（电机与电器专业论文）空间电压矢量的异步电机直接转矩控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 其鲁棒性和观测效果得到充分的证实。在磁链观测器的基础上，依 据李雅普诺夫理论推导出自适应收敛率，设计出自适应速度观测器， 最后这种简单实用的速度估计器与磁链观测器结合在一起应用于直 接转矩控制系统中，并进行了仿真和实验研究。 最后，在控制系统的数字化实现以及实时软件的编制方面，进 行了大量的理论与实践研究。搭建基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的无速度 传感器异步电动机直接转矩控制系统的硬件试验平台。采用c 语言 编程的方法，成功地完成了d s p 实时控制软件的编写工作，实现了 无速度传感器的异步电动机直接转矩控制系统的高性能控制。 关键词：异步电机，直接转矩控制，无速度传感器，全阶状态观测 器，空间电压矢量 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n i q u eh a sd e v e l o p e ds i n c et h e19 8 0 ， i t i san e w l yh i g h p o w e r e da cd r i v ec o n t r o lt e c h n i q u ea t t e rt h ev e c t o r c o n t r o lt e c h n i q u e d t cd i r e c t l yc a l c u l a t ea n dc o n t r o lt h et o r q u eo fa c d r i v ei nt h es t a t o rr e f e r e n c ef r a m e b yu s i n gs t a t o rf i e l d o r i e n t a t i o n ，t h e o p t i m u ms w i t c h i n gm o d ei sa c h i e v e dt oc o n t r o lt h ei n v e r t e r d t cs u f f e r t h ew i d e s p r e a dc o n c e r na n dt h eq u i c kd e v e l o p m e n tb e c a u s eo fi t sn o v e l c o n t r o lt h o u g h t ，m a n i f e s ts y s t e mc o n s t r u c t i o na n dw e l ls t a t i o n a r ya n d d y n a m i cc h a r a c t e r s i nt h i st h e s i st h ea u t h o rm a d eap r o f o u n da n db r o a ds t u d yo nt h e d e s i g no fs p e e do b s e r v e ra n ds t a t o rf l u xo b s e r v e ra n dt h ed i g i t a l r e a l i z a t i o no fs y s t e m s p e e ds e n s o r l e s sa s y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e mo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a sb e e ni n t r o d u c e db yh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) o ft m s 3 2 0 f 2 8 12 b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h ec l a s s i c a lo b s e r v e rm e t h o do fs t a t o r f l u x ，t h eo b s e r v i n gp r e c i s i o no ft h es t a t o rf l u xo b s e r v e rm u s tb eh i g h ，a n e wa d a p t i v es t a t o rf l u xo b s e r v e ri sp r o p o s e d w i t ht h i so b s e r v e r , t h e s t a t o rf l u xa n dt h e s p e e dc a nb ea l s oo b s e r v e d t h er o b u s t n e s st o p a r a m e t e rv a r i a t i o n sa n dg o o dp e r f o r m a n c ea r ef u l l yv e r i f i e db yt h e s i m u l a t i o n s b a s e do nt h ef u l lo r d e rf l u xo b s e r v e r , a c c o r d i n gt ot h e l y a p u n o v t h e o r y , t h ea d a p t i v es c h e m e so fs p e e do b s e r v e ra r ed e s i g n e d s u c c e s s f u l l y a tl a s t ，t h e a u t h o ra p p l i e da s i m p l es p e e d e s t i m a t o r 1 1 i 江苏大学硕士学位论文 c o m b i n e dw i t ht h ef l u xo b s e r v e ri nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m t h ed e f e c to ft h ec l a s s i c a ld t ci sr e s e a r c h e d ，an e wt a c t i co f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni sp r o p o s e d p e r f o r m a n c eo fd t cs y s t e mi si m p r o v e d a ni m p r o v e m e n tc a nb e o b t a i n e da d d i n gan e wd t c a l g o r i t h mb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h e s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) t od t c a te a c hs a m p l i n gp e r i o d ，t h e v o l t a g ev e c t o ri ss y n t h e s i z e dt w oo fv o l t a g es p a c ev e c t o r sa n dz e r o v o l t a g es p a c ev e c t o r s b yt h i sm e a n s ，t h et o r q u et i p p l e i sr e d u c e d si m u la t io na n d e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w t h a tt h e s em e t h o d s a b o v e m e n t i o n e dc a nh o l dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb a s i cd t c ， w e a k e nt h et o r q u et i p p l ea n de l e c t r o m a g n e t i cn o i s eg r e a t l y f u r t h e r m o r e ， t h em e t h o d sa r ev e r ye a s yt or e a l i z ea n dh a v ei m p r o v e da c c u r a c yo ft h e o b s e r v a t i o n t h e s y s t e m i s i m p l e m e n t e d o nad i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p t m s 3 2 0 l f 2 81 2 ) t h er e a l t i m ec o n t r o l l e rs o f t w a r ei sw r i t t e nb yc l a n g u a g e ，a n dt h er e s e a r c ho fd i g i t a lr e a l i z a t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g n a r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p e e d s e n s o r l e s s ，f u l l o r d e r a d a p t i v e s t a t eo b s e r v e r ， s p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n ( s v m ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i v 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。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区y 学位论文作者签名： 趑同j 2 。d 7 年彳月仁r 指导教师签名：占五 独创性声明 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。 i v 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 9 年4 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在当今工业自动化社会中，电能是我们同常生产生活中必不可少的动力能 源，人均消耗的电能量己成为衡量一个国家实力的重要指标。随着电能的普及应 用以及发展，劳动生产率得至0 了极大的提高，而电机是利用电能的主要设备，据 统计，目前在许多工矿企业中，电机类设备的耗电量占企业总耗电量的7 0 以上。 自从电动机被发明以来，电力拖动就在国民经济中起到了十分重要的作用，并极 大的促进科学技术的发展。电动机可分为直流电动机与交流电动机，在过去传动 系统普遍采用直流电机，但是随着生产技术的不断发展，直流电机的缺点逐步显 现出来。由于存在换向器，因此要经常维护，并且在容量、最大转速以及使用环 境等方面都受到制约。而交流电机，尤其是异步电动机，拥有诸多优点，例如： 结构简单、坚固耐用、体积小、重量轻、价格低廉、制造方便、容量大小没有限 制，运行可靠，很少需要维护，而且可以用于周围环境中有粉尘、腐蚀性、易燃 和易爆气体的恶劣环境。异步电机也是本文所研究的对象。在工矿农业生产、交 通运输、国防军事设备以及日常生活中广泛地应用电机传动。其中许多机械装置 有调速要求：如电梯，电动机车，电钻，煤矿传送装置等等。因此，自从上世纪 3 0 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，尤其是8 0 年代以来，随着电 力电子技术、控制技术和计算机技术的飞速发展，使交流凋速的性能产生了质的 飞跃【l 】【2 】f 3 】。矢量控制和直接转矩控制为当前主流交流调速方式。 1 2 异步电机发展概况： 电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直 流调速系统和交流调速系统。用直流电机可方便地进行调速，其具有优良的转矩 控制性能，但由于本身结构特点，直流调速有几个主要缺点： ( 1 ) 直流电动机容易出现故障，维修困难。 ( 2 ) 使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能采用。 ( 3 ) 由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 直流电动机的价格高于交流电动机。 随着现代科技的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动 方式逐步占据了主要地位。异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电 网的频率之比不是恒定关系，还随着负载的大小发生变化。负载转矩越大，转子 的转速越低。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电 机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，般可称感应电机为异步电机。 异步电机具有下面几个优点： ( 1 ) 异步电动机特别是笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。 ( 2 ) 异步电动机不易出现故障，维修简单。 ( 3 ) 异步电机使用场合没有限制。 ( 4 ) 电动机的单机容量远大于直流电动机。 异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒 速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种 不同型式，以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时，必须从电网吸取无功 功率，使电网的功率因数变坏。因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速 的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的 转差关系，其调速性能较差，对要求较宽广和平滑调速范围的设备采用直流电机 较经济、方便。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调 速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。 1 3 直接转矩技术的发展现状及趋势 异步电动机直接转矩控制技术【4 1 1 5 】思想新颖，控制结构简单，控制手段直接， 是一种具有良好的静态与动态性能的调速方法，目前已成为交流调速中的一个研 究热点，并在一些场合得到成功应用。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 ) ，是上个世纪8 0 年代发展起来的一种新的交流变频调速技术。它是1 9 8 5 年由德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授首次提出的，随后日本学者i t a k a h a s h i 也 提出了类似的方案并取得了很好的控制效果，经过近十几年的发展，它与矢量控 制成为当今高性能交流调速领域罩最为常用的两种控制方案。另外，在最简单的 d t c 算法中，涉及到的异步电机参数只有定子电阻，因此电机参数波动对控制 2 江苏大学硕士学位论文 性能影响很小。 1 3 1s v m d t c 技术 传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低和消除 低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范 围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。其中一种有效的方法是采用 空间矢量调制( s v m ) 技术1 6 】1 7 】。1 9 8 7 年日本的g i f u 大学的y o s h i h i r om u r a i 教授在i e e e 上发表全数字化逆变器的新型p w m 方法一文，由此标志着 s v p w m 调制技术的正式问世。s v p w m 调制技术一问世就受到人们的高度重视， 其独特的矢量调制方式，把电动机与p w m 逆变器看为一体，着眼于如何使电动 机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电动机中 的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基 准圆，即用多边形来近似逼近圆形，理论分析和实验都表明s v p w m 调制具有 转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高( 比普通的s p w m 调制约高1 5 ) 等 优点。s v m d t c 技术最早由t g h a b e t l e 、f p r o f u m o 、m p a s t o r e l l i 等人于l9 9 2 年应用于异步电机中的。其主要思想是：在每一个周期中选择相邻的两个运动矢 量和一个零矢量，计算出每一个矢量作用时间，从而合成出所需要的任意空间电 压矢量，实现转矩快速控制。应用s v m 技术后的d t c 系统输出转矩波动大大 减小，控制性能得到极大提高。s v m d t c 控制策略可以大大减小电机磁链和转 矩脉动，电流波形正弦度好，有助于提高电机运行效率。异步电机的s v m d t c 控制策略有良好的应用前景，成为现代交流传动界的研究热点，该技术己成功应 用在电力机车牵引的大功率交流传动上，1 9 9 5 年a b b 公司开始推出直接转矩控 制的产品。在国外德国、日本、美国都在竞相发展这项控制技术，理论已经比较 成熟，应用也得到一定发展。在国内许多科研单位和高校都在直接转矩控制方面 有一定的研究，其中南京航空航天大学的胡育文教授和清华大学的李永东教授在 低速控制方面有比较深入的研究。 1 3 2 磁链观测技术的发展 磁链观测是实现高性能电机传动系统的关键环节。目前常见定子磁链的开环 计算方法主要有u i ( 电压模型) ，i - n ( 电流模型) 和u n 模型。其中u - i ( 电压模型) 3 江苏大学硕士学位论文 是计算定子磁链观测最简单的方法，也是德国d e p e n b r o c k 和日本t a k a h a s h i 教授 的d t c 系统中所采用的经典方法。 在u i 模型中，定子磁链通过对反电势的积分计算得到，只需要用到电机的 定子电阻，不需要电机的其他参数，因此该方案获得了广泛的应用。此方案的优 点是仅需要电机的定子电阻飚，而且计算简单。但是，当电机在低速运行时， 特别是速度低于额定转速1 0 以下时，落在定子电阻上的电压降分量占全部定子 电压的比例则相当大，此时若仍然忽略定子电阻或把它当成一个常数，磁链相位 角、幅值和真实值的偏差将会越来越大，因为磁链的估算为开环型，一旦有误差， 则无法衰减，只能依次叠加，严重影响系统的性能。 i - n 模型( 电流模型) 克服了积分器的不良影响，并且不受定子电阻的影响， 但是，i - n 模型不能在高速范围内工作，这是因为它严重依赖电机的参数并受转 子电阻r ，、漏感三。、主电感l 变化的影响。除此之外，电流模型还要求精确地 测量角速度缈，缈的测量误差对电流模型影响很大。 u n 模型足综合了以上两种模型，并实现了两种模型的平滑切换。在低转速 时采用i - n 模型，高速时切换到u i 模型，这种模型实现复杂，因此实际应用的 比较少。 由于上述原因，c o l i ns h a u d e r 采用低通滤波器代替积分器，消除了u i 模型( 积 分器) 的直流偏移问题，但是这种方法不可避免的引入定子磁链幅值和相位的计 算误差，无法达到很好的磁链观测效果【8 】。j u nh u 和b i nw u 在分析了u i 积分模 型存在的问题之后，进一步提出了改进的积分算法，这种算法虽然可以很好地消 除积分器所具有的误差积累和直流偏移问题。但在低速时定子电阻温度造成的偏 差问题并没有很好的得到解决1 9 】。 由此可见，采用上述方法尚不能够根本解决直接转矩控制系统的定子磁链观 测的缺陷。目前主要有两个发展方向：第一个方向是研究新的磁链观测方法，提 高磁链观测的准确度，摆脱对电机参数的依赖。第二个方向是在线辨识定子电阻 进行，通过对定子电阻的准确辨识来提高传统电压模型对定子磁链的观测精度。 国外学者在矢量控制中针对定子电阻的在线辨识开展了大量的工作。日本学 者h i s a ok u b o t a 和g e n gy a n g 以转子磁场控制定向为基础【l o 】【l l 】【1 2 】，采用波波夫 理论和李雅普诺夫稳定性理论推导出了定子电阻的辨识率，并成功地实现在线辨 识定子电阻和转速。本文构造了同时观测定子磁链和转子磁链的状态观测器，并 4 江苏大学硕士学位论文 利用李亚普诺夫稳定性理论估计出电机转速，取得了很好的效果。 1 4 无速度传感器技术的发展现状及趋势 由于使用速度传感器获得转速反馈既增加了成本，又降低了系统的可靠性， 还存在安装和维护上的困难，系统不稳定等缺点，并且不适应某些特殊环境，从 而限制了它的使用范围。因此无速度传感器技术由于其强烈的应用需要和应用背 景成为现代高性能交流调速系统所广泛关注的问题，其核心思想就是通过已知的 调速系统参数快速而准确地估算出电机的实际转速值。在过去的二十几年中，国 内外学者发表了近百篇学术文章探索关于磁场定向控制矢量控制技术，与此技术 相关的很多问题都被解决了，但是在交流调速系统中的速度传感器仍然是必不可 少的。在过去的几年中，无速度传感器调速系统逐渐成为研究的热点，目前许多 国内外学者致力于解决无速度传感器调速系统转速辨识的问题。目前为止，出现 了大量关于异步电机传动系统的无速度传感器设计的文献。这些文献分别采用了 不同的技术来估计电机的转速。例如：直接计算法、基于m r a s ( 模型参考自适 应) 估计法、卡尔曼滤波法、神经网络估计器和自适应速度观测器等等。这些方 法均可实现异步电机在无速度传感器情况下的控制运行。然而当电机运行在低速 时，大多数方法的性能有所降低，并导致控制系统低速性能的下降。有些方案采 用鲁棒性的估计技术，通过自调节或在线凋节技术减小了速度估计的误差。这些 方法拓宽了低速的运行范围，然而其优势又为其复杂性所削弱。目前主要的速度 估计方法为： ( 1 ) 直接计算法 日本学者t o s h i y u k ik a n m a c h i 提出了一种转速的直接估计方案1 1 3 】。该方案的 计算公式中完全去掉了r s 和鼢项，提高了系统的性能，但是需要准确地测量定 子和转子磁链。因为此方案是建立在电机精确模型基础上的开环计算方案，虽然 其理论比较简单，但实现起来严重依赖于电机参数准确性与电机磁链的观测精 度，且磁链的运算均以积分器为基础，缺乏有效的校j 下环节，抗干扰性能差。 ( 2 ) 基于m r a s 的估计方法 m r a s ( 模型参考自适应) 方法采用两种不同结构的电机模型来估计相同的状 态变量。将不包括电机转速的模型称为参考模型，包含转速变量的模型称为可调 5 江苏大学硕士学位论文 模型。通过两个模型输出变量的偏差，可以得到电机估计转速西，的白适应收敛 律。s h i n z ot a l m a i 【1 4 】和c o l i ns c h a u d e r 以定子电压模型为参考模型，以转子电流 模型为可调模型，利用p o p o v 超稳定性理论推导出自适应收敛率。m r a s 结构的 优势在于：模型的输出不必要是实际的转子磁链，只要是与其相关的辅助变量即 可。于是有学者采用新的辅助变量作为模型的输出，构造了其它的m r a s 速度 辨识方法。f a n gz p t ”1 等人首先利用电机的反电动势作为电机的模型输出，从而 避免了积分环节。该m r a s 方案的参考模型不需要纯积分环节，但是仍会受到 定子电阻变化的影响。于是作者又从电机的无功出发，设计了鲁棒性良好的新型 m r a s 速度估计方案。采用该方法不需要对检测量进行积分运算，且对定子电阻 表现出了完全的鲁棒性。不足之处在于不能够摆脱转子时间常数t r 的影响，而 且实现非常困难。 ( 3 ) 卡尔曼滤波技术( k f t ) 卡尔曼滤波器是鲁棒性良好的线性系统滤波器。当输入和输出信号被噪声所 污染时，通过选择合理的增益矩阵可以获得最优的滤波效果。由于卡尔曼滤波器 及扩展卡尔曼滤波器的算法复杂，很难在现实中应用。因此，m h i l a i r e t 【1 6 】等提出 了一种高效率的卡尔曼滤波算法，该算法与传统的线性卡尔曼算法相比，运算量 减少了一半。尽管如此，在采用卡尔曼滤波的方法实现速度估计时，与其他方法 相比，其运算量还是显得过大，离实际应用还有很长的一段距离。 ( 4 ) 基于神经网络的速度估计器 由于神经网络控制具有自学习功能和能够逐渐提高控制器性能的特点，因此 目前己成为一种很具吸引力的控制方法。b e n b r a h i m l l 7 1 等利用基于反向通道技术 的两层神经网络技术估算异步电动机的转速，将神经网络模型的输出与电机的实 际值进行对比，并利用两者之间的偏差反向调节神经网络的权，最终使转速估计 值跟踪转速的真实值。从理论角度看，两层神经网络实质上是一种最小方差的方 法，而m r a s 仅仅是利用p i 调节器使误差减小。因此，两种系统的输出都将收 敛于目标值。神经网络与m r a s 方法的收敛速度( 动态特性) 分别依赖于学习 系数和p i 增益。 反馈神经网络算法的推导过程比m r a s 速度估计器的收敛律推导简单。 m r a s 系统自适应收敛律的推导需用到p o p o v 超稳定性理论，推导过程复杂， 神经网络速度估计器的数学推导过程则简单而直截。由于神经网络理论目前的发 6 江苏大学硕士学位论文 展还不成熟，距离在实际中应用还有一段距离。 ( 5 ) 速度自适应观测器 日本学者h i s a ok u b o t a 1 0 】【1 1 1 在转子磁场定向控制中，利用l u e n b e r g e r 观测器 实现了对转子磁链的观测，并根据定子电流的偏差和转子磁链的观测值自适应辨 识出转子转速和定子电阻，之后又通过外加注入信号的方法实现了对转子速度和 转子电阻的同时自适应辨识。g e n gy a n 9 1 1 8 等学者在利用l u e n b e r g e r 观测器实现 对转子磁链观测的同时，采用p o p o v 超稳定性理论推导出与前面方法完全相同的 速度和定子电阻的自适应辨识算法。该方案也可以归入m r a s 一类，即将所采 用的观测器视为可调模型，把电机看作是参考模型。该方案的优点在于磁链的观 测和速度及参数的辨识是紧密结合在一起的。意大利m a r i om a r c h e s o n i 【1 9 j 等学者 在定子磁场直接定向控制控制中，采用定转子磁链的全阶状态观测器实现了对定 转子磁链的观测，同时又利用定子电流矢量的实际值和观测值的夹角的累加实现 了对电机速度的辨识。该方法鲁棒性好、精度高，也是一种性能优良的实现方案。 目前，国外关于在直接转矩控制中采用无速度传感器的文献不多见。u w e b a a d e r 等学者采用基于定子磁链的速度估计器，在d t c 中实现了的速度观测， 该方法是一种依赖电机模型的开环计算方法，速度估算的准确度严重依赖于电机 参数的准确程度，并且需要实时计算反余弦函数，运算量较大。此外由于该方法 仍然采用积分器进行计算定子磁链，因而在低速时实现磁链的准确观测是很困难 的。国内学者谢运祥和薛峰【2 l 】在采用上述方法实现无速度计算的同时，又采用模 型参考自适应的方法对定转子电阻进行了在线辨识，虽然在一定程度上提高了系 统性能，但是其实现过程过于复杂繁琐。另外，由于该方法仍然采用积分器计算 定子磁链，因此低速问题不可能从根本上得到解决。 研究表明，目前的无速度传感器技术的缺陷在某种程度上是很相似的，这是 因为它们都是根据相同的异步电动机基本模型推导出来，主要区别仅在调节方式 和实现方法上。工业应用中最适用应当是硬件结构简单、整体性能优良的系统。 今后，无速度传感器控制技术的研究方向应为：在提高转速估计精度的同 时改进控制性能，增强系统抗参数变化，抗噪声干扰的鲁棒性，降低系统的复杂性， 追求简单性和可靠性2 2 】【3 3 】。 7 江苏大学硕士学位论文 1 5 本文研究的主要内容及所做的工作 随着现代工业的高速发展，科技同新月异，对于交流调速的性能要求也越来 越高，直接转矩以其结构简单，思路新颖，并具有良好控制性能等优点，被认为 具有良好的发展前景和竞争力，而采用无速度传感器技术与直接转矩技术相结合 的策略能够能真正表现出异步电动机调速系统的简便性、可靠性和廉价性。目前 国外在这方面的研究已经非常成熟，并成功应用到大功率交流传动系统之中，因 此，研究无速度传感器的直接转矩控制系统是一项紧迫的课题，对国民经济的发 展具有重要的意义，也必将创造巨大的工程价值。 本文通过对直接转矩控制的研究现状的分析，指出了目前直接转矩控制研究 中亟待解决的关键问题，针对这些问题对直接转矩控制的定子磁链的准确观测、 无速度传感器控制策略进行了深入研究。主要研究以下几方面内容： 通过对异步电机在筇坐标系下方程的详细推导，得出了以。口，y 够，y m ， 沙m 为状态变量的状态方程，将其作为参考电机模型。并进一步构建了异步电机 定转子磁链的自适应辨识模型，将此二者之差进行调节，使其为零，从而达到自 适应磁链观测的目的，即使辨识磁链等于参考模型磁链。根据李亚普诺夫稳定性 定理判断其稳定性，并据此综合出自适应律，由此得到一个速度估算器，代替速 度传感器，从而实现了无速度传感器直接转矩控制。 在m a t l a b s i m u l 烈k 环境下建立了s v m d t c 异步电机无速度传感器控 制系统的仿真模型，构建了电机模型、磁链观测模型，自适应律等仿真模型，对 基于模型参考自适应全阶磁链观测器中的调节参数进行了仿真研究。并在此基础 上完成了试验系统硬件电路的实现，本文采用数字信号处理器d s p 实现系统全 数字化控制，结合t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，设计直接转矩控制系统的 d s p 硬件结构，并基于d s p 的开发平台( c c s ) 进行软件设计，对直接转矩控 制系统进行试验研究。由于采用集成度高的控制元件，简化了控制系统的硬件结 构设计，同时提高了系统的可靠性。 本文在进行了相应的理论分析和大量的软硬件调试工作的基础上，总结出 具体的软硬件方案并加以实现，取得了较好的阶段性试验结果。 全文共分六章，内容安排如下： 第一章：首先介绍了直接转矩控制的产生和发展，指出其优越性和存在的问题， 8 江苏大学硕士学位论文 提出解决方案，然后介绍了无速度传感器技术的发展和趋势，最后提出 了本论文主要的研究问题。 第二章：介绍了直接转矩控制基本原理，异步电机的数学模型、坐标变换。在研 究直接转矩控制原理的基础上介绍了基于空间电压矢量的直接转矩控 制技术，并进行了仿真研究。 第三章：介绍了模型参考自适应理论及李亚普诺夫稳定性理论。通过对直接转矩 控制中常见的定子磁链开环计算方法优缺点的分析讨论提出一种新的 全阶磁链观测器，并构建仿真模型进行仿真研究。 第四章：采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 构造全数字化直接转矩控制系 统。介绍无速度传感器直接转矩控制系统d s p 控制板的各部分硬件结 构。 第五章：对系统实现的实时软件的编制方面进行了研究，采用c 语言完成实时软 件的编写工作，实现对电机的高性能控制。 第六章：对本文主要工作进行总结与展望。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章直接转矩控制原理 2 1 直接转矩控制基本思想 直接转矩控制技术是在本世纪8 0 年代中期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，目前已经在一些场合得到应用。实 际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机调速系统，电机磁场接近圆形，谐 波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。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 电动机的磁链和转矩。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。因此，它所需要的信号处理 工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程做出直接和 明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制采用的是定子磁场定向，只要知道定子电阻就可以把它观 测出来。而矢量控制所用的是转子磁场定向，观测转子磁链需要知道电动机转子 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动机的数学模型 和控制各物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 与矢量控制的不同，直接转矩控制是把转矩直接作为被控量进行控制，而不 是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。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，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数 学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简单，对 转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种思想不仅用于转矩控制， 也用于磁链的控制，但以转矩为中心来进行综合控制。 综上所述，直接转矩控制的基本思想就是：直接从定子边入手，运用受温度 l o 江苏大学硕士学位论文 影响较小的定子电阻，计算出定子磁链和转矩，用“b a n g - _ b a n g 控制的方法产 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。这种算法的分析在静止的定子坐标系中进行，省去了复杂的旋转坐标变换及 电流调节器。它根据每个采样周期中的瞬时误差直接控制定子磁链与转矩，将其 限制在一定容差范围之内。直接转矩控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直 接，信号处理的物理概念明确。尽管整个系统结构简单，这种控制策略却能够产 生非常快的动态响应，且没有超调，是一种具有高动静态性能的交流调速方法。 2 2 异步电机数学模型 异步电机交流调速系统的控制方式非常复杂，如果要确定最佳的控制方式， 必须对系统动、静态性能进行充分而有效的研究。作为交流调速控制系统中的一 个重要环节，异步电机的特性显得极为重要，建立一个适当的数学模型是研究其 动静态性能及其控制技术的理论基础。在研究其数学模型时常作如下假设： ( 1 ) 忽略空间谐波。设三相绕组对称，空间互差1 2 0 度电度角，所产生的磁 动势沿气隙圆周正弦分布； ( 2 ) 忽略铁心涡流，磁路饱和及磁滞损耗，认为各绕组的自感和互感都是线 性的； ( 3 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 我们将异步电动机转子绕组换算到定子侧，换算后的每相绕组匝数都相等。 因此，三相异步电动机的物理模型可用图2 1 表示 国 u e ( i b ) ，b u b ( i b b 这 、 ，i 、a 卅、 义v 、 孝 。cu c ( i c ) cu c ( i c ) au a ( i a ) 图2 1 三相异步电动机的物理模型 图2 1 中的定子三相对称绕组轴线a 、b 、c 在空间上固定，且互差1 2 0 度。 江苏大学硕士学位论文 转- f - 对称二利绕组的轴线a 、b 、c 随转于一起旋转。找1 i j 以a 布甘统组明棚线为笙 间参考坐标轴，转子a 轴和定子a 轴问的电角度为空间角变量，并规定各绕组 相电压、电流及磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这样，我们可得 到在三相静止轴系a 、b 、c 上的三相异步电动机的电压方程、磁链方程、转矩 方程和运动方程。 电压方程：三相定子绕组电压方程为： 旷泓s + 等 ( 2 1 ) 旷泓s + 等 ( 2 2 ) 轳岛心+ 等 ( 2 3 ) 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 铲似+ 等 ( 2 4 ) 铲锻，+ 等 ( 2 5 ) 驴讽+ 等 ( 2 6 ) + p 5 f ，4 vb ( 2 7 ) 式中，、甜c 、甜。、 。、“。分别为定子、转子相电压，、乇、f 。、f 6 、 t 分别为定子、转子相电流，月、疗、c 、沙。分别为定子、转子绕 组的磁链，p 为微分算子。 磁链方程： 1 2 0b七名如。0 viiijjiiiiiii业 0 0 o o o 碍 o 0 0 0 墨o 0 o 0 b o o o 0 0 0 o 0 b 0 o o 0 r 0 0 o o 0 晰咖彬如咖以 江苏大学硕士学位论文 缈j 口 缈j 6 y j c y ，口 y ，6 缈，c ( 2 8 ) 式中，l a ，l b ，l c ，l 。，l b ，l 。分别为定子、转子各相的自感，电感矩阵其他兀素分 别为定子、转子或定转子之间的互感。 转矩方程： 瓦= 瓦+ 丢鲁 ( 2 9 ) f - o 爿乞+ 屯+ i c i 。) s i n 01 t = p 。己。l + ( f 月i 6 + 如i 。+ f c i 。) s i n ( 0 + 1 2 0 。) i ( 2 1 0 ) i _ + g 月i 。+ 如乞+ 名) s i n ( 目- 1 2 0 。) j 2 2 坐标变换 异步电机的动态数学模型是实现高性能交流调速系统的关键。异步电机在 a b e 三相坐标系下的数学模型具有高阶、非线性、强耦合的特点，用传统的控制 方法无法获得较好的控制性能。由于在三相坐标系下建立的异步电机数学模型同 时含有口、b 、c 三相的电气参数和变量，公式过于复杂，给我们的计算和分析带 来了很大的困难，需要对数学模型进一步简化。从三相静止坐标系的特点来看， 这些量之间，例如厶、如、如之间，并不是相互独立的，所以我们可以通过坐标 变换将它们投影到两轴相互正交的两相静止( 筇夕坐标系上，得到相互正交的量。 由于坐标变换本身是以系统的平衡和对称为前提的，在变换的前后，两相静止 ( 筇) 坐标系中电机数学模型的电压、电流、磁链等参数与电机的实际物理参数 是线性相关的，且没有丢失电机三相系统的共性，可以达到减少电气参数和变量， 简化电机数学模型的目的。直接转矩控制采用筇静止坐标系。式( 2 1 1 ) 为从 三相坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵： 阱 1 1 1 22 o 鱼鱼 22 ( 2 1 1 ) kkkk 加 & o 协 k 三厶 肪 肪 西 协 协 协伽伽励鼬如如 加 肋 白 锄 协 切 厶三三 笳 必 叼 钌朋伽伽助伽缸 肚 船 协 船 协助助助伽伽伽 朋 删 “ 锄 伽 锄 厶三三上 江苏大学硕士学位论文 2 3 异步电机数学模型 2 3 1 异步电机数学模型 图2 2 所示为两相静止坐标系中异步电机等效电路图 图2 2 异步电机等效电路图 静止坐标系下，异步电动机数学模型的表达形式如下： 甜j 口 t s 8 甜，口 u r p r s + l s p 0 l m p o l 。 o r 。+ l ，p m l ，。 l m p 厶p 0 0 l 。p r r + lr po l r c o l ，r ，+ l ，p p 唧， 5 a s 6 r c g r p 式中：列，。，“，口，1 1 ，。，u r p 分别为定、转子电压的筇分量； t 口，k ，t ，i r p 分别为定、转子电流的筇分量； r s 、r ，分别为定子、转子电阻；功为电机角转速； 2 三所= 丢三。为两相坐标系下定子与转子同轴等效绕组间的互感； 二 l m 。为三相绕组中任意两相间的最大互感； l 。= l m + l i 。为两相坐标系中定子等效两相绕组的自感； l ，：l m + l l ，为两相坐标系中转子等效两相绕组的自感； l j 。、l j ，为定转子漏感； 静止坐标系下磁链方程为： 妙跗 v s b v r 。 v r b l 。0l 。0 0 l 。0l 。 l ，。0l ，0 0 l 。0l ， 5 口 s j o ，口 r p 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 式中：y 蛐，沙够，i t m ，沙垆分别为定子、转子磁链的筇分量； 转矩方程： t ：3 ，p 工。( j 妒j 。一i 。f 垆) ( 2 1 4 ) 运动方程： 警= 了l i p 伍一瓦) ( 2 1 5 ) 式中：t l 为负载转矩。 根据式( 2 1 2 ) 所描述的异步电机数学模型，可推导出在筇静止坐标系下，以定 转子磁链为状态变量的异步电动机的数学模型为： 丢( 荔： = 爿( 荔： + b “， ( 2 t 6 ， i ，= c 缈 ( 2 1 7 ) 式中： a = m a n ，甜 a l 严一幔s l r 沁、) i ；a 1 2 = ( rs l m i t t ) i ； a 2 1 = ( r ，l 。a ) s ；a 2 2 = 一( r ，l ，1 6 ) 1 - 1 - 缈，j ； 输入矩阵b ： 定子电压u _ l “， o 0 输出矩阵c = 万 乞三一。l 一兰脚 ；万= t t k 2 为电机漏感； 式中：r s 为定子电阻；对为转子电阻 6 0 表示电机的电角速度； l m 为定、转子互感；l s 为定子自感；l r 为转子自感； z = 醐汁畔 1 5 0 0 o o o 1 0 o 1 o o 1 o o o 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 异步电机仿真模型的建立 利用m a t l a b s i m u l i n k 现有的模型库，搭建电机仿真模型，这种模型直观、