（检测技术与自动化装置专业论文）直接转矩控制系统综合技术的应用研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 在交流调速系统中由于直接转矩控制技术( d 1 ) 是对电动机转矩直接进行控制， 因此电动机可以获得优良的动态和静态性能；而高速数字信号处理器( d s p ) 为采用先 进的控制算法提供了硬件基础，所以本文采用1 1 公司针对电机控制推出的高性能1 6 位 定点d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制微处理器的直接转矩控制系统进行全数字直接转矩 控制实验。 直接转矩控制技术直接在定子坐标系下计算和控制各物理量，借助离散的调节器产 生脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制。直接转矩控制作为一种转矩响应 快、高性能的交流调速系统，仍存在磁链和转矩脉动大的缺点。原因在于传统的直接转 矩控制只有6 个且不连续有效电压空间矢量可供选择，会使转矩急剧增加或减小，导致 转矩脉动远远超过设定的滞环容差，使电机产生不希望的噪声和振动。 基于此，本文在深入分析了传统直接转矩控制系统的基础上，提出了一种电压空间 矢量调制技术( s v p w m ) 、电压空间矢量细分与直接转矩控制相结合的策略，并采用转 矩三点式调节器对系统性能进行改进，这样使磁链轨迹更接近圆形，减小了磁链和转矩 脉动，提高了系统的性能。 本文以交流异步电动机为控制对象，在以1 1 公司的数字信号处理器 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的实验平台上，实现s v p w m 空间矢量细分的全数字直接 转矩控制。主要介绍了该全数字直接转矩控制系统的结构、控制系统中的各模块功能以 及d s p 的c 语言和汇编语言混合程序设计。系统的软件部分是利用在c 语言中嵌入汇 编语句的方法设计，这种方法使得所设计的软件具有可读性好、可移植性强的特点。实 验结果表明，该系统性能稳定，在减小磁链和转矩脉动方面确实可行、有效。 关键词：直接转矩控制，s v p 嘲，电压空间矢量细分，d s p 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 t 1 1 ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f s y n t h e t i c a lt e c i h l i q u ei nd t cs y s t e m a b s t r a c t 1 1 1 ed i r e c tt o r q u c c o n t r o l ( d 1 ) s y s t 锄t 娜圮c x c e l l e md ”a n l i c 柚dg 妊出c p e r f b 肋a i l c e ，雒t l l ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sc o n t r o l l e dd i r e c t l yi n 吐l ei m d 删o nm o t o r ) s p e e d 删u s t i n gs y s t e m ；w i l i l et h ed i g i t a ls i 酬p r o c e s s o r ( d s p ) c 趾p r o v i d e ss 诅b l eh a r d w a r c f o u n d a t i o nf o ra d v a i l c e dc o m r o i l i n gm e t l l o d s ，s o “sp 印c ri sa b o u tt l l ew h o l ed i g i t a ld t e x p e r i m e n tw i m1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao f t ic o m p a n y a sc e n t c rp r o c e s s o r i i lm cd t c ，m ee l e 咖m 弘e t i ct o r q u c 锄df l u xa r ec a l c u l a t c da l l dc o m r o l l e di nt 1 1 e s 诅t o rc o o r d i m t e ，柚dt l l eo 砸m a lp u l s e 晰d mm o d u l a t i o ng 撕n gs i 印a l sa r eg e n 唧t e dt o c o n 仃o lm ei n v e n e ra c c o r d i n gt om eo u t p mo f 也ed i s p 盯s i n gr c g i l l a t o r tn l ed t c t e c h n o l o g y i sah i 曲p e r f b 肌锄c es p e e da d j l l s 吐n gm e t l l o d 、】l ，i 也f 致t o r q l l er c s p o n s e ，w et l l e r ca r es o m e q u e s t i o n ，s u c h 硒f l u ) 【蹦f ia 1 1 dt o r q l l er i p p l e t h ep r o b l e mi st l l a tt h et r a d i t i o n a ld t ch 解o n l y 6d i s c r e t e 印a c ev e c t o r st oc h o o 辩，w 1 1 i c hr e s u l 乜i nt l l et o r q u ei n c r c a s e so rd e c r e 嬲e sr a p i d l y ， t h et o r q u er i p p l eb e y o n dt h er e g e n e r a _ c i v ee r r o r ，锄dv i b r m i o na i l dn o i o f m o t o rc o m eo u t s o ，b a s e do nt l l er e s e a r c ho n 也en a d i t i o n a ld t cs y s t e m ，m es p a c ev e c t o rp u l 辩嘶d 也 m o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c l u l i q u ec o m b i n e d 谢t l l 翱b d i v i d i n gv o l 诅g es p a c e 州e c t o r 锄dd t c i sa d o p t e d t h et o r q u et l l r c e p o i n tr e g u l a t o ri sa l s ol l s e di i lt l l es y s t e m b yt l l e s ec o m r o l s ，m c f l l l ) 【仃a c ei s 印p r o x i m a t cc i r c l e ，t l l ef l u x 锄dt o r q u er i p p l ei sd c c r e 黜d 强dt l l 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l t a g es p a c ev e c t o r ，d s p 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工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：座爱日期：翌监三目! 苎g 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：奎煎导师签名：曼苎逮豳期：丝虫垄捆皇日 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在工矿企业中，电机类的耗电量占企业总用电量的7 0 以上，因此电机节能对国民 经济具有重要的意义。应用变频调速技术对电机进行节能技术改造，可以有效地节约用 电量，取得很好的经济效益。2 0 世纪6 0 年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体 变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以 及现代控制理论的应用，极大的推动了作为机电能量转换基本单元的电动机控制技术的 发展【1 ，2 1 。进入二十一世纪后，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为 明显，促进电机控制技术以更快的速度发展。交流电动机特别是异步电动机由于结构简 单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。2 0 世纪7 0 年代发展起来的变频调速，由 于其效率高，性能好，具有高效率、宽范围和高精度等特点，在近3 0 年得到了迅速发 展，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式【3 j 。 1 2 现代电机控制理论 早期的变频系统【4 t 5 】都是采用开环恒压频比的控制方式，其优点是控制结构简单，成 本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩 响应慢，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性能下降稳定性变 差等，因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速等场合1 6 】。二十世纪7 0 年代德 国f b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制【7 】理论，开创了交流电机控制的先河。异步电机矢 量变换控制方法的提出，至今已获得了迅猛的发展。因为这种方法采用了坐标变换，需 要进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型 计算机技术的发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，围绕着矢量 变换控制的缺陷，如系统结构复杂，非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内 外学者进行了大量的研究。1 9 8 5 年，德国的d e p 即b r o c k 教授提出一种新的控制方法， 即异步电机直接转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n o l ，简称为d t c ) 。直接转矩控制1 8 习 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 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 为被控量来控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算 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( 控制) 产生 脉宽调制( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动 态性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，不受转子参数的影响， 简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点，具有广阔的发展和应用前景。 1 3 直接转矩控制技术的特点及其研究现状 1 3 1 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制技术【1 0 1 是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产生p w m 信号，直接 对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能i i l - 1 2 】。直接转矩控制有以 下几个主要特点： ( 1 ) 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型、控制电动机的磁 链和转矩。它不需要矢量旋转变换等复杂的交换与计算。因此，它所需要的信号处理工 作特别简单。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出 来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，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其 各物理量，使问题变得特别简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果，控制既直接又简化。 ( 5 ) 直接转矩不需要专门的p w m 波形发生器，因而控制线路简单，特别适用于电压 型逆变器，方便实现数字化控制。 直接转矩控制技术虽然有许多优点，但仍然有其不完善之处： ( 1 ) 由于“b a i l 旷b a n g ”控制其输出电压开关频率的不确定性带来的转矩脉动和电机 噪音。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于经典的定子磁链计算是基于纯积分运算，在同步转速很低的时候，将很难准 确得到定子磁链的真值，这就是直接转矩控制低速性能比较差的直接原因。 1 3 2 直接转矩控制技术的研究现状 直接转矩控制系统的性能是借助于控制环节来实现的。改善和优化各个环节的结 构，必然有利于控制系统性能的捷高【1 3 ，蛳。目前直接转矩控制的研究工作主要侧重以下 几个方面： ( 1 ) 应用现代控制理论，针对直接转矩缺点不断改善性能：由于“b a i l g - b a l l g ”控制 其输出电压开关频率的不确定性带来的转矩、磁链脉动大是改善低速性能的首要问题， 因此主要工作集中在如何使磁链的轨迹圆形化以减小转矩、磁链脉动方面。 ( 2 ) 控制与智能技术1 5 1 q 相结合的研究：将现代控制理论和智能控制理论运用到电机 控制中，包括模糊技术嘲、神经网络技术“恻。 ( 3 ) 无速度传感器直接转矩控制系统的研究。 目前，我国在直接转矩控制领域的研究仍处于仿真和实验研究阶段，尚有不少控制 1 性能和应用有待解决。 1 4 直接转矩控制技术研究的目的和意义 直接转矩控制是控制电机的磁链和转矩，而电机主要控制的是转矩，控制了转矩，也 就控制了速度。由于采用转矩直接控制，可使逆变器切换频率低，电机磁场接近圆形，谐 波小，损耗小，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小的多。多年的实际应用表明，与 矢量控制法相比直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电 动机直接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。目前。采用i g b t 、i g c t 的直接转矩控 制方式的变频调速装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。 随着工业自动化程度的不断提高，变频器越来越广泛的应用与机械、纺织、化工、 食品等各个行业，在风机、水泵等设备的节能场合得到了明显的经济效益和社会效益。 异步电动机直接转矩控制技术是异步电机变频调速技术的重要发展方向，因此研究和开 发异步电机直接转矩控制技术具有重大意义和实用价值。 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 1 5 直接转矩控制技术研究趋势 随着现代科学技术的进步直接转矩控制系统得到了极大的发展。现代控制理论和智 能控制理论是人们改进直接转矩控制系统的主要理论依据；高性能数字信号处理器d s p 和种类众多的新型c p u 的出现，则为改进直接转矩控制系统提供了强有力的工具。因 为直接转矩控制系统最希望的是改善低速性能差，所以直接转矩的发展将在以下几个方 面发展来改善低速性能。 ( 1 ) 高频化方向发展 为了进一步提高控制性能，消除转矩和磁链脉动，交流调速必然向高频化发展。其 中s v p w m 【2 2 2 习技术是其中的重点。 ( 2 ) 控制技术的智能化 与控制技术相结合，这将使交流调速系统的性能有一个根本的提高，是直接转矩控 制的未来。现代控制理论中各种方案，如模糊控制、自适应控制等各种智能算法的应用 将使直接转矩控制系统的动态性能得到进一步的提高。 、 ( 3 ) 控制手段的全数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于全数字实现，对处理的实时性、快速性要求高。 d s p 正是能满足这种需求的芯片，它快速高效地实现复杂的控制规律，同时便于故障检 测、诊断和保护，增强系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 ( 4 ) 无速度传感器控制系统的进一步研究发展 进一步提高转速估计的精度以及动态响应，增强对参数变化的鲁棒性以及获得高调 速范围是其主要的研究方向。 ( 5 ) 电机参数的在线辨识 不论是矢量控制系统还是直接转矩控制系统，为保证系统的高动态性能，对电机参 数的辨识弘1 是必不可少的，但电机参数的辨识尚没有得到圆满的解决。 1 6 数字控制技术 随着微电子技术的快速发展，各种集成电路芯片不断涌现，芯片的性能不断提高， 使得交流传动系统控制器的实现方式也发生了根本改变。从早期的模拟控制发展到后来 沈阳工业大学硕士学位论文 的数模混合控制和数字控制，特别是进入八十年代后，因为微电子技术的快速发展，电 路的集成度越来越高，交流传动系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，目前交流传 动控制系统大都采用硬件与软件相结合的控制方式。 适用于数字系统控制的微机可分为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、单片机 ( m i c r o c o m r o l l e r ) 和数字信号处理器( d i g i 雠s i g n a lp r o c e s s o r ) 三种一般来说，单片 机【2 5 】是面向控制的，在片内集成了较多的i o 接口和外围部件，但运算速度比较慢；d s p 是面向快速信号处理的，运算速度比同一时期的单片机要快1 到2 个数量级，但i o 接 口和外围部件较少，价格也相对昂贵。为了满足实际需要，微处理器、单片机和数字信 号处理器本身也在沿着扩大集成度、增加位数、加快速度。提高数据和信号处理能力、 扩展功能、降低成本的方向发展。八十年代末九十年代初，为了使交流传动系统得到响 应速度更快、实时性更强的数字式电流控制，广泛地采用了数字信号处理器d s p 【2 6 1 ，如 1 m s 3 2 0 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列等。d s p 是一种高速的微处理器，其运 算速度非常快，能够满足电流环的实时控制的高要求。为了在广阔的电机控制市场抢占 份额，各大d s p 生产厂商纷纷推出自己的内嵌式d s p 电机专用控制电路。 数字信号处理器d s p l 27 】诞生之初，主要被用于信号处理领域，需要进行大量复杂运 算的场合。相对于微控制器，d s p 具有一些自身的特点。首先d s p 芯片采用改进的哈 佛总线结构，程序和数据以及各自的地址都有独立的总线，甚至读和写都有分别的总线， 大大提高了数据传输速度。其次d s p 的指令系统采用流水线方式，d s p 处理器可以同 时处理多条指令，每条指令处于流水线执行过程的不同阶段。第三，d s p 处理器具有专 用的处理单元，比如硬件乘法器，可以在一个时钟周期内完成一次乘法运算，还有硬件 移位器、硬件堆栈等等，大大提高了计算速度。第四，d s p 芯片大多具有一些特殊的指 令，比如专门的乘加指令可以在一个时钟周期中完成两数相乘并累加到累加器的工作， f f t 专用码位倒置寻址指令可以大大加快f f t 运算的速度。d s p 还有其他一些优点，比 如快速的时钟周期，多个处理单元，易于构成多c p u 系统等等。d s p 的这些独特的优 点使它特别适用于算法复杂的高性能控制场合。因此d s p 芯片经推出，即在电机控 制方面得到研究和应用。d s p 在电机控制领域的真正大规模应用开始于1 9 9 8 年1 r i 面向 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 电机、运行及过程控制等领域推出业界首款具有片上闪存的d s p 一1 m s 3 2 0 f 2 4 0 。同年， t i 推出c o d ec o m p o 辩rs t i l d i o ，业界第一款集成化、开放式d s p 软件开发环境，可将 d s p 的编程时间缩短5 0 9 6 以上。1 m s 3 2 0 f 2 4 0 将d s p 内核与众多控制专用外设集成在一 起，其性能和功能远远超过了同时代的微控制器，受到广大科研人员的欢迎。从1 9 9 9 年开始，国内外的高性能电机控制研究和产品开发纷纷从微控制器转向1 m s 3 2 0 f 2 4 0 ， 取得了许多成果。然而运行在2 0 m l z 的1 6 位d s p 内核在执行矢量控制这样的高性能 闭环控制算法的时候仍然显得不太够用，6 6 l l s 的d 转换时间也显得较慢，迫使研发 人员在大多数情况下只能使用汇编语言编写控制软件。t i 公司也认识到控制领域给d s p 带来的机遇和第一代电机控制专用d s p 的不足，不断开发新的电机控制专用d s p 芯片， 形成了5 v 的c 2 4 x 系列和3 3 v 的c 2 4 0 x 系列，通称为c 2 0 0 0 平台。由于性能、成本 等方面的原因，目前电机控制专用d s p 的主流已经从踟s 3 2 0 f 2 4 0 发展到以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主的c 2 4 0 ) 【系列d s p 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 ) 【与t m s 3 2 0 f 2 4 x 的主要区别 在于采用了3 3 v 供电电压以减小芯片功耗，高达4 0 m h z 的指令执行速度，集成了两组 事件管理器，采用更快速更容易操作的a d 转换器，集成了汽车行业广泛采用的c a n 总线通讯接口。此外，c 2 4 0 x a 系列d s p 加入了对f l a s h r o m 中的代码进行加密的功 能有效的保护写到芯片内程序的安全。外设功能的增加直接加强了d s p 连接外部设 备的能力，比如w s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有两组事件管理器，其功能相当于两个 1 m s 3 2 0 f 2 4 0 ，可以不加扩展的驱动两个两电平三相逆变器，或者用于驱动一个三电平 三相逆变器，也可以用于驱动一个两电平p w m 整流器和一个逆变器。 1 7 本文主要工作及研究内容 随着电子技术( 大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术) 的飞速发展以 及现代电机控制理论的完善极大地推动着现代电机控制技术的发展。本文主要以异步电 动机为控制对象，选用适合交流电机控制的高性能数字信号处理器1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为 控制核心，从s v p w m 技术、空间矢量细分技术和直接转矩控制理论入手，从控制策略、 控制系统结构，软硬件的设计方面对全数字交流传动系统进行深入的研究。本文主要研 究工作： 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 本文第一章简单介绍了交流变频调速技术和数字控制技术，其中详细介绍了直接转 矩技术的特点、研究现状、研究目的及其发展趋势。 本文第二章详细分析了传统直接转矩控制理论，详细说明了磁链控制、转矩控制和 电压矢量选择等d t c 的关键技术，并针对d t c 系统存在的磁链、转矩脉动大等问题提 出改进方法，以提高系统的性能。 本文第三章在详细分析s v p w m 原理、空间矢量细分技术的基础上，提出了一种 s v p w m 电压空间矢量细分算法并建立基于d s p 的直接转矩控制系统，并采用两滞环磁 链控制器、三滞环转矩控制器对磁链和转矩进行改进控制。 本文第四章详细介绍了以1 1 公司适用于电机控制的高性能数字信号处理器 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，以智能功率模块i p m 为功率开关器件的全数字异步电机 直接转矩控制系统的硬件系统，并具体给出了1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 器件的结构、资源。 本文第五章详细介绍了d s p 的c 语言环境的建立以及c 语言与汇编语言混编的实 现方法，给出了改进型d t c 软件的设计流程，采用c 语言中嵌入汇编语句的方法编写 了系统的控制软件，最后给出实验结果，并通过实验波形对比证明了此算法的有效性。 本文第六章总结全文。 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 2 直接转矩控制理论 2 1 引言 1 9 8 5 年，德国m d e p e n b r o c k 提出直接转矩控制理论，随后日本学者i t a k a l l 硒l l i 也提出了类似控制方案。它在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，采用定子磁场 定向，无需解耦电流，直接控制电动机的转矩和定子磁链，获得高效的控制性能。这种 控制技术与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行， 在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点，具有广阔的应用前景。 2 2 直接转矩基本概念 2 2 1 逆变器原理 在传统的直接转矩控制系统中，通常采用电压型逆变器【2 8 0 9 1 ，其结构如图2 1 所示。 由图2 1 可知，逆变器有六个开关共三相，每相开关只能与一个位置接通，与上面接通， 墨、& 、& 均为1 ，反之为o ，共有8 种开关模式，对应直接转矩控制系统的八个矢量，其 空间电压矢量分布如图2 2 所示。表2 1 给出逆变器的各种电压状态和开关状态对应关 系。直接转矩就是根据磁链、转矩的不同要求来产生开关信号，控制逆变器的功率开关， 输出相应的相电压给异步电机，以达到我们的控制要求。 图2 ，l 电压型逆变器示意图 f i g 2 1v o l 姆i n v c n c rs c h e m a t i cd i a 弘哪 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 气8 图2 2 空间电压矢量分布图 f i g 2 2v o l t a g ev 咖rs p a c ed i s 啊b u t i o nd i a 翱珊 表2 1 逆变器的开关状态与电压状态的对照关系 t 曲2 1c o n n 积o f i n v e n t o rs w i t c hs t 如柚dv o i t a g es 能e 2 2 2 电压空间矢量概念 交流电机的电压、电流、磁链等均是三相电磁量。如果在复平面内，用一个矢量来 表示三项电磁量的合成作用，则可将三维物理量便为两维物理量，给分析控制带来很多 方便。把三维向量变为一个矢量时，通常采用p a r k 变换。 若u 。( r ) 、乩( r ) 、u 。( f ) 为三相电磁量在三相坐标系下的瞬时幅值函数，则其合成 矢量的p a r k 矢量变换关系如公式( 2 1 ) 所示： ：水o ) 州咖孛+ ( 2 1 ) 一9 一 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 2 3 直接转矩基本原理 图2 3 是直接转矩控制系统的基本结构框图，该图所示的结构就能实现异步电机的 直接转矩控制。对此分析如下： 图2 3 直接转矩控制系统的基本框图 f 培2 3c o n 的ls y s 钯mf o u n d 越i o i i 引o c kd a g r 锄 ( 1 ) 三相变两相电路( 2 3 ) ：将检测到的异步电动机的三相定子电压、电流变换为 一个二维的矢量。 ( 2 ) 磁链和转矩估计及磁链扇区计算：根据异步电机的数学模型包括磁链和转矩模型 估计出电机的转矩和磁链，并根据估计出来的磁链计算出磁链所在的扇区，为选择电压 矢量开关信号提供扇区信息。 ( 3 ) 磁链调节电路：磁链调节是实现对磁链幅值的直接自控制，产生磁链幅值变化的 信号。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 转矩调节电路：实现转矩直接控制，采用三值调节器，把转矩限定在一定的容差 范围内，产生转矩变化信号。 ( 5 ) 转速调节：转速调节环实现对转速的调节。转矩的给定值可以由转速调节器输出 得到，也可以单独给定。 ( 6 ) 电压矢量开关信号选择：开关信号选择单元综合来自磁链调节环节、转矩调节环 节以及磁链所在扇区的三种开关信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压矢量的 正确选择。 ( 7 ) 逆变器电路：在电压开关状态下电压型逆变器把直流母线电压逆变成三相电压送 给异步电动机。 由图可看出，直接转矩就是根据给定转速或转矩以及给定的定子磁链在直接转矩要 求下，从8 个电压空间矢量中选择一个最佳矢量，来控制定子磁链的走走停停，同时把 根据电机模型计算得到的磁链、转矩和给定值进行比较构成一个闭环的调节环使之达到 给定值，以达到控制运行在期望状态。 2 3 1 异步电动机数学模型 ， 异步电动机的数学模型比较复杂，要实现高性能的交流调速，就要在建立电动机适 当数学模型的基础上，通过坐标变换使之简化，即把建立在三相静止坐标系a 、b 、c 的 数学模型，变换到两相旋转正交定子坐标系口、口轴上，深入研究提高系统动静态性能 的控制技术。根据空间矢量的数学分析方法，异步电动机的空间矢量的等效电路【3 川如图 2 ，4 所示。 国 图2 4 异步电动机的空间矢量等效电路图 f i g 2 4e q u i v a j e mc i r c u no f a s ”c h r o n o 惦m o t o rs p a v e c t o r 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 该等效电路是在口、坐标系上描述异步电动机，其各量的物理意义如下：定义， 为定子电压空间矢量；为定子电流空间矢量：为转子电流空间矢量；虬为定子磁链 空间矢量；阼为转子磁链空间矢量；由图2 4 我们可知： h i = i l r l + 等 ( 2 2 ) 7 。= 一警+ 等憾w ( 2 3 ) d td l 13。“ 。 定子磁链和转子磁链由( 2 4 ) 式、( 2 5 ) 式获得： 虬= 且虬一r ) 讲 ( 2 4 ) = 虬一上。f ， ( 2 5 ) 定子、转子电流方程如( 2 6 ) 式、( 2 7 ) 式所示： 中等+ 琶 ( 2 6 ) 2 等 ( 2 7 ) 综合以上各式可得转矩方程如( 2 8 ) 式或( 2 9 ) 式所示： = 薏m y ，枷 ( 2 8 ) t = 三号帆铲啉。) ( 2 9 ) ( 2 8 ) 式中口为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角；三，为漏电感；以为极 对数。( 2 9 ) 式表明电机转矩是定子磁链与转子磁链的叉积。在实际系统运行中，保持 定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负载决定。如果要 改蛮异步审动机的转矩，可以通过改蛮磁通角口桌宴现。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 2 坐标变换 我们从电机中得到的电压电流信号都是三相坐标系下的分量值，直接转矩控制是建 立在定子两相的基础上，因此要对电压电流进行转换。通过三角函数的运算便可将三相 坐标轴上的函数投射至口、口轴坐标上。三相坐标系a 、b 、c 与两相系统口、轴的位 置如图2 5 所示，其a 轴与定子a 相轴线重合，p 轴超前口轴9 0 。规定将旋转空间矢 量z 在口轴上的投影为口分量以，在轴上的投影为卢分量x 口。 c a 图2 5 三相坐标系a 、b 、c 与两相系统口、轴的位置关系 f i g 2 5r c l a ：【i o n o f c o o r d i n a l ea 、b 、c d 口、 转换推导过程见式( 2 1 0 ) 一( 2 2 2 ) 所示，其中以l ，j ，b ，置代表欲进行口、轴 坐标转换的三相坐标轴函数，以，k ，碥则表转换结束后的口、轴函数。 以= 私如州“n ( 叩+ 豺砷( ? 埘 一，= 詈 五js 访，7 + x - s ；n ( ，7 + ；z ) + j ：s ；n ( 叩一号丌 c z - ， = ；k 城+ 以】 ( 2 1 2 ) 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 当口= o 时， 以= 詈以一三以一；以 舻。+ 专瓦一专x c x 。= ；j + ；z 。+ ；x 。 将( 2 1 3 ) 式至( 2 1 5 ) 式加以整理可得( 2 1 6 ) 式。 巨 211 1 333r o ； i 33 l 三三! 卜 333j ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 16 ) 与( 2 1 9 ) 式。 丘+ x b + x 。= 0 ( 2 1 7 ) 以= x 。 ( 2 1 8 ) 小去丘+ 去以 ( 2 1 1 9 ) 将( 2 1 8 ) 式与( 2 1 9 ) 式加以整理而得( 2 2 0 ) 式的转换通式。 阱陪潮 c z z 。， 将相电压代入，即令k = 0 ，以= 锄代入( 2 2 0 ) 式，可得( 2 2 1 ) 式 刚去狮 眨z ， 将相电流代入，即令j 乞= ”坩x 口= 甜，8 代入( 2 2 0 ) 式，可得( 2 2 2 ) 式。 一1 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 卧陪狮 c z z z ， 至此，定子电压和定子电流经过转换后，送入控制器从而为后面的定予磁链和转矩 的计算做好准备。 2 3 3 电压空间矢量对定子磁链和转矩的作用 ( 1 ) 电压空间矢量对定子磁链矢量的作用【3 l 】 电压空间矢量对定子磁链矢量的作用可以通过以下两种方式实现。 在有效电压空间矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效电压空间矢量作 用时，定子磁链沿电压空间矢量作用的方向旋转：零矢量作用时，定子磁链停止不动。 由于零矢量的插入，磁链走走停停，所以旋转速度变慢了。如果在插入零矢量后仍保持 每个有效空间电压矢量的作用总时间不变，则定子磁链矢量的幅值将不变。用这种方法 可以控制异步电动机的恒磁通调速，亦即恒转矩调速。 分析可知：当所施加的电压矢量与磁通的夹角口小于9 0 。时，该电压矢量作用的结 果使磁通幅值增加；当口大于9 0 。时，电压矢量作用的结果使磁通幅值减小：当口等于 9 0 0 或施加的是零矢量时，磁通幅值基本保持不变。 改变有效电压空间矢量的交替作用时间，即改变磁链的旋转速度。由于有效空间 电压矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后定子磁链所围的面积将会发生变 化。作用时间变短，面积将变小，定子磁链矢量的幅值也将变小。因此用这种方法可以 控制异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。 ( 2 ) 电压空间矢量对定子转矩矢量的作用 异步电动机转矩的大小不仅与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关，还和它们的夹角 有关，夹角从0 。到9 0 。变化时，电磁转矩从零变化到最大值。在实际运行中，一般保持 定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，而转子磁链幅值由负载决定，因此要 改变电动机转矩的大小可以通过改变磁通角的大小来实现。在直接转矩控制中，就是通 过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小， 从而改变转差也即磁通角的大小来控制电动机的转矩。 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 若要增大电磁转矩，就加载有效空间电压矢量，使电压的幅值足够，定子磁链的 转速就会大于转子磁链，磁通角增大，从而使转矩增加。 若要减小电磁转矩，则加载零电压矢量，定子磁链就会停止转动，磁通角减小， 从而使转矩减小。通过转矩两点式调节来控制空间电压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角速度的大小，通过这样的瞬态调节就能获得 高动态性能的转矩特性。 2 3 4 磁链控制原理 异步电动机直接转矩控制的原理必须控制磁通幅值恒定以获得良好的动态性能。因 为如果磁通值太大，磁路就会饱和，使得电流急剧上升，定转子电感及其互感降低，漏 感增加，电机的运行条件恶化，使系统的动态性能变坏；如果磁通值太小，将会导致电 机输出转矩允许值减小，使得电机的效率降低。所以，为了保证电机的合理运行，在基 速以内时，通常将磁通维持在额定运行水平上 根据电压型逆变器数学模型见( 2 4 ) 式写成微分形式并忽略定子电阻，得( 2 2 3 ) 式。 坐掣：虬( f ) 面 ( 2 2 3 ) 讲 由( 2 2 3 ) 式可知定子磁链变化的方向和当前工作的定子电压方向一致，以最简单的 六步方式运行时，输出电压矢量矾一班一砺一u 4 一砺一魄一矾循环一周后，将形成六 边形磁链，如果合理地选择非零电压矢量施加顺序及作用时间比例，可以形成多边形磁 链轨迹。正六边形磁链对逆变器开关频率要求低，开关损耗小，但电流谐波和转矩脉动 大，而当旋转磁链为圆形时，电流谐波和转矩脉动能大大减小。下面就介绍一下圆形定 子磁链的原理。 为得到圆形定子磁链，可以把整个圆周分成六个扇区，其基本控制思路是给定一个 磁通圆环形误差带，通过不断选取合适的电压矢量“，( f ) ，强迫磁链虮的端点不超出环 形误差带，于是就控制了定子磁链的幅值，通过选择零电压矢量使磁链停滞，就可以控 制定子磁链的平均旋转速度。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 5 转矩控制原理 根据前面的理论分析可知，转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值及磁通角的 乘积成正比。在实际运行中，维持定子磁链幅值恒定，通过调节零电压矢量的作用时间 来调整定子磁链在空间的旋转速度，从而改变瞬时转差频率以达到控制瞬时转矩的目 的。传统直接转矩控制技术对转矩采用转矩两点式控制，将转矩限定在上下滞环容差内。 2 3 6 电压矢量开关表的形成 ( 1 ) 根据定子磁链控制原理和转矩控制原理的分析可知，直接转矩的重点是根据磁链 和转矩的要求来合理选择电压矢量【3 2 】。就是根据所希望的磁链调节和转矩调节开关信 号，结合所检测到的当前磁链所处扇区确定合适的下一个电压矢量，既要保证磁链在给 定的范围内变化，又要保证输出转矩快速地跟随给定变化，使系统获得良好的动态性能。 ( 2 ) 要注意的是磁链响应的准确性比转矩响应的准确性易于保持，因此，在选择控制 规则的时候，若转矩和磁链两者的要求产生矛盾时应首先考虑转矩，在确保转矩动态响 应的同时兼顾定子磁链的圆形轨迹，可得出传统直接转矩控制电机电压空间矢量开关状 态表，零矢量的插入遵循逆变器开关最少原则。 2 3 7 定子磁链观测模型 直接转矩和矢量控制的一个不同就是直接转矩直接在定子坐标下分析电机的数学 模型、控制电机的磁链和转矩。磁链观测的准确性对d t c 的控制性能产生较大的影响。 定子磁链u i 模型就是用定子电压和定子电流来确定定子磁链，如( 2 4 ) 式所示。用 ( 2 4 ) 式确定异步电机定子磁链的优点是，在计算中唯一需要知道的是异步电机的定子 电阻参数，此易于知道，所以该方法计算定子磁链比较简单，( 2 4 ) 式中的定子电压和 定子电流可通过电压和电流传感器分别测出，也都是容易确定的量，只要传感器的精度 达到所需就可以被很好的观测出来。定子磁链u i 模型如图2 6 所示： 直接转矩控制系统综合技术的应用研究 图2 6 定子磁链“模型 f i g 2 6n e “m 0 d e lo f s t a l d rf l i l x 虽然u i 模型结构简单，对电机参数依赖程度小，但u i 模型是对差值的积分，只有 在该值较大时，求得的定子磁链才有精确的结果。这是因为定子电阻的存在，一方面， 定子电阻随着温度变化而变化，电机在运行过程中不可避免的发热，大多数在直接转矩 设计中把定子电阻看作是固定值，从而其差值积分的不准确。再者，在低速情况下，由 于“，不大，从而”，一f ，胄，很小，以至于只有误差被积分，这样也造成定子磁链的观测不 准确。但“模型在高速下，特别是在3 0 的额定转速以上，由于定子电压值较大，所 以“。一f 。r 。的积分可以忽略定子电阻压降部分，可以准确地观测电子磁链。因此在高速 时采用u i 模型观测磁链，可以达到高性能的直接转矩控制。 2 3 8 转矩的估计和检测 由转矩表达式( 2 9 ) 式所示，根据定子磁链的估算值及定子电流的测量值容易计算 得到异步电机的转矩表达式，其算法结构图如图2 7 所示。 图2 7 转矩估计结构图 f i g 2 7t o r q i l ee s 6 m a t es t c t u r a lg m p h 1 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3s ，w m 电压空间矢量细分的直接转矩控制系统 直接转矩控制不需要复杂的磁场定向算法和电流内环控制即可实现对磁链和转矩 的解耦控制，因而被认为是一种能够实现高精度和高动态性能的异步电动机新型控制策 略、可靠解决方案，目前一直是研究的热点。但其本身也存在不足，如转矩和电流脉动 大等。 3 1 转矩脉动分析 根据电机转矩( 2 9 ) 式