（电力电子与电力传动专业论文）基于mras的无速度传感器直接转矩控制系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t d u r i n gt h er e c e n t2 0y e a r s ，i n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) m e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yf o ri t sc o n c i s es y s t e ms c h e m e ，e x c e l l e n t d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e s i nt h i ss c h e m e ，t h et o r q u eo fm o t o ri s e a t e 曲a t e da n dc o n t r o l l e di nt h es t a t o rr e f e r e n c ef r a m e b yu s i n gs t a r e rf i e l d o r i e n t a t i o n ，t h eo p t i m u ms w i t c h i n gm o d ei sa c h i e v e dt oc o n t r o lt h ei n v e r t e r t 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 yw i t l lt m s 3 2 0 f 2 4 0 w h i c hi s af i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) d e v e l o p e ds p e c i a l l yf o rm o t o ra n d m o t i o nc o n t r o lb yt e x a si n s t r u m e n t si n c ( t i ) t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls c h e m e i ss t u d i e da n dt h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o ri sp r o g r a m m e d i nd s pa s s e m b l yl a n g u a g e an o v e lo b s e r v e rm e t h o do fs t a t o rf l u xi nd t ci s p r o p o s e d ，w h i c hi sam o d i f i e di n t e g r a t o rw i t ha m p l i t u d el i m i t a t i o nf u n c t i o n b e s i d e st h em e r i t so f i n t e g r a t o r , i t c a l l e f f e c t i v e l y e l i m i n a t et h ee r r o r a c c u m u l a t i o na n dd cd r i f tp r o b l e mo ft h ei n t e g r a t o ra n da l s os h o w sb e t t e r r o b u s t n e s st o s t a t o rr e s i s t a n c er e l a t i v et oe l a s s i c a lo b s e r v e r o nt h eb a s i so ff u l l o r d e rf l u xo b s e r v e r , a n o t h e rm e t h o dw i t hh i g h e rr o b u s t n e s st ot h em a c h i n e p a r a m e t e r si si m p l e m e n t e db ys i m u l a t i o n a d d i t i o n a l l y , t h et r a d i t i o n a lp i r e g u l a t o ri si m p r o v e db yc h a n g et h ep a r a m e t e r so fp ir e g u l a t o ro n l i n e t oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e d u c et h ep r i c eo fs y s t e m ，s p e e do b s e r v e ri s i m p l e m e n t e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e t h o d sa e c o r d i n gt ot h et h e o r yo f m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m t h ea c c u r a c yo fr e f e r e n c em o d e li si m p r o v e d b ym o d i f i e di n t e g r a t o ra n dt h ea d j u s t a b l em o d e li sr e p l a c e db yan o v e lc o m p u t i n g m o d e lo fr o t o rf l u x c o n s e q u e n t l y , b e t t e ra c c u r a c yo fs p e e de s t i m a t o ra n dw i d e r r a n g ei nw h i c hc o n t r o ls y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o ra d j u s ts p e e da r ea c h i e v e d a n o t h e ra d a p t i v es p e e do b s e r v e ri sa l s or e s e a r c h e db a s e do nt h ef u l lo r d e rf l u x o b s e r v e rb ys i m u l a t i o n a l lt h en o t i o n sa n dd e s i g n sa b o v ea r ec o n f i r m e di nt h ed s pt e s t b e df o r e x p e r i m e n t a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm o t o r c o n t r 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm a c h i n e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p e e ds e n s o rl e s s ，m o d e l r e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m ，f l u xo b s e r v e r , d i g i t a l c o n t r o l ， t m $ 3 2 0 f 2 4 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 交流调速系统的发展与现状 长期以来，在调速传动领域大多采用磁场电流和电枢电流独立控制的 直流电动机传动系统，它的调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良 好的动态响应，然而由于结构上存在的问题使其在设计容量上受到限制，不 能适应高速大容量化的发展方向【”。交流电动机以其结构简单、制造方便、 运行可靠、可以以更高的转速运转、可用于恶劣环境等优点得到了广泛的运 用，但是交流电动机的调速比较困难。在上个世纪2 0 年代，人们认识到变频 调速是交流电动机一种最理想的调速方法，由于当时的变频电源设备庞大， 可靠性差，变频调速技术发展缓慢。6 0 年代至今，电力电子技术和控制技术 的发展，使交流调速性能可以与直流调速相媲美。现代电子技术( 包括大规 模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术) 的飞速发展、电动机控制理 论的不断完善以及计算机仿真技术的日益成熟，极大的推动了交流电动机变 频调速技术的发展。 1 1 1 直接转矩控制理论的提出与发展 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出了一种新的控制方 法，即异步电动机直接转矩控制( d t c ，d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，并且在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子 数学模型，只是通过控制p w m 型逆变器的导通和关断，控制电动机的瞬时 输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，在很大程度上解决了矢量 控制方法中计算复杂、调速特性易受电动机参数变化的影响等一些问题。直 接转矩控制技术以其简洁的系统结构，优良的静、动态性能，得到了迅速的 发展，目前该技术己成功的应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。但是 直接转矩控制还有些问题未解决，如在低速区，定子电阻的变化引起的定子 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电流和磁链的畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。现在直接 转矩控制系统，大多是采用了将磁场定向矢量控制与直接转矩控制相结合的 方法，低速时采用磁场定向矢量控制，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。然而这样系统仍受到转子参 数的影响，无法体现直接转矩控制的优势1 2 j 。 近几年来，许多学者把智能控制原理和直接转矩控制相结合，提出了许 多基于模糊控制、自适应模糊控制以及神经网络控制等控制策略的控制系统， 使控制性能有了进一步的提高。 传统的直接转矩控制系统采用滞环控制器，根据转矩误差、定子磁链幅 值误差与磁链区间来选择逆变器的开关状态，对一些不确定的因素引起的误 差微小变化不能及时控制，交化的参数对直接转矩控制系统的性能有着直接 的影响。而模糊控制善于处理存在不精确性和不确定性信息的控制问题，适 用于常规控制难以解决的非线性和时变系统，在异步电机的直接转矩控制中， 开关状态选择器采用多变量模糊控制器，速度调节器采用自适应模糊控制器， 可进一步提高系统的性能，增强系统的鲁棒性。 神经网络采用并行计算结构，利用它建立的观测器和辨识器具有较好的 跟踪性能，并且神经网络可以通过学习异步电机的各种参数变化时的映射关 系来确定内部反馈的权重系数，在电机参数变化时也可以实现高性能的控制。 将神经网络应用到直接转矩控制系统的逆变器控制中，以其较强的学习能力、 自适应能力、自组织能力以及容错能力可获得较好的控制效果【3 】。 1 1 2 无速度传感器技术的发展 在交流电机控制中，速度传感器的安装不仅增加控制系统的成本，还存 在安装和维护上的困难，降低系统的可靠性，并且不适应恶劣的工作环境， 因此限制了它的应用范围。无速度传感器技术，就是如何通过已知的调速系 统参数快速而准确地估算出电机的实际转速值。1 9 7 5 年，a a b b o r d 等人根 据异步电机数学模型及控制原理，推导出电机转速的滑差表达式，在无速度 传感器领域作出了首次尝试，1 9 8 2 年，k j o e t t e n 首次将无速度传感器技术应 用于矢量控制，使得交流传动又上了一个新台阶【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从2 0 世纪7 0 年代至今，国内外学者提出了诸多方法对转速进行估算。 例如，采用扩展卡尔曼滤波器估算电机转速，建立以定子电流和转子磁链为 状态变量，以转速为参数的电机状态方程。将状态方程线性化，根据卡尔曼 滤波器的递推公式估算转速。另外还有模型参考自适应法( m r a s ，m o d e l r e t e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) ，它的主要思想是将不含未知参数的方程作为参考 模型，将含有待估计参数的方程作为可调模型，并且两模型具有相同物理意 义的输出量，利用两模型的输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可 调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参数模型的目的【”。文献【5 】率先 采用m r a s 的方法实现了对电机转速的自适应辨识。文献 6 】和文献 7 】在电 机全阶磁链观测器的基础上分别采用了李雅普诺夫理论和波波夫理论推导出 了电机转速以及电机定转子电阻的自适应收敛率，从而构造了速度白适应的 转子磁链观测器。但是这些方法均是针对矢量控制系统设计，采用的状态变 量是定子电流和转子磁链。在直接转矩控制中无速度传感器技术也有一定的 发展，u w e b a a d e r 8 】等学者采用定子磁场的角速度减去转子磁场相对于转子 的角速度以及定转子磁场的相对角速度，即得到电机的转速。该方法不但需 要微分运算，而且还需要实时计算反余弦函数，计算量较大，因而实现比较 困难。a b b 公司采用转子磁场的角速度减去转差速度以计算转子转速一j ， 在国内有学者将定子磁链闭环观测器直接应用于d t c 系统中，但是闭环观测 器比较依赖电机模型的准确性，即对电机的参数有很强的依赖性【l0 1 。模型参 考自适应控制的方法也正用于d t c 控制系统中【l ” 1 2 1 ，以转子磁链方程为 参考模型，利用m r a s 方法实现d t c 控制系统中的速度辨识，而参考模型 中的转子磁链是通过纯积分方法计算出定子磁链后间接获得的。 1 1 3 电力电子技术的发展 电力电子技术是电动机控制技术发展的物质基础，电力电子技术的发展 促使电动机控制水平有了突破性的提高。电力电子技术的物质基础是电力电 子器件，从2 0 世纪6 0 年代晶闸管( s c r ) 的发明至今，经历了有自关断能 力的电力电子器件g t r 、g t o 、m o s f e t ，复合场控制器件i g b t 和m c t 等阶段，各新型电力电子器件的额定参数不断提高。并且现在大功率半导体 元器件走向集成化、智能化【1 3 l ，出现了智能功率模块i p m ，它不但提供一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的功率输出，并且可以实现过流、短路、欠压和过压等保护功能。高开关性 能的电力电子器件是现代电机控制技术应用于高性能调速系统的保证。今后， 电力电子器件将进一步向高电压、大电流、高频、快关断、低耗易驱动以及 复合化、模块化、智能化的方向发展。 1 2 交流调速控制系统全数字化的发展 最初的电动机控制都采用模拟控制方法，模拟控制由于受器件的影响有 较大的漂移，控制系统的精度和长期运行性能受到一定的限制。随着现代电 子技术的进步，电动机控制专用集成电路在电动机控制中得到大量的应用， 这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大提高了电动机控制器的可靠性、 抗干扰能力，同时又缩短了产品的开发周期。 随着电动机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化。现有的专用集成电 路也未必能满足新产品开发要求，人们也可以根据具体的需要自己开发电动 机专用的控制芯片。现在市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应 用较多的是8 0 9 6 系列产品 1 4 1 与i n t e r l 9 6 系列电机控制专用单片机。但单片 机的处理能力有限，例如对采用矢量控制的系统，由于要进行复杂的坐标变 换，需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。 近年来，各种集成化的单片数字信号处理芯片d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的性能得到很大的改善，结构上的差异使d s p 器件比1 6 位单片机单指令执 行时间快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 - 3 0 倍。而且d s p 器件的软件和 开发工具越来越多，越来越好，价格大幅度降低，比单片机具有更高的性能 价格比，从而使d s p 器件及技术更容易使用。 d s p 具有处理速度更快的c p u ，更大容量的存储器( r o m 、r a m 、f l a s h 等) ，具有波特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串 口，其中有的系列片内还集成了a d 转换和采样保持电路。内置高速硬件乘 法器，增加了多级流水线，减少指令执行时间，使d s p 器件具有高速的数据 计算能力。d s p 采用改进的哈佛结构，哈佛结构是不同于冯诺曼( v o n n e u m a n ) 结构的并行体系结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取 程序和数据，大大提高了处理效率。同时d s p 器件采用精简指令集( r i s c ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 大多数指令都可以在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令 周期内可完成多条指令。d s p 器件运算功能强，提供了高度专业化的指令集， 提供了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算。此外，d s p 器件提供j t a g ( j o i n t t e s ta c t i o n ) 接口，具有更先进的开发手段，使批量生产测试更方便。世界 上各大d s p 生产厂商t i 公司、a d 公司等，都推出了自己的内嵌式d s p 电 动机控制专用集成电路，每一个厂家的d s p 都可能采用一些特殊的d s p 指 令来完成一些特殊操作，一降低d s p 程序的复杂度和运算时间。其中美国 t i 公司推出的t m s 3 2 0 系列d s p ，它在d s p 核心技术的基础上集成了一个 电动杌事件管理器，并可提供p w m 输出，完成控制算法的处理、数据的交 流以及系统监控等功能，可以完成电动机高速、可靠的先进控制技术。 在交流电动机控制中，d s p 特有的高速计算能力，可以增加采样频率， 完成复杂的信号处理和控制算法，使p i d 算法、卡尔曼滤波、f f t 、状态观 测器、自适应控制及智能控制能在较短的采样周期内完成，控制电力电子外 围设备，实现电动机的控制和调速。并且d s p 的信号处理能力还能减小传感 器的数量。电机控制专用d s p 还可产生高分辨率的p w m 波形，灵活实现 p w m 控制，减小电磁干扰和其他噪声问题，同时多路p w m 输出可用来控制 多台电机。交流调速控制系统采用d s p 器件，可以设计出适合于大多数电力 电子系统的统一的硬件电路，降低控制器的硬件成本，改善控制的可靠性， 完成计算和判断的复杂控制功能，并且容易实现监控、预警、数据采集和故 障诊断等功能。现在，全数字化的控制系统已经成为现代电气传动系统的发 展趋势。 1 3 论文内容 本文在阅读大量国内外文献的基础上，对整个直接转矩控制和无速度传 感器技术进行了仿真和大量的实验研究，本文在定子磁链的观测、低速性能 与无速度传感器的设计方面都有一定的改进和提高，并具有自己的一些观点， 主要的工作包括：针对传统d t c 控制采用的定子磁链观测器方法的局限性， 对基于全阶磁链观测器的定子磁链观测器进行了仿真研究。仿真结果表明对 定子磁链观测的精度高，对电机参数的鲁棒性好，也有效的克服了积分器的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 固有缺陷。但是由于需要知道全面的电机参数，在实验中被限制。因此在实 验中采用了两种改进积分器以实现对定子磁链的准确观测，第一种改进积分 器采用具有饱和反馈环节的改进积分器，在采用具有饱和反馈的积分算法后， 有效的消除了直流偏移的问题，在电阻变化和直流偏移都很大的情况下，计 算所得的磁链波形仍然很接近真实的磁链。但是在磁链幅值的计算有很大程 度改进的情况下，仍然存在很大的波动，而且和真实值有一定的差异。第二 种改进积分器采用具有幅值补偿环节的改进积分器，在采用具有幅值补偿的 改进积分器后，不但有效的消除了直流偏移的问题，也大大增强了对定子电 阻在电机运行过程中变化的鲁棒性。实验表明，将具有幅值补偿环节的积分 器应用于d t c 系统是提高d t c 低速性能的有效方法。由于需要一次除法运算 和一次开放运算，将占用较长的d s p 处理时间，运算量稍大。对传统的d t c 控制进行了改进，对控制内环采用了改进开关表，消除了定子磁链幅值在低 速阶段的衰减问题，降低了转矩脉动。在速度环节的调节中采用了在线整定 p i 参数的方法，提高了系统的动态响应。鉴于速度传感器所带来的成本增加 和降低了系统的稳定性，本文对基于电机模型的速度估计进行了仿真，基于 电机模型的速度估计器，能够比较精确的实现速度的观测，即使在非常低的 给定转速下也可以很好的得到辨识结果，但是这种方法同样需要全面的电机 参数，很难建立精确的电机模型，在实际应用中很难达到理想的效果。因此 在实验系统中以转子磁链观测建立参考模型和可调模型，应用m r a s 方法采用 基于稳定性理论推导出角速度的辨识公式进行转速的辨识，在实验中取得了 很好的效果。即使在比较低的给定转速下也可以实现无速度传感器的控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 引言 第二章直接转矩控制基本原理 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。直接转矩控制技术采用空问电压矢量的分析方法，直接在定子坐 标系下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两 点式调节产生p w m 信号直接对逆变器关状态进行最佳控制，以获得转矩的 高动态性能，在很大程度上解决了矢量控制中存在的问题。直接转矩控制主 要有如下特点【l5 j ： 1 、直接转矩控制只控制电动机定子侧的参数，即定子电压、电流、磁 链，不用转子回路的参数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响； 2 、直接转矩控制的控制运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋 转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不需要进行静止坐标系与旋转 坐标系之间的变换运算，从而大大地简化了信号的处理过程，提高了控制运 算的速度： 3 、直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机的电磁转矩，而不是象 矢量变换控制那样用控制定子电流两个分量的办法简捷控制转矩和磁链，所 以并不过于追求圆形磁链轨迹和正弦波电流，只追求转矩控制的快速性和准 确性： 4 、直接转矩控制系统既直接控制转矩，又直接控制定子磁链，其控制 方式采用闭环两位控制( b a n g b a n g 控制) ，通过改变滞环调节器的容差，把 两位式转矩控制引起的转速波动限制在容许的范围之内： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 2 传统直接转矩控制的整体结构 直接转矩控制事实上是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整 体来考虑的。通过控制异步电机的输入电压来实现对电动机定子磁链的控制， 当对称三相正弦波电压加于对称三相绕组时，在电动机的气隙将产生具有恒 定幅值和恒定旋转速度的磁通，这时电机将在理想的状态下运行。当异步电 动机是由一个三相逆变器供电时，则电动机输入电压完全取决于逆变器开关 切换模式，而电动机磁通的波形又取决与输入电压的模式。因此直接转矩控 制的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过控制逆变器 开关正确的切换，使电动机气隙获得一个近似圆形的磁场。直接转矩控制的 基本结构框图如图( 2 1 ) 所示 一、 图2 1 直接转矩控制系统的基本结构框图 2 3 空间电压矢量 开关变量的八种组合对应为理想电压型逆变器的7 个电压状态，其中组 合( o o o ) ，( 1 1 1 ) 对应一个电压状态，即零电压状态。若用电压空间矢量“；( f ) 来表示，则形成了7 个离散的电压空间矢量。“。、“。分别为a 、b 、c 三 相定子负载绕组的相电压，它们在相位上相差1 2 0 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 u s ( f ) = 詈b 。+ u b p 7 2 。卢+ h 。e 一”肛j ( 2 一1 ) j 图2 - 2 给出了7 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。电压空间矢量的幅值不变，都等于4 e 3 。矢量的顺序从状态“l ” 到状态“6 ”逆时针旋转。所对应的开关状态是1 0 0 一1 1 0 - - 0 1 0 一叭1 0 0 1 1 0 1 ，所对应的逆变器电压状态，即电压空间矢量是”d u ，2 一一“，。一“。 一u ，零电压矢量7 则位于六边形的中心点。 0 l l p 蒸蓊g 图2 - 2 空间电压矢量 2 4 异步电机的数学模型 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。电机矢量形式的动态数学模型可描 述为 瓦= b 乏+ 等 ( 2 _ 2 ) 0 = r j , + - 缸- $ - 一_ ，孵 ( 2 3 ) 死= l ，i 。+ l 。i ， ( 2 - 4 ) 玩= l ，+ l 。 ( 2 5 ) 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 式中r ，：异步电机的定子电阻； _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - 一 r ，：异步电机的转子电阻； l ，：定子绕组的自感； 工，：转子绕组的自感 z 。：定子和转子的互感： ，：表示电机的电角速度； 呒：定子磁链空间矢量； 阢：转子磁链空间矢量； t ：定子绕组电流矢量； t ：转子绕组电流矢量； t ：电压空间矢量； 电机的电磁转矩可以表示为定子磁链矢量和转子磁链矢量的形式 瓦= 兰p 去死x 两= 三p 矗阮l 防i s ；n 口c z e ， 式中： ，2 仃= 1 一芒芒2 异步电机漏感系数； p ：异步电机的极对数； 口：定予旋转磁链与转子旋转磁链的夹角； 此外电磁转矩的表达式还可以表示成定子磁链和定子电流形式 z2 二p ( 虮。一p z s b i s 。) ( 2 7 ) 其中 伊。：定子磁链在口轴的分量； 妒。：定子磁链在卢轴的分量： 。：定子电流在口轴的分量； k ：定子电流在轴的分量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 5 逆变器数学模型 当逆变器采用双极性调制时，每相上下两个桥臂的开关器件是互锁的， 因而六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量。如 图2 - 3 所示为理想电压型逆变器模型原理图j 16 1 。在图2 - 3 中，咒、s b 和s 。即 三个独立变量，规定开关导通状态用1 表示，关断状态用0 表示。 e 尼 e 忍 图2 - 3 理想电压型逆变器模型 三个开关变量s 。、r 、s 。共有八种组合，分别是( s 。s 6s 。) = ( 0 0 0 ) ， ( 1 0 0 ) ，( 1 1 0 ) ，( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 0 0 1 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 1 1 ) 。这八种组合中，组 合( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 状态，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。六个非零矢量的幅值均为必( 为直流母线电 压) ，依次相隔6 0 度。对应不同导通方式，则电机的输入电压可表示为 瓦：u ，( s 。，s 。，s 。) ：詈u 。s a + s h e j 孚+ s 。牟1 c z s ， 对电机的控制正是通过控制逆变器的开关状态来改变电机的定子侧电压 的幅值和频率。从而使电机的输出转矩发生变化。达到变频调速的目的。 2 6 直接转矩控制系统结构 2 6 1 磁链的计算与调节 系统对电机进行采样，包括定子侧的电流信号与电压信号，经过式( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 的3 1 z 变换矩阵进行变换后，由三相坐标系变换到口一两相静止坐标系。 直接转矩控制系统的计算与控制均是基于口一芦两相静止坐标系进行的。 c 3 ，2 2 1l 22 矗矗 22 1l 4 7压 ( 2 。9 ) 在直接转矩控制中，定子磁链的准确观测是起确定性作用的。对于定子 磁链的估计大体上可分为三种模型：“i 模型，i h 模型，材肝模型脚。其中 f 模型如式( 2 1 0 ) 。 y ，( r ) = i ( “；( ，) 一o ) r ，) d r ( 2 1 0 ) 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 。用能以足够精度检测出来的定子电压。( f ) 与定 子电流f 。( f ) ，实现起来非常简单。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 变化而变化，因此对磁链观测的准确性有较大的影响。在转速较低时可采用 i n 模型，在该模型中定子磁链由定子电流与转速来确定。i 一 模型可描述 为式( 2 - 1 1 ) 与( 2 - 1 2 ) 。 p 掣r 。= 1 专芒毫掣s ，一1 蕊l s r r vr 。一国中r e ( 2 - 1 1 ) p r a = l 盎s 。1 蕊l s r r 妒哺 国妒r 。( 2 - 1 2 ) 式中 y 。：转子磁链的口轴分量 缈。：转子磁链的轴分量 p ：微分算子 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 ，、定子电感三一转子电感l ，以及互感l 。的影响。该模型结 构较复杂，并且还要求精确地测量角速度，角速度的测量误差对该模型的 。 o 上压 ，l刊纠川10 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 结果影响很大。从上面可知，中高速时采用“f 模型最佳，低速时采用i - n 模 型较好，这样在全速范围内就会有个模型的切换过程，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“，z 磁链模型。该模型由定予电压和转速来获得 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“刀模型在实现起来比较复杂， 目前用得较少弘j 。 根据测得的定子实际磁链与给定值的差值进行滞后比较，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 磁链为中心圆的圆形偏差带( 偏差为占，) 。但是磁链在旋转过程中，在每 个区域里电压矢量的选择不仅要根据磁链偏差的大小，还要考虑磁链的方向。 为便于选取电压矢量，将空间分成六个区域p ( ) ，每个区域所包含的范围为 ( 2 n 一3 ) 三臼( ) ( 2 一1 ) 要，其中n = 1 ，2 , - - - , 6 ，如图2 - 4 所示。 0o 图2 - 4 定子磁链区间的划分 2 6 2 转矩的计算与调节 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 是转矩给定值丁+ 和转矩反馈值l 的信号差丁，输出量是转矩开关信号f ， 调节器的容差是- + e ，采用离散的两点式调节方式，把转矩波动限制在给定 p 黟p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 值的容差范围内。当转矩波动在容差范围内时，r = 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 = 0 ，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r 通常是对由速度传感 器所测的电动机转速进行p i 调节所得，转矩反馈值z 可根据下式求得 1，、 瓦= p 。妒；。i 妒一印f 船) ( 2 一1 3 ) 转矩调节器的容差玉决定着逆变器开关频率的大小。当理想空载转速 国。一定时，转矩容差越小，开关频率越高。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 定值，从而使调速系统获得很高的动态性能。 2 6 3 优化开关表 由式( 2 - 1 0 ) 中可以看出，由于在电机运行的中高速时r ，t 相对于瓦可 以忽略，所以定子磁链瓦将沿着电压矢量- t 的方向，以正比于输入电压的速 度移动。通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量瓦的运动轨迹 纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动，即可以把定子磁链幅值限制在给定 值l 哌i + 和允许的偏差a i 瓦1 的范围内变化，使其平均值基本保持不变。而其 旋转速度则通过改变有效电压矢量和零矢量的作用时间比例加以调整。电机 的转子磁链与定子磁链相比变化相对缓慢。由于定子磁链的旋转角速度直接 受到所选择电压矢量的影响，选择合适的电压矢量可以使定子磁链最快以 2 u 。，3 的角速度旋转，从而引起定子磁链和转子磁链之间夹角快速发生变 化，致使电磁转矩具有很高的动态响应速度。通过选择合适的电压矢量并进 行合理地切换，可以使得输出电磁转矩在给定值z 和允许的偏差t 的范 围内变化，并同时使磁链幅值保持在阮i 的范围内2 1 。根据定子磁链幅值 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 l 瓦l 和转矩t 的偏差情况以及定子磁链矢量所处的区域，事先制定如下的优 化开关表，此开关表的输入为转矩滞环比较器的输出t q 和磁链滞环比较器 的输出f a i q 以及定子磁链所在区间，在每一个控制周期内，根据两个滞环 比较器的输出及定子磁链所在区问位置，通过优化的开关选择表就可以选择 最优的定子电压矢量，进而将电磁转矩和定子磁链控制在两个滞环内，最终 实现对定子磁链和电磁转矩的解耦控制。 表2 1 传统的d t c 所采用的开关表 f a i qt q l23456 t q = 10 1 l0 0 11 0 ll o o1 1 00 1 0 f a i q = lt q = o l l l0 0 0l l l0 0 0l l l0 0 0 t q = 一l1 l o0 1 00 1 10 0 11 0 11 0 0 t o = i 0 0 11 0 ll o ol l oo l o0 1 1 f a i q = ot q = o0 0 01 1 10 0 01 1 l0 0 01 1 l w 0 = 一1 1 0 01 1 00 1 00 1 1 0 0 11 0 1 2 6 4 速度p i 调节 从交流传动领域的工程习惯上讲，闭环系统指的是转速闭环。与此对应， 直接转矩控制系统的外环的功能就是调节电机转速，它有转速控制器和速度 传感器组成，外环系统的输入为给定转速与测量转速之间的转差，通过p i 调节得到输出巧，巧做为内环控制系统中转矩调节的给定值。传统p i 调节 器的表达式如式( 2 1 4 ) ： k u ( d = k p e ( k ) + k i t p ( ，) ( 2 1 4 ) t o 式中： e ( k ) - 给定转速与反馈转速的误差值； u ( k ) 一输出为内环系统采用的参考转矩； t - 一系统采样周期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 1 引言 第三章系统的数字化实现 本文的实验台采用清华大学电力电子与电机系研究开发的d s p 电机控制 教学实验及系统开发平台，对圆形磁链控制系统进行了调试。该平台系统硬 件构成：3 8 0 v ，7 5 k w 的功率变换器，t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 控制板和 t m s 3 2 0 c 2 x x j t a g 仿真器，其中功率变换器包括了三相整流滤波电路，i p m 隔离驱动电路以及开关电源。实验平台利用f 2 4 0 的串口通讯功能实现软件 示波器，用户可以调用该模块观察程序中的任意变量，它具有强大的图形化 功能，可动态显示f 2 4 0 程序中的任何变量，以重复触发、单次触发等多种 触发方式观察各种稳态、动态过程，并且可以将当前曲线保存为d a t 文本文 件。但是通过串口传输过来的数据并不是真实值，要除以相应的定标值才能 得到正确的实际值。 实验中采用熏庆川江电机厂生产的y 9 0 l 4 型三相鼠笼型电动机作为被 控电机，采用重庆长城电机厂生产的z 9 3 1 型直流发电机作为负载。y 9 0 l 4 型三相鼠笼型电动机的参数为：额定功率1 5 k w ，定子额定电压3 8 0 v ，定 子额定电流3 7 a ，额定频率5 0 h z ，额定转速1 4 0 0 r p m 。 3 2d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 结构概述 文中的控制系统以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心实现直接转矩控制的算 法，t m s 3 2 0 f 2 4 0 是基于t m s 3 2 0 f 2 x x 型1 6 位定子数字信号处理器的新型 d s p 控制器，具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同 时还具有单片电机控制应用方案所需的外设功能。f 2 4 0 片内的事件管理器可 以为电机提供高速、高效和全变速的先进控制技术i l ”。 f 2 4 0 基予改进的哈佛结构，该结构支持分离的程序空间总线和数据空间 总线。另外还有i 0 空间。可通过外部总线接口进行访问。为支持对大量外 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 设的选择，采用了外设总线。f 2 4 0 的功能框图如图3 1 所示。 f 2 4 0 包含双口r a m ( d a r a m ) 、单口r a m ( s a r a m ) 和f l a s h 存储器 三种类型的片内存储器。共计2 4 4 k 字1 6 位的存储器地址范围，其中程序 空间6 4 k 字，局部数据空间6 4 k 字，全局数据空间3 2 k 字以及i o 空间6 4 k 字。除片内存储器支持外，f 2 4 0 还可以通过外部存储器接口模块提供访问外 部存储器的能力。该接口提供1 6 根外部地址线、1 6 根外部数据线以及选择 数据、程序和i o 空间的相关控制线。等待状态发生器允许同慢速的片外存 储器和外设进行接口。 图3 - 1d s p 功能框图 时间管理器直接与数据总线匹配，可获得全速的c p u 处理能力。f 2 4 0 具有7 个专用于串行扫描仿真口( j t a g 口) 的引脚，允许对f 2 4 0 器件进行 非侵入式的仿真，即无需使用连接至器件的全部引脚的插入式电缆。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 3 直接转矩控制系统硬件和软件构成 3 3 1 硬件构成概述 实现控制系统的硬件电路包含定子电流测量的a d 转换电路、进行p i 调 节所需的速度测量电路、f 2 4 0 的主控制电路以及输出的p w m 脉冲控制的整 流逆变器主电路。 控制系统构成如图3 2 所示。 d s p 芯片与上位机的通讯采用r s 2 3 2 总线，f 2 4 0 提供s c i 串行通信接 口模块，由s c i r x d 引脚接收数据，s c i t x d 引脚发送数据。与上位机进行 通讯必须经过电平转换，系统选用m a x 2 3 2 c 完成t t l 电平( 0 v ，5 v ) 到 r s 2 3 2 信号电平( + 1 2 v ，1 2 v ) 的转换。为防止主回路高电压、大电流对控 制电路的干扰，在f 2 4 0 和主回路之间采用光电隔离，输出的控制信号经光 耦隔离电路传送至主回路。同时t m s 3 2 0 f 2 4 0 提供了p d p i n t 输入信号，当 故障出现时，p d p i n t 出现低电平，d s p 停止工作并发生中断通知c p u ，保 证系统中功率转换电路及电动机驱动电路工作的可靠性。 兰相交流电源 图3 2 控制系统硬件框图 为保证d s p 正常工作，通常需要为d s p 芯片提供稳定的时钟，上、下 电复位电路，以及写入程序的j t a g 接口电路，同时要为a d 转换提供精确 的电源基准，构成d s p 的最小系统。系统c p u 时钟频率通过设定p l l ( p h a s e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 l o c k e dl o g i c ) 时钟模块的时钟控制寄存器c k c r i 确定。下面分别介绍各部 分硬件电路。 1a d 转换采样电路 电机定子相电流的检测采用l e m 公司的电流传感器l a 2 5 - n p 。电流传 感器的输出经运算放大器，使电流值变换到一2 5 v + 2 5 v 的电压区间，加上 + 2 5 v 的电压偏移量，满足0 5 v 的要求，送到t m s 3 2 0 f 2 4 0 的高速模数转 换端口，在软件中求实际的采样值时要减去这一偏移量。 在图3 3 所示传感器输出后的调理电路。f 2 4 0 的双a d 转换电路可同 时对两路信号进行转换，可同时测量a 、b 相电流，获得实时的定子电流值， 保证系统的精度。 2 转速测量采样电路 图3 - 3 采样调理电路 电机的测速采用增量式光电码盘，光电码盘输出的两路互错9 0 0 的a 、b 两路光电脉冲。 脉冲编码器与传动轴相连，每转一周发出一定数量的脉冲，将这些脉冲 信号送入t m s 3 2 0 f 2 4 0 的捕获单元或正交编码电路( q e p ) ，检测连续两次脉 冲信号的边沿跳变，使能t m s 3 2 0 f 2 4 0 的内部定时器计数，有m t 法得到电 机的转速。图3 - 4 所示为光电码盘输出的脉冲信号的隔离整形电路。光电码 盘的两路