（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机直接转矩控制的研究.pdf

异步电动机的三电平直接转矩控制的研究 a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) w h i c hi sf i r s t l yu s e di nt h el a s tc e n t u r yp r e s e n t s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha sf a s tt o r q u er e s p o n s ea n dh i g hr o b u s t n e s st 0t h e v a r i a t i o no f p a r a m e t e r s t h et h r e e - l e v e ln e u t r a l - p o i n t - c l a m p e d ( n p c ) i n v e n t e rh a st h es i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s o fl o w e rs w i t c hf r e q u e n c y , l e s sd i s t o r t e d o u t r i u ta n dl o w e rv o l t a g e r e q u e s t i nt h el a s tf e wy e a r s ，i ti sw i d e l yu s e di nm e d i u m v o l t a g ea d j u s t e d a b l ea p e e d d r i v ea p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt od i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h e f o l l o w i n ga c p e c t s a r em a d ei nt h i sp a p e r ： a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ac h a n g e d m e t h o do ft h e s p a c es e c t o ri sp r o p o s e d i ti ss i m p l et og e ts n w i t ht h en e ws v p w m t a b l e ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fd t cb a s e do nm a t l a b 6 5 | s i m u l i n kf o ra s y n c h r o n o u sm o t o ri s d e v e l o p e d t h e na l ls i m u l a t i o nb l o c k sa r es t a t e dd e t a i l e d l y f i n a l l y ，t h er e a s o n a b i l i t y a n dv a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e la r et e s t i f i e db yt h et h r e ed i f f e r e n ts i m u l a t i o n r e s u l t s t or e d u c i n gt h et o r q u er i p p l eo fm a c h i n ei nc o n v e n t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l s t r a t e g y , a c c o r d i n gt od u t yr a t i oc o n t r o l ，ac h a n g e dv e c t o rt a b l ew a sp r o p o s e di nd i r e c t t o r q u ec o n t r o lb a s e do nt h en e wa t r t h ec h a n g e ds t r a t e g i e so fd i r e c tt o r q u e c o n t r o lc a nr e d u c et h et o r q u er i p p l el a r g e l y f i n a l l yt h er e a s o n a b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ec h a n g e ds t r a t e g ya r et e s t i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nm a t l a b6 5 s i m u l i n k f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so fv o l t a g eu n b a l a n c eo fn e u t r a lp o i n ta n dh i g h d v d to fo u t p u tv o l t a g e ，am e t h o da r eu s e di nt h et h es y s t e mo ft h et h r e e - l e v e ld i r e c t t o r q u ec o n t r o lo fd i o d en e t r u a l p o i n t - c l a m p ( n p c ) t h r e e l e v e li n v e r t e r k e yw o r d s ：d t c ；v e c t o rc o n t r o l ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；t h r e e - l e v e li n v e n t e r ； m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 专闺牮 日期砷年月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：李恫哗 日期：曰年e 月) l e i 导师签名：9 s - v - &日期：三夕年月矿日 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 直流传动和交流传动在1 9 世纪先后诞生，在2 0 世纪上半叶，鉴于直流传动 具有优越的调速性能，所以高性能的可调速传动都采用直流电动机，交流调速性 能始终无法与直流调速相匹敌；然而直流电动机本身也存在着明显的问题，由于 直流电动机的电刷和换相器需要经常的检查和维修，换相火花使得直流电动机的 应用环境受到限制，换相能力还限制了直流电动机的容量和转速等等，因此虽然 直流调速具有优越的性能，但是当时约占电气传动总容量8 0 以上的不变速传动 系统却都采用交流电动机“3 。这就给交流调速技术的发展提供了巨大的动力。 交流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用： 1 一般性能的节能调速在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵 等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要 调速，只是因为过去交流电机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和 供水的流量，许多电能因而白白地被浪费掉了。如果换成交流调速系统，把消耗 在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均约可节能2 0 ，效果是很可 观的”。 2 高性能交流凋速系统许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直 流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、 转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。但是， 由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施行 灵活的即时控制因此，交流电动机数学模型的解耦是实现高性能交流调速的关 键技术。 3 特大容量、极高转速的交流调速中、高压变频调速技术是交流传动领域 里的一个制高点技术，由于其理论和应用难度大、研究经费高的原因，使得中、 高压大功率变频技术成为交流传动领域中一个尚未成功解决的难题，也成为近年 来该行业中关注的一个热点。由于两电平逆变器存在器件的耐压和输出电压变化 率高等问题，使得传统两电平逆变器在高压大功率场合中的应用受到了限制。而 以三电平逆变器为代表的多平逆变器却很好的解决了这些问题，因此，大大促进 了交流中、高压变频调速技术的发展，三电平逆变器以其优越的性能越来越受到 人们的重视。 异步电动机直接转矩控制的研究 1 2 异步电动机交流调速系统的基本类型 随着电力电子技术的发展，新型大功率、高开关频率的电力电子器件不断产 生，随着微电子技术的发展和应用，交流调速技术得到了飞速的发展。 交流调速领域中，异步电动机的调速技术应用最为广泛。交流异步电动机是 一种高阶、非线性、强耦合、多变量的复杂的控制对象，其主要调速方式可分为 转差功率消耗型、转差功率馈送型和转差功率不变型三类”1 。其中，转差功率消耗 型调速方式是以牺牲转差功率为代价来进行电动机的调速，其转差功率都以热量 的形式消耗在转子回路里，从能量转化的效率来看其调速性能最差；转差功率馈 送型的转差功率是以能量反馈的形式回馈到电网中，其能量转化的效率要大大超 过转差功率消耗型调速方式，实现了能量的回收利用，调速性能较高，但是也存 在着系统结构复杂、成本增加和应用难度大等问题；转差功率不变型调速系统的 调速性能要优于前两者，能量转化的效率也很高，因而在当今的交流调速领域得 到了最广泛的应用。下面对属于转差功率不变型的四种调速方式进行逐一介绍： 1 u t 控制 叩_ 恒转矩讽速恒功率调速 一 i l u 电感。 r - 7 - 图1 1 异步机变频调速控制特性图1 2t l f 控制方式 按照图1 1 所示的电压、频率关系对变频器的电压和频率进行控制，称u f 控制方式，基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速，其 简化的原理框图如图1 2 所示。主电路中逆变器用p w m 方式控制，逆变器的控制 脉冲发生器同时受控于电压指令u 和频率指令，而u 与，之间的关系是由o f 曲线发生器决定的这样经p w m 控制之后，变频器的输出电压u 、输出频率f 之问 的关系，就是u f 曲线发生器所确定的关系。由图可见，转速的改变是通过改变 频率的设定值，来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大 2 硕士学位论文 小来决定。在，不变的条件下，负载变化时，转子转速将随负载转矩变化而变化， 故它常用于速度精度要求不十分严格而负载变动较小的场合。u f 控制是转速开环 控制，无需速度传感器，控制电路简单。 2 转差频率控制 在没有任何附加措施的情况下，u f 控制方式下，如果负载变化，转速也随 之变化，转速变化量与转差率成正比。u f 控制的静态调速精度显然较差，为提高 调速精度，采用转差频率控制方式。 根据速度传感器的检测，可求出转差频率，再把它与速度设定值，相加， 以该叠加值作为逆变器的频率设定值j t ，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿 的闭环控制方式称为转差频率控制方式。对应于转速的频率设定值，经转差补 偿后定子频率的实际设定值为，1 = ，+ 。与u f 控制方式相比，其调速精度大 为提高。但是，使用速度传感器来求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性 调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。 3 矢量控制 上述的o f 控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动的 静态数学模型上的，因此，动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等对动态性 能要求较高的应用，可采用矢量控制变频器。 根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的予 电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的 直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别加以控制，以获得类似于直 流调速系统的动态性能。在矢量控制方式中，磁场电流| _ l 和转矩电流i i l 可以根据 可测的电动机定子电压、电流的实际值计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应 的设定值相比较并根据需要进行必要的校正，高性能速度调节器的输出信号可以 作为转矩电流的设定值。 4 直接转矩控制 1 9 8 4 年，德国的d e p e n b r o c k 教授提出了对交流电动机实现直接转矩控制新 方法，也叫直接自控制。它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模和相 角的复杂计算量，而直接在定予坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的 砰砰控制，将转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还 好。此控制方法虽尚未形成商品化产品，但却是很有发展前景的控制方法，它具 有如下优点： ( 1 ) 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，控制电动机 的磁链和转矩，不需要矢量控制中那样复杂的坐标变换技术。 ( 2 ) 从直接转矩控制的调控要求来看，我们只关心电磁转矩的大小，磁链本身 3 异步电动机直接转矩控制的研究 有点小的误差不会对电磁转矩的控制性能产生重要的影响，故这种方法对电机参 数变化不敏感。 ( 3 ) 直接转矩控制能对电压开关矢量进行优化控制，信号处理工作简单，物理 意义明晰，降低了逆变器的开关频率和开关损耗。 ( 4 ) 直接转矩控制包括转矩调节和磁链调节两个方面，可对磁链直接调节，易 于实现弱磁控制，因而调速范围宽。 交流电动机调速控制理论，从u f 恒定控制法到矢量控制法是第一个飞跃， 从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃“”。 1 3 新型大功率电力电子器件的发展 5 0 年代末，第一个普通晶闸管在美国通用电气公司的实验室里诞生，标志着 电力电子技术的开端，从此。电子”进入到强电领域，电力电子器件成为弱电控 制强电的纽带。近4 0 年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展过程，从只能触 发导通不能控制关断的半控型器件( 如晶闸管) ，到可以控制导通和关断的全控型 器件；从电流控制到电压( 电场) 控制；从低频功率开关到高频功率开关；从单片 元件到模块化、集成化；从小功率( 1 m w ) 。新一代的器件带出 来新一代的变流器，又推动了新一代交流调速装置的组成。 交流变频调速技术的发展和电力电子技术及其器件的发展密不可分，晶闸管 的出现为交流电动机调速技术的发展开辟了道路。但是第一代晶闸管没有自关断 能力，需要利用电源或负载等外在条件来实现换相，因此用晶闸管来实现交一直一 交变频装置的核心的变频器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆 变。而场效应晶体管和门极可关断晶闸管等全控型器件具有功率大、正反向均可 用较小的功率进行导通与关断控制等优点，并在实际应用中取得了理想的效果。 目前全控型器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护，小 体积、集成化等方向发展。把m o s f e t 技术与g t r 、g t o 晶闸管技术通过在芯片上 的集成化出现了绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 和绝缘门极关断晶体管等，集两种 器件的优点于一身，既具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简 单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、器件容量大和热稳定性好的特点， 又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此它的发展很快。 经过人们不懈努力，虽然硅双极性及场控功率器件的研究已趋成熟，但是它 们的性能仍在不断得到提高和改善，近年来出现的i g c t 和i e g t 可望比m c t 更早 的取代g t o ，采用砷化镓等新型半导体材料研制功率器件，实现人们对“理想器 件”的追求，将是本世纪电力电子器件发展的主要趋势。 4 硕士学位论文 1 4 微电子技术在变频调速领域的应用 近年来，控制系统的硬件正由模拟技术转向数字技术，微型计算机在性能、 速度、价格、体积等方面正不断发展，这一切为交流电动机调速理论的实现提供 重要的保证。 计算机技术发展突飞猛进，微处理器的应用也越来越普及，且由于微处理器的 运算速度提高、价格下降等因数，数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高 可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。因此，8 0 年代中期，世界各 大电气公司的电气传动产品都开始了从模拟调速到数字调速的换代，典型的微处 理器有：i n t e l 公司的m c s 9 6 系列，m i c r o c h i p 公司的p i c 系列，t i 公司的数字信 号处理器( d s p ) 。 随着v l s i ( 超大规模集成电路) 和e d a ( 电子设计自动化) 的飞速发展，特别是 p l d ( 可编程逻辑器件) 的发展：从p a l 、g a l 、f p g a 、c p l d 、e p l d 到i s p l s i ；从低 密度可编程逻辑器件( l d p l d s ) 到高密度的可编程逻辑器件( h d p l d s ) 都推动了 微电子技术的发展，其设计技术及开发工具也在不断完善；设计技术从a h d l 、a b e l 到v h d l ；开发工具从专用半导体厂家工具到标准的e d a 设计平台。所有这些，都 使数字系统的设计方式发生了突破性变革。 从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：采用专用的硬件、大规 模集成电路；采用通用计算机硬件，软件模块化、可编程化。 1 5 三电平逆变器在中、高压、大功率调速领域的应用 据统计，我国发电量的5 0 一6 0 用于交流电动机将电能转交为机械能，而 电动机容量在3 1 5 k w 以上的，其额定电压一般为中压( 3 k v i o k v ) ，这部分电动 机容量约占总装机容量的4 0 5 0 。这部分电动机在负载工况变化时，缺少经 济可靠的调速手段，利用中压变频器可以实现对这部分电动机的无级调速，满足 生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可以大幅 度的节约能源，降低生产成本，因此国内存在着巨大的中压变频器市场。 以i g c t ( i n t e g r a t e d g a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 或i g b t 为功件的三电平 中压变频器，在中压变频器主电路中，为避免功率器件串联引起均压问题，同时 降低输出谐波和幽出，便产生了一种三电平主电路形式，也称为中点筘位方式。 1 9 7 7 年德国学者h o l t z 提出三电平逆变器主电路及其方案，这是一种常规二电平 电路，其中每相桥臂中带一对开关管，以辅助中点箝位。后来，日本人n a b a e 于 1 9 8 1 年继续发展，将这些辅助开关管变成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的 主管中点相连，以辅助中点筘位，该电路比前者易于控制，且主管关断时仅承受 5 异步电动机直接转矩控制的研究 直流母线一半电压，因此更为实用。 1 3 西门子三电平逆变器主电路原理图 采用三电平技术的变频器，具有结构简单、体积小等优点，而且当整流器也 采用三电平整流器就很容易形成四象限运行，自八十年代以来三电平技术被广泛 应用于大功率中压变频器领域。目前在国际上，能生产三电平中压变频器的公司 只有少数几家著名的电气公司，如西门子( s i m e n s ) 、通用电气( g e ) 和a b b 等公 司，在国内也有众多的科研单位和公司正在研制三电平中压变频器。 西门子公司的s i m o v e r tm v 系列三电平中压变频器是以高压i g b t ( h v i g b t ) 为功率器件的三电平中压变频器，主电路原理图如图1 6 所示，其电压等级有： 2 3 k v 、3 3 k v 、4 1 6 k v 和6 k v 。s i m o v e r tm v 采用矢量转换磁场定向控制原理，具 有极高的动态性能、极佳的转矩质量和完美的控制特性；采用高压i g b t 具有可靠 性高、驱动简单、触发功率低、不需要缓冲电路的特点；采用三电平技术可降低 对电机的冲击。 与国外相比，国内研究三电平逆变器要晚些，目前主要做仿真分析、建模分析、 控制方法研究、实验研究等几方面工作。总之，近年来在运动控制领域三电平中 压变频器的开发研究得到了广泛关注，三电平逆变器使得电压型逆变器的大容量 化、高性能化成为可能，研究开发三电平逆变器具有十分重大的意义。 1 6 本论文研究的内容 本论文以异步电动机的直接转矩控制为研究对象，从异步电动机直接转矩控 制的原理、传统直接转矩控制技术的改进、三电平逆变器主电路的原理、三电平 直接转矩控制策略和仿真结果等几个方面来研究和论述。 第二章介绍了直接转矩控制的产生、发展、现状和异步电动机直接转矩控 6 硕士学位论文 制的基本原理；同时介绍了异步电动机的数学模型以及不同坐标系之间的坐标变 换和电压空间矢量脉宽调制技术的基本原理。 第三章首先，利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 仿真软件建立异步电动机直接转矩 控制系统的仿真模型，为以后的分析和研究奠定了基础。 然后，本文针对传统直接转矩控制中，定子磁链矢量空间位置的判断方法中 存在的问题，对传统的定子磁链在两相静止0 一b 坐标系下的扇区划分方法进行了 改进，改进的扇区划分方法使得系统对定子磁链矢量空间位置的判断更加准确， 减小定子磁链矢量幅值的波动。 最后，本文还针对传统的直接转矩控制方法中存在的电动机转矩脉动的问题， 通过采用一种新型的五阶转矩调节器，并利用占空比控制方法有效降低了异步电 动机转矩的脉动，给出了新的电压空间矢量表，最后，通过仿真结果加以证明。 第四章介绍中点钳位型三电平逆变器的数学模型和主电路的组成，并分析 了三电平逆变器的空间电压矢量s v p w m 调制策略。 第五章论述了三电平直接转矩控制中存在的输出电压跳变以及中点电位漂 移的问题，通过控制算法加以解决。利用第三章建立的直接转矩控制的仿真模型 进行仿真验证。 7 异步电动机直接转矩控制的研究 第2 章异步电动机直接转矩控制的基本原理 异步电动机的直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高 性能的交流电动机变压变频调速系统。它在转速环里面，利用转矩反馈直接控制 电动机的电磁转矩，因而得名直接转矩控制。 异步电动机的直接转矩控制是以异步电动机的定子磁链作为被控对象的，首 先通过坐标变换在两相静止a b 坐标系下建立异步电动机的数学模型，然后根据 定子磁链矢量的空间位置( 即在两相静止一b 坐标系下扇区位置) 通过电压空间 矢量表选择此刻最合理的电压空间矢量，以达到控制要求，实现对转矩的直接控 制。 2 1 概述 直接转矩控制是1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出，它在 很大程度上解决了矢量控制技术中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影 响，实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。 直接转矩控制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机的数学模型、控制电动 机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，既 不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸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，所用的控制信号使观察者对于交流机的物理过程能够做到直接和明确的 判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它 观测出来。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和 控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，它不是通过控制电流、磁 场等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并 非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转 矩的角度出发它强调的是转矩的直接控制效果。因而它采用离散的电压状态和六 边形磁链轨迹或近似圆形轨迹的概念，它对转矩实行直接控制，通过转矩两点式 调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容 差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机 8 硕士学位论文 的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。 2 1 1 直接转矩控制的产生背景 随着国民经济的发展，现代化工业已经向大规模生产的方向飞速发展，工业 和企业的自动化、集成化、复杂化的程度不断提高，生产工艺水平不断进步，这 就给电气传动设备提出了更高的要求，要求电气传动设备不仅要具有很好的速度 控制精度，还要有快速的、精确的转矩控制性能，电气传动装置的静、动态性能 直接关系到产品的质量和企业生产的顺利进行，对现代化工业的发展和国际竞争 力具有十分重要的意义。 在电气传动控制系统中，如果按照被控制的电机类型来划分，可分为直流传 动和交流传动。虽然直流传动和交流传动都是在1 9 世纪中期诞生的，但在上世纪 的大部分时间里，约占电气传动8 0 不变传动系统都采用交流传动，2 0 调速系统 一般采用直流调速。这是因为直流电机较交流电机有较好的控制性能，直流电机 的主磁通与电枢电流相互独立，可以分别对它们进行控制，容易得到满意的动、 静态性能。而与此相反，交流电机虽然结构简单，但它是一个非线性、强耦合、 多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。因此，在最初的 近1 0 0 年的传动控制历史中，似乎确立了直流调速、交流不调速的公认的格局“1 现代控制理论的应用及交流控制策略的发展与成熟使得交流调速技术迅速发 展。上世纪7 0 年代，德国学者提出了矢量控制原理，针对交流电机这个多变量、 强藕合、非线性的控制对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论来解褐， 进行坐标变换，与直流电机等效，仿照直流调速的原理，使交流调速的静、动态 性能达到直流调速的水平“1 。8 0 年代，变结构控制受到了欧美学者的重视。变结 构是一种综合的控制方法，它在系统状态达到相空间的切换面时切换控制，使切 换面成为相空间中的一个吸引子，强迫系统在切换面上做滑动模态运动，变结构 控制对摄动和干扰具有一定的鲁棒性。 2 1 2 直接转矩控制的发展现状 直接转矩控制以优越的调速性能逐渐得到认可的同时，人们也发现了其自身 存在的问题、局限和不足。例如电动机转矩的脉动、低速性能差且磁通不易控制、 电流脉动大和逆变器开关频率不固定并且低于采样频率等等。 虽然近年来国内外有很多专家和学者提出了各自的解决方案，大大地推动了 直接转矩控制系统的发展，但大多数的方案都局限于从局部改进直接转矩控制系 统，而且新提出的方法尚未达到实际应用阶段，特别是从全局寻优的角度改进直 接转矩控制系统还有待进一步的研究。国内外的一些学者主要围绕着传统直接转 9 异步电动机直接转矩控制的研究 矩控制系统的不足，从以下四个方面对传统直接转矩控制系统进行改进和完善： ( 1 ) 应用改进的比较器和状态开关表，同时不改变原有的拓扑结构； ( 2 ) 应用空间矢量调制技术，固定并提逆变器( v s i ) 的开关频率网； ( 3 ) 应用智能控制如模糊、人工神经网络控制； ( 4 ) 应用变结构控制方案实现磁通和转矩控制； 值得注意的是近年来智能控制的多种控制策略如自适应控制、模糊控制、神 经网络控制、模糊神经网络控制等也被引入到直接转矩控制中，从定子磁链模型、 定子电阻检测与补偿模型、速度观测模型，到变结构控制的消弱抖振现象都在尝 试引进智能控制技术，以改进其控制方法的不足，达到更好的控制效果。由于近 期研究成果的大量涌现，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻，对各种局部 性能的改善也有了更多的选择方案。因此，追求整体性能最优将成为今后直接转 矩控制研究的主要方向。通过改进系统各组成环节的内部结构来提高系统性能， 其效果是非常有限的，从算法方面着手改进系统将是今后的大趋势，智能控制会 发挥越来越大的作用，成为整个系统的控制核心。近几年发展起来的将神经网络 和模糊控制结合起来的模糊神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直接转矩控 制的重要手段。用高性能的d s p 或c p u 实现d t c 系统的全数字化也是一个重要发 展方向。 直接转矩控制的传统应用领域是异步电动机的交流调速，现在人们也开始尝 试把它应用在无刷直流电动机和永磁同步电动机的调速之中，使直接转矩控制的 应用范围越来越广泛。控制性能的提高，应用领域的拓广，都必将使直接转矩控 制在今后的传动领域拥有更光明的前景。 在实践中直接转矩控制技术成功地用于兆瓦级交流电气传动电力机车上日 本研制成功的1 5 k w 直接转矩控制变频调速装置，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- 5 0 0 转分的反转时间只有 4 m s ，在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高纪录。当前，德国、日本、 美国等都竞相发展此项技术，今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件( t g b t ， 工g c t ) 及数字化控制元件( 如t m s 3 2 0 c x x 数字信号处理及其他3 2 位专用数字化模 块) 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变频调速装置。目 前市场上采用直接转矩控制的变频器还不多。瑞典的a b b 公司最先推出的a c s 6 0 0 就属于这一类产品。a c s 6 0 0 的基本结构是交一直一交变频，选用工g b t 功率开关元 件，以及具备强大信号处理功能的马达控制器a m c ，实现对异步机的直接转矩控制。 它能把转矩响应限制在一拍( 卜5 m s ) 之内，且无超调。a c s 6 0 0 的静态精度为0 0 2 9 6 ， 开环转矩阶跃响应上升时间为5 m s ，而矢量控制的上升时间为l o o m s 。起动转矩平 稳可控，最大起动转矩可达2 0 0 ，零速转矩可达1 0 0 。另外，该产品还配有数据 通信接口，可通过总线对其进行编程、监控和人机对话。 硕士学位论文 2 2 异步电动机的数学模型及坐标变换 与直流电动机相比，异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方 便等一系列优点，因此异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中，成为当今应用 量最大的一种电动机。尤其是随着电力电子技术的飞速发展和交流调速技术的日 益成熟，使得异步电动机在调速性能上有了本质性的提高，如今交流调速在理论 上已经完全可与直流调速相媲美。目前，异步电动机的电力拖动己被广泛地应用 在各个工业电气自动化领域中，并逐步成为电力拖动的主流。 2 2 1 异步电动机的数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机 数学模型时常作如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组a 、b 、c 及三相转子绕组a 、b 、c 在空间对称分布，各相 电流所产生的磁动势在气隙空间是正弦分步； ( 2 ) 忽略磁路饱和，绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁耗饱和； ( 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 这样，实际电机被等效成为图2 1 所示的三相异步电动机物理模型。图中，定 子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系设a 轴为 参考坐标轴，转子以n ，速度旋转，转子绕组轴线为a 、b 、c ，随转子旋转和定子a 轴间的角度差为0 一f , o d t ，称为空间角位移。 卜7 一 图2 1 三相异步电机物理模型 图2 1 中的符号： n 、i 1 b 、u c 、u 、一定子和转子相电压的瞬时值。 1 l 异步电动机直接转矩控制的研究 i 、i b 、i c 、i 、i 。、i 。一定子和转子相电流的瞬时值。 r ，、r ：一定子和转子电阻。 l l t 、l l ：一由漏磁通产生的定子和转子漏感。 l 。一l m 。一l z 一定子和转子互感。 互感的情况比较复杂，定子和转子的六个绕组之间的互感可考虑有两类：一类 是a 、b 、c 相绕组及a 、b 、c 相绕组之间因位置固定，故互感为常数；另一类是 定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移的函数。互感的变 参数是造成系统非线性的根源。 异步电动机的数学模型可由以下几组微分方程来描绘： ( 1 ) 电压方程式 u a u b t i c u - u b u c f r l0 0 0 0 0 1 0 r 10 0 0 0 。1 0o r l o o o 1 00 0 r 1 0 0 1 00 0 0 r 。0 【0 0 0 0 0 r 1 l l b l c 1 4 l b 1 。 + p 峰、 妒8 妒。 1 1 f ，。 妒“ 妒。 ( 2 1 ) 上式中p 为微分算子，以代替d d t ，转子电压是三相转子绕组折算到定子侧后的 电压。 ( 2 ) 磁链方程式“1 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，可以 表达为： 妒 妒b 妒c 妒。 妒b 妒。 k k k kkk k k k l nkk l b ik k l 口l 曲k l a l b l c 1 a l b 1 c ( 2 2 ) 式中，自感：l m = l b s = l c c = l i l k 。k 2 k 2 1 1 2 互感：定予三相a 、b 、c 之间的互感与穿过气隙的公共主磁通相对应，由于 定子a 、b 、c 三相绕组轴线在空间的d 相位差为1 2 0 0 ，所以有： 1 l a b k - k - k - k - k 一妄l ( 2 3 ) 二 相间互感除了由主磁通引起外，还包括漏磁引起的互感，考虑到漏磁后，上 式只是近似的相等。 w 彬彬w w m m 蚴m m m 弘 n n 蚺 “ m m m 硕士学位论文 同理，转子三相绕组之间的互感为： l 曲- k k - l 西一k k 一去l 正 ( 2 4 ) 定子与转子之间的互感也是与穿过气隙的公共主磁通相对应，图2 1 中a 相 轴线与转子a 相轴之间的夹角为0 ，故有： k - l 肪- k l n - k - k l m c o s 0 ( 2 5 ) k - k - l c , - k k l d k c o s ( o + 1 艚) ( 2 6 ) k - l h - l o - k - k - k - l m e o s ( e - 1 2 0 ) ( 2 7 ) ( 3 ) 转矩方程式1 1 e p m l m 【( i i - + i b i b + i ( j c ) 8 i n 日+ ( i a i b + i b i c + i c i ) s i n ( e + 1 2 0 。) ( 2 8 ) + ( i a i 。+ i b i “c i b ) s i n p - 1 2 0 ) 】 应当指出，此式是在磁路为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下得出 的，但对定子、转子电流的波形并没有作任何假定，它们可以是任意的。因此， 电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相异步电动机调速系统很有实用意义。 ( 4 ) 运动方程式“1 e 哪吉警 眩9 ， 式中。 t 一负载转矩 j 一机组的转动惯量 p - - 电机极对数 由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式中， 既有三相绕组之间的耦合，又有定子、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式 中磁场与定予、转子电流之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩 阵。通常需要用坐标交换的方法加以改造，最后得出与三相异步电机等效的直流 电机模型。 2 2 2 异步电动机数学模型的坐标变换公式 由三相异步电机的数学模型可知，如果能将交流电机的物理模型等效的变换 成类似直流电机的模式，然后再模仿直流电机去进行控制，则控制就可以大大简 化了。要简化系统就必须对电机的参考坐标系进行变换，这就称为坐标变换。在 研究矢量控制时定义有三种坐标系统，即三相静止坐标系( 3 s ) 、两相静止坐标系 ( 2 s ) 和两相旋转坐标系( 2 r ) 不同电机模型彼此之等效的原则是：在不同坐标系下 产生的磁动势相同 异步电动机直接转矩控制的研究 假设在某坐标系下的系统的电压矩阵和电流矩阵分别为 u 和 i ，在新的坐 标系下电压矩阵和电流矩阵变为 u 和 i ， 。定义 q 为电压变换矩阵， c i 为 电流变换矩阵，则新旧电压矩阵和电流矩阵之间的关系为： u = q u7 ( 2 1 0 ) i = c i7 ( 2 1 1 ) 假定变换前后功率不变，则 p = 【i r u - 【i 九u 】 ( 2 1 2 ) 将前边两式带入上式，则 【i r 【u 】- ( 【c ；】【i 】) 7 【c 。】【u 。卜【i r 【g 】7 【q 】【u 卜【i r 【u 】【g 】【c 。卜e ( 2 1 3 ) 其中，e 是单位矩阵。 这就是在功率不变条件下变换阵的关系。一般情况下，把电压和电流变换矩 阵取为同一矩阵，即令 c 。 = c ； = c ( 2 1 4 ) 这样就有【c 九c 】i e ，则【c 1 t - 【q ，从而可以得出结论：在变换前后功率不变， 且在电压和电流选取相同变换矩阵的条件下，变换矩阵的逆矩阵与其转置矩阵相 等，这样的坐标变换属于正交变换。 ( 1 ) 从三相到两相的静止坐标变换( 3 s 2 s ) 在三相静止坐标系a 、b 、c 和两相静止坐标系口、b 之间的交换简称为3 s 2 s 变换。 b 图2 23 s 2 s 坐标变换 如图2 2 所示，a 、b 、c 为三相静止绕组，通以三相平衡的正弦电流，产生 合成磁动势f ，以同步转速以旋转，三相静止坐标系与两相静止坐标系在空间上 相差9 0 0 且如果通上时间相差9 0 0 的两相交流电，也可以产生与上相同的磁动势f 。 由于它们的磁动势和转速都相等，所以可以认为这两种坐标系等效。可以由三角 函数关系推导出从三相到两相静止坐标系的变换矩阵【q 。： 1 4 硕士学位论文 唇 1 一!一三 22 o 巫一鱼 22 111 压压压 如果是三相平衡系统，u a + u 。+ u 。- o 则可以写为： 咋卜：斟 逆变可得： c h 矿唇 1 一三一1 2 2 o 巫一巫 22 阮- 【c 】2 矿唇 1o 1 压 22 1 压 22 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 卟卜制 1 1 cj 。 通过计算可以验证：变换后的两相电压和电流有效值均为三相绕组每相电压 和电流有效值的互倍，因此，每相功率增为三相绕组每相功率的3 2 倍，但 相数由原来的3 变成了2 ，所以变换前后的总功率不变。 ( 2 ) 从两相静止坐标到两相旋转坐标的变换( 2 s 2 r ) 在两相静止坐标a 、b 和两相旋转坐标m 、t 之间的变换简称为2 s 2 r 变换。 如图2 3 所示，m 、t 绕组在空间相互垂直放置，分别加上直流电压u 。和u 。， 产生合成磁动势f ，其位置相对于绕组来说是静止的。如果让包含两个绕组在内的 整个铁心以同步转速旋转，则磁动势自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。 如果磁动势的大小与两相静止坐标系下的磁动势大小相等，那么这个旋转的直流 绕组也就和交流绕组等效了。当观察者站在铁心上和绕组一起旋转时，在他看来， m 和t 是两个通以直流而且相互垂直的静止绕组，如果控制磁通的位置在m 轴上， 异步电动机直接转矩控制的研究 就相当于直流电机物理模型了，这时，绕组m 相当于励磁绕组，t 绕组相当于伪静 止的电枢绕组。m 、t 和a 、b 轴的夹角日是一个变量，随着负载、转速而变。 t p m q 图2 32 s 2 r 坐标变换 通过计算可得其变换矩阵为： 一= nc 咖o s 纠 眩 l s l 口口i 其逆变换矩阵为： 。 川c 己。一瞄等1 ( 2 1 9 ) ( 3 ) 从三相静止坐标到两相旋转坐标的变换( 3 s 2 r ) 三相静止坐标a 、b 、c 与两相旋转坐标m 、t 之间的变换简称为3 s 2 r 变换。 从三相静止坐标系a 、b 、c 向两相旋转坐标系m 、t 变换，可以利用己经推 导出的变换阵，先将三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，然后再从两相静止 坐标系变换到两相旋转坐标系。基于此，我们可以得到矩阵： c o s 0c o s ( 0 1 2 0 9 ) o o s ( e + 1 2 0 。) 1 【c 】3 ，2 f l s i n o s i n ( o - 1 2 0 。) 一s i n ( 日+ 1 2 0 。) l ( 2 2 0 ) 1 1 、2 1 压1 压 l 【q a ，一 c o s os i n o1 压 c o s ( o 1 2 0 。) s i n ( o 1 2 0 ) 1 , 5 c o s ( o + 1 2