（电工理论与新技术专业论文）基于直接转矩控制的电梯门机系统设计.pdf

薹王皇壁整! 堕型塑皇燮塑垫墨竺堡生 d e s i g n o f e l e v a t o rd o o r - m o t o r s y s t e m b a s e do nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l a b s t r a c t n l cd e v m o rd o o r - m o t o ri so n eo fc r u c i a lc o m p o n e n t si nd e v 鼬o rs y s t e m , w h i c hw o r k s m o s tf r e q u e n t l yi nt h ee l e v a t o ra n di sd i r e c t l yu s e db yp a s s e n g e r s t h u sas t a b l ea n dr e l i a b l e d o o r - m o t o rc o n l r o l l i n gs y s t e mi si n d i s p e n s a b l ei nm o d e me l e v a t o rs y s t e m i nd o o r - m o t o r c o n t r o l l i n gs y s t e md e s i g n s ，t h e c h a r a c t e r so f h i g h p r e c i s i o n , f a s tr e s p o n s e ，g o o dr o b u s t n e s sa n d s i m p l ea l g o r i t h m a r eo o z nu s e df o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n r e c e a t l y , f o rt h e a d v a n t a g e so fs i m p l ea l g o r i t h m ，l o wd c p c l l d l 啦c eo fm o t o rp a r a m f i t 黜 ) a n dg o o dd y n a m i c p e r f b 忸l 柚c e ，d i r e mt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) h a sb e c o m e o n eo fp 删u m gm e t h o d si n a s y n c h r o n o u sm o t o rc o n 扫o m n g i nt h i sp 张d t c m e t h o di sa l s oa p p l i e df o rc o n t r o l l i n g e l e v a t o r - d o o rm o t o r t h et h e s i sm t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l e o f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo na s y u l g j a r o n o u sm o t o r i nt h eb e g k m i n g $ ：c a ：t o rf l u xm a dt o r q u ec a nb eg o tt h r o u g hat y p i c a lm a t h e m a t i c sm o d e lo f a s y n c h r o n o u sm o o r h e r e ，t h em i x m o d e ls t a t o rf l u xe s t i m a t i o ni ss e e c t e d w h i c hf o c u s e so n t h e c u r r e n t m o d e l o f s t a t o r f l u xe s t i m a t i o n i n l o w s p e e d a s w e l l a s o n t h e v o l t a g e m o d e l o f s t a t o r f l u xc s l i 玎l a t i o ni nh i g hs p e e d f o rs t a t o rf l u xe s t i m a t i o ni st h ek e y s t e pi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o f m o t o r c o n t r e l l i n g , i ta t t r a c t sm a n y a t t e m t i o n si nr e c e n tr e s e a r c h e s t h e n , a f t e rt h em a l y s i so f t h es t a t eo f i n v c 州m rs w i t c h e s , t h ev o l t a g es p a c ev e c t o re a r lb er e c e i v e d f i n a l l y , o nb a s i so f t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g es p a c ev e c t o r sa n dt o r q u eo rs t a t o rf l u x , h e x a g o no ra p p r o x i m a t e r o u n dt r a c eo fs t a t o rf l u xc a nb e g o t , a n dc o n l r o l l i n go ft o r q u ec a na l s ob ea c h i e v e d w h e nt w o v a l u er e g u l a t o ri su s e dt oa d j u s tf l u xa n d t o r q u e t h ed o o r - m o t o rs y s t e mu t i l i z e sd i 甜s i g n a lp r o ( 鹪瞄s p ) a n di n t a l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( 聃由a sk e y c o n t r o lp a r t s t h ed s pc h o s e nh e r ei st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am a d e b y t i i t i ss p e c i a l l yd e s i g n e df o r m o t o r - c o n t r o l l i n gs y a e m ，w h i c hc o m p o s e sm a n ys p e c i a lm o d u l e s a n dd e c r e 勰e st h ed e s i g no f m a n yp e r i p h e r a li n s t r u m e n t s m 口m i sa p p l i e dh e r ea sp o w e r i n s t r u m e n tw h o s ei n n e r p r o t e c tc i r c u i tr a i s e st h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e n l i nt h i se x p e r i m e n t a l p l a t f o r m , t h eh a r d w a r es y s t e m c a nb e r e g a r d e da sa u n i v e r s a lo n e ，w h i c hc a nb ea p p l i e di na n y k i n do f a s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e mw h e nc o n f i g u r i n gw i t hc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e a n di nt h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m , a s s e m b l el a n g u a g ei ss e l e c t e df b fl h ea d v a n t a g e so f s i m p l es y n t a x ，h i g he 伍d c n c y a n d s t r o n gr e l i a b i l i t y i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，i ti sn e c e s s a r yf o re l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o l l i n gs y s t e m o b t a i n sv a r i o u sw o r k i n gm o d e s a n dt h es p e e do u r v e sd u r i n go p e n i n go r c l o s i n go p e r a t i o n s 大连理工大学硕士学位论文 a d i f f e r e n tu n d e rv a r i o u s w o r k i n gm o d e s , w h i c h a r e d e p e n d e d o n p a s s e n g e r s i n p u t 脚e t e r s a c c o r d i n g t ot h e s e 洲c l l r v e s ，t h em o t o r sw o r k i n gs p u d s0 1 1s p e c i f i ct i m e sc a r l b ed e t e r m i n e db y s o f t w a r e ，t h e s es p e e d sa r cu s e d 勰s e tv a l u ei nd t c ，t h e r e f o r et h ec o n l r o l l i n g o f s p e e d s i nt h ee l e v a t o r - d o o rm o t o r c o n t r o l l i n gs y s t e m a r ea c h i e v e d a tt h ee n do f t h i s p a p e r ，t h er u n n i n g c u r v c so f t h ee l e v a t o rd o o r - m o t o ra c h i e v e df r o mt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r md i s c u s s e da b o v e a r eg i v e n , a n dt h ep e f f o n - a a n c eo f t h e w h o l e s y s t e mi s a n a l y z e db r i e f l y t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a t , t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nf i tt h ea p p l i c a t i o n o f e l e v a t o r d o o r - m o t o rs y s t e m , a n dt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo b t a i n s9 0 0 dp e r f o r m a n c eo f h i g h p r e c i s i o n , s t r o n gr e l i a b i l i t y ，a n d f a s tr e s p o n s e ，w h i c he a nb e b r o a d l ya p p l i e d i ni n d u s t r i a lf i e l d k e y w o r d s ：? e l e v a t o r d o o r - m o t o r ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；d t c ；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。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，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位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 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：彳甚i 6 攀 日期：碰，。丛 大连理工大学硬士学位论文 1 1 交流调速技术发展酌概述 1 1 1 现代交流调速的特点 1 9 世纪中期，直流电动机传动和交流电动机传动先后诞生。与直流电动机相比， 交流电动机省去了换向器，使结构变得简单、紧凑，维修工作量小，运行效率高，转动 惯量小动态响应快，可以傲到高电压、大容量和高速化0 1 。但以往由于它缺少相应的控 制手段，控制调速比较困难。近年来，由于电力电子和微电子技术的飞速发展，新器件 和新的控制系统不断推出，使得交流电动机电源的控制变的容易，交流电气传动也具有 与直流电气传动同样优异的调速性能，从而使交流调速传动的应用得到了迅速发展。 现代电动机调速的另特点是，控制不在是单一的调速。其主要被控量是转矩，而 系统采用闭环后，被控量有多个，如转速、磁链的位置及其它物理量等，但最终还是控 制电动机轴上的转矩。不管输入量是电压还是电流，在静态与动态的情况下，电动机的 转矩响应都非常重要。因此，对于这种高性能的控制，不能只考虑动力学系统的响应， 还要考虑电动机内部电磁的过渡过程。 1 1 2 电力电子技术的发展 电力电子器件的不断进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新 的可关断器件，如功率晶体管( g t r ) 、门极关断晶闸管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t ) 、功率m o s ( p o w e rm o s f e t ) 、m o s 控制晶闸管等，他们不再需要附加强追换相 电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。 2 0 世纪8 0 年代以后，大功率半导体器件又向智能化发展。智能功率模块 i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e 交流调速的智能功率模块) 是向第四代器件功率集成电 路( p o w e ri c p i c ) 的过渡产品。它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。目前， 由i g b t 单元构成的功率模块在智能化方面得到迅速发展。智能功率模块( i 咖不仅包 括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报警功能。i p m 以其完善的功能和高可靠性 创造了很好的应用条件，利用i p m 的控制功能，与微处理器相结合，可方便地构成智能 功率控制系统。由于采用了隔离技术，使得器件散热均匀，体积紧凑，不但提高了可靠 性，而且使系统的开发时间、开发费用都大大减少。 一一一一一 摹王塞鲎壁型箜皇塑塑盟墨笾塑笪 随着新型电力电子器件的不断涌现，使得高频化脉宽调制( p 嗍成为可能，变频技 术也获得了飞速发展。p w m 脉宽调制控制分为等脉宽p w m 控制“、正弦波脉宽调制 ( s p “1 、空间矢量脉宽调制p w m 瞳”和电流追踪型p 吼啪。等脉宽p w m 控制的输出电压 和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分。s p 删在进行脉宽调制时，使脉冲 系列的占空比按正弦规律来安排，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成 分大为减少。空间矢量脉宽调制p 眦在电压利用率和功率器件开关损耗方面优于s p 吼 控制。理论上，逆变器在线性范围内输出的最大基波相电压幅值是s p 咖输出的1 1 5 倍 忉。电流追踪型p w m 控制，其逆变器输出的电压是p 嘲波，输出的电流是带锯齿形的正 弦波。只要逆变器的开关器件具有足够高的开关频率，则定予电流就能很快的调节其幅 值和相位，使电动机电流得到高品质的动态控制。但由于通常其电流谐波分量大，总功 率因数仍然很低，因此，p 啊整流技术的研究、新型单位功率因数交流器的开发，在国 内外已经引起广泛的重视。p 踟逆交器尤其是大功率逆变器，工作频率不但取决于开关 速度，而且取决于开关损耗的限制。 1 1 3 交流调速的控制类型 在异步电机调速系统的各种类型中，变频调速是效率最高的一类。在交流调遽系统 中，变频调速应用最多、最广泛，目前实用的交频调速控制类型主要有四种：( 1 ) 恒压 频比( v f ) 控制；( 2 ) 转差频率控制；( 3 ) 矢量控制；( 4 ) 直接转矩控制。 下面分别对这四种变频调速控制类型进行简单的介绍。 ( 1 ) 恒压频比( v f ) 控制 在开始研究和应用交流调速时，人们对交流电机的动态模型还不是十分清楚，只能 从其静态模型出发来探讨调速方法。为了充分利用电机铁心，希望在调速时保持磁通不 变。从异步电机的静态模型可以证明，要保持磁通不变，应使定予感应电动势与频率成 正比，如果忽略定子电阻，可近似为定子电压与频率成正比，于是出现了开环恒压频比 ( v f ) 控制方法。这种方法至今仍普遍应用于对性能要求不高的节能调速和一般工艺调 速中，如风机、泵类等的调速。但是由于这种控制方法是开环控制，异步电动机的转速 会随着负载变化而交化，调速精度也不高，在对调速性能有一定要求的场合下满足不了 要求。 ( 2 ) 转差频率控制 继恒v f 控制后出现了转差频率控制。从异步电机静态模型可以证明，当保证磁通 恒定时，电磁转矩近似与转差频率成正比，因此通过控制转差频率就可以控制转矩。它 大连理工大学硕士学位论文 比恒v f 控制的优点在于实现闭环控制，控制对象为电磁转矩而不是供电频率。采用转 速闭环的转差频率控制，可以得到较平滑而稳定的调速，可以获得比恒v f 控制更高的 调速性能。但是当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比 直流调速系统略逊一筹。 ( 3 ) 矢量控制 上面的恒压频比控制以及转差频率控制，由于它们的基本控制关系是建立在异步电 机静态数学模型的基础上的，其被控制变量( 定子电压有效值，定子电流有效值，定子 供电频率，转差频率) 都是在幅值意义上进行的控制，而忽略幅角( 相位) 控制，虽然能 获得良好的静态性能，但在稳定性、启动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 矢量控制采用坐标变换的方法，把异步电机等效成类似直流电机的模型，从而可以 模拟直流电机的控制，对异步电机的电磁转矩和工作磁通分别进行控制。它成功地解决 交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样，实现交流电动机的磁通和转矩 分别独立控制，从而使交流电机变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点。与以往 的控制方法相比，矢量控制的启动性能、速度控制范围、控制精度等方面都有了长足的 进步。它的速度控制范围为o - 1 0 0 ，而恒v f 控制只能达到1 0 - 1 0 0 ；它的启动性 能也明显优于恒v f 控制，启动转矩可达1 0 0 ，而恒v f 控制只能达到6 0 - 8 0 锄嘲。 自2 0 世纪7 0 年代至今，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和实践，形成 了当今在工业生产中得到了普遍应用的高性能交流调速系统“。 然而，在实际应用中由于转子磁链难以准确观测，并且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交换的复杂性，使得实际的控 制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术的不足。 ( 4 ) 直接转矩控制。日u 4 矢量控制理论的提出和成功应用，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣和热 情。8 0 年代掀起了交流调速热潮，矢量控制理论进一步完善和发展，矢量控制系统进 一步简化与合理。同时也出现一些新的控制策略和方法。1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出了一种异步电动机的直接自控制理论d s c ( d i r e c t s e l f - c o n t r 0 1 ) ，通常称为直接 转矩控制。它把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制 方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限 制在一定的容差范围内，容差大小由频率调节器来控制“。它的控制效果不取决于电机 数学模型，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既简单又直接，具有较高的动态响 应。直接转矩控制直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型，控制电动机的转矩 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 和磁链，省掉矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少矢量控制技术中控制性能易 受参数变化影响的问题。但其输出转矩有脉动，磁链模型在低速时误差大，又使系统的 调速范围受到限制。本论文采用直接转矩控制，其具体原理将在第二章详细论述。 1 。2 电梯门机简介 随着我国社会经济的不断增长和现代中高层建筑的迅速发展，电梯的普及率日益提 高，特别是在大中城市，电梯已成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。电梯的正常 运行关系着许多人的利益甚至人身安全。电梯门机是电梯的重要组成部分，是电梯系统 中动作最频繁的部分，又是直接面对乘客的部分，并且电梯门开关不正常是现代电梯运 行过程中比较容易出现的故障。因此，电梯门的开关不仅耍动作可靠、准确，而且还必 须运行平稳、反应迅速、动态特性好，这对电机本身及其控制系统均提出了较高的要 求。本论文即是结合电梯门机系统研究了异步电动机新型的调速方法。 1 2 1 电梯门机系统的作用及工作原理 在电梯中，门机系统的主要任务是接收来自上位管理与调度计算机系统发送的门机 控制信号，驱动门电动机运行，以控制电梯轿厢i - j 和厅门的开关。对于门机控制系统而 言，其必须具有快捷、安静、准确和安全等特点。高性能的电梯系统必须有平稳、低 噪、高效、安全的门机系统，以缩短乘客候梯时间，提高电梯的运输能力，并使乘客安 全进出轿厢。 电梯门机系统主要由门电动机、门电动机控制器、门电动机驱动装置、门结构( 门 系统机械部分) 、安全检测系统、大厅内乘客监测系统等组成。下面简单介绍各个组成 部分及其速度曲线和运行过程。 ( 1 ) 电梯门电机控制系统：这部分主要由门电机控制器、门电机驱动装置以及门电 动机等组成。其中门电机控制器主要用来控制门电机，使其沿着给定的门机速度曲线运 行，以快速、安静、准确的开关电梯轿厢门和厅门。这部分如同一个小型的电机拖动控 制系统。 ( 2 ) 电梯的门结构：此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成，目前主要采用单 扇门和中分门两种结构。为了提高门系统的快捷性，高性能的电梯系统多采用中分门结 构。其中门扇必须具有坚固、防火的特点：导轨用来支撑门扇，故必须表面光滑、坚固 且足够大，以便门扇可靠的移动：厅门门锁必须满足安全要求，当门扇到达关门点时应 及时的锁住门。这部分对乘客安全非常重要。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 安全检测：在电梯控制系统中，为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系 统中大都设置安全检测系统，以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正 在关闭时，如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢( 包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘 客阻挡轿厢门关闭) ，则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。其运行原理后边介绍。轿 厢门打开则不必有此过程。日前的安全系统主要大都采用光电式装置( 如光敏元件) ，也 有的采用电磁式装置。 ( 4 ) 大厅内乘客检测系统：在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测 装置，确定乘客是否全部迸入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统 能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和热敏装置来检测乘 客或物体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受 到性能和成本的限制，这种应用并不多。 ( 5 ) 门过载保护装置：有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程 中，因轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电 机的作用。 ( 6 ) 速度曲线及运行过程：电梯门杌系统的速度艴线如图i 1 所示。速度曲线大致 可分为四个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。 1 0 苓乏互二二二晦查 图1 1电梯门机控制系统的开关门运行曲线示意图 f i 9 1 1 0 p e n 如g a n dc l o s i n gs p e e dc u f v e s o f t h e 。t e v a t o r d o o r - m o t o r c o n t r o l l i n g s y s t e m 开门时，初始阶段要求速度较慢以求开门平稳，然后加快速度以求开门迅速，在开 门即将到位时，为避免产生撞击，又要求低速运行，直到轿厢门全部开启完毕：关门 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 时，初始阶段要求加速运行，然后匀速运行，在关门即将到位时，要求低速运行，直到 轿厢门全部合拢。 为了防止电梯运行时厅门打开而出现危险，般在电梯运行时还有强行关闭厅门的 措施，即电梯运行时厅门不可轻易打开。目前主要有两种措施实现这种功能：一是让门 电机堵转，压紧两扇厅门；二是采用电磁结构，厅门关闭后通过电磁力令两扇厅门紧紧 闭合，不能轻易打开。 以上主要讲述了电梯门系统的组成和功能。在电梯门机系统中，还有一个重要的问 题就是门保持时间的选择。因为门的保持时间过长，会影晌电梯的运行效率，而保持时 间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。因此应对门保持时间进行很好的选择；在 保证乘客全部安全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。目前较好的方法 是采用相对时间自适应控制方式。 另外，电梯门系统需具备自学习功能、上电自整定、参数修改等功能。根据不同规 格的门体、不同的开启宽度和不同的运行状态，控制系统设计应具备正常使用前自动执 行的自学习程序和调试时的参数修改程序，用以记录门的动作位置和调整门机运行的最 佳状态。并且每次上电时都有自藏定的功能，起到了找零的功能，可以根据要求指定门 的初始状态。 1 2 2 现有电梯门机系统的调速技术 自上世纪9 0 年代以来，国外电梯门机主要采用交流变频变压( w 、f ) 调速技术。在 现有的运行的电梯中，进口的电梯门机控制系统，绝大多数采用微机控制器来调速和处 理控制信号；而国产的电梯门机控制系统，还是采用模拟电子或继电控制方法的系统。 原有开发的电梯或现在使用中的电梯门机一般有两种形式：一种采用双速交流电机，用 继电器控制正反转和高低速，形成开关控制门宽位置；另一种是采用直流电机换向实现 正反转控制和串电阻实现高低速控制，并用行程开关控制门宽位置嘲。近几年，随着交 流电机变频技术的成熟和应用，不少电梯的门机系统开始采用成本较低的三相交流电机 为动力，用变频技术进行调速满足电梯门机系统运行要求。通常的方式是采用通用变频 器加上可编程逻辑控制器( p l c ) 构成交流电机的控制系统，这种方式p l c 控制器与交频 器分离，系统经济性、可靠性不好，体积大。因而开发硬件体积小、运行可靠、智能化 程度高、易维护的门机控制系统是势在必行。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 。3 直接转矩控制电梯门机调速系统的简介 本论文意图实现的是门机系统的新型的调速方案直接转矩控制调速。直接转矩 控制技术目前在实际应用中极少见，属于研究阶段的技术。 交流电机变频调速目前已经广泛应用于拖动领域o ”，而且他的发展在理论上、实际 应用上都有了很大的进步。从交流异步电动机变频调速控制的方法上，有恒v f 开环控 制，矢量控制和直接转矩控制。v f 控制方式结构简单，其可靠性高。但是调速精度和 动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速趋于由于定子电阻的压降不容忽视而使电 压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。它只适用于一般要求不 高的场合。矢量控制的特点是认为异步电动机与直流电动机有相同的转矩产生机理，能 获得良好的动、静态响应性能。但是矢量控制性能易受参数变化的影响，该方法需要解 偶计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。这种系统比较复杂、造价也较 高。直接转矩控制( d t c ) 直接在定予坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机 的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中 控制性能易受电机参数变化影响的问题。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段 直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无 超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法，有很大的发展前景。 直接转矩控制方案从总体上来说就是采用电压空间矢量控制，这一点类似于p w m 控 制，但是其电压矢量不像p ；9 m 那样有规律的给出；与p 蹦控制相比，它更像是种“随 机”的过程。它根据定子磁链位置、转矩变化、定子磁链变化实时的给出空间电压矢 量，而不是按照预先设定好的顺序和规律施加，因此在此时刻并不知道下一时刻电压矢 量的情况。由此，它应该包括转矩调节器、磁链调节器、定子磁链位置判断等环节：还 应该有磁链计算环节、转矩计算等环节。 1 3 论文的研究背景及主要内容 本课题源于本溪某公司的委托研发项目，开发电梯门机控制系统。本论文的研究内 容主要是将直接转矩控制方法应用到电梯门机控制系统。 目前，国内在直接转矩控制系统领域投入了一定的人力进行研究，但是大多数研究 仍处在理论研究和仿真阶段，真正实用的极少见。本论文将侧重点放在系统的基本实现 上，开发设计出一套能够实现直接转矩控制的软硬件系统，因此说本论文具有一定的实 际意义和使用价值。 本文的研究内容主要有： 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 ( i ) 在参考浏览大量文献资料的基础上，对交流电动机控制系统的特点和控制方 法，以及电梯门机的工作原理和现有的调速方法进行简单叙述，提出了采用直接转矩控 制电梯门机调速系统的设计方案。 ( 2 ) 对直接转矩控制原理进行了简单介绍，给出了论文中直接转矩控制系统设计方 案的理论依据。 ( 3 ) 介绍壹接转矩控制电梯门机调速系统的硬件部分，包括主电路和控制回路设 计。主电路采用典型交直交电压源型通用变频器结构，其核心器件采用的智能功率 模块6 m b p l 5 r h 0 6 0 。控制回路以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心控制芯片，介绍其外围基本电路 的设计和信号采集电路等。 ( 4 ) 介绍控制系统的软件部分。主要介绍直接转矩控制方法的软件实现过程，采用 汇编语言实现。 ( 5 ) 给出实验结果，并作简要地分析。最后给出全文总结。 大连理工大学磺士学位论文 2 直接转矩控制技术 2 1 引言 直接转矩控制变频调速技术，英语称之为d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，也称为 d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 1 7 j 自八十年代发展起来的又一种新型的具有高性能的交流 变频调速技术。交流电动机直接转矩控制的概念，早在1 9 7 7 年就曾出现了， a b p l u n k e t t 研究p w m 逆变器感应电机传动系统中就考虑了磁链和转矩的直接控 制，只是苦于当时对瞬时主磁通的测量没有一个很好的解决方法，使其实现起来颇具困 难而未曾引起广泛的注意。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的狄普布洛克( m d e p e n b r o c k ) 教授通过对瞬时空间理论的 研究，首次提出了直接转矩控制的理论，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。随后 日本学者i t a k a h a s h i 也提出类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果“。 直接转矩控制技术一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁的结构，优良的静、 动态性能受到普遍的关注，并得到迅速的发展。目前该技术已成功地应用在电力机车牵 引的大功率交流传动上，德国、日本、美国都竟相发展此项新技术。 与经典矢量控制相比，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机的数学模型、控制电机的磁链 和转矩。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作 特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电机的物理过程能够做出直接和明确的判 断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以观测出 来。而磁场定向矢量控制所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转子电阻和电 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。它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调 磁链完全理想圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，他强调的是转矩的直接控制效 果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形的磁链轨迹的概念。 ( 4 ) 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节 器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差的大小，由滞环调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控案既直接又简化。对转矩的这种直接控 制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用 于磁链量的控制和磁链自控制，但以转矩为中心来进行综合控制。 2 。2 坐标变换和异步电动机身勺数学模型 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。要求解其数学 模型的方程式是十分困难的，即使要画出很清晰的结构图也并非易事，如用两相就比三 相简单，为了对三相系统进行简化，就必须对电动机的参考坐标系进行变换。在研究矢 量控制时经常定义三种坐标系统，即三相静止坐标系( 3 s ) 、两相静止坐标系( 2 s ) 和两相 旋转坐标系( 2 r ) 。直接转矩控制系统中一般只用前两种坐标系。 2 2 1 三相二相坐标变换( 3 2 变换) 三相坐标系的三个坐标轴分别用口、b 、c 表示，两相坐标系的两个坐标轴分别用 口、口表示，通常使口轴和口轴重合，如图2 1 所示。 口 图2 1 两相、三相关系 f i g 2 ic o o r d 嘶r e l a t i o n o f t h r p h a s e s a n d t w o p h a s e s 三相电动机的电压、电流、磁动势、磁链等均是三相电磁量。若在复平面中，能用 一个矢量来表示三相电磁囊的合成作用，则可将三维物理量变为二维物理量，为分析和 计算带来很多方便。为此，引入p a r k 矢量变换。p a r k 矢量变换是将三个标量变换为 个矢量，这种变换对于时间函数同样适用。若用v o ，k ，k 分别表示三相电磁量在三相 坐标系中的瞬时幅值，用旷表示合成作用矢量，则p a r k 矢量变换关系为： 矿= z ，i v 。+ k e j 2 “3 + k e j 4 “ ( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 矢量矿称为p 8 r k 矢量，它代表三相电磁量某一时刻合成作用在坐标系中的空间位 置，所以称为空间矢量n ”。 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。但是磁动势与电流密切相关，电压与磁链密切相关， 所以仍可以定义电流空间矢量和电压空间矢量捌，他们分别表示三相电流的合成作用和 三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。 进行直接转矩控制时，在定子坐标系中要进行三相与两相坐标系之间的变换。这种 变换要遵循旋转磁场等效原则和功率不变原则。分别用，乇，之表示三相电流瞬时值， 它们的合成作用用矢量j 表示，j 在口一卢坐标系中的两个分量分别用f 。，屯。表示。 于是，三相到两相( 3 2 ) 的电流坐标变换矩阵方程式为： 1 一三一! o 鱼一鱼 22 1l1 压扼压 两相到三相( 2 3 ) 的电流坐标变换矩阵方程式为 l 压 1 j 1 互 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在实际电机中并没有零轴电流，如果三相绕组是y 型不带零线接法乜1 1 ，则 + + f c = 0 ，n ( 2 2 ) 式、( 2 3 ) 式分别简化为： 讣 ( 2 4 ) 压怄 = 1llllj k妇乇 。，l 。鱼2笪： 。 。2，一： 压恬 = 1，j一帏 嘲 。 压 再一上压 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 阡 店 。 1l 一而西 ( 2 5 ) 2 2 2 异步电动机的数学模型 在直接转矩控制中，应用空间矢量的数学分析方法会使问题变得简单明了。在这里 对所讨论的三相异步电动机作以下几点假设：( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所 产生的磁势沿气隙圆周按正弦分布：( 2 ) 忽略磁路饱和；( 3 ) 忽略铁心损失；( 4 ) 不考虑 频率和温度变化对绕组的影响。图2 2 是异步电机的空间矢量的等效电路图。该等效 电路是利用空间矢量来描述异步电机的。 图2 2 异步电动机空间矢量的等效电路图 f i g 2 2s p a c ev e c t o r e q u i v a l e n tc i r c u i to f a ca s y n c h r o n o u sm o t o r s 异步电动机的数学模型包括磁链方程，电压方程和转矩方程呻1 三部分。 ( 1 ) 磁链方程 虬= ( t 。+ k ) + l m ( 2 6 ) 孵= ( 。+ 乙) + 厶( 2 7 ) 瓦= 厶( i + i )( 2 8 ) 石；定子磁链矢量；石：转子磁链矢量；瓦：气隙磁链矢量：云：定子电流合 成矢量；i ：折算后转子电流合成矢量；k ：定子绕组漏电感：上。：折算后转子绕 组漏电感；：定、转子之间的互感。 大连理工大学硕士学位论文 用t 表示定子绕组全电感，表示转子绕组的全电感，即令：t = k + l ， l ，= ，+ 厶a 则式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可写成 。 缈，= 丘+ k ( 2 9 ) 石= i + l 乏 ( 2 1 0 ) 式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 即为异步电动机的磁链方程式。 ( 2 ) 电压方程 由电机学知，两相异步电动机定子和转子绕组的电压平衡方程式分别为： “m5 i s a r 。s + p c ，m ( 2 1 1 ) l “妒= 0 b + p 虬， 一 “m2 0 鲁+ 一+ a ( 2 1 2 ) i 坼= i r p 墨+ p + 一 “。：定子口轴电压瞬时值：。：定子轴电压瞬时值；t ：定子口轴电流瞬时 值；如：定子轴电流瞬时值；r ：定子电阻；：定子口轴磁链瞬时值；：定 予轴磁链瞬时值；1 a 。：转子口轴电压瞬时值；1 a 坩：转子卢轴电压瞬时值；k ：折 算后转子口轴电流瞬时值；“：折算后转子轴电流瞬时值；虬口：转子g 轴磁链瞬时 值；y 印：转予轴磁链瞬时值：8 0 m ：转子口轴速度电动势；：转子轴速度电动 势；r ，：折算后转子电阻；p ：微分算子； 其速度电动势为： i 卸妒巾 ( 2 z 3 ) l e n a2 一“ 而磁链可以用电流和电感表示，即： j 2 纱 ( 2 1 4 ) ! 口= l 0 s b + l 0r 8 一 r c t 。- - ( z - s ) 喁= “+ 厶 基于直接转矩控制的电梯门机系统设计 将式( 2 。1 3 ) 、式( 2 。1 4 ) 、式( 2 。i s ) 代入式( 2 。1 1 ) 和式( 2 。1 2 ) ，经整理可得到下列电 压电流关系矩阵方程： “船 h s 8 “r 口 “坩 ( 足+ 厶p ) o 厶p 一0 3 l m 0 ( 足+ t p ) 国l k p l p o ( 墨+ l , p ) 一c o l ， 0 厶p o j l , ( 尺，+ 4 p ) k 1 5 e j f 怕 z ，口 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 为异步电动机当转子以角速度c o 旋转时在静止坐标系口一口中的电压方程。 ( 3 ) 电磁转矩方程 t = b k ( 如0 一“k ) ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 中的见为异步电动杌的极对数。 2 3 电压型逆变器的数学模型 逆变器是交流调速系统中重要的部件。通过对逆交器的控制，调节电机转速，有电 压型和电流型两种逆变器。直接转矩控制系统中采用电压型逆变器，如图2 。3 所示。 任意时刻异步电机的三相定子电压由逆变器三个桥臂上的六个开关管状态来决定， 用s a 、s b 、s c 分别表示每个桥臂上开关管的开关状态，“1 ”表示上桥臂的开关管导 通，“0 ”表示下桥臂的开关管导通，所以三组开关共有2 3 - 8 种可能的开关组合。如表 2 。i 所示。 目皇 眈 d 图2 。3 三相电压型逆变器 f i g 2 3n 腿州脚v o l t a g e 姗i n v e r t e r 八种组合可