（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究.pdf

异步电动帆直接转矩调速系统的设计与仿真研究 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ev e c t o rc o n t r o lf v c ) t e c h n i q u e , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a s y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c h h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h er o c e n td e c a d e si san e w a cd r i v i n gc o n t r o lt e c h n i q u e t h ed t cs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s w i t hi t ss i m p l es t r u c t u r ea n ds t a t i c d y n a m i cc a p a b i l i t ys i n c et h et h e o r yo fd t cw 船 p u tf o r w a r di nt h e19 8 0 s f i r s t , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o ri sr e s e a r c h e dt h o r o u g h l yi n t h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a ld t c ，an e ws t a t o rf l u xa n d t o r q u ec o n t r o l l e ri sp r o p o s e d ，a n dt h et r a d i t i o n a lv o l t a g ev e c t o rt a b l ei sr e p k c db yu n e wt a b l e b e c a u s ei nt h et r a d i t i o n a ls w i t c ht a b l et l s e st h er e v e r s ev o l t a g ev e c t o rt o c a u s et h et o r q u ep u l s a t i o nt h ep e a k - t o - p e a kv a l u et ob eb i g g e r , t h en e w v o l t a g ev e c t o r t a b l eu s e st h en u l lv e c t o rt or e p l a c et h er e v e r s ev o l t a g ev e c t o r b t i tw h e na cm o t o r r u l li nl o w e rs p e e d t h en u l lv e c t o r 咖c a u s es t a t o rf l u xw e a k e ns e r i o u s l y , t h e r e f o r e w h e nt h es t a t o rf l u xn e e d st oi n c r e a s ea n dt h et o r q u en e e dn o tv a r i a b l e ，t h es w i t c h t a b l es e l e c t st h ev e c t o rw h i c ho n l yc a u s e st h ef l u xl i n k a g er a d i a ld i r e c t i o ni n c r e a s i n g w h e nt h es t a t o rf l u xw e a k e n su n d e rt h el i m i t i n gv a l u e ，t h er a d i a ld i r e c t i o nf u n c t i o n v e c t o rc a u s e st h ef l u xm p i di n c r e a s e ，a c h i e v e db o t hm a d eu pt h en u l lv e c t o r i u s u f l i c i e n c y , a n dm a i n t a i nt h en u l lv e c t o rm e r i t t h en u l lv e c t o ru s ei su n a b l et o r e a l i z et h et o r q u er a p i d l yt or e d u c e ，t h e r e f o r eu s e st h em u l t i l a y e rl i n kt ot h et o r q u e c o n t r 0 1 w h e nt h et o r q u el e a v e st h ei n n e rr i m , t h er e v e r s ev o l t a g ev e c t o rs t a r t st h e f u n c t i o n s oi th a sb e e na b l et or e d u c et h et o r q u ep u l s a t i o n , w h e nd i dn o tc u r s et h e l o ws p e e dt h ef l u xh a dt h ew e a k e n , s i m u l t a n e o u s l ya l s od i dn o ta f f e c tt h es y s t e m d y n a m i cp e r f o r m a n c e t h e n , t h i sp a p e rm e d a l sa n ds i m u l a t e st h ed t c s y s t e mi nt h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n ta n dt h er e s u l ti sa c c o r d i n gt ot h ea n t i c i p a t i o n f o l l o w i n g , t h ed t ce x p e r i m e n th a r d w a r es y s t e mb a s e do nd s pi sc o n s t r u c t e d w h i c hi sc o m p o s e dw i t ht w om a i n 眺t h e c o n t r o l l i n gc i r c u i t ( t m s 3 2 0 f 2 81 2 ) a n d t h ei n v e r t e rc i r c u i t ( i o b t ) o t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r cd e m o n s t r a t e di nd e t a i l ，s u c h a st h es p e e dd e t e c t i o n , t h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n g ，a n ds oo n l a s tt h ep a r to fs o f t w a r ei sc o d e dw i t ha s s e m b l el a n g u a g ei nt h ec c s e n v i r o n m e n t ； k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s v ；m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ；d s p 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人乖集体，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责任由本人承担。 论文作者签名： 辛匆警湫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丛导师签名：越日期：! q q 2 生旦 6 0 贵州大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 异步电机调速系统的发展概况 交流变频调速的优越性早在2 0 年代就被人们所认识，但受到器件的限制， 投资大、效率低、体积大而未能推广5 0 年代中期，晶闸管的研制成功。使交 流电机调速技术有了飞速发展。早期交流调压调速系统的主回路基本上都是采用 s c r 开关器件，输出的电压或电流波形中含有较多的谐波，造成电机转矩脉动 火，功率因数较差。虽然实现了交流电机在一定范围内的调速，但还不能与直流 明速系统相媲美，只能用于一些调速要求不高的场合，如风机、泵类等负载的拖 动。随后发展的转差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问 题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算太复杂， 己能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。然而，当生产机械对调 速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略差一些。 原因在于，其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的 平均值控制，完全不考虑过渡过程，因而在系统设计时，不得不做出较强的假设， 忽略较多的因素，才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差 较大，系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。后来在国 内外学者的努力研究下，不断探索新的交流电机控制方案，交流调速的应用同益 广泛。尤其是7 0 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现 代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件。 变频调速技术在目前正在应用的交流调速技术中是应用最广，也是最有希望 取代直流调速的交流调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多传统的变频 调速方式是采用v f 控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电机的稳态 方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。 1 9 7 1 年，德国学者e b l a s c h k e 提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论， 标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是交流电机模拟成直流电机 来控制，通过坐标变换来实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后 分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无 论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量 控制系统性能的好坏一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。 直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电机磁链，这种方式会使简单 的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期 的保证因此，间接法是实际应用中实现磁链检测的常用方法。这种方法通过检 测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测 电机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变化，就会影响到 磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补 偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d c p e n b r o c k 教授提出了一种新型交流调速理论一 一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标 变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系 统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。因此， 直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究 十分活跃。 直接转矩控制相对于矢量控制控制在几个方面的分析比较： 1 ) 转矩脉动问题 直观来看，直接转矩控制的转矩脉动来自其使用的滞环控制方式，即俗称的 b a n g - - b a n g 控制方式但实际上，滞环方式是利用有效电压空间矢量和零矢量 交替使用来实现的，而目前实用的矢量控制也都是脉宽调制逆变方式，各种类型 的交流脉宽调制技术，无一例外都使用了有效电压空间矢量和零矢量交替作用的 规律，因此矢量控制虽然在控制部分采用了平滑调节，但到了逆变器部分仍然是 一种丌关状态切换的b a n g - - b a n g 控制，从这个角度说，两者原理相同，都有转 矩脉动问题。 转矩脉动对于实际运行的影响，既与脉动幅度有关，又与频率有关，频率越 低，系统转动惯量的机械滤波作用越小，危害越明显。直接转矩控制采用滞环偏 差控制，转矩偏差幅值固定，由参考文献知，中速时脉动频率高，低速和高速时 脉动频率都低，在设定滞环偏差时，中速时的频率需要保证不超出开关损耗的限 制矢量控制采用固定载波频率的方式，载波频率受开关损耗限制，应该与直接 转矩控制的中速段相当，在高速段和低速段则相当于转矩脉动的频率不变，脉动 幅值降低了，也就是说，直接转矩控制的转矩脉动，在中速段最轻微低速和高 速段差，而矢量控制恰好相反，中速段与直接转矩控制差不多，低速和高速段反 倒要好些，平均情况比直接转矩好。 对于转矩脉动问题，直接转矩控制有着改进的可能，例如，分段设定滞环偏 差，或采用多电平技术，增加有效电压矢量个数。总的来说，直接转矩控制的脉 动问题的确比矢量控制严重，但脉动转矩大体上仍属于高频脉动，脉动幅值不大， 对运行性能的影响不是特别明显。 。 2 ) 转矩响应速度问题 直接转矩控制的转矩响应速度快于矢量控制，关键在于它不采用电流调节方 式，而是采用电压矢量一次到位的改变转矩。矢量控制的许多方案使用了转矩电 流闭环调节，为保证调节稳定，其时间常数不能太短，因此导致转矩响应速度馒。 故直接转矩控制相对矢量控制，转矩响应速度优势明显。 3 ) 其他方面 对于电动机参数的依赖问题，直接转矩控制的电压模型对电动机参数要求很 2 贵州大学硕士学位论文 低，只要定子电阻即可，但电压模型在低速时误差很大，因此低速时需要电流模 型，而直接转矩控制的电流模型包含了转子磁链，对电动机的参数的依赖较多。 对于转矩控制精度，直接转矩要高于矢量控制，但仅指平均值精度，并且误差属 于同一数量级。 总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不大。 1 2 直接转矩控制现状与发展方向 十几年来，在国内外直接转矩控制不断得到发展和完善，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，又涌现出了 许多基于模糊控制和人工神经网络的d 陀系统，控制性能得到了进一步的改善 和提高。下面就介绍一下有关文献中关于直接转矩控制的研究现状和成果并对 其未来发展进行展望1 2 i l 控制系统的性能是借助于控制环节来实现的，改善和优化各个环节的结构， 必然有利于控制系统性能的提高。下面简要介绍一些对直接转矩控制中各控制环 节的改进研究情况。 ( 1 ) 磁链调节器和转矩调节器的细化改进 传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据各滞环的输出结 果来确定当前的电压矢量。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，所以，只有根据当前转矩和磁链的实时偏差合理地选择电 压矢量，才有可能使转矩和定子磁链的调节过程达到比较理想的状态。显然，转 矩、磁链的偏差区分得越细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就会越好。 有人提出了一种定子磁链的双层滞环控制方法。该方法利用新型的定子磁链 双层滞环比较器代替了传统的单滞环比较器，并采用新的双层滞环比较器进行转 矩控制，同时修改了传统的开关选择表的部分内容，它通过改进转矩调节器和磁 链调节器的结构，细化了转矩和定子磁链的偏差区分，提高了系统的性能。磁链 调节器和转矩调节器在结构上相同。采用这种细化的转矩、磁链调节器的d t c 系统，全面改善了系统的动静态性能，有利于减小了转矩和磁链的脉动。本文就 是从这个方向入手，对系统做了一定的改进。 此外，有学者研究了控制系统的采样时间、磁链及转矩滞环宽度对转矩，磁 链脉动的影响，得出7 计算滞环宽度的新公式，对滞环宽度进行优化控制，该公 式能够有效降低磁链、转矩脉动和阻止逆变器的开关频率超过预定极限值。仿真 结果显示采用新方法的直接转矩控制性能比传统的直接转矩控制性能有所提高 ( 2 ) 新型开关状态选择器的研究 用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁链调节时，需要人为设定 触发器的容差，其大小与系统的性能密切相关。为减少人为因素对系统性能的影 响，有文章提出了将各种先进的智能控制理论应用于直接转矩控制的新方案，通 过应用各种智能控制理论如模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态【9 1 0 1 1 2 ”， 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 完全抵消了触发器的容差影响，使性能改善更加明显。和传统的系统相比，用该 选择器构成的系统响应快、超调量小、抗扰动能力强，特别适用于要求快速跟踪 的场合。但是这种方案也存在一些难于克服的缺点，例如模糊控制算法的应用中， 由于人为选取的模糊状态选择器中各变量隶属度具有较大的主观性和盲目性，一 旦选择不当，系统性能的改善就不复存在，甚至还会变得更差。为了解决这个问 题又有学者提出了采用遗传算法来学习转矩误差的隶属度函数分布，以达到进一 步提高转矩响应速度与减小转矩脉动和电流谐波的目的。 ( 3 ) 电压矢量选择方式的改进 直接转矩控制通过定子磁链定向，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 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，虽然在各控制周期的开始时刻控制效果最佳，但是整个控制周期 内的效果却未必最好。为了改善这种情况，减小转矩的脉动，一些研究者提出了 一种新的电压矢量选择方法一预期电压法【2 川；首先根据转矩偏差、磁链偏差 和转速计算出一个能达到最佳控制的预期电压，然后用电压型逆变器的6 个工作 电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它，计算出各自的工作时间，然后用零电 雎补足采样周期。采用该类型的直接转矩控制系统，通过电压合成，每个周期内 一般有两个非零电压和一个零电压以最佳的时间搭配，交替作用，从而相当于将 控制频率增到了两倍或两倍以上，使控制更加准确，性能在整个周期内趋向最佳。 ( 4 ) 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中，低速时定子磁链的观测受定子电阻影响较大， 因此如何准确地检测定子电阻的实时变化，一直是改善系统低速性能的首要问 题。近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题。在一些文献里提到了 一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器1 2 1 1 。该观测器把对定子电阻值影响比 较大的三个因素定子电流、转速和运动时间作为输入量，以定子阻值的变化 作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电 阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改善。 最近又有人提出了用神经网络来实现定子电阻观测器，实验结果也证明是可行 的，但具体的网络结构还有待研究完善。 ( 5 ) 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 a b b o n d a t i 等人首次报道了无速度传感器 矢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 采用模型参考白适应( 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 l d 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i ”，我国也有这方面的论文发表p 1 1 ”i t 堋上述方法 4 贵州大学硕 学位论文 均是针对矢量控制系统设计的，采用的状态变量是定子电流和转子磁链。目i i i ， 我国学者胡育文等也在其文章中啪l 提出了新型自适应速度观测器的理论，直接 将闭环观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中，同时能够辩识出电动 机的转速及电动机参数。 总之，直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。现代控制理论和智 能控制理论( 以模糊控制和人工神经网络为主) 是人们改进d t c 系统最主要的理 论依据：高性能的数字处理器d s pc d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和众多新型的器件的 出现，则为改进d t c 系统提供了强大的物质基础。 随着研究的深入，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻。人们发现通过 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，从软件 方面着手改进系统将是今后的大势所趋，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。 一般认为传统的直接转矩控制采用两个滞环比较器，通过b a n g b a n g 控制实 现对磁链和转矩的解耦控制，而矢量控制的主要目标是采用坐标变换方法对定子 电流进行解祸控制，并间接地实现对转矩和磁链的解耦控制。两者的主要区别在 于：矢量控制一般具有p w m 逆变器和定子电流闭环，而直接转矩控制没有。实 际上，目前的直接转矩控制和矢量控制正在不断地融合，取长补短，区别特征已 经不太明显。例如m a r i o 、m a r e h e s o n i 等人所提出的定子磁场定向控制方法中去 掉了电流闭环l ，仍保留着p w m 逆变器，但是对定子磁链和转矩则采用滞环控 制，这与直接转矩控制十分相似。目的都是实现对磁链和转矩的解耦控制，其控 制目标均是空间矢量，数学模型也都是建立在空间矢量的基础上。两种方法取长 补短相互融合以构成更加优良的控制系统，将是未来的发展方向。 1 3 本课题主要研究内容 国际交流调速技术发展早，加之电力电子器件更新快，交流调速得到了快速 发展，但我国的的交流调速技术研究起步晚，导致与国际先进水平有一定差距。 随着交流调速在工业中的应用日趋广泛，发展交流调速意义重大。 本文对直接转矩控制在交流电机调速中的应用方面做了一些研究，主要内容 如下： 第一、二章在参考浏览大量文献资料的基础上，阐述了电动机调速技术的发 展概况，以及直接转矩控制的发展现状，提出异步电动机的直接转矩控制理论。 并对直接转矩控制中的一些概念和理论进行了较为详细的介绍，给出了论文中直 接转矩控制系统设计方案的理论依据并在此基础上，提出一种新型的定子磁链 和转矩控制器，最终达到了既能降低转矩脉动，又不致使低速时磁链发生衰减， 同时又不影响系统动态性能的目的。无速度传感器技术是交流调速的一个重要研 究方向，本文对转速辨识方法做了简要的理论与仿真分析。 第三章利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块对直接转矩控制系统进行仿真，针 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 对直接转矩控制系统的各个组成环节分别创建其仿真模型。对仿真结果进行分 析，先对直接转矩控制系统进行简单评价，后对改进的控制系统与传统控制系统 的性能进行比较，改进系统性能优于传统系统，达到了预期目的。 第四、五章分别介绍了所设计的直接转矩控制系统的硬件和软件部分，硬件 部分包括主电路板和控制电路板。主电路板实现控制电压的交流一直流一交流的 变换过程，其核心器件采用智能功率模块p m 2 0 c t m 0 6 0 ，开关电源部分采用 u c 3 8 4 2 控制芯片来实现。控制电路板是直接转矩控制理论的物理载体，它利用 电动机控制专用高性能芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来实现。 最后对论文所做的工作进行总结并对今后直接转矩控制的前景作了展望。 6 贵州大学硕士学位论文 第二章直接转矩控制理论 2 1 直接转矩控制的基本概念 为了深入的了解直接转矩控制原理，首先要弄清两个重要的基本概念：逆交 器和空间电压矢量 2 1 1 逆变器 直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生开关 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 在图2 - 1 所示的逆变器中，如果采用正弦波脉宽调$ o ( s p w m ) 技术，可输出 三相对称电流，在电机的气隙旱产生圆形旋转磁场。在直接转矩控制方式里，逆 变器都是山自由关断器件( 如g t o ，o t r , i g b t 等) 构成的，为此可用三个单刀双 掷丌关状态墨，瓯、疋表示，s 。= 1 代表a 相上桥臂导通、下桥臂关断，既= 0 代表a 相上桥臂关断、下桥臂导通的状态，其余两相定义方法相同。这样一来， 根据疋，墨、墨为0 或l 可以组合8 个状态，见表2 1 。与开关信号的八种组合 对应的是电压分量u 。、u 。、“。的八种组合f ，i ，如图2 2 所示，其数学表达式为 式p 1 ) 直接转矩控制正是根据磁链、转矩的不同要求来产生开关信号，控制逆 变器的功率开关，输出相应的相电压给异步电动机，以达到我们的控制要求。 i u 。= e ( 2 s 。一咒一& ) 3 = e ( 2 s 。一只一疋) 3 ( 2 - 1 ) i u 。= e ( 2 疋一只一咒) 3 理想电压型逆变器模型原理图如图2 1 示 图2 1理想电压型逆变器模型原理图 8 种开关状态可以分为两类：一类称为工作状态，即表2 l 的状态“l ”到“6 ”。 一类称为零开关状态，它们的特点是三相负载被接到相同的电位上；如表2 1 中 的“0 ”和“7 ” 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 表2 1 逆变器的8 种开关组合状态 状态0123 4 567 e 0ll000 l1 瓯00l1l0 01 配 0000lll1 2 1 2 空间电压矢量 丌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， | f ! i j 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 堂1 i 的十h 电压，它们在相位上相差1 2 0 0 定义电压矢量：虬( ，) = 詈i ( r ) + ( f 一”+ 甜。( f 弦猁l( 2 2 ) j 。一 图2 2 给出了7 个空间电压矢量的分布，其中( o o o ) 、( 1 1 0 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：状态。4 ”一状态“6 ” 一状态“2 ”一状态“3 ”一状态“1 ”一状态“5 ”逆时针旋转。所对应的开关 状态是1 0 0 一1 1 0 - 0 1 0 - 0 1 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 i , 一一“：一蚝一一蚝零电压矢量7 则位于中心点图2 3 给出在有效电 压矢量的作用下定子磁链的轨迹，可以看到每两个工作电压空间矢量在空间的位 置相隔6 0 。6 个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6 个顶点忡l 。 lp u 2 ( 0 1 0 ) 厂( 1 l o ) 门 【“，( 0 1 0 玑( 1 0 0 1 j lp 虬i0 1 1 、 r 蚝( o o , 叭2 ( o l o ) i 。 。 蚝( 1 0 l 入石6 ( 1 1 0 ) -。f u , 0 0 0 ) 图2 2 电压矢量图2 3 有效矢量作用下定子磁链轨迹 定子磁链空间矢量虮( f ) 顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量 的作用方向，帆( f ) 的运动轨迹平行于。( ，) 指示的方向。下面介绍空间电压矢量 对定子磁链以及电磁转矩的影响 贵州大学碗士学位论文 2 2 空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用 2 _ 2 1 空间电压矢量对定子磁链的作用1 1 7 1 根据对空间电压矢量的描述可知在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量， 则可得到定子磁链的运动轨迹形成正六边形磁链，电压空闯矢量对定孑磁链矢量 。的影响可以通过以下两种方式来实现。 ( 1 ) 在有效空问电压矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效空间电 压矢量作用时，定子磁链缈，沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作用时， 定子磁链虬停止不动。由于零矢量的插入。帆走走停停，所以旋转速度变慢了 如果在插入零矢量后仍保持每个有效空间电压矢量的作用总时间不变，则定子磁 链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，亦即恒转 矩调速。 空问电压矢量对磁链幅值作用如图2 4 所示，其中甜。 一1 ) 为施加的电压矢 量，为电压矢量作用的时间，口为电压矢量与磁通矢量的夹角。图中所示为离 散化后的表示，并且忽略定子电阻的作用。 1 ) 图2 4 定子磁通与电压矢量的关系 由图2 a 分析可得，当所施加的电压矢量与磁通的夹角口小于9 0 。时，该电压矢 量作用的结果使磁通幅值增加；当口大于9 0 。时，电压矢量作用的结果使磁通幅 值减小；当占等于9 0 4 或施加的是零矢量时，磁通幅值基本保持不变 ( 2 ) 改变有效空间电压矢量的交替作用时间，即改变。的旋转速度。由于有 效空间电压矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后定子磁链所围的面 积将会发生变化。作用时间变短，面积将变小，定子磁链矢量的幅值也将变小 因此用这种方法可以控制异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。 9 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 2 _ 2 2 空间电压矢量对电磁转矩的作用 异步电动机电磁转矩的大小不仅与定子磁链的幅值、转子磁链的幅值有关， 还和它们之间的夹角磁通角有关，磁通角从0 0 到9 0 0 变化时，电磁转矩从零 变化到最大值。在实际运行中，一般保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电 动机铁心，而转子磁链幅值由负载决定，因此要改变电动机转矩的大小可以通过 改变磁通角的大小来实现。 直接转矩控制就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定 f 磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁通角的大小来控制电磁转 钌k ( 1 ) 特蠼增大电磁转矩，就施加正向有效空问电压矢量，使电压的幅值足够 人。定r 磁链的转速就会大于转子磁链，磁通角增大，从而使转矩增加 ( 2 ) 若要减小电磁转矩，则施加零电压矢量，定子磁链就会停止转动，磁通 角减小，从而使转矩减小；若要迅速减小电磁转矩，则施加反向有效空间电压矢 量，定子磁链就会向反方向旋转，磁通角迅速减小，从而使转矩迅速减小。 通过转矩调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控 制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小。如图2 5 ，设t 。时刻的定子磁链妒。( ，。) 转子磁链，( f 。) 以及磁通角口( f i ) 的位置如图示。 u ( 0 1 1 ) u ( o i o ) ji u ( 1 1o ) 屦 么u ( o o o ) v v 图2 5 电压空间矢量对电机转矩的影响 ；a t 。时刻到，：时刻，若定子电压空间矢量为“：( 0 1 0 ) ，则定子磁链空间矢量由 瓦“) 向瓦( ，：) 旋转。根据式( 2 1 2 ) ：转子磁链空间矢量的转动速度比定子的小， 因此，从f l 到，：，口( r ) 加大，转矩增大。 j i l l 果在t ：时刻，定子电压空间矢量为零电压，则z ( ，：) 保持在，：时刻的位置 1 0 贵州大学硕士学位论文 不变，而转子磁链空间矢量继续旋转，因此p ( f ) 减小，从而使转矩减小。或者如 果在f ：时刻定子电压空间矢量为蚝0 0 1 ) ，则瓦( f ：) 沿s 1 顺时针转动，而万( f ，) 由 于惯性继续逆时针转动，因此p ( ，) 迅速减小，转矩也就迅速减小。这样通过转矩 两点式瞬态调节来控制o ( t ) ，就能获得高性能的动态转矩特性 2 3 异步电机数学模型回顾 欲弄清直接转矩控制的基本原理，先对异步电机的数学模型作一回顾，弄清 楚控制系统的控制对象。 2 3 1 引言 ”形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，因此， n i 迎移数学模犁时做以下假设： ( 1 ) i 乜机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中正弦分布。 ( 2 ) 电机铁芯的导磁系数为无穷大，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。 ( 3 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响，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，折算后每相匝数都相等。 2 3 2 异步电动机的数学模型 异步电动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。 在对异步电机分析和控制时，均需要对三相进行分析和控制。在此，引入p a r k 矢量变量，将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 两维) 。即从三相坐标变量中，选 三相定子坐标系中的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴口轴重得到图2 6 的( 口、，) 坐标系 图2 6 ( a 、b 、c ) 坐标系与( 口、) 坐标系的关系 三相坐标( a 、b 、c ) 到两相坐标( 口、) 变换矩阵为： 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 c = 三 3 l 11 l 一一2 一一2 、矗小 。了j 与三相物理量x o ( t ) 、x b ( t ) 、t ( f ) 对的对应的p a r k 矢量 j ( f ) = ( 2 3 ) x 。( r ) + 卢h ( ，) + p 2 x a t ) 】 式中p = e ”o ( 2 3 ) 电机中电压、电流和磁链矢量分别定义为： 厅= ( 2 3 ) u 。+ j 似 + p 2 甜。】( 2 4 ) f = ( 2 f 3 ) 【+ 矾+ p 2 】( 2 5 ) 妒= o 3 ) v 。+ p 6 + p 2 。】( 2 6 ) i j ! f jp l ri i ：小标系下的异步电动机矢量方程为 ( i ) i 【lj i i 厅氍：0 ，= r , l + d 妒，廊 ( 2 7 ) 0 = r ，+ d e ，西一- ，妒，( 2 8 ) ( 2 ) 磁链方程：妒，= 三，t + k t ( 2 9 ) 矿，= k 五+ 三，t( 2 1 0 ) ( 3 ) 转矩方程：消去电压方程和磁链方程中的互：和t ，可以得到以定转子磁链 矿，和以为状态变量的异步电机的状态方程 嘲= 套，到r , l , , i - 剐：p t ， 其中电机漏感系数仃= 1 一差若 电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式： 瓦= i 3 ，瓦l m 泓小吾p 瓦l m 肌_ i 眵，i s i i l 口 此外电磁转矩还可以表示成定子磁链和定子电流形式： = 要尸( 矿。讧一皿。) 1 2 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 贵州大学硕士学位论文 ( 4 ) 运动方程 瓦一瓦= 专( 地脚 2 4 直接转矩控制的基本原理 ( 2 - 1 4 ) 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。直接转矩控制的原理仍是采用矢量分析法，在定子静止坐标系下，以空问矢 量概念，对定子磁链定向，通过检测到的定子电压、电流等量，直接在定子坐标 系卜计算和控制电动机的磁链和转矩，然后采用b a n g b a n g 控制器对电机的电磁 转舢厢i 定f 磁链幅值直接进行闭环b a n g b a n g 控制，从而将转矩与磁链限定在两 个滞蚪一h 获得转矩的高动态性能 f 统冲形i u 动机区接转矩控制逻辑图如图2 7 示，矿和譬分别为定子磁链 1 = 1 1 4 j j ! 给定，帛i l 分别为定子磁链和转矩估计值，口为速度给定，d 为实际 速度检测值，已是定子磁链角 图2 7 异步电动机直接转矩控制结构图 2 4 1 定子磁链运行区间判断和幅值计算 定子磁链所在扇区判断方法很多，下面选一种简单方法作一示例： ( 1 ) 为了判断定子磁链儿的当前的空间位置呻1 ，可将定子三相轴线旋转2 l 如图2 8 所示，变为a 1 ，b 1 ，c l 轴线，分别计虬在此三轴上的投影为虬l 、i 、 妒d 则有： = 等+ 譬妒妒 定义如下的丌关函数： = 等一手 ”t 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 s t = o 端， ( k = a i 、b l 、e 1 ) 则通过墨( k = a l 、b l 、e t ) 即可很容易判断定子磁链帆所在的区间，若 4 s o i + 2 s b l + 晶= n ，则定子磁链虬在s n 区问叫= l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ， c l 定子磁链的幅值计算公式： 阮i _ 届2 而石2 p j l，i a l 3 一 ? 以 譬一 2 8 定子磁链空间位置 2 4 2 定子磁链观测与调节 ( 2 1 5 ) 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：u - - i 模型，i 一厅模型，“一玎模型1 4 i 1 ”一i 模型 由异步电动机的空间矢量等效电路可得定子磁链的一种简单的计算式 虬( f ) = i ( ，o ) 一f ，( f ) 足) a t( 2 1 6 ) 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置。，结构如图2 9 所示。 k 材j a 钿 “坩 图2 9 定子磁链一i 模型 用能以足够精度检测出来的定子电压“，( f ) 与定子电流( ，) ，实现起来非常 1 4 贵州大学硕士学位论文 简单该模型在3 0 额定转速以上时，能够较准确的确定定予磁链，而且结构 简单，鲁棒性强。在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观测的 准确性有较大的影响。 2i r 模型 在转速较低时可采用i 一刀模型，在该模型中定子磁链由定子电流与转速来确 定。i - n 模型结构图如图2 1 0 所示，其中l = l 一只 定子磁链方程式如下所示： 。百妨+ y m )2 百切+ y 巾) ( 2 - 1 7 ) 等= 专( ”叫啊百d u , p = 专( 驴州叫。( 2 - 1 8 ) 从式中可以看到，用该模型计算定子磁链不受定予电阻变化的影响，但是受 转子电阻r ，、定子电感t 、转予电感工，、以及互感0 的影响。 图2 1 0 定子磁链i 一栉模型 该模型结构较复杂，并且还要求精确地测量角速度珊，角速度的测量误差对 该模型的结果影响很大 3 “一栉模型 从上面可知，中高速时采用材一i 模型最佳，低速时采用i - 行模型较好，这样 在全速范围内就会有一个模型的切换过程，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“一n 磁链模型该模型由定子电压和转速来获得定子磁链，并且使用了电 异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究 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。 电动机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定予磁链将会不断减 小，因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定子磁 链幅值减小到容差以外，引入磁链调节闭环，由磁链调节器给出一个定子电压空 间矢量，加大定子磁链幅值，这就是磁链调节器所需完成的工作。 磁链的调节过程是通过磁链电压来完成的。所谓磁链电压是指这样一个定子 电压空间矢量，它的主要作用是根据磁链调节器的作用，在需要时被开启用以增 加磁链幅值根据异步电动机的数学模型，在式( 2 - 7 ) 中，若忽略定子电阻r 。 则： y ( ，) = p ，( t ) d t ( 2 - 1 9 ) 从式( 2 - 1 9 ) 可以看出：定子磁链矢量与定子电压空间矢量“。之间为近似积 分关系，并可由此得出定子磁链运动方向与空间电压矢量作用方向一致的结论。 据此，定子磁链任一位置时能够增大磁链幅值的电压矢量有两个，分别是与磁链 运动轨迹成一6 0 。和一1 2 0 的电压矢量本论文选用与磁链运动轨迹成一1 2 0 。的 电压作为磁链电压。 磁链调节的工作要求预先给定一个容差宽度气，它是定子磁链幅值对于给 定值所允许的波动宽度磁链调节器的结构实际上是施密特触发器。对磁链幅值 进行两点式调节，如图2 1 l 所示 图2 1 l 磁链两点式调节 2 4 3 转矩调节及建立开关表 鼬i 为了控制转矩，转矩控制