（电力电子与电力传动专业论文）异步电机直接转矩控制及其数字化实现研究.pdf

西南交通大学磙士研究生学位论文 第li 页 a b s t r a c t d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) h a s b e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n t c o n t r o lm e t h o d si n i n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l s y s t e mj n s t b e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s s i m p l ec o m p u t a t i o n ，l o w s e n s i t i v i t y t om o t o rp a r a m e t e r ，a n d g o o dd y n a m i ca sw e l l a ss t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt o t h e d i s a d v a n t a g e si n l o ws p e e dr e g i o n ， t h ea u t h o rh a sm a d es i m u l a t i o n sa n d a n a l y s i s ，a n dp u t f o r w a r da s t r a t e g y t o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo nt h eb a s i so fs t u d y i n gb a s i c t h e o r i e so fd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 t h ew h o l e d i g i t a li m p l e m e n t a t i o nw i t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e di nt h et h e s i s t h er e a s o n sf o r p e r i o d i ct o r q u er i p p l e sr e s u l t i n g f r o m c 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 ( d t c ) a r ed i s c u s s e d ，i nd e t a i l an e w t o r q u ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y i s a d o p t e d ，w h i c hi s u s e dt or e d u c e t h e t o r q u er i p p l e s i nl o w s p e e dr e g i o n a n d i m p r o v e t h e s t e a d y p e r f o r m a n c eo fs y s t e m 。s i m u l a t i o n ss h o wt h ev a l i d i t yo ft h es t r a t e g y ， t h es t a t o rf l u xe r r o rb e t w e e nl pf i l t e ra n dap u r ei n t e g r a t o re s t i m a t o ri s a n a l y z e d t h i st h e s i sp r e s e n t san o v e ls t a t o rf l u xc o m p e n s a t i o nm e t h o d i nl o ws p e e d r e g i o n b a s e do nt h e v o l t a g e m o d e lw i t haf o r mo f l o w p a s s ( l p ) f i l t e r t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o di s d e s c r i b e di nd e t a i l i t i sb a s e do nr e g u l a t i n gt h ec u t o f ff r e q u e n c yo ft h el o w p a s sf i l t e rw h i c h v a r i e sw i t ht h ef r e q u e n c yo ft h es t a t o rc u r r e n td e t e c t e di nt h el o ws p e e d r e g i o n t h em e t h o do fr e a l i z a t i o ni nd i g i t a ls y s t e mi sp r e s e n t e d t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o nh a v es h o w nt h a tt h ed r i y ep e r f o r m a n c e sg a i n i m p r o v e dw i t ht h ec o m p e n s a t i o np r o p o s e di n l o ws p e e di ni n d u c t i o n m o t o rd t c s y s t e m ，w h i c hc o n f i r m st h ev a l i d i t yo ft h i sc o m p e n s a t i o n m e t h o d ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 t h et h e s i si l l u s t r a t e st h ec o n t r o lt h e o r i e so fi n d u c t i o nm o t o ri n d e t a i la n dd e s i g n sad t cs y s t e mw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i pa n dt h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) a r eu s e di nt h i ss y s t e m ，t h ea d o p t i o no fd s pa n di p mh a sr e a l i z e dt h e c o m b i n a t i o no fa d v a n c e d t h e o r y a n da d v a n c e d d e v i c e f i n a l l y ，t h e t h e s i ss u m su pt h ew h o l ew o r ko ft h et h e s i sa n dp r e d i c tt h ed i r e c t i o no f f o r w a r ds t u d ya sw e l l k e y w o r d ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ；t o r q u er i p p l e s ；s t a t o rf l u x e s t i m a t i o n ；i n v e n t o r l o w s p e e dr e g i o n ；d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ；c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 交流电气传动的发展及现状 2 0 世纪6 0 年代以前，电气传动的8 0 为交流不调速传动，1 8 为直流可调速传动，仅有2 是交流可调速传动。凡是要求调速范 围广，速度控制精度高，动态响应性能好的场合，几乎全都采用直 流电动机调速系统”1 。由于直流电动机传动系统磁场电流和电枢电 流可以独立迸行控制，它的调速性能和转矩控制特性比较理想，可 以获得良好的动态响应。然而由于其结构上存在的问题，使其在使 用和设计容量上受到限制。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机， 具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、不需要经常维修、可以更高 速运转、适用于恶劣环境等优点面得到了广泛应用，但其缺点是调 速比较困难。异步电动机调速唯有定子供电频率调速最为方便“1 ， 而且可以获得优良的调速性能。但变频电源在长时间内没有得到很 好的解决。自上世纪7 0 年代开始，电力电子技术的发展开创了交流 调速传动的新纪元。目前，交流传动系统在性能方面取得了很大提 高，具备了宽调速范围、高精度、快速动态响应及四象限运行等良 好的动态性能“1 ，使得交流传动取代直流传动的愿望已经变为现实。 交流传动系统之所以能有如此巨大迸步，主要得益于电力电子学、 微电子学和控制理论的飞速发展，尤其是先进控制策略的成功应用。 随着计算机控制技术的快速发展，人们对数字化信息的依赖程度越 来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时为了提高 交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 1 1 1 变压变频( v v v f ) 调速 交流调速中的变压变频( v v q f ) 调速主要应用于风机水泵节能 调速，满足工艺要求的平滑调速，高动态性能调速“1 。而目前比较 成熟的高性能交流电机变频调速技术有矢量控制( v c ) 和直接转矩 控制技术( o m c ) 。尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系 统的动态特性得到显著改善，但也带来一些问题，即太理论化”1 ，实 现时要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的 参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随 湿度和励磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性 使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子 磁链能精确知道，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍 然存在。8 0 年代中期德国的d e p e n b r o c k 和日本的t a k a h a s h i 相继提 出了异步电动机的直接转矩控制技术( d t c ) ，该方法一经提出便受 到了学术界广泛的关注。直接转矩控制技术根据转矩误差和磁链误 差选取电压空间矢量，直接控制逆变器的开关状态，从而获得系统 良好的控制特性。直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它 在理论和实践上还不够成熟，如存在低速性能不好、带负载能力差等 问题。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没有新一代高速的微 处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。目前，d t c 已被东洋电 机、a b b 用于大功率传动产品。 1 1 2d t c 无速度传惑器技术及研究热点 为了提高d t c 系统的控制性能，应采用速度闭环控制，即需要 检测或计算电机的转速。传统的转速检测装置多采用测速发电机或 光电数字脉冲编码器。有些高动态性能控制，由于设备上无法安置速 度传感器，或者新一代高性能通用变频器之中需要无速度传感器【5 j 。 此外速度传感器的安装不仅增加了设备的硬件投资，而且还存在安 装与维护困难；同时机械上的误差还将影响检测精度和控制性能， 导致系统可靠性下降；还有在一些潮湿、粉尘等恶劣环境，不适合 于传感器的工作。因此相关的理论与技术也成为近年来交流传动领 域的热门研发内容之一【6 】。这种系统由于需要推算磁通和转速，增 加了控制软件的复杂性和计算量。但随着微电子技术高速发展，出 现了具有高速运算能力的电机专用微控制器，为无速度传感器电机 控制的发展提供了可能。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者提出了诸多方法对转速进 行估算。如文献f 7 】中，采用扩展卡尔曼滤波器信算电机转速，建立 以定子电流和转子磁链为状态变量，以转速为参数的电机状态方程， 将状态方程线性化，根据卡尔曼滤波器的递摧公式估算转矩。卡尔 曼滤波器具有抑制噪声干扰，提高状态估计准确度的优点，但其计算 工作要大，而且线性化的结果可能引起系统不稳定，甚至发散；此夕 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 卡尔曼滤波器的状态估计精度同样会受到电机参数变化的影响，因而 鲁捧性差。在文献【8 】、【9 】中采用模型参考自适应法估算转速，它的 主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，将含有待估计参 数的方程作为可调模型，并且两模型具有相同物理意义的输出量， 利用两模型的输出量的误差构成合适的自适应律来估计可调模型的 参数，以达到控制对象的输出跟踪参数模型的目的。但其参考模型 和可调模型都与电机参数有关，电机参数的准确程度直接影响到速度 估计的准确性和辩识系统的可靠工作。由于神经网络具有逼近任意 非线性函数的能力，且神经网络具有自学习和白适应能力以及较强 的抗干扰，所以文献【1 0 】中采用神经网络进行转速的估计。但神经网 络控制器主要凭经验设计，对系统性能( 如稳定性和鲁棒性) 缺少客观 的理论预见性。目前，基于神经网络的转速估计方法尚处于起步阶段。 文献f 1 1 】、【1 2 】中把电机的非线性数学模型采用局部线性化理论中的 线性变参数的方法可较好的辨识电机参数，可以达到估计转速的目 的，但其研究理论复杂，尚处于探索阶段。目前各种d t c 无速度传 感器理论研究和企业应用尚不成熟，各种方法仍处在不断探索与完善 之中。 尽管目前已有很多方法可以实现速度辨识，但仍存在许多问题尚 待解决，如系统精度、复杂性和可靠性之间的矛盾，低速性能的提高 等。今后，无速度传感器控制的研究方向应为“：提高转速估计精 度的同时改进控制性能，增强系统抗参数变化、抗噪声干扰的鲁棒 性，降低系统的复杂性，追求简单性和可靠性。 1 2 数字化交流调速传动的物质基础 1 ，2 1 功率器件 随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术 及微型计算机数字控制技术在实际应用中相继取得重要进展以及市 场对交流传动需求的增加，交流调速技术取得了飞速发展。主功率 器件是功率变换器实现能量变换的物质基础。主功率器件的发展经 过了三个阶段：2 0 世纪5 0 年代中期出现的晶阐管和后来发展的快速 晶阐管，是第一代电力电子器件。它是一个半控型器件，工作频率 低，一般采用电网电压强迫换流，这样就会对电网和被驱动电器造 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 成谐波损耗，构成的逆变系统复杂。2 0 世纪7 0 年代中期出现了集成 度和工作频率高、功能强的全控型电力电子器件。如大功率晶体管 ( g t r ) 、门极可关断晶阐管( g t o ) 、场效应晶体管( m o s f e t ) 及静电感 应晶体管( s i t h ) ，这些都是第二代电力电子器件。g t o 属门极电流 脉冲开关型功率器件，是除i g c t 外目前容量最大的电力电子器件 ( 6 0 0 0 a ，4 5 0 0 v ) ，它的最大缺点是，关断损耗太大( 为导通功率的 2 0 以上) ，开关频率低( 小于2 k ) ，还必须要有专门的吸收电路：g t r 具有工作频率高、通态压降低的优点，但存在= 次击穿和耐压难以 提高的缺点，一般用于中等功率以下；s i t h 的通态压降低、工作频 率高、开关损耗小，但由于制造工艺复杂，成本较高：m o s f e t 属单 极型电压型控制器件，开关速度可以很高 疋) 出 j ；f ，。o ) = f 弘，。o ) - i ，。( f 遇皿 ( 2 一1 2 ) 妒，口o ) 一“印o ) - i 垆o ) r 。) a t 此观测模型只用到一个易于观测的定子电阻。式中的定子电压 “，( f ) 和定子电流f ，( f ) 也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被 检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电 流代入式( 2 1 1 ) ，就可以计算出电动机的转矩。 此观测器用两个积分器便可计算定子磁链，但实现起来存在以 下问题“： ( 1 ) 积分器存在漂移，为抑制零漂需引入反馈通道，反馈通道使 输出信号幅值和相移减小，域电机转速和频率的降低，积分器误差 较大。 ( 2 ) 随电机转速和频率的降低，“，的模值减小，由f ，尺。项补偿不 准确带来的误差就越大。 ( 3 ) 电机不转时，一ee t z 0 ，无法按式( 2 - - 1 2 ) 计算磁链，也 无法建立初始磁链。 u i 模型只有在被积分的差值，也就是u s ( f ) 一p 坶的值较大时 才能提供正确的结果。 2 基于定子电流与转速的磁链观测模型( i - n 模型) 本文中，将直接给出两组磁链分量的方程组( 2 一1 3 ) 、( 2 一1 4 ) ， 具体推导过程可参阅文献 2 0 的相关章节。 咿 馆 妒 妒 q q t 城 陆 毕 妒 妒 警垃廊 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 p 一。妒m “一i ( 2 - t 4 ) 婶i 8 。毕r 8 + l a i s 6 式中： = 为转子时i n 常数；i ：为计算定子电流；q 为转子 “ 角速度；漏感：l ，一l 。+ 。 i n 模型受转子电阻尺，、漏电感三。、主电感l 变化的影响，它 们随转速的变化而变化。 3 基于定子电压、电流和转速的磁链观测模型( i j - n 模型) u n 模型根据定子电压和转速来获得定子磁链。其数学表达式如下： 妒，o ) ，m ，( t ) - i ，o ) r ) 出 妒，a o ) 。j 讧乏o ) 一，。o ) r ) 出 。1 2 。1 2 ) 哮l b 。l q 。口一i 埔r s ) d t j 妒，a _ 妒m + l l s a，o1n 1 妒卵_ 妒喟+ 三。厶 、1 t u - n 模型由定子电压和转速来获得定子磁链。它综合了u - i 模型 和i - n 模型的优点，高速时电动机模型实际工作在u - i 模型下，磁 链实际上只是由定子电压和定子电流计算得到。由定子电阻误差、 转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围 内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在卜n 模型下。但 该模型结构复杂，实现较为困难。 2 2 3 空间矢量p w m 逆变器 随着电力电子器件和微处理器的发展，脉宽调制( p w m ) 逆变器 在电气传动中得到了越来越广泛的应用。如何确定p w m 逆变器功率 器件的开关时间，有许多不同的技术，如应用较多的正弦脉宽调制 ( s p w m ) 及相对较新的空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 等。而在众多 心 哺 w 啪 啪 ，z ， + + j i m 巾 妒 妒 警盟出 i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 的脉宽调制技术中，s v p w m 是一种优化的p w m 技术，能明显减小逆变 器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉冲转矩，且其控 制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统s p w m 的趋势。 在图2 1 所示简化三相电 压逆变器电路中，由于逆变器 的开关是由自关断器件构成 的，而且每相桥臂的开关器件 是互锁的，因而六个开关器件 的工作状态并不完全独立，实 际上只有三个独立变量。这样 逆变器可以用三个单刀双投开 嵝荔 u 现在我们观察逆变器的输出情况。并定义三个开关函数s l 、是、 s 。，s ( a ，b ，c ) = 1 l l ，代表上半桥臂导通，当s ( a ，b ，c ) = 0 0 0 代表下半 桥臂导通。三相桥臂的开关只有8 个w - 通状态，包括6 个非零矢量 和2 个零矢量，其中球。、。与桥臂的通断有如下关系 小e 雕羽 阶厉锑i 淞巳辅 川 ( 2 一l7 ) 进行相应的转换，按照这一关系可分别求出8 种状态的三相 电压矢量“。、“。所对应的“。、“口，然后将得到的h 一“，合成为 一个电压矢量并在二相坐标系中表示出来。将逆变器的输出电压用 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 空间电压矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间 的撅念。空间电压矢量如图2 所示。其中( 0 ，0 ，0 ) 与( 1 ，l ，1 ) 两个零 矢量对应于原点，其余六个非零矢量按6 0 。均匀分布在一个圆上。 u 3 ( 0 1 1 u 2 【0 l u ) 。” u 6 ( 1 0 1 ) 豚区 i 鄹厉笋k 。 一7 ( i 0 0 ) u l ( 0 0 1 ) u 5 ( 1 0 1 ) 图2 - 2 空间电压矢量图 为了使逆变器输出的电压矢量接近圆形，必须利用逆变器的输 出电压的时间组合，形成多边形电压矢量轨迹，使之更加接近圆形。 这是s v p w m 原理的基本出发点。如果忽略电机定予绕组电阻，当定 子绕组施加三相理想正弦电压时，由于电压合成空间矢量为等幅旋 转矢量，故气隙磁通以恒定角速度旋转，轨迹为圆形。例如：当旋转 磁通位于图2 所示的i 区时，用两相邻的电压矢量合成，并按照伏 秒平衡的原则，得 z 6 + 彩+ 2 o t “。 ( 2 一1 8 ) 式中，t n 为对应电压矢量h 。作用时间；t s 为采样周期：“。：为合成 电压矢量。 在上述s v p w m 的控制思想指导下，要有效的控制磁通轨迹，需解 决三个问题：( 1 ) 如何选择电压矢量，判断所要产生的电压矢量即给 定电压矢量所属扇区，选择产生上述给定电压矢量所需要的工作电 压矢量：( 2 ) 确定每个电压矢量的作用时间：( 3 ) 如何确定每个电压 矢量的作用次序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 2 4 空间电压矢量与磁链空间矢量的关系 逆变器的输出电压就，( f ) 直接加到异步电动机的定子上。定子磁 链与定子电压“，( f ) 之删的关系由式( 2 - 5 ) 确定，经变换得 妒，o ) = r ( “，( f ) 一f ，( f ) 置) 出 ( 2 一1 9 ) 若忽略定子电阻压降影响，则 妒，( f ) 一f u ，( t ) d t ( 2 - 2 0 ) 上式表示定子磁链空间矢量与定子空间电压矢量之间为积分关 系。该关系见图2 3 ，“，o ) 表示空间电压矢量，妒，( f ) 表示磁链空间 矢量，s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是正六边形的六条边。 s t ，7 1 1 毋 + 吩但田一) + e 。时，t q 3 0 ，p n 2 1 。这时， 由于实际转矩0 比给定转矩t 大，可让a s s 选择a z s 的零矢量，使 妒，o ) 暂停，减小e ( o 角，以使转矩减小。于是，0 与t 之差被控制 在钉范围内，同时，妒。o ) 走走停停。逆变器开关模式也就不断地 切换，从而形成p w m 电压波形。 2 ) 当转矩给定值突然变化较大时，会出现以下情况：当巧 i e p n ，( 因而肯定大于+ s 。) 时，t q = 0 ，p n 2 0 。这时如仍 输出零矢量，虽然转矩可以减小，但减小的速度太慢，动态性能不 能满足要求。为此，可以输出使1 ；f ，( f ) 反相运转的电压，例如，正相 运动的电压为玑( 0 1 1 ) 时，可输出u ，( i 0 0 ) ，使妒。o ) 沿六边形边s 1 反相运动。 根据t q ，p n 信号的不同组合，逆变器的输出电压也应不同，如 表2 1 所示。 表2 一i 转矩调节器的输出信号状态与电压矢量的选择 这里，用到了磁链电压的概念。所谓的磁链电压就是指能加大 定子磁链幅值的电压向量，任何一个定子电压向量，只要把它接通 时，其主要作用只要是加大磁链量，这时电压空间向量就可以成为 磁链电压。它与转矩电压不同，后者指的是能加大转矩的电压空间 向量。 1