（电力系统及其自动化专业论文）异步电机直接转矩控制系统的仿真研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 abstract a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ee l e c t r i ce l e c t r o n i ca n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt e c h n o l o g y p r o g r e s s e s ，t h ea d j u s t a b l e s p e e dt e c h n o l o g yw i t hv a r i a b l ef r e q u e n c yh a sar a p i d l y d e v e l o p m e n t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) f o l l o w i n gv e c t o rc o n t r o li san e wt y p e a n dh i g hp e r f o r m a n c et e c h n o l o g y c o m p a r ew i t hv e c t o rc o n t r o lw h i c hh a sc o m p l i c a t e d c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n ds t r o n gd e p e n d e n c yo fr o t o r p a r a m e t e r s ，t h ed t c t e c h n i q u eo fi n d u c t i o nm o t o r si sk n o w n t oh a v eas i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e 、f a s tt o r q u e r e s p o n s e sa n de a s yt oi m p l e m e n t t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fd t ch a v eb e e ni n t r o d u c e d ，o nt h i sg r o u n d ，u s i n g m a t l a b s i m u l i n kb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e l sw h i c hf o r mt h ew h o l ed t cs i m u l a t i o n s y s t e m t h e n ，d t cm e t h o dp r o v e t ob eo f f e a s i b i l i t ya c c o r d i n gt os t u d ya n da n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i co ft h es i m u l a t i o ns y s t e m i ti sw e l le s t a b l i s h e dt h a tc o n v e n t i o n a ld i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s u f f e r sf r o mh i g ht o r q u e an e wc o n t r o l l e ro fn o n z e r ov o l t a g e s p a c ev e c t o ra n dz e r ov o l t a g es p a c ev e c t o ru s i n gd o u b l e - p ii sp r o p o s e d i ti m p r o v e st h e s p e e da d j u s t o ra n di n v e r t e rs w i t c h i n gt a b l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d c o n t r o l l e rm a n a g e dt or e d u c et h et o r q u er i p p l ea n dm i n i s ht h er e s p o n s et i m eo fs p e e d t h ea l g o r i t h mi ss i m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n t o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n a l y s i so fd t cs y s t e m ，al e a s tc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sp r o p o s e d ，i n c l u d i n gs o f t w a r ed e s i g n i n ga n dh a r d w a r ed e s i g n i n g s y s t e ms o f t w a r ew a sc o m p i l e du n d e rc c s f i n a l l gt h et h e s i ss u m su pt h ew h o l ew o r ko f s t u d ya n dp r e d i c tt h ed i r e c t i o no f f o r w a r d s t u d ya sw e l l k e y w o r d s ：d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ；i n d u c t i o nm o t o r ；m a t l a b s i m u l i n k ；d s p c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储签名寸i 耄j 匀 签字日期：加7 年f ) 月 7 日 导师签名：j 匀钮鲫岛 签字日期：御7 年i 乙月2 7 日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 紧张而充实的研究生生活就要结束了，回首两年半的学习和生活，我心中充 满了感激。我是在一个充满了尊重与友谊，团结与互助的团队里学习和生活的， 身边的每一位老师和同学都给了我无私的帮助。 本论文的工作是在我的导师汤钰鹏副教授的悉心指导下完成的。汤老师治学 态度严谨，思维敏捷，待人诚恳。他不仅在科研方面给了我很多指导，很大的支 持，更把他对做人的理解渗透到和我们相处的每一个细节。这一切，都将是我一 生享用不尽的财富。在此，我向我的导师致以诚挚的敬意和深深的谢意。 在课题的研究过程中，我还得到了修三木老师、张和生老师和徐嘉鹏、程冰、 郑丹、李乌龙、史雪明、郑杨、李勇、任亮、喻杰等同学的支持和帮助，在此我 向他们表示最真诚的谢意! 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够安心完成我。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 电机调速技术的发展概况 自十九世纪后半期，电机发明以来已经历了一个多世纪，电力拖动已渗透了 人类活动每一领域，为社会发展做出了不可磨灭的贡献，从人们日常生活的办公 楼到冶金、化工、轻工等各行各业。上世纪九十年代以前，由于直流调速拖动系 统的性能指标优于交流调速拖动系统，因此直流调速拖动系统一直在调速领域占 居首位。如五十六十年代用磁放大机控制发电机电机机组，七十九十年代晶 闸管直流电机调速系统占主要地位，主要是直流调速控制相对较方便，调速精度 高，所以在冶金轧钢、轻工造纸等动静态指标要求高的场合得到广泛应用。 随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件不断出现，如g t o 、 m o s f e t ( 功率场效应管) 、i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 等，使交流传动调速在近十 年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机 相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向 火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等。于 是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统已 经成为电气传动控制的主要发展方向。 1 9 7 1 年，德国学者e b l a s c h k e 提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标 志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是把交流电机模拟成直流电机， 通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立 调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定 向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是 实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般的，转子磁通 检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电机内部埋设感应线圈 以检测电机磁通，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠 性，磁通的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是应用中实现磁通检 测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测 的量，采用状态重构的方法来观测电机的磁通。这种方法便于实现，也能在一定 程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变 化引起电机参数变换就会影响到磁通的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们 又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统复杂化 北京交通大学硕士学位论文绪论 l 郇l 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出了一种新型交流调速理论一 直接转矩控制0 1 。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大 程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性 能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有 发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论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。 调速技术发展划分为5 个阶段： 第一阶段6 0 7 0 年代：以控制晶闸管( s c r ) 直流供电与直流电机为调速执行 机构，直流调速系统占据主导地位。 第二阶段8 0 年代：交流异步电动变频调速问世，随着g t r 、g t o 电力电子 器件发展，以、，、，、，f 为基本控制方式，变频调速开始发展。 第三阶段9 0 年代：i g b t ，i g c t 电力电子器件如微机控制数字化技术得到了 开发和利用，特别是矢量控制技术发展，使变频器应用产生了一个新飞跃。 第四阶段2 0 0 0 年：变频器具有节能功能已众所周知，但随着环保及能源问题 深入提出，交流电机进一步节能已成为研究主题。特别注重是中大容量永磁式电 机开发和其性能、价格比控制。 第五阶段2 0 1 0 年：即环保型变频器开发和应用，变频器必须适用新能源( 太 阳能，风力发电等) 的使用。并要求交流电机具有更高效率。 1 2 直接转矩控制技术的发展现状 1 2 1 直接转矩控制的现状及发展趋势 目前，在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟， 美国、意大利、韩国和法国紧随其后，使得直接转矩控制的应用发展逐步扩大。 目前直接转矩控制技术己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。 直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得 良好的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用。而 传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要 进一步研究。仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情， 必须另辟蹊径。现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的 控制技术作支撑，它已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项 2 北京交通大学硕士学位论文 绪论 综合技术。下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题“”进行了总结： ( 1 ) 先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问题 对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电 压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性 控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性， 尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性能。 ( 2 ) 磁链与转矩估计问题 对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚 至会导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速 时，尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效解决低速时的磁链与转矩估计 问题具有重要意义。 ( 3 ) 速度估计问题 近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速 度估计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发 高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意 义。 ( 4 ) 空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题。 1 2 2 目前的热点研究问题及解决方法 异步电机直接转矩控制计算方便，控制结构简单，动态性能好。但在低速运行 时，存在一些问题，这些问题成为目前d t c 研究的热点。主要体现在以下两方面： 一低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流 和磁链的畸变非常严重。 ， 主要解决方法： 1 ) 采用u n 模型。使用电流p i 调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流 相等，精度大大提高，但结构比较复杂。 2 ) 模糊定子电阻辨识器( f l i ) ，以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过 推论和解模，对定子电阻进行辨识御“”。 二低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。 主要解决方法： 1 ) 使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的 控制电压波形。 2 ) 运用f u z z yp i 转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能 北京交通大学硕士学位论文绪论 控制，用软件来解决转矩脉动问题。 3 ) 引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低转 矩脉动。 1 3 本文所做的工作 论文的工作要求是通过在理解直接转矩控制技术的基本原理，利用 m a t l a b s i m u l i n k 搭建直接转矩控制系统仿真模型，对系统进行仿真，验证理论的 正确性和可行性。在此基础上，设计一个电机控制的小系统，其中包括硬件设计 和软件设计及试验环节。 本文的主要内容如下： 第一章在参考浏览大量文献资料的基础上，阐述了电机调速技术的发展概 况，以及直接转矩控制的发展现状，提出异步电机的直接转矩控制理论以及目前 的热点研究问题。最后论述论文研究的内容。 第二章对直接转矩控制理论进行了简单介绍，给出了论文中直接转矩控制系 统设计方案的理论依据。 第三章利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块对直接转矩控制系统进行仿真，针 对直接转矩控制系统的各个组成环节分别建立仿真模型，构建直接转矩控制系统。 对仿真结果进行分析，对直接转矩控制系统进行简单评价。并在此基础上对传统 的d t c 系统进行了改进，有效的降低了转矩脉动。 第四章控制系统硬件设计。d t c 系统的硬件设计主要包括d s p 为核心控制元 件的控制电路设计，电源电路、时钟电路的设计等。 第五章进行控制系统的软件设计。首先介绍了软件开发环境和方法，接着主 要介绍直接转矩控制方法的软件实现过程。 第六章主要给出试验的整个系统。最后对全文进行总结，并对今后的工作提 出了一些建议。 4 北京交通大学硕士学位论文 直接转矩控制理论 2 1 概述 2 直接转矩控制理论 直接转矩控制出现以前，矢量控制长期占据着异步电机控制的主导地位。矢 量控制技术模仿直流电机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了 对交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。然而，由于系统特性受电机参数的影 响较大，以及在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际 的控制效果难于达到理论分析的结果。 直接转矩控制理论是1 9 8 5 年由德国学者狄普布洛克( m d e p e n b r o c k ) 首次提出 的，随后日本学者塔卡哈什( i h a k a h a s h ) 也提出了类似的控制方案。 与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点“”脚： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的 磁链和转矩，计算过程简单。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，通过定子电阻即可观测。而矢 量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电机的转子电感和电阻。因此直 接转矩控制减少了矢量控制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异步电机的数学模型和控制其 物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制，而不是像矢 量控制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。 2 2 直接转矩控制的基本原理 2 2 1 异步电机动态数学模型 为了便于分析异步电机的数学模型，为了抽象出理想的电机模型，必须进行 一些假设，这些假设是“”： 1 气殊均匀； 2 磁路线性； 3 定、转子三相绕组对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布； 4 忽略磁场谐波，即设磁场正弦分布； 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 侧，折算后的每相匝数都相等。 在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法。图2 - 1 是异步电 机的空间矢量的等效电路图。该等效电路是在正交定子坐标系( a 一6 坐标系) 上描述异步电机的“”。 i ，丽 图2 1 异步电机空间矢量等效电路图 f i 9 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ss p a c er e c u r 各量的意义如下： 1 定子电压空间矢量； f 定子电流空间矢量： t 转子电流空间矢量； 妒，定子磁链空间矢量； 仍转子磁链空间矢量： u 电角速度( 机械角速度和极对数的积) 。 并且规定，将旋转空间矢量在n 轴上的投影称为。分量，在正交的1 3 轴上的 投影称为b 分量。由以上可知，异步电机在定子坐标系上由下列方程式表示： z f ，= 足+ 饥 ( 2 1 ) 0 = r ，i r 一面o r + 政妒， ( 2 2 ) 由上面的关系式可以推导出定子、转子磁链以及电磁转矩的关系式： 妒，2f p ，一l 。l ， ( 2 3 ) 织=ir以-r；t)at(2-4) 一，1一l 一 伟+ 【i j c o r ) 够, = 了织 ( 2 5 ) 口盯 c = 知嘶一) = 去搁一l s i n p 协e ， t l ， 上述公式中，b 一耳为电机转子时间常数，q 为转子角速度，0 为磁通角。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机铁磁材料，转 子磁链的幅值由负载决定。由于定子磁链发生变化时，转子磁链矢量基本上保持 6 北京交通大学硕士学位论文 直接转矩控制理论 不变，因而只要改变定子磁链矢量的空间位置，就可以改变磁通角，从而改变电 磁转矩。转子磁链可以根据式( 2 3 ) 通过改变转子电流来实现。而定子磁链可以 根据式( 2 4 ) 以定子电压的积分来改变。稳态转矩的计算根据式( 2 - 6 ) 通过对 转子磁链与磁通角9 的计算来完成。 2 2 2 异步电机的磁链观测模型 在直接转矩控制中，无论是按圆形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要 己知定子磁链。采用直接检测的方法获得定子磁链，存在各方面的条件限制，在 实际系统中使用较少。较为通用的方法为间接测量的方法，即通过易于测量的电 机其它物理量( 如定子电压、定子电流和转速等) ，建立定子磁链的观测模型，在 控制中实时地推算出定子磁链的幅值和相位。定子磁链的观测准确性直接影响系 统的性能，可以说是d t c 技术实现的关键。 1 根据定子电压与电流的检测值估算的u i 模型 由公式( 2 - 3 ) ，可以得到以定子电压和定子电流表示的异步电机定子磁链“ 模型( 如图2 2 所示) 用上式来确定异步电机的定子磁链的方法有一个优点，就是 在计算过程中唯一所需要了解的电机参数是易于确定的定子电阻。式中的定子电 压u 。和定子电流i 。同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。 万一一p f u i 模型只有在被积分的差值，也就是l 。“。l 的值较大时才能提供正确的结 果。其误差是由定子电阻引起的。由于这个原因，u i 模型只有在1 0 额定转速以 上时，特别是在3 0 额定转速以上时，测量误差及积分漂移的影响才变得微不足道， 采用此模型才能比较准确地观测出定子磁链。但是当速度低于3 0 额定转速时，用 这种方法来确定定予磁链是不可能的，因为用作积分的定子电压和定子电阻压降 之间的差值消失了，以致在稳定情况下只有误差被积分。所以u i 法一般应用在3 0 基速以上调速区域的定子磁链观测中。 u ： 图2 - 2 定子磁链的u i 模型 f i 9 2 2t h e u im o d e lo fs t a t o rf l u x 此模型因其物理概念明确、实现简单，故使用最为广泛。其主要特点是 1 ) 结构简单，在中高速区域有较高的精度： 2 ) 只受定子电阻参数的影响，鲁棒性较高； 7 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 3 ) 误差刁、收敛，稳态时始终含有定子电阻偏差引起的观测误差； 4 ) 电机不转时，定子反电动势为零，不能按公式( 2 3 ) 计算定子磁链，同时 也无法建立初始磁链“”。 2 根据定子电流与转子转速的检测值估算的i n 模型 当电机在3 0 额定转速以下范围内的低速运行时，ps 一月s ，i 的值将变得 很小，由r 参数变化及测量对定子磁链的影响很大，并且积分器漂移的影响也严 重起来。因此，当电机转速较低时的观测就不能再用u i 模型了，而要采用i n 模 型( 如图2 - 3 ) ，即根据定子电流和转速来观测。从异步电机的空间矢量等效电路 和公式( 2 1 ) 可以得到定、转子磁链等公式”1 ： l i 鲁- i - o r a = 乙c a - i - q i i 鲁+ = l q q 。 1 9 ：。伊；。q - 上。z 。 【+ t 如 q 8 ， 式中，一i 为转子时间常数；q 为转子角速度；乞2 k + o 。 图2 - 3 定子磁链的i - n 模型 f i 醇3t h ei - nm o d e lo f s t a t o rf l u x 与“模型相比，i - n 模型中不出现定子电阻凡，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、漏电感k 、主电感l 。变化的影响，它们随 转速的变化而变化。要保证磁链观测的精度，就要求低速时对转速的测量有较高 的精度，这可以由采用高精度的测速装置来解决。 3 根据定子电压与转子转速的检测值估算的u n 模型 综合以上u i 模型和i - n 模型的特点，可以采用两种模型结合的方法( 即在全速 北京交通大学硕士学位论文 直接转矩控制理论 范围内都实用的磁链模型u - n 模型) ，由定子电压和转速来获得定子磁链。通过解决 u i 模型和i n 模型两者之间的平滑过渡问题，使得在高速时，定子磁链的观测实际 工作在u - i 模型下；而在低速时，实际工作在i n 模型下。该模型的主要特点是： 1 ) 此模型综合了“模型和i - n 模型的优点，很自然的解决了模型的切换问 题： 2 ) 引入p i 电流调节器，提高了观测模型的精度，减少了定子电阻偏差所产 生的观测误差，但须适当选择p i 调节器的放大系数； 3 ) 结构复杂，实现起来相对困难，目前用的较少。 综上所述，u i 模型最为简单和常用，它在高速域精度高，但在低速时因积分 项的误差致使模型精度严重下降。i - n 模型虽然使得系统不受定子电阻的影响，但 受主电感、漏电感、转子电阻的影响，高速下模型的精度无法保证。u n 模型是最 有优势的电机模型，它综合了u i 模型和i - n 模型的优点，高速时工作在u i 模型下， 低速时工作在i - n 模型下，但它实现起来比较困难。 2 _ 2 3 _ - - - $ i | 电压型逆变器的输出电压状态 随着电力电子器件和微处理器的发展，脉宽调制( p w m ) 逆变器在电气传动中 得到了越来越广泛的应用。如何确定p w m 逆变器功率器件的开关时间，有许多不 同的技术，如应用较多的正弦脉宽调制( s p w m ) 及相对较新的空间电压矢量脉宽 调$ i j ( s v p w m ) 等。而在众多的脉宽调制技术中，s v p w m 是一种优化的p w m 技术， 能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低转矩脉动，且其 控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统s p w m 的趋势。图2 - 4 所示简化三相电压型逆变器电路中，由于逆变器的开关是由自关断器件构成的， 而且每相桥臂的开关器件是互锁的，因而六个开关器件的工作状态并不完全独立， 实际上只有三个独立变量。这样逆变器可以用三个单刀双掷开关s l 、s 。、s 。来表示。 现在定义三个开关函数s 。、s b 、s 。，s ；( x = 咖，c ) = l ，代表上半桥臂导通，当s 。 ( x = 曲，c ) = 0 代表下半桥臂导通。因此共有2 3 = 8 种可能的开关组合( 表2 1 所示) 。 9 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 e e 图2 - 4 简化的三相电压型逆变器 f i 醇- 4r e d u c e d3 - p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 表2 - 1 逆变器的8 种开关组合状态 t a b l e 2 1e i g h ts w i t c hs t a t eo f i n v e r t e r 状态 o1234567 s 。 01olo10l s b oo1l0o11 s 。o o 0 o1 111 对应于逆变器的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 种不同的电压状态可分成两类：一类是6 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“0 ”和“7 ”，由于对外来说，输出的电压都为零， 因此统称为逆变器的零电压状态。 用符号u 。( t ) 表示逆变器的输出电压( 或简称为逆变器的电压) 状态的空间矢 量，则关于逆变器的电压状态的表示与开关状态的对照关系见表2 2 。 表2 - 2 逆变器的电压状态与开关状态的对照关系 t a b l e 2 - 2t h ev o l t a g es t a t ec o n t r a s t e dw i t hs w i t c hs t a t e 工作状态零j犬态 状态 l23 4 5678 开关状态 o l l0 0 11 0 11 0 0l l o0 1 0o o o1 1 1 表示一 u ( 0 1 i )u j ( 0 0 1 )以( 1 0 1 ) ( 1 0 0 ) u ，( 1 1 0 )u ( 们0 )玑t o o o )址( 1 1 i ) u s ( t ) 表示二 状 u ；( t ) u s lu s 2u s 3 u s 4 u s 5u , 6u s 7 态 表示三 l23 4 5 6 7 u ；( t ) 图2 4 所示的电压型逆变器，在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的 o 北京交通大学硕士学位论文 直接转矩控制理论 基本理论，其输出的六种工作电压状态的波形见图2 - 5 ，图2 5 表示出逆变器的相 电压波形、幅值及与开关状态和电压状态对应的关系。 如果将逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态 和次序就有了空间的概念。 ；虬= ；e 。： j 虬5 i 心0 哆0 弦 i ili 以叫渤一瑞一瑞4 勘一渤0 勘d 图2 5 无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态 f i 萨一5p h a s e - v o l t a g ew a v e f o r ma n dt h ec o r r e s p o n d i n g s w i t c ha n d v o l t a g es t a t e ( n o n z c f os t a t e ) 2 2 4 磁链、转矩与空间电压矢量的关系 1 空间电压矢量对定子磁链的作用 在静止坐标系下= 0 ，若略去定子绕组的电阻和漏感，定子磁链为： 霞= 且吃一e ) 出婀。zj t 疵崛。( 2 - 9 ) 公式( 2 9 ) 中死。表示定子磁链的初始值，由此可知定子磁链空间矢量死项 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 点的运动方向和轨迹对应于相应空间电压矢量的作用方向，西。的运动轨迹平行于 所给的电压空间矢量z 指向的方向。通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子 磁链矢量最的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。电压空间矢量对 定子磁链矢量的影响可以通过以下两种方式来实现。 在有效空间电压矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效空间电压矢 量作用时，定子磁链乒。沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作用时，定子磁 链乒，淳止不动。由于零矢量的插入，觅走走停停，所以旋转速度史慢了。如果侄 插入零矢量后仍保持每个有效空间电压矢量的总的作用时间不变，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机的恒磁通调速，亦即恒转矩调速。 空间电压矢量对磁链幅值作用如图2 - 6 所示，其中玩为施加的电压矢量，口为电压 矢量与磁通矢量的夹角。由图2 6 分析可得，当所施加的电压矢量与磁通的夹角p 小于9 0 。时，该电压矢量作用的结果使磁通幅值增加：当日大于9 0 。时，电压矢 量作用的结果使磁通幅值减小；当p 等于9 0 。或施加的是零矢量时，磁通幅值基 本保持不变。 图2 - 6 定子磁链和电压矢量的关系( 忽略定子电阻的影响) f i 妒- 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns 衄t o rf l u xa n dv o l t a g ev e c t o r ( s t a t o rr e s i s t a n c ei sn e g l e c t e d ) 改变有效空间电压矢量的交替作用时间，即改变尹。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机的弱磁升速，实现恒功率调速。 2 空间电压矢量对电磁转矩的作用 由式( 2 6 ) 可知异步电机电磁转矩的大小不仅与定子磁链的幅值、转子磁 链的幅值有关，还和它们之间的夹角有关，夹角从0 。到9 0 4 变化时，电磁转矩 从o 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 用电机铁心，而转子磁链幅值由负载决定，因此要改变电机转矩的大小可以通过 改变定转子磁链之间夹角的大小来实现。在直接转矩控制中，就是通过空间电压 矢量面。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 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 而改变定转子磁链夹角的大小来控制电机的转矩。 d 图2 - 电磁转矩与电压矢量的关系 f i 9 2 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o r q u ea n dv o l m g ev e c t o r 若要增大电磁转矩，就施加正向有效空间电压矢量，使电压的幅值足够大， 定子磁链的转速就会大于转子磁链，定转子磁链间的夹角0 增大，从而使转矩增加。 若要减小电磁转矩，则施加零电压矢量，定子磁链就会停止转动，定转子磁 链间的夹角0 减小，从而使转矩减小。 若要迅速减小电磁转矩，则施加反向有效空间电压矢量，定子磁链就会向反 方向旋转，定转子磁链间的夹角口迅速减小，从而使转矩迅速减小。 通过转矩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。 13 互= 吾i 织l i 研i s i n 口 ( 2 一l o ) l ol 转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角0 的乘积成正比。要改变 电机转矩的大小，可以通过保持定子磁链幅值不变，改变磁通角的大小来实现。 基本控制方法就是通过电压空间矢量u 。来控制定子磁链的旋转速度，从而改变磁 通角的大小，达到控制电机转矩的目的。通过转矩三点式调节，控制电压空间矢 量的非零电压空间矢量和零电压空间矢量的交替出现，就能控制定子磁链空间矢 量的平均角速度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 直接转矩控制系统的基本组成 通过前一节的介绍，直接转矩控制的基本方法已经得到，在此基础上，设计 了一个异步电机直接转矩控制的小系统，系统结构基本组成如图( 2 8 ) 所示。系统 组成分成如图中所示的三个部分：控制部分、逆变部分、电机部分。控制部分的任 务主要由控制器来完成，如图所示主要进行定子磁链调节、转矩调节、磁链区间 划分，最终通过开关信号选择单元输出逆变器的开关状态。逆变部分和电机部分 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 采用前一节介绍过的理想模型。 图2 - 8 直接转矩控制的基本组成框图 f i 9 2 - 8b a s i cd t cb l o c kd i a g r a m 直接转矩控制系统的工作过程叙述如下： 在电机启动时，定子磁链处于空间原点位置，给出一个初始开关工作状态， 使其脱离原点位置，通过对电流和电压采样信号进行3 2 相变换，计算出在a b 坐标下的投影矢量。、和“。、，p ，将这些量通过电磁转矩计算模块和矢量分 析器分别得到转矩反馈值t 和磁链反馈值妒，。转矩反馈值l 与转速p i 调节器输 出量通过转矩调节器得出转矩开关信号，同理可得到磁链开关信号，这两个开 关信号和磁链所在扇区共同选择下一个周期的开关状态，对逆变器进行控制，从 而完成一个控制周期。 2 3 1 磁链调节器 在直接转矩控制中，需要对不断变化的磁链幅值进行调节以使其限制在一定 的容差范围内，首先要求检测出当前磁链幅值。 对于圆形磁链，、蚊不对称，因此需要用、b 分量计算： 妒l = 矿。2 + 妒，。 ( 2 1 1 ) 电机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定子磁链将会不断减小， 因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定子磁链幅 4 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 值减d , n 容差以外，引入磁链调节闭环，由磁链调节器给出一个定子电压空间矢 量，加大定子磁链幅值，这就是磁链调节器所需完成的工作。 磁链的调节过程是通过磁链电压来完成的。所谓磁链电压是指这样一个定子 电压空间矢量，它的主要作用是根据磁链调节器的作用，在需要时被开启用以增 加或减小磁链幅值。根据异步电机的数学模型，在式( 2 9 ) 中，若忽略定子电阻r 。 则： 觅= i ( 吃一r f j ) d t + 觅。ai 吃d t + 觅。 ( 2 1 2 ) 从式( 2 1 2 ) 可以看出：定子磁链矢量讧，与定子电压空间矢量“。之间为近似积 分关系，并可由此得出定子磁链运动方向与空间电压矢量作用方向一致的结论。 因此，定子磁链在任一位置时能够增大磁链幅值的电压矢量有两个，分别是与磁 链运动轨迹成一6 0 。和一1 2 0 。的电压矢量。 磁链调节器的工作要求预先给定一个容差宽度巳，它是定子磁链幅值对于给 定值所允许的容差宽度。磁链调节器的结构实际上是施密特触发器，对磁链幅 值进行两点式调节，如图2 9 所示。 2 3 2 转矩调节器 竹p 柏 矿口 一i 。r i 图2 - 9 磁链调节器 f i 9 2 - 9b a n d - b a n da d j u s t e ro f f l u x 转矩控制在许多场合里都显得非常重要，即便是追求精确转速的一些场合 因为只有影响转速的最直接的原因就是转矩的变化。如果转矩控制性能好，则不 难设计一个速度调节器，使速度环有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好， 响应慢，相应的调速性能也不会很好。因此调速的关键在转矩控制。转矩调节的 任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称也是由此而来。为了控制转 矩，转矩调节器必须具备两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转矩；另外一 个功能是控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。 转矩调节器采用三值比较器，其输入为转矩给定值c 与转矩反馈值l 的信号 之差为r 。然后根据调节器的输出量( t o ) 的取值不同来确定定子电压矢量。调节 器框图如图2 - 1 0 所示。 北京交通大学硕士学位论文直接转矩控制理论 1 一 0 一l 图2 - 1 0 转矩三值调节器 f 1 9 2 一1 0t h r e eb a n da d j u s t e ro f t o r q u e 转矩调节器的容差是厶，调节器分为两部分，相当于两个施密特触发器，当 t 弓时，若电机的转矩弓在增加且2 1 ，则只有弓增加到时，调节器的输出 才能变为0 ，若电机的转矩在减少且弓= o ，则只有等到0 减小到正一厶时， 调节器的输出乃才能变为“l ”。而当王 _ 一 _ b v , p 7 i _ 口 。卜，11l i j i k i i n t e gr a t or 1 久 呻 ( c ) 图3 1 3 欠量控制器模型 f i 9 3 - 1 3v e c t o rc o n t r o l l e r m o d e l 3 3 3 改进系统与传统系统仿真结果对比分析 在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了一个带矢量控制器的异步电机直接转矩控制模型 与传统的直接转矩控制系统进行了比较”“1 。系统参数：额定功率为2 2 k w ，额 定电压为3 8 0 v ，定子电阻为0 4 4 f l ，转子电阻为0 8 2 1 1 ，定子电感为2 5 m h ，定 转子互感为6 5 8 7 i i l h ，转动惯量为0 0 8 5 k g m 2 ，f = 5 0 h z 系统的给定参数值为：给 定磁通为0 5 w b ，磁链容差为0 0 1 w b ，转矩容差为3 n - m 。转矩负载初始值为0 ， 0 3 2 s 后，转矩发生跳变，变为1 5 n m 。( 图3 - 1 4 3 1 5 横一纵坐标单位分别为s 北京交通人学硕士学位论文异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 和n m ，图3 1 6 横一纵坐标单位分别s 和r a d s ) 图3 1 4 传统直接转矩控制系统和加矢量控制器的直接转矩控制系统转矩响应 波形图，从图中可以看出，传统的直接转矩控制系统在空载和突加负载情况下， 转矩响应速度也比较快，但转矩脉动较大，对逆变器开关频率要求过高。而增加 了矢量控制器的系统，转矩脉动明显减小，达到很好的控制效果。 图3 一1 5 传统的和加矢量控制器的d t c 系统在启动时的转矩响应。 图3 1 4 传统的d t c ( 左) 与加矢量控制器d t c ( 右) 的转矩响应 f i 9 3 1 4c o m p a r i s o no f t h et o r q u e ；p o n s er e s u l t sf o r c l a s s i c a ld t ca n dv e c t o rc o n t r o l l e r - b a s e d ( a )( b ) 图3 1 5 传统的( a ) 和加矢量控制器的( b ) d t c 系统在启动时的转矩响应 f i 9 3 - 1 5 c o m p a r i s o no f t h es t a r tt o r q u er e s p o n s er e s u l t sf o rc l a s s i c a ld t c a n dv e c t o rc o n r o l l e r - b a s c d 转速响应曲线如图3 1 6 示，从图中可以看出，改进后的直接转矩控制系统， 转速响应迅速，而且调速精度高，转速非常稳定。0 3 2 s 时突加负载转矩，转速有 一个小的波动，但在闭环的调节下，又很快的恢复到转速给定值。 北京交通大学硕士学位论文异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 圈3 1 6 传统的和加矢量控制器的d t c 系统的转速响应 f i 9 3 1 6c o m p a r i s o no