（电机与电器专业论文）基于dsp异步电机直接转矩控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ed t cs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n t y e a r s w i t hi t s s i m p l e s t r u c t u r ea n d s t a t i c - d y n a m i cc a p a b i l i t ys i n c e t h et h e o r yo fd t cw a s p u t f o r w a r di n t h e1 9 9 0 s b a s e do nt h ea n a l y s i so fd t c t h e o r ya n dt h es i m u l a t i o no ft h ed t c s y s t e m ，t h ed i 。g i t a ls o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sr e a l i z e dw i t hd s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i nt h i st h e s i s a n dt h et h e s i si sd i v i d e di n t o4 p a r t s i nt h ef i r s t p a r t ，t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo na d j u s t a b l es p e e da c d i r v ei si n t r o d u c e d a n dt h et h e o r yo fd t ci sa n a l y z e d b e s i d e st h et w oc l a s s i c d t c s t r a t e g y , t h eh e x a g o n f l u xt r a c ka n d a p p r o x i m a t e c i r c l ef l u xt r a c kc o n t r o l l i n g s y s t e m t h e t h e s i si n t r o d u c e ss o m ed t cs t r a t e g i e sm o d m e da n ds o m en e w c o n t r o l l i n g a r i t h m e t i c s i nt h es e c o n dp a r t ，w i t ht h es i m u l a t i o nt o o lm a t l a b s i m u l i n k ，t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n to nh e x a g o n f l u xt r a c kc o n t r o l l i n gd t c s y s t e ma n da p p r o x i m a t ec i r c l e f l u xt r a c k c o n t r o l l i n gd t cs y s t e m i sr e a l i z e d e s p e c i a l l yf o rt h el a t t e rs y s t e m ，t h e o p e r a t i o no ft h es t a r t - u p ，l o w - s p e e d ，m i d d l ea n dh j 【g hs p e e d ，f i e l d w c a k n i n gi s s i m u l a t e da n da n a l y z e d a n dt h es t a t o rs t a r t u pc u r r e n tl i m i t a t i o ni ss i m u l a t e da n d t h ee f f e c to f c h a n g i n gw i d t ho fh y s t e r e s i sl o o po n t ot h es y s t e m i sa l a oa n a l y z e d i nt h et h i r d p a r t ，t h ed t ce x p e r i m e n th a r d w a r es y s t e mb a s e do nd s p i s c o n s t r u c t e d ，w h i c h i s c o m p o s e dw i t h t w om a i n p a r t s ，t h ec o n t r o l l i n g c i r c u i t ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) a n dt h ei n v e r t e rc i r c u i t ( i g b t ) o t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r e d e m o n s t r a t e di n d e t a i l ，s u c h a st h e s p e e dd e t e c t i o n ，t h ev o l t a g e a n dc u r r e n t s a m p l i n g ，t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n d s oo n i nt h el a s tp a r t ，w i t hp r o g r a ml a n g u a g ec ，e v e r ym o d u l ei nt h ed t c s y s t e m a n dt h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ca r ec o n s t r u c t e d a tl a s t ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t w i t ht h ei n d u c t i o nm o t o rm o d u l ei sc o m p l e t e db a s e do nd sp k e yw o r d s ：d t c ；s v ；h y s t e r e s i sl o o p ；m a f l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ；d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 异步电动机由于结构简单、坚固耐用、运行可靠、维护较少、原材料消 耗小、制造成本低、恶劣环境适应能力强等优点，因而得到了广泛的应用。 然而从1 8 8 5 年世界上第一台交流电动机问世至2 0 世纪7 0 年代，凡是要求调 速范围广、速度控制精度高和动态性能好的场合，几乎全都采用直流电动机 调速系统。这其中一个重要的原因就是因为异步电动机是一个多变量、非线 性、强耦合的被控对象，磁通和转矩耦合在一起，不像直流电机那样，磁通 和转矩可以分另u 控制，所以一直没有获得高性能交流调速系统。 但是，直流电机结构中存在着换向器、电刷等器件，使其在电机容量、 转动惯量、以及维护等方面受到了限制，不能向大型化发展，更不可能在快 速性、可靠性、免维护及节能等方面提出更高的要求。随着电力电子器件及 微电子技术的不断进步以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在 从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小 范围调速传动到高精度、快响应和大范围的调速传动，从单机传动到多机协 调运转，几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明 它完全可以与直流传动相媲美、相抗衡，并逐渐占据主导地位【1 】【2 】。 1 1 交流调速技术的发展与现状 现代交流电机调速技术的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、降低 成本，另一方面又不断地要求技术指标的提高。随着微电子技术和计算机技 术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集 成电路、d s p 和f p g a 近年来令人瞩目的发展，给交流电机控制系统带来了 很多新的发展契机。目前交流电机控制己经成为- - i 7 集电机、电力电子、自 动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。 交流调速技术发展日新月异，离不开以下几个方面的因素： 1 1 , 1 交流调速技术策略的发展 和其它领域的情况相类似，交流调速系统也经历了一个漫长的发展过程， 从最初的开环v f 控制到后来的闭环转差频率控制、矢量控制和直接转矩控 制方式，可控变景越来越多，控制方法越来越复杂，控制性能也越来越高 3 1 。 v f 控制是在改变频率的同时改变变频器的输出电压，使电机磁通保持一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。由于该方法的 控制目标是使变频器输出电压与频率之比恒定，馥称v ，f 控制。该方式常用 于控制风机、泵类负载的节能运行以及生产线工作台传动等。 转差频率控制需要检测电动机的转速以构成速度闭环，速度调节器的输 出为转差频率，然后以电机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。 由于可以通过控制转差频率来控锩4 转矩和电流，与v ，f 控制相比，其加减速 特性和限制过电流能力得到了一定提高。 矢量控制是一种高性能异步电机控制方式，它基于转子坐标系下电动机 的数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，使交流电机拥有和直 流电机相类似的控制性能。和标量控制的主要区别在于它不仅控制电流的大 小，而且控制电流的相位。但该方式应用的前提是需要对电机参数进行正确 估算，如何提高参数估算的准确性一直是研究的热点问题。 直接转矩控制是由鲁尔大学d e p e n b r o k 教授在1 9 8 5 年提出的，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。它在很大程度上解决了矢量 控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数影响等问题。 随着科技的发展，控制理论和控制方法也在不断地推陈出新。基于现代 控制理论的思想，产生了滑模变结构技术、模型参考自适应技术以及在某种 指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法；基于智能控制思想 的控制策略，产生了模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、 自诊断技术等。这些控制理论的出现为交流调速系统的发展提供了更为有力 的控制手段。 1 1 2 电力电子技术的发展 功率半导体器件一直是电机控制发展最重要的一个因素，大功率半导体 器件的发展实际上也制约着电机控制水平的发展。 2 0 世纪5 0 年代末出现的晶闸管属于半控器件，其门极可以控制导通，但 不能控制关断。7 0 年代出现了全控器件如g t r ( 功率晶体管) 、g t o ( 门极 关断晶闸管) 、i g b t ( 绝缘栅双极晶闸管) 、p o w u 讧o s f e t ( 功率m o s ) 、 m c t ( m o s 控制晶闸管) 等，属于全控器件。特别是i g b t 和p o w e r m o s f e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 控制和驱动容易，使得逆变器结构紧凑，构成简单。 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 ) 是混合集成功率器件，它由高速、低耗的i g b t 芯片和优化的栅极驱动及保 护电路构成，可简化设计，提高系统可靠性。此外，还发展了将半导体开关 器件与其周围器件( 如续流二极管等) 构成的电路集成于一片芯片的逆变器 模块( i n v e r t o rm o d u l a r ) ，以及将整流电路、逆变器电路、检测电路、 保护电路等集成于一体的功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u r r ， 简称p i c ) 等【4 】。 1 1 3 微处理器和专用集成电路( a s l c ) 的发展 新型控制策略的实用化得益于微处理器技术的发展。电机数字控制核心 经过了8 位通用m c u ，1 6 位通用m c u 和面向电机控制的专用m c u ，并随 着微处理技术的成熟和完善发展到目前面向电机数字化控制的高性能、高速 数字信号处理器( d s p ) 。美国德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列和t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 等都是这方面具代表性的产品。 许多a s i c 芯片可以封装电机控制系统中的某些特定功能，如p w m 调制 器、矢量旋转器、全功能控制器以及电机控制所需的专用保护功能等。 1 1 4 计算机辅助技术的发展 随着计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度 越来越快。同时，为系统设计和仿真提供的软件越来越多，如m a t l a b ，s a b e r ， p s p i c e 等。m a t l a b 凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化 的仿真环境以及丰富的算法工具箱，成为广大科研工作者有力开发工具。控 锘4 理论方面的一些新方法、新的控制策略都可以先通过m a t l a b 进行仿真验 证和修改。 1 2 论文的研究内容 直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型交流变频调速 技术，摒弃了矢量控制中坐标变换复杂以及对电机参数依赖等缺点，控制思 想新颖，系统简洁明了，动静态性能优良，得到了越来越广泛的应用。本论 文将对直接转矩控制交流调速系统进行探讨和研究。 本论文首先在理论上分析了直接转矩控制的原理及特点，然后利用仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 软件m a t l a b s i m u l i n k 对六边形和近似圆形两种定子磁链控制方法进行仿 真，并重点对近似圆形磁链直接转矩控制系统的启动阶段、低速运行、中高 速调速以及弱磁等不同运行情况分别作了仿真和结果分析，并对两种方法进 行了比较分析。同时在仿真实验中实现了启动阶段限制定子电流幅值，分析 了通过改变滞环宽度对系统性能的影响。 在m a d a b s i m u h n k 仿真的基础上，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片，结合i g b t 逆变电路，组建了异步直接转矩控制系统的全数字化实验平台。首先，以d s p 芯片为控制核心，从软件的角度构建了异步电机模型，若对该模型实现了异 步电机直接转矩控制的仿真试验，验证了控制算法的正确性，并对仿真实验 结果进行分析。在此基础上，完成了实验系统硬件电路的的组建，最终将控 制平台与实际的硬件电路、异步电机相结合，构成异步直接转矩控制实验系 统。 本论文内容大致的顺序为：d t c 理论分析 - ) m a f l a b s i m u i i n k 仿真分析专 基于d s p 硬件设计基于d s p 仿真分析。 其中第一章和第二章分别介绍了交流调速系统的发展现状和直接转矩控 制的基本原理。第三章中利用m a t l a b l s i m u l i n k 工具对直接转矩控制的六边形 磁链控制系统、近似圆形磁链控制系统迸行了仿真实验，并重点对低速区的 仿真结果进行了分析和改进。第四章介绍了基于d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 以及全数字化直接转矩控制系统的硬件电路构成。第五章具体阐述了直接转 矩控制算法的基于d s p 的c 语言编程，包括各子模块、主程序的编程实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章直接转矩控制基本原理 直接转矩控制d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 变频调速技术是近十几年来 继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频 调速技术。直接转矩控制技术基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转 矩在给定值附近，同时另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹( 预先设定，如 六边形或近似圆形) 运动。在经典d t c 控制结构中，采用b a n g b a n g 控制器 对交流电机的电磁转矩和定子磁链幅值直接进行闭环b a n g b a n g 控制，从而 将转矩与磁链的脉动限定在预定的范围内，当实际值超过调节范围的上下限 时，b a n g - b a n g 控制器就会产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。借助 空间电压矢量的分析方法，利用该数字控制量产生p w m 信号，直接对逆变 器的开关状态进行最佳控制川。直接转矩控制主要有如下特点： ( 1 ) 结构简单； ( 2 ) 动态性能迅速； ( 3 ) 无需专门的p w m 技术； ( 4 ) 把交流电机与逆变器结合在一起，对电机的控制最为直接，且能最 大限度发挥逆变器的能力： ( 5 ) 实际被控量必须发生脉动才能产生合适的数字控制量，所以它不可 避免地存在着一种与其特有的p w m 技术密切相关的定子磁链和电磁转矩的 脉动。 2 1 异步电机的数学模型 2 1 1 异步电机的理想数学方程 为了便于分析异步电机的数学模型，抽象出所谓的理想电机模型来；必 须进行一些假定，这些假定是： ( 1 ) 气隙均匀； ( 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 1 电压方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 咒0 000 0 i i i o 疋o ooo h 00 r 00 0 f c ooo 群 oo8 oooo r o i i 0000 0 显，1 i 。 + p 帆 i c c 虬 虬 ( 2 1 ) 式中，u a 、“盯h c 、h 。、u l , 、分别为定子、转子相电压，“、坛、i c 、屯、 拓、毛分别为定子、转子相电流，纵、弛、蚍、址分别为定子、转予 绕组的全磁链，p 为微分算子。 2 磁链方程 虬 虬 m k m c 肘d m h s 肼。 m c m f c k m d m 肘 肘 。 m 。 膨c 。 k j | l f h m 。 m j m 8 m c m d b m d ( 2 2 ) 式中，厶、b 、l c 、l 、如、厶分别为定子、转子各相的自感，电感矩阵 其他元素分别为定子、转子或定转子之间的互感。 由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数， 使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了解除定、转子间 这种非线性的耦合关系，需要对其进行变量的坐标变换，建立起n 侈参考坐 标系内的异步电机数学模型。即将三相静止绕组a 、b 、c 变换为两相静止绕 组a 、之间的变换，这称为三相静止坐标系和二相静止坐标系问的变换，简 称3 2 变换。 2 1 2 异步电动机空间矢量等效电路 控制系统利用异步电机空间矢量的等效电路进行分析，如图2 一l 所示。 “咖却如如幽 hh七kk uunnunuhh 知 加 “ 卵 k 。 肼m m m m l 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 圈2 - i 异步电机空同矢量等放电路 异步电机在定子坐标系中由下列方程表示： i = e i + 警( 2 - 3 ) 0 = 墨f ，一g r + ，出y ， ( 2 - 4 ) ，= l ( 2 5 ) ，= 。一l ，i ， ( 2 6 ) = 羞瓦l l 访i s 崛， ( 2 3 ) 至( 2 7 ) 式中， z 、i s 分别为定子电压和电流空间矢量，z 、 分别为定子和转子磁链空间矢量，r ，为定子电阻，厶为定子电感，厶为转 子漏感，珏为定子磁链与转子磁链之间的磁通角。 2 1 3 异步电动机的磁链模型 在直接转矩控制中，定子磁链的准确观测对整个系统非常关键。对于定 子磁链的估计大体上可分为三种模型：u - i 模型， n 模型，h n 模型m 。 1 u - i 模型 由异步电动机的空间矢量等效电路可得定子磁链的一种简单的计算式 为： 虬( f ) = f ( m 。( f ) 一( f ) r ) 出( 2 - 8 ) 用该式确定异步电动机的定子磁链，在计算过程中唯一所需知道的电动 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 机参数是易于确定的定子电阻冠，若有足够精度检测出定子电压h “f ) 与定子 电流i x o ，实现起来会很简单。 该模型在3 0 额定转速以上时，能够较准确的确定定子磁链，而且结构 简单，鲁棒性强。在低速时定予电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观 测的准确性有较大的影响。 2 妇模型 在转速较低时可采用扣n 模型，在该模型中定子磁链由定子电流与转速来 确定。 定子磁链方程式如下所示： 警2 考每驴国 ， 誓2 孝冬彻 协 式中、蜘、即分别为定子磁链和转子磁链在口妒坐标系下的分 量。从式中可以看到，用该模型计算定子磁链不受定子电阻变化的影响，但 是受转子电阻足，、定子电感o 、转子电感，以及互感k 的影响。 该模型结构较复杂，同时跟转子参数有关，并且还要求精确地测量角速 度c o ，而角速度的测量误差对该模型的结果影响很大。 3 耻席模型 对上面两种模型分析可知，中高速时采用“一i 模型最佳，低速时采用f - n 模型较好，这样在全速范围内就会有一个模型的切换过程，由于瞬间切换相 当于变结构，对整个系统的动态性能会造成较大的影响。为避免这种情况， 可采用在全速范围内都实用的h 磁链模型。该模型由定子电压和转速来获 得定子磁链，并且使用了电流p i 调节器，精度大大提高。它结合了前两种模 型的优点，自然的解决了高低速的切换问题。但“，n 模型在实现起来比较复 杂，目前应用较少。 2 1 4 理想逆变器的数学模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 2 三相逆变器结构图 图2 - 2 为三相逆变器结构图。以a 相为例，逆交器输出电压与开关状态 的对应关系为： g a o ：j + e 7 2 ，s a2 1 ( 坠2 ( 2 - 1 1 ) 一1 一e 2 ，s 。= 0 ( 爵= 1 ) “。“ 三个开关变量，& 共有八种组合，分别是( & ，& ，& ) = ( 0 0 0 ) ， ( 0 0 1 ) ，( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 1 0 ) ，( 1 1 1 ) 。这八种组合中，组 合( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 状态下，电动机的线电压均为零，称为无效组合。其它六 种组合则成为有效组合。 2 2 空间电压矢量 2 2 1 空间电压矢量引入 如图2 - 2 中，开关变量的八种组合对应为理想电压型逆变器的8 个电压状 态，其中组合( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 为零电压状态。若用空间电压矢量 办来表示， 则形成了8 个离散的电压空间矢量。 h ，( 母= 詈b 。+ e ，2 “3 + 醴。e h 引叫 ( 2 - 1 2 ) 式中，如，h 。分别为a ，b ，c 三相定子负载绕组的相电压，它们在相位 上相差1 2 0 6 。 图2 3 给出了8 个空间电压矢量的分布，其中( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 对应坐标系 的原点。其余空间电压矢量的幅值均等于4 f - , 3 。矢量的顺序从状态“1 ”到状 态“6 ”逆时针旋转，所对应的开关状态是0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 11 0 - - 0 1 0 ，所对应 的逆变器电压状态，即电压空间矢量是翟mu s 2 - “矿u t 4 - “疗越币。零电压矢量0 ， 7 则位于六边形的中心点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 3 空间电压矢量图2 - 4 定子磁链轨迹 2 2 2 空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用 1 空间电压矢量对定予磁链的作用 忽略式( 2 8 ) 中定子电阻风的影响，定予磁链空间矢量似f ) 顶点的运动 方向和轨迹对应于相应空间电压矢量的作用方向，似o 的运动轨迹平行于扯 f ) 指向的方向。图2 - 4 给出在有效电压矢量的作用下定子磁链的轨迹，可以看 到每两个有效空间电压矢量在空间的位置相隔6 0 。，6 个有效空间电压矢量的 顶点构成正六边形的6 个顶点。 从前面的描述可知，在适当的时刻依次给出定子空间电压矢量，则可使 得定子磁链的运动轨迹形成正六边形磁链。直接利用逆变器的六种工作开关 状态，简单的得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这种方法是直接转矩控 制的基本思想。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。 ( 1 ) 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，定子磁链钣沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作 用时，定子磁链帆停止不动。由于零矢量的插 入，z 走走停停，所以旋转速度变慢了。如果 在插入零矢最后仍保持每个有效空间电压矢量 的作用总时间不变，则定予磁链矢量的幅值将 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。1 圉2 - 5 定子磁通与电压矢量关系简圈 空间电压矢量对磁链幅值作用如图2 5 所示，其中u ，( k - i ) 为施加的电压矢 西南交通丈掌硕士研究生学位论文第1 l 页 量，瓦为电压矢量作用的时间，妫电压矢量与磁通矢量的夹角。 由图2 5 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0 大于9 0 0 时，电压矢量作用的结果 使磁通幅值减小；当8 等于9 0 。或施加的是零矢量时，磁通幅值基本保持不变。 ( 2 ) 改变有效空间电压矢量的交替作用时间，即改变的旋转速度。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 空间电压矢量对电磁转矩的作用 异步电动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o o 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，面转予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 过改变磁通角如的大小来实现。 在直接转矩控制中，就是通过空间电压矢量h 妁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 1 1 1 ： ( 1 ) 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，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。 ( 2 ) 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，磁 通角减小，从而使转矩减小。 ( 3 ) 若要迅速减小电磁转矩，- 贝0 施 加反向有效空间电压矢量，定子磁链就 会向反方向旋转，磁通角迅速减小，从 而使转矩迅速减小。圉2 - 6 电压矢量与电磁转矩关系筒图 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 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 直接转矩控制系统基本结构 2 3 1 传统的直接转矩控制( d t c ) 方案 直接转矩控制技术于上世纪8 0 年代提出，当时的控制系统有两种典型的 控制结构，德国学者提出的自控制方案，即六边形磁链控制，和日本学者提 出的直接转矩与磁链控制方案，即近似圆形磁链控制两种磁链控制方式。 1 德国d e p e n b r o c k 教授提出的自控制( d s c ) 方案( 六边形磁链) 8 0 年代，由德国d e p e n b r o c k 教授提出的自控制方案也就是六边形磁链直 接转矩控制方案，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，并分鼹得到a 、夕 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，转矩滞环调节输出决定插入零矢量与否，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【7 】。 圈2 7 六边形磁链控制d t c 原理框图 ( 1 ) 磁链滞环调节 六边形磁链轨迹控制系统在1 6 周期中仅采用一种开关工作状态，逆变器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的开关次数少、开关频率小。它的控制电路逻辑比较简单，不需实时计算磁 链矢量的幅值和相角，只需在六边形磁链轨迹上建立坐标系，把磁链模型的 输出即定子静止坐标系下的磁链、脚投影在三相坐标系丘、向、屈轴上， 得到定子磁链伽、坳和伽分量。变换公式为： 1 i 2 j 1q - 1 22 1 压 2 2 利用三个环宽为2 i 讥i 的滞环比较器， = 舞一i ( 2 1 3 ) 1 i 为磁链给定幅值。滞环比较器 ( 2 1 4 ) ( 2 ) 转矩滞环调节 对电机的电磁转矩进行直接控制是直接转矩控制系统获得高动态性能的 关键。用转矩两点式调节器可以直接实现对转矩的调节。调节器的输入信号 是转矩给定值r 和转矩反馈值瓦的信号差r ，输出量是转矩开关信号f ，调 节器的容差是印，采用离散的两点式调节方式，把转矩波动限制在给定值的 容差范围内。当转矩波动在容差范围内时，t - - 1 ，输出适当的有效空间电压矢 量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。当实际测得的电机输出转矩和给定转 矩之差大于允许偏差时，t = o ，则输出零电压矢量，定子磁链停止，转矩下降。 在直接转矩控制系统的转矩调节中，转矩给定值z 一通常是由给定转速与 速度传感器所测的电动机转速之差进行p i 调节所得，转矩反馈值瓦可根据下 式求得： 1 t = p 。( 。一虬应。) ( 2 一1 5 ) 二 式中，肌为极对数。 转矩调节器的容差e r 决定着逆变器开关频率的大小。当理想空载转速 吐) 0 一定时，转矩容差越小，开关频率越高。转矩的上升速度主要取决于定子 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 磁链与转子磁链之间的角速度差。转矩调节能让电机的输出转矩快速跟随给 定值而变化，从而使调速系统获得很高的动态性能。 利用六个非零电压空间矢量控制磁链形成六边形磁链轨迹，这种方法控 制简单，功率器件开关次数少，开关损耗小，但是六边形磁链方法会产生较 大的电流脉动，因而转矩脉动也较大，故这种方法只能在某些大功率领域( 如 开关频率、开关损耗均有限制) 的场合使用。 2 日本t a k a h a s h i 提出的d t c 方案( 近似圆形磁链) 近似圆形磁链控制系统在每1 6 周期中要交替多种开关工作状态，即多个 工作电压矢量，系统需要实时计算定子磁链矢量的幅值和相角，计算工作 量大，但磁链脉动量较小。根据测得的定子实际磁链与给定值的差值进行滞 环比较，当误差超出允许值时进行开关的切换，即实际定子磁链矢量的端 点轨迹不能超出以给定磁链i i 为中心圆的圆形偏差带( 偏差为) 【1 。】， 图2 8 近似西形氆链控铝d t c 原理框图 为便于选取电压矢量，将空间分成六个区 域曲，每个区域所包含的范围为啦1 1 ( 2 n 一3 ) s ( 2 n 一1 ) ，其中7 - - 1 ， nb 2 6 。如图2 - 9 所示。根据定子磁链处于不 同的扇区，可选定合适的空间电压矢量。 与六边形磁链控制系统类似，同样需要 圈2 - 9 定子磁链扇区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 计算定子磁链，但在近似圆形磁链控制系统中只需进行一次3 2 变换得到定子 磁链在静止坐标系下的分量，脚对定子磁链所在的区间进行判断。转矩 滞环和磁链滞环将决定正确的空间电压矢量，使定子磁链按照近似圆形的磁 链轨迹旋转。 2 3 2 改进的d t c 控制方案 前面提及传统直接转矩控制技术虽然结构简单，动态性好，但它存在着 与其特殊的p w m 技术密切相关的定子磁链与电磁转矩脉动，并且在低速时， 转矩的脉动相当大，甚至有时电机的转速也有较大的波动，降低了传动系统 低速运行时的稳定性。 传统的直接转矩控制系统中选取的有效空间电压矢量为6 个等幅空间互 差6 0 度相位角的电压矢量，如图2 一1 0 ( a ) 所示。为改善系统的性能，就要 在电机定子上施加方向、辐值可变的电压矢量。电压矢量的调节方式大体分 为以下三类： ( 1 ) 对电压矢量幅值大小进行调节，方向仍然为其固有的六个方向。如 图2 1 0 ( b ) 所示。 ( 2 ) 增加些较多方向且幅值也可有较多选择的电压矢量。如图2 - 1 0 ( c ) 。 ( 3 ) 电压矢量可以取任意方向和任意幅值。如图2 1 0 ( d ) 所示。 。心少 。1卜 心。 彳卜。 ( a ) 传统方案( h ) 方案一( c ) 方案二 ( d ) 方案三 图2 1 0 不同方案下所选电压矢量 上述方案从( 1 ) 到( 3 ) ，系统的性能可以有更好的改善，但系统的控制 结构与控制算法的复杂性也增加一些，且一般情况下，开关频率也会随之增 加州。 1 方案一：典型方法一引入占空比 引入占空比，即调节某一个电压矢量在整个控制周期内作用的时间份额。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在考虑占空比时，又有两种方案可供选择，一种是瞬态占空比，每个控制周 期内的占空比均需通过实时计算得到，例如计算出以减小转矩为目的而需麓 加的电压矢量的一个分量，进而就可以算出占空比。另一种是稳态占空比， 着重考虑电机的速度，同时为了改善动态性能，又必须考虑到定予磁链幅值 与其他给定值之间的差值以及转矩实际值与给定值之间的差值等，典型的方 法有分离式电压矢量直接转矩控制d i s c r e t es p a c ev e c t o rm o d u l ed t c 。 图2 i id s v m d t c 原理框图 d s v m - d t c 的结构框图如图2 1 1 。该系统中为了获取幅值更多的电压矢 量，可以将采样周期瓦分成n 等份，在瓦小内采用一个电压矢量。显然n 越大，电压矢量越多，电流或转矩的脉动就越小，但是矢量选择表和控制方 法就更复杂。最佳的折中方案是取n = 3 。如图2 1 2 所示。 q 【+ 扯+ 2 譬1 )o c + l 上+ l j 时2 ) 驻+ 2 j = + 2 z ) 专o o ， 鹱 、 、 、， 、 ，) 厶 、 一 ”，二，二，7 搽誓( k 淤 - 2 固兰习 一一 y 图2 - 1 2d s v m 空间电压矢量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 该系统对转矩和磁链分别采用了为5 - l e v e l 和2 1 e v e l 滞环比较器。这两个 比较器的输出信号、转速、定子磁链所在区间共同决定电压矢量的选择。 假若k = 2 ，即定子磁链位于扇区2 ，选择的矢量( k - 2 ，k - i ，z ) ，即( 6 ， l ，z ) 表示在逆变器一个周期内，先后施加矢量“面，1 ，m 曲，且分别作用 l ，3 个周期【1 4 1 。 2 方案二：利用s v p w m 技术将两电平与三电平及多电平逆变器结合 如将两电平逆变器原有的电压矢量仅仅作用半个控制周期，就相当于在 整个控制周期内作用的是具有原先幅值一半的同向的电压矢量，如图2 1 0 ( b ) 所示。图2 - 1 0 ( a ) 为两点式逆变器输出的六个非零电压矢量，图2 1 0 ( b ) 中的六个小矢量就是采用上述方法派生出来的。同样也可以派生出别的幅值。 类似的，采用s v p w m 技术可以产生一些具有别的方向上的电压矢量，如图 2 1 0 ( c ) 所示。本方案的目的是在采用传统d t c ( b a n g b a n g 调节器以及电 压矢量开关表) 基础上，如何能发掘两电平逆变器和较少电平的逆变器韵能 力而提出的。通过上述的合成新型电压矢量的技术，可以派生出如图2 1 0 ( d ) 所示的类似三电平逆变器的电压矢量图，这样就相当于大大扩充了电压矢量 表中供选择的电压矢量数目。在低速时，小幅值电压矢量在满足控制需求的 前提下，可以大幅度减小转矩的脉动。 3 方案三：使用任意方向、任意幅值的电压矢量 在逆变器输出能力范围内，使用任意方向、任意幅值的电压矢量，该方 案需要新型的s v p w m d t c 控制系统。这种系统也称为间接定子量控制系统， 仍然是基于定子两相静止坐标系。与传统d t c 不同的是，它对定子磁链和电 磁转矩都分别采用经典的p i 调节器进行闭环控制，并由其输出共同合成电压 矢量的指令值。这里又有基于定子静止坐标系和基于同步旋转坐标系等不同 的方案。虽然这些方案的控制结构会复杂一些，当由于运用了较成熟的 s v p m w 技术，可以使逆变器输出幅值和方向均可调的电压矢量，所以传动 系统的稳态性能会更好一些，基本上可以取得与矢量控制系统相当的性能。 目前，在d t c 领域内，许多专家学者提出了许多方法，可以实现任意方 向任意幅值的电压矢量1 8 】。主要的有： ( 1 ) 无差拍( d e a d b e a t ) 空间矢量调制方法。把无差拍方法应用于直接 转矩控制首先是美国人t g h a b e t l e r 提出来的，这种方法在理论上可以完全使 转矩误差和磁链误差为零，从而消除转矩脉动，弥补传统d t c 的b a n g - b a n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 控制的不足，使电机运行于极低转速下。但是由于这种方法计算量很大而不 易实现，因此出现了一系列简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转矩 跟踪预测控制方法。更有学者提出了基于几何图形的无差拍控制思路。 ( 2 ) 由p i 调节器输出空间电压矢量的方法。a b p l u n k e r 的直接转矩和 磁链调节方法就是一种p i 调节方法，可以获得任意相位的空间电压矢量。 2 3 4d t c 交流传动系统设计的考虑 1 调速方案的确定 异步电机运行过程中，按照转速升高的顺序，主要有启动、低速、中高 速、高速弱磁等阶段。在直接转矩控制系统中，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。 异步电机启动时有三种启动方法：串行启动法，指先增大磁链，使其 幅值在最短时闻内达到参考值，然后在保证磁链幅僵不变的情况下，使转矩 快速达到参考值；并行启动法，指在每个开关间隔内同时增加磁链和转矩， 使它们几乎同时达到参考值；混合启动法，从启动时刻到实际磁链幅值达 到参考值的一半这段时间内，采用与串行法相同的控制策略，然后再采用并 行法，同时调节转矩和磁链【l 聊。 ( _ ) 串行启动( b ) 并行启动( c ) 混合启动 圈2 - 1 3 异步电视启动方式 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，一般采用近似圆形磁链 轨迹调节方案，在区段内采用多种电压矢量进行控制。 在中高速范围，一般情况下，由两点式转矩调节器和磁链调节器就可实 现高性能的转矩控制，采用六边形磁链轨迹控制方法一般即能达到要求。 在弱磁范围内，需采用功率调节，控制磁链给定值的大小，调节动态转 矩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 系统设计应注意的阿题 由于d t c 交流传动系统应用尚未成熟，因而在系统设计中会遇到许多棘 手的问题，下面略作讨论。 较小的控制周期玎可以实现对转矩的更精确的控制，但它不可能无限 制的减小。数字控制系统中数字控制器的控制周期可以减小到多少，这主要 是由其运算速度以及所需完成的任务量来决定的。另外，它也会对逆变器的 开关频率有影响。 至于逆变器的开关频率可以达到多少，一方面要考虑电力半导体开关 期间的性能，另一方面还要考虑到开关损耗、系统的散热条件等因素。 另外传动系统中电机中电流的谐波会影响逆变器性能及使用寿命，所 以设计中也要考虑。 所以在设计一个d t c 系统时，霰要综合考崽到上面三个较为一般的要求， 同时j 丕需兼顾下面几个因素， d t c 技术采用不同的电压矢量开关表、不同阶数以及具有不同滞环容差 的b a n g b a n g 调节器等各种条件下，系统的性能都不尽相同，而定子磁链的 容差则与电流的谐波分量密切相关。不同的开关表对系统的静动态性能以及 逆变器的开关频率都有影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章直接转矩控制系统m a t l a h s i m u l i n k 仿真 计算机仿真技术为现代交流电机及其调速系统的分析、设计及调试等提 供了有效手段。m a t l a b 语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集 科学计算，自动控制，信号处理，神经网络和图像处理等于一体，具有很高 的编程效率。同时它也是一个高级的数学分析与运算软件，可用作动态系统 的建模与仿真。 s i m u h n k 是m a t l a b 程序的扩展，它与m a t l a b 的主要不同在于它是 基于w i n d o w s 环境下的图形程序。它提供了良好的图形用户界面，直接从模 块库中调用各种模块，经过简单的操作就可以完成系统的建模。s i m u e n k 仿 真具有良好的用户界面和模型结构模块种类多样，功能强大，操作简便灵 活且易于对模块参数进行在线修改。各种接收模块便于灵活高效的对各状 态量进行观测和分析，m a t l a b 中的p o w e rs y s 址越b l o c k e r 为电气系统仿真 省去了复