（机械设计及理论专业论文）电动汽车高性能异步电机的直接转矩控制研究.pdf

摘要 电动汽车将作为本世纪的重要交通工具，以其节约石油资源、减少大气 污染等优势，越来越受到重视。然而电动汽车用电机在实现汽车的走动与驱 动功能时，仍存在大量的问题，基于d s p 的电动汽车异步电机的直接转矩控 制是电杌的高性能交流变频调速的新技术之一。 本论文中通过对三相异步电动机作出四条假设，得到电机的等效物理模 型。并据此建立了异步电动机在三相坐标系和二相静止坐标系下的数学模 型，后者用于直接转矩控制的研究。为了便于分析，将磁路问题转换成电路 拓扑的形式，推导出定转子之间的等效电路。由t i i 型瞬态等效电路得出 异步电动机的三种磁链模型。将异步电动机和逆变器作为一个整体，建立了 逆变器的数学模型。在建立异步电动机的数学模型之后，采用空间电压矢量 分析方法讨论了直接转矩控制的基本原理结构及其算法，着重研究了圆形磁 链自控制和无速度传感器技术在直接转矩变频调速中的应用。在理论分析的 基础上，研究了以1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pe v m 板为核心的控制电路和以i p m 为功率器件的主回路，并在c c c 2 0 0 0 环境下实现了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 的异步电动机直接转矩控制算法。 本论文完成了以u n 为磁链模型圆形磁链和模型参考自适应法的无速 度传感器等算法研究。然后实现了基于j t a g 的软件在线调试。 关键词：电动汽车；异步电动机；直接转矩控制；d s p a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e sa r em o r ea n dm o r er e g a r d e da sa ni m p o r t a n to n ei nt h i sc e n t u r yf o ri t s a d v a n t a g eo fe c o o o m i c i t y ，c o n t r o lt h ea i rp o l l u t i o ne t c h o w e v e r , s o m ep r o b l a m e s h a v e n t b e e ns o l v e d t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o im e a n so fe l e c t r i cv e h i c l e s a s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r b a s e do nd s ph a sa nh i g h c a p a b i l i t yo fa ct i m i n gb yv a r i e t y i n gf r e q u e n c y t h ep u r p o s eo ft h ep a p e ri st of i n dn e ww a ya n ds o f t w a r et oc o n t r o le l e c t r i cv e h i c l e s a s y n c h r o n o u s e l e c t r o m o t o r a n e q u i v a l e n tp h y s i c a l m o d e li s d e v e l o p e db y s o m e h y p o t h e s i z e sf o rt h r e ep h a s e sa s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r t h em o d e l si nt h e t h r e ep h a s e a n dt w on h a s 嚣s t a t i cc o o r d i n a t e sa r em a d eb a s e do nt h i s ，a n dt h e1 a t e ra r eu s e di nt h es t u d y o f d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 t h e q u e a i o no f m a g n e t i cp a t h i s t r a n s f o r m e d i n t o t h e f o r mo f c i r c u i t t o p o l o g yt od e r i v a t et h ee q u i v a l e n tc i r c u i tb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o lt h r e em a g n e t i cc h a i n m o d e l so f a s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o ra r cg o t t e nf r o mt 一一i ie v a n e s c e n c ee q u i v a l e n t r e g a r d t h ea s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o ra n di n v e r t e ra saw h o l e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n v e r t e ri s b u i l d a f t e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o ri sb u l l d ，t h em e t h o do f s p a c ev o l t a g ev e c t o ri st a k e n t od i s c u s st h ee s s e n t i a lp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，a n da r i t h m e t i co f d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f c i r c u l a rm a g n e t i cc h a i ns e l f - o p e r a t e dc o n t r o la n d t h et e c l m o l o g yo fs e n s o rw i t h o u tv e l o c i t yi nd i r e c tt o r q u ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n ga r e e m p h a s i z e d b a s e d o nt h et h e o r e t i c a n a l y s i s ，t h e c o n t r o lc i r c u i tw h i c hu s e st h e t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pe v mb o a r da sc o r ea n dt h em a i nc i r c u i tw h i c hu s e st h ei p ma st h e p o w e rp a r t so fa na p p a r a t u si ss t u d i e d ，a n dt h ea r i t h m e t i c o fa s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a r em a d ei nt h ee n v i r o n m e n to f c c c 2 0 0 0 t h ec i r c u l a rm a g n e t i cc h a i nw h i c hu s e st h eu - na st h e m a g n e t i cc h a i nm o d e la n dt h e 鲥t h m e t i c s t u d y i n go fs e n s o r w i t h o u tv e l o c i t ya n do t h e r so fm o d e lr e f e r e n c em e t h o d s e l f - a d a p t i n ga r ea c c o m p l i s h e d a n dt h eo n l i n ed e b u g g i n go f t h es o f t w a r eb a s e dj i a ga r e a c c o m p l i s h e d k e y w o r d ：e l e c t r i cv e h i c l e s ；a s y n c h r o n o u se l e e t r o m o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d s p 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1本课题的背景和意义 随着人们生活水平的提高，汽车已经成为比不可少的交通工具。目前， 传统汽车主要以内燃机为发动机，以汽油或柴油为燃料。传统汽车排出的尾 气污染了我们赖以生存的环境，直接危害人体健康。全世界2 0 的一氧化碳 排放量来源于汽车废气，汽车废气已成为城市大气污染的主要原因。人们的 环保意识不断增强，对汽车的排放控制愈来愈严格，只有电动汽车才能满足 零排放污染的要求。另外，石油资源枯竭，西方发达国家需要进口大量石油。 从2 0 世纪6 0 年代人们对大气污染的关注，到2 0 世纪7 0 年代的石油危机， 都促使电动汽车的研究不断深入。特别是到了2 0 世纪9 0 年代，人类对生存 空间严重的环境污染问题和对全球大气温室效应的日益关切，电动汽车再次 成为研究和发展的热点。 近年来，世界各国，特别是欧美日等发达的工业国家，纷纷投以巨资进 行电动汽车的研究和开发工作，电力公司也相应地着手研究应用于电动汽车 的基础设施。一些国家还从法律上逐步限制或禁止在重要城市使用燃油汽 车。电动汽车作为2 1 世纪的重要交通工具，以其节约石油资源、减少大气 污染等优势，越来越受到重视【”。 从8 0 年代起，欧美各国和著名汽车制造厂家掀起了电动汽车研制和开 发的高潮，相继试制和生产了多种电动汽车，有些达到了较高的实用水平， 己投产的电动汽车的技术性能如表1 所示【2 1 。 目前，中国国内电动汽车的研究和开发尚处于起步阶段，电动汽车的研 制流于“拼凑”。虽然在小范围内如车站、码头、仓库等场所也使用了微型 电动汽车，但公路用的电动汽车几乎尚属空白。就目前国内生产样车工作情 况来看，还达不到轻型化、低噪音的要求，甚至可靠性问题都未能解决，可 靠性指标不满足将直接妨碍电动汽车的使用和普及。因此，我国的电动汽车 的研制具有重要的意义。 该研究主要为电动汽车的驱动异步电机寻找新的控制方法和软件。直接 转矩控制是通过控制电机的磁链来控制转矩，没有复杂的坐标变换和参数计 算，系统显得直观、简洁，提高了系统的计算速度和精度。然而，将该控制 原理应用在异步电机上，其驱动稳定性一直是工程界关心的问题。该研究拟 基于直接转矩控制的原理，实现电机的平稳驱动控制，具有一定的理论和工 程意义。 1 2电动汽车的电力驱动研究 电动汽车由电动机驱动。电动机有直流电动机、交流电动机和专用新型 电动机等。 早期生产的电动车辆及当今的工业用电动车辆采用直流电动机。直流电 动机是电动车辆应用最早且很广泛的电机。它直接利用蓄电池的直流电，直 流电动机具有启动牵引力大，调速和控制技术成熟。直流电动机具有良好的 起、制动性能，宣于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘 机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖 动的领域中得到较广泛的应用。但直流电动机因电枢电流由电刷和换向器引 入，换向时有电火花，易造成换向器的烧蚀，电刷与换向器的相对运动使电 刷易磨损，同时带来嗓音、无线电干扰及寿命短等致命弱点。电刷与换向器 成为直流电动机工作可靠性的薄弱环节，同时也限制了电动机工作转速，使 直流电动机的功率质量比较小。 因为直流电动机存在整流器、电刷等部件，转动惯量大，速度响应慢， 最大工作转速受限制，维修保养工作量大。在电力电子技术及计算机技术有 了很大发展的今天，逆变技术进入实用阶段，采用交流异步电动机，使电动 汽车具有一下特点：一是实现了无极变速，使车辆的操作控制自动化，使传 动系统效率提高。二是驱动部件的结构简单、无需维护、可靠性高，电动机 的转动惯囊小，速度响应快。三是交流异步电动机与直流电动机相比，电动 机的控制更加完善，并能实现能量的再生。因此，交流电机已经成为电动车 辆与控制技术的发展方向【3 1 。本课题研究的就是交流电机的调速技术。 表1 已投产电动汽车的技术性能 嗣素法再美国 日本 标致、雪 生产厂家通用福特克莱斯勒 丰田日产 镜她 p 1 嘣s aa i j 弘 电动汽车型号 e y is - 1 0 r a n g a r e p j cr a v - 4p 】惦 2 0 e v z 2 座载货2 座载货4 门面包5 座轿4 座轿 座位4 座轿车2 座轿车4 座轿车 汽车汽车 生堑至 整鲁质量 嘻 】o s 81 3 s 01 6 8 22 ，2 51 81 5 4 0】6 2 01 7 0 4 藕载质量，k g 1 3 8 81 5 5 d2 1 1 42 4 5 52 6 8 21 8 1 51 8 4 d2 0 0 0 藏车长度m3 7 1 84 3 6 94 5 5 63 9 8 04 0 5 04 b 扫9 2 武汉理工大学硕士学位论文 整车宽度r a m 1 5 9 51 7 6 61 _ 7 2 2 】6 9 51 7 5 01 7 6 5 整车高度m m 1 3 8 11 2 8 11 5 5 0 】6 7 51 6 3 01 6 9 7 最高车速，h 1 1 h 9 01 2 01 2 口1 2 82 1 52 2 01 9 了 8 5 酞洲 1 0 - 1 5 工1 0 - 1 5 工1 0 1 5 工 次充电行程 1 4 4 公路按s a e j 一 工况7 58 08 0 况况况 k i n1 2 2 市区1 6 3 4 ，1 2 8 市区 2 1 52 2 01 9 3 蓄电池形式镶镉铅酸铅酸铅酸镰氢镍氢镍氢锂离子 电压 61 21 281 21 21 22 8 电荷量a h 】0 05 55 59 59 5 1 0 0 蓄电池个数2 0 2 62 63 93 02 42 4 1 2 总电压，v1 2 0 3 1 23 1 23 1 23 6 02 8 8 2 8 83 3 6 直流他交流感永碰同永磁同 电动机类型交流_ 罄应交i i | 感应交流感应永磁同步 励应步 2 0 1 0 2 5 04 96 2 8 5 6 7 7 3 5 ， 锵| 尝 5 5 0 0 6 5 0 0 4 6 0 08 7 5 0 1 3 1 0 0 1 2 71 9 02 8 0 1 9 0 i g g 】9 0 1 6 6 鬻| 念 1 6 0 01 5 0 0 1 7 0 0 前轮驱前轮驱前轮驱前轮驱 驱动方式前轮驱动后轮驱动后轮骡动 前轮驱动 动动动 一挡减一挡减 传动系数比1 0 9 5一挡减速一挡减速9 4 51 2 7 5 速速 车载感车载感应 固定式、 充电类型接柱式感应式车扑车裁军载 应式 感应式 f充电时问，i i226 j8 5 随着科学技术的发展，出现了一些新型驱动电动机，如直流无刷电动机、 开关磁阻电动机、永磁同步电动机。直流无刷电动机既具有交流电动机的结 构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率 高、无励磁损耗及调速性能好等特点，作为一种新型电动机，在工业领域日 益得到普及。但直流无刷电动机在国内还只在少数范围内使用。开关磁阻电 动机的优点是结构简单、维护方便。缺点是转矩波动和噪音较大，因此影响 气 里竖。墼一奎堂堡主堂垡笙塞 - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 一一 它的使用范围。永磁同步电动机不存在失步或振荡问题，且效率高、体积小、 重量轻，转子无发热问题，控制系统亦较简单，但磁钢采用的稀土永磁材料 价格高，故这种电机适用于高精度电子仪器及高性能伺服传动系统中e 1 3交流异步电机调速技术发展的概况与趋势 1 3 1 电力电子器件的发展 电力二极管( p o w e rd i o d e ) 自2 0 世纪5 0 年代初期就获得应用，直到现 在，快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低 压高频整流的场合，具有不可替代的地位。 晶闸管( t h y d s 的r ) 是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器( s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r s c r ) ，以前被简称为可控硅。在电力二极管开始得到 应用后不久，1 9 5 6 年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1 9 5 7 年美国通用电 气公司开发出了世界上第一只晶间管产品，并于1 9 5 8 年使其商业化。由于 其开通时刻可以控制，而且各方面性能均明显胜过以前的汞弧整流器，因而 立即受到普遍欢迎【4 j 。 7 0 年代以后，功率晶体管( g t r ) 、门极关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率 m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制 晶闸管( m c r ) 等已先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自 关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简 单、结构紧凑。i g b t 由于兼有m o s f e t 和g t r 的优点，是用于中小功率 目前最为流行的器件，m c t 则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和 m o s f e t 的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。 电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。 8 0 年代以后出现的功率集成电路口o w e ri 卜p i c ) ，是集功率开关器 件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己应用于交流调速的智能 功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d t l l e m m ) 采用i g b t 作为功率开关，含有 电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号 处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量， 又提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向嘲。 1 3 2 变频调速技术 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物资基础。由电机理论可知：电 动机的转速n = 6 0 f p ，f - 电源频率，p 一磁极对数，当磁极对数不变时，转速n 和电源频率成正比。如磁极对数为二极，当电源频率为5 0 h z 时，电动机的 4 武汉理工大学硕士学位论文 转速为1 5 0 0 转分，当电源频率为2 0 h z 时，电动机的转速也相应的变为6 0 0 转，分。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这就是 变频调速的工作原理。变频调速技术是由脉宽调制( p w m 科u s w i d t h m o d u l a t e ) 技术来实现。它的发展从正弦波脉宽调制( s p w m s i n e p l u s w i d t hm o d u l a t e ) 、磁通跟踪型p w m 到电流跟踪型p w m 。全控型高频率开 关器件组成的脉宽调制( p w m ) 逆变器取代后，s p w m 逆变器及其专用芯片得 到了普遍应用。磁通跟踪型p w m 逆变器以不同的开关模式在电机中产生的 实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹理想磁通圆，即用空间电压矢量或 其它方法决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形。由于控制简单、数字化 方便，己呈现出取代传统s p w m 的趋势。电流跟踪型p w m 逆变器为电流控 制型的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，滞环电流跟踪 型p w m 逆变器更因其电流动态响应快、实现方便，受到重视。 1 3 ，3 交流电动机的控制技术 随着变频技术的发展，交流电动机控制技术也取得了很大的进展。由于 交流异步电机是一个高阶、多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比， 转矩控制要困难得多。 w v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q e n c y ) 1 6 j 控制是转速开环控制，无 需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用 性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。但对 于专用电机，就不适用。 转差频率控制是使用速度传感器求取转差频率，实现转差补偿的闭环控 制方式。这种控制方式较w v f 大大改善了交流变频调速系统的静、动态性 能，使之接近于直流双闭环调速系统。但它是在稳态转矩公式上建立起来的， 保持磁通吼。恒定的条件也是从稳态等效电路导出的，不适合于动态；而且 电流调节器只控制了电流幅值，没有涉及定子电流的相位。 7 0 年代初提出的矢量控制，应用坐标变换将三相系统等效二相系统，再 经过按转子磁场定向的同步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。这种控 制方式进一步提高交流调速性能，使之能与直流调速相媲美。然而，在实际 上由于转子磁链难于准确观测，由于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 制效果难以达达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处 1 7 】。 直接转矩控制是8 0 年代中期提出的一种新型的具有高性能的交流变频 调速技术。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 武汉理工大学硕士学位论文 方法在定予坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开 关状态直接控制转矩。因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的 复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。 本课题就是研究电动汽车异步电机的直接转矩控制算法的实现。 1 3 4 无速度传感器控制技术 为了实现对电机转速的精确控制，高性能的转速闭环控制系统必须引入 速度反馈。解决这个问题的传统方法是安装速度传感器( 如测速发电机、感 应式速度传感器、霍尔式速度感器、光电式速度传感器、旋转变压器式速度 传感器以及光电编码器和解算器等) 。由于速度传感器的安装维护困难，不 适用于温度较大以及较恶劣的工作环境，这些因素成为系统的一种故障源， 降低了系统的可靠性。 近年来，无速度传感器变频调速控制技术成为交流电动机变频调速的一 种新发展趋势。该技术是在电机转子和机座上不安装电磁或光电传感器的情 况下，利用检测到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转子位置 和转速的技术，具有不改造电机、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和 不怕粉末与潮湿环境的影响等优点。因此，成本合理、性能良好的无速度传 感器交流调速系统成为近年来的一个研究热点。 然而，目前对无速度传感器的研究，主要还是应用于矢量控制系统中， 而应用在直接转矩控制系统的就相对较少，尤其在实用化的研究上更少。由 于直接转矩控制决定了系统包含较多的谐波和脉动成分，速度估算的精度难 以保证：但为了保持其动态响应快、对参数鲁棒性强的特点，速度的观测也 必须具有相应的性能，这就给速度的推算提出更高的要求。因而，有必要针 对直接转矩控制系统中的速度辨识问题进行深入的研究。 1 4 d s p 技术的特点与应用 异步电动机控制中直接转矩技术和无速度传感器技术的应用是控制算 法越来越复杂，这就需要高速的处理器来完成数字运算。数字信号处理器 ( d s p _ _ d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 适用于复杂、高速、高精度的数字信号 处理算法，这是由于d s p 芯片具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作 功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( y o nn c u m a l l ) 结构的并行体系结构，其主 要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储 器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。从而，大大 提高了数据处理效率。与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指 令执行时间，从而增强了处理器的处理能力【8 1 0 6 武汉理工大学硕士学位论文 自从德州仪器( r n t c x a si n s t r u m e n t ) 1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片 以来，d s p 技术带来了决定数字技术未来的突破性应用。最初d s p 只是一 种专门为实时处理大量数据而设计的微处理器。但目前它已经在多种不同的 领域取得了许多新的进展。它们应用于网络和互联网、高速调制解调器、无 线通信、语音识别、音频、视频和影像产品、机顶盒、汽车、硬盘驱动器、 工业控制及制造、雷达、声纳、地震检测、生物医学工程、机械振动、遥感 遥测、地质勘测、航空航天、电力系统故障检测、自动化仪器等，d s p 技术 的应用已遍布全球 9 , 1 0 】。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 是t i 公司开发的专门用于电机控制的d s p 芯片。 具有一个1 2 通道的p w m 发生器、可编程的死区控制性能以及一个1 6 位的 快速a d 转换通道等。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 非常适用本课题中高性能交流电机 控制系统的应用。 1 5 本课题的研究内容 究。 ( 1 ) 电动汽车高性能异步电机的直接转矩控制方案和策略的研究。 ( 2 ) 电动汽车高性能异步电机的数学模型及其直接转矩控制算法的研 ( 3 ) 基于d s p 的直接转矩控制软件的设计与实现。 1 6 课题名称及来源 课题名称：电动汽车高性能异步电机的直接转矩控制研究 课题来源：深圳贝莱电气公司委托项目 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章异步电动机的模型 根据电机学可知，异步电动机运行时，它的电压、电流、磁链和转速等 物理量随时间而变化，它的运动方程是微分方程。对异步电动机的变频调速 控制，首先要理解它的静动态特性。其静态特性容易掌握，在有关书籍上也 介绍得很详细，在此不再赘述。由于异步电动机的动态分析比较复杂，因此， 一般按如下步骤进行： 作出 根据 简化】问题 0 假设0 性质 建立物理模型寸建立数学模型 求解运动方程 分析结果 异步电动机的物理模型和数学模型将在本章第2 、3 、4 节中介绍。求解 运动方程在本论文中是由d s p 数字处理求出数值解。分析结果，即根据一定 的算法分别比较磁链、转速、电磁转矩的观测值和给定值，并对逆变器开关 进行p w m 控制。这部分将在以后的章节中介绍。 2 2 异步电动机的物理模型 异步电动机的数学模型是一 个高阶、非线性、强耦合的多变量 系统，以它为对象的变频调速系 统，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 。电度角) ，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【l l l 。这样， 实际的三相异步电动机就被等效 图2 - 1 为图2 - t 所示的三相异步电机的物 理模型。 占 三相异步电机的物理模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 3异步电动机在二相静止qb 坐标系下的数学模型 2 3 1 空间矢量的概念 静止a 、鼻坐标系是固定在定子的直 角坐标系，选择a 相绕组的轴线作为a 轴，从口轴沿旋转磁场前进9 0 。作为卢 轴。根据电机学原理可知三相绕组的作用 完全可以用在空间上相互垂直的两个静 止的c t 、口绕组代替，三相绕组的电流和 两相静止口、鼻绕组电流有固定的变换关 系。异步电动机在二相静止口、p 坐标系 下的数学模型用于直接转矩控制的分析。 图2 - 2空间矢量分量的定义 p a r k 变换是将三个标量( 三维玑b 、c ，为方便，在异步电动机的定子 绕组和转子绕组的三相均用口、b 、f ，而用s ，r 来区别它们) 变换成一个矢 量( 二维口、卢) ，即将三相坐标系变换成二相静止口、p 坐标系，如图2 2 。 若用屹( f ) 、屹( f ) 、屹( f ) 分别表示三相电磁量在三相坐标系中的瞬时幅值函 数，用v ( t ) 合成作用矢量，则p a r k 变换矢量关系为 9 ( 0 = 射屹( f ) + 屹( r 弦7 2 州3 + 匕( f ) p 。4 们】 ( 2 1 ) 矢量v ( t ) 称为p a r k 矢量，即空间矢量。对于三相异步电动机来说，空间 磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存在的，而电流矢量和电压矢量并 不存在。以下的分析均是建立在空间矢量的基础上。 2 3 2 电压电流方程 式中 t 。2r 3 s 。+ p 审。 1 l s b 2 s b + p v 。b 0 = ”墉= r ，0 + p 矿m + 珊y 坩 0 2 u r 8 2 r j ，p + p v ，p 一6 0 i l r 。 “。= 手( 叱一 一士“。) “，。= 譬( 一k ) 9 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 、，j、j 武汉堡三奎堂堡主堂垡堡塞 _ _ 一一 三相到二项的电流变换如图2 - 3 。若j 。+ 知+ t = 0 ，则电流方程可表示为： 0 2 i 。一号一号t i 。口= 导q 8 - t c 、 ) 用矩阵的形式表示为式( 2 - 5 ) 滕隧圳 上述式中、w ，口定子电压矢量玩的a 、j ；b 分量； k 、0 定子电流矢量的a 、口分量； 虬。、口定子磁链矢量死的口、卢分量，； 村，。、“，f 转予电压矢量i ，的d 、口分量； 0 、如定子电流矢量i 的。、口分量； 、定子磁链矢量彬的a 、卢分量； 2 3 3 磁链方程 中。2l 3 。七l 乒r 。 妒s b 。l ；i 邛+ l m r p v 。2l 。i o + l 0 。 v 噎。l ， ，8 + l 。i s p y 。k ( 幺+ k ) 甲。8 。l 。q ，b + ir 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 - 3 磁链矢量图 用矢量方程表示，磁链矢量图2 3 及表达式 其中上，= 。+ 。 死= ( k + l ) + k ；t + l 亏 妒，= ( l ，。+ k ) i + 。t = t + k 乏 呒= 上卅( + i ) ( 2 - 8 ) o ( 2 ，7 ) 、，；lrllj 、llrj 武汉理工大学硕士学位论文 = k + l ( 2 9 ) 上述式中。a 一卢坐标系等效定子与转子绕组间的互感； 厶、三，一d 一芦坐标系等效二相定子、转予绕组的自感； 丘。、。a - 口坐标系等效二相定子、转子绕组的漏感。 2 3 4 转矩方程 电动机的电磁转矩是由电动机中的电流和磁场相互作用而产生的。可写 成如下六种形式： t 2 k t 炽i( 2 1 0 ) 1 2 k r 妒。i( 2 1 1 ) 正2 峰矿，x i( 2 - 1 2 ) t2 蟛炽( 2 ，1 3 ) 乏2 碍死i( 2 。1 4 ) i = 蟛以( 2 1 5 ) 其中巧2 孚；群t 一- - 警。 。可登证明上述六式是完全等效的，见参考文献 1 3 。电动机的定转子磁 篁以墨励磁磁链都是由定转子电流产生的磁场合成的，相同矢量的叉积为 零所以电磁转矩也可写成定转子电流叉积的形式： i = 碍0 ( t i )( 2 1 6 ) 分过d十穿0希的q并生式地产黔 生流，产电的而子生用定产怍由而 互是用。相矩作器喊醋躯删子嘲流矩转的电转酬瓠髓撇 磁电子可嘲步转式气异与公是，通述 矩是磁上转该的据磁应链根 电法匝， ，说组式说地绕系地确子关统准转的笼和示 确隙表准气所 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 5 等效电路 为了分析问题更直观一般采用等效电路的方法，采用场路结合地分析方 法，定转予相互作用之间是通过励磁磁链呒耦合起来；磁场问题最终转化 为电路拓扑的形式，这样就可以得到t - i i 型瞬态等效电路图如图2 - 4 所示。 励磁磁链为瓴+ 鲁) 2 t + l ) 2 吸，所以该等效电路通常用于分析直 接转矩控制。 图2 - 4t - - i i 型瞬态等效电路 2 4 异步电动机的磁链模型 每茸 异步电动机的数学模型a m m 包括两个部分：磁链模型a v m 和转矩模 型a t m ，如图2 - 5 所示。其中转矩模型采用公式( 2 1 6 ) 。 图2 - 5 异步电动机的数学模型框图 磁箜模型：8 1 磁篓观测器( 用状态重构的方法观测磁链) 。磁链模型有 三型：q 一f 模型，卜。厅模型，u - - n 模型。这些在参考文献【1 蜀军看谇 细的介绍。下面结合参考文献【1 5 冲的内容，讨论分析，并给苗皋素反某角 武汉理工大学硕士学位论文 的磁链模型。 “一f 模型，即电压模型，通过定子电压和定予电流计算得到。该模型简 单，理论上很精确，但当转速小于额定转速1 0 时，风引起的观测误差较大， 转速很低时，积分因子很小，无法观测磁链。f 一门模型，即电流模型。通过 定子电流和转子速度计算得到，没有出现定子电阻。但该模型受转予电阻、 漏电感等电机参数的影响。 钟一，z 模型是全速范围内都适用的磁链模型，也称为电动机模型，它很好 的模拟了异步电动机的各个物理量。该模型由定子电压、定子电流和转速来 确定。 定子方程： 转子方程： 转子方程： 旁。丢( 呒吲+ 归妒， 疵= 兄一i 足 审。3l 。i 。 妒，；妒。一l o i ， 2 5 逆变器的数学模型 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) 磁通跟踪型逆变器，也叫做电压型逆变器，由三组、六个开关( s o 、瓦、 & 、墨、墨、) 组成，如图2 - 6 所示。 由于测量交流电压、b 、比较困难，可以用模拟的方法来获得，这 就是所谓的逆变器模型的方法。逆变器模型是基于逆变器电压状态与逆变器 的开关状态和直流电压西之间的关系得到的。 图2 - 6电压型逆变器示意图 逆变器的开关状态是由开关的切换来决定的，一共有8 个：6 个工作状 态、2 个零状态，见表2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1逆变器的开关状态 i 状态 工作状态零状态 l2345678 悸 00111oo l s b 1oo01101 足 1ll0000l 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章直接转矩控制的基本原理 3 1直接转矩控制的基本结构 图3 - 1d e t 的基本结构框图 图3 l 是直接转矩控制基本结构框图，由图可知，直接转矩控制系统由 以下几个部分组成： ( 1 ) 磁链自控制( d m c ) 用于选择正确的区段，以形成六边形或 圆形磁链。 ( 2 ) 转矩调节( a t r ) 实现转矩直接自控制。直接转矩控制的名 称即由此而来。 ( 3 ) 磁链调节( a v r ) 实现对磁链幅值的直接自控制。 ( 4 ) 开关信号选择( a s s ) 综合来自d m c 、a t r 和a 1 l ，r 的三种 开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选 择。 ( 5 ) 开关频率调节( a f r ) 控制逆变器的开关频率及转矩容差的 大小。 ( 6 ) 异步电动机的数学模型( a m m ) 包括磁链模型和转矩模型。 15 武汉理工大学硕士学位论文 它可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。 ( 7 ) 转速调节( a s r ) 实现对转速的调节。转矩给定值可由转速 调节器的输出得到，也可单独给定。 下面分别论述了主要组成部分。 3 2 坐标变换器( u c t ) u c t 是定子磁链的坐标变换器。u c t 的输入量：定子磁链妒在a 一卢 坐标系上的分量v - 。和矿u c t 的输出量：三个口向磁链分量。u c t 单元的 输入量与输出量之间的关系，也就是a p 坐标系与芦三相坐标系之间的变 换关系。 中铀。甲啦 v ：一警i ；，。一 i ，。8 v * ：= 鼍9 。一妒i ， 3 3 转矩计算调节单元( a m c ) ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 该单元由转矩观测器和转矩调节器( a t r ) 组成。前者已经在介绍了 转矩观测器由式( 2 - 2 5 ) 构成。 图3 - 2 转矩两点式调节器 其逻辑关系如下： 瑁= 圣变，毛c ；| 篓 c s - 4 ， 由上式可知，通过转矩调节器的两点式调节，把转矩波动限制在给定值 的容差范围内，达到了转矩直接控制的目的。 在实际系统中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机铁 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 芯；转子磁链的幅值由负载决定；要改变电动机的转矩大小，可以通过改变 磁链夹角的大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过 电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链的走走停停，以改 变定孑磁链的平均旋转速度，从而改变磁链夹角的大小，以达到控制电动机 转矩的目的。 由t q = l 得到的电压空间矢量称之为转矩电伍。转矩电压的主要作用是 使转矩增加。 3 4 磁链调节器( a t r ) 为了进行磁链调节，必须检测磁链量，这由磁链幅值构成单元来完成。 对于圆形磁链，定子磁链幅值为 妒户、厮丽 ( 3 5 ) 磁链调节器有两点式和三点式。两点式实际上就是施密特调节器。三点式调 节器的输出是磁链量开关信号q 。v q 有三个值：+ l 、一1 、0 。 3 5 磁链自控制( d m c ) 及开关信号选择单元( a s s ) 磁链自控制的实现包括坐标变换器( u c t ) 、磁链自控制单元( d m c ) 、 正反转选择单元( p n ) 、开关选择单元( a s s ) 。下面讨圆形磁链自控制是 如何实现的。 在实际系统中，采用走折线逼 近圆形轨迹，如图3 - 4 所示。给定参 考圆形磁链幅值f 虬，j 和镱略容差以 及转矩参考和转矩容差，使磁链在 电压的作用下，沿磁链容差的圆环 内运动。容差s 。愈小，磁链轨迹愈 接近于圆形。但毛愈小，电压矢量 的交替作用愈频繁，逆变器开关器 件的开关频率也愈高。目前，电力 电子技术的发展，i g b t 的开关频率 已经能够满足全速范围内圆形磁链 的直接转矩控制。 图3 - 4圆形磁链的空间区域划分及 圆形轨迹 武汉理工大学硕士学位论文 3 6无速度传感器直接转矩控制 由于速度传感器的安装给系统带来些缺陷，使得人们转而研究无需速 度传感器的电动机转速辨识i l 晦”j 。因此，有必要针对直接转矩控制系统中的 速度辨识问题进行深入的研究。 用于直接转矩控制系统中的无速度传感器的常用方法有转差计算的基 本方法、改进转子磁链计算的方法和模型参考自适应法( m r a s ) f 18 1 。其中 模型参考自适应法也发展为基于转子磁链模型的速度辨识、带滤波环节的转 子磁链模型的速度辨识、以及无功功率的速度辨识。本系统采用无功功率的 速度辨识，下面对此作着重的介绍。 异步电动机的无功功率表示为 磊= 矗 式中或无功功率矢量； 己转子磁链反电动势，毫= p 呢= 告( 吃一疋i 一盯丘p ) 。 k 则，该辨识方法的参考模型为 或= i ( 砟一盯厶p i ) - m 该辨识方法的可调模型为 磊= 毛 ( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) 式中乏由式( 3 3 0 ) 求得，式( 3 3 0 ) 是把式( 3 2 3 ) 两边求导得到的。 ，盼 l m ， 1 - 一 由此推导出转子角速度的关系式为 阱l ”, p i i “， ( 3 3 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 c b = ( k 。+ 乌( 龟一q ) ( 3 3 1 ) s 这种方法的最大优点是消除了定子电阻的影响，为全速范围内的直接转 矩控制提供了新途径。另外一种以无功形式表示的参考模型为 巨：= t 玩= “，f k 一“。口 ( 3 3 2 ) 该公式可直接由实际检测到的电压和电流计算得到，与任何电动机的参 数无关。可调模型可表示为 磊= t 屯= ( 弦，妒，+ 仃t p ) ( 3 3 3 ) 根据p o p o v 超稳定性理论，可推出同步角速度表达式为 巍：( 。十量) ( 龟一q ) ( 3 3 4 ) s 由式( 3 - 1 6 ) 可得转子角速度为 亩= 缸一q ( 3 3 5 ) 这种方法也消除了定子电阻的影响，然而基于转子磁链幅值恒定的假设 带来辨识性能受磁链控制好坏的影响。 总之，m r a s 是基于稳定性理论设计的参考辨识方法。它保证了参数估 计的渐进收敛性。但是由于m r a s 的速度观测是以参考模型为基础的，所以 参考模型本身的准确程度将直接影响转速的辨识。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第四章基于t m s 3 2 0 l f 2