（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器模糊自适应直接转矩控制系统的研究.pdf

鲨堕三些查堂堡! ：堂篁堡塞 _ _ ， r e s e a r c ho ns e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u e c o n t r o l u s i n gf u z z y c o n t r o l a n dm o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e c o n t r o lm e t h o d s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ya p p l yo n e s e l f t ot h ed e s i g na n di m p l i c a t i o no f s e n s o r l e s s a s y n c h r o n o u s m o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) u s i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r y ，a n dp r e s e n ta a p p l i c a b l es c h e m eo f d t c ，t h e r e s u l t so f s i m u l a t i o np r o v et h a tt h es c h e m ei sa ns a t i s f y i n g v a r i a b l e - s p e e ds y s t e m ，a n d t h es y s t e mh a s g o o d r o b u s ta n d p e r f o r m a n c e f i r s t l y ，i n o r d e rt og oi n t ot h es t u d yo f s e n s o r l e s sa c a s y n c h r o n o u s m o t o r d t c ，w e p r e s e n t t 1 1 em a t hm o d e lo f a s y n c h r o n o u sm o t o r a n dt h et e l a t i v ef o r m u l ao f r e f e r e n c e ：丘a m e c o m m u t a t i o n s e c o n d l y ，w es i m p l y i n t r o d u c ef u z z yc o n t r o l t h e o r y a n dc o n v e n t i o n a lp 1 d c o n t r o lm e t h o d , a tt h es a m et i m ee x p l a i nt h ed t c s y s t e mp r i n c i p l e si nd e t a i lf u z z y c o n t r o l i m p l e m e n t c o n t r o la c c o r d i n g t o t h e c o n t r o l l e d o b j e c t , i t d o e s n o t n e e d t h e p r e c i s e m a t h m o d e l o f c o n t r o l l e do b j e c t a n di th a si n f l e x i b i l i t yu n d e rt h ev a r i a n c eo f i n t e r i o ra n de x t e r i o ri n t e r f e r e n c e w e a p p l yf u z z y c o n t r o lt h e o r yi nt h ed t c s y s t e m t oi m p r o v et h es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，a n d d e s i g n af u z z yc o n t r o l l e ru s e di nt h es e n s o f l e s sd t c i nt h es e n s o r l e s sd t c s y s t e m , i n o r d e rt og e tac l o s e dl o o pw i t h o u tv e l o c i t ys e n s o r , i nt h e d i s s e r t m i o nw e i d e n t i f yt h es p e e d o f t h em o t o r b yu s i n g m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e ( m r a c ) c o n t r o lm e t h o d f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h es y s t e m sm a t hm o d e l ，w eb u i l du pt h es i m u l a t i o nm o d e lo f s e n s o f l e s sf u z z ym r a cd t c s y s t e mb yu s i n gm a t a l a b s i m u l i n k s o f t w a r e ，t h e s i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h ed e s i g ns c h e m ei sa p p l i c a b l ei nt h i sd i s t e r t a t i o n i na d d i t i o nt ot h e d e s i g n , w ee x p l a i nt h es h o r t c o m i n g sa n dr e q u i s i t ea m e l i o r a t i o n o f t h es y s t e m ，t h i si st h e a u t h o r sf t l 士l i mw o r k k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e c o n t r o l ，v e l o c i t yi d e n t i f i c a t i o n ，s i m u l a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成柴，也不包含为获得 沈阳t 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：垂叠鱼日期：兰兰：! ：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：至塑堡 导师签名：日期：口协i 扎， 沈阳工业大学硕土= 学位论文 1 绪论 1 1无速度传感器直接转矩控制系统简介 ( 1 ) i 相异步交流电动机的特点及应用范围： 二相异步交流电动机结构简单、坚同耐岗、价格便宜、无电刷、不需要经常维护， 因而在许多场合得到了一泛的应用，它目前消耗了我国6 0 左右的电最，其中绝大部分 足由电嘲直接提供电力驱动的，凶而，都是在做定速旋转。在要求调速范围宽，速度控 制精度高，动态响应性能好的场合，传统的调速系统中几乎都全部采用直流电动机调速 系统。但是上个世纪7 0 年代初叶，由于石油危机的出现，迫使先进工业国家投入大量 人力和物力去研究高效、商性能的交流调速系统。现在交流调速系统已经取代_ 赢流调 速系统成为传动控制领域中的主力军。而在交流调速系统中，近年来无速度传感器控制 技术得到r 广泛的研究和应用，特别是无速度传感器直接转矩控制技术。 ( 2 ) 真接转矩控制的发展过程 近年来，由于电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，使现代交流调速 有了巨大的进步。一旦交流电动机的固有优势如：结构坚固、无电刷、维护方便、价格 低等发挥出来，交流传动控制取代直流传动控制将会成为不可逆转的趋势。 自从上个世纪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 流调速系统在静态、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动 机的控制，以转予磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控 制的完全解藕。它的提出具有划时代的重要意义。然而，在实际中由十转子磁链难于准 确观测，系统特性受到电动机参数的影响很大，以及矢量变换的复杂性，使得实际的应 用效果难于达到理论分析的效果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德庞布罗克( d e p e n d b r o e k ) 教授首次提出了直接转矩控 制d t c ( d i r e c t t o r q u e c o n t r 0 1 ) 的理论。小同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己 的特点。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模裂、控制电动机的 磁链和转矩。它不需要将交流电动机和商流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直 流电动机的控制，不需要像矢擐控制那样进行复杂的坐标变换，计算过程大为简化。直 沈阳工、k 大学硕 ：学位论文 接转矩控制磁场定向_ j 的足定子磁链，必要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量 摔制磁场定向_ = j 的是转子磁场，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直 接转矩控制大大减少了矢量掩制技术巾控制性能容易受到电动机参数变化影响的问题。 直接转矩控制与矢蕈控制的方法f i 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，商接控制转矩。其控制方式是，通过转矩两点式调节 器把转矩检测值与给定转矩值作滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容 差的大d , a q 频率调节器来控制。因此，直接转矩的控制效果不取决于电动机的数学模犁 是否能够简化，而是取决于转矩的实际情况。它的控制既简单又简化。1 9 8 7 年， d e p e n b r o c k 教授又把直接转矩控制推广到了弱磁调速范围。总的来说直接转矩控制技术 经历了大体上的三个阶段： 一是1 9 7 1 年，德国学者b l a s c h k e 发表论文，提出了交流电机的磁场定i h r f i e l d o r i e m e d ) b l l 矢量控f l ；l j ( t r a n s - v e c t o r c o n t r 0 1 ) 原理，为高性能的交流传动控制奠定了理论基 础： 二足1 9 8 5 年，d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制( d t c ) 理论： 三是1 9 8 7 年，d e p e n b r o c k 教授又把直接转矩控制推广到了弱磁调速范围。 ( 3 ) 直接转矩控制的特点 直接转矩控制在很大程度上解决了矢景控制中计算复杂、特性容易受到电机参数影 响凶而实际性能难以达到理论分析结果的一系州实际问题。直接转矩控制用空间矢量的 分析方法，直接在定子坐标下分析交流电机的数学模型，省掉了许多欠鼍旋转的复杂的 变换与计算，因而它所需要的信号处理工作特别简单。这是特点之一。特点之二足它采 用了定子磁场控制，只需要知道定子电阻就可以观测到定子磁链，因而减少r 受电机参 数的影响，特点之三是它借助于离散的两点式调节( b a n g - b a n g 控制) 产生挖制信吁， 把直接转矩作为控制对象，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。这使得系统的转矩 响应迅速，是一种具有较高动态、静态性能的异步电动机控制方法。 ( 4 ) 直接转矩控制技术的未来发展趋势 直接转矩控制技术一诞生，就受到普遍的关注，得到了迅速地发展，在不到1 0 年 的时间内，仅仅德国工程师学会h 版的新技术丛书中，有关直接转矩控制的博士论文就 2 沈阳一l 业人学硕士学位沦文 有儿 一本。目前该技术已经应用在牵引电力机车的大功率交流传动系统上。德国、日 本、美国等先进发达工业国家竞相开发此项技术及相关产品，预计在未来一段时间罩会 有较大的发展。 为了满足高性能交流传动的需要，速度闭环控制是必小可少的，但是速度传感器安 装、维护困难，非线性明显而且低速时测量误差较大。为了解决这一难题，越来越多的 学者和公司把目光投向无速度传感器控制系统的研究和开发上。 无速度传感器异步交流电动机调速控制系统的核心问题就是对转子速度进行估算。 这就很容易使人联想到模型参考自适应控制。事实确实如此。国外的交流传动界将模型 参考自适应控制应用于矢量控制的报告很多，最近几年，困内有关这方面的学术论文也 相继发表了不少。 最后，功能强大的数字信号处理芯片( d s p ) 的发展为各种现代控制理论应用到异 步电动机调速系统中提供r 坚实的条件。 因此，在理论基础方而，在物质条件方面，异步电动机商接转矩控制系统的实现条 件已经成熟。并且，与传统的传动系统相比，可靠性高、造价低、维护方便，不失为一 种理想的驱动系统。 1 2 模糊控制理论的发展和应用 直接转矩控制技术的发展直接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代表) 是人们改进直接转矩控制系统最主要的理 论依据。采用模糊控制和神经网络构成的直接转矩控制是改进直接转矩控制性能的有效 手段之一。 模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控 制算法的一种控制方法。19 7 4 年，英国的马达尼( m a m d a n i ) 首次用模糊逻辑和模糊推 理实现了第一台实验性的蒸气机的控制，开创了模糊控制在t 业中的应用先例。模糊控 制不需要建立控制对象精确的数学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成较 完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、小精确性、非线性、时变性等的 影响。模糊控制系统的鲁棒性较强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。 3 一 沈刚工业大学颌上学僦论文 另外，在传统的调速系统中，为，实现转速的闭环控制，速度传感器是必不可少 的。但是在实际应用中，安装速度传感器既增加了系统的成本，又降低1 广系统的可靠 性。因此，越来越多的学者和公司将目光放在了无速度传感器调速系统的研究和开发上 来。无速度传感器控制系统的核心问题就是对转子速度进行估计，主要出发点就是用直 接计算、参数辨识、状态估计和问接测量等手段，从定了3 2 z - 较容易测量的量( 如定子电 压、定子电流等) 计算m 与速度有关的景，从而得m 转予速度并将其用到速度反馈控制 系统中。1 9 8 7 年，s t a m a i 率先引入模型参考自适应的方法。其后，模型参考自适应的 思想被频繁引入到电机参数的辨识中，尤其是速度辨识。建立参考模型和可调模型的方 法也是各式各样。模型参考自适应的思想彻底解决n 童度辨识上的理论问题，动态性能 好、静态误差小。模型参考自适应无速度传感器控制系统的研究是当前交流传动的研究 方向之一。 1 3 本文的主要内容和安排 本文在简述直接转矩控制系统的基本原理基础上，用面向科学与工程计算的高级语 言m a t l a b 提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的非常适用的软件包 s i m u l i n k 对直接转矩控制进行了建模和仿真分析，从而为下面进一步的研究奠定r 基 础。 智能控制( 特别是模糊控制和神经网络控制等等) 为进一步改善直接转矩控制系统 的性能提供了有力的支持。本文结合模糊控制理论，对改善直接转矩控制的性能进行了 深入研究，研究表明将模糊控制与传统的控制方法结合起来是改善直接转矩控制性能的 重要手段之一。 最后，本文对直接转矩的控制方法进行了分析和总结，同时对直接转矩控制今后的 发展方向进行了展望，这也是作者今后有待进一步研究的内容。 4 沈降t i , j k 大学硕上学位沧文 2 1 异步电动机的基本方程式 异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，可以用图21 柬表示。 u 1 ( ，1 1 o m 图2 1 异步电动机的多变量控制结构 在研究异步电动机的多变鼙数学模型时，经常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 度电角度) ，所产生的 磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 ( 3 ) 忽略铁芯损耗。 ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 这样，实际电动机被等效为图2 2 所示的三相异步电动机的物理模型。在图2 2 中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设a 轴 为参考坐标轴，转子以相对于定子国的速度旋转，转子绕组轴线为a 、b 、c 随转子旋 转。转子a 轴和定子a 轴间的电角度差为毋= f c o d t ，称为空间角位移。图2 2 中的符号 定义为： ，咕，蕾，b ，一定予和转子相电流的瞬时值。 5 一 j 一 沈阳d 【k 大学硕士学位论文 _ ，z f 。，“。一定子和转子相电压的瞬时值。 r 】，r 2 一定子电阻和转了电阻。 图2 2 三相异步电动机的物理模型 上”三，2 一由漏磁通产生的定子和转予漏感。 l 。1 = l 。2 = 三。一定子和转子互感。 u ，l i 互感的情况较为复杂。定子和转子的六个绕组之间的互感可以考虑为两类：一类足 a 、b 、c 相绕组与a 、b 、c 相绕组之间的互感，因为位置固定，故互感为常数；另一类 是定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移0 的函数。互感的变参 数是造成系统非线性的根源，异步电机的数学模型可以由以下的四组微分方程来描述： ( 1 ) 电压方程： 三相定子绕组电压方程式为： 肾凇t + 等 6 ( 21 ) ， j 口一、。 隅 r 嘞 一 0l，r1e融h 沈阳工业大学硕士学位论文 铲 。+ 等 讪，_ + 等 三相转子绕组折算到定了侧后的电压方程式为 驴心+ 等 2 i b r 2 + d 珊g b 一 铲谒+ 等 上式若以微分算予p 代替导，并h j 矩阵形式表示则可以写成 a t 为 印 v | g b g t c 缈。 y y 。 ( 22 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 ) 磁链方程式 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可以表达 妒一 矿曰 g c y 。 矿6 妒。 式( 28 ) 中 自感：l a a = = l c c = l ，1 7 ( 28 ) 0妇配k“0 o 0 o o 0 心 o o o 0 r 0 o o o 心o o 0 0 r o 0 o o r o o 0 0 r o 0 o 0 o 舯如以蜘如如 “船w幻协0 咖伽船缸如如伽助劬助伽助伽伽伽伽伽砌船拯彬“伽缸 占 口 且 日 日 目桫脚缈助伽坳 埘 删 出 酬 m 甜m 彬彬彬m 彬 沈阳上业火学硕士学位论文 l a a = l 6 6 = l “= l f 2 互感：l _ 口= l ，= l ( _ = l 且 = l f 月= l ( ，= 妻上。 l 曲= l b c = l ，。= l b 。= l 曲= f 。d c = 妥，m l = l 刊= l n h = l b b = l c c = l c ( 、= l m c o s 0 l a b = l b a = l b c = l c b = l c a = l a c = l mc o s ( o + 1 2 0 。) l 4 c = 三刊= l b a = ，= l c 6 = l 缸、= l mc o s ( 0 1 2 0 。) ( 3 ) 转矩方程式： 咒= p 册l 册【( ，。+ i b i b + i c i c ) s i n 0 + ( i a i b + 咕i c + 七j 。) s i n ( o + 1 2 0 。) + ( j a i 。+ i b i a + t ) s i n ( 毋一1 2 0 。) 】 ( 4 ) 运动方程式： t 哪等 式( 2 1 0 ) 中：? ；一负载转矩 l 7 机组的转动惯量 p 。一电动机的极对数 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由以上方程式可知，异步电动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，又有定予转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式中磁 场与定子转予电流之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩阵。通常 需要用坐标变换的方法加以改造，最后得出与三相异步电机等效的直流电动机模 型。 2 2 坐标变换 2 2 1 概念 由三相异步电动机的数学模型可知，研究其特性并控制时，如果用两相就比用三相 简单，如果能用直流控制就比用交流控制更为方便。为了对三相系统进行简化，就必须 对电动机的参考坐标系进行变换，这就叫坐标变换。在研究矢量控制时定义有三种坐标 系，即三相静止坐标系( 3 s ) 、二相静止学标系( 2 s ) 和二相旋转坐标系( 2 r ) 。 设任意电动机的电压方程式可以表示为： 8 沈阳t 业大学硕上学1 _ i 7 ：论文 k 】= ：】d 】+ k 】 ( 21 1 ) 式( 2 1 1 ) 中：- 】一电压矩阵： i 】一阻抗矩阵： 【f 】一电流矩阵： 囡一电动势矩阵，即：p 砂】 从一个坐标系变换到另一个坐标系，需要经过一些运算，并遵循如下变换规则： ( 1 ) 变换规则： 设e 】为变换矩阵，f c r l 为逆变换矩阵，两者存在如下的关系： ( ? 】【( 寸1 = p 】 式( 2 1 2 ) 中，【，】为单位矩阵。则式( 21 1 ) 的电压方程可以写成为： e 】m = ( ? 】纠 c 】- 1 p 】【f 】+ e 】纠 令： c 】m = 川； 蚓 j 】= 【c 】m = 则式( 2 1 3 ) 可以变换成： 川= 讣川 ( 2 ) 正交变换规则： 为了保持变换前后功率不变，可以采用正交变换矩阵【c 】r ，即【( ? 】满足 c r 蚓= 【，】 由于前面已经定义了p 】 c 】- l = ，】，故： e f = c 】_ l 例如： b r 【f 】= l r 眵r e 】 f 】：k r 】 9 ( 21 2 ) ( 21 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 21 6 ) 沈阳t 业大学顾上学位沦文 南此可见：应用正交变换矩阵可得到恒功率变换。若在变换中需要保持变换前后的电 压、电流值( 称为相对变换方式) ，则变换后的转矩、损耗均应增大到三倍，绕组匝数 z 斤 增大到j 主倍。 2 2 2从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换( 3 s 2 s ) 图23 中，a 、b 、c 为三相对称静止绕组，流过三相平衡的正弦电流，产生合成磁 动势f ，以同步的转速蛾旋转，a 、b 、c 轴称为三相静止坐标系。o t 、芦为二相静止 牮标系，它们在空间相差9 0 。，并f l 通入时间上相差9 0 。的二相交流电，也产生j 上述 相同的磁动势f ，瑾、轴称为两相静止坐标系。由于它们的磁动势和转速都相等，故 可以认为这两种坐标系等效。可以由简单的三角函数关系推导m 由静止坐标系a 、b 、 c 到口、坐标系的变换矩阵【c 1 】圳2 。( 推导过程省略) 。 1 2 i 2 1 压 卢 ，f l 干j - 卜 i n ( j a ) 图2 33 s 2 s 变换 1 0 一 ( 2 1 7 ) ，：万一o，一扼 ， o ，| | 拉 压恬 i i ke 沈阳上业人学硕士学位论文 若是三相平衡系统，有虬+ + ”= 0 ，则式( 2 1 7 ) 的第三行矩阵系数为零，于 是可以写成： 矿威 l1 22 拈扛 22 趴卧i c t b m 。斟 逆变换得 c 卜。2 。= 【c l 。 0 以 2 拈 2 ( 2 1 8 ) ( 21 9 ) ( 2 2 0 ) 叭傺驯捌 ：， 2 2 3 异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型 图2 , 4 是用两相交流电路表示的电动机等效电路图。设转子转速为国，则定子与转 子轴线的夹角为口= f c o d t 。前面已经推导出了三相异步电动机的数学模型和3 “2 s 坐标 变换的变换矩阵c 州2 ，。现在只要将这两个方程式进行整理并合并，就可以得到电动机 得两相静止坐标系上的数学模型： l 一2 1 2 一 一 r，。，l 一2 3 沈阳工业大学颁，l 学位论文 卦 ? 1 蜚 l i ，。一+ 一一。、 ，j ，一一、 j 、 ? _ 。i i ：j ，| | l 。1 tj 。 j jrj ii 。名一；，。i 、 一一，一 一一一_ ，j 图2 4 用两相静止坐标系表示的异步机等效电路 r 1 + l ，p 0 l 。p 0 0 q + l s p 0 l m p i l m pc o l mr + l r p c o l ，l c o l 。l m pn 也，r 2 + l ，p l 式( 2 2 2 ) 中： u 。l = r 1 + p 乞l u p l = r l f 用+ p v 口l “9 2 = r 2 f 9 2 + p g 口2 + c o g 口2 u p 2 = r 2 i p 2 + p i c ，口2 + c o g 。2 磁链方程为： 矿酬= ，。l + l 0 2 1 2 ( 22 2 ) ( 22 3 ) ( 22 4 ) ( 2 2 5 ) ( 22 6 ) ( 22 7 ) 1i，|，j1frrj 切k 慨 。，l 沈刚- i 业大学硕上学位论文 妒f l = ，p iq - l m i 月2 ( 2 2 8 ) 妒矾= l ，k 2 + l 。i( 2 2 9 ) 妒口2 = 三，i p 2 + k 切1 ( 23 0 ) 在两相静止坐标系上的数学模型又称为k r o n 的异步电动机方程或坝轴原型电机 ( t w o a 】( i s 蹦m i “v e m a c h i 鹏) 的基本方程式，是矢量控制的基本方程之一。存图2 4 示意 图 二，各种电压、电流量( “小“。2 ，t l ，0 2 ，) 均为j e 弦量。两相静止牮标系上的转矩表 达式可以改写为： 7 ：= p 。l 。( i p l i 。2 一f 。l 2 ) ( 2 3 1 ) p ，为电机极对数。式( 2 3 1 ) 是控制系统中真正实用的异步电动机转矩方程式。 1 3 沈阳工业大学硕十学位论文 3 交流逆变器的原理与定子磁链的建立 为了实现对于异步电动机的直接转矩控制，必须清楚与转矩密切相关的定子磁链及 其建立过程。 3 1 逆变器的工作原理 假如有如图3 1 所示的一个电路图，我们可以对加在负载阻抗匕的电压进行分析， 可以得到我们满意的结果_ j 丘似的三相交流电压。 e 0 图3 1 遂变器原理图 图3l 中的逆变器通常称为电压型逆变器。如果采用正弦脉宽调制( s p w m ) 技 术，可以输出三相对称电流。我们假设z l 、z 2 、z 3 这三个负载阻抗是电动机的三相定 子绕组，逆变器就可以在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场，这是我们过去经常讨论的 情况。现在我们来讨论逆变器的另外一种情况，即直接转矩控制方式时，电动机气隙的 磁场情况以及加在三相绕组上的电压情况。我们知道，图3 1l f _ l 逆变器中的开关都是由 白关断器件( 如g t r 、g t o 、i g b t 等) 构成的，为此，可以用= 三个单刀双投开关状态 s a 、s b 、s c 来表示。当s a = l 时，表示逆变器a 桥臂i ! 二边的开关闭合；卜边的开关断 开。当s a = 0 时，则相反，表示下边的开关闭合，上边的开关断开。之所以能用s a 的两 种状态表示a 桥臂自关断器件的工作情况，是因为同一桥臂上的两个开关不可能列时 闭合或者同时断开，即他们的工作状态是互补的。同样，s b 、s c 的两个状态分别代表 1 4 沈阳上业火学硕士学位论文 b 、c 桥臂i 的工作情况。这样一来，根据s a 、s b 、s c 为0 或者为1 ，可以组合出2 3 个 状态，也就足8 种状态，如表l 所示。 表1 逆变器开关状态 i 状态 s a s bs c e ( s a s b s c )u i ( s a s bs c ) l oooo f o ( o 0o 、 u o ( 0 0 0 ) 5 too1 f 1 ( 0 0 1 )u l ( 0 0 1 ) l 2o1o f 2 ( 0 1 0 )u 2 ( 0 10 、 f 3o1l f 3 ( o 1 1 )u 3 ( 0 1 1 ) i 4100 f 4 ( 1 0 o )u 4 ( 1 0 o ) l 5lo1 f s ( 1 0 1 )u s ( 1 0 1 ) 61lo f 6 ( 1 1 0 )l j 6 ( 1 1 0 ) l 711l f 7 ( 1 1 1 )u 7 ( 1 1 1 ) 后边，我们将在此表的基础上结合图3 1 ，分析鼠笼型三相异步电动机在1 8 0 。导电 角的电压型逆变器供电时，表1 所示的每一种状态产生的气隙磁场的情况。 先看s a 、s b 、s c 为( 0 、0 、0 ) 和( 1 、1 、1 ) 的两种情况。在这种情况f ，陶31 中的逆变桥，或者是三个下桥臂开关完全闭合，或者是i 个上桥臂的开关完全闭合，但 足，不管发生那种情况，三个负载z l 、z 2 、z 3 都被完全断路，负载中不会有电流流 过。其他六种状态则不同，以状态一为例，即( s a 、s b 、s c ) 彳o 、0 、1 ) ，这时，a ，b 桥臂的下边开关闭合，c 桥臂的上开关闭合，于是，直流电压在三相负载z l 、z 2 、z 3 中分别产生电流“如、k ，我们可以假设三相负载的相交节点的电压为e o ，这时我们 可以求出加在负载z 1 、z 2 、z 3 上的电压。其过程如下： e e 0 = z 3 + i 。； ( 3 1 ) 一e e 0 = z 1 + f 。； ( 3 2 ) 一e e 0 = z 2 + b ( 33 ) 由于l 一如+ i 产o ，在z l 2 = z 3 的情况f ，我们可以把三个等式相加得到e 0 = - i 3 e ，于是我们可以得到z 1 、z 2 、z 3 三相负载上的电压分别为2 3 e 、2 3 e 、- 4 3 e 。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 利用同样的方法，我们可以得到另外五种电压为非零情况。f 的负载电压。把这六种电压 按照一定的顺序加存三相负载卜，可以得到如图3 2 所示的相电压波形图。 由于电动机的三相负载符合g 吐抗摹本相等的条件，所以，我们可以用图32 所示的 方法来获得三相异步交流电机的负载电压降。 j u a o j u b 一 0 i r l _ | j u c j j o 圈3 2 顺序打开开关时三相负载两端电压波形图 3 2 电压空间矢量对定子磁链和转矩的影晌 前面我们已经知道，在同一时刻，加在三相负载上的电压足一个有一定顺序的三维 矢量。为了对三相异步电动机进行控制，就必须对三相电压进行分析。如果引入矢量变 换的概念，把三维矢量变换为：维矢量，就会给问题的分析带来很多方便。至于矢量变 换的方法，就是我们在第二章中已经介绍过的坐标变换方法，这里就不再重复。本节的 重点是讨论电压空间矢量对于定子磁链和转矩的影响。 1 6 沈阳l 业大学硕士学位论文 3 2 1电压空间矢量是如何影响定子磁链的 在实际中，我们把逆变器的输出电j r , _ - u 。( t ) 卣接加到异步电动机的定了上，那么定 了电压就是“。( t ) 。定子电压与定子磁链的关系式是： o ) = 眦( f ) 一o 魄协 ( 34 ) 忽略定子电压的影响( 这在实际中是可行的，冈为定了电流与定子电阻的乘积通常 是足够小的) ，上式就变成了： ( f ) z b 啪 ( 3 5 ) 我们可以看出，定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间是积分的关系。这种关 系可以通过图3 3 表示出来。 1 0 l 怿 ：。 0 1 1 虮( ，) 图3 3 定子电压与定子磁链关系图 图33 中，j ；f ，。( f ) 表示磁链空间矢量，s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是止六边彤的六条 边。当磁链六边形空间矢量处于图3 3t 扣位置时( 其顶点在s 1 边上) ，如果逆变器加 到定子上的电压空间矢量虬( f ) 是“，( 0 1 1 ) ，则根据磁链等于电压积分方程式可得知定子 1 7 沈阳工业大学硪士学位论文 磁链空间矢量的顶点将沿着s 1 边的轨迹运动。也就是朝着空间矢量u ，( 0 11 ) 作用的方向 运动。当y 。( f ) 运动到s 1 与s 2 交界的地方时，改变电压空间矢量为u ，( o o d ，则磁链空 间矢最少。( f ) 的顶点沿着边s 2 的轨迹运动。如此类推r 去，只要我们在恰当的时候选 择恰当的电压空间矢量加在顶子绕组上，我们就可以得到定子正六边形磁链，刚这个磁 链去代替三相正弦电流产生的圆形磁链，就可以驱动三相异步交流电机r 。于是把以【二 内容加以总结得： ( 1 ) 定子磁链空间矢量项点的运动轨迹，对应十相应的电压空间矢量的作用方 向，( ，) 的运动方向和轨迹平行于u s ( f ) 所指的方向。只要定子电阻压降m f ) 尺；比 起k ( r ) i 足够小，那么这种平行关系就能够很好的得到近似。 ( 2 ) 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量c 局一u 2 一u 3 一( 幽一e 广f 则得 到的定子磁链沿正六边形的边s 1 - s 2 _ s 3 s 4 s 5 一s 6 依次运动，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的一个运动周期的轨迹。 直接利用逆变器的六种丁作状态，可以简单地得到六边形磁链轨迹以控制电动机， 这种方法就是直接转矩控制的基本思想。 322电压空间矢量影晌电动机转矩的原理及应用 转矩的大小与定子磁链幅值眵，o ) 和转了磁链幅值l 妒，( f l 以及磁通角口p ) 的正弦的 乘积成正比。在实际运行中保持定子磁链幅值不变( 弱磁调速除外) ，以充分利用电机 铁芯，转子磁链幅值由负载决定，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁j 恿角o ( t 1 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最( ，) 来 控制定子磁链的旋转速度，通过磁链的走走停停来改变磁链的平均旋转速度棚，的大 小，从而改变磁通角口( f ) 的大小，以达到控制电动机转矩的目的。其基本原理图如图 3 4 所示： 1 8 沈阳上业大学硕十学位论文 b i j l l 图3 4 电压空间矢量对转矩影响示意图 ，- 时刻f 向定子磁链帆( ，) 和转子磁链炸( ，。) 以及磁通角目“) 的位置如图3 4 所示， 从t l 时刻考察到f 2 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为铽t ) 埘11 0 ) ，则定子磁链 空问矢量由虬( f 。) 到虬( f 。) 的位置，其运动轨迹帆( f ) ( 即图中的d 虬0 ) ) ，沿着区 段s 5 与地( 1i o ) 的指向平行。这个期问转子磁链的旋转情况，在实际中有可能超前于它 的定子磁链。这时的转子转速有三种可能：一是大于定子磁链的旋转速度：是等于定 子磁链的旋转速度；三是小于定子磁链的旋转速度。这时的转矩也辛甘应有三种变化：减 小、不变、增大。 如果我们在t 2 时刻给出零电压向量， 妇于定了磁链原地不动，即虮( r ，) 保持原地不 动，而转子磁链空间矢量却以电动机的平均转速转动( 因为电动机是一个大惯性系 统) ，从而导致磁通角嘶) 减小，则转矩会变小。这样，我们可以简单的通过控谁4 空间 1 9 沈阳1 q p 人学硕十学位论文 _ u 压矢量的工作状念和零矢量电压交替出现来控制转矩大小，这就是直接转矩控制的简 单过程。 3 3施加电压空间矢量的依据 直接转矩控制系统中，选择电压空间矢量要做出两种判断：第一个需要做出的判断 是下一个电压空间矢量是否改变方向；第二个判断是施加零电压矢量还是施加工作电压 矢萤。第一个判断直接影响到能否生成正六边形磁链，而第：个判断则直接影响转矩的 大小，也就是电动机的转速。因此，判断的依据也就各不相同。 3 3 1 正确生成正六边形定子磁链 要正确生成正六边形定予磁链，有两点要求；第一，选择正确的电压空间欠星顺 序；第二，各电压空间矢量的给出必须在恰当的时机。 定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于定了电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢 量的选择取决于定子磁链的空间位置。要想得到正六边形磁链，只要对六边形磁链进行 分析，通过判断六边形磁链当前位嚣的坐标值就可以了。正六边形在一个周期中在啦标 系中的坐标值最后组成图3 5 中的梯形波，它们相位差1 2 0 。，分另n 被称为定子磁链的 曲、矿成、y 摩分量。 一 十坶 0 一妒腭 图3 5 定子磁链口分量 我们可以通过如图3 6 中的施密特触发器来实现在恰当的时候选择恰当的电压空间 矢量的工作。图3 6 中，施密特触发器的容差为。也就是磁链的给定值。用 磁链的给定值分别与缈庳、y 辟、吵肚三个磁链分量进行比较，得到磁链开关信 号。由电磁开关可以很容易的推导出电压开关信号s 。、s 。s其关系是： s 。= s ( 36 ) s “一s 。 ( 37 ) 2 0 澎 沈刚t 业大学硕上学位论文 s 。= s d 缈f 缈肋 y 詹 一妒增 + 缈坶 ( 38 ) 圈3 5 用作磁链比较器的施密特触发器 把s n 、s 、s c 反向，就可以得到电压状态信号s 。、s s 。至此，我们解决 了正六边形磁链中最困难的一点：选择恰当的时机改变磁链的方向。至于电压空间矢量 的顺序，我们可以简单的通过组成正六边形的过程解决，这里就不冉重复1 r 。 3 _ 3 2正确选择工作电压与零电压 前嘟已经分析过，在每一时刻，要砸加正确的空间电压矢量，面临着两种选择判 断：是否改变电压空间矢量的方向：是输出零电压还是输出工作电压。我们前两已经解 决好r 第一个问题( 假设我们并不要求产生近似圆形磁链) 。对于这个问题我们在本节 仅仅做出定性分析，并不做定量分析，这是因为这个问题涉及到控制算法，我们在后而 的章节中将做详细阐述。 我们进行直接转矩控制，要求输出的结果不外乎有两种：或者是要得到给定的转 速，或者是要得到给定的转矩，最复杂的情况是要求能够同时跟踪给定转速和转矩。冈 此，我们可以通过对如卜 思路的分析进行我们的研究：第一，仅仅分析给定转矩的情 况，这种情况最简单，应用面也最窄；第二，仅仅分析给定转速的情况，这种情况i i ， 2 1 沈刚工业大学硕士学位论文 由于转速不仅与当前速度有关，电动机的当前转矩不会影响到未来时刻的转速，所以， 可以当作一个惯性环节来分析。第三种情况就是既要求跟踪转速又要求跟踪转矩。不 过，我们知道，由于转矩和加速度之间足一个一次线性关系，所以只要我们能够精确的 跟踪转速，则转矩也必然是负载转矩，所以我们的中心任务仍然是速度控制。 如果只是要求解决速度控制问题，我们可以采用p i d 控制方案。但是这种控制方法 计算量比较人，对于我们这样一个既要用软件算法辨识速度，又有恰时给 h 控制量的系 统而言，并不太合适。由于采用两点式b a n g - - b a n g 控制，我们很容易想到了模糊逻辑 控制，这种方法不仅简单有效，而且快速性好。下面我们对这种控制作一简单的分析作 为后面模糊控制的思路。 对单纯的速度控制，会出现以f j l 种情况：( 1 ) 速度利转矩都小于额定值；( 2 ) 速度小于额定值而转矩大于额定值；( 3 ) 速度大于额定值而转矩小十额定值； ( 4 ) 速 度和转矩都大于额定值。对于第一种情况，很容易知道这时我们需要给定子绕组加当前 空间矢量的工作电压，同样的对于第四种情况，我们也很容易知道这时我们应当给定子 绕组施加零电压。但是对于第三种情况我们就很难的做出判断。这时，当我们进一步引 入速度变换率一加速度时，问题也就不难解决了。所以，我们只要恰当地引入模糊逻辑 控制的方法，是可以同时取得较为满意的速度控制效果的。 结合第二章和第三章所讲的内容，我们可以总结出直接转矩控制系统的完整框图如 图37 所示。图3 7 中的u i 单元代表逆变器，a m m 单元表示磁链计算单元，逆变器的 控制信号由开关s 给出，控制信号有两种情况：工作电压和零电压，是选择工作电压还 是选择零电压由转矩反馈单元决定。r 丁作电压就是六种电压空间矢量中的一种，至于其 选择情况由d m c 单元也就是施密特触发器来决定，其判断依据是定子磁链的空间矢量 位置及其大小