（电力电子与电力传动专业论文）离心机用异步电动机直接转矩控制系统.pdf

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 蜜! 垒扭旦昱垄皇麴扭直接楚筵整生9 丕统= = 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口 论文作者签名： f 曰 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 第1 章绪论 长沙湘仪离心机仪器有限公司，是以生产制造离心机实验室仪器为主的高新 技术企业，专业生产离心机已有三十多年的历史。我国第一台超速冷冻离心机 ( 5 0 0 0 0 r m i n ) 和第一台高速冷冻离心机( 2 0 0 0 0 r m i n ) 都诞生于湘仪。就目前离 心机变频控制而言，采用的多是通用变频器，没有自主开发的离心机专用的交流 调速控制器。同时，在控制方法上采用的主要还是v f 控制以及矢量控制，而效 率更高，性能更好的直接转矩控制方法则还没有得到广泛的应用。受公司委托， 作者进行了本课题的研究。同时，自行研制直接转矩控制变频器，不仅可以降低 离心机生产成本提升企业市场竞争力，而且有利于促进国内交流电机控制技术的 发展。 1 1 电动机调速技术的发展和现状 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛的应用于工农业生产、国 防、科技及社会生活各个方面。电动机负荷占总发电量的6 0 7 0 ，成为用电量 最多的电气设备。 根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类其中 交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用 的。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动 机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械和工艺要求控制和调节电动 机的旋转速度。电动机的调速性能对提升产品质量、提高劳动生产效率和节省电 能有着直接的决定性影响。为了控制电动机按照生产要求运行，就要为电动机配 上控制装置。电动机+ 控制装置= 电力传动自动控制系统。 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁 恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电 压恒定，可以通过改变励磁方法实现恒功率调速。采用转速，电流双闭环直流调 速系统可以得到优良的静动态特性。因此，长期以来在变速传动领域中，直流一 直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在换向器和电刷这一致命 弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来一系列的限制。 第l 章绪论 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器 的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都 受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机， 但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人 们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢在相当长时期内，在变速传动领 域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。6 0 年代以后，特别是7 0 年 代以来，电力电子技术和数字控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直 流调速相媲美、相竞争。 1 2 交流电动机控制技术的发展 在电动机控制技术的发展过程中，电力电子技术和数字控制技术的发展对交 流电动机控制技术的发展起到了积极的推动作用。 1 2 1 电力电子技术对电机控制技术发展的影响h 2 1 电机控制技术的发展与电力电子器件制造工艺的提高、产品的更新密不可分。 早在1 9 世纪末，交流电机便已面世。但是其调速困难，调速性能和转矩控制 特性都赶不上直流电机调速系统，因此在调速传动领域中多采用直流电机调速系 统。上世纪2 0 年代，人们开始意识到变频调速是一种较理想的交流电机调速技术， 然而其所需设备庞大，可靠性差的缺点限制了它的发展。 直到上世纪6 0 年代第代电力电子器件s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 的 出现，才使交流调速技术有了新的转机。之后电力电子技术的迅猛发展，促使电 机控制技术水平有了突破性的提高。s c r 作为最早的电力电子元件，以其高电压、 大电流的特性，至今仍在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应 用中占有不可动摇的地位。自第二代以g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、 g t o ( g a t e - t u m t h y r i s t o r ) 、m o s f e t ( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 至第三代以i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 为代表的电力电子器 件的发展中，除了自关断能力外，元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断 降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了 g t r 做成的通用型变频器，g t r 的开关频率约为2k i - i z 左右，变频器输出的最低 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 工作频率约为3h z ，最高频率1 2 0h z 左右。而采用i g b t 做成的通用型变频器， i g b t 的开关频率约达2 0k h z 左右，变频器的最低输出频率可达0 5h z ，最高工 作频率可达4 0 0 5 0 0h z 。用它控制电机运行，则噪声更小，运行更平稳。高开关 性能元件的问世是现代矢量变换控制应用于中小功率、高性能交流调速系统的保 证。第四代电力电子器件i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 和p i c ( p o w e ri n t e g r a t e d c i r c u i t ) 的出现，大幅度降低了开发时间和费用，进一步提高了系统的可靠性。它 们不但可以提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护 和自诊断等功能。其内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压 等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 信号给i p m ，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。 总之，电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础。 1 2 2 数字控制技术对交流电机控制技术发展的影响h 2 1 最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步， 基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为 模拟、数字混合电路，在很大程度上提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力， 又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而发展很快。 随着数字技术的进步，在电机控制中开始引入数字芯片作为控制器。市场上 较通用的变频器大多采用了单片机来控制。但单片机的处理能力有限，对采用矢 量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往 往不能满足要求。之后d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 被应用到电机控制中，改善了 电机控制的实时性和运算精度。占d s p 市场份额4 5 的美国德州仪器公司，凭 借自己的实力，推出了电机控制器专用d s p t m s 3 2 0 c2 4 x 。电机控制技术发展的 多样化、复杂化，使其对电机控制电路的要求更加苛刻，这样自己开发电机专用 的控制芯片显得非常必要。c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和 f p g a ( f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种很好的解决方案。作为开发器件， c p l d 或f p g a 具有用户可编程的特性。利用c p l d 或f p g a ，工程师可以在实 验室中设计出专用的电机控制集成电路，从而大大缩短产品开发、上市的时间， 降低开发成本。一片c p l d 或f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑控制，替代多块 第1 章绪论 集成电路和分立元件组成的电路。 总之，数字控制技术对电机控制的影响是深远的，它大大推动了电机控制技 术的发展和电机控制行业的繁荣。 1 2 3 交流电动机控制技术的发展 交流电动机控制技术的发展历程可以划分为以下四代： 第一代为正弦脉宽调制控制。有着控制电路简单、成本较低的优点，但是系 统为开环控制，性能不高、控制曲线会随着负载变化而变化、转矩响应慢、电压 利用率低； 第二代为空间矢量脉宽调制控制。有着模型简单、易于数字化、转矩脉动小、 电压利用率高的优点，但是系统仍为开环控制，并且电路环节较多、没有引入转 矩调节、系统性能没有得到根本改善； 第三代为矢量控制。系统的动态性能好可与直流电机系统想媲美、调速范围 宽，已经是闭环控制了，但是由于电机数学模型复杂，转子磁链难以准确观测、 矢量旋转变换复杂、计算繁琐； 第四代是直接转矩控制。直接转矩控制是闭环控制，和矢量控制相比较，省 去了矢量控制的复杂计算、动态性能好、速度与转矩响应快，但是转矩脉动大、 低速性能差则是它的缺点。 由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩 控制要困难得多。上世纪7 0 年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩 控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的 旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电 动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直 流电动机来控制，获得了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。 直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期提出的又一控制方法，是继矢量控制技 术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速控制技术。1 9 8 5 年首次提出，接 着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自 己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。其思路是把电机与 逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩 计算，通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开关状态，实现直接控制转矩。因此；无 需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制结构简单，便于实现 全数字化。 直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、 优良的静动态性能受到普遍的注意，并且发展极其迅速。 1 3 交流电机控制技术的展望 首先在电力电子技术方面，更高性能的电力电子器件还会出现，已有的电力 电子元件还会不断地改进提高。此外，大功率半导体元器件正在向高频化、智能 化、模块化方向发展，如果与单片控制芯片结合则可以实现两片式系统，以满足 交流电机控制的需要。 其次在电机控制器方面，微控制器正朝着处理能力更强、速度更快、性价比 更高的方向发展。如t i 公司的3 2 位d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 工作频率可高达1 0 0 m h z ；片内内置6 4k * 1 6 位f l a s h ，1 8k 串1 6 位s r a m ，两个4k 木1 6 位单口随 机存储器；具有1 2 位1 6 通道a d c ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e a e r ) ，可进行两路独立的 a d 转换，每路转换时间可达8 01 1 $ ；3 个3 2 位定时器及马达控制等外部设备，多 达1 6 路的p w m 波形输出通道等【2 1 。此外，电机控制专用集成电路的出现对电机 控制产生了深远的影响，它大大地推动了电机控制行业的发展，市场前景十分广 阔。 在控制策略方面，电机控制理论已经较为成熟，今后相当一段时间内将会是 结合现有的各种理论，相互取长补短，或将其它学科的理论、方法引入电机控制， 走交叉学科的道路。随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴 未艾，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策 略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。 总之，感应电机驱动技术的发展趋势可以归纳为以下四点： ( 1 ) 全面数字化，以此来提高控制系统性能，提高系统灵活性，缩短开发周期， 第1 章绪论 降低开发难度； ( 2 ) 开关器件具有更高的开关频率，以提高系统的性能。目前主流的电力电子 器件i g b t 的开关频率已在2 0 k h z 以上，大大降低了系统的噪声，提高了系统的 效率； ( 3 ) 模块化，可降低成本，便于大规模制造。例如功率模块i p m 等； ( 4 ) 智能化，便于交流传动产品的应用和推广。主要体现在电机参数识别等先 进技术的应用和推广上。 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 2 1 直接转矩控制技术简介 2 1 1 直接转矩控制技术的诞生与发展 直接转矩控制技术是在上世纪8 0 年代中期继矢量变换控制技术之后发展起 来的一种异步电动机变频调速技术。直接转矩控制变频调速系统，德语称之为 d s r ( d i r e k t es e l b 。s t r e g e l u n g ) ，英语称之为d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 。 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提出，1 9 8 5 年 由德国鲁尔大学的德彭布洛克( d e p e n b r o c k ) 教授首次取得了实际应用的成功， 接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。直接转矩控制有着自己的特点，直接转矩 控制技术不需要将异步电动机与直流电动机作比较、等效和转化；既不需要模仿 直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，省掉了矢量 旋转变换等复杂的变换与计算，因此它所需要的信号处理工作简单。直接转矩控 制系统一诞生就以自己新颖的控制思想、简洁明了的控制系统、优良的静动态性 能受到了普遍的关注并得到迅速的发展。【4 1 直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，在国外以德国和日本为主，美国、 法国等国家紧随其后，使直接转矩控制的推广逐步扩大。现在直接转矩控制技术 已经成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。市场 应用方面，a b b 公司于1 9 9 5 年推出了其直接转矩控制产品a c s 6 0 0 ，随后的 a c s 8 0 0 、a c s10 0 0 也都应用了直接转矩控制技术。【3 1 近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子 电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器，其关键在于 在线获取速度信息。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带 来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起 了广泛兴趣。 在国内，直接转矩控制主要还处于理论研究阶段，清华大学、浙江大学、大 连理工大学等院校对这方面都有较深研究，针对直接转矩控制的不足提出了很多 值得借鉴的解决方案。 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 目前直接转矩控制技术研究的主要侧重方面有：低速性能的改善、转矩脉动 的削弱、与智能控制相结合、与无速度传感器技术结合等。 可以预见，未来的直接转矩控制技术在实际应用方面将被逐步推广开来，各 种产品也将陆续出现。在理论研究方面，针对直接转矩控制的缺陷，结合各种交 叉控制技术，一些改善直接转矩控制性能的新方法将被不断提出。 2 1 2 直接转矩控制系统的特点 实际应用表明，采用直接转矩控制系统的异步电动机变频调速系统，电机磁 场接近圆形，谐波小、损耗低、噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。 直接转矩控制系统的主要特点有： ( 1 ) 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电 动机的磁链和转矩的。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转 化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学 模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理 工作比较简单。所需要的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程做出直接 和明确的判断【l j 。 ( 2 ) 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴，观测转子磁链需要 知道电动机定子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题【。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控 制各物理量，使问题变得简单明了【1 1 。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，转矩响应快。d t c 的转矩响 应之所以快，是因为d t c 控制系统由电动机的电压和电流计算出定子磁链和转 矩，采用砰一砰控制来实现变频器的p w m 控制，d t c 控制系统没有电流控制环路， 控制的是电压，而不是电流。对于交流电动机来讲，要想获得快速的转矩响应， 在磁链不变的情况下，就要求电流的快速变化，而电流的变化是由电压的快速变 化引起的。由于d t c 没有电流控制环路，又采用砰砰控制，故电机可以获得较 大的d u d t ，产生较快的电流响应，从而转矩响应就快。【3 】 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控 制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节( b a n g b a n g 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，获得转矩的高 动态性能。直接转矩控制，控制结构简单、控制手段直接、信号处理的物理概念 明确、转矩响应迅速，限制在一拍内，是一种具有高动态响应的交流调速系统。 2 。2 异步电动机直接转矩控制系统的理论基础 2 2 1 直接转矩控制系统的基本控制思想 按照离心机工作原理，控制和调节电动机的转速是最终目的。然而，转速是 通过转矩来控制的，电机转速的变化与电机的转矩有着直接而又简单的关系，转 矩的积分就是电机的转速，积分时间常数t m 由电机的机械系统惯性决定，只有 电机的转矩影响其转速。可见控制和调节电机转速的关键是如何有效的控制和调 节电机的转矩。 无论直流还是交流电动机，都有定子和转子两部分组成。定子产生定子磁势 矢量f 。，转子产生转子磁势矢量f ，二者合成得到合成磁势矢量f e 。f e 产生磁链 矢量u j m 。电机的电磁转矩是由这些磁势矢量之间的相互作用而产生的，等于他 们中任何两个矢量的矢量积，即： t e i = c 。限只) - - c 研只cs i n z ( f , ，c ) = c 。限艮) ( 1 ) = c 所霆) 式中f s 、f 。、f e 分别是矢量丘、戽、是的模；么( 只，e ) 、么化，砖) 、么，愿) 分别是矢量f s 和f r 、f 。和f 、f i 和f 之间的夹角。 异步电动机的f 。、f ，、f 、v m 在空间以同步角速度6 a 。旋转，彼此相对静止。 因此可以通过控制两磁势矢量的幅值和两磁势矢量之间的夹角来控制异步电动机 的转矩。 4 1 由式1 知道，转矩等于磁势矢量霉和霆的矢量积，而丘正比于定子电流矢 量乏，最比例于磁链矢量妒，因此可以知道转矩和定子电流矢量乏及磁链矢量妒。 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 的模值大小和二者之间的夹角有关，并且定子电流矢量的模值可以测定，磁链矢 量的模值可以从电机的磁链模型中得到。在异步电动机定子坐标系中求得转矩的 控制量后，根据闭环控制系统的控制原则，设置转矩调节器，形成转矩闭环控制 系统，可以获得与矢量变换控制系统相接近的静、动态调速性能指标。 从控制角度看，只关心电流和磁链的乘积，并不介意磁链本身的大小和变化。 但是，磁链大小与电机的运行性能有着密切联系，并与电机的电压、电流、效率、 温升、转速、功率因数有关【l l 。所以从电机合理运行角度出发，仍希望电机在运 行中保持磁链幅值不变【l j 。因此还需要对磁链进行必要的控制。与控制转矩一样， 设置磁链调节器构成磁链闭环控制系统，以实现控制磁链幅值为恒定的目的。目 前控制磁链有两种方案，一种是日本学者高桥勋教授提出的方案，是让磁链矢量 基本按照圆形轨迹运动；另一种是德国学者德彭布洛克教授( d e p e n b r o c k ) 提出 的方案，是让磁链矢量沿六边形轨迹运动【l j 。 图2 1 直接转矩控制系统原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m 由以上叙述，可以得到异步电动机直接转矩控制系统的基本控制思想，即： 通过磁链调节器保持定子磁链的幅值为额定值以便充分利用电动机，转子磁链幅 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 值由负载决定，利用定子电压空间矢量来控制定子磁链的平均运行速度，以改变 定子磁链和转子磁链之间磁通角0 的大小，从而改变异步电动机的转矩，实现对 转矩的直接控制，如图2 1 所示。直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法在 正交定子坐标系( q 1 3 坐标系) 下对异步电动机进行分析和控制。直接转矩控制系 统中，定子磁链和电磁转矩估算在d t c 算法中占有重要地位。 2 2 2 直接转矩控制系统的基本结构 直接转矩系统有功率单元、检测单元、和控制单元三部分组成。 功率单元是系统的主回路，它完成电能的转变，为电动机运行提供能量；检 测单元，完成所有控制所需参数的测定，为直接转矩控制提供必要的参数；控制 单元，依据直接转矩控制策略结合检测环节的数据完成对逆变器的适时控制，使 逆变器输出当前电动机运行所需的电压状态，以驱动电动机达到控制要求。 2 2 3 异步电动机直接转矩控制系统的数学模型 异步电动机的空间矢量等效电路图如图2 。2 所示。 图2 2 异步电动机空间矢量等效电路图 f i g 2 2t h es p a c ev e c t o re q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r 矿。一定子电压空问矢量五定子电流空间矢量 t 转子电流空间矢量 矿，转子磁链空间矢量 r r - 一转子电阻 l 主电感 妒，一定子磁链空间矢量 r s 定子电阻 lo 漏电感 ( 1 ) 电角速度 将旋转空间矢量在q 轴上的投影称为q 分量，在正交的b 轴上的投影称为b 分量，则有电压公式： u ，口= r s l s 口+ 缈：口 ( 2 ) u s b = r s is b + v ：b 其中，下标q 、b 分别表示对应空间矢量的q 分量和b 分量。 移项并积分可得定子磁链公式： 咿s 。= 婢s 。一r s i s 。 i ；，s b = 购s b r 舢 转矩公式： z = 1 5 n p ( 岛y 。一l 。少。卢) 或： 疋= i 1 n p 刚啪n 口 式中： t c 一电磁转矩( n m ) ； n 厂电机极对数； 0 磁通角( r a d ) 。 电机运动公式： 疋却砖鲁 式中：t l 负载转矩( n m ) j 转动惯量( k g m 2 ) 2 3 逆变器的开关状态和电压状态及其对转矩的影响 2 3 1 逆变器的开关状态 电压型逆变器结构如图2 3 所示，由三组共六个开关器件组成。 、，、，、，、， q 6 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 图2 3 电压型逆变器原理图 f i g 2 3 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 同一相上下桥臂的两个开关器件一个导通，则另一个关断，所以三组开关器 件有八种可能的开关组合。分别用s 。、s b 、s 。来表示三相上桥臂的开关状态，以 a 相为例，当a 相上桥臂导通时，记作s a = l ，当a 相上桥臂关断时，记作s a = 0 。 这样，八种可能的开关状态如表2 1 。 表2 1 逆变器开关状态 t a b l e 2 1t h es w i t c hs t a t eo fi n v e r t e r 状态 01234567 s a oool11o 1 s b o 1 0 0 0 1 l1 s c 0ll l 100l 八种可能的开关状态可以分成两类：一类是六种所谓的工作状态，即如上表 中的状态“1 到“6 ，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去；另 一类开关状态是零开状态，即表中的状态“0 ”和状态“7 ”，它们的特点是三相负 载都接到相同的电位上去。对于逆变器的八种开关状态，对外部负载来说，逆变 器输出七种不同的电压状态。这七种不同的电压状态也分成两类：一类是六种工 作电压状态，它对应于开关状态“1 至“6 ”，分别称为逆变器的电压状态“1 至“6 ”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“o 和“7 ”，由于对外来说， 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态。电压状态在空间的分布情 况如图2 4 所示 u b b u qa u 4 ( 1 0 0 ) j 1 太弋 6 ( 0 1 0 )， u l ( 0 1 1 ) 图2 4 电压空间矢量 f i g2 4v o l t a g es p a c ev e c t o r 2 3 2 逆变器的电压状态 对应逆变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电压 状态。这7 种不同的电压状态也非为两类：一类是6 种工作电压状态，它对应开 关状态的“1 ，“6 ”，分别形成逆变器的电压状态“1 “6 ”；另一类是零电 压状态，它对应逆变器零开关状态的“0 ”和“7 ”由于对外部来说输出的电压都 是零，因此统称为逆变器的零电压状态“7 ”。 用符号u s ( t ) 表示逆变器的输出电压状态的空间矢量，则逆变器的电压状态可 有下列符号表示：可以用u s l u 。7 表示；对应于开关状态还可以用：u s ( 0 1 1 ) 一 u s ( 0 0 1 ) 一u s ( 1 0 1 ) 一u s ( 1 0 0 ) 一u s ( 1l o ) 一u s ( o l o ) 一u s ( o o o ) 一u s ( 11 1 ) 表示；关于逆变器电压状态的表示与开关的对照关系见表2 2 。 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 表2 2 逆变器的电压状态与开关状态对照表 t a b l e 2 2t h ev o l t a g es t a t ea n dt h es w i t c hs t a t eo fi n v e r t e r 工作状态零状态 状态 12345678 开关 状态s a b c 0 1 10 0 l1 0 11 0 01 1 00 1 00 0 01 1 1 表示一 电 u 。( t ) u s ( 0 1 1 ) o s ( 0 0 1 )u s ( 1 0 1 ) u s ( 1 0 0 )u s ( 1 l o )u s ( 0 1 0 )u s ( 0 0 0 )u s ( 1 1 1 ) 压 表示二 状 u 。( t ) u s tu s 2u s 3u s 4u s 5u s 6u s 7 表示三 态 l234567 u 。( t ) 2 3 3 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 理想交流电动机绕组的电压、电流、磁链等都是在空间位置上互差1 2 0 的三 维物理量，可以把它们定义为空间矢量。以定子电压空间矢量为例。为了将三维 物理量转换成二维物理量，以便合成空间矢量，这里引入p a r k 矢量变换。取三相 定子坐标系的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴q 重合，则电压空间矢量u s 的p a r k 矢量变换为： u ，= z ，、u 。+ p u 6 + p 2 u 。) ( 7 ) j 式中，p 为复系数，称为旋转因子，p = e i 2 们。 式中u 。、u b 、u 。为三相定子绕组的相电压。对于图2 3 所示的电压型逆变器， 可以得到电压空间矢量在坐标系中的离散位置，如图2 5 。其中开关状态( o o o ) 、( 1 1 1 ) 对应坐标系的原点。电压空间矢量的幅值不变，等于4 e 3 。空间矢量的顺序从 状态“1 ”到状态“6 ”逆时针旋转。所对应的开关状态是0 1 1 0 0 1 1 0 1 ，1 0 0 。11 0 0 1 0 ， 所对应的逆变器电压状态，即电压空间矢量是u 1 u 2 u 3 u 4 u 5 。u 6 。零电压矢量位 于六边形的中心点。同理，可以定义定子电流和定子磁链的空间矢量五和妒。 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 ? 1 s 一 图2 5 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 f i g 2 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g es p a c ev e c t o ra n d t h ef l u xs p a c ev e c t o r 逆变器的六个工作电压状态对应六个不同的电压空间矢量。他们周期的顺序 出现，相邻两个矢量相差6 0 0 ；电压空间矢量的幅值不变，等于4 e 3 。因此六个 电压空间矢量的项点构成了正六边形的六个顶点；六个电压空间矢量的顺序是 u 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 ，依次沿逆时针方向旋转；零电压状态“7 ”位于六边形的中心。 逆变器的输出电压u s ( t ) 直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为 u s ( t ) 。定子磁链掣。( t ) 与定子电压u s ( t ) 之间的关系为： y 州= f 帆o ) 一i s ( t ) r 。陟 ( 8 ) 即定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系；在空间上，电压 超前磁链9 0 0 。 如图2 2 所示，v 。( t ) 表示磁链空间矢量，s 1 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是空间的 六个区段。当磁链在图中的区段s 2 逆时针旋转时，需要加到逆变器上的电压为 u 2 ( 0 0 1 ) ，定子磁链空间矢量将朝着定子空间矢量u 2 ( 0 0 1 ) 的所作用的方向运动， 以此类推，磁链空间矢量v 。( t ) 将按照s 1 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 六个区段顺序的 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 轨迹运动，形成一个正六边形磁链。 至此可以得到以下结论： ( 1 ) 定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应电压空间矢量的作 用方向，v 。( t ) 的运动轨迹平行于u s ( t ) 指示的方向。 ( 2 ) 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量，u 1 一u 2 u 3 一u 4 一u 5 一u 6 ，则得到 定子磁链的运动轨迹依次在区段s 1 。s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 运行，形成正六边形磁链。 ( 3 ) 正六边形的六条边代表着磁链空间矢量v 。( t ) 一个周期的运行轨迹。 2 3 4 圆形磁链轨迹的形成 图2 6 圆形定子磁链轨迹的实现 f i g 2 6t h er e a l i z a t i o no fr o u n ds t a t o ri l u xl i n k a g et r a c e 逆变器六个可能的工作电压状态输出六个工作电压空间矢量。由于定子磁链 空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，所以定子磁链只能在这六个方 向上运行。定子磁链的任何其他方向的运行，都只能通过六个电压空间矢量的组 合来实现。用六个电压空间矢量的组合的方法，就可以实现近似圆形定子磁链轨 迹的运行方式，如图2 6 所示。只要每个区段中施加的电压空间矢量的数目足够 多，圆形定子磁链轨迹就能够得到很好地近似。这要求配合转矩调节器、磁链调 节器和速度调节器等控制单元，提供相应的电压开关信号。 综上所述，直接转矩控制的实现是通过定子电压空间矢量的适当选择，使定 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 子磁链的运动轨迹近似圆形，运动速度发生变化，进而实现对电机转速的控制。 2 。3 5 电压空间矢量对电机转矩的影响 t ，= k 肌沙。i f ，s i nz ( g 。o ) ，y ，o ”= k 。y 。沙，s i no ( t ) ( 9 ) 式中，虮、沙r 分别为定、转子磁链矢量死( f ) 、矿，( t ) 的模值，o ( t ) 为矢量 妒，o ) 和步，o ) 之间的夹角，称为磁通角。 由上式可知，转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角0 有关。在实际运 行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分发挥电动机的性能，转子磁链幅值由 负载决定，要改变电动机转矩，可以通过改变磁通角0 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o s p ) 来控制定子磁链的旋转速 度，控制定子磁链断续旋转，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角， 以达到控制电动机转矩的目的。 、( 乞) ? ) 镶 漆t o 与 彬o ，一。 图2 7 电压空间矢量对电动机转矩的影响 口( 矗) f i g 2 7t h ei m p a c tm a d eo nt o r q u eb yv o l t a g es p a c ev e c t o r 电压空间矢量对电动机转矩的影响如图2 7 所示。在t l 时刻，磁通角为0 ( t 1 ) ， 此时施加电压空间矢量u 6 ( 1 1 0 ) ，定子磁链1 l rs 将从1 l r s ( t 1 ) 旋转到1 l r s ( t 2 ) ，运动 轨迹平行于u 6 ( 1 l o ) 。而转子磁链不直接跟随定子磁链，定子磁链的旋转速度大 于转子磁链的旋转速度，磁通角由目( f 1 ) 增加到o ( t 2 ) ，相应的转矩增大。如果在 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 t 2 时刻，施加零电压空间矢量或反向电压空间矢量，则定子磁链静止不动或反向 旋转，磁通角减小，转矩相应减小。 通过转矩两点式调节来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，通过这样的瞬态调节就能获得高动态响 应的转矩调节特性。 2 4 直接转矩控制系统的组成及其工作原理 2 4 1 定子磁链的观测 图2 8u - i 模型 f i g 2 8t h eu _ it ) ，p em o d e l 定子磁链观测是直接转矩控制系统的重要组成部分，一般有三种模型：u i 模 型、i - n 模型和u n 模型。其中，u i 模型是用定子电压与定子电流来确定定子磁 链的方法，其结构如图2 8 所示。 在电机高速运行时，特别是在3 0 额定转速以上时，电压u 较大，u r i 较大， 定子电阻压降的影响很小，由此引起的误差较小，此时u - i 模型可以很好地确定 定子磁链，且结构简单，精度较高。在3 0 额定转速以下范围内，电压u 较小， u r i 较小，定子电阻压降的影响很大，由此引起的误差较大，此时磁链只能根据 转速来正确计算。由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为i - n 模型法。与 u i 模型相比，i - n 模型中不出现定子电阻r s ，也就是说不受定子电阻变化的影响。 但是i - n 模型受转子电阻r ，、漏电感t 、主电感l 变化的影响。此外i - n 模型还 要求精确地测量角速度。综合u i 模型、i - n 模型，可得适用于全速度的u 1 3 模 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 型。 离心机用异步电动机的运行工况总是高速或者额定转速，正常运行时不牵涉 到3 0 以下转速的调速情况，比较简单的u - i 模型完全能够满足电机控制的要求， 所以在电机模型的选取上，本文采用u i 模型。 由u - i 模型可以得到磁链的计算公式如式( 3 ) ，重写如下： y 埘2f ( 吒一砜? 协 ( 3 ) l l ，啦= 时s 9 一r s is d l 一 转矩公式如式( 4 ) ，重写如下： t = 1 5 r i p ( i s # i l l 。一l y 印) ( 4 ) 2 4 2 磁链调节和转矩调节 磁链调节的主要目的是维持磁链在允许的范围内变化。磁链调节器采用施密 特触发器，对磁链幅值进行两点式调节，即b a n g b a n g 控制。触发器的容差宽度 为s ，是定子磁链幅值相对于给定值所容许的波动范围。磁链调节器的输入信 号是磁链给定值1 l r 与磁链反馈值1 l ，之差，其输出值是磁链量开关信号y q ，原理 如图2 9 。 j | f 厂jl 、 少q 。杰+ 1rjl l 7 拶7 r ，r 一气i l ， 开关信号y q 有： 图2 9 磁链调节 f i g 2 9t h er e g u l a t o ro ff l u xl i n k a g e v q = 、怠三竺2 v 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 当y q = 1 时，即给定磁链1 l r + 大于磁链实际值1 l r ，此时磁链调节控制给出一个 定子电压空间矢量，其主要作用是加大定子磁链幅值；当y q = 0 时，即给定磁链 1 l r + 小于磁链实际值1 l r ，此时磁链调节控制给出一个定子电压空间矢量，其主要作 用是减小定子磁链幅值。如此调节使得磁链实际值在容许的范围内波动。 转矩调节器和磁链调节器很相似，它的作用是调节电机输出转矩在允许的范 围内变化。转矩调节器仍然采用施密特触发器，对输出转矩幅值进行两点式调节 触发器的容差宽度为岛，是定子输出转矩幅值相对于给定值所容许的波动范围。 转矩调节器的输入信号是转矩给定值r 与磁链反馈值t 之差，其输出值是磁链量 开关信号您，原理如图2 1 0 。 开关信号吧有： 图2 1 0 转矩调节 f i g 2 1 0t h er e g u l a t o ro f t o r q u e 1t a e t t q = 0 - a z t a t a 6 t l t a z t 表示的意义是：当愆= 1 时，即转矩给定值p 大于实际转矩值t ，此时转矩 调节器给出一个电压矢量，其主要作用是增加转矩；当孢= 0 时，即转矩给定值 t + 小于实际转矩值t ，此时转矩调节器给出一个电压矢量，其主要作用是减小转 矩；当硷= - 1 时，表示需要发送使定子磁链反向旋转的电压矢量，要求电机输出 转矩快速减小，加快电机转矩响应速度；如此快速调节使得转矩实际值在容许的 第2 章直接转矩控制( d t c ) 理论 范围内波动。 2 4 3 开关状态选择 逆变器的六个可能的工作电压状态输出六个工作电压空间矢量。由于定子磁 链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，所以磁链只能在这六个方向 上运行。磁链的任何其他方向的运行，都只能通过多个电压空间矢量的组合来实 现， 图2 1 1一个扇区的四种电压状态 f i g 2 11t h ef o u rv o l t a g es t a t e so ft h es a m es e c t o r 六边形磁链轨迹的调节方案，使得调节结构简单。在每个区段只需要两种电 压状态：区段的工作电压状态和零电压状态。用个双值输出的调节器分别控制 接通“工作电压 和“零电压”就够了。在d t c 控制中。这种控制信号由转矩两 点式调节器提供。如果要在区段内改变定子磁链的方向，则必须增加区段内所需 电压的数目，配合以转矩调节器、磁链调节器、磁链自控单元等，提供相应的电 压开关状态通过电压空间矢量的不同组合方式，实现不同过的调节目的。用多个 电压空间矢量组合的方法，还能实现近似圆形的磁链运行方式。只要每个区段的 离心机用异步电动机直接转矩控制系统 电压状态数目足够多，圆形磁链轨迹就能得到很好的近似。 对于定子磁链运行轨迹的每个区段，可以利用的电压状态有四个，分别代表 着定子磁链四个意义的方向，如图2 1 1 所示。下面以第四区段s 4 中定子磁链的 四个有意义的方向和电压状态为例，简单的介绍一下： 使定子磁链空间矢量向着0 。方向运行的电压空间矢量称之为0 。电压，同样的 有一6 0 。电压、6 0 6 电压、1 2 0 。电压。他们的作用有： ( 1 ) 0 。电压u s 4 的作用 对于六边形磁链轨迹，当u s 4 接通时定子磁链空间矢量的顶点沿六边形区段 s 4 朝正向运行。该电压在整个区段上使磁通角加大，从而使转矩增大。六