（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的感应电机直接转矩控制研究.pdf

幕十t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应l 乜机直接转矩挣制研究 表格。 系统主回路采用三相交流直流一三相交流的方式给感应 电机提供电源：三相不控桥整流，直流部分采用大电容储能滤 波，以i p m 构成三相电压源逆变器。控制电路以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，配以各种辅助电路。文中给出了详 细的主电路和控制电路硬件设计。在此硬件平台基础上，文中 设计了相应的控制软件，包括预充电程序、显示程序、电机测 速程序、信号检测程序、坐标变化程序、控制算法程序、p w m 程序等。控制软件采用c 语言编程、模块化设计。 本文最后给出了实验的相关波形，并对实验结果进行了分 析，验证1 r 算法的可行性。 关键词：感应电机，直接转矩控制，滞环控制器，开关表格， t m s 3 2 0 f 2 8 】2 北京交通太擎硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 f 2 引2 的感应电机直接转矩控制研究 r e s e a r c h0 nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l o fi n d u c t i o nm o t o rb a s e d0 nt m s 3 2 0 f 2 812 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec 彻t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r ( d t c ) s e n s e ss t a t o rl i n e v o l t a g e sa n ds t a t o rp h a s ec u r r e n t s ，c a l c u l a t e s 也er e a lv a l u e so f s t a t o rn u xa n dt o r q u ei nt h es t a t o rr e f e r e n c e 矗卸：1 1 e ，t h e nc o n t r o l s 也e s t a t o rn u xa 1 1 dt o r q u ed i r e c t l yb ym ee r r o r so fs t a t o rf l u xa r l d t o r q u e c o m p a r e dw i 也f i e l d - o r i e n t e dc o n 仃o lo fi n d u c t i o nm o t o r ( f o c ) ，d t ci sn o v e la 1 1 ds i m p l e ，a i l di td o e s n tr e q u i r er o t a t i n g c o o r d i n a t e 舰n s f o 咖a t i o n ，a n di tl st o l e r a n tt or o t o rp a r 锄e t e r s ，a n d t l l em o s ti m p o r t a n tt h i n gi si t se x c e l l e n td y n 嘲i cp e r f o r m a l l c eo f t o r q u ec o n t r 0 1 t h a r l l ( st oi t sa d v a n t a g e s ，d t ci sm o r ea n dm o r e p o p u l a ri nc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e so f i n d u c t i o nm o t 0 r s ow es t u d y m ed i r e c tt o r q u ec o n n o lo fi n d u c t i o nm o t o ri nt h i sp 叩e r t h em a t h e m a t i cm o d e li st | l eb a s i co fr e s e a r c ha n da i l a l y s i so n i n d u c t i o nm o t o r ，s o f i r s t l y t h i s p 印e rd e v e l o p s t h ed y n a m i c m a t h e m a t i cm o d e l so fi n d u c t i o nm o t o ri nt 1 1 e t w o p h a s es t a t i o n a r y r e f e r e n c e 加m e 锄dt l l es y n c h r o n o u s l yr o t a t i n gr e f e r e n c e 觑吼e a n dm e e q u i v a l e n tc i r c u i t so ft 1 1 e s em o d e l sa r eg i v e n b a s e do nt h e m a t h e m a t i cm o d e l s ，m i sp a p e ri n 廿o d u c e st l l eb a s i cp r i n c i p l eo f d i r e c tc o n t i o lo fi n d u c t i o nm o t o r ，a n ds u m m a r i z e st 1 1 e p o p u l a r d i r e c tt o r q u ec o n n l o ls c h e m e s ，w h i c hi n c l u d ed i r e c tt o r q u ec o n 打o l b a s e do ns w i t c h i n gt a b l e ( s t - d t c ) ，d i r e c ts e l fc o n t r o l ( d s c ) ， 幕于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应】乜机直接转矩挎制研究 d i r e c t t o r q u e c o n t r o lb a s e do n s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ( d t c - s v p w m ) ，a n d s oo n t h e nm i sp 印e rc h o o s e ss t _ d t ca sm e s c h e m eo ft 1 1 es y s t e m ，b e c a u s eo fi t sn e a r l ys i n u s o i d a ls t a t o rn u x a n dc u r r e n tw a v e f o m s ，e x c e l l e n tt o r q u ed y n a m i cp e r f o m a n c e ， s i m p l i c i t ya n dr e a l i z a b i l i t y t h ef e a t u r e so ft h es t - d t cs c h e m ei n t h i sp a p e ri n c l u d e ：c l o s e dl o o ps t a t o rn u xa n dt o r q u eo b s e e r ， m o d m e dt o r q u eh y s t e r e s i sc o n t r o l l e r ，o p t i m i z e ds w i t c h i n gt a b l e t h ei n d u c t i o nm o t o ri sp o w e rs u p p l i e db yt h r e e - p h a s ea ct o d c ，d ct ot h r e e p h a s ea cs y s t e m ：d i o d e b r i d g er e c t i f i e r ，l a 曙e c a p a c i t a n c eu s e df o rs t 嘶n ge n e 唱ya n d6 i t e r i n g ，a n dv 0 1 t a g es o u r c e i n v e r t e r ( v s i ) c o m p o s e do fi n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) t h e c o n t r o l l i n gs y g t e mi sb a s e do nd s pt l s 3 2 0 f 2 8 1 2a n da s s i s t e db y o m e rc i r c u i t s b a s e do nt h e p o w e rs y s t e ma n dt 1 1 ec o n n 0 l l i n g s y s t e m ， t h i s p 印e rd e s i g n s t l l e c o m r o l l i n g s o 觚a r ep r o g r 锄， i n c l u d i n gp r e - c h a r g ep r o 目a m ，d i s p l a yp r o g r a m ， m o t o r s p e e d s e n s i n gp r o g r a m ，s i g n a ls e n s i n gp r o g r a n l ，c o n t r o l l i n ga l g o r i m m p r o g r a m ，p w mp r o g r a ma n ds oo n t h ep r o g r a m sa r eb a s e do nc l a n g u a g e ，a n da r ed e s i g n e di nm o d u l a r i z a t i o n f i n a l l y m ee x p e r i m e n t a lw a v e f o m l sa r eg i v e ni nm ep a p e r ，a j l d 也ee 丘e c t i v e n e s so f 也ep r o p o s e da l g o r i t l l mh a sb e e nv e r i f l e db y t 1 1 ee x d e r i m e mr e s u l t s k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，h ”e r e s i s c o n t r o l l er ，s w i t c h i n gt a b l e ，w 峨s 3 2 0 f 2 812 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 第一章绪论 1 1 交流调速技术发展回顾o 2 1 上个世纪，随着生产技术的不断发展，直流拖动系统暴露出越来越多 的不足，诸如直流电机制造复杂、维护麻烦、容量较小以及使用环境要求 较高等，这些都使它的应用受到很大的限制。于是，人们开始转向结构简 单、运行可靠、便于维护的交流电机的调速研究。最初，交流调速技术进 展缓慢，其调速性能很难满足生产要求。五、六十年代以后，随着电力电 子器件和微电子器件的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域 的渗透，使得交流调速在很大范围内都得到了有效的应用，并且其调速性 能只趋优良，甚至达到了可以和直流调速相媲美的地步。 宅动机的控制可分为古典控制和现代交流调速两个阶段。古典控制是 种力学系统的控制，主要考虑电动机稳态特性，亦即起动、调速、制动 的控制。例如，调速是研究由一个状态到另一个状态的速度变化状况，对 电磁变化的过程考虑甚少，且着重于动力学的过渡过程，由于力学惯性时 间常数大于电磁时间常数，从而掩盖了电磁过渡过程所起的作用。 电力电子器件的发展为现代交流调速奠定了坚实的基础。5 0 年代末出 现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电 压，取代旋转变频机组实现了变频调速。然而晶闸管属于半控型器件，可 以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器应 用于交流调速时必须附加强迫换相电路。7 0 年代以后，功率晶体管( g t r ) ， 可关断晶闸管( g t 0 ) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) ，绝缘栅 双极晶体管( i g b t ) ，m o s 控制晶闸管( m c t ) 等先后出现，这些器件都是 既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它使得逆变 器结构简单、紧凑。其中i g b t 由于兼有m o s f e t 和g t r 的优点，是应用于 北京交通大学硕士学位论文 1 皋于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感戍电机直接转矩挡制研究 中小功率系统中最为流行的器件，m c t 则综合了晶闸管的高电压、大电流 特性和m o s f e t 的快速丌关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开 关器件。8 0 年代以后出现了智能功率模块( i p m ) ，集功率开关器件、驱动 电路、保护电路于一体。由此可见电力电子器件正在向大功率化、高频化、 模块化、智能化方向发展。 伴随着电力电子器件的不断发展，交流变频调速技术获得了飞速的发 展。脉宽调制( p w m ) 逆变器取代方波逆变器使得s p w m 逆变器及其专用芯 片得到了普遍应用。磁链跟踪型p w m 逆变器以不同的开关模式在电机中产 生实际磁链去逼近定子磁链的给定轨迹理想磁链圆，也就是用空间电 压矢量方法决定逆变器的开关状念，形成p w m 波形，由于其控制简单、数 字化方便，有取代传统s p w m 的趋势。研究人员发现，p w m 逆变器的工作 频率的进一步提高主要受限于开关损耗，近年来研究出的谐振型逆变器应 用谐振技术在零电压或零电流状态下进行开关状态转换，开关损耗几乎为 零，使效率提高，成本降低，是比较有发展前景的变频器。 在变频技术不断向前发展的同时交流电动机的控制技术也取得了突 破性的进展。早期通用变频器大多采用开环恒压频比( v ，f = 常数) 的控制方 式。其优点是控制结构简单、成本较低：缺点是系统性能不高，转矩响应 慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而 使得性能下降等。这种控制方法适合于风机、水泵等调速场合。后来增加 了电流环，称之为转差频率控制，这种方法在控制性能方面得到了改善， 但系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，并没有考虑过渡过程，因而 在动态响应方面仍不尽如人意。后来研究者又提出了一些改进的方法，但 是由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 由于交流电机是一个高阶、非线性、强耦台的多变量系统，与赢流电 机相比，其转矩控制要困难的多。7 0 年代提出的矢量控制理论解决了交流 基十t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感心r l 直接转矩控制研究 电机的转矩控制问题。矢量控制，又称为磁场定向控制( f i e l d0 r i e m a t i o n c o n t r 0 1 ) ，即把磁场矢量的方向作为旋转坐标系中坐标轴的基准方向，电 动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1 9 6 8 年首先由 d a r n l s t a d e r 工科大学的h a s s e s 博士发表，1 9 7 1 年西门子公司的b 1 a s c l l l ( e 又将 这种一般化的概念形成比较系统化的理论，并以磁场定向控制的名称发 表。矢量控制应用坐标变换将三相静止系统等效为两相静止系统，再经过 按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量和转矩分量之 间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和转矩分别进行控制的目的。这样 就可以将一台三相感应电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速 系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 矢量控制技术的提出具有划时代的意义，然而，在实际中应用中，由 于转予磁链难于精确观测、系统特性受电动机的参数影响较大、在模拟直 流电动机的控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果 难于达到理想的水平。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b m c k 教授首先提出了一种新的电机控制理 论直接转矩控制理论( d i r e c tt 0 r q u ec o n 仃o l 简称d t c ) 。直接转矩控制 与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是 把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制采用定子磁链定向，直接在 定子坐标系下计算磁链和转矩，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佳控制，对电机磁链和转 矩进行直接自调整控制，以获得转矩的最高动态性能。由于直接转矩控制 无须对定子电流进行解耦，省掉了复杂的矢量旋转变换，克服了矢量控制 系统对电机转子参数的依赖性，控制结构简单，信号处理的物理概念明确， 便于实现全数字化，是一种具有优良静、动态性能的交流调速方法，目前 正受到各国学者的普遍重视。 罐十t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 随着现代控制理论的发展，交流电机的控制也获得了长足的进展，非 线性解耦控制、神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制方法不断地向 电机控制领域渗透，展现出广阔的发展前景。 1 2 本课题研究任务及意义 随着交流电机使用范围的越来越广，交流电机的控制技术也引起了人 们更多的重视。直接转矩控制技术作为交流电机的一种新型控制理论，省 掉了复杂的矢量旋转变换，克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖， 控制结构简单，具有广阔的应用前景和研究价值。 本课题是本实验室在感应电机直接转矩控制领域内的预研课题，为将 来直接转矩控制技术实际应用作技术储备。 本文详细讨论了三相感应电机的直接转矩控制原理，并在实际系统中 进行了研究验证。第二章中介绍了坐标变换的概念，并建立了感应电机 在各个坐标系下的数学模型。第三章介绍了感应电机的直接转矩控制概 念，归纳了现有各种直接转矩控制方法的优缺点，选择了适合本课题要求 的控制方法。第四章和第五章分别介绍了本系统的硬件实现和软件实现。 第六章中给出了系统的实验结果，并对其进行了分析。最后说明了实验过 程中遇到的问题、系统实现的程度和一些仍需解决的问题，并得出了相应 的结论。 本文作者作为感应电机直接转矩控制预研项目的负责人，承担了项目 的主要工作： 夺深入地研究了感应电机直接转矩控制的工作原理及各种控制策略，根 据系统特点采用了基于开关表格的直接转矩控制技术( s t d t c ) 冷设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的感应电机直接转矩控制系统，并进行 了软、硬件调试和系统试验。 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 第二章感应电机的数学模型 2 1 三相坐标系中的数学模型”“” 感应电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要对它进行深 入研究就必须建立一个适当的感应电机数学模型，这是研究交流调速系统 静态和动态特性及其控制技术的理论基础。 在分析感应电机的负载曲线、输入电压电流关系时，通常采用电机的 单相等效电路。但是这种等效模型只在稳态条件下有效，在调速系统中由 于电机构成了闭环的一部分，必须考虑其动态特性，显然这种模型是不适 用的。以下建立感应电机的多变量动态模型。 该模型的建立基于以下假设：( 1 ) 具有对称的两极、三相绕组( 转子 亦等效为对称三相绕组形式) ；( 2 ) 气隙光滑、均匀，忽略电机槽楔影响； ( 3 ) 不考虑磁路饱和、铁心损耗和集肤效应。无论电机转子是绕线式还是 鼠笼式的，都等效成绕线式转子，并折算到定子侧，折算后的每相匝数都 相等，这样实际电机绕组就被等效为图2 1 所示的三相感应电机物理模型。 图2 一l三相感应电机的物理模型 f i g u r e2 1p h y s j c a lm o d e lo f t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r 图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为参考 坐标轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴间的电 北京交避大学硕士学位论文 5 皋于t m s 3 2 0 f 2 8 2 的感应电机直接转矩控制研究 角度e 为空间角位移变量。并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合 电机惯例和右手螺旋定则。这时，感应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。 ( 1 ) 电压方程 + 幄 ( 2 1 ) ( 2 ) 磁链方程 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，因此六个绕组的磁链可以表示为： 一c l 8 c 上c c 三口c 三6 c 以 上式中电感矩阵的对角线元素三。 ( 2 2 ) 厶三。，k ，k 是各 绕组的自感，其余各项则是绕组问的互感。 定子绕组自感：上。= 上。= 上。= 厶， 转子绕组自感：k = 上。= 上。= 厶， 互感的情况比较复杂，可分为两类。一类是定子三相绕组之间的互感 和转子三相绕组之间的互感，由于它们之间相对位置固定，故互感为常数， 其值为三3 。c o s l 2 0 。= 3 。c o s ( 一1 2 0 。) = 一3 。2 ，即： 丌jiiioiiiioioi且 o o o o o o o o 0 o o o o o o o o b o o o o r 0 0 0 0 r o o o 0 0 蛳鲫 咖蛳蜥 啊憎，配b咯0伽伽缈缸伽胁 m助助助伽助如 伽伽伽伽伽如 占 口 占 日 日 b瑚缈助伽伽 肼 删 “ 鲥 枷 州m 埘删m 埘助卧 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 三坩= 三坍= 三( _ = 三删= 三( 增= 三小= 一三3 2 三曲= 三k = 上憎= 三h = t = w = 一三3 。2 另一类是定子任一相绕组与转子任一相绕组之间的互感 间相对位置是变化的，互感是角位移目的函数，其值分别为 三一d = 上训= 8 6 = 6 占= 上c c = 三c c = 三3 卅c o s 口 一6 = 三鲥= 三b c = 上c 占= 三c h = 上4 c = 3 mc o s ( 曰+ 1 2 0 。) 三一c = 上叫= 三鼬= 上d 占= 三c b = l 6 c = 上3 卅c o s ( 曰一1 2 0 0 ) 如果把式( 2 2 ) 即磁链方程代入式( 2 1 ) 即电压方程 的互感与位置角曰之间的关系，则展开后的电压方程为： 由于它们之 并考虑上述 帅( 埘蜊+ 三等+ 豢m 罢+ 嘉捌 s ) 以上各量均为矩阵，式中驯西项属于电磁感应电动势中的脉变电动 势( 或称变压器电动势) ，新t 比d 口项属于电磁感应电动势中与转速成 正比的旋转电动势。 ( 3 ) 转矩方程 由电磁转矩等于电流不变只有机械角位移变化时磁场储能对机械角 位移的偏导数，可以得到下式： t = i h 一：，”r 【( 一+ + r ) 8 i n 口+ ( + 如+ 1 )( 2 4 ) s i n ( 口+ 1 2 0 。) + ( f l 。+ i 月i 。+ f ( 靠) s i n ( 口一1 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，上述电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相感应电机调速 系统具有实用意义。 ( 4 ) 运动方程 壮于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感成电机直接转矩控制研究 瓦一咒2 鲁警 ( 2 5 ) 由以 ：方程式可知，感应电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子、转子电流之间的相互影响。其根本原因在于 存在一个复杂的电感矩阵，即影响磁通和受磁通影响的因素太多了。因此， 要简化数学模型，须从简化磁通关系着手。 2 2 坐标变换。4 。5 “1 2 21 坐标变换的引入 直流电机的数学模型比较简单，其原因在于电枢磁动势的方向和励磁 磁动势的方向是垂直的，因此它们之间没有耦合，可以分别控制电机的转 矩电流和励磁电流。如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电 机的模式，则电机的磁通关系就大大简化，通常利用坐标变换来实现这种 磁通关系的化简。 这种通过改变坐标系来研究电机模型的理论称为参考系理论 3 “。5 】， 该理论起源于上世纪2 0 年代束，当时r h p a r k 引入了一种分析电机的新 方法，他通过建立起一种变量变换，将同步电机定子变量变换到固定于转 子的参考坐标系上，这种变换被称为p a r k 变换，它引起了电机分析方法的 一场革命。3 0 年代米，h c s t a l l l e y 将交流电机的转予绕组变换到固定于定 子的坐标系上：5 0 年代初g 鼬o n 将交流电机定、转子的变量同时变换到 随旋转磁场同步旋转的坐标系上；5 0 年代末d s b r e r e t o n 将交流电机的定 子变量变换到固定于转子的参考坐标系上，这个变换本质上是p a r k 变换在 交流电机j ：的应用。到了1 9 6 5 年，p c 鼬a u s e 提出了一种一般化的变换， 北宗交通太学碰士孥位论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的赙斑电机直接转矩控制研究 这种变换把定、转子变量变换到按任意速度旋转的坐标系上，它涵盖了前 人对交流电机所做的所有变换。 通常坐标变换包括以下两种变换，根据空间矢量概念，先进行三相 两相静止坐标变换，将定、转子变量由与各自绕组相对静止的三相坐标系 转换到两相静止坐标系上，再进行坐标旋转，将定、转子变量都归结到相 对于定予绕组以同步角速度旋转的旋转坐标系上。 2 2 2 三相两相静止坐标变换 三相两相静止坐标变换是将交流电机定、转子变量分别由与各自绕组 相对静止的三相坐标系中变换到两相静止坐标系中，也即将定、转子均为 三相绕组的电机变为定、转子均为两相绕组的电机。 目前相关文献中采用的静止坐标变换方法并不统一，而由不同变换方 法得出的电机模型也不相同，容易引起混淆。文献 6 对静止坐标变换方法 进行了总结，归结为三种变换方法，它们分别基于不同的变换原则，如下 所示： r 等效电机原则 ，合成矢量不变原则 l 非等效电机原则一 【变量瞬时值不变原则 图2 2 定子坐标系的三相两相变换 f i g u r e2 - 2t r a n s f o 啪a l i o nb e t w e e n3 p h a s e 锄d2 p h a i ns 协l o rc 0 0 r d i n a t e s 北京交涟太学硕士学位论文 9 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感心电机直接转矩控制研究 本文采用的变换基于等效电机原则。等效电机原则是指变换前的三相 电机与变换后的两相电机具有相同的功率和磁动势，在电、磁两方面完全 等效。下面以定予坐标系的变换为例来说明这种变换方法，如图2 2 所示。 假定变换前定子电压空间矢量为霸定子电流空间矢量为毛，定子 磁动势空间矢量厶，如下式所示： 霉3 = 材爿+ 口“日+ d 2 2 0( 2 6 ) 3 = + 如+ 口2 如( 2 7 ) 厶= 虬毛( 2 8 ) 2 0 式中，d ：c 一7 了； 3 ：变换前电机定子三相绕组每相等效匝数； “月、“8 、：变换前三相电机的定子相电压； 、如、毛：变换前三相电机的定子相电流； 变换后定子电压空间矢量为i n ，定子电流空间矢量为t ：，定子磁动 势空间矢量z ：，如下式所示： 厅。2 = “未+ ，“未( 2 9 ) 2 = 缘+ ，匕( 2 1 0 ) 如= 2 乏2( 2 1 i ) 式中，2 ：变换后电机定子绕组每相等效匝数； “未、“未：变换后两相电机的定子相电压： 锰、毫：变换后两相电机的定子相电流； 因为坐标变换前后磁动势保持不变，则： 2 = 正，( 2 1 2 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感心电机直接转矩控制研究 七= 2 3 ( 2 2 4 ) 将上式分别代回式( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可以得到相同的三相 静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵c 3 小。： c 引：，= 夙另；岩翻 口z s ， 有关转子坐标系和磁链空问矢量变换方法与此相同，文献 6 】中给予了 详细推导，可以看到其变换关系与定子坐标系相同，这里从略。 在实际的控制系统中通常检测的是定子两路线电压和定子两路相电 流，因此实际应用时需利用电流的三相平衡关系以及线电压祁相电压的关 系对式( 2 2 5 ) 进行变形，得到如下应用较多的变换式： 孽2 1 37 誓，后 ( 2 - 2 6 ) i = ( + 2 如) 2 。 水叫一叫“：攥 ( 2 - 2 7 ) | “基= ( 一甜 b 一“f _ ) 2 、。 2 2 3两相静止两相同步旋转坐标变换 图2 3 定子坐标系的两相静止两相旋转变换 f i g u r e2 32 巾h a s es t a t i o n a r yf r a m et os y n c h r o n o u s l yr o t a t i n gf r a m e 1 t a n s f o m l a l i o ni ns t a t o rc 0 0 r d i n a t e s 1 2 l 椿糍通大学颧士孥位论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感成电机直接转矩摊制研究 两相静止两相同步旋转坐标变换是将交流电机定、转子变量分别由与 各自绕组相对静止的两相坐标系中变换到两相同步旋转坐标系中，即把两 相d3 一g3 上的绕组变换到位于d 。一g 。上的假想绕组上。以定子坐标系中 的电流变换为例来说明该变换，如图2 3 所示，其中包= 甜。，。 d 5 一g 。坐轴上的电流可以通过下式变换到d 。一9 8 坐标轴上： 荪= 喽c o s 眭+ 景s i n 吃( 2 2 8 ) 五= f 品c o s 岛一味s i n 眈 ( 2 2 9 ) 以上的变换关系可以用两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变 换矩阵c 2 m ，表示： c 。们，= 盖黝 ， “2 一l “n 乱c o s 以f u 。ju j 由于转子坐标系以国，的转速旋转，所以其变换矩阵的不同之处在于 见= ( 。一，弦= “，。 2 3 数学模型。“砌 2 3 1 同步旋转坐标系中的动态模型 为得到数学模型，首先需要把两相静止坐标系中的电路和变量用同步 旋转坐标系中的相应量来代替。在d 5 一目5 坐标系中有以下定子电压方程： “未= r 。稼+ p 未( 2 - 3 1 ) 品= 五。喀+ p 妒品 ( 2 3 2 ) 这里未和妒鑫分别为d 5 和9 5 轴的定子磁链。当把这两个方程变换到 d 。一g 。坐标系，就可以得到以下方程； “塞= r 。眩+ p 未一。p 基 ( 2 - 3 3 ) 1 丽甄蔽霸丽潭函蔽可 基于t m s 3 2 0 f 2 8 i 2 的感应电机直接转矩控制研究 品= 三。蠡+ ，二( 2 4 3 ) p ；。= 三。磊+ 三。f 喜 ( 2 4 4 ) 可以看到上式所描述的d 。一口8 坐标系磁链方程比三相静止坐标系上 的磁链方程( 2 2 ) 简单的多。其主要原因是：变换到二相坐标系上以后， 由于两轴互相垂直，它们之间没有互感的耦合关系，互感磁链只与本轴上 的绕组有关，所以每个磁链的分量只剩下两项了。 图2 4 同步旋转坐标系中感应电机动态模型的等效电路 f i g u r e2 4d y n a m i cd 8 一9 9e q u i v a l e n tc i r c u o f l n d u c t i o nm o t o r 令彩，= 嚷一彩，将以上的电压方程和磁链方程综合成矩阵的形式为： “： “盖 “二r “：r r 。+ l 。p m 。三， 上。p 。i l m 一甜。三， r 。+ l 。p 一国s ，三m 三。p 三。p 。上。 月，+ 上，p l ( 2 4 5 ) 由文献【4 】可知电机转矩可以表示成以下通用的矢量形式： 疋= n ，( 瓦，)( 2 4 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 1 5 协4哳口。 叮iioiiioiin k p 妇 细“舢十 一 一 桀于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 第三章感应电机的直接转矩控制方法 3 1 直接转矩控制的基本原理” 感应r 乜机的直接转矩控制，是将逆变器的控制模式和电机的运行性能 作为一个整体来考虑的控制技术。感应电机的定子磁链控制是通过控制电 机的输入 u 压柬实现的，当对称的三相正弦电压j 口在对称三相绕组时，在 电机的气隙中将产生其有恒定幅值和恒定旋转速度的磁通，电机将处于理 想运行状念。当电机由一个三相逆，叟器供电时，电机的磁场取决于逆变器 供电的模式，而供电电压取决于逆变器的开关模式。因此感应电机的定子 磁链就可以通过控制逆变器的丌关模式束实现。直接转矩控制的目标之 一，就是建立磁链和逆变器之间的关系，通过逆变器丌关的j 下确切换，使 电机气隙磁场成为或接近一个圆形旋转磁场。 对电机输出转矩进行直接控制，是调速系统获得高动态性能的芙键。 矢量控制系统是对电机定子电流进 j 解耦，通过 x 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 置如图3 2 。 图3 2开关状态和基本电压空间矢量的对应关系图 f j g u r e 3 - 2s w i t c h i n gs t a t e sa f l db a s i cv o l t a g es p a c ev e c t o r so fi n v e r t e r 3 1 3 定子磁链控制原理” 式( 3 一1 ) 经过变形推导可以得到： 妒。= j ( 露，一只，f 。) 击( 3 7 ) 如果忽略定子电阻压降，则上式可表示为： 妒，“j 玩出( 3 8 ) 州叭o ；，f 矿 孤箩题 f t ( 1 0 0 ) 一( d ) 图3 3 定子磁链矢量控制原理图 f i g u r e 3 3t h eb 1 0 c kd j a g r a mo f c o n t r o lo f s t a c o rf l u xl i n k a g ev e c t o r 则从式( 3 8 ) 中可以得知，定予磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为 北京变通犬学硕士学位论文 2 l 耩于丁m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应i u 机直接转矩挣制研究 积分关系。如图3 3 所示，s s 。是f 六边形的六条边，当妒；( f ) 在图中 所示位置时，如果逆变器加到电机定子上的电压空间矢量为面。( 0 0 1 ) ，则根 据关系式( 3 8 ) 可知，磁链的变化量妒。的大小与作用电压的大小和作用 时间成正比，且驴。的变化方向与作用电压的方向一致，因此，定子磁链 空闯矢量妒。( f ) 的顶点将沿着与电压空间矢量五，( 0 0 1 ) 平行的屯边，朝着其 所作用的方向运动。当痧，( r ) 运动到氏与s 。的交点，时，如果电子电压空 间矢量变为i ，( 1 0 1 ) ，则妒，( ，) 的顶点会按照与西。( 1 0 1 ) 相平行的方向，沿着 边s 。的轨迹运动。如果逆变器的，r 关模式为零电压状态疋( o o o ) 或开。( 1 1 1 ) ， 则妒，( f ) 在空间就停止不动。逆变器采用六阶梯波运行时，每隔6 0 。电角度 时逆变器就会切换一个开关状态，按照上面的定子磁链矢量轨迹分析， 妒。( ，) 的顶点会依次沿边j 。凡的轨迹运动，形成了正六边形的磁链， 每条边代表一个周期磁链轨迹的l 6 。 3 1 4 电磁转矩控制原理”“ 在式( 3 1 ) 到式( 3 4 ) 中消去i 和i ，可以得到定、转子磁链空间 矢量的状态方程如下： 嘲= 一上l o t 。 o t 。l ， 告以一毒 剐牛 。， 式中。r ，= ，胄，r ，= 三。r 由状态方程( 3 9 ) 的第二行可以得到： p 旷，十( 上一，珊，) 矿，：兰 矿， ( 3 1 0 ) o z r o z ，l 式( 3 一l o ) 表明：转子磁链矢量在定子磁链矢量作用下的动态响应是一 1riiijpj 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应电机直接转矩控制研究 阶低通滤波特性。因为转子电路的滤波作用，转子磁链变得平稳，所以在 任何情况下，转子磁链矢量都是以同步转速沿着近似于圆形轨迹运动。 即随着定子电压矢量的作用，定子磁链矢量的旋转速度迅速变化，而 转子磁链矢量由于一阶滤波特性始终保持同步转速，从而得到转矩角( 定 子磁链矢量和转子磁链矢量之间的夹角) 的迅速变化。 同时从( 3 5 ) 式中得知，定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的相对运动 是产生转矩的关键。电磁转矩的大小与转矩角的正弦成正比，转矩角迅速 变化，就可得到电磁转矩大小的迅速变化。 如果所加的定子电压矢量使得定子磁链矢量谚。( f ) 快速地向前运动，则 转矩角增大，电磁转矩增大；如果所加的是零电压矢量，则定子磁链矢量 静止不动，而转子磁链矢量继续匀速旋转，则转矩角减小，电磁转矩减小。 这就是直接转矩控制系统中电磁转矩的控制原理。 3 1 5 感应电机赢接转矩控制基本原理”1 通过上面的分析可知，控制逆变器不同的开关状态，即控制定子电压 空问矢量，就可以控制定子磁链的大小、旋转方向和旋转速度，同时可以 控制转矩角的大小变化，也就可以控制电磁转矩的大小变化，这就是感应 电机直接转矩控制的基本原理。 综上所述，对于电压型逆变器供电的三相感应电机的特性，我们得到 如下的几点结论： ( 1 ) 逆变器输出定子电压矢量只能是两种状态一种非零电压矢量， 一种是零电压矢量。 ( 2 ) 在规定了 x 捧于t m s 3 2 0 f 2 引2 的感施电机直接转矩控制研究 ( 3 ) 反向工作电压矢量，使得定子磁链向后旋转。 ( 4 ) 逆变器采用六阶梯波运行时( 无零电压矢量) ，定子磁链矢量沿六 边形轨迹运动。 ( 5 ) 转子磁链矢量在任何情况下，都是以同步转速沿圆形轨迹运动。 3 2 定子磁链和转矩观测器 在感应电机的直接转矩控制系统中，需要对电机的定子磁链和转矩进 行观测，观测值精确与否，直接关系到直接转矩控制系统的控制性能。 3 2 ，1 传统式定子磁链和转矩观测器 f i g u r e 3 4t h e 引o c kd a g r 帅o f t r a d i t i o n a lo b s e r v e ro r s l a t o rf 1 u xa n dt o r q u e 在实际的控制系统中通常检测的是定子两路线电压“。、甜。和定子两 路相电流i 。、如，经过3 s 2 s 坐标变换后，可以得到： p 3 他并 ( 3 1 1 1 ) i = ( + 2 ) 2 心叫一叫“( ? 麓 ( 3 - x 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应i b 机直接转矩拄制研究 将定子磁链矢量妒，、定子电压矢量厅，、定子电流矢量乏在二相静止坐 标系d 一9 5 下分解，可以得到： y 五= f ( “二一r 。f 二) 曲 蠹= f ( 甜二一胄。f 0 ) 出 妒i 届再毋 1 3 以= a r c t a n ( 二：) 式中，：定予磁链矢量痧，在空间的电角度 ( 2 ) 转矩观测器 根据公式( 2 - 5 3 ) 和( 2 5 4 ) ，可以得到： 牌2 蟹+ 蟹 ( 3 _ 1 4 ) l p 去= 厶f 0 + 三。f 善 经过变形整理可以得到转子电流嘻、0 的表达式： 髀2 吁一缨謦1 5 ) 【芬= ( y 鑫一三，) 上。 。 将矗、0 的表达式带入电磁转矩公式( 2 5 2 ) ： t = 疗，三。( 薯一f 0 ) 得到新的转矩表达式： 瓦= ，( 童一蠹) ( 3 1 6 ) 3 2 2 前馈式定子磁链和转矩观测器“”1 如果定子电阻在电机运行过程中始终为恒值，则传统式定子磁链和转 矩观测器在电机的整个转速范围内都是具有足够的精确度的。但是，在电 机的运行过程中，定子电阻是时刻变化的，变化值最大可能达到初始值的 5 0 。因为感应电机的直接转矩控制算法在很大程度上依赖于定子磁链 堆十t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感臆电机直接转矩控制研究 矢量的控制，而定子电阻的变化所引起的误差，会导致定子磁链偏离它的 理论轨迹，从而影响直接转矩控制算法的精确性。 为了改善传统式定子磁链和转矩观测器在的缺点，在基于l u e n b e r g e r 观测器理论”1 的基础上，学者们提出了前馈式定子磁链和转矩观测器。 从图3 5 可以得知，在前馈式定子磁链和转矩观测器中，“。、“。不是 通过直接检测定予电压得到的，而是通过检测中间直流电压信号，配 合以逆变器的丌关信号s 。、岛、& ，得到。如s 。m = o l l 时，可以得知定