（电力电子与电力传动专业论文）异步电机直接转矩控制理论和技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 仿真软件对其进行了仿真验证。针对传统直接转矩控制系统，对定子磁链估 计的加权模型进行了仿真验证。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型 能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的 直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载 转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真 验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表 明，两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误 差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转 矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制 系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统，依然能够减小转矩 脉动和转速的稳态误差。 关键词：异步电动机；直接转矩控制；占空比；滑模控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ne l e c t r i c a l l o c o m o t i v e ，a u t o m o t i v ei n d u s t r y ，h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n do t h e ri n d u s t r i a lc o n t r o l a r e a s i nt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m sd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a san e ws t r a t e g yo fa c d r i v e ，i sp l a y i n ga ne n o r m o u sr o l ei nt h ef i e l d so fm o t i o nc o n t r o lb e c a u s eo fi t s n o v e li d e a ，s i m p l es t r u c t u r e ，a n df a s td y n a m i cr e s p o n s et ot o r q u e a l t h o u g hd t c h a sm a n ya d v a n t a g e so v e rf l u x o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o l ，t h e r ea r em a n yn e e d f u l i m p r o v e m e n t se x is t e d i nd t c d t ca d o p t st w ot o r q u ea n df l u xh y s t e r e s i s c o n t r o l l e r s ，w h i c hs e r v et oc o n t r o lt o r q u ea n df l u xw i t h i nac e r t a i nv a l u eo fg i v e n t o r q u ea n df l u xr e s p e c t i v e l y t h i sc o n t r o ls t r a t e g yi n e v i t a b l yb r i n g ss o m ep r o b l e m s s u c ha su n d e s i r a b l et o r q u er i p p l ea n du n c o n s t a n ti n v e r t e r s w i t c h i n gf r e q u e n c y d t c a d o p t ss t a t o rf l u xo r i e n t a t i o na n du s e ss t a t o rr e s i s t a n c et oe s t i m a t es t a t o rf l u x ， b o t ho fw h i c hw i l lb r i n gf l u xe r r o ri nl o w s p e e do p e r a t i o n w h i l ee s t i m a t i n gs t a t o r f l u xw i t h i nf u l l - s p e e da d o p t sac o m p o u n dv o l t a g e - - s p e e dm o d e lc o m p o s e db y c u r r e n t v e l o c i t ym o d e la tl o w - s p e e da n dv o l t a g e - c u r r e n tm o d e la th i g h s p e e d ，t h e s m o o t hh a n d o f fb e t w e e n t w om o d e l si sap r o b l e mn e e d e dt ob es o l v e d d t cu n d e r b a s e f r e q u e n c yh a sb e e na c h i e v e d ；h o w e v e r ，i t st h e o r ya n da p p l i c a t i o nc a nb e e x t e n d e dt oa b o v eb a s e f r e q u e n c yr e a l m i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h et r a d i t i o n a ld t c s y s t e ma n dt w oi m p r o v e dd t cs y s t e m sa i m i n ga tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f a s y n c h r o n o u sm a c h i n eo nt w o - p h a s es t a n d s t i l la x i s i nt h et r a d i t i o n a ld t cs y s t e m ， t h r e ee s t i m a t i o nm o d e l so ft h es t a t o rf l u xa r ed i s c u s s e di nd e t a i la n dt h ew e i g h t e d m o d e li sd e s i g n e d ，b o t ho fw h i c hs e r v et og e tp r e c i s es t a t o rf l u xi nf u l l - s p e e d o p e r a t i o n i no r d e rt oc o p ew i t hu n d e s i r a b l et o r q u er i p p l ea n du n c o n s t a n t s w i t c h i n g 行e q u e n c yt h i sp a p e rd e s i g n st w oi m p r o v e dd t cs y s t e m s i nt h ed t c s y s t e mb a s e do nd u t yc y c l ec o n t r o l ，a no p t i m i z e dd u t yc y c l eo fan o n z e r ov o l t a g e v e c t o ri sa d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo fl a r g et o r q u er i p p l e t h e r ei so n l yo n e s w i t c h i n go p p o r t u n i t yf r o mt h en o n z e r ov o l t a g ev e c t o rt oz e r oo n ei nat o t a l s a m p l ec y c l e ，w h i c hr e a l i z e st h ec o n s t a n ti n v e r t e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y i nt h ed t c 山东大学硕士学位论文 s y s t e mb a s e do ns l i d i n gm o d ec o n t r o l ，t h i sp a p e rd e s i g n st o r q u ea n df l u xs l i d i n g m o d ec o n t r o l l e r st or e p l a c et h et r a d i t i o n a lo n e s ，a n dr e a l i z e sc o n s t a n ts w i t c h i n g f r e q u e n c yb yh a n d l i n gs v p w m t h i sp a p e re x t e n d st h et r a d i t i o n a ld t c a n dt w o i m p r o v e dd t c m e t h o d st oa b o v eb a s e - f r e q u e n c yr e a l m i no r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o ls y s t e m sm e n t i o n e da b o v e ， s i m u l a t i o n sa r em a d eu s i n gm a t l a b s i m u l i n k as t a t o rf l u xe s t i m a t e dw e i g h t e d m o d e li sc o n s t r u c t e di nt h et r a d i t i o n a ld t cs y s t e m s i m u l a t i o ns h o w sag o o d r e s u l tw i t h i na l ls p e e d s a sf o rt h ed t cs y s t e mb a s e do nd u t yc y c l ec o n t r o la n d t h ed t c s y s t e mb a s e do ns l i d i n gm o d ec o n t r o l ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sf o u ri n s t a n c e s o ft h el o a dt o r q u ew i t hd i s t u r b a n c ea n dn od i s t u r b a n c e ，t h ec o n s t a n ta n dv a r i a b l e a s s i g n e dr e v s i m u l a t i o ns h o w st h a tb o t hi m p r o v e dd t cm e t h o d sc a nr e d u c e t o r q u er i p p l ea n dt h es t e a d y s t a t ee r r o ro fr e ve f f e c t i v e l y f o rt h eo p p t u n i t ya b o v e b a s e - f r e q u e n c y ，t h r e ed i f f e r e n td t cm e t h o d sa r eu t i l i z e d s i m u l a t i o ns h o w st h a t b o t h i m p r o v e dd t cs y s t e m sa r es u p e r i o r t ot h et r a d i t i o n a lo n ei na b o v e b a s e - f r e q u e n c yo p e r a t i o n k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r s ；d i r e tt o r q u ec o n t r o l ；d u t yc y c l e ；s l i d i n gm o d e c o n t r o l 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作一：硝翩虢舭 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 运动控制系统包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统。相比直流拖 动，交流拖动省去了电刷和换向器的经常维修带来的成本。同时，由于电力 电子技术的飞速发展，大规模集成电路和计算机控制技术的出现，以及交流 拖动在节能减耗方面的优势，交流拖动在异步电动机和同步电动机控制系统 中得到了广泛的应用，这些应用包括风机、造纸厂、地铁和机车牵引、电动 汽车、机床和机器人、家用电器和风力发电系统等妇1 。 交流电机的各种控制方法，包括标量控制、矢量控制( 磁场定向控制) 、 直接转矩控制和自适应控制等。标量控制只对变量的幅值进行控制，忽略电 机的耦合效应，其动态性能较差，但实现起来较为方便。与标量控制不同， 矢量控制中变量的幅值和相位都被控制。采用矢量控制可以使异步电动机像 他励直流电动机那样实现高性能的解耦控制，因此矢量控制也被称为解耦控 制或矢量变换控制。矢量控制既可以应用于异步电动机控制系统口1 ，也可以应 用于同步电动机控制系统h 1 。 矢量控制在交流拖动中的优势是明显的，然而也存在一系列不能忽视的 问题。在矢量控制过程中，转子磁链难以准确观测晦1 ，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以达到理论分析的程度。直接转矩控制解决了上述一 系列问题，在交流拖动控制系统中发挥着举足轻重的作用。 直接转矩控制1 于1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提 出，并获得了令人满意的控制效果口1 。不同于矢量控制，直接转矩控制不需要 估计转子磁链，只需要估计定子磁链阳1 ，涉及到的电动机参数只有定子电阻， 因而对电动机参数的依赖性大大减弱。相比矢量控制，直接转矩控制省去了 复杂的矢量旋转变换，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转 矩响应迅速，因而是一种具有高静、动态性能的交流调速方法阳1 。目前广泛应 用于三相异步电动机、单相异步电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机 中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中也发挥着巨大的作 用。 山东大学硕士学位论文 虽然直接转矩控制具有上述一些优点，但是直接转矩控制也存在许多问 题有待进一步解决，如低速时的磁链观测问题和转矩脉动问题、带负载能力 问题、开关频率是否恒定问题和磁链的轨迹问题等1 0 邮引。 1 2 直接转矩控制的产生与概况 自从2 0 世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解 决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓矢 量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换实现电 机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高 性能的转矩和转速响应特性。 尽管矢量控制从理论上可以使交流拖动控制系统的动态特性得到改善， 但是在矢量解耦时需要用到电动机参数。在电动机运行过程中，随着电动机 温度的升高和磁路的饱和，这些参数可能在大范围内变化，而使用不精确的 参数则难以实现动态过程的完全解耦。为补偿参数变化的影响，人们又引入 了各种参数的补偿算法和在线辨识，但这些算法使得系统复杂化，并且由于 矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果很难达到理论分析的程度，这 是矢量控制在实践上的不足之处n 3 1 4 1 。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d t c ) 是在矢量控制基础之上发 展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是 把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压矢量分析方法直接在静止 坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出p w m 逆变器的 开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩。与矢量控制相比，直接转矩 控制的主要优点是：在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了矢量控制中 的解耦思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子 磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数( 转子电阻) 。由于定子磁链的 估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、 更精确，受电动机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输 出转矩和磁链的偏差来确定电压矢量，与以往的调速方法相比，它具有控制 直接、计算过程简化的优点。因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注， 目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 2 山东大学硕士学位论文 随着现代科学技术的进步，直接转矩控制得到了极大的发展。现代控制 理论和智能控制理论是人们改善直接转矩控制的主要理论依据。直接转矩控 制的研究趋势主要在以下几个方面： ( 1 ) 高频化 为了进一步提高控制性能，改善低速时不可避免的转矩和磁链脉动过大 的问题，交流调速必然向高频化方向发展。然而频率过高会导致逆变器的开 关损耗过大，如何在逆变器的开关损耗和电机的转矩和磁链脉动之间寻求一 个最优的平衡点，将是异步电动机直接转矩控制的一个新的研究方向。 ( 2 ) 智能化 异步电动机直接转矩控制和现代控制理论以及智能控制理论相结合，将 会进一步提高异步电动机直接转矩控制的静、动态性能。目前，模糊控制、 自适应控制、鲁棒控制等智能控制理论已经用在直接转矩控制系统中，但是 这些控制技术与实际工业现场的结合还有一段距离，还需要很多研究工作。 ( 3 ) 理论化 直接转矩控制的相关理论已经提出，但是这个理论目前还只是一个针对 电机控制的具体的理论，还没有形成一个系统的控制理论。把异步电动机直 接转矩控制的相关理论进行总结提炼，丰富充实已有的经典控制理论和现代 控制理论，并应用到运动控制的其他领域和自动化相关领域，将是一个更有 挑战性的研究方向。 1 3 课题的主要研究内容 直接转矩控制虽然有以上诸多优点，但目前在理论上尚不成熟，不够完 善，其经典模型固有的缺陷一直阻碍着直接转矩控制的进一步发展。其主要 问题是：定子磁链的准确估计，电磁转矩脉动较大，逆变器开关频率不恒定 等。围绕直接转矩控制存在的问题，国内外学者做了大量工作，主要有以下 几个方面： 1 3 1 定子磁链的准确估计 根据电压磁链方程虮( f ) = f 甜，( f ) 一o 冰， a t ，电动机在3 0 额定转速以上 运行时，由于被积分的差值较大，定子电阻压降可以忽略，采用电压一电流模 型( “一f 模型) 就可以准确地估计定子磁链；而电动机在3 0 额定转速以下运 山东大学硕士学位论文 行时，定子电阻压降不可忽略，定子磁链受定子电阻的影响显著，磁链发生 严重畸变，影响系统性能，此时定子磁链估计不能采用电压一电流模型，只能 采用电流一转速模型( f 一刀模型) ，定子磁链只能根据转速来计算。这种方法受 转子电阻、漏电感和定子电感变化的影响，系统的鲁棒性较低。采用电压一转 速模型( u 一门模型) 虽然可以在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链， 但是却带来了z ，一i 模型和f n 模型之间的平滑切换的问题。在异步电动机全速 运行范围内准确无误地估计定子磁链，是改善异步电动机直接转矩控制系统 动态性能的首要问题，是实现异步电动机直接转矩控制系统高动态性能的前 提和保证。国内外的专家学者针对这个问题，采用了各种不同的解决方法。 如设计定子磁链状态观测器、采用神经网络和遗传算法、采用解析几何手段 变换定子坐标系等n 印n 6 | 。 1 3 2 减小转矩脉动和保持开关频率恒定 ( 1 ) 传统直接转矩控制系统中转矩脉动产生的原因 传统直接转矩控制系统使用了一个转矩滞环控制器来控制电机的转矩， 使得实际转矩值保持在其给定值的一定范围之内变化，这导致了输出转矩必 然存在一定的脉动范围。由于给定滞环带的大小对转矩脉动的大小有着直接 的影响，因此，在一定程度上减小转矩滞环控制器的滞环带可以减小输出转 矩脉动。但是，即使采用零滞环带也不能真正消除转矩脉动。而且，过小的 滞环带将使逆变器开关频率过高，增加了开关损耗。在实际的数字化控制系 统中，输出转矩脉动也受到系统采样周期的影响。系统采样周期的大小很大 程度上决定了转矩脉动的幅值，采样周期越小，输出转矩的脉动越小。但是， 系统的采样周期不能无限减小，它受到硬件性能的限制。 下面从物理概念上分析转矩脉动产生的原因。 由于标准的电压源型逆变器只有6 个非零电压矢量和2 个零电压矢量可供 选择，而这6 个非零电压矢量在空间上是相隔6 0 。分布的，所以电压矢量的切 换是步进式的。根据定子电压矢量和定子磁链之间的关系，电压矢量作用后 定子磁链可以产生相应的快速变化，因此定子磁链的变化也是接近步进式的。 而转子磁链相对于定子磁链变化缓慢，在一个采样周期的很短时间内可近似 视为不变，这样导致转矩角产生了阶跃式的变化，因此电磁转矩的变化相应 4 山东大学硕士学位论文 也是阶跃式的，并最终造成了较大的转矩脉动。 另一方面，在传统直接转矩控制系统中，在一个采样周期内，只有一个 电压矢量作用于逆变器，这也是导致输出转矩脉动过大的原因。电压源型逆 变器的8 个电压矢量的作用效不可能在每个采样周期内都恰好补偿当前的转 矩误差。在一个特殊的采样周期内，如果转矩误差较小，则实际转矩在电压 矢量的作用下将很快达到给定值，此后电压矢量将继续作用，实际转矩将继 续增大，也造成了较大的转矩脉动。 ( 2 ) 转矩脉动最小化和保持开关频率恒定的研究现状 j u n - k o ok a n g n7 3 提出了一种转矩脉动最小化的方法，这种方法抛弃了传 统直接转矩控制系统中转矩滞环控制器的应用。在转矩脉动的一个周期内， 先施加非零电压矢量使转矩增大，然后施加零电压矢量使转矩减小。该方法 没有采用传统的双电平滞环控制器控制逆变器的开关，而采用目标函数和约 束条件，通过计算得出非零电压矢量的最优作用时间，同时得到了控制逆变 器开关的最佳时刻。在该方法中，把转矩轴作为纵轴，把时间轴作为横轴， 建立平面直角坐标系，用一个采样周期内实际转矩的变化曲线和此坐标系构 成的面积来表示转矩脉动的大小，并把这个面积表示成非零电压矢量作用时 间的函数，即目标函数，约束条件是此面积取最小值，得到此面积对非零电 压矢量作用时间的导数为零。根据这个约束条件，求出转矩脉动最小时对应 的非零电压矢量的作用时间。在非零电压矢量作用结束时刻，控制逆变器开 关，施加零电压矢量使实际转矩降低，等到一个周期结束，重复此过程。在 每一个采样周期实时计算目标函数和约束条件，如此反复，达到减小转矩脉 动的目的。同时，通过设定采样周期为恒定值，可以使逆变器的开关频率保 持恒定。 n i kr u m z in i ki d r i s n 踟设计了一个转矩控制器来降低转矩脉动，同时也可 以使逆变器开关频率保持恒定。转矩控制器由两个相位互差1 8 0 。的三角波发 生器、两个比较器和一个比例积分调节器组成。这种转矩控制器的计算过程 较为复杂，实现较为困难。 模糊控制的方法被广泛应用于异步电动机直接转矩控制中，运用模糊控 制和模糊系统理论，把传统直接转矩控制中的转矩偏差、磁链偏差和定子磁 山东大学硕士学位论文 链在空间中的位置角度三个物理量按照模糊控制理论细分，确定各个物理量 的隶属度函数，细化电压空间矢量表，达到减小转矩脉动的目的n 鲫心0 1 。 空间矢量脉宽调制技术幢2 2 3 ( s v p w m ) 也被广泛应用于异步电动机直接 转矩控制中。采用空间矢量脉宽调制技术，也可以使异步电动机直接转矩控 制系统中的转矩脉动得到一定程度的减小，同时使逆变器的开关频率保持恒 定。但是这种方法使得逆变器开关频率较高，一定程度上增加了硬件的开关 损耗。 滑模变结构控制陋3 2 4 2 副是针对不确定性系统提出的一种有效的非线性控 制方法，它具有结构简单、响应速度快等特点，而且对系统的参数摄动和外 加干扰具有很强的鲁棒性，因而近几年在永磁同步电机的直接转矩控制系统 中取得了良好的效果。 此外，神经网络和遗传算法、自适应控制等控制算法也在异步电动机直 接转矩控制中得到了广泛应用乜印乜7 j 。 针对异步电动机直接转矩控制存在的上述一系列问题，本文对以下几个 方面进行了研究： ( 1 ) 异步电动机直接转矩控制中转矩上升和下降斜率的精确计算( 考虑 定子磁链幅值变化) ； ( 2 ) 基于占空比控制的异步电动机直接转矩控制系统的理论分析及仿真 建模； ( 3 ) 基于滑模变结构控制的异步电动机直接转矩控制系统的理论分析及 仿真建模； ( 4 ) 异步电动机直接转矩控制中全速范围内定子磁链的准确估计和电压 一电流模型( u f 模型) 和电流一转速模型( f n 模型) 之间的平滑切换； ( 5 ) 以上三种直接转矩控制方法在弱磁领域内的应用； 1 4 论文各章节的安排 除了本章绪论外，论文共分为五章。下面就各章节的主要内容作一介绍。 第二章主要就传统异步电动机直接转矩控制系统的建模问题进行了研 究。在讨论了三相异步电动机在三种不同坐标系下的数学模型的基础上，对 直接转矩控制的基本原理进行了探讨。本文重点介绍了直接转矩控制系统中 6 山东大学硕士学位论文 定子磁链估计的各种方法，并引入加权模型对运行在全速范围内的定子磁链 进行准确估计。最后对控制系统给出了仿真结果，为以后各章节奠定了基础。 第三章主要介绍基于占空比控制的异步电动机直接转矩控制系统的设 计。首先讨论了传统直接转矩控制系统中存在的两大问题：转矩脉动过大和 开关频率不恒定。针对上述问题，本文介绍了占空比控制方法的原理，在此 基础上提出一种考虑定子磁链幅值变化的转矩上升和下降斜率的更为精确的 计算方法，同时确保了逆变器开关频率的恒定。仿真结果表明，相对于传统 直接转矩控制系统，所提方案能够有效地降低电动机的转矩脉动和转速的稳 态误差，同时使逆变器的开关频率保持恒定。 第四章介绍了基于滑模变结构的异步电动机直接转矩控制系统的设计。 首先讨论了滑模变结构控制方法的原理，并提出一种滑模变结构转矩和磁链 控制器代替传统直接转矩控制中的滞环控制器；利用空间矢量脉宽调制技术， 使逆变器的开关频率保持恒定。仿真结果表明，相比传统直接转矩控制系统 和基于占空比控制的直接转矩控制系统，基于滑模变结构的直接转矩控制系 统能够进一步降低转矩脉动和转速的稳态误差。在三种方法中，滑模变结构 控制的转矩脉动最小，转速的稳态误差最小。 第五章将三种不同的异步电动机直接转矩控制系统扩展到基频以上的弱 磁调速领域，并分别给出了仿真结果。仿真结果表明，在弱磁控制领域，基 于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统依 然能够降低电动机的转矩脉动和转速的稳态误差，在三种方法中，滑模变结 构控制的转矩脉动最小，转速的稳态误差最小。 论文最后就本课题的研究成果做出总结，并指出进一步的研究方向。 1 5 本章小结 本章就课题所涉及的背景知识作了简要介绍，叙述了直接转矩控制的产 生、发展概况、研究现状，提出了传统直接转矩控制的优点和缺点。另外， 本章还对课题的意义进行了分析，给出了论文的主要研究内容、具体架构和 各章节的安排。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章感应电动机直接转矩控制的基本原理 2 1 异步电动机的数学模型 认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接 转矩控制系统的保证。异步电动机的动态数学模型和直流电动机的动态数学 模型相比有着本质上的区别，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波； ( 2 ) 忽略磁路饱和； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 忽略频率变化和温度变化对绕组电阻的影响； 无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线型， 并折算到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。这样，电机绕组就等效 成图2 1 所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线彳、b 、 c 在空间是固定的，a 轴与参考坐标轴的x 轴重合；转子三相绕组轴线a 、b 、 c 随转子旋转，转子a 轴和定子彳轴间的电角度日为空间角位移变量。规定各 绕组电压、电流、磁链的j 下方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。 b y 、 x 护一 口 i 6 毯 ￥ j c c 图2 1 三相异步电动机的物理模型 直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的 励磁电流决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根 本原因。为了能将异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的 形式，需要引入坐标变换。坐标变换包括三相一两相变换和两相一两相旋转变 8 山东大学硕士学位论文 换。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完 全相同。 c - f 夕 d 天 - p f 声 瘀 秋 一 ( a ) 三相交流绕组( b ) 两相交流绕组( c ) 旋转的直流绕组 图2 - 2 等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型 以产生相同的旋转磁动势为原则，图2 2 中的三种物理模型彼此等效。通 过坐标变换，可以得到异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标 系、两相同步坐标系三种不同坐标系下的数学模型乜8 i 。 2 1 1 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型 设两相坐标d 轴与三相坐标彳轴的夹角为包，而p 包= 为两相任意速旋 转坐标系( 砌坐标系) 相对于定子的角转速，数学模型由以下方程表述： ( 1 ) 磁链方程 厶0 0 厶 厶0 0 厶 厶0 0 厶 0 0 i 姐 z 田 钿 z w ( 2 1 ) 式中 、由坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量； 如、岛、0 、由坐标系下定子电流与转子电流的两个分量； 厶定子与转子同轴等效绕组间的互感； t 定子等效两相绕组的自感； 厶转子等效两相绕组的自感； ( 2 ) 电压方程 9 山东大学硕士学位论文 “耐 甜田 “耐 r s + l s p 国由s l s 厶p ，厶 一衄s l s r s + l s p 一蛔r l m l m p l m p 向s l m r r 十l r p 蛔r l r 一由s l m 厶p 一曲r l r 足+ l r p k f w ( 2 2 ) 式中 “叫、“耐、“田由坐标系下定子电压与转子电压的两个分量； r 、耳定子电阻与转子电阻； 、由坐标系分别相对于定子、转子的角转速； 如、0 、0 、l 、厶、同上； ( 3 ) 转矩方程 瓦= 以p l ( 乞如一岛0 ) ( 2 - 3 ) 式中 乏电动机转矩；电动机极对数； 厶、岛、0 、0 、k 同上； ( 4 ) 运动方程 瓦毋丢鲁 协4 ， n p 饿 式中 瓦负载转矩；彩电动机转速；，电动机转动惯量； 乃、刀p 一同上； 以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。它 比异步电动机在三相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所 降低，但是其非线性、多变量、强耦合的性质没有改变。 2 1 2 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 异步电动机在两相静止坐标系( 筇坐标系) 下的数学模型是在任意速旋 转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。当- - 0 时，= 一缈，即转 1 0 山东大学硕士学位论文 速的负值。数学模型由以下方程表述： ( 1 ) 磁链方程 vs 。 p s 8 i l l r o c v r p 厶0 0 厶 乙0 0 厶 l m 0 0 厶 t 0 0 l r l s 口 l 啪 z 佗 l r 口 ( 2 5 ) 式中 l 、y 。卢、l 、沙，筇坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量； k 、k 、k 、筇坐标系下定子电流与转子电流的两个分量； 厶定子与转子同轴等效绕组间的互感； 厶定子等效两相绕组的自感； t 转子等效两相绕组的自感； ( 2 ) 电压方程 “，口 甜埘 l d r a 甜，口 r s + l s p 0 厶p 一彩厶 o r s + l s p c o l i m p 厶p o r r + l r p 一缈l 0 z m p c o l , 足+ l r p k l s 8 z m z r 口 ( 2 6 ) 式中 ”跗、“。卢、“眦、“，口筇坐标系下定子电压与转子电压的两个分量； r 、r ，定子电阻与转子电阻；缈电动机转速； 口、如、0 、厶、厶、t 同上； ( 3 ) 转矩方程 疋= 刀，l m ( 0 。一i , o i 声) ( 2 - 7 ) 式中 乃电动机转矩；刀p 电动机极对数； 厶、如、k 、同上； ( 4 ) 运动方程 山东大学硕士学位论文 z = 互o y l p 掣d t ( 2 - 8 ) 式中 五负载转矩；缈电动机转速；，电动机转动惯量； 瓦、1 7 p 同上； 以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。这种模型又称为 k r o n 的异步电动机方程式或双轴原型电机( t w oa x i sp r i m i t i v em a c h i n e ) 基本 方程式。 2 1 3 异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型 此模型的坐标轴用d q 表示，只是坐标系相对于定子的旋转速度v ，等 于定子频率( 旋转磁场) 的同步角速度c o l ，而转子的转速为c o ，因此坐标系相 对于转子的角速度c o a v ，= c o l 一国= 织，即转差频率。数学模型由以下方程表述： ( 1 ) 磁链方程 1 2 v 妇 少耐 y 唧 t 0 0 厶 厶0 0 厶 厶0 0 厶 0 0 l r ls d z 叼 t ( 2 9 ) 式中 9 6 d 、沙田d q 坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量； 0 、岛、如、0 j g 坐标系下定子电流与转子电流的两个分量； 厶定子与转子同轴等效绕组间的互感； 厶定子等效两相绕组的自感； 三，转子等效两相绕组的自感； ( 2 ) 电压方程 山东大学硕士学位论文 i , l s d 扰田 z l r d “w r s + l s p q t 厶p 织厶 一q t r s + l ；p 一心厶 l m p l m p q 厶 r r + l r p s l r q 厶 l p 一s l r 足+ l , p o z 唧 ( 2 1 0 ) 式中 、“唧d g 坐标系下定子电压与转子电压的两个分量： r 、r ，定子电阻与转子电阻； q 定子同步角转速；国，转差频率； 乙一岛、0 、厶、t 、，同上； ( 3 ) 转矩方程 = p l m ( 岛0 一乙i , q ) ( 2 1 1 ) 式中 瓦电动机转矩：甩p 电动机极对数； 厶、k 、0 、名同上； ( 4 ) 运动方程 z = 无+ 三n 掣 (212)p a t 式中 五负载转矩；缈电动机转速；，电动机转动惯量； z 、n p 同上； 以上构成异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型。这种坐标系 的突出特点是：当三相坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到两相 同步旋转坐标系上就成为直流量n 1 。 异步电动机直接转矩控制系统所用到的数学模型，是异步电动机在两相 静止坐标系下的数学模型。 2 1 4 仿真结果及分析 本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型进行了仿真验 山东大学硕士学位论文 证2 们口0 】。数学模型的建立采用在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下模块化的方法。 采用模块化的方法构建的异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 n 2 1 的总的结构图如下： s u 嘲e m ls u b , s t e m 2 图2 - 3 异步电动机在两相静止坐标系下的总结构图 在图2 - 3 中，s u b s y s t e m l 表示三相交流电源模块，s u b s y s t e m 2 表示三相一 两相变换模块，s u b s y s t e m 3 表示异步电动机模块，三部分的具体结构图如下： 1 4 图2 4 三相交流电源模块结构图 图2 - 5 三相一两相变换模块结构图 山东大学硕士学位论文 图2 - 6 异步电动机模块结构图 仿真所用到的电机参数如下：额定电压u = 2 2 0 v ，频率f = 5 0 h z ，额定 转速v = 1 4 8 0 r m i n ，定子电阻足= 4 2 5 1 2 ，转子电阻r ，= 3 2 4 f 2 ，定子等效两 相绕组的自感l s = 0 6 6 6 h ，转子等效两相绕组的自感l = 0 6 7 1 h ，定子与转 子同轴等效绕组间的互感厶= 0 6 5 1 h ，极对数n p = 2 ，转动惯量，= o 0 2 n 朋2 。 仿真时间f = l s 。分别对负载转矩为零和负载转矩为1 0 n m 两种情形对恒电压 作用下电机的运行情况进行了仿真，仿真结果如下： 图2 7 转速曲线( 负载转矩为零)图2 8 转矩曲线( 负载转矩为零) 山东大学硕士学位论文 图2 - 9 转速曲线( 负载转矩为1 0 n 聊)图2 - 1 0 转矩曲线( 负载转矩为l o n m ) 仿真结果表明：当负载转矩为零时，电机可以达到额定转速1 4 8 0 r m i n ， 电磁转矩在0 2 s 以后稳定为零；当负载转矩为1 0 n m 时，电机只能达到转速 1 4 3 8 r m i n ，电磁转矩在0 3 s 以后稳定为1 0 n m 。 2 2 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制是为电压源型p w m 逆变器传动系统提出的一种先进的标 量控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系 统性能相媲美。该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间 矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。其控制原理如 下： 首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子 磁链的函数： t = 去川蚺岍其中c r = l - 矗 协 式中 虮、”定子磁链、转子磁链； t 、厶定子电感、转子电感、定子转子2 _ f j 的互感； 电动机级对数： 疋电磁转矩； y 转矩角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角； 1 6 山东大学硕士学位论文 在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动 机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹 角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就 是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停 停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达 到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、 给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开 关表得到需要加在