（电力电子与电力传动专业论文）异步电机直接转矩控制策略比较与实验研究.pdf

c o m p a r a t i v ea n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls t r a t e g yo fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a td t cp r e s e n t ss o m ed is a d v a n t a g e so nf l u x l i n k a g e t r a je c t o r ya n dt o r q u er i p p l e ，e s p e c i a l l y b a dp e r f o r m a n c e sa tl o ws p e e di n c o m p a r i s o n w i t hf o c ，w h i c hm a k e sd i 偿c u l t i e si n e m p l o y m e n t i n i n d u s t r y a p p l i c a t i o n i nt h i se s s a yt h ea u t h o rm a d eap r o f o u n da n db r o a ds t u d yo nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s t a t o rf l u xo b s e r v e ra n dt h er e d u c t i o ni nt o r q u er i p p l eo fd i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e m t h ed i g i t a lr e a l i z a t i o no fa s y n c h r o n o u sm a c h i n es y s t e mo f d i r e c t t o r q u ec o n t r o lh a sb e e nd e s i g n e db yh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r a sf o rm a n yd i s a d v a n t a g e sl i k eh i g hc u r r e n th a r m o n i c s ，t o r q u er i p p l e sa n d v a r i a b l es w i t c h i n gf r e q u e n c yi nc o n v e n t i o n a ls w i t c h i n g t a b l ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l s c h e m e ，t h ea u t h o rm a i n l yf o c u so nh i sr e s e a r c ho ns t a t o rf l u xl i n k a g eo b s e r v e ra n d c o n t r o ls t r a t e g y a f t e rm a k i n gd e e pa n a l y s iso nt h el i m i t a t i o no nt h et r a d i t i o n a l s t a t o rf l u x l i n k a g eo b s e r v e rm o d e l s ，af e wc o m m o ni m p r o v e da l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e di no r d e rt os o l v et h ep u r ei n t e g r a ld e v i a t i o np r o b l e mi nv o l t a g e b a s e d m o d e l b e s i d e s ，t w of o r m so fh y b r i d - m o d e ls t a t o rf l u xl i n k a g es c h e m e sa r ef u l l y d i s c u s s e da sah i g hp e r f o r m a n c eo b s e r v e r w i t hr e s p e c tt or e s e a r c h e so nc o n t r o ls t r a t e g y , t h r e en o b l ea l g o r i t h m sb e s i d e s t h ec l a s s i c a lo n ea r e p r o p o s e da n ds u m m a r i z e di n ad e t a i lw a y t h e ya r e c o n v e n t i o n a l h y s t e r e s i s s w i t c h i n g - t a b l ed t c ( s t - d t c ) ，d i s c r e e ts p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nd t c ( d s v m d t c ) a n dc o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c ys p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nd t c ( s v m d t c ) a d d i t i o n a l l y , t h et o t a lp e r f o r m a n c e so fl a t e ro n ea r e b e t t e rt h a nt h ef o r m a l t h e ns i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tf o rt h ee v a l u a t i o no f t h e p r o p o s e dc o n t r o la l g o r i t h m s w i t hh i g hp e r f o r m a n c es t a t o rf l u x l i n k a g e o b s e r v e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eh i g ha c c u r a c yo fo b s e r v e r sa n d e f f e c t i v e n e s so fs c h e m e s a tl a s t ，t h ea u t h o r d e s i g n s as e to f 如l l d i g i t a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mi s c o m p o s e do fc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n dp o w e rc i r c u i tw i t hi p m a l lt h ec o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e di na s s e m b l el a n g u a g e al a r g es e r i e so f e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa r et e s t e do nt h ep l a t f o r m g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e sa r e m a d ei ns u c ht e s tc o n d i t i o n sl i k ez e r ol o a d ，f u l ll o a d ，s p e e dr e s p o n s ea n dt o r q u e r e s p o n s et e s ts i t u a t i o n k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s t a t o rf l u xl i n k a g e o b s e r v e r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；d s p 插图清单 图卜1异步电机恒压频比控制结构框图1 图1 2异步电机转差频率控制结构框图2 图1 3异步电机磁场定向控制结构框图3 图1 4异步电机直接转矩控制结构框图3 图2 1两相静止旋转变换示意图8 图2 2电压源型逆变器1 0 图2 3 逆变器与电机连接简化原理图1 0 图2 4空间电压矢量分布1 1 图2 5六边形磁链轨迹1 l 图2 6定子磁链扇区划分1 1 图2 7改变定子磁链旋转速度以控制转矩示意图1 2 图3 1定子磁链的u i 模型结构l3 图3 2定子磁链的i - n 模型结构1 4 图3 3初始值引起的误差1 6 图3 - 4两种积分算法对纯直流信号的响应1 6 图3 5两种积分算法的波特图1 6 图3 - 6改进算法对含有直流偏置信号的响应17 图3 7改进算法的框图一18 图3 8带饱和反馈的改进型积分器1 9 图3 - 9不同积分算法观测的磁通波形比较1 9 图3 1 0带幅值限制的改进型积分器2 0 图3 1 1在限幅值大小设置不准确时算法1 、2 的观测磁通波形比较2 0 图3 1 2 磁通矢量五与反电动势矢量颤矿的位置关系图一2 l 图3 1 3带自适应补偿的改进型积分器2 1 图3 1 4改进算法对反电动势幅值阶跃的响应2 1 图3 1 5基于模型“切换”混合定子磁链观测模型结构2 3 图3 1 6基于模型“切换”混合磁链观测法高、低速磁链波形2 3 图3 1 7自适应定子磁链观测器模型结构2 4 图3 1 8自适应混合定子磁链观测器高、低速磁链波形2 5 图4 1s t _ d t c 系统结构框图2 6 图4 2矢量扇区图2 7 图4 3 磁链滞环调节器2 7 图4 4转矩滞环调节器2 9 图4 5定子磁链运行扇区图3 0 图4 - 6s t - d t c 转速阶跃时转速、转矩、磁链、相电流波形3 2 4 7 a s t - d t c 高速( 1 0 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形3 2 4 7 b s t - d t c 低速( 1 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形3 3 4 8定子磁链、电压矢量关系简图3 3 4 - 9 s t - d t c 控制周期设为2 5 u s ，转速1 0 0 r a d s 波形3 3 4 1 0定子磁链、电压矢量关系简图3 3 4 1 l 转矩变化兀，的图形表示3 8 4 1 2 定子磁链位于第一扇区时可选择的电压矢量3 9 4 1 3速度区的划分3 9 4 1 4 磁链滞环比较器( a ) 、转矩滞环比较器( b ) 4 0 4 1 5 采用d s v m 技术高速区时选择的电压矢量表示4 0 4 1 6 基于d s v m d t c 系统基本结构框图4 1 4 1 7d s v m d t c 所有扇区可选择的电压矢量4 2 4 1 86 组典型矢量的合成方法4 3 4 1 9d s v m d t c 转速阶跃时转速、转矩、磁链、相电流波形4 5 4 - 2 0 ad s v m d t c 高速( 1 0 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形4 5 4 2 0 bd s v m d t c 低速( 1 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形4 6 4 2 l 静止坐标系下异步电机定子端的等效电路图4 7 4 2 2定子、转子磁链矢量位置关系图4 9 4 2 3基于s v m d t c 系统结构框图4 9 4 2 4 磁链控制环结构图5 0 4 - 2 5 比例系数k 。，变化时定子磁链阶跃波形5 l 4 2 6空间电压矢量调制5 2 4 2 7 s v m d t c 转速阶跃时转速、转矩、磁链、相电流波形5 2 4 - 2 8 as v m d t c 高速( 1 0 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形5 3 4 - 2 8 bs v m d t c 低速( 1 0 r a d s ) 时转矩阶跃转速、转矩、磁链、相电流波形5 3 5 1 实验系统的硬件构成图5 4 5 2直流侧电压采样电路原理图5 6 5 3交流电流采样电路原理图5 6 5 - 4 电机定子电压采样电路原理图5 7 5 5 转速检测接口电路5 7 5 - 6主程序结构流程图5 8 5 7 a 控制策略之s t d t c 中断服务子程序结构流程图5 9 5 7 b 控制策略之d s v m d t c 中断服务子程序结构流程图5 9 5 7 c控制策略之s v m d t c 中断服务子程序结构流程图6 0 5 8s t d t c 中转矩滞环调节器模块流程图6 0 5 - 9d s v m d t c 中转矩滞环调节器模块流程图6 0图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 11 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 18 图6 1 9 图6 2 0 电流检测的采样处理过程6 4 反正切函数关系6 5 反正切运算扇区分割图6 5 扇区查询流程图6 6 分割扇区数据拟合法求取定子磁链角度的仿真波形6 7 分割扇区数据拟合法求取定子磁链角度的实验波形( 1 2 0 0 r p m ) 6 7 实验系统控制电路6 8 实验电机平台6 8 转速阶跃响应时的转速、转矩6 9 转速12 0 0 r p m 突增额定负载6 9 转速1 2 0 0 r p m 稳态磁链、转矩、电流6 9 转速2 0 0 r p m 稳态磁链、转矩、电流6 9 转速1 2 0 0 r p m 带负载稳态转矩、电流7 0 定子电流频谱图。7 0 转速阶跃响应时的转速、转矩7 0 转速1 2 0 0 r p m 时转矩阶跃响应7 0 转速1 2 0 0 r p m 带额定负载时转速、转矩、电流7 1 转速1 4 0 0 r p m 磁链分量7 1 转速l o o r p m 磁链分量7 l 稳态转速l o o r p m 转速、转矩、电流7 1 转速阶跃响应时的转速、电流、转矩7 2 转速1 2 0 0 r p m 突增额定负载7 2 转速1 2 0 0 r p m 稳态磁链、转矩、电流7 2 转速2 0 0 r p m 稳态磁链、转矩、电流7 2 转速1 2 0 0 r p m 带负载稳态转矩、电流7 2 定子电流频谱图7 2 表格清单 4 1 鼠值与扇区号的对应关系3 0 4 2 逆时针运转时电压矢量开关选择表3 1 4 3仿真电机参数3l 4 4 定子磁链位于第一扇区的开关表4 0 4 5d s v m d t c 中定子磁链位置角与扇区的关系4 l 4 6 ( 1 ) 第一扇区的开关表4 3 4 6 ( 2 ) 第二扇区的开关表4 3 4 6 ( 3 ) 第三扇区的开关表4 3 4 6 ( 4 ) 第四扇区的开关表4 4 4 6 ( 5 ) 第五扇区的开关表4 4 4 6 ( 6 ) 第六扇区的开关表4 4 5 1比较方式控制寄存器( a c t r a ) 的设置6 2 5 2 软件发生方式下的比较单元( c m p r x ) 的设置6 2 5 3a t a np 值与扇区号的对应关系- 6 6 表表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月里王些太堂 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明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：雪珏每冬签字日期：| o o 万年月步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：巩冬冬 签字日期：2 哪年f 月t 5 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 夕乞 签字日期：研，月 日 电话： 邮编： 致谢 在我硕士研究生学习的两年半时间里，导师张兴教授一直给予我细心的指 导和无私的教诲，特别是在科研学习方面给予我热情的鼓励和耐心的引导，也 正是在他循循善诱的指引下，我的学业才得以不断进步，本文的工作才得以顺 利完成。 在这段有意义的两年多求学过程中，我从导师那里学到了比知识更多更为 宝贵的东西。导师孜孜不倦的科研探索精神、严谨的治学作风、忘我的工作态 度和崇高的敬业精神给我留下了难以磨灭的印象，这也将使我终身受益。在此， 向尊敬的导师表示崇高的敬意和诚挚的感谢。 在硕士课题研究期间，实验室的岳胜老师、张学老师给予了我宝贵的建议 和热情的帮助，另外，合肥阳光电源有限公司在实验平台筹建过程中提供了大 力支持，在此表示衷心地感谢。同时，还要感谢实验室的师兄弟，感谢他们学 习与生活中对我的支持与帮助。 最后，我要感谢我的家人，感谢父母多年来对我的教导与支持，感谢他们 为我所付出的一切。 作者：魏冬冬 日期：2 0 0 8 年1 月 第一章绪论 1 。1 交流电机调速技术的发展状况 从1 9 世纪9 0 年代初第一条三相输电线路建成到2 0 世纪6 0 年代末，电力 工业的发展大体形成这样的格局，即9 9 9 9 9 的电能由同步电机发出，6 0 7 0 的电能通过各种电机加以利用。在电机用电中，交流电机占8 0 左右，其 中大多数为异步电机直接拖动。在其余2 0 需要变速运行的高性能传动系统中， 直流电机由于控制简单、调速平滑、性能良好，一直占据主导地位。然而，直 流电机结构上存在的机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点， 如造价偏高，维护困难，寿命短，单机容量和最高电压都受到一定限制等等。 同直流电机相比，交流电机特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的优点： 制造成本低、重量轻、惯量小、可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向 器，所以能在恶劣环境下运行。近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动 机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正 逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调 速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转速开环恒压频比控制、转差频率控 制、矢量控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新 的理论基础；其次，g t r 、m o s f e t 、i g b t 等为代表的新一代大功率电力电子 器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了 物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法 和控制方式得以实现。 1 1 1 恒压频比控制2 】( c o n s t a n tv fc o n t r 0 1 ) 恒压频比控制，是指在额定频率以下调速时使变频器输出的交流电压维持 输出电压幅值和频率的比值恒定，即：v f = c o n s t ；额定频率以上调试时，频率可 以往上提高，但端电压不能继续上升，只能维持在额定值，迫使磁通与频率成 反比地下降，类似于直流电机的弱磁升速情况。控制框图如图卜1 所示。 工 图1 - 1异步电机恒压频比控制结构框图 这种控制方式虽然存在着低速性能较差的缺点，但其在控制上较易于实现， 而且在低频时还可以通过低频电压补偿来获得性能的改善，因此在一些对于调 速性能要求不高如风机、水泵等场合还是得到了广泛的应用。但在低速时如果 电压补偿效果不好，极易造成电机在低速时磁场的欠励或过励，进而造成电机 在低速范围内的转速振荡。在严重的时候甚至会造成电机与变频器之间的机一 电共振。 1 1 2 转差频率控制l l 】 图卜2 为异步电机转差频率控制系统构成框图。在转差频率控制中，采用转 子转速闭环控制，电机给定转速磷与被检测出来的转速缎相减，其误差信号通 过p i 调节器并限幅后得到给定的转差角频率( o s l i l a 。限幅的主要目的在于限制转 差角频率，使电机可以利用逆变器容许电流下的最大转矩进行加减速运转，所 以不需要设定加减速时间，就能以最短的时间内实现加减速。 图1 - 2 异步电机转差频率控制结构框图 转差频率控制的突出优点在于逆变器输出的实际角频率随着电机转子角速 度同步上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号 相比，加、减速更为平滑，系统稳定性增强。同时，由于在动态过程中，转速 调节器饱和，系统将以最大转矩进行调节保证了系统的快速性。但转差频率控 制方式是从电机的稳态等效电路和稳态转矩公式分析出发的，且没有严格的动 态磁通控制，因此实际动态性能会受到很大影响。 1 。1 3 磁场定向控制【3 】( f i e l do r i e n t a lc o n t r 0 1 ) 1 9 7 1 年，美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了专利：“感应电机定子电压的 坐标变换控制刀，同年德国西门子公司工程师f b l a s c h k e 提出了“感应电机磁场 定向控制原理 。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动 机转矩控制的规律。在磁场定向坐标上，通过坐标变换，将静止坐标系中的交 流电流矢量分解成直流的励磁电流分量和转矩电流分量并使两分量互相垂直， 彼此独立，然后分别进行调节，这样交流电机的转矩控制从原理和特性上就和 直流电动机相似了。因此磁场定向控制的关键就成为了对电流矢量的幅值和空 间位置的控制，也即解耦与耦合。系统控制框图见图1 - 3 。 2 图1 - 3 异步电机磁场定向控制结构框图 但在这种磁场定向控制方式下其转子磁链观测器受电机参数的影响较大， 尤其是转子电阻会随着温升和频率的变化而发生较大的变化( 有时高达5 0 ) ，而 且电机转速测量的误差也极易引起转子磁链的误差，这就使得这种调速方式难 以获得理想的效果。为此目前有不少基于在线参数辨识对电机参数变化进行补 偿的新方法 4 】【5 】【6 】提出，有的也获得了较好的效果。不过这些方法采用了较复 杂的控制理论和算法，使得整个系统变得复杂、庞大。 1 1 4 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 1 9 8 0 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授通过对瞬时空间理论的研究，首 次提出了直接转矩控制理论，1 9 8 7 年又把这种理论推广到弱磁调速范围。这种 控制技术不同于矢量控制技术，它跳出了交流传动技术研究传统的思维框框， 不去考虑如何通过解耦将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是 简单的通过检测到的定子电压和电流借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 转矩并根据与给定值比较所得差值实现磁链和转矩的直接控制【3 】，从而使得直 接转矩控制的感应电动机调速系统不仅线路简单，对电机参数不敏感，在很大 程度上解决了矢量控制中计算控制复杂，实际性能难于达到理论分析结果的一 些重大问题【，j 。 图1 4 异步电机直接转矩控制结构框图 3 1 2 直接转矩控制的研究状况及发展趋势 自从直接转矩控制理论问世以来，尽管时间不太长，但各国学者都对此作 了大量工作，取得了一些成就。m d e p e n b r o e k 在提出直接转矩控制理论之初所 实现的系统，其定子磁链轨迹是按正六边形运动的【8 】【9 1 ，由于六条边分别与相 应的六个非零电压矢量对应，可简单的切换六个工作状态，直接由六个非零电 压矢量完成六边形磁链轨迹控制，磁链控制环节很简单，开关动作次数少，开 关损耗也少。但这相当于六阶梯波逆变器供电异步电机调速系统，电流脉动、 转矩脉动、噪音都比较大，束缚了直接转矩控制带给异步电机调速系统所应具 有的高性能发挥。为了得到高性能的速度控制，必须使电机气隙旋转磁场尽可 能成为圆形。日本东芝公司t a k a h a s h i 教授在1 9 8 6 年提出了定子磁链轨迹近似圆 形的直接转矩控制方法 i o 】【1 1 1 ，通过实时计算得到的磁链和转矩与给定值比较， 再加上磁链所处位置，来选择相应的电压开关矢量，采用这种控制逆变器的控 制方法，开关周期是随机变化的，而电机的损耗、转矩的脉动和噪声最小。但 由于系统在1 6 周期中都要交替使用两种开关工作状态( 两个工作电压矢量) ，所 以，开关次数比较多，开关损耗比六边形法略大，因此，一般用在中小功率的 高性能场合。 直接转矩控制技术虽然具有前面所述的诸多优点，但是目前直接转矩控制 技术在理论上尚不成熟、不够完善，直接转矩控制传统模型的固有缺陷，一直 阻碍着d t c 系统的进一步发展。所面临的主要问题是：低速性能不尽人意，转 矩脉动比较严重，这些问题阻碍了d t c 系统调速范围的进一步提高【1 2 】。此外， 由于直接转矩系统的动态响应速度非常快，并具有自身的特殊性，矢量控制中 的无速度传感器方案直接应用于d t c 系统，性能会有所下降，尤其是目前关于 d t c 系统无速度传感器技术的研究尚不成熟，还需要开展大量的工作。 就目前传统的直接转矩控制存在的转矩脉动大、低速性能差等缺点，国内 外学者展开了大量的研究，主要有以下几个方面： 1 ) 改进传统的d t c 滞环一开关表控制器 传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据各滞环控制器 输出的结果来确定电压矢量，但因为不同的电压矢量在不同的瞬间对转矩和定 子磁链的调节作用互不相同，必然会在固定的采样周期内造成转矩脉动。国内 外学者在改进和优化开关表方面做出了很多研究，如文献 1 3 、 1 4 3 ，在不同 的磁链与转矩误差内选择不同的电压矢量即着重研究了如何建立新的最优开关 选择表。文献 1 5 对电压空间矢量对磁链和转矩的调节作用进行了更加细致地 分析，并改进了转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了磁链和转矩的调节， 使电压空间矢量的选择更加精细。文献 1 6 、 1 7 1 8 提出了使开关频率保持 恒定且转矩脉动最小的控制技术。文献 1 9 、 2 0 、 2 1 、 2 2 结合空间矢量 的方法在一个周期发多个电压矢量来逼近目标电压矢量，减小力矩的波动，将 4 直接转矩控制和矢量控制这两种方法取长补短相互融合以构成更加优良的控制 系统，也将是未来的发展方向。 2 ) 改进电压矢量选择方式 直接转矩控制是通过定子磁通定向直接对转矩进行控制，省去了繁杂的解 耦过程，使得系统结构简单、控制方便。该方式在每个采样周期所选用的电压 矢量，总是保证转矩在t ：0 的时刻能最快地向着正确的方向变化。很显然，用这 种方法选择电压矢量，虽然在t = 0 时刻的控制效果最佳，但是在整个采样周期内 的控制效果却未必最好。有学者在分析了s p w m 控制、矢量控制和传统直接转矩 控制的基础上，提出了一种新的电压矢量选择方法一预期电压法【2 3 1 。 3 ) 改进定子磁链观测方法提高低速性能 定子磁链观测是实现高性能电机调速系统的关键环节。常见的定子磁链的 开环计算方法主要有u i 模型、i - n 模型和u n 模型，但各自都存在缺点，如何解 决上述问题，目前主要有两个发展方向：第一个方向是对定子电阻进行在线辨识 【2 4 】 2 5 】；第二个方向是探讨新的高性能磁链观测方法【2 6 】【2 7 】【2 引，摆脱对电机参数 的严重依赖，提高磁链观测的准确度。 4 ) 改进速度观测模型实现无速度传感器控制2 9 】【3 0 】【3 1 】 3 2 1 与矢量控制不同，d t c 系统对转矩的控制本质上并不需要了解转速信息， 因此系统十分便于无速度传感器化。在直接转矩控制的调速系统中，系统的外 环是转子转速环，内环是电磁转矩和定子磁链环。一般，转速信息是靠速度传 感器提供的，而高精度的速度传感器对系统维护和对环境的适应性都较差，在 应用上受到一定的限制，因此无速度传感器调速系统研究开发的意义是非同寻 常的。 在无速度传感器控制系统中，可以通过容易检测的定子电压与电流等信号 间接获取转速信息，常用的电气方法主要有：采用直接磁场定向( d f o ) 的方法获 取转速信息；利用电机数学模型推导出转速方程式计算转速；根据模型参考自 适应控制理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辨识转速： 最近有学者利用电动机结构上的特征产生转速信号，如检测电机转子齿谐波磁 场的感应电动势计算转速和注入高频信号获取转速信息。 世界著名的a b b 电气公司投入了1 0 0 多人研究了直接转矩控制系统【3 3 】，他 们认为直接转矩控制系统是下一代交流电机驱动系统的主流，并于1 9 9 5 年推出 了第一台有商业价值的无速度传感器直接转矩调速控制系统装置，该装置在稳 态精度、动态响应和坚固可靠性方面都有较明显的优势，具有相当广阔的应用 前景，在国际上产生很大影响。 5 1 3本课题的研究内容和研究意义 1 3 1课题研究内容及安排 本文针对传统直接转矩控制系统的缺点，从定子磁链观测器和控制策略两 个方面展开深入研究。第二章在阐述直接转矩控制理论的基础上，详细分析了 空间电压矢量对电磁转矩与定子磁链的控制作用。实现高性能d t c 控制的关键 环节是提高定子磁链观测器的准确性，于是，在第三章中对磁链观测算法作重 点研究，首先介绍并分析了传统磁链观测模型的原理与局限性，接着研究了几 种应用最为广泛的改进型算法，包括电压模型的纯积分改进算法和混合定子磁 链模型观测算法。为进一步提高控制性能，在阅读大量相关控制策略文献的基 础上，论文第四章分类总结了包括传统控制方案在内的三种典型直接转矩控制 策略，控制性能也逐步得到提高，每种控制策略均通过建立仿真模型，进行仿 真分析、比较，验证其有效性。第五章主要介绍了直接转矩控制系统实验平台 的硬件与软件系统设计。硬件设计方面，重点给出了主电路、电流电压采样与 转速检测电路的设计方法；软件设计是系统的核心内容，首先介绍了三种控制 策略软件设计的整体控制结构图，接着重点介绍了控制系统软件设计中的标幺 化设计思想，最后着重对几个重要模块的算法软件实现方式进行了分析。系统 实验验证安排在第六章，作者借助于实验室的实验平台，将第四章中分析的三 种控制策略算法在实验电机上进行大量调试研究，并分别对实验结果作出分析 与总结。最后，第七章就全文的所做的工作进行了总结，并对作者这段研究过 程中未能完成的或者说是今后的研究中需要关注的问题作了重点阐述。 1 3 2 课题研究意义 直接转矩控制是一种很有发展前途的控制方式，自它诞生以来就不断创造 着电气传动领域中的奇迹【3 4 】。在德国，直接转矩控制技术已成功应用于兆瓦级 的电力牵引上。日本研究成功的1 5 k w 直接转矩控制调速装置，其转矩响应频 率高达2 k h z ，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的2 0 倍，使电机从+ 5 0 0 到一5 0 0 转分的反转时间只有4 m s 。在电气传动领域中，这几项指标均居世界最高记录。 当前，德国、日本、美国等都竞相发展直接转矩技术，今后的发展趋势采用第 四代电力电子器件( i g b t ，i g c t ) 及微处理器( d s p 、m c u 等) 向工业生产应用推 出全数字化最优直接转矩控制的异步电机调速装置。 从上面介绍可以看到，德、日等国的直接转矩控制实用化技术已相当成熟， 有很多的实际产品。但在我国，这样的产品并不多见。出于此，作者在实验室 中建立了一套以d s p 为核心的异步电机直接转矩控制实验系统，旨在作为此类 产品实用化的一次有益初步尝试。 6 第二章直接转矩控制基本理论 2 1 异步电机的数学模型 为了深入地研究交流调速系统，无论是仿真还是控制都必须建立起交流电 机合适的数学模型，这种模型不仅要能精确体现交流电机运行于各种工况下的 情况如电机磁链、电流的变化，而且要简单、实用以利于工程设计。但异步电 机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统 3 5 】【3 6 1 。按惯例在建 立其数学模型时做如下假定： 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中按正弦 分布。 电机铁芯的导磁系数无穷大，即不考虑铁芯饱和的影响，从而可以利 用叠加原理来计算电机各个绕组电流共同作用下产生的气隙合成磁场。 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响，无论绕线式还是鼠笼式 的，都将它等效为绕线转子，并折算到定子侧。 交流电机从电工理论角度看是一个多回路、强耦合、彼此又处于相对运动 中的电路，对其进行求解和分析相当复杂，但经过由三相到二相的变换后，异 步电机的数学模型将变为常系数的微分方程，其求解将交得简单容易，也有利 于系统的仿真和实现。因此，有必要在分析直接转矩控制异步电机数学模型之 前，对坐标变换作一定的了解，同时考虑到研究直接转矩控制是基于电机的定 子坐标系进行的，因此着重对定子坐标系上的坐标变换作分析。 ( 1 ) 三相一两相静止变换( 3 2 变换) 在功率守恒变换中，三相变两相的变换矩阵为 ，1一2 | 1 1 2 1 2 lf 91 、 b h 2 s 一吖j l0 历2 撕2l 怕h7 其逆变换： = 信 1o 一1 2 压2 1 2 撕2 ( 2 2 ) 而茬e p a r k 变换中，其变换式为： = 水暑：三捌 亿3 ， 其逆变换为： 10 1 2 压2 1 2 撕2 ( 2 4 ) 功率守恒变换和p a r k 变换都遵循变换前后磁势不变原则，但通过计算可以 验证功率守恒变换后的两相电压、电流和磁链有效值均为三相绕组每相电压、 电流和磁链有效值的压倍。因此，每相功率增为三相绕组每相功率的3 2 倍， 7 但相数由原来的3 变为2 ，所以变换前后总功率不变。此外根据磁势不变原则， 变换后的两相绕组每相匝数已经是原来三相绕组的每相匝数的以倍；而后者在 变换后两相绕组的匝数是三相绕组的3 2 倍，而电压、电流和磁链都不变，所以 变换后功率缩小了2 3 。因此，由p a r k 变换后的等效电机的功率应乘以3 2 才与实 际三相电机的功率相等。 ( 2 ) 两相一两相旋转变换( 2 s 2 r 变换) 令静止的两相系统a 、p 与旋转的两相系统d 、q 绕组匝数相同，磁势相等。 两相静止坐标系a 、p 到两相旋转坐标系d 、q 的变换矩阵由图可得： r = i 螂口咖曼l ( 2 5 ) c 2 s 却r2 l 二咖pc o s 口l 昭引 q 两相旋转坐标系d 、q 到两相静止坐标系a 、1 3 的变换矩阵亦由图可知： ，l ? 阳“n ? i ( 2 6 ) z s = is i l l 秒c o s pi 6 )淤 图2 1 两相静止旋转变换不意图 异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 在静止坐标系下异步电机矢量方程如下： ( 1 ) 电压方程 j 蚝2 足瓦+ p 虮 ( 2 7 ) 【0 = r f i r + p 坼一q 坼 ( 2 ) 磁链方程 定子磁链：虮= ( k + k ) t + k = l a + k 转子磁链：诈= ( i n + k ) i t + k t = l i r + l j 励磁磁链：= k ( 毛+ i r ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 3 ) 转矩方程 电机的电磁转矩是由电动机中的电流和磁场相互作用而产生的，而电机的 定转子磁链以及励磁磁链都是由定转子电流产生的磁场合成的，相同矢量的叉 积为零。所以电磁力矩也可写成定、转子电流叉积形式： 互= 昙k ( 丘) ( 2 1 1 ) 二 其中为电机的极对数。式( 2 1 1 ) 也可写成如下形式： 互= 昙伟k ( k - i i , ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 8 ) 代入上式，得 t o = 昙伟( 岛一虮p 幺) ( 2 1 3 ) 8 ( 4 ) 电机的机电运动方程 一互= 一j 兰堕 (