（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机直接转矩控制系统及性能改善研究.pdf

中南人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s u m m a r yt ot h eq u e s t i o nt h a ti nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t h er i p p l e so ft o r q u e ，c u r r e n ta n df l u xa r el a r g e ，w ed e v e l o po n e s i m p l e ，e f f e c t i v em e t h o db a s e d o nd i s c r e t e s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( d s v m ) b yi n t e g r a t i n gm e t h o do fv o l t a g es p a c ev e c t o rw i t hd i r e c tt o r q u e c o n t r 0 1 t h i sm e t h o dt h a tm o r ev o l t a g ev e c t o rc h o s e ni np e rc o n t r o l l i n g p e r i o di si n t e g r a t e dt ot a r g e tv o l t a g ev e c t o ra c c o r d i n gt ot o r q u e ，f l u xa n d s p e e di n c r e a s en u m b e ro fv o l t a g ev e c t o ro fs y s t e ma n da p p l ym o r es i m p l e m o d u l a t i o nm e t h o d u s eo ft h i sm e t h o dc a l ln o to n l yi m p r o v e p e r f o r m a n c e o fm o t o rt h r o u g hd e c r e a s i n gt h er i p p l eo ft o r q u e ，f l u xa n dc u r r e n tw i t h o u t i n c r e a s i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c yb u ta l s os i m p l i f ym o d u l a t i o no fv o l t a g e v e c t o rw i t h o u ta d d i n gc o m p l e x i t yo fc i r c u i ta n ds y s t e m b a s e do nt h i sm e t h o do fd i s c r e t es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( d s v m ) b y i n t e g r a t i n gm e t h o do fv o l t a g es p a c ev e c t o rw i t hd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 a t r a n s i e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sb u i l tt a k i n g c o r el o s si n t oa c c o u n tt oi m p r o v et h et o r q u ep e r f o r m a n c e am e t h o di s p r o p o s e dt om i n i m i z et h et o t a ll o s sa c c o r d i n gt ot h er e l a t i o nb e t w e e nt h e e m c i e n c ya n dt h er o t o rf l u x ，a n dt h e nt h eo p t i m a lr e f e r e n c es t a t o rf a u xi s g i v e n c o m p a r e dw i t hc o n s t a n tf l u x ，t h eo p t i m a lr e f e r e n c ef l u xs t r a t e g y c a nr a i s er u n n i n ge f f i c i e n c yo fa cm o t o r s ，ad t cs y s t e mu s i n gt h i s m e t h o da p p e a rh i g he m c i e n c yi nma n ，a b s i m u l a t i o n a d o p t i n gt h ed t cm e t h o di n t r o d u c e da b o v ea n dt h es t a t o rf l u x c a l c u l a t i o n ，t h er e s u l t sa r et e s t e db ym e a n so fd s pa n di p m t h er e s u l t s p r o v et h a tt h ec o n t r o ld e s i g ni se f f e c t i v e k e yw o r d s ：d t c ；d s v m ；t o r q u er i p p l e ；s i m u l a t i o n 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：照自垒日期：兰竺盥年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：玉杰垒芝导师签名作者签名：。纽廛缝免导师签名日期必年乒月么日 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题目的和意义 第一章绪论 交流电机作为机电能量转换装置在工业应用中起着重要的作用，是现代工业 领域的主要动力源。与直流电机相比，交流电机因其具有制造与维护简单、耐用、 成本低、可用于恶劣环境等优点而广泛应用于各种工业过程及电力牵引传动应用 中【l i 。7 0 年代以后，随着控制理论的快速发展、电力电子技术日臻完善再加上低 价位高性能处理器普及应用，使高性能交流传动技术得以飞速发展，目前已有取 代直流传动之势，因此对高性能交流调速系统进行研究，顺应了时代发展的需要。 2 1 世纪是绿色、环保、节能的世纪，坚持可持续发展战略是世界各国的研究 重点。众所周知，电机是能源消耗大户，占全球用电量的大半以上。传统能源危 机已经影响全球，为此工业发达国家投入大量人力、财力研究节能措施。如果说 直接转矩控制的提出和应用极大地提高了传动系统的动态性能，但相比之下电机 的优化运行节能却未给予特别重视，原因是多数高性能控制方案是建立在忽略电 机运行中各种损耗基础之上。交流传动系统的高性能加高效率应是在今后相当长 一段时问内理论与技术发展的趋势。高效率意味节电，而节电自然减少对环境的 污染( 火电排放) 。因此研究与开发高性i i ( 含宽调速范围) 、高效率的交流调速系 统具有非常重要和紧迫的意义。 交流电机是典型的高阶耦合无内源的非线性对象，利用非线性控制系统的最 新理论和功能强大的m a t l a b s i m u l i n k 仿真计算工具对其开展高性能高效率调速 系统控制研究是本课题的宗旨，显然这在理论上是有价值的，在应用上，特别是 节能方面也是有意义的。 1 2 直接转矩控制的发展及现状 近年来随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和计算 机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性的 进展，获得了许多创造性的成果。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动 态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电机的控制，以转子 中南大学硕士论文 第一章绪论 磁场定向用矢量变换的方法，实现了对交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。 但是实际上由于转子磁链难于准确观测，系统特性受电机参数影响较大，以及矢 量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。 继矢量控制技术之后，交流调速领域又出现了直接转矩控制理论。该理论是由德 国学者d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t a k a h a s h i 上世纪8 0 年代中期提出的，英 文称为d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 2 3 l ，1 9 8 7 年，直接转矩控制被推广到弱磁调 速技术范围【4 l 并获得了令人振奋的控制效果，因此受到了各国交流传动界的广泛 重视。基本思想是：用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系( 口一) 下采 用定子磁场定向的方法，用交流电机定子侧参数计算出定子磁链和转矩，借助于 离散的两点式调节( b a n d - - b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状 态进行最优控制，在维持磁链幅值不变的情况下，通过调整定子磁链在空间的旋 转速度以控制转矩和转矩增长率，进而控制交流电机的转速【5 l 。直接转矩控制采 取开关状态表查询方式确定开关状态，使控制系统结构简单，易于实现全数字化 这是一种很有前途的控制方法。 直接转矩控制自身具有如下特点：【5 6 j ( 1 ) 直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制其定子磁链和转矩。 它既不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化，也不需要为解耦而简化 交流电机的数学模型，省掉了矢量旋转变化等复杂的计算与变换，使得信号处理 工作十分简单，使观察者对于交流电机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 ( 2 ) 磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就能观测出定子磁链， 这样减弱了转子侧参数变化对控制性能的影响。 ( 3 ) 它采用空间矢量的概念来分析交流电机的数学模型并控制各物理量，使 问题分析变得十分简单明了。 ( 4 ) 它强调的是转矩的直接控制和效果，它包含有两层意思：一是直接控制 转矩，该控制方法不是通过电流、磁链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，它并非极力获得最理想的正弦电流波形，也不专门强 调磁链的圆形轨迹，相反从控制的角度出发，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近似圆形磁链轨迹的概念；二是对转矩的直接控制， 直接将转矩与给定值作比较，把转矩波动控制在一定的容差范围内，它的控制效 果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。 因此，从理论上看，直接转矩控制有矢量控制所不及的转子参数鲁棒性和结 构上的简单性。然而在技术实现上，直接转矩控制往往很难体现出优越性来，调 速范围不及矢量控制宽，其根源主要在于其低速转矩特性差、稳态转矩脉动的存 2 中南大学硕士论文第一章绪论 在及带负载能力的下降，这些问题制约了直接转矩控制进入实用化的进程，甚至 成为它发展难以逾越的障碍1 7 j 。 不过正是由于这些问题的存在，人们才会花很多的时间和很大的精力去研究， 自然而然直接转矩控制技术成为当今电气传动领域研究的热点。在磁链调节器和 转矩调节器的改进方面，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电压空间矢量，只有根据当前转矩t 和定子磁链 ，的实时偏差合理的选择电压空间矢量，使得转矩乃和定子磁链，的调节过程 达到比较理想的状态。显然，转矩、定子磁链的偏差区分的越细，电压空间矢量 的选择就越精确，控制性能也就越能得到改善i 引。 异步电机直接转矩控制技术是随着现代交流传动控制技术的发展，在深入研 究异步电机控制规律基础下的产物。它是异步电机变频调速技术的重要发展方向， 将对异步电机调速系统性能的提高和广泛应用起到巨大的促进作用，因此研究和 开发异步电机直接转矩控制技术具有重大意义和实用价值。 国外一些工业发达国家，在异步电机变频调速领域已经走得很远，采用矢量 控制技术的变频器已经逐渐形成成熟的系列产品，采用直接转矩控制技术的变频 器也已出现( a b b 公司) 一j 。而我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到 上个世纪9 0 年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是v f 控制，调速 性能根本无法与国外产品相比，每年国内的市场只能让给别人，虽然近年来国内 在变频调速方面取得了长足的进步，但是与国外相比还是有很大的差距，要在技 术上尽快赶上先进发达国家，只有提高研究起点，而研究直接转矩控制技术正符 合当今交流变频调速技术发展的趋势。目前研究直接转矩控制系统所需的各种硬 件条件已经具备，如已出现智能化的功率器件i p m ，其电压等级、开关频率都有 很大的提高 5 , 1 1 1 ；数字化控制元件已出现单指令周期1 0 n s 的高速数字信号处理器 ( d s p ) 和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。 经过2 0 多年的发展，d t c 技术已经r 臻成熟，许多学者从不同的角度提出 了新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的发展，出现了许多基于模糊 控制和人工神经网络的d t c 系统，其控制性能得到了进一步的改善和提高。人们 对d t c 系统中各种控制环节的改进研究主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的细化改进 d t c 根据磁链调节器和转矩调节器的输出信号来选取空问电压矢量，不同的 电压矢量对磁链、转矩的作用不同。传统的d t c 系统中磁链调节器、转矩调节器 均采用单滞环控制，即只有一个容差。国内也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、转矩偏差情况被细化，可据此选取相应的电压矢量。 中南大学硕士论文 第一章绪论 偏差越细化，电压矢量的作用越精确，这样，不仅改善了d t c 系统的动、静态特 性，也减小了磁链、转矩的脉动 2 5 - 2 6 】 ( 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 出模糊开关状态的概念，选择器的输入为转矩误差、磁链误差和磁链角的模糊量。 该选择器的应用将使系统响应速度加快、系统超调量减小、抗干扰能力增强。 ( 3 ) 低速性能的改善 传统的d t c 系统中，磁链的计算要用到定子电阻足，在中高速时，如果忽 略足，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，由于定 子电压的减小，被积分的差值很小，产生的积分误差很大。为解决此问题，s a y e e d m i r 等人提出采用模糊控制对定予电阻进行观测的方法，我国也有学者提出模糊 神经网络定子电阻估计方法。同时，也有学者考虑通过电压矢量合成来获得更多 的电压空间矢量，同时将原来的六区间进一步细分，从而改善系统的低速特性。 ( 4 ) 无速度传感器理论研究 传统d t c 系统有速度传感器，存在成本高、安装维护困难、系统易受干扰、 可靠性低、不适于恶劣环境等弊端。因此，无速度传感器技术是当今交流传动 发展的研究趋势。我国学者胡育文等在其文章中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d t c 系统中，同时能够辨识 出电动机的转速及电动机参数【2 6 i 。 ( 5 ) 电机运行效率的改善 随着节能与环保观念的日益深入以及交流变频调速系统应用领域的不断拓 宽，交流电机效率优化必将有着广阔的应用前景。 1 3 电机效率的研究 异步电机调速系统是交流调速领域中应用最为广泛的传动系统，但同时也消 耗了大量的电能，电机的运行效率主要取决于对电机损耗的控制情况，电机的损 耗包括定子、转子的铜损、铁损、机械损耗以及一些附加损耗。而在整个系统中， 还包括逆变器上的开关损耗。 迄今为止，在改善交流电机运行效率方面主要有( i ) 基于在线搜索技术的最 小功率控制策略【7 1 ，( i i ) 基于损耗模型控制策略。前者不需电机的精确模型，在 稳态给定转矩和转速下，不断调整励磁电流使输入功率最小实现效率优化，但它 4 中南大学硕士论文第一章绪论 对输入功率的检测精度有较高的要求，而且算法的收敛时间较长，特别是输入功 率的函数曲线在最小值附近比较平滑时，容易引起系统的振荡和不稳定，因此不 适用于动态频繁的场合；后者是充分考虑电机运行过程中的各种损耗，建立较为精 确的损耗模型，依据电机转速和电流信号，导出不同运行状态下最小损耗励磁电 流，通过运算得到最优的磁链信号，从而实现电机在整个速度范围内始终能够高 效率运行。该方法具有响应速度快，适合各种速度场合等优点，但需要电机模型 的参数信息，因此对损耗模型的可靠性和准确性要求较高。 电机的铜损，也就是热损耗，主要来自定、转子线圈的电阻上的损耗。电机 的铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分，是由于气隙旋转磁密在定子铁心中形成 交变磁通而产生的，与电机铁心的结构参数、电压频率及磁通密度有关，从理论 上很难推导出精确的计算公式。在进行稳态分析时，常采用经验公式。在动态模 型中，若要考虑铁损，可以将电机铁损用一个等效的电阻的损耗表示。而电机的 机械损耗是由于在转动过程中遇到的风阻等摩擦阻转矩造成的。电机的附加损耗 是由于定、转子开槽和定、转子磁势中的谐波造成的，这种损耗不易计算，根据 经验，在大型异步电动机中的附加损耗约为额定输出功率的0 5 ，而在小型铸铝 转子中可达到额定输出功率的1 3 左右。 因而对于电机损耗的研究必须要考虑电机铁损，尤其是定子的铁损，在不改 变控制性能的前提下，找到一种和损耗相关的电机参数，从而通过控制这个参数， 尽量使电机的铁损和铜损达到最小。例如根据电机的效率和定子d 。q 方向上电流 的比例关系，从而得出最大效率时的和f d 。的比率只和电机参数和电源频率有 关，计算出最大效率时的滑差值，从而通过滑差控制使电机运行在最佳效率。在 矢量控制中，也可以推导出电机的损耗和转子磁链的关系，通过求极值的方法， 得到最优效率下的转子磁链的值。电机的效率控制方法还有很多，如保持输出功 率恒定，寻找使输入功率最小的工作点i 。2 1 。通过调节v f 的值，可以调节电机运 行在最佳效率的工作点1 3 】，或应用模糊控制器在调节励磁电流同时考虑力矩电流 分量从而达到铜损和铁损的总体最d d v 1 。也有把功率因子作为被控量优化效率， 具有高灵敏度和容易控制的特点，通过迭代逐步改变磁通大小，直到找到最优效 率的工作条件l j 川。 综上所述，人们对d t c 系统的研究往往还是从改善系统的某些性能方面出 发。由于传统六区问控制策略存在低速区定子磁链( “一i 模型) 观测不准，转矩脉 动较大而引起转速波动的缺点。因此，人们提出各种改进措施，包括将原六个区 间细分，采用d s v m 方法选择更多的电压空问矢量来改善调速系统性能( 将在第 三章详细提到) 。同时，传统控制策略存在轻负载时损耗过大而导致效率低下的问 中南人学硕士论文 第一章绪论 题。有鉴于此，才有了本课题的研究交流电机直接转矩控制系统性能改善。此课 题提出的目的是通过选择更多的电压矢量，来改善系统的低速特性，同时，对交 流异步电机损耗模型进行分析，运用最优控制理论来实现电机效率的优化，并通 过试验验证。 1 4 本文的研究内容 针对交流电机这一非线性、强耦合控制对象，作者以改善直接转矩控制系统 的调速性能及效率优化为目标，改进了磁链观测模型切换的方案，并且对电机效 率进行了研究，通过对考虑铁损的电机模型的研究，设计出一种异步电机最小损 耗效率优化控制方法，结合直接转矩控制策略，给出了一种高性能、高效率的节 能型变频调速系统。整个论文大体分以下几个部分： ( 1 ) 深入了解直接转矩控制原理基础，在定子坐标系下推导异步电机数学模 型，分析电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响等。 ( 2 ) 引出离散空问矢量概念，采用空间电压矢量数学方法，在定子坐标系下 分析电压空问矢量与定子磁链和电磁转矩的关系；建立直接转矩控制基本架构， 用数学方法理论实现直接转矩控制，并仿真研究证实其可行性。 ( 3 ) 分析了最小损耗效率优化控制相关策略，重点考虑最小损耗模型控制策 略，考虑交流电机运行过程中的各种损耗，建立包括铁损的较为精确的异步电机 损耗模型推导出损耗最小时电机的参数，通过推导得出损耗和磁链的关系，计算 在损耗最小时磁链的值。由此提出了最小损耗效率优化控制策略。 ( 4 ) 直接转矩控制系统的硬件和软件实现。先简单介绍t i 公司数字信号处理 器：t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，然后给出系统的硬件设计，包括功率器件i p m 、电流采样电 路等，最后论述了系统的软件设计，开发软件采用c 语言编程。 ( 5 ) 总结全文工作，讨论不足之处及展望，并提出下一步继续研究的工作。 6 中南大学硕士论文第二章直接转矩控制的基本原理 第二章直接转矩控制的基本原理 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调 速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电机 的控制方法，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速 和磁链控制的完全解耦。它的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于 转子磁链难于准确观测、系统特性受电动机参数的影响较大以及在模拟直流电动 机过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的 结果。直接转矩控制针对电机的核心变量作直接控制，具有反映速度快、起动转 矩大、易于控制等优点。本章从异步电动机的数学模型入手，阐述了直接转矩控 制系统的基本原理，对系统的各部分结构进行了介绍和分析。 2 1 异步电机的数学模型 交流异步电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强耦合的多变 量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论交流异步电机的数学模型 前假设电机有如下特性1 1 6 1 ： ( 1 ) 电机三相定、转子绕组完全对称。 ( 2 ) 电机定、转子表面光滑，无齿槽效应。 ( 3 ) 电机气隙磁动势在空间正弦分布。 ( 4 ) 铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。 在满足上述理想电机假设条件下，经推导可得异步电机在静止坐标系下的数 学模型i _ 1 7 】。对于分析直接转矩控制系统眦9 1 ，采用空间矢量的数学分析方法，以 定子磁链定向，建立在静止口一正交定子坐标系上，图2 1 是异步电机的等效电 路。 图2 - 1 异步电机空间矢量等效电路图 7 b 中南大学硕士论文第二章直接转矩控制的基本原理 图2 一l 中各量的恿义如f ： 越，定子电压空间矢量； i ，、定子、转子电流空问矢量； 帆、 定子、转子磁链空间矢量； r ；、三单相定子电阻、电感； r ，折算到定子侧的单相转子电阻； 三，单相转子漏感与定子漏感之和； 电角速度( 机械角速度和极对数的积) 由图2 - 1 可以得出定子电压方程和转子电压方程 地= 足+ 警 q - 瞻一巾妒。 而定子磁链与转子磁链 vs = l 毒s 十l r 中r = l r t r 七l m t s 定子旋转磁场提供的功率 一弘扣等。习3百dg,。p。等一，力2 盖r e ( 音：) 2 i 百t a + 等) 式中，。是定子旋转磁场的频率。且 等= j c ol 虬饥) 由方程( 2 6 ) 可得出下面两个方程式 dgt：删，三0=喇，胪dt l 叩1 1 坤 盟：口，口，。：，。dt 5。7 “ 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 代入式( 2 5 ) ，得转矩 l = ( 胆f ，一胪f ，。) 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变为简明得形式，即 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 中南大学硕士论文第二章直接转矩控制的基本原理 l = 了1 一了3 ( 舻缈，。y 少咿) ( 2 - 1 0 ) l 口 式( 2 1 0 ) 表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可写成 l = 号川川s i n 口 ( 2 1 1 ) 式中，汐为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机，而转子 磁链幅值由负载决定。式( 2 1 1 ) 表明，当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒 定不变时，只要改变它们两者之间的夹角就可以改变转矩，这实际上就是直接转 矩控制之所以简单的根本所在。 2 2 逆变器的开关状态及电压空间矢量 逆变器【2 i ) 】如图2 2 所示，每一组的上下两个开关器件的状态相反，这样逆变 器共有8 种开关状态组合1 2 1 2 2 1 。逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同 时导通，处于开关互逆状态。 _ 一 2 巧 一 2 图2 - 2 三相桥式逆变器原理图 用墨、瓯、瓯来描述三相开关器件的导通情况，如芝= 1 ，表a 相桥臂上管 开通，下管关闭。墨= o 表a 相下管开通，上管关闭。根据墨、咒、s o 为0 或为 1 ，可以组合出2 3 = 8 个开关状态。这8 种可能的开关组合状态如表2 1 。其中以f ，砂 表示逆变器的输出电压状态的空间矢量，其数学表达式为 9 中南大学硕士论文第二章直接转矩控制的基本原理 下图2 3 为逆变器输出电压波形。 il t d i j l i i 卜1 卜一i iill llil 国t 7 - 1ili i il i iill i il i - p 。 liill ii li 国t 7 卜_ 1r _ - 1 iili 、 iiil 厂1ii il 一i ilii lill 缈t 7 i - - j i i i 0 l l0 0 1i1 0 li1 0 01 1 00 1 0 i ：2 ：3 ：4 ：5 ：6 图2 3 逆变器输出与对应电压波形 根据逆变器的基本理论，在不输出零状态电压的情况下，逆变器的相电压波 形、幅值及开关状态和电压状态的对应关系为： 1 0 中南大学硕士论文第二章直接转矩控制的基本原理 ( 1 ) 由逆变器相电压的波形图可直接得到逆变器的各开关状态； ( 2 ) 由相电压的波形图得到的各开关顺序与表2 1 中规定的顺序完全一致； ( 3 ) 电压状态和开关状态都是六个状态为一个周期，从状态“1 ”到状态“6 ”， 然后再循环； ( 4 ) 相电压波形的幅值是两个：詈= ；e 和j 1u 。= 詈e 。 把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次 序就有了空间的概念。在这里我们引入p a r k 矢量变换，选三相定子坐标系中的a 轴和p a r k 矢量复平面正交的实轴重合，则其三相物理量u 。、“。、甜。的p a r k 矢 量u 。( ，) 为 姒归乳心p 垮饥p ，竽i 像1 3 ) 一l 。， j 从而我们可以得到逆变器的7 个电压状态，( 0 0 0 和1 1 1 为零状态) 六个为有效电 压矢量，幅值均为2 3 ，相邻矢量相差6 0 。，把整个平面均匀的划分成六个扇 区如图2 4 。 u ( 0 1 1 ) u,，(0 1 0，)浚-3 0 0 0啦口 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 2 1 1i x 7 a v 、 图2 - 4 电压空间矢量在坐标系中的离散位置 2 3 直接转矩控制的基本原理 电机速度的调节最终是通过对转矩的调节来实现的，直接转矩控制的特点就 中南大学硕士论文 第二章直接转矩控制的基本原理 是直接控制电机的输出转矩，使其紧密跟随转矩给定。图2 ，5 为典型的直接转矩 控制系统框图，整个系统是一个磁链、转矩双闭环系统。速度给定以与电机的速 度观测值进行比较后经过一个p i 调节器输出转矩给定信号r 。另一方面系统 检测三相定子电流和电压，经坐标变换转化到静止坐标系，由此计算电机的电磁 转矩正、磁链幅值t 和磁链所在的扇区。磁链和转矩的给定和反馈信号送入转 矩和磁通比较器，其差值经砰砰( b a n g - b a n g ) 控制器输出转矩和磁链控制信号。 开关状态选择器根据不同的扇区、转矩和磁链控制信号确定下一个时刻逆变器的 开关状态，从而确定电机的端电压，保证电机在定子磁通不变情况下转矩满足负 载的要求刚。 图2 - 5 直接转矩控制系统原理框图 从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几部分组成： ( 1 ) 磁链、转矩观测器：由电流、电压的采样值经过3 2 变化按照电机数学模 型计算出异步电机的定子磁链和转矩； ( 2 ) 磁链调节器：为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系 统采用两点式控制，输出磁链控制信号； ( 3 ) 转矩调节器：利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控 制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩： ( 4 ) 开关状态选择单元：根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置， 输出合适的开关状态s a b c 来控制逆变器驱动电机稳定运行。 直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、 相电流的采样值经3 2 坐标变换，得到一0 坐标下的分量，再按照异步电机的 定子磁链和转矩模型计算出实际转矩z 和定子磁链虬的两个分量、虬口，这样 中南大学硕士论文 第二章直接转矩控制的基本原理 就可以计算出定子磁链幅值忱l 和磁链位置p ( 疗) 。将测量得到实际转速和给定转 速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩 c 。将给定转矩r 和疋送入转矩调节器，得到转矩控制信号辱，磁链调节器根 据给定磁链幅值l 虮l 和磁链幅值1 l 的差值输出磁链控制信号0 。最后开关状态 选择单元根据磁链控制信号乞、转矩控制信号弓和磁链位置目( ”) ，查逆变器开 关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。 下面简要地分析一下这些基本组成部分。 f 1 ) 速度p i 调节器单元 木 由图2 5 可知，给定转矩t 由给定转速d 和实际转速。偏差经过速度p i 调节器得到。根据异步电动机运动方程丢譬= 正一瓦可知，电磁转矩与速度偏差 之间存在比例积分的关系。因此，通过速度调节器能获得期望的转矩值，实现转 矩的闭环控制。参数通常根据实际情况进行整定。 佗) 磁链和转矩滞环比较单元 定子磁链计算采用较为简单的u i 模型， = i ( u s i s r s ) a t 磁链与定子电压之间的关系为 ( 2 1 4 ) 确定。由于定子电阻通常比较小，在分析时忽略钉子电阻压降的影响，则有 p 5 d t ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 表明单位时间内的定子电压矢量就是磁链矢量的增量，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。从而，控制异步电机的输入电压矢 量，就可以控制定子磁链的大小、旋转方向和速度。 磁链的调节通过滞环比较器图2 - 6 实现。定义磁链误差为毁刊i _ i 致i ， 将误差进行滞环比较，当误差超过允许值就进行电压切换，使误差控制在滞环宽 度内。调制规则为： 当墨知时，凡= 1 ，此时选择电压矢量使得i tl 增加；当一知时， 巳= 0 ，此时选择电压矢量使得i ti 减小；当l 墨l o 时，转矩增加。 ( 2 ) 当施加落后于当前定子磁通的电压矢量，使得d t e d t o 时，转矩减小。 在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心；转子 磁链幅值由负载决定；要改变电动机的转矩大小，可通过改变磁通角护( f ) 的大小 来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量( f ) 来 控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链，以改变定子磁链的平均旋转速度国。的 大小，从而改变磁通角p ( f ) 的大小，达到控制电动机转矩的目的，如图2 1 0 所 示。 图2 1 0电压空间矢量对电机转矩的影响 t l 时刻的定子磁链虬( ，1 ) 和转子磁链( ) 及磁通角o ( t 。) 的位置如图2 1 0 。从 t l 时刻考察到t 2 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量屹( f ) = u , ( 0 1 0 ) ，则定子磁 链空间矢量由虬( f 1 ) 的位置旋转到妖( ，2 ) 的位置。转子磁链的位置变化实际上不受 1 7 中南大学硕士论文 第二章直接转矩控制的基本原理 该期间定子频率的平均值缈。的影响。因此从t l 时刻到t 2 时刻这段时间里，定子磁 链的旋转速度要大于转子磁链旋转的速度，磁通角由目( r 。) 变大为p ( f ，) ，相应的转 矩也会增大。 若从t l 时刻考察到t 2 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为零电压空间矢 量，则定子磁链空间矢量的位置虮( ，1 ) 保持静止不动，而转子磁链空间矢量却继 续以缈。的速度旋转，从而磁通角将减小，从而转矩将变小。因此，通过合理控制 电压空间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 均速度织的大小。直接转矩控制通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩 特性。 2 5 本章小结 本章在介绍异步电机数学模型的基础上，结合空间电压矢量系统地介绍了直 接转的基本原理和基本结构，并详细分析了电压空间矢量对转矩和磁链调节及其 影响。本章是以下各章节的理论基础。 1 8 中南大学硕士论文第三章离散空间矢量调制技术 第三章离散空问矢量调制技术 直接转矩控制认为是一种能够实现高精度和高动态性能的异步电动机新型控 制策略可靠解决方案，目前一直是交流调速研究的热点。但其本身也存在不足， 如转矩和电流脉动大等。为了改善电动机的驱动特性，无差拍控制技术【2 8 - 3 0 】被引 入直接转矩控制系统。无差拍控制的基本思想是利用本次采样周期得到转矩的给 定值与反馈值之差和定子侧电压方程求解出下一采样周期使转矩误差和磁链误差 为零的空间电压合成矢量，达到转矩和磁链无差拍的目的。无差拍控制方法从理 论上可以使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，弥补传统d t c 的b a n g b a n g 控制的不足，改善电动机运行性能。但由于它不能同时满足磁链和转矩无差拍控 制，因此需要复杂的计算使磁链和转矩能同时满足磁链和转矩无差拍控制，因此 需要复杂的计算使磁链和转矩的无差拍控制能达到最优，实现就比较困难。在无 差拍控制的基础上一些研究者又提出了预测控制3 1 1 1 3 2 】【3 引，即根据转矩与磁链的偏 差计算出下次输出的预期工作电压矢量。该电压矢量在一个采样周期的作用效果 可以用两个有效电压矢量和一个零矢量合成等效，即空问电压矢量调制方法，虽 也能很好的达到系统性能的改善，但电路系统的复杂性增加。对于传统直接转矩 控制系统，究其原因在于一个周期只发一个电压矢量，数目较少，所发的电压矢 量无法与目标电压矢量一致，从而引起在低速时，转矩波动加剧【3 4 肼】【3 6 1 。如果在 每个控制周期内选取多个电压矢量来合成目标电压矢量，采用无差拍控制中的电 压矢量的选取方法与预测控制方法的电压矢量的合成方法，将能降低转矩波动， 从而提高逆变器的开关频率来提高系统的性能。 本章就介绍这种基于离散电压矢量调制方法的直接转矩控制系统，这种方法 可以在不增加开关频率的前提下明显改善转矩和电流波动，且不增加系统和电路 的复杂性。 3 1 直接转矩控制的转矩脉动分析 直接转矩控制系统中，在控制转矩脉动的同时还要求控制磁链轨迹近似为圆 形。在扇区切换的同时，电压矢量方向突然改变，引起磁链幅值的显著减少，这 种畸变反映在电流上引起电流的畸变，频率越低，这种畸变现象越明显。可见在 直接转矩控制系统低速运行中，造成低速转矩脉动较大，电流畸变较为严重的主 要原因归纳如下： ( 1 ) 内部影响因素是当采用u i 模型时，定子电阻随温度影响而变化，引起 1 9 中南大学硕士论文第三章离散空间矢量调制技术 磁链观测器的积分误差变大。 ( 2 ) 外部因素是由于电路硬件结构的限制，可选的电压工作矢量数目较少， 且离散的电压值直接造成电流、转矩的脉动，特别是在一个采样周期内输出单一 的电压矢量，引起的转矩脉动是最大的，这种脉动包含周期性的成分。 因此，直接转矩控制中的转矩脉动直接影响到传动系统的速度特性，不但会 造成系统的稳态误差、到达稳态时问延长，还会导致速度的脉动，在低速时尤其 严重。要提高转矩的平稳性和控制性能，最直接的方法就是尽可能地缩短采样周 期，这样所有的波动都将减小，但在实际系统中，采样周期不可能无限制地缩短。 目前许多学者针对转矩脉动问题提出了很多方法，但大多数方法计算比较复杂， 增加了系统复杂程度，部分丧失了原有的简单直接的特点。论文将介绍一种离散 空间矢量调制方法来改进直接转矩控制的低速性能。 3 2 离散电压空间矢量调制( d s v m ) 的理论基础 我们由第二章异步电机的数学模型分析式( 2 1 ) ( 2 4 ) 可得磁链空问矢 量方程式f 3 7 】 d 妒。 d l d y ， d l 愿 o l s l r r ，l m 仃l x l r r s l m o l s l r r p 一盖 盼 斗 ( 3 1 ) 式中，。2 ，t2 t 邝- 1 一薏。 由状态方程第二行得 _ d q , + 【上一j r o ：墨l 虮 ( 3 2 ) d ta 1 t6 飞血 式( 3 ，2 ) 表明转子磁链在定子磁链作用下的动态响应是一阶低通滤波器特性， 从而决定了在定子电压矢量作用下定子磁链的迅速变化使定转子磁链角发生迅速 变化，造就转矩的快速响应，即转矩的迅速变化。说明了d t c 系统具有优异的转 矩响应。 设采样时间为r ，将方程( 3 2 ) 进行离散化处理，得 + = 吖卜击出) 批去叭出 ( 3 _ 3 ) 中南大学硕士论文 第三章离散空问矢量调制技术 砒卜吒一卜去& 协4 ， 从方程式( 3 3 ) 可以明显看到定子磁链与电压空间矢量的变化相关。由转矩 方程式 z = 箍( 虬叫 ( 3 - 5 ) 离散化可以得到k + l 时的电磁转矩 “= o 杂g r m ) o 6 将式( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 代入式( 3 - 6 ) ，可以得到在+ 。时刻的转矩 气+ = 不+ 瓦1 + 瓦： ( 3 7 ) 式中， 五，：一t 。( 土+ 土) 垒 ( 3 8 ) t s t r o t k 2 。去 巾川 出 ( 3 9 ) 由式( 3 - 7 ) ( 3 - 9 ) 可知，+ 。时刻转矩变化主要由a t , 1 ，瓦，两部分组成， 其中瓦。只与电机定转子参数相关，且为减少转矩。互：表明了所选择的电压空 间矢量对转矩变化的影响，当给定一电压空问矢量甜时，转矩变化则与彩n 的 当前值有关。对于在不同的转速下使用同一电压空间矢量则会产生不同的转矩变 化效果，这也是传统的d t c 控制策略转矩脉动较大的一个原因。 3 3 电压矢量的选择 传统d t c 技术使用电压型逆变器的8 种开关状态产生相应的8 个电压空间 矢量，每个控制周期只输出一个工作电压矢量，电路的硬件结构限制了工作电压 矢量的数目。本文采用离散的空间矢量调f l j ( d s v m ) 方法，即通过对两电平逆变 器输出的6 个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成， 获得更多的电压矢量达到对转矩和磁链更精确的控制。为便于选择不同的矢量电 压，将整个空间分成6 个扇区，每个扇区范围为6 0 。，分别用s 、s 、最表示 ( 为了下文的高速区的应用，这里把每个扇区分为正负扇区) 。如图3 1 所示 中南大学硕士论文 第三章离散空间矢量调制技术 u u ：【u 出j i ， 墨一& + 、s s h 瓯一 、i 7 ，4 ( 1 0 。) & ：、么7&u ( | 1 ，一 ，o r - - ，。墨 口 s “。j 。 点。、7s 一 u ( 1 l o ) s + ，在原点 品一 一 u 6 ( o l a ) 图3 - 1 电压空间矢量及扇区定义 电压矢量与电机电磁转矩并不是线性比例关系，即电压矢量作用于电机后， 定子磁链的建立需要一个过程，转子磁链与定子磁链的是一阶惯性环节( 如式 ( 3 - 7 ) ) ，因此合成电压矢量( 每一电压矢量作用时间相等) 与目标电压矢量只要在相 同短时间内对定子磁链作用效果相同，那么，所产生的电磁转矩也基本相同。在 图3 2 中示出了几个合成空间电压矢量，例如空间电压矢量3 3 2 以1 3 采样时间t 对电机电磁转矩的作用效果与基本电压矢量以、以、以各以采样时间址对电机 电磁转矩的作用效果是基本相同的，其它合成空间电压矢量的含义以此类推，其 中z 表示零电压矢量。 上面分析了产生转矩脉动的原因以及电压矢量选择原则，现把电压矢量的选 择原则归纳如下： ( 1 ) 可用三个电压矢量各作用l 3 采样周期的合成空间电压矢量代替基本电 压矢量： ( 2 ) 非零电压矢量的作用效果应该让磁链增量尽可能与磁链轨迹圆周的切线 方向相一致； ( 3 ) 为了让电磁转矩较快速减小可以选择与圆形磁链轨迹相反的非零电压矢 量