（电机与电器专业论文）基于dsp的同步直线电机控制系统研究.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 d e s i g na n dc o n t r o lo ft h el i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r i so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dm a g l e vv e h i c l e i nt h i sp a p e r ， b a s i cp r i n c i p l e ，c o n t r o lm e t h o d ，s i m u l a t i o nm o d e la n dr e a l i z a t i o n o ft h en u m e r i cc o n t r o ls y s t e mo ft h e1 i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rb a s e d o nh i g hs p e e dd s pisf o c u s e do n f i r s t l y ，b a s i ct h e o r y a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e1 i n e a r s y n c h r o n o u s m o t o ri s a n a l y z e d a n dam a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，s i m u l a t i o nm o d e l f o r t h em o t o ra n dt h e c o n t r o ls y s t e mi sb u i i tb ym a t l a b s i m u l i n kw i t hw h i c ht r a n s i e n ta n d s t a b l es i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u t f i n a l l y t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e ms h o w sag o o d s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t y i nt h ep a p e r ，t t a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mi n v o l v i n gd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) i sp r e s e n t e d i nd e t a i1 s o f t w a r eo ft h ew h o l es y s t e mi s c o m p i l e db ya s s e m b l y l a n g u a g ea n ds i m u l a t i o ni sd o n ew h i c hi n d i c a t e sac o r r e c td e s i g n a n dar e t i a b l ef u n c t i o n t e s ti sd o n eo na na r c e d1 i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o rt e s t b e n c ha n dr e s u l ts h o w saf a s td y n a m i c r e s p o n s ea c h i e v e d b yd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mi sa l s o v e t j f j e d k e y w o r d ：1i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o ld s p s i f u l i n ks i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 交通运输是国民经济的重要基础，随着社会和经济的不断发展，对交 通运输不断提出新的要求。而科学技术的迅速发展也为发展新的交通工具 提供了条件，奠定了基础。磁悬浮列车作为一种新型的陆上交通工具，它 依靠电磁力将列车悬浮于轨道上，用直线电机推动前进。它没有车轮及相 应的传动机构，与地面没有机械接触，可以高速、平稳的运行。发展高速 磁悬浮列车的关键技术之一是列车牵引用同步直线电机的研究，同步直线 电机可以直接把电能转换为直线运动的机械能而无需其它的变换装置。满 足了列车无接触驱动的要求，同时也由于同步电机本身所具有的高效性， 使得对同步直线电机的设计和驱动控制成为各国当前研究的重点。 1 1 磁悬浮列车用几种直线电动机的比较 现阶段用于磁悬浮列车的直线电动机主要有三种：直线感应电动机、 同步直线电动机和直线磁阻电动机。下面分别加以介绍。 1 1 1 直线感应电动机 直线感应电动机的基本原理，与旋转感应电动机相类似，由一个定子 ( 即初级) 和一个动子( 即次级) 组成。各方面的考察表明，如果以直线 感应电动机作为牵引用，最好是把初级装在车上，而让轨道本身作为次级。 直线感应电动机还有以下的一些特点： l 、具有较大的起动力矩而不需要辅助的起动设备，并可实现大范围 的加速和减速： 2 、具有较大的气隙( 一般比普通的感应电动机的气隙约大1 0 倍) ， 推力随着气隙的增大而减小，功率因数和效率都比较低，一般的功率因数 在o 5 - 0 6 左右，效率也只有5 0 一6 0 ； 3 、直线感应电动机具有端部效应，特别在高速区域其端部效应特别 明显，并起到减少推力的作用； 4 、应用直线感应电动机的磁悬浮列车需要辅助的悬浮系统； 5 、由于存在向车体的引流问题，所以不适宜应用在高速磁悬浮系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 中。 1 1 2 同步直线电动机 近年来，同步直线电动机逐渐引起了各国科学家的重视，这主要是因 为异步电动机的工作方式的效率低下以及同步方式运行的优点所决定的。 同步直线电动机在原理上，与相应的旋转同步电动机完全一样。它可分为 铁芯式和空芯式两大类。铁芯式同步直线电动机可以有多种结构型式。直 流磁场的激磁方式可以是常导式的，也可以是由超导体激磁绕组来激磁。 最普通的同步直线电动机是凸极同步直线电动机。结构原理如图卜1 所示，其激磁绕组由车上电源供电，地面上铺设由地面电源供电的三相绕 定子绕组定子铁心 励磁绕组 图i - i 凸极同步直线电机结构图 固定 部分 移动 部分 组。同步直线电动机的这种结构与直线感应电动机相比最大的优点是使用 直流电励磁，提高了功率因数，但是长定子导致了轨道成本的增加。为了 减少供电费用，三相绕组通常采用分段供电的方式。 还有一种是不带铁芯的空芯式同步直线电机，采用超导磁体作励磁。 它使相应的交流线圈系统具有较低的价格。它可以运行在较大的气隙情况 下，因而适合于高速磁悬浮运输系统。 一般说来，同步直线电动机具有这样的一些特点：1 、采用直流励磁 绕组，具有较高的功率因数，使得激磁损耗大大减少；2 、同步直线电动 机的推力和悬浮力可由同一系统提供，而且对电动机气隙的要求不像直线 感应电动机那样的严格，可运行在较大的气隙状态下，因而对轨道的要求 不是很高；3 、对于常规的同步直线电动机，三相交流绕组铺设在地面上 使得轨道价格较高，但是降低了运行车辆的重量 4 、需要一个完整的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 制系统使得同步直线电动机在所有的速度下都能够保持同步运行：5 、同 步直线电动机系统的效率相比直线感应电动机系统要高，一般可以达到 9 0 以上。 1 1 3 直线磁阻电动机 直线磁阻电动机与旋转磁阻电动机是相对应的，它也是一种同步电动 机，但是它的次级上没有激磁绕组。直线磁阻电动机的推力与旋转凸极同 步电动机由于凸极效应而产生转矩的原理是相类似的。如果在次级感应的 涡流不能产生足够的起动推力，直线磁阻电动机是不能自启动的。直线磁 阻电动机之所以引起人们的兴趣，主要因为它可以通过合适的控制策略来 得到满意的电机性能。这种推力系统能够产生推动力，也能产生吸引力， 这两个力是垂直的，所以可以将推力系统和悬浮系统合成为一体，效率比 直线感应电机要高，但是比同步直线电机要低一些。 用于磁悬浮列车的三种直线电动机分别有其各自的特点，它们进一步 的发展将取决于它们各自系统的综合指标的开发情况。就目前而言，直线 感应电动机和同步直线电动机推进系统是正在进入实用阶段的磁悬浮列 车所普遍采用的推进系统，而直线磁阻电动机推进系统由于其自身的优 点，也逐渐的受到各国专家的重视。 1 2 直接转矩控制系统简介 同步电动机的最大特点是：转速与供电频率之间保持严格的同步关 系，因此改变同步电机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调 速。同步电机常用的控制策略有：小容量同步电机的恒压频比控制、基于 磁场定向的矢量控制、直接转矩控制。以上三种控制方法各有各自的特点， 且在不同的应用场合取得了较好的控制效果。然而，恒压频比控制的动态 性能不高；矢量控制由于转子磁链难于准确观测，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坐标变换的 复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。 直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计 算和控制电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节 ( b a n g b a n g 控制) ，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。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 没有通常的p w m 信号发生器。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，转矩响应迅速，对转子参数不敏感。 高速磁悬浮列车作为一种交通运输工具，重载、轻载时的工况差异极 大，对加减速要求高，同时必须确保安全性和可靠性。然而作为列车驱动 系统的同步直线电机本身就是一个多变量强耦合的复杂系统，用一般的调 速方法不能实现高精度和优良动态特性的控制，目前国外高速磁悬浮列车 的驱动电机均采用矢量控制方案。直接转矩控制在很大程度上解决了矢量 控制中的计算控制复杂、特性易受电动机转子参数变化的影响、实际性能 难于达到理论分析结果等一些重大问题n ，。 近年来，智能控制研究非常活跃，并在很多领域获得了应用。典型的 如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制等。由于智能控制，如 模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对 调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等等优点，因而很多学者将智能控 制方法引入电机控制系统的研究，并在交直流调速系统和伺服系统中取得 了比较满意的效果。近年来已有一些文献探讨将神经网络控制或专家系统 引入电机的直接转矩控制系统，相信不久的将来将会获得实用性的结果。 1 3 本论文的主要工作 本论文详细的介绍了同步直线电动机的基本原理，给出了同步直线电 动机的数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了同步直线电动机及其控 制系统的仿真模型，进行了同步直线电动机的暂态和稳态过程的仿真，验 证了控制系统的可行性和可靠性。 本论文对直线同步电机直接转矩控制( d t c ) 系统原理以及空间矢量 s v p w m 技术进行了深入的研究。 本论文针对磁悬浮列车用同步直线电动机试验台设计了基于t i 公司 高速d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的通用同步直线电动机调速控制系统硬件平 台，并进行了软硬件的调试，调试结果表明该试验平台性能良好，各项功 能工作正常，能够满足预期的工作要求。 本论文采用d s p 汇编语言编程完成了同步直线电动机直接转矩控制 系统的软件设计工作，论文中详细给出了控制系统的流程图，通过软件仿 真和实际系统测试，整个控制系统运行正常、可靠。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章同步直线电机基本原理及数学模型 2 1 概述 在日常生活中，许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电动机通过中 间转换装置转换为直线运动的。由于这些装置有中间转换传动机构，所以 整机存在体积大、效率低、精度低等问题。直线电机是一种将电能直接转 换为直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置。它所具有 的突出优势，已越来越引起人们的重视。不久的将来，它将像微电子技术 和计算机技术一样，在人类的各个领域中得到广泛的应用。直线电机可广 泛的应用于工业、民用、军事以及其它各种直线运动的场合，采用直线电 机驱动的装置和其它非直线电机驱动的装置相比，有以下的优点： 1 、采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生 推力，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置，保证了运行的可靠性， 提高了传递效率，降低了制造成本。 2 、普通的旋转电机由于受到离心力的作用，圆周速度将受到限制； 而直线电机在运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离 心力的作用，其直线速度可以不受限制。 3 、直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，其运动可以无机 械接触，使传动零部件无磨损，大大减少了机械损耗。 4 、旋转电机通过转换机构转换成直线运动，这些转换机构在运行过 程中不可避免的会产生噪音；而直线电机是依靠电磁推力驱动装置运行 的，因此整个系统的噪声很小或无噪声，运行环境好。 5 、直线电机结构简单，它的初级铁芯在嵌线后用环氧树脂等密封成 一个整体，可以在一些特殊场合应用。 任何事物都是一分为二的，直线电机也有一些不足之处，主要表现在 一下两个方面： l 、与同容量的旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低，尤 其在低速时更为明显。但从整个系统来看，由于采用直线电机后可以省去 中间传动装置，因此系统的效率有时候还是比采用旋转电机要高。 2 、直线电机尤其是直线感应电机的起动推力受电源电压的影响很大， 需要采取措施保证电源的稳定或改变电机的特性来减少这种影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 到目前为止，直线电机已广泛地应用于工业、民用、军事以及其它各 种直线运动的场合，特别是近几十年来，同步直线电动机引起了各国科学 家的重视，并在高速磁悬浮列车中得到了广泛使用，这主要是因为异步电 机的工作效率低下以及同步方式运行的优点所决定的。3 。 2 2 同步直线电机的运行原理 同步直线电机在原理上与相应的旋转同步电机完全一样，它具有多相 电枢绕组和直流励磁的磁场。直流磁场的励磁方式可以是常规的，也可以 是由超导励磁绕组来励磁，还可以采用永磁体。我们假设把旋转同步电机 沿径向剖开并拉直，就成为同步直线电机。定子侧我们称之为初级，转子 侧称之为次级。 设同步直线电机的极距为t ，其直线同步速度为： k - 2 f r ( 2 1 ) 其中，是输入频率。 考虑到同步直线电机的直流激磁磁场很强，气隙很大，我们忽略由于 交流电枢电流引起的电枢反应( 气隙磁场的畸变) ，其基本能量转换关系 ( 按一相计算) 为： p = u o l c o s q p f v , + ，j r ( 2 2 ) 式中p 功率( w ) ； u 。电枢绕组电压( v ) ； ，相电流( a ) ； 妒功率因数角； ，电机推力( n ) ； 矿直线电机同步速度( m s ) ； r 相电阻( q ) 。 为确定同步直线电机的特性，重要的是确定电枢绕组电压u 0 ，而砜 又是由分析磁场得到的。在磁链已知的条件下，一个运动磁体线圈的磁场 在轨道线圈中感应的电势如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 v o ；彤华 ( 2 3 ) 其中，位置x 与同步速度k 的关系可表示为x = 略。 式( 2 3 ) 示出一个移动磁体线圈的磁场在轨道线圈中感应的电压。 当考虑三个磁场线圈的作用时，在一个轨道线圈中总的感应电压为： 吣彤耋警 ( 2 - 。， 个磁体线圈在一个轨道线圈中的总感应电压为： 玑一n u 0 。 ( 2 5 ) 在忽略谐波的理想情况下，稳态时通电轨道的电压平衡方程式为： 五。r i + j w l i 一厅“e 一归 ( 2 6 ) 式中u 外加电压( v ) ； r 轨道中电枢绕组的电阻( q ) ： 轨道中电枢绕组电感( h ) ： i 轨道中绕组的电流( a ) ： u 0 感应电压的基波分量有效值( v ) ； 一“与也之间的夹角； o j 彤肛，f 是磁场线圈的极距。 由同步直线电机一相电压与电流的向量图可得： 图2 - 1 同步直线电机一相电压与电流的向量图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 t5 毒船也c o s 月+ 础u e s i n 0 一 。：扪 h 越( “一v t i s 一月【，is i n 口】) 其中z ：- r 2 + ( 础) 2 。 ( 2 8 ) 视在功率s 为： s t 尸一j o 一m i( 2 - 9 ) 式中p 方畔( “一u a c o s o ) + c o l “吼s i n 口 ( 2 _ 1 0 ) q 4 寿 w l u u - u e ic o s o ) 一r u u a s 姗 ( 2 - 1 1 ) 与普通的旋转同步电动机一样，同步直线电动机的功率因数也是可调 的a 每相产生的机械功率可以简单的写为： 只一p i i l 2r ；u 。i i i o o s ( o 一甲) ( 2 1 2 ) 得到力的表达式为： p ，一吾(2-13) ，5 除了向前的攉力以外，同步直线电动机中还存在垂直力和侧向力。垂 直力可以是吸引力或者排斥力，侧向力是由于风或者其它的原因引起的机 械不对称所产生的。在同步直线电动机中，复原式侧向力总是伴随着吸引 式垂直力出现的，离心式侧向力总是伴随着排斥式垂直力出现的。 2 3 同步直线电机的数学模型 在同步直线电动机中，定子三相绕组和励磁绕组之间，定子三相绕组 之间都存在着电磁耦合，再加上磁路饱和以及温升对电动机参数产生影响 等等非线性因素，要建立同步直线电动机的精确模型是非常困难的，必须 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 要进行合理的简化。“。我们假设： 1 定子三相绕组对称，各相绕组的匝数和电阻相同，各相绕组的轴 线互差1 2 0 。，而且参数值完全相同； 2 电动机铁芯的导磁系数为无穷大，忽略磁路饱和、磁滞和涡流的 影响，假设磁路是线性的； 3 初级与次级的表面光滑，忽略齿槽效应； 4 忽略励磁磁势的变化，假设气隙是恒定的； 5 忽略阻尼绕组的影响。 我们将同步坐标系选在次级上，这样描述和分析同步直线电动机的稳 态以及暂态特性十分方便。取次级励磁磁势方向为d 轴，q 轴沿励磁磁势 图2 - 2 同步直线电机各个坐标轴系关系图 方向超前d 轴9 0 。电角度，次级参考坐标的运动速度就是同步直线电机的 同步速度，次级参考坐标的空间位置由d 轴与a 相绕组轴线的电角度口来 确定。各坐标系之间的关系如图2 2 所示 2 3 1 同步直线电机的电压方程 由图2 2 推出沪g 坐标轴系下同步直线电动机初级和次级绕组的电压 方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 式中： 玑2 p 掣d 一1 王r 口4 q + + u q = p q j 口+ v d + q + + u | ；水| + t 文 u 电压； 卜一电流： 掣磁链； d 、q 下标，分别表示初级的d 、q 轴分量 ，下标，表示次级励磁绕组； p 微分算子； ，初级绕组的电阻： q 电机次级的角速度。 2 3 2 同步直线电机的磁链方程 磁链方程： 式中： i ，励磁电流； 岛、乞初级直轴和交轴电感： 脚。初次级之间直轴互感。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 4 ) 中并整理得： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 蔫1善r二若wllur s , o ) r l a 牛7 伢驴- 可一一等qf 。“ ，v ，_ 肌 山驸蛳 v v 平 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 2 3 3 输出功率及电磁推力 直线同步电机瞬时输出功率为 p = + ( 2 1 7 ) 将式( 2 - 1 4 ) 代入上式，整理得： p 一( 苦+ 譬) + ( p 。+ p v 。) + t o ( t y d i q 一。) ( 2 1 8 ) 观察上式中各项，第一项是初级绕组的铜损耗，第二项是初级磁场能 量的减少率；第三项是跨过气隙传递到次极的电磁功率。 己o j r ( t l j 。一、) ( 2 1 9 ) 其中矿是电机次级运动速度。 吐。y 旦 7 只f 式中只是电机极对数。 将上式代入( 2 1 9 ) 式，得 c 。( 掣一。一v e ) 毒 代入掣。，平。整理得： ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) c 毒【( 厶一) + 谚盯f ，】 2 3 ) 可以看出，前一项是由于凸极效应，造成同步直线电动机磁阻的变化 产生的推力。后一项是同步直线电动机励磁绕组的次级磁动势和初级电枢 加争 蚋生矿 推 _ 磁 c 电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 反应磁动势相互作用产生的电磁力。 2 3 4 同步直线电机的运动方程 小坚：e 一局o ，) d t 。 ( 2 - 2 4 ) 式中，m 电机运动部分质量； y 电机次级运动速度； 易) 负载阻力。这是一个与电机运动速度相关的量； 在高速运动时，风阻是主要的组成部分。 d 6 i 。q q 式中，6 电机功角； 啦电机同步角速度。 e h 上面几式可以建立直线同步电机的数学模型 小丢玑一云+ i t o r l 2 即专一等卜苦一等哆 p 6 ；t o , 一乱 毒学 ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章直接转矩控制系统的原理及构成 3 。1 概述 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年由a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提 出，1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次取得 了实际应用的成功，1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。直接转矩控制技 术一诞生，就以它新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动 态特性受到了普遍的关注并且得到了迅速的发展“”3 。 直接转矩控制系统的主要特点有： 1 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模 型，控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比 较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简 化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。 2 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道了定子 电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴， 观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。直接转矩控制技术大大减 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动机的数学 模型和控制各物理量，使问题变的简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 综上所述，直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐 标系下计算和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( b a n g b a n g 控制) 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。 从控制转矩角度看，只关心电流和磁链的乘积，并不介意磁链本身的 大小和变化。但是，磁链大小与电机的运行性能有密切关系，与电机的电 压、电流、效率、温升、转速、功率因数有关。所以从电机合理运行角度 出发，仍希望电机在运行中保持磁链幅值恒定不变。因此还需要对磁链进 行必要的控制。与控制转矩一样，设置磁链调节器构成磁链闭环控制系统， 以实现磁链幅值为恒定的目的。目前控制磁链有两种方案，种是日本学 者高桥勋教授提出的方案，让磁链矢量基本上沿圆形轨迹运行；另一种是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 德国学者德彭布罗克教授( d e p e n b r o c k ) 提出的方案，让磁链矢量沿六边 形轨迹运动。 从上面的叙述我们初步了解了直接转矩控制系统的基本控制思想，图 3 - 1 概括了对直接转矩控制系统控制思路的描述。 二极管i g b t 图3 - 1 直接转矩控制系统基本思路框图 3 2 直接转矩控制系统的基本原理 对于同步直线电机的直接转矩控制最核心的思想就是根据电机的电 磁转矩和负载角d 的正比关系，在保持定子磁链幅值恒定基础上，通过控 制定子磁链的旋转方向来控制负载角d 的大小，从而控制电机的电磁转 矩。只要满足一定的运行条件，就可以通过施加相应的定子电压矢量来控 制定子磁链的旋转方向从而调节负载角d 的大小，最终得到所需要的电机 电磁转矩。 直接转矩控制系统是在定予两相坐标系下进行运算的，原理中所用的 基本电压矢量是由式( 3 - 1 ) 定义： 一 24 矿= 要( 屹+ k e 儿r + k p ( 二砷) ( 3 一1 ) 其中k 、k 、k 分别是口、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图3 - 2 是电压型逆变器的简单示意图，如果口、b 、c 三相开关用疋、 咒、表示，规定a 、b 、c 三相负载的某一相与“+ ”极接通时，该相 的开关状态为1 态；反之，与“一”极接通时为“o ”态。那么共有6 个非零矢量k ( 1 0 0 ) ，v = ( 1 1 0 ) ，嵋( 0 1 0 ) ，v 4 ( 0 1 1 ) ，v 5 ( 0 0 1 ) ，k ( 1 0 1 ) 币q 式j rjs rz 最卜足。 广or j ；广 一 ， a z 、於ji 、z 图3 - 2 三相电压型逆变器 两个零矢量k ( o o o ) ，k o l l ) 。这六个非零矢量相互间隔6 0 ，如图a - 3 所示： 圪( 0 1 1 k ( 0 1 0 ) j 一 7 0 1 0 ) i 、 j f ，、 ，j j 么絮嘲。 一7 j 、 ，+ j、 。坞( 0 0 0 ) ”j 夕呖 v , ( o m )k ( 1 0 1 ) 图3 - 38 个基本矢量关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 同步直线电动机的静止坐标系下的磁链模型采用“一i 模型 败。一r i 。) d t ( 3 2 ) 在逆变器每一次开关间隔内，时间非常短，因此，每一个电压矢量都 近似的可以看作常量，那么式( 3 2 ) 可以写成式( 3 3 ) 纯。所一r f i , d t + g p 。 ( 3 3 ) 忽略定子电阻，从式( 3 3 ) 可以看出定子磁链矢量的终端将会沿 着旌加的电压矢量的方向移动，就如图3 - 3 所示。为了选择电压矢量以控 制定子磁链幅值，可以把电压矢量平面划分为六个区域，如图3 4 所示。 在每一区域里，可以选择两个相邻矢量来增加或减小磁链的幅值，这两个 矢量就决定了最小开关频率。例如，当钇在区域b ，并且逆时针旋转时， 圪矢量的应用可以增加磁链的幅值，嵋矢量的应用可以减小磁链的幅值。 这样选择合适的电压矢量，磁链红就可以被控制在所需的值上。 图3 - 4 区间矢量图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 通过控制定子磁链敛的幅值和旋转速度可以有效的控制电磁转矩。 当定子磁链逆时针方向旋转时，如果反馈转矩小于给定转矩，那么就要选 择保持定子磁链霞同一方向旋转的电压矢量。负载角6 尽可能快的增大， 反馈转矩也就增大。一旦反馈转矩大于给定转矩，就选中使磁链反方向旋 转的电压矢量而不是零矢量，则负载角减小，转矩也就随之减小。例如当 磁链逆时针旋转且小于给定磁链，在区域鼠中，若要增大转矩，则旌加电 压矢量屹，若要减小转矩，则施加电压矢量k 。 用这种方法选择电压矢量，定子磁链始终在旋转，其方向由转矩滞环 控制器的输出来决定，也就能够更有效的控制转矩。 3 3 直接转矩控制系统的构成 直接转矩控制系统原理框图如图3 - 5 所示。 图3 - 5 直接转矩控制系统原理图 控制过程如下，对于逆变器输出的三相电流屯、，通过3 2 变换得到 i o 、i q ，由逆变器的电压状态与开关状态和直流端电压吃之间的关系可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 以得到、。由磁链模型i j z 一、。再由、 、岛通过转矩模型得到转矩r ，与速度调节器给出的转矩给定丁+ 进 行滞环比较，输出结果用来决定开关状态，、求平方和得到的j 姣f 与 磁链给定进行比较，由滞环比较器输出结果，同时利用、判断磁 链所在的区域，确定口( ) 的值。光电编码器用来测量电机的转速和初始 相位角。在电机启动的时候，必须准确的得到同步直线电机的位置信息才 能够准确的计算电机的转子磁链，从而得到准确的定子磁链初始值。综合 转矩调节器，磁链调节器的输出，转子磁链位置以及占( ) ，根据开关电 压矢量表确定逆变器的开关状态。 直接转矩控制是在定子两相坐标系下计算的，可以由电流传感器得到 三相定子电流中的两相乞、，经过式( 3 4 ) 的3 2 变换，得到d q 轴上 的电流分量： 1一三一三 以以 0 竺一竺 zz l11 万万西 因为； + + 之；0 可以得到： b f 0 + 2 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 巨怕 _ 1_l_-t_j bkh p-l 屈辱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 因为测量交流电压k 、圪、k 比较困难，可以采用逆变器模型的方 法来获得。逆变器模型是基于逆变器的电压状态与逆变器的开关状态和直 流母线电压之间的关系得到的。 对于逆变器供电的电机来说，其相电压瞬时值为一组固定的值，与逆 变器的开关状态一一对应。对于本系统的逆变器来说，非零电压矢量只有 六个，加上两个零矢量，共有八个空间电压矢量。这八个电压矢量在d q 轴系中的位置是固定的，若逆变器的直流母线电压固定，其d q 轴上 的分量也是固定的，如图3 4 所示。各电压矢量的d q 分量见表3 1 。 表3 - 1 电压矢量d q 分量表 定子电压d q 轴上的分量值 电压开关状态 0 0 0oo 1 0 0 肛 0 1 1 0 肛肛 0 1 0 一取肛 0 1 1 一肛 o 0 0 1 一取一舡 1 0 1 取一廖 1 1 1o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 根据“一f 模型，通过计算定子磁链在d q 轴上的分量、来确定 定子磁链。、按式( 3 7 ) 计算： 驴墅期f d ) 出l ( 3 _ 7 ) - r 一渺i 平i 一 甲0 七甲j ( 3 8 ) 给定磁链织与反馈值钇比较。 在直接转矩控制中，需要以电磁转矩作为反馈量，但是直接测量电磁 转矩是非常困难的，一般的采用间接法求电机的电磁转矩。电磁转矩的计 算公式为： 1 t 一吾p 。( 岛一) ( 3 9 ) 其中露为电机的极对数。 直接转矩控制是控制逆变器按一定的规律动作，如果合理的选择各空 间电压矢量，就可能获得幅值不变而又旋转的定子磁链。实际上，用这种 方法来获得绝对的圆形定子磁链轨迹几乎是不可能的。在工程应用中，没 有必要过分的追求定子磁链旋转轨迹的绝对的圆形，只要接近圆形就足够 了。为此在选择逆变器的开关状态时，允许定子磁链的瞬时旋转速度及幅 值有一定的误差。在直接转矩控制系统中，磁链的调节是通过滞环控制来 实现的。例如当磁链大于设定的磁链上限时，选择适当的电压矢量来减小 磁链；当小于设定的磁链下限时，选择另外的电压矢量来增大磁链，如此 反复调节，磁链轨迹就会更加逼近给定磁链值，接近圆形。 直接转据控制是通过控制定子磁链的走向来控制转矩的，认为所加电 压矢量就是定子磁链的走向。如果要增加转矩，施加使定子磁链超前转子 磁链的方向旋转，增大负载角，从而增加转矩。但是当角度增大到9 0 度 的时候，如果再增大负载角，电磁转矩不但不增大，反而减小。如果控制 系统不知道这种情况的发生，仍然控制定子磁链向负载角增大的方向旋 转，输出转矩继续减小，会造成系统的不稳定，使同步电机失步，这种情 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 况是不允许发生的。所以系统必须对负载角进行检测，防止这种情况的发 生。 在直接转矩控制系统中，电动机的电磁转矩采用滞环控制器来调节， 如图3 - 6 所示，给定电磁转矩r + 与反馈值丁进行比较，当丁4 一t s 。时， 滞环控制器输出t q = 1 ，表示要求增大转矩；当丁+ 一t s 一时，滞环控 制器输出t o 一0 ，表示要求减小转矩；当一s ，s t + 一t s ，时，滞环控制 器输出保持原状态不变。 图3 _ 6 转矩两点式调节器 在采用数字控制的情况下，磁链和转矩在一个开关周期内都有一个最 小变化量，这个变化量是由直流母线电压圪，相电流f ，定子电阻r 以 及电压状态持续时间等决定的。因此，如果磁链和转矩的控制误差带比这 个变化量更小时，误差带的存在是没有意义的。如果误差带的设置大于此 最小变化量时，则可以通过改变误差带的大小来控制器件的开关频率，尤 其在大功率变频器中，可以通过增大误差带来降低开关频率，从而降低器 件的开关损耗。 把六个区域里可选择的空间电压矢量做成表格，如表3 2 所示，根据 定子磁链的区间信号疗( ) ，磁链控制信号中和转矩控制信号z q 来选择合 适的空间电压矢量，就可以实现直接转矩控制，开关电压矢量表对于正反 转控制均适用。 其中中和z t q 分别是磁链滞环控制器和转矩滞环控制器的输出。如果 巾一1 ，表示反馈磁链小于给定磁链，则增大磁链；反之，则减小磁链。 同理，若7 q 一1 ，表示反馈转矩小于给定转矩，则增大转矩；反之，则减 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 小转矩。0 0 ) 一口( 6 ) 表示定子磁链所在的区间。 表3 - 2 电压开关矢量表 口( ) 中赠 口( 1 )日( 2 )口( 3 )口( 4 )o ( 5 )口( 6 ) t o - 1 k ( 1 1 0 )v 3 ( 0 1 0 )k ( 0 1 1 )k ( 0 0 1 )k 0 0 1 ) e 0 0 0 ) 中一1 t q 一0k 0 0 1 )v 1 0 0 0 ) ( 1 1 0 )巧( 0 1 0 )k ( 0 1 1 )巧( 0 0 1 ) 硷；1k ( 0 1 0 )k ( 0 1 1 )蟾( 0 0 1 )k 0 0 1 )v 1 0 0 0 )k ( 1 1 0 ) m 一0 t t 2 * 0k ( 0 0 1 )k ( 1 0 1 ) v ，( 1 0 0 )k ( 1 0 )v 3 ( 0 1 0 1k ( 0 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第4 章直接转矩控制系统的仿真 4 1 仿真软件m a t l a b 简介 随着计算机在电力、航空、机械、汽车、制造等各个行业的深入、广 泛的应用，以及微型机的日渐普及，用计算机解决数学模型成为了一个对 各行业的革命性话题，这场革命的方向是高度自动化、智能化、科学规划 化、集成化。此外，控制理论经过数十年的发展，取得了丰富的研究成果， 并在工程中得到了广泛的应用。目前控制理论的大量研究成果，如经典控 制理论、现代控制理论和自适应控制理论等都是基于对控制对象的动力学 特性进行一定精度的数学建模，因此尽可能获得控制对象的精确数学模型 是成功进行控制器设计的重要因素。随着社会生产的不断发展，控制对象 日益复杂，建立对象的机理模型往往是比较困难的，许多情况下只能获得 对象的输入和输出数据。因此如何利用对象的输入和输出数据建立数学模 型就成为控制理论和工程界研究的重要内容。而计算机的出现使之成为可 能，由m a t h w o r k 公司推出的m a t l a b ，为解决这些具体问题而建立的数学 模型变得轻松、便捷，为科学和工程技术人员节约了宝贵的精力，并赢得 了时间。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，已经成为科学和工程技术人员有力的 开发工具。它将数值分析、矩阵计算、图形图像处理和仿真等诸多强大功 能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须 进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具，集科学计 算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体。 m a t l a b 提供的s i m u l i n k 是一个用来对动态系统建模、仿真和分析的 软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续 和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它具有相对独立的功能和使 用方法。s i m u l i n k 的出现使得仿真工作以结构图的形式加以进行。它提 供各种功能模块，包括了连续系统( c o n t i n u o u s ) 、离散系统( d i s c r e t e ) 、 非线性系统( n o n l i n e a r ) 几类基本系统构成模块，还包括连接、运算类 模块：函数与表( f u n c t i o n s t a b l e s ) 、数学运算模块( m a t h ) 、信号与 系统( s i g n a l s s y s t e m s ) 。而输入源模块( s o u r c e s ) 和接收模块( s i n k s ) 则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备，便于用户对模型进行仿真和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 分析。对于建模，s i m u l i n k 提供了一个图形化的用户界面( g u i ) ，用户 可以像搭积木一样只需通过鼠标点击和模块拖拉就可以完成一般乃至复 杂的模型建立。对于喜欢编程的用户，s i m u l i n k 提供了一个与外部程序 的接口s 函数模块，通过s 函数，用户可以方便的调用以m a t l a b 语 言编写的m 文件，也可以调用c 语言或f o r t r a n 语言经过m a t l a b 编译器 编译形成的m e x 文件。在本论文中，调用s i m u l i n k 中的模块和s 函数构 建了同步直线电机模型和整个控制系统“”叫。 4 2 直接转矩控制系统的仿真模型 根据第三章对直接转矩控制系统原理的描述，得到如图4 - 1 的同步直 线电动机直接转矩控制系统的仿真模型。在该模型中主要对同步直线电机 从一个稳态过渡到另一个稳态时的运行过程进行了仿真。 图4 - 1 直接转矩控制系统仿真模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 在该仿真模型中主要包括了同步直线电机模型，q 计算模块，磁链 计算模块，扇区判断模块，电压矢量表计算模块和p w m 逆变器模块等。 4 2 1 同步直线电机模块 由于在s i m u l i n k 模块中没有直线电机模型，所以根据同步直线电机 的数学模型自行封装。由第二章中所得到的同步直线电机的数学模型可得 到如图4 2 所示的电机模型。 图4 - 2 同步直线电动机数学模型 4 2 2 v 。、v o 计算模块 由逆变器的电压状态与开关状态和直流端电压之间的关系可以得 到、。根据第三章中的表3 - 1 我们就可以得到此时的、。吃、 屹计算模块如图4 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图4 - 3 、计算模块 4 2 3 磁链计算模块 根据第三章直接转矩控制系统的原理，得到静止两相坐标系下磁链的 计算公式： 牛d 。i 掣d r i 渺 ( 4 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 平q2 眠一r i q ) d t 币；一丽 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 由公式( 4 1 ) 、( 4 2 ) 、( 4 3 ) 得到同步直线电机的磁链计算模块如图4 4 所示。 图4 _ 4 磁链计算模块 4 2 4 扇区判断模块 如图4 5 为定子磁链所在扇区判断子模块。 在该子模块中用到了定子磁链在静止两相坐标系下的、以及磁 链的模值妒。三个参数。经过一系列的逻辑判断，就可以实现定子磁链区 间角口( ) 的判断。子模块最后输出的区间变量n 有6 种状态，分别对应 磁链的6 个区间。为方便查找矢量开关表，定义n 的输出从l 到6 。 4 2 5 开关矢量表模块 由转矩滞环输出t q 、磁链滞环输出f a i 、磁链模值，转子磁链位置以 及定子磁链所在区间n 就可以从第三章所列的表4 5 电压矢量开关表中选 择适当的脉冲作为逆变器的开关控制信号。 在开关矢量表选择模块中，我们为避免采用s i m u l i n k 中各种比较、 判断模块所构成的系统的复杂性，在实现该子系统时，使用了m a t l a b 中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图4 - 5 磁链扇区判断模块 的s - f u n c t i o n 函数。在仿真的过程中把s 函数放在与仿真模型相同