构成了本文研究的异 步电动机d t c 系统，其结构简图如图2 3 所示。 交流电源 图2 - 3 异步电动机d t c 系统结构 些塞銮里查兰堕兰堂垡笙兰茎三皇奎堕塑蕉丝查兰堕垄茎丝墨型 第三章交流调速技术与直接转矩控制概述 3 1 交流调速技术原理 交流渊速技术是交流电动机转速调节技术的简称。以解决交流电动 机转速调节为目标的电力拖动自动控制系统，简称交流调速系统。研究 交流调速技术是工业生产技术发展的需要。在2 0 世纪7 0 年代以前的一 个相当长的时间内，人们直为如何构成高性能交流调速系统的问题所 困扰，问题主要来自两方面【1 6 】，一是交流电动机本身的控制性能无 法与之流电动机相匹敌，且长期未求得有效的改进措施；_ 二是供电电源 的不理想，主要表现在以品闸管为主体的传统电力电子技术手段难以构 成结构简单、性能优越的变频电源，因而严重地制约了交流调速系统性 能的提高。 3 1 1 交流电动机的控制性能问题 牛顿力学的基本定律指出：外力是运动系统产生加、减速度的根本 原因。由此可知，电动机的转速控制，必须通过对电动机电磁转矩的控 制来实现，特别是对动态过程中转速变化规律的控制，只能通过对动态 过程中电磁转矩瞬时值的控制来实现。从这个意义上讲，一种型式电动 机控制性能的优劣，主要体现在对其电磁转矩瞬时值控制的难易程度 上。直流电动机之所以能在调速及位置伺服系统亦称运动控制系统 领域长期占有统治地位，所依靠的正是这方面的优势，而电磁转矩瞬时 值不易控制恰是交流电动机最严重的缺陷。 已知直流电动机电磁转矩的表达式为【1 7 】 乙= c m 州。( 3 1 - 1 ) 式中： 9 北京交通人学硕上学位论文 第三章交流调速技术与直接转矩原理 l 电枢绕组电流； 中每极磁通量； c 。转矩系数。 对于广泛应用的他励式直流电动机而占，中是独立于电枢绕组电力 之外的励磁绕组电流l 建立的，在不考虑电枢反应影响的条件f ，中与 ，。之问无变量耦合关系，两者可独立进行控制。当控制中为常数时，乙 与，。成正比，通过对，。瞬时值的控制，即可达到无时间滞后地控制乙瞬 时值的目的，而对，。瞬时值的控制是简单易行的，这在转速一电流双闭 环直流调速系统中已有充分体现。 交流电动机则不然，以三相感应电动机为例，已知其电磁转矩的表 达式为： k ；c 。屯，f ，c o s( 3 1 2 ) 式中： ，r 转子绕组电流有效值； 中。每极气隙磁通量； c 刍转矩系数； 竹三相绕线转子绕组中一相绕组的阻抗角。对于笼型转子绕 组，则为其等效三相绕组中一相绕组的阻抗角，且 竹t a n 詈( 3 1 - 3 ) 式中： r 上述意义下的一相转子绕组电阻； 1 0 北京交通大学坝十学位论文第三章交流调速技术皇皇垄壁塑堕里 x 一上述意义下的一相转予绕组漏电抗； s 异步电动机的转差率。 式( 3 1 2 ) l ：5 式0 1 1 ) 虽然形式上基本相似，但对于乙，的控制却较直 流电动机困难得多，主要原因是： ( 1 )式中中。是定子绕组电流和转子绕组电流共同磁化的结果， 因而控制中。为常数的手段要比式( 3 1 - 1 ) 中控制中为常数复 杂得多； ( 2 )在巾。为常数时，乙仅与转子绕组电流的有功分量c o s q 咋 成正比，式( 3 1 3 ) 表明这一分量是s 的函数，准确控制是十 分困难的； ( 3 ) 对于鼠笼型异步电动机，因转子绕组电流不能直接检测和控 制，故根本无法直接实现对玩的控制。 尚需特别指出的是，式( 3 1 2 ) 中的，仅为转子绕组电流的有效值， 因而式中乙仅为电磁转矩在一个电源周期内的平均值而非瞬时值。综 上所述，按式( 3 1 2 ) 实现对z _ 平均值的控制已十分困难，对于如何实 现交流电动机z 二的瞬时值的控制，经典电机理论中尚无有效的方法， 这就是交流电动机控制性能差的含义。 3 1 2 变频电源问题 在调速要求较高的电力拖动自动控制系统中，直流电动机采用调压 调速方式，交流电动机则采用变频调速方式，两者均要求配备与电动机 一对一的供电电源。在电力电子器件出现之前，这种电源装置分别由直 流发电机组和交流同步发电机组构成，不仅体积庞大，且因输出电压对 玎 韭塞窒望叁兰竺兰堡堡苎 兰三兰窒塑塑垄垄查皇堕垄茎堑堡! ! 一 于控制信号的反应迟钝，严重制约了调速系统性能的提高。1 9 5 7 年美 国通用电气( g e ) 公司推出了第一只电力电子器件，并以可控硅的商 品名公靠于世，f 创了电力电子技术的新时代。以可控硅作为开关元件 的可调直流电源迅速取代了直流发电机组，进一步巩固了直流电动机在 调速及位锭伺服系统中的地位；但阻可控硅作为开关元件的静止变频电 源则并未使交流电动机的地位得到相同程度的提高，原因在于此种变频 电源存在电路结构复杂、工作性能差的严重缺陷。 因此，寻求种交流电动机电磁转矩控制的有效方法和研制一种高 性能的变频电源，就成为发展交流调速技术的两大关键课题。为了构成 性能等f 司于甚至优于直流调速系统的交流调速系统，科技工作者进行了 不懈的努力，终于在2 0 世纪7 0 年代取得了突破性进展，从而开创了现 代交流调速的新时期。 3 1 。3 交流调速技术障碍的解决 首先是电动机控制性能问题。因交流电动机是一个带铁心的多绕组 电磁耦合系统，且定、转子涮存在着相对运动，使其数学模型同时具有 时变参数、多变量耦合和非线性的特征。面对如此复杂的条件约束，要 想改善电动机的控制性能，仅依靠经典电机理论和经典控制理论是无法 实现的。因此，建立和处理交流电动机数学模型成为科技者的工作重点。 1 9 2 1 年，r p a r k 率先采用参考系变换的方法，将同步电动机定子侧的 变量和参数变换至固定在转子上的参考系中，消除了同步电动机数学模 型中的时变电感，并给出了实现这一变换的公式，即著名的p a r k 方程 【1 6 1 a 此后相继出现了多种形式的变换方法，逐步形成了一套完整的 参考系理论。在此基础上，1 9 7 1 年e b l a s c h k e 和e c a s t m a n 与a c l a r k e 独立公布了他们关于感应电动机矢量变换控制的研究成果，使交流电动 机的控制性能真正达到了足以与直流电动机相媲美的的水平。而同一时 期微电子技术的成就，使这些复杂算法的实时实现成为可能，为系统的 全数字化和控制性能的提高提供了有力的支持。 另一方面的问题是研制高性能的变频电源。电力电子技术的进步， 北京交通大学硕士学位论文第三章交流调速技术与直接转矩原理 各种全控型电力电子器件的出现，使通讯技术里广泛应用的调制技术移 植于运动控制系统的设想成为现实，形成了多种型式的脉冲宽度调制 ( p w m ) 式变频器。 3 1 4 交流调速的基本类型 交流调速的基本方法有多种，但它们都是来源于交流电机的同步转 速表达式【2 4 】： n 1 6 0 f ( 3 1 4 ) p 根据异步电机转差率的定义 s ：型：1 ”l n ( 3 1 5 ) n 1 可知异步电机的转速为 n 。q ( 1 一s ) 。坐( 1 一s ) ( 3 1 6 ) p 因此，异步电动机的调速方法大致分为三种：改变转差率s ，改变 极对数p 和改变频率f ，其中改变转差率s 的方法又可以通过调节定子 电压、转子电阻、转子电压以及定转子供电频率等方法来实现，从而派 生出很多种调速方法。 异步电动机 变极调速一对鼠笼式 变转差率调速 调压( 控制定子电压) n n ( 控n 转子电阻) - 对绕线式 电磁转差离合器调速( 转差率) 串级调速( 转子电压) 对绕线式 一叫篇频 北京交通人学硕上学位论文 第三章交流调速技术与直接转矩原理 从能量转换的角度，又可以把采用上述调速方法的异步电动机调速 系统分成三大类【2 3 】： 转差功率消耗型调速系统：全部转差功率都转换成热能的形式而消 耗掉。上述的调压调速、电磁转差离合器调速、调阻调速三种方法都属 于这一类。这类调速系统的效率最低，而且它是咀增加转差功率的消耗 来唤起转速的降低( 恒转矩负载时) ，越向下调速效率越低。可是这类 系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。 转差功率回馈型调速系统：转差功率的一部分消耗掉，大部分则通 过便流装置回馈电网或者转化为机械能予以应用，转速越低时回收的功 率也越多，串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类要 高，但增设的交流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。 转差功率不变型调速系统：转差功率中转子铜损部分的消耗是不可 避免的，但在这类系统中无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因 此效率最高。变级对数调速和变频调速两种调速方法属于此类。其中变 级对数只能有级调速，应用场合有限。只有变频调速应用最广，可以构 成高动态性能的交流调速系统，是交流电动机的一种比较合理和理想的 调速方法。 一、变极对数调速 变极对数调速的基本原理是：在定子频率一定时，改变定子的极对 数即可改变同步转速n 1 ，从而达到调速的目的。这种方法需要在电动机 运行时，改变定子绕组的接线方式。也可在定予上绕上独立的两套或三 套不同极对数的绕组，形成双速电机或三速电机，这样会使电机的成本、 体积和重量增加较多。另外，极对数必须是整数，因此，变极调速只能 是有级调速。变极调速方式只能用于鼠笼型异步电机，这是因为绕线式 转子的变极对数非常麻烦，而鼠笼转子能自动跟踪定子绕组的变极。 尽管这种调速方法有这些缺点，但它的优点也是很明显：设备简单， 操作方便，机械特性较硬，效率高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒 功率调速。 二、变转差率调速 1 ) 定子调压调速 1 4 北京交通大学硕士学位论文第三章銮流调蕉垫查堑堕垄鲎堑堕里 当负载转矩一定时，如果改变电机定子电压，可以使电机在不同的 转差率下运行，从而达到转速调节的目的。低速时转差功率损耗大，效 率低。其主要特点是：改变定子电压时，同步转速不变，最大转矩对应 的转差率不变；电机转矩与定子电压的平方成正比；定子电压越低，机 械特性越软；调压调速既不是恒功率调速，也不是恒转矩调速；可实现 平滑的无级调速。为了改善调压调速的特性，使用时常常采用闭环控制， 即加入转速闭环控制，这样可以提高机械特性的硬度，同时在静差一定 的情况下，可提高调速范围和过载能力。 2 ) 转子串电阻调速 此调速方法的机械特性具有以下特点；转子串电阻时，同步转速不 变，最大转矩也不变：转子串接电阻越大，机械特性越软；调速时定子 电压不变，所以电机的主磁通不变；当保持转子电流额定值时，调速前 后转矩不变，属恒转矩调速。显然，这是靠增加转差功率来降低转速的。 由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率 很低。同时，这种调速方法只能是有级的和有触点的。由于机械特性很 软，低速运行时负载稍有变化，转速波动就很大，调速精度差。 3 ) 电磁转差离合器调速 调速系统由异步电动机、电磁离合器和晶闸管整流电源组成。晶闸 管整流电源将交流电变成直流电，为电磁离合器提供直流励磁。用电磁 离合器作为电动机和机械负载的联轴节，以电动机为原动机，恒速运转， 当改变电磁离合器的励磁电流时，使被驱动的机械负载转速发生变化。 对于恒定的负载，励磁电流越大，负载转速越高。通常将电磁离合器与 电动机做在一起，称为滑差电机。 电磁转差离合器调速的主要特点是控制简单，运行可靠，可实现无 级调速，采用闭环控制后可以改善调速性能，扩大调速范围；缺点是低 速损耗大，效率低。适用于不需长期低速运行的场合。另外，由于系统 的转动惯量约为一般异步电机的二倍，机电时间常数较大，不宜用于要 求快速响应的场合。 4 ) 串级调速 上述几种改变转差率调速方法，都是以转差功率损耗为代价的，效 北京交通大学硕上学位论文 第三章交流调速技术与直接转矩原理 率较低，浪费大。如何将消耗于转子电阻的功率利用起来，同时又能提 高调速性能，这就是串级调速方法的指导思想。 对于绕线式异步电机，在其转子上串入与转子电势同频率的附加电 势e f ，并通过改变e f 的幅值和相位来实现调速，同时通过产生e f 的电 路将转差功率返咧到电源去。因此，即使电动机运行在低速，i 乜只有少 量功率消耗在转子电阻上，仍具有较高的效率。串级调速的特点是效率 较高( 8 5 9 3 ) ，机械特性也比较硬，可实现无级平滑调速，闭环 控制较简单( 与变频调速相比) ；但也存在功率因数较低的缺点，满载 运行时也只有0 6 左右。 3 1 5p w m 变频调速基本原理 变频调速的原理框图如图3 - 所示，它由整流、滤波、逆变及控制 回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路根 据转速的给定值和反馈量( 丌环控制和无速度传感器控制时可无转速传 感器) ，运用相应的控制算法控制有规则地控制逆变器的导通与截止， 使之向异步电动机输出电压和频率可变的三相交流电，驱动电动机运 行。 图3 - 变频调速系统基本构成 变频调速的优点在于：改变频率f 时转差率s 不变，也就是不同转 速时s 不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适 用于调速性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装置的成本较高( 尽 管价钱还在降低) ，变频调速原理较复杂。 北京交通大学硕上学位论文第二章交流塑重垫查! 皇堡堕塑堕型 变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交- 交变频器 和交一直交变频器两火类，按控制方法分有标量控制、矢量控制和异步 电机的直接转矩控制。 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 即波脉宽调制，是利用相当于基波 分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法 【2 5 】。1 9 6 4 年，德国科学家率先提出了脉宽调制变频的思想，把通讯 系统中的调制技术推广应用于交流变频。常规交直交变频器采用可控 整流器变压，逆变器变频；而p w m 变频器则采用不可控整流器，逆变 器在调频的同时实现调压，加快了系统的动态相应，转矩脉动小。 s p w m 逆变器是p w m 逆变器最常用的一种，其期望输出电压波形 为正弦波。把个正弦半波作n 等分，如图3 2 a 所示，然后把每一等 分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形 脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合( 图3 2 b ) 这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周 等效。同理，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。图3 2 b 的一 系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出s p w m 波形。可以看到，由于 各脉冲的幅值相等，所以逆变器可以由恒定的直流电源供电，其输出 脉冲的幅值就是整流器的输出电压。 图3 - 2 ( a ) 被等分的正弦波半周( b ) 与正弦波等效的脉冲波形 。 _ _ ：一o l 51川_。 =i， = 】 ，们“们0 ) ! ! 塞壅望盔堂堡土堂垡堡窒 笙三兰窒堕塑! 型查皇宴堡壁堑堕丝 为得到s p w m 调制波，以所期望的波形( 在这里是正弦波) 作为 调制波( m o d u l a t i n g w a v e ) ，向受它调制的信号称为载波( c a r r i e r w a v e ) 。 在s p w m 中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线 性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻 控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数 值矩形脉冲，这正是s p w m 所要的结果。综上所述，s p w m 的控制就 是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开 关时刻，可以用模拟电子电路、数字电子电路或专用的大规模集成电路 芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成s p w m 波形。 直接转矩控制则没有通常的p w m 信号发生器。采用直接转矩控制 方法建立的控制器所输出的p w m 脉冲，是通过编制开关表实现的。如 何正确选择出开关表中的电压矢量，则是由直接对转矩和磁链的跟踪实 现的。 3 2 直接转矩控制概述 3 2 1 直接转矩控制方法的核心思想及特点 直接转矩控制变频调速技术，英语称之为d t c ( d i r e c tt o r q l i e c o n t r 0 1 ) ，是近1 0 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【2 7 1 。它直接在定子坐标系下分 析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩，省掉了矢量旋转 变换等复杂的变换与计算；控制磁场定向的是定子磁链，而不象矢量控 制系统那样选择转子磁链，因此控制性能不受转子参数变化的影响。 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迅速的发展。 直接转矩有以下几个主要特点： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动 北京交通人学硕l 学位论文 第三章交流调速技术与直接转矩原堡 机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它既不需要模仿直流 电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的 信号处理工作特别简单。 ( 2 )直接转矩控制的控制性能不易受参数变化的影响， 这是因为它采用定子磁链进行磁场定向，只要知道定予电阻就可 以观测出定子磁链，无须知道电动机转子回路的参数，如电阻和 电感。但在低速时，用u i 模型求定子磁链会产生很大误差，这 时要求用i - n 模型求定子磁链，但要涉及到转子磁链及转子电阻， 因此低速运行时也会受到转子回路参数变化的影响。 ( 3 )直接转矩控制强调转矩的直接控制效果，把转矩直 接作为被控量进行控制。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制作带滞环的比较，将转矩波动限制在一 定的容差范围内。因此它的控制既直接又简化。这种闭环的两点 式调节方法不仅用于控制转矩，同时也用于定子磁链的控制。 ( 4 ) 按转矩控制利用电压空间矢量的概念，对逆变器的 六个开关器件的导通与关断进行综合控制，在相同的控制效果 下，可以降低开关频率，减少开关损耗。 由此可知，直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，宜接在定予 坐标系下计算与控制异步电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助于离 散的两点式调节产生p w m ( 脉宽调制) 信号，直接对逆变器的开关状 态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它没有通常的p w m 信号 发生器，控制思想新颖，结构简单。该控制系统的转矩响应迅速，是一 种具有高动静态性能的交流调速方法。 北京交通人学硕上学位论文第三童窒鎏塑望垫查兰皇望壁! ! 壁 3 2 2 直接转矩控制系统的基本结构 a m m uc t a s s 图3 - 3 异步电动机直接转矩控制基本原理图 直接转矩基本原理图如图3 3 所示，充分利用电压型逆变器的开关 特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电 压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从 而使异步电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。 被测信号只有三个：u 。、i s 和n 。这三个信号经过异步电动机数学模 型a m m 计算后得到矢量复平面a 一卢坐标系下的磁链t f ，。、妒。和转矩实 际值。( 1 ) 磁链妒。、妒。通过坐标变换器转换成三相定子坐标系下的 三个磁链分量信号妒矿妒。和妒。，经过磁链自控制单元得到磁链开关 信号却。、却。、却。，用于选择正确的区段。( 2 ) 三个磁链分量在磁 链幅值构成单元里计算出磁链反馈值( 即幅值大小) ，与磁链给定值一 起送入磁链调节器进行比较，产生控制磁链大小的开关信号s f 。( 3 ) 转速调节器实现对转速的调节，其输入是转速反馈值和转速给定值，输 出是转矩参考值。( 4 ) 异步电动机数学模型计算出的转矩实际值l 与 北京交通大学碗上学位论文第三章交流调速技术与直接堑堕堕堡 转矩参考值由转矩调节器处理得到控制转矩的开关信号s t 。( 5 ) 开关 信号选择单元综合磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号，由 上述三个值从开关表中选择正确的电压开关信号，控制逆变器输出相应 的p w m 脉冲实现对电机的转矩、转速和磁链的控制。 3 2 3 异步电动机的数学模型和等值电路 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， 必须在做出很强的假定后，得到近似的动态结构图才能沿用。在研究异 步电动机的多变量数学模型时，常作如下的假设：( 1 ) 忽略空间谐波。 设三相绕组对称( 在空问上互差1 2 0 。电角度) ，所产生的磁动势沿气 隙圆周按正弦分布；( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的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。 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到 定子侧，折算后的每相匝数都相等。在三相坐标系下分析异步电动机模 型显然是很复杂的，因此，通过坐标变换把三相坐标系下的电机模型转 换到正交定子坐标系( a 一芦坐标系) 下，使问题简化。 j “留f 图3 4 异步电动机的空间矢量等效电路图 图3 4 是异步电动机的空间矢量等效电路图【3 3 】，该等效电路是 在正交定子坐标系上描述异步电动机的。各量的意义如下： u 鲋卜定子电压空间矢量； i s ( t ) 定子电流空间矢量： i f ( t ) 转子电流