（控制理论与控制工程专业论文）异步电机直接转矩控制定子磁链估算方法的研究.pdf

摘要 异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，迅速发展起 来的又一种高性能的交流调速技术。直接转矩控制思想新颖，控制结 构简单，静、动态性能优良，已成为交流调速领域的一个研究热点。 定子磁链的准确估算是实现直接转矩控制系统的重要环节之一。论文 应用先进的控制理论，对异步电机直接转矩控制中定子磁链估算方法 进行了研究，主要研究工作有： 论文详细地分析了直接转矩控制的六边形及近似圆形磁链轨迹 的控制方案。在低速时，采用近似圆形磁链轨迹控制系统可减小转矩 脉动和定子电流畸变；当转速较高时，采用六边形磁链轨迹控制系统 可以减小逆变器的开关频率。论文将两种模型相结合，通过对电机转 速进行判断，实现两种控制方案在全速范围内的切换。 定子磁链的准确估算对电压空间矢量的选择和转矩的观测结果 影响很大，是提高直接转矩控制性能的关键。论文重点探讨了直接转 矩控制中定子磁链的估算方法。针对直接转矩控制中定子磁链的开环 计算方法、“i 积分器的改进方法和定子磁链观测器闭环估算方法的 不足，提出了一种基于截止频率可调的改进型积分器定子磁链观测 器。该观测器采用模糊控制器，根据异步电机的运行状态实时调整低 通滤波器的截止频率，有效抑制了积分器的初始值误差和直流偏移误 差，提高了定子磁链的估算精度，并可在全速范围内采用该观测器估 算定子磁链。 论文利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 仿真工具完成了六边形和近似圆 形磁链轨迹的直接转矩控制系统的仿真，并且建立了一种适合于全速 范围的仿真模型，实现了这两种控制方法在全速范围内的平滑切换。 在所建立的仿真模型基础上，对磁链估算模型进行了仿真研究，仿真 结果与理论分析一致。在全速范围内采用基于截止频率可调的改进型 积分器有效提高了定子磁链估算精度。 关键词异步电机，直接转矩控制，定子磁链估算，模糊控制 a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ee o n t r o l ( d t c ) o fi n d u c t i o nm o t o r si so n eo ft h e h i g l lp e r f o r m a n c ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，w h i c hw a sp r o p o s e da f t e rt h ev e c t o r c e n t r e ls c h e m e i tb e c a m eo n eo ft h eh o tt o p i c si nt h ef i e l do fa cs p e e d c e n t r e lb e c a u s eo fi t sn o v e lc o n t r o lm e t h o d ，s i m p l es t r u c t u r e , h i g hs t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ea c c u r a t ee s t i m a t i o no ft h es t a t o rf l u xi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t st or e a l i z et h ed t cs y s t e m u s i n g a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y , t h es t a t o rf l u xe s t i m a t i o nm e t h o d so fd t ca r e s t u d i e di nt h et h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd t ci si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ed t c s y s t e mt h a th a st h ef l u xt r a c ko fh e x a g o na n da p p r o x i m a t ec i r c l e i s a n a l y z e di nd e t a i l s t h ef l u xt r a c ko fa p p r o x i m a t ec i r c l ec o n t r o ls y s t e m c a nr e d u c et h et o r q u er i p p l ea n ds t a t o rc u r r e n td i s t o r t i o nw h e nt h es p e e d i sl o w ；t h ef l u xt r a c ko fh e x a g o nc o n t r o ls y s t e mc a nr e d u c et h es w i t c h i n g f r e q u e n c yo ft h ei n v e r t e r b yi n t e g r a t i n gt h et w om o d e l sa n dj u d g i n gt h e s p e e d ，am o d e lo fd t c f o rf u l l s p e e dr e g i o ni sb u i l t ，w h i c hc a nr e a l i z e t h et r a n s l a t i o nb e t w e e nt h et w ok i n d so fc o n t r o lm e t h o d s t h ea c c u r a t ee s t i m a t i o no ft h es t a t o rf l u xi si m p o r t a n tt ot h ec h o i c eo f v o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt h et o r q u ee s t i m a t i o n i ti st h ek e yp a r tf o r i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd t c s t a t o rf l u xe s t i m a t i o nm e t h o d sa r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h eo p e nl o o ps t a t o rf l u xe s t i m a t i o nm e t h o df o r c l a s s i c a ld t c ，m o d i f i e du fi n t e g r a t o rm e t h o d ，a n ds t a t o rf l u xo b s e r v e r m e t h o da r ea n a l y z e di nd e p t h b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so ft h o s e m e t h o d s as t a t o rf l u xo b s e r v e rb a s e do nt h em o d i f i e di n t e g r a t o rw i t h v a r i a b l ec u t o f ff r e q u e n c yi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s u s i n gaf u z z y c o n t r o l l e r , t h ec u t o f ff r e q u e n c yo fl o w - p a s sf i l t e rc a l lb ea d j u s t e di nr e a l t i m ea c c o r d i n gt ot h eo n l i n e o p e r a t i n g s t a t e so fi n d u c t i o nm o t o r c o n s e q u e n t l y , i tc a ne l i m i n a t et h ee i t o i sc a u s e db yt h ei n i t i a lv a l u ea n d d cd r i f to ft h ei n t e g r a t o ra n di r e p r o v et h ep r e c i s i o no fs t a t o rf l u x e s t i m a t i o ne 伍c i e n t l y t h i so b s e r v e rc a nb eu s e df o rs t a t o rf l u xe s t i m a t i o n o v e rf u l ls p e e dr e g i o n b yt h eu s eo fm a t l a b 6 5 s i m u l i n ks i m u l a t i o nt o o l ，t h es i m u l a t i o no n t h et w om e t h o d so fd t c ，w h i c ha r et h eh e x a g o na n da p p r o x i m a t ec i r c l e f l u xt r a c kc o n t r o ls y s t e r n s a r ea c h i e v e di nt h i st h e s i s as i m u l a t i o nm o d e l f o rf i l l l s p e e dr e g i o ni sb u i l t w h i c hr e a l i z e st h es m o o t ht r a n s l a t i o n b e t w e e nt h et w ok i n d so fc o n t r o lm e t h o d s b a s e do nt h e s em o d e l so f d t c s t a t o rf l u xe s t i m a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a c c o r dw i t ht h ea n a l y s i so ft h e o r y t h es t a t o rf l u xo b s e r v e rb a s e do nt h e m o d i f i e di n t e g r a t o rw i t hv a r i a b l ec u t o f ff r e q u e n c yi m p r o v e st h ep r e c i s i o n o fs t a t o rf l u xe s t i m a t i o ne f f i c i e n t l yd u r i n gi t sf u ns p e e dr e g i o n k e yw o r d si n d u c t i o nm o t o r , d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，s t a t o r f l u x e s t i m a t i o n ，f u z z yc o n t r o l h i 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他研究单位的学位或证书而使用过的材料。与 我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说 明。 作者签名：奎垒日期：兰竺1年上月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关规定送交学位论文。 作者签名：查查导师签名：! ! 日期：兰盟年上月竺日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着现代化大规模生产的快速发展，工业企业自动化、集成化、复 杂化的程度不断提高，生产工艺水平不断进步，这就要求电气传动设备不仅要具 有很好的速度控制精度，还要有快速的、精确的转矩控制性能。传动设备的静、 动态性能好坏不仅直接关系到产品的质量和企业的生产能否顺利进行，而且还关 系到企业能否在竞争激烈的国内外市场中得以生存和发展。电气传动技术以电动 机为控制对象。以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成电气传动自动控制系统，控制电机的转矩和转速，将 电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动和往复运动，以达到控制电机转速 或位置的目的。 电机可分为直流电机和交流电机。在2 0 世纪8 0 年代以前，直流电机由于控 制简单、调速性能优异，在调速领域一直占据主导地位。但是由于直流电机在结 构上存在机械换向器和电刷等结构，使其在单机容量、转动惯量以及维护等方面 受到了限制，不能满足向大型化发展，以及在快速性、可靠性等方面进一步提高 要求，给其应用带来了限制。与直流电机相比，交流电机特别是鼠笼型异步电机 具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、价格便宜、维护方便和可工 作于恶劣环境等特点，在工业领域获得了广泛的应用。但是异步电机是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量复杂系统，要实现对其控制相对困难，早期的研究没有 很好的方法解决其控制问题，使交流调速系统的性能在过去始终无法与直流调速 系统相匹敌。在上世纪的7 0 年代，由于石油危机的爆发，迫使人们投入大量人 力和财力去研究高效高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。这样，如何 从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机的调速性能，便成为近 几十年来各国学者努力研究的主要课题之一【m 】。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p c n b r o c k 3 教授首次提出了直接转矩控制( d i r e c t t o r q u ec o n t r o l 。简称d t c ) 方法，它是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型 交流调速技术。尽管矢量控制在原理上优于标量控制【4 】，但是实际上，由于转子 磁链难以观测，系统性能受到电机参数的影响大，以及复杂的矢量变换，都使它 的实际控制效果难于达到理论分析的结果。直接转矩控制正是弥补了矢量控制的 不足，它避免了复杂的坐标变换，减少了对电机参数的依赖性，以其新颖的控制 思想、优良的动静态性能备受人们的青睐，并得到了迅速的发展。而日本学者 硕十学位论文 第一章绪论 t a k a h a s h i t 5 】提出的方案虽然在理论推导和实现方法上有所不同，但是基本思想是 一致的，即摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了p w m 脉宽调制器和 电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩， 并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。直接转矩控制 系统采用b a n g - b a n g 控制，获得了转矩响应快和控制结构简单的好处，是一种具 有优良静、动态性能的交流调速方法。近年来对异步电机的直接转矩控制的研究 异常活跃。 1 2 直接转矩控制的研究现状 直接转矩控制采用空间矢量的分析方法对定子磁场定向，直接在定子坐标系 下计算转矩和定子磁链，借助于两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器开关状 态进行控制，以获得转矩的高动态性能。德国作为直接转矩控制的发源地，采用 的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本学者采用近似圆 形磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果看，六 边形磁链控制方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量，电流脉动大，转 矩脉动、噪声都比较大。而近似圆形方案则比较接近理想情况，转矩脉动及嗓声 都很小。但是六边形磁链控制方案有利于减小功率器件的开关频率，开关损耗小， 适用于大功率领域，而近似圆形方案则相反，适用于中小功率高性能场合。这两 种直接转矩控制方案都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，很大程度上克服了矢量控制的缺点，具有广阔的发展和应用背景。 直接转矩控制的系统结构简单，控制思路新颖，并具有良好的控制性能。但 作为一种诞生不久的新理论、新技术，自然又有其不完善、不成熟之处，有些问 题甚至成为它发展难以逾越的障碍。正是由于以上原因，直接转矩控制技术成为 当今世界研究的热点之一p “。下面介绍直接转矩控制技术的几个研究热点： ( 1 ) 磁链和转矩估计 对于直接转矩控制来说，定子磁链的准确估算对电压空阃矢量的选择和转 矩的观测结果影响很大，是高性能直接转矩控制的重要环节。磁链与转矩估计精 度直接影响控制性能的好坏 a - 1 3 ，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。 ( 2 ) 速度辨识 传统的方法采用速度传感器，这样不仅增加成本，而且使系统的稳定性和可 靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速度传感器技 术显得特别重要。无速度传感器技术常用的速度辨识方法包括：转差频率法、模 2 硕士学位论文第一章绪论 型参考自适应法、卡尔曼滤波法、高频信号注入法、基于神经网络的辨识方法等。 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动机转速不 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【l 扣阍。 ( 3 ) 低速区存在的问题 低速时转矩脉动、死区效应和开关频率的问题也比较突出。当控制系统用全 数字化实现时，采样周期是固定的，在一个采样周期内，转矩的增加量和减少量 是不同的，于是产生低频锯齿波分量，它在低速时的频率较低，幅值很大，影响 系统低速性能。 以上这些问题一直阻碍者直接转矩控制技术的进一步发展，改进传统直接转 矩控制系统性能的研究已成为目前交流传动界的热点领域【l r l ，因此，追求整体 性能最优将成为异步电机直接转矩控制的研究方向。论文将在直接转矩控制定子 磁链估算方面进行研究和探讨。 1 3 定子磁链估算的意义及研究现状 1 3 1 定子磁链估算的意义 直接转矩控制是对磁链和转矩的直接控制且转矩反馈值也是通过磁链计算 得到的，保持定子磁链恒定是直接转矩控制的基本要求之一【l p 物。能否准确估 算定子磁链的幅值和相位，直接影响直接转矩控制效果和电机运行性能。定子磁 链估算的重要性主要体现在以下方面： ( 1 ) 磁场控制的需要 在众多的异步电机调速方法中，按转子磁场控制的矢量控制，其解耦的关键 依赖于转子磁链观测的正确性。这就不可避免的受到转子参数的影响( 尤其是转 子时间常数) ，为了尽可能地减少调速系统对电机参数特别是转子参数的依赖， 提商控制系统的鲁棒性，出现了按定子磁场控制的异步电机调速方法，如直接转 矩控制、定子磁场定向控制等，其共同点是都必须测量出电机的定子磁链。直接 转矩控制、定子磁场定向控制等先进技术的有效实现的基础在于异步电机定子磁 链信息的准确获取。 ( 2 ) 磁链控制的需要 磁链估计的误差关系到电机的稳定运行和动态性能，甚至导致控制失败。对 于传统的直接转矩控制来说，定子磁链的幅值和空间位置是决定电压矢量选择的 关键因素。当电机在低速下运行时，将观测到的磁链值同设定值( 通常为额定值) 进行比较，当观测磁链小于设定值时，选择使磁链增大的电压矢量，使其稳定在 硕七学位论文第一章绪论 额定磁链附近。但由于磁链观测幅值的误差，当观测磁链达到额定值时，电机的 实际磁链已经远远超过了额定值，从而造成电机磁场的饱和。圆形磁链轨迹控制 系统中，磁链相位观测的误差直接影响到电压矢量的准确选择。当空间旋转磁链 从一个扇区跨越到另一个扇区时，直接转矩控制将按照新的扇区查表，而电机的 实际磁链由于相位滞后，可能仍然停留在原来的扇区，这样就造成电压矢量选择 的错误，从而影响控制性能。所以定子磁链的准确观测和有效控制对于提高直接 转矩控制系统的性能有着重要的意义。 ( 3 ) 电磁转矩控制的需要 根据电磁转矩为电流矢量和定子磁链矢量叉积的概念可知，转矩的准确估算 直接取决于定子磁链观测的准确性，如果磁链幅值或者相位观测不准，也会导致 输出转矩过大或过小，造成电磁转矩估算不准，影响系统运行性能。 ( 4 ) 转速辨识的需要 在无速度传感器异步电机直接转矩控制系统中，一般都需要定子磁链参与控 制律的计算和转速估计。如果磁链估算不准，会造成速度估计误差扩大，控制器 无法正常工作，最终导致异步电机无速度传感器方式运行难以实现。 1 3 2 定子磁链估算的研究现状 定子磁链的观测对电机控制性能的好坏起着关键的作用，系统中利用能够实 测的物理量的不同组合，可以获得多静定予磁链估算模型f 净3 1 1 ，另外随着智能 控制理论在直接转矩控制系统中的应用，也出现了一些新的控制策略，其中又有 些新的定予磁链估算模型。 ( 1 ) 开环估算方法 目前常见的定子磁链开坏计算方法主要有班f 模型、j 川模型和u - t l 模型【3 2 1 。 “i 模型结构简单，在计算过程中唯一需要了解的电机参数是易于确定的定子电 阻。u - i 模型一般在额定转速3 0 以上范围时使用，能较准确地观测定予磁链， 而且结构简单，鲁捧性强，优于其他方法。相对于州模型，i - n 模型虽然不受定 子电阻变化的影响，但是直接影响到估算结果的物理量不仅有转子电阻r ，、主 电感工，漏电感厶，还有转子磁链矢量阱，此外砌模型还要求精确地测量角速 度t o ，t o 的测量误差对砌模型的结果影响很大。所以根据i - n 模型来估算定子 磁链也有它自身的局限性。l d - i i 模型由定子电压和转速来获得定子磁链，u - n 模 型结合“f 模型和砌模型的优点，低速时运行砌模型，高速时又切换到伽f 模 型，实现全速范围内都适用的目的。h 讲模型综合性能最好，但其结构最复杂、 待测量最多。虽然i - n 模型消除了定子电阻变化对磁链观测产生的影响，但它 引进的转子参数同样存在参数变化和测量不准确的问题。l l - b 模型实现复杂且存 4 硕士学位论文第一章绪论 在平滑切换的问题，而且不能摆脱砌模型的固有缺陷。实际应用的比较少。因 此“模型以结构筒单、鲁棒性高等优点得到了广泛应用。 由于“一p 陵型中使用纯积分环节，微小直流偏移误差和初始值误差都将最终导 致积分饱和，而这种直流偏移，由于电子干扰的存在、传感器或者a d 转换的误 差，在现实中又是不可避免的。“i 模型在低速条件下性能较差，为了把“f 模型 沿用到低速阶段，需要补偿“i 模型在低速阶段的误差。一般采用一阶低通滤波 器来代替纯积分器以消除偏移误差，但却在定子磁链估计量中引入了幅值误差和 相位误差。特别在低速情况下，这种误差尤为严重，将对系统性能产生较大的影 响。在异步电机控制中提出了许多改进的磁链估计方法来提高硝模型磁链观测 的准确性，文献 3 3 得出了基于低通滤波器的定子磁链估计值与实际值在稳态情 况下的关系，并通过状态标记进行稳态情况下的定子磁链补偿。实际操作过程需 要对运行状态进行判断，暂态与稳态切换又会带来抖动问题。文献 3 4 提出一种 方法用以提高积分器的低速特性，其基本思想是改进对电压和电流的检测质量， 并用简单的算法消除积分器中的直流分量，使系统的低速性能获得定的提高， 但它只能在一定程度上消除直流偏移问题，依然无法克服积分器的固有缺陷。文 献 3 5 提出了种可编程的滤波器并应用于无速度传感器定子磁链定向控制的 异步电机系统中，由于可编程低通滤波器的极点位置远离原点，因此随着电机转 速的增加，时间常数将有所降低。该可编程低通滤波器具有相位和幅值的补偿环 节，可有效解决积分器的直流偏移和初始值问题，但是动态性能不佳，无法满足 直接转矩控制的快速性要求。j u nh u 和b i nw u 【3 6 】在分析了舻f 模型存在的问题后， 提出了三种改进型积分器，用于全速范围内观测定子磁链，其中算法二和算法三 可以很好地消除积分器所具有的误差累积问题，在一定程度上补偿低通滤波器引 起的幅值和相位误差。算法三引入了定子磁链与反电势正交控制器来自适应调整 限幅值，然而算法复杂，增加了系统的计算负担。算法二适合于电机运行过程中 磁链保持恒定的情况。由于定子频率的变化和直流偏移的不可预测性，改进型积 分器还不能很好的解决实际问题。如果低通滤波器的截止频率是一个固定值，当 速度变化时，滤波器的滤波效果将变差。为实现电机的高性能控制，不同的电机 运行状态要求相应的截止频率与之对应。显然，固定的截止频率无法实现电机的 高性能。 ( 2 ) 闭环观测器方法 采用开环估计具有结构简单、实现方便等优点，但其精度受参数变化和外来 干扰的影响，可引入各种反馈措施，构成闭环磁链状态观测器。直接转矩控制中 用于磁链估计的几种闭环观测器有；扩展卡尔曼滤波器、神经网络观测器、滑模 观测器、全阶状态观测器等。 s 硕十学位论文 第一章绪论 文献 3 7 将电机转速作为一个状态变量，与电机模型合并成一个五阶非线性 模型，采用扩展卡尔曼滤波器进行磁链与转速估计。扩展卡尔曼滤波器提供了迭 代形式的递推估计方法，避免了对测量信号的微分。但是这种方法是建立在对噪 声统计特性已知的基础上进行的，而且计算量很大，对于实时性要求很高的电机 控制领域将是很大的挑战。文献 3 8 提出基于神经网络的磁链观测器，该观测器 是充分考虑了电机的非线性特点而设计的一种观测器，它可以在线学习，满足了 实时性的要求。文献 3 9 j 利用滑模观测器来观测定子磁链。在转速可测的条件下， 利用定子电流误差建立滑模平面，滑动模态过程迫使估计的定子磁链将以幂指数 收敛于实际值，并证明了观测器的稳定性及鲁棒性。这种方法需要速度传感器来 得到转速信息，转速的精度对磁链观测器性能起到决定性作用。文献 4 0 提出基 于扩展l u e n b e r g e r 观测器的磁链闭环观测方法，改善了异步电机直接转矩控制系 统低速运行性能，具有算法简单，收敛速度易于调节等优点。观测器所采用的数 学模型都依赖电机转速参数，因此，通常把转速作为一个电机状态，建立一个增 广的状态模型，进而对磁链与转速同时计算。速度估计通常受到累积误差、噪声 及延迟的影响，同时，不正确的速度估计又会反馈到磁链估计，导致磁链估计的 精度下降。文献 4 1 采用了全阶状态观测器方案，该观测器运用了l u e n b e r g e r 观测器的设计思想，在抗参数变化和测量噪声干扰的鲁棒性方面有明显的改善。 为使系统全局稳定，在电机不同的运行速度范围内观测器须采取不同增益矩阵。 该方法受电机参数影响很大，需要额外设计在线观测器来实时估计电机参数，致 使系统结构复杂。在这些观测器方法中，最常用的是全阶状态观测器，一般采用 极点配置的方法选择观测器的增益，在低速发电工况下观测器不稳定，还不能保 证观测器在全速范围内的稳定性。闭环观测器在定子磁链观测中得到了一定的应 用，但往往难以兼顾误差收敛速度和参数敏感性两个方面，同时还要面临计算开 销大的问题。 虽然有较多的学者提出各种不同方法解决电机在低速运行时的问题，但它们 都还不能够根本解决直接转矩控制系统的定子磁链观测问题 4 2 5 0 。鉴于此，目 前主要有两个发展方向：第一个方向是对珈f 模型进行改进，提高传统甜。模型 对定子磁链的观测精度；第二个方向是探讨新的磁链观测方法，摆脱对电机参数 的严重依赖，提高磁链观测的准确度。论文主要从理论上进一步探索直接转矩控 制理论，着重研究定子磁链估算方法，提高定子磁链的估算精度。 1 4 论文的主要内容 异步电机直接转矩控制具有优良的性能和简洁的控制思想等优点，已经成为 现代传动控制领域交流电机调速的主要控制策略。课题设计目标是研究异步电机 6 硕士学位论文第一章绪论 的直接转矩控制原理及定子磁链估算方法，设计基于m a t l a b 的直接转矩控制系 统的仿真模型。论文分为五章，组织结构如下： 第二章从异步电机的数学模型出发，阐述了逆变器的数学模型和电压空间矢 量等直接转矩控制的基本理论，对直接转矩控制基本原理及磁链控制方法进行研 究，主要分析两种直接转矩控制方案：六边形磁链控制系统和近似圆形磁链控制 系统，对不同的应用场合采用不同的控制方案。最后将两种模型相结合，通过对 电机的转速进行判断，实现两种控制方案的切换。 第三章着重对直接转矩控制定子磁链估算方法进行了深入的研究，对现有的 定子磁链观测方法迸行综合比较，在弘f 模型的基础上，为提高定子磁链观测精 度提出基于截止频率可调的改进型积分器定子磁链观测器。 第四章对异步电机直接转矩控制系统进行了较为深入的仿真研究。通过 m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，对两种磁链轨迹 控制方案进行了详尽的仿真分析，建立了一种适合于全速范围内的直接转矩控制 系统的仿真模型。最后建立了第三章中几种主要磁链估算方法的仿真模型，并将 它们应用到直接转矩控制系统中进行了仿真研究。 第五章总结了论文所作的研究内容，并展望了今后的工作方向。 7 硕七学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 第二章异步电机直接转矩控制系统的基本原理 为实现直接转矩控制方法在异步电机中的应用，有必要对异步电机的数学模 型进行分析，建立更准确、更接近真实电机的数学模型。在这个数学模型的基础 上进行直接转矩控制的仿真研究。本章通过坐标变换，并遵循功率不变的约束条 件，得到异步电机在静止0 【、b 坐标下的数学模型。并详细介绍了直接转矩控制 的基本原理。对直接转矩控制两种磁链轨迹的控制方案：六边形磁链控制方案和 近似圆形磁链控制方案进行了详细的分析，并将两种模型相结合，通过对电机转 速进行判断，实现全速范围内两种控制方案的切换。 2 1 异步电机的数学模型 要确定异步电机直接转矩控制系统的控制方式，必须对系统的动静态性能进 行充分的研究。作为系统中的一个主要环节，异步电机的特性尤为重要，因此， 建立一个适当的数学模型是研究其动静念性能特性及其控制技术的理论基础。异 步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型与理论分 析的简化，常作如下假设： ( 1 ) 电机的三相定、转子绕组表面光滑，在空问对称分布，各相电流所产生 的磁势在气隙空闯呈正弦分布； ( 2 ) 忽略磁饱和、涡流和铁芯损耗； ( 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 异步电机的数学模型一般由电压方程、磁链方程、转矩方程和机电运动方程 组成 5 1 】。为了分析和求解异步电机非线性的数学模型，通常采用p a r k 坐标变换 的方法，馒数学模型更易处理。p a r k 矢量将三个标量变换为一个矢量。如图2 1 所示，图( a ) 为三相定子坐标系，图( b ) 为a 、b 坐标系。选三相定子坐标系中的a 轴与p a r k 矢量复平面的a 轴重合。按照能够产生相同的旋转磁动势的原则，将 三相交流绕组转换成两相交流绕组，使在三相定子坐标系下的定子电流i a 、b 、 记和在两相坐标系下的k 、f 日彼此等效，两个坐标系下各电流分量合成的旋转磁 动势相同。按照上述原贝| j ，并遵循功率不变的约束条件，可得三相两相变换阵： = 店 l一三一1 22 压 压 u 22 8 ( 2 1 ) 硕士学位论文 第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 图2 - 1 坐标变换关系图 通过三相两相变换，并考虑到鼠笼型电机转子为短接且电压为0 ，可以得到 在静止坐标系、d 下的异步电机的数学模型； ( 1 ) 电压方程 1 8 0 0 r + 必 o p l 一鸣 o r 。+ p l s 鸣 儿 p l 0 r ，+ p l 一m t o p l 。 l ， 耳+ 儿 k l 柏 ， k | r 8 ( 2 - 2 ) 其中，、娜分别是两相静止a 、p 坐标下定子电压分量，、妇分别是定 子电流分量，k 、如分别是转子电流分量，冠、毋分别表示定子和转子绕组的电 阻，厶为定子漏感，厶为转子漏感，三。为定转子间互感，尸为微分算子。 ( 2 ) 磁链方程 毕s 8 妒嚷 毕，8 0 0 厶 k 0 0 厶 乙0 0 乙 40 0 o l a k s r 8 其中，、脚分别为两相静止a 、p 坐标下定子磁链分量， 两相静止a 、d 坐标下转子磁链分量。 ( 3 ) 转矩方程 z = 三厶( 。乞一k 勃) ( 2 - 3 ) 、m 分别为 ( 2 - 4 或者利用式( 2 3 ) ，式( 2 4 ) ，可改写为式( 2 5 ) 的形式。 = 三刀，( 如一) ( 2 5 ) 其中，乃为电机转矩，为极对数。 ( 4 ) 运动方程 警= 佤一五) ( 2 固 其中，死为负载转矩，为电机转动惯量，c o 为电机角速度。 争 硕十学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 2 2 逆变器的数学模型和电压空间矢量 2 2 1 理想逆变器的数学模型 图2 - 2 逆变器数学模型 一台电压型逆变器的数学模型如图2 - 2 所示，由三组六个开关( s 。、艺、墨、 最、疋、) 组成，f 为中性点电压。由于咒与兄、瓦与品、足与之间互为 反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有2 3 = 8 种可能的开关组合。若 规定某一相与“+ ”极相通，该相的开关状态为“1 ”态，反之为“0 ”。则8 种可能的开关状态如表2 - 1 所示。 表2 - 1 逆变器的8 种开关状态 状态 ol234567 s 。o o o 0 11l 1 s h 0o l l o01 1 s 。 01olo1o 1 对应于逆变器的8 种开关状态，对外部负载束说，逆变器输出7 种不同的电 压状态。其中开关状态l 6 对应的电压状态为工作电压状态；0 、7 开关状态对 应的电压状态为零电压状态。如果用符号心( f ) 表示逆变器输出电压状态的空间 电压矢量，则 也( o = ；【+ e ，等+ 咋e ，等】 ( 2 7 ) 其中u a ，坼分别表示异步电机三相定子负载绕组的相电压。由于6 个 非零电压矢量的幅值均为吾( 砺为直流母线电压) ，且相差6 0 0 。式( 2 7 ) 又可 表示为； 1 0 硕士学位论文 第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 蚝( f ) = u ( 只，咒，疋) = 三亿【芝+ s h e 。3 + 足一3 】 ( 2 - 8 ) j 这样就可以用电压空间矢量u s ( t ) 来表示逆变器的三相输出电压的各种状态。 依次算出各开关状态的电压空间矢量，得到如图2 - 3 所示的电压空间矢量图。图 2 - 3 给出了8 个电压空间矢量的分布，其中( o o o ) ，( 1 1 1 ) 对应坐标系的原点，称 之为零电压矢量。逆变器的6 个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢 量，其幅值均为4 e 3 ，相邻两个矢量之间相差6 0 * 。对电机的控制正是通过控制 逆变器的开关状态来改变电机定子侧电压的幅值和频率，从而使电机的输出转矩 发生变化，达到变频调速的目的。 挡 、 e o l l f u o 【o c o )u 4 ( i 蜘 3 ( 0 1 1 7 川 n f l i ) ， 、1 0 5 3 , ( 1 0 1 圉2 - 3 电压空间矢量向量图 2 2 2 电压空间矢量对磁链及转矩的作用 ( 1 ) 电压空间矢量对定子磁链的作用 直接转矩控制的关键就是如何确保定子磁链恒定并控制其旋转速度，但是由 于直接测量定子磁链较为困难而无法对其真接进行控制，而只能通过电压对其进 行间接控制。逆变器的输出电压u s 直接加到异步电机上，则定子电压也为蜥。 由异步电机的动态方程得 虬= i ( 心一置) 出( 2 9 ) 如果忽略定子电阻压降，式( 2 - 9 ) 可表示为 妒| * p 霹， 虬= q 血( 2 - l o ) 从上式可看出，定子磁链变化量的大小和作用定子电压矢量大小及作用时间 成正比，定子电压矢量的大小决定了定子磁链增加的速度。 将式( 2 l o ) 离散化得到： ( 七) = 虬传一1 ) + 虬 一o r , 式中，为采样周期。其矢量关系如图2 - 4 所示。 硕+ 学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 图2 - 4 定子磁链与电压矢量的关系图 从图2 - 4 可知：若对异步电机施加非零的电压矢量，则磁链的运行和幅值将 发生变化，而采用零电压矢量，则定子磁链停止运动，因此在直接转矩控制中， 采用开关控制，有效工作电压矢量和零电压矢量交替作用，实现b a n g - b a n g 控制， 就可使定子磁链走走停停，并有以下结论： 当所施加的电压矢量与当i j 磁链矢量之间的夹角y 的绝对值小于9 0 。时，作 用的结果是使磁链幅值增加。 当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角y 的绝对值大于9 0 。时，作 用的结果是使磁链幅值减小。 当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角y 的绝对值等于9 0 。或施 加零矢量时，作用的结果是使磁链幅值基本保持不变。 b 焱 。一7 、a 、6 、t i t 。 名；町 。( 1 ， 5”。?。j、。jj。 心7 o o 、， 图2 - 5 六边形磁链轨迹 如果在适当的时刻，依次给出定子电压矢量的顺序是u 1 u 5 u 4 - u 6 u 2 u 3 ， 则定子磁链空间矢量只顶点的运动轨迹为一正六边形，如图2 5 所示。而如果 在适当的时刻，合理选择各定予电压空间矢量，就能获得幅值不交而又旋转的定 子磁链，即圆形磁链轨迹。 ( 2 ) 电压空间矢量对电机转矩的作用 电磁转矩也可用式( 2 11 ) 计算。 硕十学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 c = 孚川咖口 ( 2 1 1 ) z 上。 其中e 为定、转子磁链之间的夹角，0 为漏电感。根据式( 2 1 1 ) ，转矩的大 小与定子磁链的幅值、转子磁链的幅值和定转子磁链夹角。的乘积成正比。在实 际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电机铁心；转子磁链的幅值 由负载决定；要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角的大小来实现。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，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链平均旋转速度的大小，从而 改变磁通角。的大小，以达到控制电机转矩的目的，电压矢量与转矩的关系如图 2 6 所示。 。 目2 - ( i 电压矢量与电机转矩关系圈 若要增大转矩，就加载正向有效电压空间矢量，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。 若要减小转矩，则加载零电压矢量，定子磁链就会停止不动，磁通角减小， 从而使转矩减小。 若要迅速减小转矩，则加载反向有效空间电压矢量，定子磁链就会反方向旋 转，磁通角减小，从而使转矩迅速减小。 通过转矩调节来控制电压空间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 直接转矩控制系统 直接转矩控制技术于上世纪8 0 年代提出，当时有两种控制结构：德国鲁尔 大学的d c p c n b r o c k 教授提出了自控制方案，即六边形磁链控制；日本学者 t a k a h a s h i 提出了直接转矩与磁链控制方案，即近似圆形磁链控制。在直接转矩 硕士学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 控制系统中，按转速和定子频率确定工作区域，根据工作区域确定调速方案是非 常必要的。在高速范围，用两点式转矩调节器和磁链调节器可实现高性能的转矩 控制，定子磁链为六边形轨迹；在低速范围，定子电阻上的压降的影响不能忽略， 磁链轨迹发生畸变，并且低频时，零电压矢量增多，严重影响低速性能，可采用 近似圆形磁链轨迹调节方案，在区段内采用多种电压矢量进行控制。下面分别介 绍六边形磁链控制和近似圆形磁链控制两种磁链控制方式。 2 3 1 六边形磁链控制系统 如图2 7 所示为六边形磁链控制系统框图。由系统框图可知，定子磁链由定 子三相电压与电流经过坐标变换后计算，并分解得到a 、b 磁链的分量，再进行 2 3 坐标变换，计算所得磁链与磁链给定值比较，得到相应的开关量。转矩滞环 调节器输出决定是否插入零矢量，确定正确的电压状态信号，以控制逆变器的输 出电压，产生所期望的六边形磁链。从图中可以看出，控制系统主要由坐标变换、 磁链调节、转矩调节等部分组成。 图2 - 7 六边形磁链控制原理框图 ( 1 ) 磁链调节 六边形磁链轨迹控制系统在l 6 周期中仅采用一种开关工作状态，逆变器的 开关次数少、开关频率小。它不需要实时计算磁链矢量的幅值和相角，只需在六 边形磁链轨迹上建立b 坐标系，把磁链模型的输出即定予静止坐标系下的磁链 只。、擎微影在三相坐标系忍、磊、层轴上，得到定子磁链的粤盔、和学r 庳分 量。变换公式为； 1 4 硕士学位论文第二章异步电机直接矩控制系统的基本原理 毕酗2 v ，8 缈脚：一3 委虬，( 2 q 2 ) - 5 -一五 历1 斗9 c 2 - t 强s a 一s 9 三个分量学盔、驴碡和分别与磁链给定值进行比较得到三个磁链开关 信号s 、s 、s 。三个磁链调节器均为滞环调