（电机与电器专业论文）基于矩阵变换器的永磁同步电机直接转矩控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c a cm a t r i xc o n v e r t e r s ( m c ) h o l dg o o dp o t e n t i a l i t i e si na cd r i v es y s t e m s o w i n gt oi t su n i t yp o w e rf a c t o r , w i t h o u tt h eo m i s s i o no fd cs e g m e n t ，a n ds i n u s o i d a l i n p u tc u r r e n t s p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nm a n yf i e l d s w i t hi t s s i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲p o w e rd e n s i t ya n df a s t d y n a m i c s t h ee v o l u t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yh a se n a b l e d p m s mt op o s s e s sm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ea n db e c o m et h ep r e f e r e n c ei nm o d e m d r i v es y s t e m s t h e r e f o r e ，u s i n gm ct or e a l i z et h ed t cf o rp m s mi sa no p t i m u m c o m b i n a t i o n ，a n di th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h ep r e s e n tp a p e r , t h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r eo ft h ea c - d c a cc o n v e r s i o ni s a n a l y z e d t h e nt h ea c a cd i r e c tt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o lr u l eo fm ci sd e d u c e db y a d o p t i n gt h ed u a ls p a c ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fm c ，w h i c hi sc o m b i n e do u t p u tl i n e v o l t a g es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na n di n p u tp h a s ec u r r e n ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n t h i sm e t h o dm e e t st h ed e m a n do fi n p u ts i n u s o i d a lc u r r e n ta n do u t p u ts i n u s o i d a l v o l t a g e s t h ei n p u ts i d ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o w e rf a c t o ra n g l ei sa d j u s t e da r b i t r a r y h a r m o n i ci ss u p p r e s s e di na d e g r e e t h es t r a t e g yi sa d v a n c e di nt h ef u t u r e b a s e do na n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fp m s m ，i t sm a t h e m a t i c m o d e l sa r es e tu pa n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fd t cf o rp m s mi sa n a l y z e d t h eb a s i c p r i n c i p l eo fm c d t ci si n t r o d u c e d ，w h i c hi su s e da san o v e lm e t h o do fa d j u s t i n g s p e e dt o c o n t r o lt h ep m s mf e db ym c t h i sa ct i m i n gs y s t e mi sn a m e dt h e n o n p o l l u t i n ga n dg r e e ns y s t e m t h em o d e lo fd t cf o rp m s mb a s e do nm ci st a k e nw i t hm a t l a b s i m u l i n kb a s e do nt h es t u d yo ft h e o r y ，a n dt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ti sd e v i s e d k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密1 3 ，在 年解密后适用本授权书。 本学位敝属于一由m 不保密lu 学位论文作者虢刍面溯 川年扩日 指导教师签名： 独创性l 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储签名：气铀勘 日期：卅年月帅 江苏大学硕士学位论文 第一章绪。论 1 1 交流调速概述与发展方向 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来，由于换向器 的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都 受到限制。为此人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的异步电动 机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从2 0 世纪3 0 年代开始， 人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传 动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流 调速相媲美、相竞争。目前，交流调速系统己经上升到主导地位，并将逐步取代 直流调速系统l m j 。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。现代的电力电子变换装置 中，p w m 变压变频技术是主要使用的变换器控制技术。常用的p w m 控制技术有： ( 1 ) 基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制；( 2 ) 基于消除指定次数谐波 的h e p w m 控制；( 3 ) 基于电流环跟踪的c h p w m 控制；( 4 ) 电压空间矢量控 制( s v p w m 控制) 。在以上的4 k 中p w m 变换器中，前两种是以输出电压接近正 弦波为控制目标的，第3 种以输出正弦波电流为控制目标，第4 种则以被控电机的 算法简单，与直接的正弦脉宽调制( s p w m ) 技术相比，s v p w m 在输出电压或 电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利 用率，因此目前应用最广。 交流传动分为同步电机传动和异步电机传动。交流电机的转速控制大多是通 过变化频率来实现的。同步电机比异步电机变频调速系统的功率因数高、变频器 容量小、电机效率高且转动惯量小，在大功率传动中同步电机调速优势明显。 从2 0 世纪3 0 年代的后期，人们就开始研究同步电机的调速问题。通过检测同 步电机转子磁极的位置，以适当的顺序控制与电机绕组相连的闸流管导通，代替 直流电机的换向器和电刷的功能，形成由变流器供电的自控式同步电机，也称为 无换向器电机。自从晶闸管等电力电子器件发明后，同步电机变频调速控制才有 江苏大学硕士学位论文 了长足的进步 4 1 。 交流调速技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制 和模糊控制等各种新的控制策略的不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一 步推动交流调速技术的蓬勃发展。 1 2 矩阵变换器的研究现状 在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与 开发矩阵式变换器特别具有现实意义。与传统的交一直一交变换器相比，矩阵式 变换器具有如下优点： ( 1 ) 无大容量的储能器件，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化， 同时易于实现大容量变换器； ( 2 ) 能够实现能量双向流动，便于电机实现四象限运行； ( 3 ) 可获得正弦的输入电流和输出电压，波形失真度小； ( 4 ) 输入侧功率因数可调，带任何负载时理论上都能使功率因数为l ； ( 5 ) 控制自由度大，采用不同的控制算法，可实现整流、逆变、变频、斩 波等功能，且输出频率不受输入电源频率的限制。 1 、矩阵变换器的早期研究 矩阵变换器和双向开关的概念最早由l g y u g i 和b p e l l y 在1 9 7 6 年提出1 5 1 ， 1 9 8 0 年意大利学者m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 首先提出了由9 个功率开关组成的 矩阵式交一交变换器结构，指出矩阵式变换器的输入功率因数角是可以任意调节 的，并取得了一系列有吸引力的结果【6 7 1 。但后来发现这种变换器存在固有极限， 最大电压增益为0 8 6 6 ，并且与控制算法无关。他们首次系统地给出了矩阵式变 换器低频特性的数学分析，并且提出了“低频调制矩阵”的概念。同时，他们提 出了一种矩阵式变换器的调制算法，被称为“直接传递函数”方法。 1 9 8 3 年j r o d r i g u e z 将矩阵式变换器在理论上等效为一个整流器和逆变器的 虚拟连接【8 】，并将传统的脉宽调制( p w m ) 技术分别应用于“虚拟整流器 和 “虚拟逆变器”上，对双向开关进行调制，从而实现能量的传输和回馈，这种方 法也被称为“间接传递函数”方法。 矩阵变换器要求大容量和高速开关频率并具有双向关断能力的功率器件，同 2 江苏大学硕士学位论文 时还要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的工艺和技 术水平所难以达到的。因此，早期的矩阵变换器的研究大都处于理论研究阶段， 很少有面向工业实际的研究。 2 、矩阵变换器方案改进 随着电力电子技术和微机控制技术的不断发展，矩阵变换器的研究工作越来 越被人们所重视，为了解决m v e m u r i n i 和a a l e s i n a 控制方案中的不足，先后有 不少学者对矩阵变换器进行了一系列的研究工作，并从不同的角度提出了不同的 控制方案。如美国学者t a l i p o 、d g h o l m e s 提出了一种电流控制型交流p w m 调制方法 9 1 ，该方法根据变换器的开关传递函数矩阵由电流连续条件，将其分解 为若干矩阵分量，通过分别计算，最后合成得到的调制矩阵。p d z i o g a s 等提出 了一种间接p w m 控制方法【1 0 1 ，其总体思路是首先将输入电压“整流 ，产生一 个虚拟的直流回路，然后按需要的频率逆变，从而得到一个类似于典型的p w m 逆变器的输出电压波形。这些研究基本克服了m v e n t u r i n i 控制方案的缺点，输 出电压比、功率因数和输入电流品质方面都取得了很好的改进，但也存在一些不 足之处，如p d z i o g a s 的方案输出频率限制在3 0 0 h z 以下、某些方案的效率不够 高等缺点。 3 、矩阵变换器技术成熟 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，南斯拉夫学者l h u b e r 和美国d b o r o i e v i c 教授、同本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 教授、以及韩国学者w h k w o n 和 g h c h o 等人的研究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。 l h u b e r 和d b o r o i e v i c 提出了一种基于空间矢量调制技术的p w m 技术 1 1 1 - 1 5 】，首先根据矩阵变换器的p w m 的丌关状态，定义出六边形开关状态矢量图， 然后按输出矢量在任意时刻由其相邻的开关状态矢量合成，得到每一采样周期的 开关占空比。连续合成一定角速度旋转的输出电压矢量，就获得所需要的频率和 正弦输出电压。通过实验样机带三相感应电机作为负载运行，证明了采用空间矢 量调制法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1 ，输入 电流波形好等优点。 a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出了双线电压瞬时值法【1 6 】。其实质即任一时刻输 出电压为两个输入线电压合成，而两输入线电压在每一周期的占空比由输出电压 的瞬时值及输入电压的状态决定。这种技术在改善对变换器开关频率的限制、提 3 江苏大学硕士学位论文 高输出输入电压比等方面有其独到之处。当输入不对称或含有谐波时，其控制函 数可以自动修正，而不需要额外的计算，有利于实时控制。但该种控制方案使得 输入功率因数不可随意控制，但能固定在基本恒定值上。同时这种开关状态的转 换过程和输入电流的合成规律较为复杂，在软件实现上较为复杂。 韩国学者w h k w o n 和g h c h o 假设矩阵变换器由非理想电流源和电压源组 成1 1 7 1 ，利用d q 电路变换技术对实用升压九开关矩阵变换器的动、静态特性进行 了分析，为矩阵变换器的分析提供了有效的方法。通过理论分析和仿真，他们证 明了升压式矩阵变换器不能像其它的理想变换器那样通过选择参数独立控制，功 率因数并不总保持1 ，但可以控制。 1 9 8 9 年，n b u r a n y 提出了一种四步换流策略【1 8 】，可实现半软开关换流，将 两个双向开关之间的换流过程根据电压相对大小或电流方向信号分为四步进行， 有效地避免了换流过程中的短路和断路故障，实现了真币意义上的安全换流。此 后，m z i e g l e r 和w h o f f m a n n 于1 9 9 8 年提出了矩阵式变换器“两步换流”方式， 进一步缩短了双向开关的换流时间 1 9 , 2 0 】。同时，j c l a r e 、p w h e e l e r 和 l e m p f i n g h a m 也于1 9 9 8 年将可编程逻辑器件( p l d ) 技术用于双向开关的换流 控制，提出了矩阵式变换器的“智能换流”方式，根据检测到的电流方向信号和 开关通断状态利用时序逻辑确定换流步骤【2 1 , 2 2 】。j m a h l e i n 在2 0 0 2 年提出了改进 的多步换流控制策略，省去了专门的输入电压或输出电流方向检测电路【2 3 1 。 l i x i a n g w e i 和t l i p o 也在2 0 0 3 年提出了专用于矩阵式变换器的电压换流方式【2 4 1 。 这些换流策略的应用，基本上实现了双向开关的安全运行，为矩阵式变换器应用 到实际工业生产中提供了技术支持。 4 、矩阵变换器产业探索 矩阵变换器从1 9 7 6 年提出到现在已有3 0 年的时间了，国外已有不少文献提 出矩阵变换器的实验样机，但是还没有真j 下进入实用的报道1 2 引。 1 9 9 2 年，我国教授庄心复作为访问学者在美国弗吉尼亚电力电子中心采用 空间矢量调制法分析直一交和交一直变换器，合成后求得交一交变换器的调制方 法f 2 6 】，并以一台3 2 位数字信号处理器t m s 3 2 0 1 4 作为控制器，设计并制作了一 台实验样机。 1 9 9 4 年弗吉尼亚电力电子中心年会上展出了输入端具有功率因数校正 ( p f c ) 的三相一三相矩阵变换器，该变换器采用数字信号处理器( d s p ) 实现 4 江苏大学硕士学位论文 空间矢量调制，最大输出功率2 k w ，开关频率2 0 k h z ，用m o s f e t 器件，负载 为2 k w 的感应电动机，输入端功率因数为0 9 9 ，输出电压、输入电流均为正弦。 1 9 9 5 - - 1 9 9 6 年，p e t e r n i l s e n 在他的博士论文中，以s i e m e n s c l 6 6 为控制器做 出了试验装置，对矩阵式变换器的外围电路进行了一系列研究。1 9 9 8 - - 一1 9 9 9 年、 1 9 9 9 - - 一2 0 0 0 年，c h r i s t a n 两次作为访问学者在美国也研究出了一套装置，并对输 入电压不平衡时，人工负载下矩阵式变换器的控制策略进行了研究。 最近1 0 年，由于功率半导体器件技术的发展，矩阵式变换器的实用化进入 了一个崭新的阶段。2 0 0 1 年，欧洲的e u p e c 公司研制成功了专用的矩阵式变换 器开关矩阵模块，采用了3 5 a 的i g b t 和快恢复二极管，大大地减小了电路的体 积，提高了抗干扰能力，并降低了换流控制的难度。德国西门子公司在2 0 0 1 年 提出了一整套适用于工业传动控制领域的矩阵式变换器解决方案。丹麦a a l b o r g 大学电力电子研究中心多年来一直致力于矩阵式变换器的研究与丌发，在2 0 0 2 年研制了适用于工业生产的矩阵式变换器样机。日本富士电机公司也在2 0 0 3 年 开发出了适用于矩阵式变换器的逆阻式i g b t 模块，并于2 0 0 4 年利用该模块试 制成功了2 2 k w 矩阵式变换器样机。日本安川电机公司在2 0 0 4 年4 月在汉诺威 国际展览会上展示了即将生产的矩阵变频器的原型，在安川矩阵变频器中有9 个 开关，每一个都有2 个i g b t 组成双向开关，能允许正向电压和负向电压通到电 机上，其容量覆盖5 5 2 2 k w ，最终计划达到7 5 k w 。英国n o t t i n g h a m 大学的研 究人员在2 0 0 4 年成功地开发了一台1 5 0 k v a 矩阵式变换器驱动异步电机传动系 统。但非常可惜的是，至尽还没有一个变频器企业批量生产矩阵变换器。 5 、我国矩阵变换器研究 我国在矩阵变换器方面的研究开始较晚，基本上从上世纪9 0 年代开始，南 京航空航天大学、西安交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学先后丌展了这方面 的研究工作，取得了令人瞩目的成绩，达到了一定的水平f 2 5 1 。 1 9 9 4 年，南京航空航天大学庄心复教授把矩阵变换器介绍给国内同行后， 陆续有高校开展矩阵变换器的研究。 1 9 9 7 年，南京航空航天大学庄心复、穆新华在国内刊物上介绍了一般意义 上的n x m 型矩阵式变换器的拓扑形式及双向开关的构成，分析了基于瞬时电压 调制技术的三相a c 。a c 矩阵式变换器的开关状态和控制规律1 2 。 1 9 9 8 年，上海大学的陈伯时、陆海慧等通过把矩阵变换器等效为交一直一 江苏大学硕士学位论文 交变换器利用逆变器中广泛采用的空间矢量p w m 调制技术，并利用8 0 c 1 9 6 k c 作为控制器，以反向串联的双向i g b t 作为矩阵式变换器的主回路，采用四步换 流的方法，成功研制了三相交一交矩阵变换器的实验装置【2 8 】。 1 9 9 9 - 2 0 0 0 年，福州大学汤宁平、方旭阳、邱培基分析和推导了三相矩阵 式变换器在电流滞环跟踪控制方式下的开关函数，并提出了变换器控制系统的实 现方案，取得了三相感性负载条件下的电流波形和频谱分析等实验结果，并试制 成功了一台恒频采样电流跟踪控制型矩阵式变换器样机，作为交流励磁感应发电 机的励磁器【2 9 。3 。 2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学的陈希有、陈学允将p a r k 变换技术应用到基于空 间矢量调制的矩阵变换器中，建立了矩阵变换器的线形定常电路模型，借助电路 分析理论研究了空间矢量脉宽调制矩阵式变换器的瞬态响应特性与输入滤波器 参数的关系3 2 1 。同年，陈希有、韦奇对直接实现式矩阵式变换器相电压到相电压 的换流过程进行了分析与改进，提出了一种输入线电压到输出线电压的换流方法 3 3 1 o 2 0 0 1 年，清华大学黄立培教授领导的课题组开始对矩阵式变换器及其在高 性能交流调速系统中的应用进行研究。分别采用i g b t 单管模块、逆阻式i g b t 、 智能功率模块( 1 p m ) 设计开发了3 台三相一三相矩阵式变换器实验样机，并研 制了1 台采用逆阻式i g b t 的三相一单相矩阵式变换器样机3 4 。刀。 2 0 0 2 年，王毅、陈希有、徐殿围提出了一种基于双电压合成的矩阵式变换 器闭环控制方法，根据矩阵式变换器的实际输出电压与期望输出电压的偏差，计 算电压的实际占空比与理想占空比的偏差，并将此偏差作为负反馈加到下一采样 周期的占空比中，从而实现系统的闭环控制。 此外，2 0 0 1 年，华中科技大学也提出了一种新型的三相一三相矩阵式变换 器。2 0 0 2 年，浙江大学的贺益康等提出了矩阵变换器在风力发电方面的应用p w 。 2 0 0 3 年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵变换器电压传输比【4 0 1 。西安交通 大学的王汝文等，通过数学推导得出矩阵变换器调制函数的通解形式，从而可以 从不同的角度反映变换器的传输性能，可以按实际系统所需要的变换和传输要 求，对开关调制规律进行优化，通断时间算法也比原有的简单。南京航空航天大 学葛红娟、周波、苏国庆等研究了矩阵变换器一永磁同步电动机矢量控制系统的 电流控制方法【4 。 6 江苏大学硕士学位论文 目前有关矩阵变换器研究的关键问题及热点主要有两个方面：( 1 ) 在理论研 究方面，继续探讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有 关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研 究；( 2 ) 在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、 双向开关的实现与封装以及输入滤波器的设计等。 随着电力电子技术的发展，矩阵式变换器的研究也在不断进步，但目前矩阵 式变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段，尚未形成实用化的产品。 鉴于目前国外研究工作尚未成熟，国内研究时问较短，矩阵式变换器从理论到实 践还有很多问题尚未解决，需要在已有的基础上进行更加深入的研究，以解决矩 阵式变换器实现技术和应用方面的一些关键问题。 1 3 永磁同步电机调速系统的发展 永磁同步电机( p m s m ) 采用永磁体产生磁场，结构简单，节约能量，从 7 0 年代末、8 0 年代初起，就因其具有体积小、功率密度高、效率和效率因数高 等明显的特点引起了从事电机及其驱动系统技术研究的学者和研究人员的广泛 关注和重视1 2 , 3 1 。 与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有以下优点【3 j ： ( 1 ) 明显的节电效果。永磁同步电机用永磁体取代电励磁，无励磁损耗； 无转子绕组，转子中就无铜耗。由于定转子同步，转子铁芯中也无铁耗，因此， 永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机高，而且不需要从电网中吸取 滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大提高了电机的功率因数； ( 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转 矩的扰动具有较强的承受力； ( 3 ) 由于没有笼型转子，永磁同步电机具有较低的惯性，即转矩惯性比较 古 同； ( 4 ) 电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能 控制电机转速，控制比异步电机容易。 同步电机以转速与电源频率保持同步著称，永磁同步电机也是如此。它的调 速经历了以下阶段： 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 永磁同步电机变频调速系统 变频凋速是一种非常常见的永磁同步电机调速系统，也是技术最为成熟的一 种。其中，变频凋速又可分为两大类：它控变频和自控变频。它控变频指的是给 同步电机供电的逆变器输出频率由转速给定信号决定。这种控制方法多用于转速 开环凋速系统，适用于多台机组并联运行的场合，但依然存在转子振荡及失步的 问题。自控变频则是通过位置传感器检测同步电机转子位置，根据电机自身转子 的位置及转速决定逆变器输出频率【4 2 1 ，这样能时刻保持无换向器电机工作在同步 状态，从根本上解决了同步电机变频调速失步的问题，从大中型同步电机到小容 量永磁式、磁阻式同步电机均可构成高性能的自控式同步电机调速系统。目前， 自控式同步电动机的应用主要有以下几个方面 4 3 , 4 4 】： 用作大型节能型传动系统； 大型同步电机软起动； 用于高速电力机车、轧钢。 ( 2 ) 永磁同步电机矢量控制系统 矢量控制足高性能的永磁电机凋速系统中主要采用的控制方法。交流电机的 矢量控制是1 9 7 1 年由德国b l a s c h k e 等人提出的。矢量控制从理论上解决了交流 电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，很快被移植 到同步电机。事实上，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。因为该电机在矢 量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数( 主要是转子参 数) 的影响也小。目前，矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用，其 地位超过了该控制方式在异步电机中的地位 4 4 4 6 】。 矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的 解耦性，它可以分别通过控制其电枢电流和激磁电流来达到控制电机转矩的目 的。矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能，而实施仍然落实到对定子 电流的控制上。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为激磁分量和转矩分 量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子 电流的幅值大小，又需要控制定子电流空间相量的相位。在永磁同步电机矢量控 制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保证逆变器输出频率 始终等于转子角频率，因此，永磁同步电机的矢量控制为自控运行的矢量控制。 ( 3 ) 永磁同步电机直接转矩控制系统 r 江苏大学硕士学位论文 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 是近年来继矢量控制技 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。1 9 8 5 年由德国 鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次提出了基于六边形磁链的直接转矩控制理论，接 着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着 自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参 数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制 技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态 性能受到了普遍的注意和得到迅速的发展。目前该技术己成功地应用在电力机车 牵引及提升机的大功率交流传动上。德国、美国、日本都竟相发展此项新技术， 目前已取得较大发展。a b b 公司已将直接转矩控制的变频器投放市场。 直接转矩控制把转矩作为被控量，直接对转矩进行控制。它并非极力获得理 想的f 弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，相反，从控制转矩的角度出发， 它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 或近似圆形磁链轨迹的概念，而对转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对 转矩实行控制。其控制方式是利用转矩两点式调节器或三只调节器，通过把转矩 检测值与转矩输入滞环比较器，把转矩波动限定在一定的容差范围内，容差的大 小，由频率调节器米控制。这种对转矩的直接控制方式也称为“直接自控制”。 这种直接白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【4 7 - 4 9 。 与传统的矢量控制相比，直接转矩控制具有以下几个主要特点： ( 1 ) 控制结构非常简单。传统的转子磁场定向的矢量控制系统需要四个p i 调节器和一个单独的p w m 调制器，而d t c 控制仅需要一对滞环控制器和一个 速度p i 调节器，这使得d t c 具有更优良的动态性能； ( 2 ) 直接转矩控制的运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标 系中对定子电流进行分解和设定，所以不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变 换，大大地简化了运算处理过程，简化了控制系统结构，提高了控制运算速度； ( 3 ) 直接转矩控制利用一对滞环比较器直接控制定子磁链和转矩，而不是 像矢量控制那样，通过控制电流的两个分量问接地控制电机的磁链和转矩，它追 求转矩的快速性和准确性，并不刻意追求圆形磁链轨迹和正弦波电流； ( 4 ) 直接转矩控制采用空间电压矢量，将逆变器和控制策略一体化设计， o 江苏大学硕士学位论文 并根据磁链和转矩滞环比较器的输出，直接对逆变器开关管的导通与关断进行最 佳控制，最终产生离散的p w m 电压输出，因此传统的直接转矩系统不需要单独 的p w m 调制器。 尽管直接转矩控制在异步电机上获得了如此重大的成功，该项技术应用到同 步电机上却是若干年之后的事了，其主要的困难是因为同步电机和异步电机运行 机理的不同。异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础 上的，而同步电机中从宏观上来讲不存在异步电机拥有的转差角频率。因此，直 接转矩控制技术应用于同步电机中首先要解决其控制的理论问题。 1 9 9 6 年c h r i s f r e n c h 等人提出的转矩控制方案中采用了转矩控制器取代电流 控制器，但这也不是真正的对转矩进行直接控制，因为还是使用了电流滞环，无 法体现出直接转矩快速性的优点。直到1 9 9 7 年南京航空航天大学与澳大利亚新 南威尔士大学合作，胡育文教授和m f r a h m a n 等人率先把直接转矩控制与永磁 同步电机结合起来，提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论，实现了永磁 同步电机直接转矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁范围，取得了一系列成果， 为同步电机直接转矩控制开创了新的篇章。 1 4 本文的主要研究内容 1 、掌握矩阵变换器的结构和运行特点，深入了解矩阵变换器的原理、双向 开关构成与换流方法、开关组合及占空比矩阵； 2 、分析矩阵变换器的等效交一直一交结构，重点分析双空间矢量策略； 3 、推导永磁同步电机的数学模型，分析基于矩阵变换器的直接转矩控制的 原理，分析磁链、转矩的控制规律及最优开关表； 4 、根据双空间矢量调制和直接转矩控制的原理，把矩阵变换器和永磁同步 电机结合为一体，建立矩阵变换器一永磁同步电机直接转矩控制的数学模型，进 行仿真研究，验证系统的优良性能； 5 、设计由i g b t 构成双向开关的实验样机，用d s p 和c p l d 构成数字控制 系统，搭建实验平台。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的基本理论 在过去的3 0 年里，矩阵变换器冈其具有优良特性而受到人们的关注，各国 的学者对矩阵变换器进行了广泛而深入的研究并取得重要的成果。但因其控制方 法复杂，安全换流难以实现，功率器件较多而没有推向市场。本文将介绍矩阵变 换器的拓扑结构、开关组合及占空比矩阵，为下一步的研究打下基础。 2 1 矩阵变换器的拓扑结构 2 1 1 双向开关的构成 从理论上讲，矩阵变换器的输入可以是n 相频率为力的交流电，输出为m 相频率为正的交流电f 5 0 1 。但在目前的研究当中，往往以三相交一交矩阵变换器 为主要研究对象，其主电路拓扑结构如图2 1 所示。它主要由九个双向开判5 2 】 组成，每一相负载分别与三相电源相连。 图2 1 三相矩阵变换器主电路拓扑结构 所谓双向开关是指能够阻断双向电压、流过双向电流并且有自关断能力的开 关，也称为四象限开关。目前市场上还没有这种商品化的功率器件，所以实际的 双向开关通常由单向丌关组合而成。常用的开关器件主要有g t r ( g i a n t t r a n s i s t o r ，电力晶体管) 、g t o ( g a t et u m o f f t h y r i s t o r ，门极可关断晶体管) 、 功率m o s f e t ( p o w e rm o s f e t ，功率场效应晶体管) 、i g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘门极双极型晶体管) 、s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，静 电感应晶体管) 等。图2 2 示出了双向开关的几种典型结构。 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 反向阻断型( b ) 桥式( c ) 共射极反并联型( d ) 共集电极反并联型 图2 2 双向开关的典型结构 ( a ) 反向阻断i g b t 双向开关 反向阻断型i g b t 双向开关是一种新型的功率双向开关，导通损耗小，但是 开关损耗比较大【5 1 1 ，目前使用较少。 ( b ) 桥式双向开关 桥式双向开关由一个位于中问的普通i g b t 和4 个快速恢复二极管组成。这 种构成方式的主要优点在于每个双向开关中仅包含一个开关器件，使得整个矩阵 式变换器仅包含9 个i g b t ，可以降低电路成本。但这种方式也存在不足之处， 由于在电流流通过程中需要经过3 个开关器件，必然造成开关器件损耗的增大， 而且这种双向开关中的电流方向很难控制。因此，在实际的矩阵式变换器开发中， 很少采用这种方式。 ( c ) 共射极反并联i g b t 双向开关 共射极式双向开关由两个带反并联快速恢复二极管的i g b t 连接而成，如图 2 2 ( c ) 所示。两个i g b t 的射极连接到一起，而两个集电极则分别与输入侧和输 出侧相连。对于普通i g b t 不能承受较大的反向电压，因此需要两个快速恢复二 极管为双向开关提供反向阻断能力。相对与二极管桥式双向开关，这利，构成方式 有两个明显的优点：一是可以独立地控制电流方向；二是由于电流只经过两个开 关器件，开关器件的导通损耗也随之减小。但是，这种双向开关也存在缺点，由 于两个i g b t 的射极被连接到一起，因此每个双向开关都需要至少一个隔离电源 为驱动电路供电，整个矩阵式变换器则需要9 个驱动用隔离电源。 ( d ) 共集电极反并联i g b t 双向开关 相对于前两种构成方式，普通i g b t 共集电极式双向开关，如图2 2 ( d ) ，不 但具有器件导通损耗小、电流方向易控制等优点，而且可以减少驱动电路隔离电 源数量，因为三个射极相连的i g b t 可以共用一个隔离电源为驱动信号，因此整 个矩阵式变换器只需要6 个隔离电源。因而，这种双向开关也得到了比较广泛的 应用，本文选取了这种开关。 1 2 却筘每 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 四步换流策略 共射极和共集电极反并联双向开关具有软切换功能【5 2 1 。这类双向开关切换 时，通过四步换流技术，合理控制四个开关的导通和关断顺序，既能防止输入短 路，又能使感性负载在开关通断时具有连续的电流，防止出现电压尖峰。其缺点 是需要实时检测电流方向，开关通断顺序复杂；并且电流过零时检测会出现误差， 开关切换顺序易于发生错误，可能会影响正常工作。下面简要介绍此类开关的换 流实现过程，以一相输出电路为例，如图2 3 所示。 按照半软换流策略，由两个单向开关s i p 和s i n 组成双向开关s l ，同样s 2 p 和s 2 n 组成s 2 。要满足输入不能被短路，那么s i p 、s 2 n 不能同时导通，s i n 、 s 2 p 不能同时导通。要满足输出不能被断路，则至少有一个单向开关处于导通状 态。 r l 图2 3 一相输出电路示意图 首先假定电路正工作于稳态，此时s l 导通、s 2 关断，依照电流参考方向可 得i o 。当电路工作到某个时刻，开关状态由s 1 导通切换到s 2 导通，则四个单 向丌关的动作次序参见图2 4 。 第一步，关断丌关s 1 的反向开关s i n ，由于电流是正向流动，这一步不会 带来丌关损耗。 第二步，开通开关s 2 的正向开关s 2 p ，打开s 2 p 后，如果开关s 2 所连接的 电压高于开关s 1 所连接的电压，那么电流将自动换流到s 2 p 中。 第三步，关断开关s 1 的正向开关s l p ，由于电流有一半的可能已经换流到 s 2 p 中了，所以s l p 的关断有5 0 的可能性为零电流关断。 第四步，开通开关s 2 的反向开关s 2 n 。 1 3 江苏大学硕士学位论文 s 1 - 1 ； ； o s 2 _ ll ； s l n 一i ；：e s 2 p；广1 0 寸e 一 j ：- j sip - l i p o i i 1 ；- ： ：i - - - - - - - - 一oo ： ：卜一 s 2 n 丁专l 丁卜 习 图2 4i 0 时四步换流策略示意图 这样的四步换流策略，既禁止了电源发生短路的开关组合( s i p 和s 2 n ，s i n 和s 2 p 同时导通) ，又保证了在任意时刻给负载电流提供了至少一条流通路径。 上述讨论了当i 0 时的换流方法，同样我们可以推导出当i 0 时相反。 2 2 矩阵变换器的开关组合 定义双向功率开关s , j 的开关函数【1 2 】： s 。= 三羹善c ，= 口，6 ，c ，利、b 、。 c 2 t ， 但输入端三相电源之问不能短路，输出端三相负载为感性时不能开路，可得 到相应的开关函数约束条件： s 聊+ s 勿+ s = 1 ( ，利、b 、c ) ( 2 2 ) 根据开关函数及其约束条件可将9 个开关的通断分为三类： 第一类开关组合为三个输出相连接到同一个输入相，有3 种情况，如表2 1 所示。这类情况下的输出线电压均为零，输入电流也均为零，矩阵变换器9 个开 关中，同一列的三个开关同时导通，其它开关断开。 表2 i 三相矩阵变换器第一类开关组合 ab c u a bu b cu c ai al bl cs a as b as c as a bs b bs c bs a cs b cs c c aaa00oo0o100l0o1o 0 bbb0ooo0o0l00l00l0 ccco00o0oo0l0o100l 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 5 为三个输出相均连接到同一个输入相( a 相) 的情况。矩阵变换器的 开关状态与表2 1 第一行相对应；三相输出线电压均等于零，电压合成矢量等于 零，称为零电压矢量；三相输入电流也都等于零，电流合成矢量也为零，称为零 电流矢量( 电压或电流合成矢量幅值不等于零的矢量称为非零矢量) 。三个输出 相同时连接到输入b 相或同时连接到输入c 相的情况与之相似。因此，矩阵变换 器有三种零矢量状态。 图2 5 三个输入相均连接到输入a 相的情况 第二类开关组合为三个输出相中有两个输出相连接到同一个输入相，另一个 输m 相连接其它输入相，共有1 8 种情况，如表2 2 所示。表2 2 又分为三种情况， 第一种情况为输出相a 单独接到一个输入相( a 相或b 相或c 相) ，而b 相和c 相同时接到另一个输入相( b 相或c 相或a 相) ，共有6 种状态；第二种情况为 输出相b 单独接到一个输入相( a 相或b 相或c 相) ，而a 相和c 相同时接到另 一个输入相( b 相或c 相或a 相) 的6 种状态；第三种情况为输出相c 单独接到 一个输入相( a 相或b 相或c 相) ，而a 相和b 相同时接到另一个输入相( b 相 或c 相或a 相) 的6 种状态。 江苏大学硕士学位论文 表2 2 三相矩阵变换器第二类开关组合 状 s c a s a bs b bs c b s a c s i cs c c 态 abc u a bu b cu c ai ai b1 cs a as b a 1oolacc u o u i a o l a 1ooo0 b 、 c bcc u b c o 。u b c o oolool l a。l a olo 接 同baa u a b o u a b 一l ai a o0lolooloo _ ooloo个 caa u 0 。u 。l a o i a o0l 1 输 入 cbb 。u b c o u b c 0 i ai a oolol0o lo 相 o