（电力电子与电力传动专业论文）异步电机驱动与直接转矩控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h et h e s i sc l a s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i n c l u d i n gt h em a t h e m a t i cm o d e l o fi n d u c t i o nm o t o ra n dc o o r d i n a t et r a n s f o r mi sr e v i e w e d t h ek e yp a r t so fc l a s s d i r e c tt o r q u ec o n t r o la r ei n t r o d u c e da n da n a l y s e di nd e t a i l t h er e s u l to fs i m u l a l i o n s h o w st h em a i nc h a r a c t e r so f c l a s sd t c t h eu s eo fh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r si nc l a s sd t ci n ：i p l e m e m a t i o n sg i v er i s et o v a r i a b l es w i t c h i n gf r e q u e n c y ，w h i c hd e p e n d so nr o t o rs p e e d ，l o a d ，s a m p l ef r e q u e n c y ， e t c an o v e ls c h e m eo fd t cb a s e do ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m 一_ 1 3 t c ) i 3 d e v e l o p e d e r r o ri nf l u xi su s e dt od i r e c t l yo b t a i nt h ei n v e r t e rs w i t c h i n gs t a t e s t h e p r o c e d u r e t oo b t a i nt h ei n v e r t e rd u t yc y c l e u s i n gt h ee v f o ri nf l a xh a sb e e ne t a b o r a t e d f o ro p e r a t i o ni nt h en o r m a lr a n g e ，f i x e ds w i t c hf r e q u e n c ya n dl o wt o r q u er i p p l ea r e o b t a i n e du s i n gt h e p r o p o s e d c o n t r o l s t r a t e g y t h ea d v a n t a g e o f 啦em e t h o di s d e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nw i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b r e q u i r e m e n t so f i g b t g a t ed r i v ec i r c u i ti si n v e s t i g a t e di no r d e rt om a k ei g b t o p e r a t i n gr e l i a b l y t h em e t h o do fd e s i g n i n gi g b tg a t ed r i v ec i r c u i ti sd i s c u s s e d s o l u t i o n so ft h ep r o b l e m so fi g b tg a t ed r i v ec i r c u i ti na p p l i c a t i o na r el i s t e d a ma s i m p l ei g b tg a t ed r i v ec i r c u i tl si n t r o d u c e d f i n a l l y ，ad i g i t a ls y s t e mo fs v m - d t ci m p l e m e n t a t i o n s b a s e do nm o t o r o l ad s p 5 6 f 8 0 7i sp r o p o s e d k e yw a r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ，i g b tg a t ed r i v e c i r c u i t ，m a t l a b ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电予版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位沦文，是本人住导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做山贡献的其他个人和集 体，均已在文叶l 以明确方式标明。木学位论文原创十牛声明的法律责任 由本人承担。 签名：同申 h 盯年弓月夕日 第1 苹概述 第1 章概述 1 1 电力电子技术的发展与现状 电力电子技术主要包括二个方面：电力电子器件制造技术和电力半导体变 流技术。前者是基础，后者是核心。二者相辅相成，相互依存，相互促进。 电力电子器件自1 9 5 8 年晶闸管在美国g e 公司诞生至今，大致经过了以下 三个阶段： 1 ) 1 9 5 8 年第一个晶闸管( s c r ) 问世。在随后2 0 年内，晶闸管的额定特 性参数不断改进和提高，又派生出了快速晶闸管，逆导晶闸管和双向晶闸管等 种类，形成了一个晶闸管大家族。开创了电力电子器件发展的第一阶段。晶闸 管的发展促进了相控整流技术的出现与繁荣。相控整流技术逐步取代了电动发 电机组和水银整流器。晶闸管的特点是：耐压高、电流大；但是工作频率较低， 不能自关断；适用于大容量的变流装置中。 2 ) 8 0 年代中期，大功率电力晶闸管( g t r ) 、电力场效应管( m o s f e t ) 以及高压大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 等器件相继实用化，以及此后各种 高频率、全控型器件的不断问世与发展，形成了全控型电力电子器件大家族。 使电力电子技术进入了“自关断器件”的第二阶段。 3 ) 8 0 年代以来，微电子技术与电力电予技术在各自发展的基础上相结合， 产生了一批工作频率高，门极全控性的功率集成器件：静电感应晶体管( s i t ) 、 m o s 型绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 和m o s 控制品闸管( m c t ) 以及功率集成 电路( p i c ) 和智能功率模块( i p m ) 。使电力电子器件进入全新的“高频化、智 能化”的第三阶段。这些器件特点是：集成化、高频化、全控型。 电力电子器件的全控化和高频化极大地促进了电力电子变流技术的发展。 近十几年来发展起来的绝缘栅双极型晶体管i g b t ，电力场效应管m o s f e t 和 m o s 控制晶闸管m c t ，集成门极换向型晶闸管i g c t 已成为现代高频电力电子 学的主要功率开关器件。在器件的控制模式上，从电流垂2 控制模式发展到电压 型控制模式。不仅大大降低了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大提高了器件导 通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不断提高。 随着半导体电力变流器向高频化发展，变流装置的控制方式也由移相控制向时 第1 章概述 间比率控甫1 ( t i m er a t i oc o n t r o l t r c ) 发展。t r c 一般分为脉冲宽度调伟1 ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n p w m ) ，脉冲频率调制和混合调制三种。p w m 方式因为调制频 率固定，通过改变控制脉冲的占空比和周期实现变压变频，滤波电路的设计比 较简单，所以p w m 得到广泛应用。p w m 控制技术大致可以分为【i 弦p w m 、 优化p w m 和随机p w m 三类。 正弦p w m 己为人们所熟知，它以电流或磁通的t f 三弦为目标的各种p w m 方 案，多重p w m 也应归于此类，。而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系 统偕波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势( 如a b ba c s l 0 0 0 系列和美国r o b i c o n 公司的完美无谐波系列等) ； 优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率最小，电压利用率最高，效率 最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。例如，准最优p w m 是在丁f 弦波 p w m 信号生叠加一个三次谐波，使之成为马鞍形波，它的采样时间的选取生成 的p w m 脉冲可使变频器输出电压幅值提高1 5 ，并可大大改善谐波电流损耗和 转矩损耗；效率最优p w m 技术的基本思想是通过寻找谐波损耗值最小点来确定 功率器件的开关时间。优化方法以各个工作频率下逆变器的开关角作为变量， 在“个正弦波周期中各丌关角从大到小排列作为约束条件，以喈波损耗作为目 标函数，来计算可行域内的最小损耗的丌关角。 利用空间电压矢量( s v p w m ) 来研究逆变器的控制，可以很好地满足电机 调压调频控制的需要。空间电压矢最p w m 控制是利用空间电压矢量原理，将电 压矢量投影到三相坐标轴上得三个电压分量，每一分量分剐为三相电压在某一 时刻的瞬时值的大小；利用p w m 逆变器开关管的不同1 作状态，来实现对p w m 逆变器输出电压的控制。 在s v p w m 控制中，以s ，s 。、s ，的不同取值来表示三相逆变桥臂的不同 工作状态，定义合成电压矢量“： “= “。+ “ 甜4 - “。t 2 2 = 1 2 u 。，t s 。4 - s 口+ s 。口2j 式中：u ，表示逆变器中闯直流回路电压幅值；缱为旋转因子，。d = p 。3 对于1 8 0 。导通型两电平逆变器，s ，s h 、s ，每个变量均具有两种状态：0 、 l ，三相桥臂开关共有8 种状态，包括6 个非零矢量和2 个零矢量。对应的6 个 非零矢量的运动轨迹为六边形，如图1 1 所示。采用控制电压矢量导通时间的 方法，用多边形磁链轨迹去逼近理想的圆形磁键，或者采用磁通闭环的方式产 ，ep w m 波形，可有效地改善低速下磁通和电流波形，抑制电机的转矩脉动和噪 第l 章概述 f o 。 h ，( o lo ) “，( ) 矿 鼻 ( ) 一“u t ( 1 1 17 s 州o 州，) 产j 圳 图11 空间电压矢量倒 随着变换频率的不断提高，p w m 电路的缺点逐渐暴露出来。由于p w m 主 电路一直以来采用硬开关电路：一方面电路中的开关器件 + 作时要承受很大的 电压应力及电流应力，开通与关断损耗随频率迅速增加；另一方面随器件高频 开关出现的高d v d t 、d i d t 产生严重的电磁干扰。这严重制约了开关频率的 进一步提高。于是出现了软丌关电路，即零电压开关( z v s ) 与零电流丌关( z c s l 电路。它是利用谐振原理进行换相的一种新型变流电路，在谐振过程中实现器 件零电压下的导通和零电流下的关断，从而大大降低了器件的开关损耗，这样 一来，t r c 技术和软开关技术结合可以进一步提高开关频率，直到开关频率高 于音频，形成无噪音变频器。 4 ) 随着相关技术的进步，现代电力电子器件将继续向高电压、大电流、高 频化、全控化以及控制技术数字化方向发展。 1 2 交流调速系统研究工具的发展 现代电机交流调速系统的发展：一方面要求提高性能、降低损耗、减少成 本；另一方面又不断的需要提高技术指标及特殊应用的系统需求。传统的先设 计出系统再调试的方法已经不能满足调速系统发展的需要。计算机及其仿真软 件的出现为控制系统的设计提供了很大的便利，而微电子和微控制器的发展为 复杂控制理论的实现提供了又一有力工具。 1 2 1 m a t l a b 在交流传动系统中的应用 m a t l a b 是m a t h w 0 r k s 公司推出的一个仿真软件。原本为“矩阵实验 室”之意( m a t r i xl a b ) 。它是一个数学工具的集合，特别是其拥有强大的工 第1 帝概述 具箱t o o l b o x ：包括动态系统建模与仿真工具s i m u l i n k ；电力系统建模与仿真 工具p o w e r s y s t e mb l o c k s e t ；与数字信号处理器相关的d s pb l o c k s e tt 具箱；与 模糊控制相关的f u z z yl o g i c 工具箱等等。涉及到电子、电气、通信、机械等多 个领域的建模与仿真，是一个应用前景广阔的仿真软件。此外，m a t l a b 还具 有强大的数据分析能力，同时也提供了对g u i 图形用户界面的设计以及与c ， f o r t r a n 语言和v i s u a lb ，v i s u a lc + + 等应用程序的接口，它已经成为交流传动 系统仿真研究的主要工具之一。使用仿真软件进行研究具有以下特点： 1 ) 仿真不需要较高的实时性。通过仿真，可以分析控制系统中任何一个物 理量( 甚至是由它们经过组合、运算产生的新变量) 的变化过程一即便是非常 短暂的变化也不例外。 2 ) 对实际系统运行时出现的问题，可以通过仿真进行分析并查找故障原 因。 3 ) 对于控制系统中某些环节( 如p i 调节器) 的可调参数，可以借助仿真软件 进行分析，对于关键参数也可以通过仿真进行优化设计，并作为进行实验的参 考。 4 ) 仿真便于我们对系统进行全面的分析、研究，找出最优化的方法及最佳 参数等。特别是在有限的实验硬件条件的制约下，对系统进行仿真更是非常必 要和重要的。 本文在对直接转矩控制交流传动系统的建模过程中，主要用到的是 s i m ul i n k 软件包工具，还用到了它与m a t l a b 的接【：_ j ，如m a t l a bf c n 函 数、s f u n c t i o n 函数等。 1 2 2 微控制器和微电子技术 自电力电子器件发明以后，电力电子装置成为弱电控制强电的纽带，电子 技术很自然成为了控制手段。由模拟电路构成的控制系统称为模拟控制系统， 以数字电路为核心的控制系统称为数字控制系统。前者属于连续控制，后者属 于离散控制。随着微电子技术的发展，出现了以计算机为核心的计算机离散数 字控制系统。计算机的可编程性使控制算法可以轻松的通过软件加以实现和修 改。随着大规模集成电路的飞速发展，以微处理器为核心的计算机数字离散控 制已成为现代自动控制系统中的主要形式。 以微处理器为核心的数字控制与模拟控制相比，优越性主要表现在：( 1 ) 控 第1 章概述 制器的硬件电路可靠性和标准化程度高，成本低；( 2 ) 控制软件可以按需要更 换、修改或移植，可以不同的控制策略采用相同的控制硬件，具有很大的灵活 性；( 3 ) 消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好；( 4 ) 除了控制功能，还 具有信息存储、监控、故障诊断以及分级控制的能力；( 5 ) 随着c p u 运算速度和 存储容量的发展，可以实现一些新型的比较复杂的控制策略。 目前，应用于交流调速控制系统的控制硬件主要分为：微控制器( m c u ) ， 数字信号处理器( d s p ) 、专用芯片( a s i c ) 和可编程器件( p l d ) 几大类。 微控制器( m c u ) 又称单片机。它具有较强的计算能力，芯片集成了丰富的外 设，与外围设备连接方便，控制系统构成简单；具有很强的抗电磁干扰能力， 适应恶劣的工业控制环境，因此m c u 得到了广泛的应用。随着电机控制技术的 成熟和微电子技术的发展，适用于电机控制的m c u 也不断增加，例如p i c 系列 单片机，m 6 8 h c 0 8 、m 6 8 h c l 2 系列单片机，i n f i e o nc 1 6 6 系列单片机，i n t e lm c s l 9 6 系列单片机等，这些单片机大都集成了p w m 控制模块、a d 转换模块和通讯模 块等适于电机控制的外设。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) ，是一种高速微处理 器，其最大的特点是运算速度快，它比目前的8 1 6 位单片机至少快一个数量级， d s p 存储结构通常采用程序存储空间与数据的存储空间分开的哈佛结构，而不 是m c u 通常采用的冯诺译曼结构。这使存取指令和数据可以同时进行，大大 提高了处理速度。以美国德州仪器公司( t i ) d s p 为例，t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 町以 达到1 6 亿次指令每秒的处理速度。与此同时，芯片集成的外设也在不断增加 已与m c u 不相上下。针对电机调速应用，模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e ) ，微 芯力公司( m i c r o c h i p ) ，摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 都推出了相应d s p 芯片。 随着d s p 价格不断下降，d s p 将在交流传动中将得到了广泛应用。 高级专用集成电路( a d v a n c e ds p e c i m i z e di n t e g r a t e dc i r c u i t a s i c ) ，针对电 机控制设计专用集成芯片。例如，交流变压变频用的s p w m 序列波发生器有 h e f 4 7 5 2 ( 英国m u l a r d 公司产品) ，s l e 4 5 2 0 ( 德国西门子公司) 等。现代高级专 用集成电路的功能远远超过个发生器，可以实现特定的控制系统，例如，德 国应用微电予研究所( i a m ) 1 9 9 4 年推出的v e c o n ，是一个交流伺服系统的单 片矢量控制器。它包含控制器、能完成矢量运算的d s p 协处理器、p w m 定时器、 以及其它外设电路。从而使系统集成度和可靠性大大提高，而成本大为降低， 且有助于专利技术的保密。 第1 章概述 可编程器件( p l d ) 是随着数字集成电路发展起来的半定制芯片。低密度的 p l d 芯片包括：g a i 。，p a t ，等简单的逻辑芯片；高密度的p l d 包括c p l d ，f p g a 等。 随着产品研发时间缩短以及p i d 技术发展，中等规模的a s i c 芯片有被f p g a 取 代的可能。f p g a 可以通过编程的方法实现很复杂的算法。例如：a b b 公司a c s 6 0 0 系列直接转矩( d t c ) 控制变频器中，开关表选择即通过f p g a 实现的。随着 可编程器件技术的发展，必然会在电机调速系统中得到广泛应用。 综t 所述，微电子技术的发展给交流调速创造了良好的硬件基础，极大地 促进了电机调速技术地发展。 1 3 交流调速系统发展与现状 电动机是把电能转换为机械能的最主要手段。调速的目的是适应所拖动机 械的需要。直流电动机以其磁链和转矩电流两者各自独立而获得良好的调速性 能，在传动系统应用中独领风骚上百年。交流异步电机以其结构简单、维修方 便( 没有炭刷) 、安全可靠、功率密度高、成本低廉而远优于真流电机。但是， 由于交流异步电机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，数学模 型非常复杂，调速困难，长期以来限制了其在凋速系统中的应用。二十世纪七、 八f 年代，随着电力电子技术，微电子技术以及电机控制理沦的发展，交流调 速丌始走上舞台。从采用的控制方法交流调速可以分为：转差频率控制、矢量 控制、直接转矩控制、智能控制等。从电机数学模型角度电机调速可以分为： 基于电机稳态数学模型的控制( 标量控制) 和基于电机动态数学模型的控制( 矢 量控制) 两大类。如图l _ 2 所示。 倒1 2 交流变频调速系统分类 第1 章概进 1 3 1 基于电机稳态数学模型的控制 转速开环恒压频比转差频率控制和转速闭环转差频率控制是依据电机的稳 态数学模型推出的。在电机稳态时和滑差率很小的情况下，电机的电磁转矩与 电机的转差频率近似成正比，控制转差频率就能控制电机的转矩，这就是转差 频率控制的基本规律。由于此控制规律是基于稳态电机模型得出的，因而存在 着动态性能不高等缺点，但结构简单，成本低，故在风机、水泵等对调速性能 要求不高的系统中得到了广泛的应用。现在这种技术已非常成熟，正在取代传 统不变速系统，每台风机、水泵平均可节能约2 0 ，社会效益和经济效益可观。 1 3 2 基于电机动态数学模型的控制 基于动态电机模型的控制策略基于电机动态数学模型，它不仅控制电机电 流，电压和磁链的幅值，还控制各量在空间中的位置。在高性能应用场合，要 求采用转矩( 转速) 和磁链分别控制。1 9 7 1 年德国学者k h a s s 、f b l a s c h k e 和 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 分别提出矢量控制和直接转矩控制模型，为交 流电机调速开辟了新的境界。 1 ) 矢量控制 图13 久昔控制系统结构剀 矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o n c o n t r 0 1 ) ，1 9 7 1 年德国学者k h a s s 和f b l a s c h k e 将这一概念形成理论，并以 磁场定向控制的名称发表。矢量控制实际是一种解耦控制，通过坐标变换和其 他一系列的数学运算，将交流电机的定予电流分解为按转子磁链定向的励磁电 第1 章概述 流分量。和转矩电流分量，通过对这两个电流分量的单独控制，使交流电机 像直流它励电机一样，实现对电磁转矩和磁通的单独控制( 如图l ，3 ) 。由于矢 量控制系统基于交流电机的动态数学模型，因而动态性能好，转矩响应速度快。 矢量控制也有其不足之处：1 ) 矢量控制系统需要旋转坐标变换、磁通观测 器，控制电路复杂。2 ) 在转子磁链定向系统中，其解耦的关键依赖于转予磁链 观测的正确性。在对转子磁链的观测时不可避免的要用到转子参数，其中转子 时间常数是一个很不稳定的系数，它随着温度而变化。3 ) 电流环存在，p i 调节 器相互耦合，参数调节困难。 尽管矢量控制存在诸多弊端，随着微电子技术年电力电子器件发展，已经 投入应用。为了克服矢量控制弊端，适应实际应用环境，又出现了无速度传感 器矢量控制，以及应用现代控制理论和人工智能技术的智能矢量控制等控制方 法。 2 ) 直接转矩控制 直接转矩控制是近些年来继矢量控制之后发展起来的另一种高动态性能的 交流调速系统。它和矢量控制中采用的解耦控制方法不同，是一种快速的瞬时 转差控制方法。它从电机所需的磁链和转矩入手，通过施加不同的电压矢量， 将磁链和转矩控制在指定的滞环带内，以获得电机的快速响应。 直接接转矩控制有以下主要特点：1 ) 常用的直接转矩控制系统采用砰一砰 控制，可得到转矩的快速动态响应。2 ) 直接对定予磁链控制，避免了受转子参 数变化的影响，提高了系统的鲁棒性。3 ) 转矩和定子磁链都采用双位式的砰一 砰控制，省去了矢量控制系统中的线性调节器和旋转坐标变换，使控制结构大 火简化。缺点是：控制过程中输出转矩脉动较大。 十多年来，直接转矩控制技术得到了很大的发展，并且己经丌始步入了应 曼堕堡 用阶段，下面对研究技术动向简要介绍| ： a ) i l 白j 接定子量控制( i s r ) ：在直接转矩控制系统运行在低速区域时，采用 间接定予量控制可以充分地利用电力电子器件的开关频率，并且明显减小电机 转矩的脉动，成为电机低速运行方案之。 b ) 基于空间矢量调制的直接转矩控制( s v m d t c ) ：通过d e a d b e a t 算法或 变结构算法确定所需空间电压矢量，然后按空问矢量p w m 算法合成，该方法在 具有恒定开关频率，采样频率高，稳态转矩磁链脉动小等优点的同时，保留了 直接转矩控制转矩动态响应快，结构简单的优点。 c ) 无速度传感器技术：无速度传感器技术闩益成为人们研究的热点，因为 它可以减小传动系统的成本，降低系统的故障率，并月，仍然可以取得相当好的 控制性能。 d ) 多点式逆变器：除两点式逆变器外，多点式逆变器( 尤其是三点式逆变 器) 的优点f 益得到人们的重视，在工业上的应用r 益广泛。特别是它能够输出 众多的电压空间矢量，更加接近于l f 弦波，电机j 二作时更加平稳，转矩波动更 小。 e ) 新型智能控制算法：随着现代控制理论的快速发展，人们研究出各种新 型的智能控制算法，如模糊控制算法、遗传算法、人工神经元网络等，并把它 们应用到直接转矩控制系统当中。例如在速度p i 调节器、定子磁链和电磁转矩 的滞环比较器、定子电压矢量选择表中加以采用。同时在进行电机转速、定子 磁链等物理量的辨识：电机定子电阻、转子电阻、转子漏感等参数的辨识和电 机转动惯量等机械物理量的辨识中都有很大的用处。 直接转矩控制技术在国外都己经得到了应用。国外早在1 9 9 5 年a b b 公司首 先推出了a c s 6 0 0 直接转矩控制系列变频器，其转矩响应的速度己经达到 ( ( ，g ) 变换称为p a r k 变换，( d ，g ) 一 ( 口，7 ) 变换称为反p a r k 变换。 由以上变化不难导出a 一6 一c 举标系变换到d q 坐标系的变换矩阵c 。一。 为： 硼= 。压，汹( c o s 秽oc 由o s ( o - ，i ：2 。0 。 ；c 咖o s 。( 毋o m + 1 2 。0 ； 式中0 ：o ) t ，c o 为同步角速度。同理，d q 坐标系反变换到a b 的变换矩阵c 。一。为： ，如赫淄- 嬲s i n o 、) ( 2 5 ) c 坐标系上 ( 2 6 ) 第2 章异步电机直接转矩控制理论 2 2 异步电机的数学模型 异步电动机的定子绕组通常为三相绕组，转子绕组为三相或多相绕组，没 有励磁绕组，定子绕组磁势和转子绕组磁势共同作用产生异步电机的气隙磁场。 为了减小定子电流的励磁电流分量，异步电机的气隙长度较短。通过绕组的分 布、短距、转子斜槽等措施，常用3 相异步电动机的气隙磁场的空间谐波较小。 在分析异步电动机动态过程时，为了便于工程应用，常常对异步电动机的模型加 以“理想化”，“理想化”的异步电动机有如下假定： 忽略电机铁一i l , 的饱和、磁滞及涡流的影响以及铁心和导线的集肤效应。 忽略定子、转予谐波磁势的影响，即认为气隙磁势按难弦分布； 忽略定子、转子齿槽影响，即认为气隙是均匀的； 转子为三相绕组。 用异步电动机的自感系数、互感系数等参数，选择电机的定子、转子电流 ( 或磁通) 作为状态变量，写出电机的状态方程式。以下是在不同坐标系下电 机的数学模型。 2 2 1a ，口坐标系下电机数学模型 在定子坐标系下的定、转子电压方程和磁链方程为： 一u 。= r i + p 孑 ( 2 7 ) 五，= r ，j ，+ p 孑，一j 州， ( 2 8 ) 孑，= l 己+ 。i ， ( 2 9 ) 孑，= l r i r “，i 。 ( 2 1 0 ) 式( 2 7 ) 一式( 2 1 0 ) 中，下标符号“r ”和s 分别表示转子和定子，p 为微分 算子( d d t ) l 为电机定转子阳j 互感，r 。，j r ，为定转子线圈电阻，l 。，l ，电 机定转子自感，。为转予的电气角速度。 将定、转子电压方程中的磁链由相应电流替换，得定、转予电压和定、转 予巾流的关系式： 第2 章异步电机商接转矩控制理论 阡 描氛州l m 川p 。 若把转子量折算到定子上，折算系数为口 流分别为： 则转子折算到定子的电压、电 。撒州= 艄 ；1 i l 托r 纠+ l , p 疵，篇滩 选取a = 上。儿。，并考虑到异步电机，= 0 ，义因为： “。“j 口+ j u 口 l 、2 l 。4 - j t 。b lr 2 l + t 得到异步电机的电压矩阵方程为： “j d “ 口 0 o r ，4 - p l 。 0 p l 。 一( - o r e l 。 p l i 、 0 r ，+ p l , 一c o 。l ， 电机的电磁转矩方程为： t = n p l 。q ，p i ? ，一i 、，i r p l 将上式中的转子电流用定予磁链代替，得转矩的方程为 t = n ，( p 。口一。口。) 2 2 2 d ，g 坐标系下电机数学模型 在同步速坐标系下的定、转子电压如f ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 j ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 。毫。鬻以 第2 章异步电机赢接转矩控制理论 “，= 月。f 。+ p v 。+ ， ( 2 2 0 ) “r = r r ir + p ，一，甜。， ( 2 2 1 ) 式中q 为滑差频率角速度，为同步角速度。 将定、转子电压方程中的磁链由电流替换，得定、转子电压和定、转子电 流的关系式： l“、l=r上+。l。p(+p，+甜j，c，010月，发：2 ：。， i ；i c z z z ， 1l 上。( p + o i ) 月，+ 三，( p + 。) i l ；，l h x2 “+ j u 。 i x = f ，“+ ，f 。( 22 3 ) i r 2 i r , l + j i 。 得到异步电机的电压矩阵方程为： b ! s d “卅 0 o r ；+ p l 。 q t p l 。 0 ) s l m o j l l 。 r j + p l l 0 o q l ， p l 。 0 r ， 电机的电磁转矩方程为： 丁= n l ( f “，j i r d 将上式中的转子电流用定子磁链代替，得转矩的方程为 7 1 = n ，( p “0 一少。0 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 2 3电压空间矢量对定子磁链的影响 若逆变器所接三相负载的定子绕组连成犟形，其输出电压的空间矢量的 p a r k 矢量变换表达式为 矾) = 弘2 。+ i e 1 2 0 + 融2 4 ”】 ( 2 2 7 ) 定子磁链与定子电压之间的关系由式2 1 变换可得： 儿她鹕 一品 第2 章异步电机直接转矩控制理论 孑。( f ) “f 一( r ) 一孙) r ，d t 若忽略定子电阻压降的影响，则 孑，( ，) “f 一( t ) d t 上式表示定予磁链空间矢量与定子电压空问矢量之间为积分关系。 ；，( f ) 表示电压空削矢量，瓦( f ) 表示磁链空问矢量，如图2 2 。 ( 1 0 0 ) “、( i l o ) 一 ，( ，) s 1 “。( 0 1 0 ) “，( 0 1 1 ) “。( 1 0 1 ) s 4 “。( 0 0 1 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 图2 2 电压空间矢鼙与磁链空间欠晕的关糸 图中“，( x x x ) 代表电压型两电平逆变器输带的8 种电压向量，六边形各边是 在变频器六个有效电压交替作用下，定子磁链轨迹。从图中叮以得出如下结论： 1 定子磁链空i 刊矢量顶端的运动方向和轨迹对应于相应的电压空削矢量的作用 h - 向，y ，( f ) 的运动轨迹平行于“，( r ) 指示的方向。只要定子电阻压降k ( f ) r l 比 e ( f ) i 足够小，那么这种平行就能得到很好的近似。2 在适当的时刻依次给出定 ll 子电压空间矢量“。一“。一“。，一“，。一“。，一“。 则得到定子磁链的运动轨迹依次 沿边s 、一s ：一s ，一s 。一s ，一s 。运动，形成了正六边行磁链。 2 4 直接转矩控制原理 将电磁转矩表示成为定子磁链矢量和转子磁链矢量相乘的形式： t ：笋早。孓，= 笋i 孓。l l 币，i s i n j( 2 3 0 ) “l n“ t 式中覃，为转予磁链矢量，平，为定子磁链矢量，万为定子磁链矢量与转子磁链 第2 章异步电机直接转矩控制理论 矢量在定子坐标系中的夹角。 从式( 2 3 0 ) 可以看出，电机转矩与定子磁链、转子磁链幅值以及定子转子磁 链相对位置有关。为了充分利用铁心，通常保持定子磁链恒定，由于转予磁链 受负载和转子电路影响，变化缓慢。因此转矩大l j 、主要取决于定子与转子之f e i j 的夹角，这个夹角也称为转矩角( t o r q u ea n g l e ) 。定子磁链可以通过施加有效 电压矢量和零电压矢量改变其旋转速度。这样就可以通过改变定子磁链速度改 变转矩角，从而改变电机转矩，这就是直接转矩控制的实质。 转矩采用开关控制有效矢量和零矢量交替作用，从而使w ，走走停停。当有 效矢量作用时，电动机定子电压为满电压，掣。以固有的、也是最大的角速度( 亦 即不插入零矢量运行的同步角速度) 旋转；当零矢量作用时，电动机电压为零， 甲。则停止不动。转予磁链则不然，由于电动机电磁惯性的作用，当甲以较高的 频率走走停停时，甲，来不及变化，则以平均同步角速度旋转。若用( ( 。) ) 表示甲。的最大角速度，代表平均角速度，表示有效矢量的作用时间，表 示零矢量作用时问，显然有： 矾：亟k ! ! ! 塑 “ f 1 一t 2 ( 2 3 1 ) 可见，电动机在工作时，6 角是存不停地变化。当有敛矢量作用时，占和r 均增 大；当零矢量作用时，d 和r 均减小。 2 5 直接转矩控制各环节分析以及实现 从图2 4 直接转矩控制原理框图可以看出，控制系统包含磁链控制和转矩控 制两部分。 2 5 1 磁链控制 定子磁链控制采用闭环控制，由磁链观测器、2 3 变换、磁链调节器和换 相逻辑等环节组成。 第2 章异步电机直接转矩控制理论 酬23 直接转矩控制【佝基布把幽 1 ) 定予磁链检测 磁链反馈信号甲。，甲。，u r , 。是由磁链观测器获得的。磁链的观测采用电压模型， 根据 孓。= j ( ；。一r i ) 斫 ( 2 3 2 ) 忽略定子压降有 甲矿心。d t u t , m = j “肛d t ( 2 3 3 ) 式中r 。一定子绕组电阻 阱 1一! o 延 1 三 一三 22 拈打 。旦一坐 22 由式( 2 3 3 ) 计算出中。，甲m ，再经2 3 变换得 ( 2 3 4 ) ( 2 ，3 5 ) 妇p。l 第2 章异步电机直接转矩控制理论 阱狮 2 j ( 2 3 6 1 在实际系统中线电流和线电压只需要检测两相就可以了，另外一相可以通过这 两相运算得到。 前面提到的检测定子磁链的方法通常称为”一z 模型一一。模型只有在被积分 差值，也就是k吊l 的值较大时爿1 能提供f 确的结果。其误差是由定子电阻引 起的。在速度低于5 h z 时，定子上的压降与电压矢量相当，从而导致误差被积分， 造成磁链估计值比实际值大，实际定子磁链矢量顶端偏离正六边形，向六边形 中心移动，磁链幅值明显减小，磁链轨迹发生畸变。当转速高于3 0 额定转速 时，定子电阻压降相刘于电压矢量可以忽略不计，u i 模型可以比较准确的确 定定子磁链。应该注意到，电机运行过程中，电阻并不是恒定不变的。为了弥 补低速时，“i 模型的缺点，学者又提出了i 一 模型。由异步电机的空间矢量 等效图( 图2 4 ) 可以得出： 月。 j c o l p ， 图24 异步电机空间久鼙等效剀 j = 甲r + 甲盯 p v ，? = i ? r ? + j 审i i l = “+ f 。 i r = 警 f 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 第2 章异步电机直接转矩控制理论 己= 渺、，) ( 2 4 1 ) 其中：眠，f 。分别表示定子磁链和励磁电流，为定子电流，这里将定子电 流分为两部分即励磁电流和经折算的转子电流，( 注意，这里的f 。与文章其它地 方的含义不同) ，y 。为漏磁链。 由此，定子磁链可以由下列两式确定： 万，：j 了_ ( 弛+ 孑，) ( 2 ，4 2 ) 眠2 矗一。叫j 咄 p ，： r ( y - ，一，) + 孑， ( 2 4 3 ) k 将 ，虬，在。一两相静止坐标系下表示，并代入( 2 4 2 ) ，( 2 4 3 ) 得如下方程 组： 1 f ，。：! f ( k 。+ i f ，。) ( 2 4 4 ) 帆口2 矗u k o 叫m 坦 m 。2 丢( 。一一 ( 24 5 ) 。p ： ( f 口l o + v ，p ) ( 2 4 6 ) 4 6 ) r p2 1 一口+ v r p j l z l + 二r 旦 j l 二 p 妒佃2 鲁( 毗抄毗。 ( 24 7 ) 根据公式( 2 4 4 ) 一( 2 4 7 ) 可以得到如图2 5 定子磁链f 一”模型。 与u z 模型相比，f 一 模型中不出现定子电阻尼，也就是既定子磁链估计 不受定子电阻影q 向。但是i 一野模型受转子电阻r ，、漏电感0 、主电感变化的 影响，此外i 一肝模型需要精确测量转子角速度珊，脚测量误差对i 一 模型影响 很大。通常，异步电动机的额定转差大约只有3 理想空载转速。如果应用f - i l 模型时，转速测量误差为1 ，那么将造成很大的转矩误差。因为在i 一”模型中， 角速度测量误差首先引起转子磁链误差，再由转予磁链误差引起定子磁链误差， 母终造成转矩误茸。因此一般h 有在低谏时使用f 一 模犁。 第2 章异步电机直接转矩控制理沦 图25 定子磁链一”模型框剀 由于以上两种模型只能用于一定转速范围，因此就涉及到两种模型平滑切换 的问题，为了简化模型，一种可以在全速范围内都实用的磁链模型应运而生。 这就是“一n 模型。 转子方程： p ，：r ( y - 。一歹，) + ，甜孑， 1 2 4 8 ) 定予方程： p y 。= “1 一f 1 r 。 ( 2 4 9 ) 磁链方程： 。= l i 。( 2 5 0 ) ，= y 。l i r ( 2 5 1 ) 式中各量含义i 一 模型公式含义相同，参考图与由式( 2 4 8 ) 一式( 2 5 1 ) 可 以得出磁链“一”模型，如图2 6 。 “一 模型吸取了i 一 模型和“z 模型的优点，解决了两个模型的平滑切换 问题，该模型在低速时实际工作在f n 模型，高速时实际工作在“一模型下。 但是，磁链“一”模型仍然没有解决对定转子参数的依赖。随着近代控制理论的 发展，一些先进的控制理论开始应用到磁链估计中，例如：自适应模型，神经 元模型和模糊控制等等。 第2 章异步电机直接转矩控制理论 图2 6 定子磁链“一”模型 2 ) 磁链调节器 磁链调节采用两位控制方式，故三个磁链调符器均为滞环调节器，其输入 输出特性如图2 7 所示，以a 相为例，则输出 f1 ， 舢。= 不变， 1 0 ， q 乞+ 掣： 、 ，： 甲。 + v ： l 甲： ( 2 5 2 ) 图2 7 磁链调节器 滞环调节器的容差嘭由磁链给定值甲：决定， 三相均相等。它们之间的比值司由p a r k 矢量变 换式求得。若假设掣。也与定子坐标系的倥轴重 合，则p a r k 变换式为： 平，：兰平。+ 可。e m 。+ 孓。g m 一 1l j 三驭l 兰艮巨i ；琴 一 l i：f _ 。 1 l：i l： ： ：li：一 li 。1 l ：l i h l ： l #l ： ! 一 。m ，m ， 幽2 8 电压矢量与磁链之间的关系 ( 2 5 3 ) 第2 章异步电机真接转矩控制理论 采用所示的滞环调节器后，早。的最大值即为孓：故有 孓：= 搏+ 甜邢吼叫= 半移6 ( 2 s 。) 因而 平：孓：娑孓：( 2 5 5 ) 式中平：一定予磁链给定值。 3 ) 换向逻辑 换相逻辑环节的功能是把三个磁链调节器的输出胛。，胛。，s t 。变换成逆变 器开关器件的控制信号s 。，s 。，s 。，确定作用的有效电压矢量所对应的开关组合 状态。根据三相磁链随时间的变化规律和磁链调节器的特性可以得到磁链调节 器输出舢。，s w 。，舢。随时间的对应变化关系，如图2 8 所示。 再据磁链与电压矢量的对应关系，不难找到换相逻辑单元的输入输出特性， 其输出输入特性为： 鼠= ：= = s 皿r1 吼2 8 皿“ ( 2 5 6 ) s = s 皿h l s 。，s 。，s 。的变化规律也示于图2 8 中 2 5 2 转矩控制 转矩控制也采用闭环控制，由转矩观测器和转矩调节器组成。 1 ) 转矩观测 电磁转矩可以用定子电流矢量i 及定子磁链矢量的乘积来表示，即 瓦= 竽孓