（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t i ti sa l w a y su s e df o rs p e e dc o n t r o lb yd i r e c tc u r r e n tm o t o r , b e c a u s et h ed i r e c t c u r r e n tm o t o rm a yr e a l i z e s t h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o nb yc h a n g i n ga r m a t u r e v o l t a g ea sw e l la sa d j u s t i n gt h ee x c i t i n gc u r r e n t b u tt h ed i r e c tc u r r e n tm o t o ri ss u r eo f al o to fp r o b l e m ss u c h 私t h a tt h es t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，i ti sv e r ye x p e n s i v e ，a tt i m e s i th a sc o m m u t a t o rs p a r kc o n s i s ti nm e c h a n i c a lc o m m u t a t o ra n de l e c t r o n i c sb r u s h ，a n d m o s to fi m p o r t a n ti sv e r yd i f f i c u l tt or e p a i rd i r e c tc u r r e n tm o t o r a l o n gw i t ht h e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，t h et i m ei sc o m i n gt h a tt h ee x c h a n g ev e l o c i t y m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y s u b s t i t u t e sf o rt h ed i r e c t - c u r r e n t v e l o c i t y m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yg r a d u a l l y a s y n c h r o n o u sm o t o ri sm u l t i v a r i a b l e ，c l o s ec o u p l i n ga n dn o n - l i n e a rs y s t e mt h a t i sv a r i a t i o n a lw i t ht h et i m eg o i n g t h et h e o r yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o li ss o l u t i n gt h e p r o b l e mv e r yw e l l t h ef l u xa n dt o r q u eo fs t a t o ro fa ci n d u c t i o ne l e c t r o m o t o ra l e c a l c u l a t e da n dc o n t r o l l e di n t 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 ，a r ea d o p t e ds t a t o r m a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n ，a r ed i r e c t l yt r a c k e d t h es i g n a lo fp w m i sb u i l t b yd i n to f t h ed i s c r e t ea 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 s o f i n v e r t e ra n dg e tt h eh i g l ld y n a m i cp e r f o r m a n c et o r q u er e s p o n s e f i r s t l y , t h ep a p e rb u i l dt h em a t hm o d u l e ，a n di n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo f t h e d t c i nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ，t h ep a p e ru s e st h ep o w e rs y s t e m b l o c kt ob u i l dam a t h e m a t i cm o d eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd t cs y s t e ma n dh a s d o n es o m es i m u l a t i o n t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h et r a j e c t o r yo ft h e m a g n e t i cl i n ki sa l m o s tc i r c u l a r , t h er o t o rs p e e d f o l l o w st h eg i v e ns p e e d t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e ma d o p t st h ea c - - d c - a c t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e t h es y s t e mu s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i pw h i c hi ss p e c i a l i z e di nm o t o r c o n t r o ls y s t e mb yt e x a ni n s t r u m e n tc o m p a n y t h ec h i pc o n t a i n sm a n ys p e c i a l m o d u l e sf o rm o t o rc o n t r o la n dd e c r e a s e sm a n yp e r i p h e r a li n s t r u m e n t s t h en e w e s t i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei su s e df o rp o w e ri n s t r u m e n tc o r e ，i ti sc o r r e s p o n dt od s p b ye l e c t r i cc o u p l i n ge l e c t r i cc i r c u i t ig i v et h ew h o l es o f t w a r ed e s i g n f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m p l e t e st h es i m u l a t i o nd e b u g g i n go ft h ee x p e r i m e n t , s t a r t l l a n dt h ec l o s e dl o o pm o t i o n ，w eh a v ea n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i nt h ee n d ， s t i m u l a t i o n su n d e ra d v a n c e dc i r c u m s t a n c es h o wt h a tt h es y s t e mh a si d e a lr a p i d i t y , p r e c i s i o n , r o b u s t n e s sr e l i a b i l i t y , a n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c es u m m a r i z e dd e s i g n s u c c e s sa n dt h ei n s u f f i c i e n c yi nt h i ss y s t e ma n da tl a s tf o r e c a s tt h e d i r e c tt o r q u e c o n t r o lp r e s e n t sd e v e l o p m e n t 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 ；i n d u c t i o nm o t o r ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； s p a c ev e c t o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了说明并表示了致谢。 z 躲遵盘诬日期丝隆1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 垂陋导师签名： 日期： 武汉理工大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 交流调速技术是2 0 世纪后期的重要技术进步之一，其发展速度之快、应用 覆盖面之广都是前所未有的。众所周知，因为直流电动机的调速性能好，8 0 年 代以前一直在变速传动领域中占着主导地位，但是由于直流电动机本身来说结 构上存在着换相器和电刷这些致命的弱点，限制了直流调速系统的应用和发展。 交流电动机因为其结构比较简单、制造方便、运行可靠的优势，可以以更高的 转速运转、可应用用于很多恶劣环境而得到广泛的应用，但是交流电动机除了 变频调速以外的其他调速性能都较差，又由于当时的变频电源设备非常大，可 靠性差，变频调速技术的发展非常缓慢，在一些对于调速性能要求比较高的场 合下不得己使用直流调速系统，然而，伴随着科学技术的高速发展，现代电子 技术、现代控制理论、微电子学、微机控制技术等学科为交流调速提供了最新 的理论和技术支持，全控型大功率快速电力电子器件的发展也为现代交流调速 提供了重要的保证。从2 0 世纪8 0 年代开始，交流调速技术已经进入了一个崭 新的时代，也就是可以与直流调速所媲美并逐渐取而代之占据电气传动主导地 位的时代，通过应用实践表明，采用交流调速技术后，极大地提高了传动系统 的运行性能，带来了巨大的经济效益，自2 1 世纪以来，交流调速技术继续向更 深层次发展，目前仍然是科学研究中的热点课题。 现代交流电动机调速技术的发展，首先是要求提高系统性能、降低成本、 降低损耗，同时又要不断地要求技术指标的提高。随着计算机技术和微电子技 术的高速发展，以及控制理论的日益完善，各种软硬件工具的日渐成熟，尤其 是数字信号处理器和专用集成电路近几年来令人瞩目的发展，给交流电动机控 制系统带来了许多新的发展契机。目前交流电动机控制已经成为一门集电动机、 电力电子、自动化、计算机控制和计算机仿真为一体的高新学科。 直接转矩控制理论的提出虽然给交流调速领域注入了新的活力，但是作为 一种新生的理论，有其固有的优点，自然也有其不完善之处，如果有些缺点不 加以改进则可能限制其大规模的应用。如定子电阻在低速范围时的变化对定子 磁链观测造成的影响以及给快速的动态响应带来了不可避免的转矩脉动，等等 武汉理工大学硕七学位论文 这些问题都使系统在低速范围内性能受到限制。由于直接转矩控制技术发展的 诱人前景，直接转矩控制技术己经成为交流调速领域的重点。国内外不少高校 都对直接转矩控制理论及其系统性能进行了深入的研究和探讨，不少文章提出 了一些有益的改进方法，其中，改善直接转矩控制在低速领域的性能更是重中 之重。有人提出增加1 2 0 0 电压向量参与控制，以减小低速时的磁链畸变；还有 许多在砰砰控制的基础上提出的改进方案，比如，对磁链偏差和转矩偏差的细 化，对电压空间向量的无差拍调制，或者对开关状态的预测控制、智慧控制， 单独对转矩或磁链进行预测跟踪控制，也有人提出一种间接自控制，将砰砰控 制器改为连续的调节器，用p i 调节器对定子磁链幅值进行死循环控制，以建立 圆形的定子磁链轨迹，又根据转矩偏差计算出定子磁链向量增量所对应的角度 a e ，最后根据磁链、转矩两个调节器的输出推算出定子电压向量，得到相应的 逆变器开关状态。i s r 实际上是直接转矩控制技术和向量控制技术的融合。还 有人为了解决实际应用中零速范围的起动和运行的问题，引入一个附加载体讯 号给转矩控制器输入端，以实现在低速范围时起动的鲁棒性及改善运行性能。 但是大多数的研究工作只是停留在局部问题的理论探讨和仿真上，虽然也得到 了部分试验结果和应用成果，但仍有不少工作有待深入探讨。到目前为止，还 没有人专从全局和整体上来分析直接转矩控制系统在低速阶段存在的问题及其 改进方法和进一步改进的方向，有些研究方向已经离传统的直接转矩控制的优 势越来越远，失去了传统系统的简单性和转矩响应的快速性的优点，增加大量 复杂的控制算法换来系统性能理论上的提高。 本文的目的是研究一种改进直接转矩控制系统性能的方法，利用改进的算 法实现高性能的直接转矩控制系统，解决直接转矩控制系统低速阶段存在的问 题并指明进一步研究方向，对直接转矩控制的低速性能进行全面研究和改善， 以期在整体上改善直接转矩控制系统的低速性能，提高调速范围，扩大直接转 矩控制系统的应用范围。这对完善直接转矩控制理论，改善交流异步电动机控 制性能有十分重要的意义。 1 2 相关技术研究的现状与动态 经过近2 0 年的发展，直接转矩控制理论已经日趋成熟，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 2 武汉理r 大学硕士学位论文 许多基于模糊控制和人工神经网络的直接转矩控制系统，控制性能得到了进一 步的改善和提高。下面逐一介绍对直接转矩控制中各控制环节的改进研究。 ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出开关信号以选取空间电 压向量，不同的电压向量对磁链、转矩有不同的作用。传统的直接转矩控制磁 链调节器、转矩调节器均为单滞环控制，即只有一个容差。国内有学者提出双 滞环调节器理论即每个滞环有两个容差，磁链、转矩偏差情祝被细化，可据此 选取相应的电压向量。偏差越细化，电压向量的作用越精确，这样，不仅改善 了直接转矩控制系统的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 ( 2 ) 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定，容差本身是一个难于控制的模糊量有学 者提出模糊开关状态选择器的概念，选择器的输入为转矩误差、磁链误差和磁 通角的模糊量。模糊开关状态选择器在转矩误差域上定义了五个模糊子集了： n l ，s ，z ，p s 和p l ：在磁链误差域上定义了三个模糊子集tn ，z 和p 。该 选择器的应用将使系统响应速度加快、系统超调量减小、抗扰动能力增强。 ( 3 ) 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中，磁链的计算要用到定子电阻冗。，在中高速时， 如果忽略r ，对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。但在低速时， 定子电阻上的压降分量比重很大，忽略r 。或认为它是常数将使所计算的磁链幅 值、相位偏差很大。为了解决此问题，s a y e e dm i r 等人提出分别采用模糊控制 和p i 控制对定子电阻进行观测，我国也有学者提出模糊神经网络定子电阻估计 的方法。 ( 4 ) 无速度传感器理论 在速度检测方面，传统的控制系统要求有速度传感器，存在成本高、安装 维护困难、系统易受干扰、可靠性降低、不适于恶劣环境等弊端。采用无速度 传感器技术是当今交流传动发展的趋势。a b b o n d a t i 等人首次报导了无速度传 感器向量控制的异步电动机调速系统：t o n t a n i 首次提出了理论意义上的转速 辩识方法；1 9 8 7 年，t a m a is h i n z o 采用模型参考自适应( m a r s ) 的方法实现了对 电动机转速的自适应辩识。后来k u b o t ah i s a o ，m a t s u s ek o u k i 又在电动机全阶 观测器的基础上分别采用李亚普诺夫理论和波夫理论推导出了电动机转速以及 电动机定转子电阻的磁链观测器，我国也有这方面的论文发表。上述方法均是 3 武汉理工大学硕士学位论文 针对向量控制系统设计的，采用的状态变量是定子电流和转子磁链。目前，我 国学者胡育文等也在其文章中提出了新型自适应速度观测器的理论，直接将死 循环观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中，同能够辩识出电动机 的转速及电动机参数。 1 3 研究主要工作与成果 本论文主要是对直接转矩控制的异步电动机调速系统进行探讨和研究，做 了以下三个方面的工作： 在理论上分析了直接转矩控制的原理及特点，并对影响其控制性能的因素 进行了详细的研究。结合现有的直接转矩控制策略，进行了新的异步电动机直 接转矩控制算法研究。 在d s p 电动机控制平台上对直接转矩控制系统进行了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为 核心的硬件设计。t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 为电动机控制提供了专用的内部 外设，使电动机控制系统的硬件设计大大简化，它强大的运算能力提高了电动机的 控制性能。 利用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对改进的直接转矩控制调速系统进行了仿真， 从理论上证明了改进的直接转矩控制调速系统可行性。在理论分析的基础上，在 m a t l a b s i m u l i n k 下搭建了控制系统的仿真模型，对于在d s p 控制平台上实现真实 的控制系统起到良好的指导作用。 4 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章异步电动机的直接转矩控制系统研究 2 1 异步电动机的数学模型 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，它与 直流电动机模型相比有着本质的区别【1 】。 ( 1 ) 异步电动机变频调速时需要进行电压( 或电流) 和频率的协调控制，有电压 ( 或电流) 和频率两种独立的输入变量，如果考虑电压是三相的，实际的输入变 量数目还要多。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。 因为电动机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为 了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量 保持恒定，才能发挥出较大的转矩。由于这些原因，异步电动机是一个多变量( 多 输入多输出) 系统，而电压( 电流) 、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所 以是强耦合的多变量系统。 ( 2 ) 在异步电动机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得到旋转感应电动 势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样 一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。 ( 3 ) - - 相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组 产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变 频装置中的滞后因素，也是一个多阶系统。 异步电动机的数学模型可由以下四组微分方程来描述： ( 1 ) 电压方程式 三相定子绕组电压方程式为： a l t f u = f 蜀+ 半 ( 2 1 ) 卟泌。+ 警 u c = f c 即警 5 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 二布日转于绕组折算刽足于侧后阴电胜万程式为： 卟：+ 警( 2 - 4 ) 饥屯r 2 + 警( 2 - 5 ) 既咆即等( 2 - 6 ) ( 2 ) 磁链方程式 每个绕组的磁链是其本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和可描 诛为： 一 中b c 。 沙6 y 。 式中， u 一，u 口，u c ，u o ，u b ，u c 一定子和转子相电压的瞬时值。 i 一，i 口，i c ，i 。，i ，i 。一定子和转子相电流的瞬时值。 尺。，r ：一定子和转子电阻。 三。= 三。= 三。：一定子和转子互感。 且有自感： 式中，互感： l , u5 l b b = l c c 三= l 功= l 。 三一口2 三肋2 = 三c 口2 三西2 三k = = 厶= 6 扛 扣 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) b七kbk 加 肌 o k 钰 钰 l厶l三l 曲 肪 西 协 协 ll厶ll 加 加 o 孙 l厶三 肥 掰 钌 亿 钌 ll厶三 仰 髓 凹 相 似 协 l厶三三 似 鲥 “ 铂 似 协 三厶三三三 武汉理工大学硕士学位论文 4 4 = 。a2 = 三。2l mc o s 8 三一。= 三d = = 三6 c = 三。c o s ( e 一1 2 0 。) 上一6 = 上= = 三= l mc o s ( o + 1 2 0 。) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 3 ) 转矩方程式 疋= p m l m ( i a i a + i b i b + i c i c ) s i n 0 + ( i a i b + i a i c + i c i 。) s i n ( o + 12 0 0 ) + ( i a i 。+ i b i 。+ i c i b ) s i n ( o - 12 0 0 ) 】 ( 2 - 15 ) ( 4 ) 运动方程式 乃= 瓦+ 等百d ( o ( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中，t l 为负载转矩；g d 2 为异步电动机和负载的飞轮转矩，j 为转动惯量， 其中： g d 2 = 4 g j ( 2 1 7 ) 由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现为磁链和转矩方程式 中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方 程式中磁场与定、转子之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩 阵，通常需要用坐标变换的方法进行处理，最后得出与三相异步电动机等效的 直流电动机模型2 1 。 2 1 1 空间向量的概念 异步电动机的电压、电流、磁链等均是空间上相差1 2 0 0 的三维物理量，在 对异步电动机进行控制时，需要对异步电动机三相进行分析和控制，若在复平 面中能用一个向量来表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为两维 物理量，为分析和计算带来很多方便。为此引入p a r k 变换。p a r k 变换是将三个 标量( - - 维) 转换为一个向量( 二维) f 3 】。若用圪、矿。和圪分别表示异步电动 机三相电磁量在三相坐标系中的瞬时幅值，用y 表示合成作用向量，选三相定 子坐标系中的岱轴与p a r k 向量复平面的实轴口重合，则三相物理量的p a r k 变 换为： 7 武汉理1 入学硕士学位论文 v = 导忱+ v b e 业州3 + 圪p 一叫( 2 - 1 8 ) j y 代表三相电磁量某一时刻合成作用在坐标系中的空间位置，称为空间向量。 对于三相异步电动机来说，空间磁动势向量、磁通向量、磁链向量是确实存在 的，而电流向量和电压向量并不存在。但是磁动势与电流相关，电压又与磁链 相关，所以仍可以定义电流空间向量和电压空间向量，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 立在空间向量的基础上。所以一个空间向量可由两个正交的坐标表示【4 1 。 2 1 2 异步电动机的空间向量等效电路 异步电动机的空间向量等效电路图如图2 1 所示： 月j j三，jj r j 图2 - 1 异步电动机空间向量等效电路图一 ”，定子电压空间向量； 子电流空间向量； 阼转子磁链空间向量； 尺，转子电阻； 三主电感； t 定子电流空间向量： 虬定子磁链空间向量； 足，定子电阻； 三。漏电感； 缈电角速度； 将旋转空间向量在口轴上的投影称为口分量，在正交的轴上的投影称为 分量，则有电压公式： 8 武汉理工大学硕士学位论文 卜= 砜+ 等 k + 誓 其中，下标口、分别表示对应空间向量的口分量和分量。 移项并积分可得定子磁链公式： f 虮口= r 一足k ) 衍 i = ( 蚝一r 如) 盈 转矩公式： t = 以p 伍卢少，口一t 口妙。) 或： 瓦= 7 1 - ，l pl i i ，is i n 0 式中乏电磁转矩( n m ) ； 以，电动机极对数； 0 磁通角( r a d ) 。 电动机运动公式： 式中互负载转矩( n 。n 1 ) ： 厂转动惯量( k g m 2 ) 。 疋甜，去鲁 2 2 逆变器及电压空间向量的形成 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 用于异步电动机直接转矩控制的三相电压型理想逆变器如图2 2 所示，由 三组、六个开关器件组成【5 1 。 9 武汉理工人学硕士学何论文 + 图2 2 三相电压型理想逆变器 由于同一相上下桥臂的两个开关器件如果一个导通，则另一个关断，所以 三组开关器件就有八种可能的开关组合。分别用s 。，s b ，s 。来表示三相上桥臂 的开关状态，以a 相为例，当a 相上桥臂导通的时候，记作s a = l ，当a 相上桥 臂关断的时候，记作s a - - o 。这样，所有八种可能的开关状态如表2 1 【6 l 。 表2 1 逆变器的开关状态 状态 l2345678 s a oo111001 s b 1 o0o11o1 s c 1l1000o1 八种可能的开关状态可以分成两大类：一类是六种所谓的工作状态，即如 上表中的状态“1 ”到“6 ”，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去， 即a ，b ，c 三相不同时为零；另一类开关状态是零开关状态，即表中的状态“7 ” 和状态“8 ”，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。对于逆变器的八种 开关状态，对外部负载来说，逆变器输出七种不同的电压状态。这七种不同的 电压状态也分成两类：类是六种工作电压状态，它对应于开关状态“1 ”至“6 ”， 分别称为逆变器的电压状态“1 ”至“6 ”；另一类是零电压状态，它对应于零开关 状态“7 ”和“8 ”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电 压状态【7 1 。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 以上介绍了，逆变器的电压状态，当引入空l 司向量的概念后，各电压状态和 次序就有了空间的意义。 优，o ) = 昙l 口帆卵+ u c e j 4 x s 】( 2 - 2 4 ) 其中“。、“。分别是a 、b 、c 三相负载绕组的相电压8 1 。 图2 3 给出了开关状态( 0 1 1 ，0 0 1 ，1 0 1 ，1 0 0 ，1 1 0 ，0 1 0 ) 和电压状态( 1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 与空间电压向量( u s ( o l1 ) ，u s ( 0 0 1 ) ，u s 0 0 1 ) ，u s o o o ) ，u s ( 11 0 ) ， 材，( o l o ) ) 在口- 夕坐标系上的对应关系，图中( 毛，s 2 ，j 3 ，j 4 ，屯，j 6 ) 为定 子磁链运动轨迹： u s ( 1 0 1 ) u s ( 0 0 1 ) 图2 - 3 空间电压向量在口一坐标系的位置 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 转矩控制系统的基本组成 直接转矩控制的基本控制方法是：在实际运行中，保持定子磁链的幅值为 额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负载决定。如果要改变异步 电动机的转矩，可以通过改变磁通角秒来实现。而磁通角乡大小是通过电压空间 矢量u 。o ) 来控制定子磁链的走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小 来实现的。直接转矩控制是根据给定的电磁指令值与交流电动机的实际电磁转 矩观测值相比较得到转矩误差，确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链的大 小与相位角确定选择合适的定子空间电压矢量，从而确定三相电压源逆变器的 开关状态，使交流电动机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩指令值。在 直接转矩控制中，还期望充分利用铁磁材料又不致使电动机铁芯过于饱和，定 子磁链必须达到电动机铁磁材料最佳利用的效果。也就是说，在给定电磁转矩 指令的同时，还要电动机根据实际运行情况给定定子磁链指令值，并控制定子 磁链误差在限定的范围内变化。控制转矩误差与磁链误差的大小采用滞环控制 器，滞环宽度能够通过软件调节【9 j 。 2 3 1 直接转矩控制系统的组成 被测信号只有三个，即定子电压“。、定子电流f 。和电角速度6 0 ，前两个信 号经磁链转矩观测模型处理得到定子磁链l f ，。和转矩实际值t 。转速信号经速度 p i 调节器输出转矩给定信号z 。转矩给定信号和转矩实际值经转矩滞环调节器 比较得到转矩开关信号f ，同时磁链给定信号。和定子磁链吵。比较得到磁链 开关信号。，电压状态选择单元综合转矩开关信号，磁链开关信号，磁链所在 的位置秒给出逆变器的电压开关信号，从而控制逆变器输出相应的空间电压向 量，控制异步电动机定子磁链的走走停停，进而控制异步电动机的转矩【1 0 1 。直 接转矩控制系统的基本组成框图如图2 4 所示： 2 - 3 2 定子磁链的控制 ( 1 ) 电压空间向量对电动机定子磁链的影响 由于定子电阻通常比较小，当忽略定子电阻压降时，磁链方程 。= ， ，一r ，t 净可化简为： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 从而可转换为增量形式： 万= f 衍 y 。= u 。a t ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 图2 4 直接转矩控制系统的基本组成 此式说明，单位时间内的定子电压向量就是磁链向量的增量，磁链轨迹的 运行速度和方向取决于定子电压的大小和方向。控制异步电动机的输入电压向 量，就可以控制定子磁链的大小，旋转方向及速度。如图2 3 所示，如果加到 定子上的电压空间向量为u ，定子磁链将沿着边s l 运动；当定子磁链到达顶点 6 时，改电压空间向量u ，则定子磁链将沿着边s 2 运动，磁链轨迹总与所加的 电压向量的方向平行。这样依次类推适当地控制电压向量的顺序和作用时间， 就可以得到六边形的定子磁链轨迹，当作用时间足够小就使六边形磁链轨迹变 为圆形( 或接近圆形) 轨迹【l 。 ( 2 ) 磁链调节器 磁链调节器的结构是滞环比较器，对磁链幅值进行两点式调节，见图2 5 ， 武汉理工大学硕士学位论文 输入量分别为定子磁链给定值虮和定子磁链观测值帆，输出量为磁链开关量 儿( 0 或1 ) ，它主要用来控制磁链的增加与减小。定义磁链误差为： r = i 缈，i i ，i 将误差进行滞环比较： 当i 虮l - l 虬f a t 时= l ，此时选择电压向量使得i 虮 增加； 当l 虬i - i 虬l - a t 时沙q = 0 ，此时选择电压向量使得l 少，i 减小； f 。 1 1 il 一醢 图2 5 磁链调节器 ( 3 ) 定子磁链位置检测 为了能准确地确定某瞬时定子磁链的空间位置，将口一平面按式( 2 2 7 ) 均匀地分成六个区域，如图2 3 所示【1 2 1 。 ( 2 n - 3 ) 万6 _ 5 0 k w ) ，在额定工作状态下，其定子 电压一般小于额定电压的3 5 。这意味着，大约在大于3 0 的理想空载转速 的范围内，定子电阻压降对定子磁链的影响很小，从而定子磁链空间向量的顶 点基本上按定子空间向量“。( f ) 作用的方向运动。定子磁链很好地近似正六边形 轨迹。六边形轨迹的边到六边形中心的距离与磁链给定值，。相一致，这正如 图中外轨迹所示的情况，相反，当转速较小时，定子压降对定子磁链的影响也 大了。例如，当转速为0 0 5 倍理想空载转速时，如图内轨迹所示，定子电压降 的的影响通过定子磁链六边形轨迹的扭曲可以很清楚的看出来，图中带点的时 刻是定子电压的零电压状态起作用的时刻，此时定子磁链停止旋转，但是由于 定子电阻压降的影响，定子磁链空间向量的顶点偏离原来的正六边形轨迹，向 六边形的中心移动，磁链幅值明显减小，磁链轨迹发生畸变。当定子电压空间 向量u 。( f ) 的工作状态接通时，定子电阻压降的影响很小可以忽略。定子磁链空 间向量的顶点则继续沿着电压空间向量的方向运动，也就是沿着与原六边形轨 迹平行的方向继续旋转。当两种情况不断地交替出现，就产生了图3 1 所示的 磁链内轨迹的畸变【2 3 1 。 3 1 3 磁链脉动对直接转矩控制性能的影响 根据异步电动机的定子磁链方程忽略定子电阻压降离散化得到： 沙，0 ) = 沙，o 一1 ) + “，g 一1 边 ( 3 1 4 ) 在全数字化控制系统中，由于采样周期是固定的，磁链的波动范围也是一 定的，是一个与采样周期成正比的量，采样周期越短，磁链的波动范围就越小。 图3 2 中，秒。，为电压向量与磁链向量的夹角，通常采样周期c 为几十至几百微 秒，所以有下面的公式成立： lu sg l 逑l l 虮( ，z ) i iu s g 一1 江i l 虬g 一1 ) l 虮g 一1 ) n 虬g ) l ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 从而得到： 图3 2 定子磁链与电压向量关系图 y ，l 掰，g 一1 迩fc o s 8 , 。 ( 3 1 8 ) 当巳= o 时，虬取最大值，即 毗划牙信l ( 3 1 1 9 ) 系数万是根据线圈的有效匝数得来的。如果取采样周期t 为l o o p s ，定子侧 f g k u d 为2 0 0 v ，磁链恒定值为y = 0 9 w b ，则 2 0 0 x l o o x l 0 。，岸 垒竺坠：一一二竖1 8 ( 3 2 0 ) 式子( 3 2 0 ) 表明当缩小采样时间时，磁链脉动还可以进一步减小。磁链控制的 越好，电流谐波就会越小，转矩脉动也会越小，从而达到更好的系统性能。 我们还可以看出： ( 1 ) p 。，= 万2 ，a g 。0 ，定子磁链的幅值基本不变。 ( 2 ) 一万2 口卢缈 0 ，定子磁链的幅值增加。 ( 3 ) 刀2 9 p 历一万 吼妒一州2 ，妙， 正时，这种情况是因为转矩反馈和转矩给定值相差太大，甚至在整 个周期里施加工作电压矢量也不能达到给定转矩。所以，这时只能取t = z ，零 矢量就没必要加了【3 4 】。 2 ) 厶 互时，此时可以在一个采样周期里是转矩达到给定值，为了减小转 矩脉动，需要施加零电压矢量。零电压矢量施加的时间是t 。= 正一t 。但是，值 得注意的是，施加零电压矢量会减小转矩。 武汉理工大学硕士学位论文 根据( 3 3 8 ) 在0 t 。时间内有： 在t 。i 时间有： t 个：坐逝旦姐芦丝竖型f 。( 3 - 3 9 ) 臼 这样我们便可以得到： 乙山= 型警型伍) 令乙个+ a l 山= 疋= 互一疋+ ( 3 4 0 ) ( 3 4 1 ) 仁盟尝赫铲u 仔4 2 ，1 1 5 只妒，o ，) 、7 转矩跟踪预测控制对消除转矩脉动有很明显的效果，即使由于电动机参数 的不准或者变动而使t l 算的不准，但只要比采样周期小，转矩的脉动就会减小。 转矩跟踪预测控制不但可以减小转矩脉动，也可以消弱电流谐波，降低电动机 运行时的噪声与振动【3 5 】。 3 2 直接转矩控制性能的改进 3 2 1 控制性能的改进方法 在传统的直接转矩控制系统中，由于采用两个滞环比较器以及利用数目有 限的基本电压向量实现对转矩和磁链的分别控制，导致其存在较大的转矩脉动， 特别是在低速阶段。本节从磁链预测控制的角度出发，研究了一种能够有效减小 转矩和磁链脉动的方法。该方法计算量小、控制简单，通过与传统直接转矩控制 方法进行比较，证明其能有效地减小和抑制转矩和磁链的脉动，具有优良的性能。 根据异步电动机理论可知： 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 盟：“，一尺，f，dt 455( 3 - 4 3 ) 式中u ，、i ，分别为定子电压、定子电流向量；r ，为定子电阻。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为恒定值，以便充分利用电动机。如果 定子磁链脉动控制的越小，那么转矩的脉动也就越小，同时电流的脉动也会越 小，就会获得更好的系统性能。 假设当前周期的定子磁链向量为虬g ) ，下一个采样周期互的定子磁链向量 为虮o + 1 ) ，其幅值为给定值y ，耐，则式( 3 4 3 ) 可用图3 4 的向量三角形来表示。 由图3 4 的知： y ，= 妙，g + 1 ) 一少。g )( 3 4 4 ) 少，口= 虬口d + 1 ) 一虬口g )( 3 4 5 ) 沙妒= 沙，卢n + 1 ) 一沙妒n ) ( 3 - 4 6 ) 从而有： ，口= _ 等 s = c o s a 9 - y , ps 城秒) ( 3 - 4 7 ) 、口+ y ，p 妒= i ( 矽, p c o s a 秒+ 豳护) ( 3 - 4 8 ) 式中，9 为磁链角增量 ) 一刀) 图3 4 定子磁链增量计算 武汉理一r 大学硕士学位论文 根据式子( 3 4 7 ) 和式子( 3 4 8 ) 计算出，口和，口后，就可以利用式( 3 - 4 4 ) 的关系计算出下一个采样周期瓦期望施加的定子参考电压向量，若时间间隔足 够短，并忽略定子电阻电压降，, n n - - i 写成式( 3 4 9 ) ，( 3 - 5 0 ) 。当采样时间i 恒 定时，定子磁链的变化量几乎与空间电压矢量成正比。并且方向与空间电压矢 量的作用方向相同。 u s ：= r s s ，+ 妒s ：| t s u s ；= r s is ，+ 中s ，r , 3 2 2 控制性能改进方法的实现 ( 3 4 9 ) ( 3 5 0 ) 如图3 5 所示。转矩调节为p i 调节，输出的是参考电压空间向量的两个正 交坐标分量，再合成所需的参考电压空间向量并转换到静止坐标系下，最后通 过s v p w m 方式实现开关信号输出【3 6 1 。 图3 5 控制性能改进方法的实现 3 2 武汉理丁大学硕士学位论文 传统d t c 中一个采样周期中只作用一个电压矢量，该电压矢量根据定子磁 链误差和转矩误差从选择表中选出，由于标准的电压源逆变器只能产生6 种工 作电压矢量，所以要在每个周期中恰好补偿当前转矩误差是不可能的，在转矩 误差较小的周期中转矩很快达到参考值之后继续增大或减小导致了较大的转矩 波动。要想在每个周期中完全准确地补偿当前定子磁链误差与转矩误差，前提 是必须能够得到任意的电压矢量。可以通过空间矢量调制技术来达到这个目的。 空间矢量调制技术中，用两个相邻的工作电压矢量及零电压矢量合成出任意的 电压矢量，由于可选电压矢量的增多，就可以在每个周期中准确地补偿当前定 子磁链误差与转矩误差，使得转矩波动达到最小化【37 1 。 转矩偏差经p i 调节后得到磁链角增量a o ，结合( 3 - 4 7 ) 即可得到期 望的参考电压向量u 。，u 。由于电压利用率较高、电流谐波与转矩脉动较低， s v p w m 成为多电平逆变器普遍采用的控制方法。通常采用的s v p w m 控制算 法- 最近三矢量”合成法则，理论上可以合成任意参考电压，再利用s v p w m 技术调制出所需的逆变器开关信号，就可以获得良好的系统性能。类似可得其 他区段逆变器开关的调制信掣弼j 。 假定期望的参考电压向量如图3 - 6 所示位置： 疗 。 u 2 ( 0 1 0 ) 一 u 6 ( 1 1 0 弋 j 、- ll 图3 - 6 空间电压向量的合成 武汉理工大学硕士学位论文 由平均值等效原理： u 。埘= z r , u 。r i 2 u s ( 3 5 1 ) 式中，瓦，疋分别为相邻基本电压向量u 和u 。的作用时间。可以计算出： 正= 弘一知h u 出 p 5 2 ， 瓦= 3 ( 3 - 5 3 ) 式中u 出为逆变器直流侧电压。 在一个完整的采样周期i 内，除了正和互的导通时间，其余为0 状态的时 剐3 9 1 。0 状态时间为两个0 状态和u ，轮流作用。令零矢量的作用时间为瓦， 其公式表示： 瓦i it 一瓦一互( 3 - 5 4 ) 根据以上关系可得到对应开关状态信号如图3 7 所示： li ：八： ： ： ：! 写 ii ： ： ： ；：ii z ； ； i t j以 i r 墨；互 疋 瓦 瓦疋互死 ， 4 ：2 24 4224 i s 。 il s b ； i i l s c j ii r 圪虼巧 巧 圪 圪 f 图3 7 空间向量调制逆变器开关信号 武汉理工大