（电机与电器专业论文）直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究.pdf

直接转矩控制技术在交流调速系统中的麻用研究 t h es t u d yo f a p p l i c a t i o no f d t ct e c h n o l o g yi na cd r i v es y s t e m 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 o l o g yi sa n o t h e rn e wc o n t r o lt h o u g h ta f k fv e c t o r - c o n t r o l t e c h n o l o g y i th a sd i r e c tc o n t r o lm e t h o d s ，i 印i dl 岱p o n s es y s t e m , e x c e l l e n ts t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es y s t e m sr o b u s t n e s si sg o o d , s od t ch a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n dh a s a c h i e v e d r a p i dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to f a cs p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e na n a l y z e st h e b a s i cp r i n c i p l eo fi n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 i td e d u c e su - ia n di - nt w ok i n d so ff l u x l i n k a g em o d e l s , a n dt h ep r o p e ra 嘲a n df e a t u r e so ft h e s et w om o d e l sa r ea n a l y z e d t h e na 珈” m o d e lw h i c hi ss u i t a b l ei nt h er a n g eo fa l ls p e e d t h e $ - 1 m o d e lf e a t u r e s ：u s i n g - nm o d e li nt h e l o ws p e e da n du - im o d e li nt h eh i 曲s p e e dr a n g e t h et r a n s i t i o nb e t ：、：v e c nl o ws p e e da n dh i 曲s p e e d c a nb es m o o t h , a st h ec u r r e n tr e g u l a t o rc a nc o m p e n s a t et h eo b s e r v e dc u r r e n t , t h ep r e c i s i o no f t h e o b s e r v a t i o ni sr a i s e dg r e a t l y t h e nt a k ee x c h a n g ee l e c t r i cl o c o m o t i v ea st h ee x a m p l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o n o f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ee x c h a n g ev e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt r * d c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，i th a sd e s i g n e dt h ed i f f e r e n tt o r q u ec o n t r o ls 们l c 画c s ： ( 1 ) d i r e c tt o r q u ec o n t r o lw i t hc i r c u l a rs t a t o rf l u xi nt h el o w - s p e e dr a n g e ( 2 ) d i r e c tt o r q u ec o n t r o lw i t hh e x a g o ns t a t o rf l u xi nt h em e , h - s p e e dr a n g e ( 3 ) t h et o r q u ei sa d j u s t e db ys e t t i n gd i f f e r e n tr e f e r e n c e so f t h e s t a t o rf l u xi nw e a k e nf l u xa l e & t h es y s t e mp o w e ri si n v a r i a b l e s i m u l t a n e o u s l yw i t ht h ea p p l i c a t i o nm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，i th a se s t a b l i s h e dt h e d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，h a so b t a i n e dt h es i m u l 面o nm s d ta n dh a s c o n f m n e dt h ea c c u r a c yo f t h i sm e t h o d f i n a l l y , n o n - v e l o c i t yg e n e r a t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e d x di sp r e s e n t e d t h et h e s i sd e d u c e s t h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o do f r o t o rs p e e db a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea ( i a p 小，es y s t e mf m r a s ) t h e s i m u l a t i o nm o d e li ss e lu pa n dt h em s u l t sa r ea l s og i v e n k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l , i n d u c t i o nm o t o r ，m a t l a b m 删m r a s n - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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，也不包含为获得沈阳工 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，l l p 学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名： 趔煮：日期：尘型：兰：兰 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 交流调速技术的发展 世界上第一台交流电动机于1 8 8 5 年问世，在交流电动机中，特别是笼式异步电动 机，其拥有的结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修等特点，使其得到了十分 广泛的应用。虽然该电动机较直流电动机只晚一年问世，但是直到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响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调 速系统。交流电动机，主要指笼式异步电动机和同步电动机。它主要用于不需要变速的电 力传动系统中，其原因是：( 1 ) 不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频 率调速最为方便，而且可以获得优异的调速特性。而大容量的变频电源却在长时期内没有 得到很好的解决：( 2 ) 异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路定子绕 组，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均 可方便地控制电动机的转速i l j 。 然而，自2 0 世纪5 0 年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术革命一将 原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵和维护麻烦 的直流电动机。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，并有取代的趋势。 交流电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。在交流调 速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主 干内容囝。变频装置有交一直一交系统和交一交系统两大类；交一直一交系统在传统电压 型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制( p w m ) 型变频器和多重化技术方向发展，而 交一交变频器应用于低速大容量可逆系统有上升趋势。 交流调速技术的发展是与电力电子器件和交流调速控制理论的发展分不开的，电力电 子器件的发展促进了交流调速理论的发展，而交流调速理论的发展又对电力电子器件提出 宜接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 了更高的要求。随着现代控制理论、新型大功率电力电子l l 导4 t l = 、新型变频技术及微型计算 机数字控制技术在实际应用中相继取得重要进展以及市场对交流传动需求的增加，交流调 速技术取得了飞速发展。 1 2 交流调速技术发展的动力 交流调速之所以能够大举的进入电气传动的各个领域，并得到迅速的发展，主要有以 下三个原因【3 】： 1 2 1 直流电动机应用困难 直流电动机由于机械式换向器这一致命的弱点，从而给直流传动的应用带来了一系列 的限制。一是换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值，约束了单台电机的转 速、功率上限。超过这一极限时，就只能采取多电枢方案，这就增加了电机制造的难度和 成本以及调速控制系统的复杂性。有些特高转速、特大功率的场合贝根本无法用直流电动 机方案来实现。二是由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一般都做得比 较大，因此电机的转动惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或是在安装场上有尺 寸要求的场合是很不利的。三是换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察换向 器的火花情况。因此，在一些恶劣的条件下或人员难以接近的工作场所，使用直流电机就 很难保证长期运行的安全性。由于这样的限制，使得人们长期以来一直孜孜以求地探索用 没有换向器的交流电机实现调速来取代直流电机，突破它的限制。 1 2 2 采用交流调速更有利于节能 7 0 年代初出现的世界性石油危机，迫使人们千方百计寻找各种节能的途径，以减小对 石油的依赖及其他能源的浪费。而用于电机的电能占电能总消耗的6 0 ，因此有效地利用 电动机，改进其运行性能，根据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节省电能 的一个重要手段。因此，各种风机、水泵、压缩机等类的电气传动系统也理所应当地成为 人们关心的主要对象。由于这类机械采用恒速交流电动机驱动，用闸阀、挡板、放空、回 流等方法实现流量的调节，造成电能无谓的损耗。如果采用改变电机转速的办法来实现流 量的调节，则由于轴功率是与流量的三次方成正比，因此可收至u 十分明显的节能效果。由 于全世界都面临着能源危机，节能已经成为许多先进技术的首要评定标准，直流电机由于 沈阳工业大学硕士学位论文 换向器的存在使其在节能方面的性能远远低于交流电机。目前，交流调速已进入逐步替代 直流调速的时代。 1 2 3 电力电子器件的发展 电力电子器件是近代交流传动的基础和支柱，传动技术的发展总是随着器件的发展而 发展的。任何一种新器件的问世，都使交流传动技术向前推进一步【4 】。总的来说，电力电 子器件的发展经过了三个阶段例： 2 0 世纪5 0 年代中期出现的晶闸管和后来发展的快速晶闸管，是第一代电力电子器 件。它是一个半控型器件，工作频率低，一般采用电网电压强迫换流，这样就会对电网和 被驱动电器造成谐波损耗，构成的逆变系统复杂。 2 0 世纪7 0 年代中期出现了集成度和工作频率高、功能强的全控型电力电子器件。如 大功率晶体管( o t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、场效应晶体管( m o s f e t ) 及静电感应晶体 管( s i t h ) ，这些都是第二代电力电子器件o t o 是除i o c t 外目前容量最大的电力电子器 件( 6 0 0 0 凡4 5 0 0 v ) ，它的最大缺点是，关断损耗太大( 为导通功率的2 0 以上) ，还必须要 有专门的吸收电路，因此，其开关频率不能太高： g t r 具有工作频率高、通态压降低的 优点，但存在二次击穿和耐压难以提高的缺点，一般用于中功率下；s h h 的通态低、工 作频率高、开关损耗小，但由于制造工艺复杂，成本较高：m o s f e t 的开关速度可以很 高，无二次击穿问题，但通态电阻大，一般用在小功率范围内使用。 为了综合g t r 和m o s f e t 的优点2 0 世纪8 0 年代初，美国r c a 和g e 公司研制成 功了一种绝缘门极晶体：t 堂( i g b t ) ，这种器件有很高的门极阻抗，允许使用逻辑电平信号， 并有反向阻断能力。其电流密度比m o s f e t 大1 0 倍，开关时间只有2 炉，其工作频率可 达5 0 k h z 。与此同时，美国科学家又研制成功了一种m o s 驱动g t o 器件，称之为m c t 的功率控制晶闸管( m o s - c o n t r o l l e d - t h g r i s t o r ) 。其主要优点是：电流、电压的容量更太( 电 流的密度是g t r 的3 0 倍) ；d d t 和d u d t 的耐量值更高( 分别可达2 0 0 0 a 陋， 2 0 0 0 0 v l a s ) ；开关速度更快( 关断时间2 归) ，能大幅度地减小驱动功率。这些复合器件， 构成了电力电子器件第三代产品1 4 。 近十年来，智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，i v m ) 的发展速度非常迅速，种类 也很多。该模块将电力电子器件、触发驱动、过电流保护、过电压保护、过热保护及故障 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 监测等功能集于一体，有的专用触发模块还具有隔离功能，可大大减少硬件电路的设计， 是一个发展潜力很大的集成器件。它的主要不足是容量不太大，价格也较高。 以上三个推动因素分别作用到交流电动机调速技术上，形成了三条有侧重的发展轨 迹。第一条是以取代直流电机调速系统为目标的高性能交流电机调速技术：第二条是以节 能为目的的在风机、水泵、压缩机类机械中实现简单易行、性能要求不高的调速技术；第 三条是具有优良的调速能性。它可带来节约能源、减少维修费用、节省占地面积等优点， 尤其是在特大容量、特高转速或工作于恶劣环境时，更显前景优越。 1 3 交流调速的控制理论 伴随着新型大功率电力电子器件的发展，交流电机调速的控制理论及技术也得到了发 展。目前实用的交流调速系统控制方法，主要有以下四种 6 】： ( 1 ) v f 控制 v f 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过在控制过程中始终保持为常 数，来保证定子磁链的恒定。然而v f 控制是一种开环控制，速度动态特性很差，电机转 矩利用率低，控制参数( 加、减速度等) 还需要根据负载的不同来作相应的调整，特别是低 速时由于定子电阻和逆变器电力电子器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。 ( 2 ) 滑差频率控制 滑差频率控制引入了速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或下降，与v f 控制相比，加速、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但滑差频率控制并未能实施对瞬时 转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态性能。 ( 3 ) 矢量控制 1 9 7 1 年，德国西门子公司f b l a s c h k e 等提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，美 国的p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。这两项 研究成果是磁场定向矢量控制调速技术的基本原理。它是以坐标变换理论为基础，参照直 流电机里磁场( 励磁电流) 移电枢电势( 转矩电流) 在空闻相互垂直，且可以分另q 独立控制的特 点，把交流电机定子电流分解成励磁电流分量和与之相垂直的转矩电流分量，通过对励磁 电流分量和转矩电流的分别控制，就可以有效地控制电机所产生的转矩，使系统具有良好 的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，是交流 沈阳工业人学硕士学位论文 传动控制理论上一个质的飞跃。但是矢量控制需要进行大量复杂的坐标变标变换计算，对 实时控制带来一定的难度。在采用转子磁链定向的矢量控制中，需要电机转子参数，即转 子电阻和转子电感，而转子电阻会随温度而变，转子电感会随饱和程度而变，所以控制精 度及系统的动静特性受转子参数变化的影响很大。 ( 4 ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国的m d c p e n b r o c k 教授提出了直接转矩控制方法。直接转矩控制是继矢 量控制后的又个重大发展。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，简单地通过检测 到的定予电压和电流，直接在定子坐标系下计算电机的磁链和转矩，并根据反馈计算值与 给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。它省掉了电机坐标的旋转变换，使 电机数学模型的计算得到简化，使控制手段更直接。这种控制系统的转矩响应迅速，是一 种具有优良静、动态特性的交流调速方法。 近年来对异步电机的直接转矩控制的研究异常活跃。由于高性能数字信号处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c , c s 9 0 r ，d s p ) 、微处理器和专用集成电路( a p p u c a t i o ns p e c i f i ci n t c g r a t e d c i r c u i t ，a s i c ) 的支持，各种现代控制算法也日益广泛地应用到交流调速系统中。其中，自 适应控制是一种比较常用的方法。它包括自调整、模型参考自适应控制( m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v ec o n t r o l ，m r a c ) 等。这些方法有助于提高系统的鲁棒性，但控制响应速度较慢， 往往难以满足调速系统的实时性要求。有些学者也讨论了滑模变结构控制在交流调速系统 中的应用。这种控制系统是使系统结构在动态过程中根据系统当时的偏差及其导数以跃变 的方式作预先设定的改变，使系统达到最佳性能指标，并使系统具有对参数的不敏感性和 抗干扰的鲁棒性，对系统的数学模型和参数的精确性要求不高。实际上它解决了非线性控 制的问题，但这种方法对状态观测要求很高 刀。 此外，随着现代控制理论的发展，一些智能控制理论也应用于交流调速系统中，如人 工神经网络、模糊控制、模糊神经网络、遗传算法等。智能控制与传统的经典、现代控制 方法相比，具有不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，继承了人脑思维的非线性等 一系列的特点。智能控制可以在不精确性和不确定性问题中获得可处理性和鲁棒性，因此 在电气传动系统中，为了得到高精度、高性能、强鲁棒性的新型交流调速系统、将智能控 制引入交流传动系统中，可以简化系统的结构，能够提高整个交流传动系统的可靠性。 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应埘研究 1 4 交流调速技术的发展趋势 尽管人们很早以前就致力用交流电动机调速的研究，但是由于不具备理论基础以及物 质条件所限，以至于长期以来未能取得突破性进展。进入7 0 年代，当现代控制理论、新 型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数学控制技术等在实际应用中相继 取得了重大进展的时候，才为交流电动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础，此后的 高性能交流调速技术取得了飞速的发展。在不同的年代，交流调速技术经历了变频控制技 术、转差率控制技术、脉宽调制技术、矢量控制技术及直接转矩控制技术。各种控制技术 的不断发展和完善，极大地推进了交流调速系统的应用与发展。 1 4 1 直接转矩控制技术的产生 直接转矩控制变频调速技术d t c ( d i r e c tt o r q u e - c o n t r 0 1 ) 是8 0 年代中期提出的又一 转矩控制方法。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用电压矢量分析方法在定予坐 标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪得出p w m 逆变器的开关状态切换的依据从而直 接控制转矩【8 ，绷。自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交 流调速系统在静、动态性能上能与直流传动相媲美的问题1 9 1 。矢量控制技术模仿直流电动 机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机转速和磁链控制的 完全解耦【10 j 。它的提出具有划时代的重要意义，其所达到的静态精度和动态响应并不亚于 直流控制系统的指标。然而，在实际上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，这是矢量控制技术的不足之处。1 9 8 5 年，由德国 鲁而大学的德彭布罗克( m d e p e n b r o e k ) 教授首次提出了直流转矩控制的理论i l l l ，接着 1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围f 1 2 】。不同于矢量控制技术，直接转矩控制技术有着自己的 特点。它在很大程度上解决了矢量控制技术中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的 影响、实际性能难于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以及提升机的大功率交流传动 机上，德国、日本、美国都竞相发展此项新技术，目前已取得较大发展。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 2 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制相对于其它控制方法具有以下特剧1 3 1 田： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩 和磁链。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、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化等复 杂计算。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 动机的物理过程能作出直接和明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它检测出 来。而矢量控制的磁场定向所用的是转予磁链，观钡4 转子磁链需要知道电动机转予电阻和 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其各 物理量，使问题简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，它包含有两层意思：直接控制转矩 和转矩的直接控制。直接控制转矩与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、 磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力 获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨道。相反，从控制转矩的角度出发， 它强调的是转矩的的直接控制效果，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直接控 制。其控制方式，通过转矩两点式调节器或三值讽节器把转矩检澳9 值与转矩给定值作带滞 环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，医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情况。它的控制既直接又简化。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。但总体是以转矩为中心来进行综合控制。 综上所述，直接转矩控制技术采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( b a n d - b a n d 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。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理量概念明确。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1 1 5 】。 1 5 异步电机直接转矩控制技术研究方向 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出了基速i 下的异步电机的“转矩 直接自调整( i ) i r e c tt o r q u es e l f - c o n u o l ，d s c ) ”方法。接着1 9 8 7 年把它推广至弱磁调速范 围。直接转矩控制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变 化的影响，实际性能难于达到理论分析结果等一些重要问题。故自从直接转矩控制理论闯 世以来，各国学者都对此作了大量工作，取得了一些成就。但还存在一些亟待解决的问 题。 ( 1 ) 磁链轨迹问题 m d e p e n b r k 在提出直接转矩控制理论之初所实现的系统，其定子磁链轨迹是按六边 形运动的，六边形分别对应六个非零电压矢量，可简单地切换六个工作状态，直接由6 个 非零电压矢量完成六边形磁链轨迹控制，磁链控制环节简单开关动作次数少，开关损耗也 小【1 6 1 。但是六边形磁链方案的电流脉动大，转矩脉动、噪声都比较大。故只在某些大功率 领域( 开关频率、开关损耗均有较大限制) 的场合予以考虑，目前这方面的研究工作主要集 中在德国，并且还有在兆瓦级电力机车牵引上成功应用之报导。1 9 8 6 年日本i t a k a h a s h i 等 人提出了使定子磁链近似圆形的直接转矩控制方法【1 7 1 。由于感应电机由三相对称正弦波供 电时，电机气隙磁势为圆形，此时电机损耗、转矩脉动和噪声最小，故在中、小功率场合 人们趋向于采用圆形磁链方案。 ( 2 ) b a n g - b a n g 控制策略及p w m 开关策略 德国的m d e p e n b r o c k 和日本的1 t a k a h a s h i 采用的是双滞环b a n g - b a n g 控制策略，即 由转矩偏差疋( 疋= 瓦+ 一瓦) ，定子磁通幅值偏差及定子磁链相位的鼠的值直接 由几何方法得到开关状态，一旦疋、赐越过预先设定的滞环宽，逆变器的开关状态即 能发生变化以实现对转矩瓦及定子磁链鬈的及时调节。此种方案能真正将疋、虹限 制在给定值附近较小的范围内，而且在每个采样周期乃嘲内仅作用一个电压矢量，系统 控制起来十分简单，转矩响应快速性好。但是此种方式下，每个电压矢量的工作周期完全 沈阳工业大学硕士学位论文 越过带宽边界的瞬时决定，这会导致可变的开关频率引起噪声。为了使疋、处于限 定的范围内，系统必须有很快的采样频率，否则当昂 太长时作用的某一个电压矢量可 能使得疋、在昂蹦内走得太远而远离了设定范围。这就要求微处理器有极高的运算 速度。随后t g h a b e l t e r 等提出了一种预前控制法，即根据当前的转矩、磁链以及反电动 势，在一个固定的采样周期下，选择计算下一个所要施加的空间电压矢量，其是以正、 只无超调为原则【堋。此种控制方法使得开关频率恒定，减少了噪声，同时实现了瓦、 快速无超调控制，但此种方法算法复杂同时存在低速性能问题。 ( 3 ) 低速下定子电阻的估算问题 在低速甚至零速时由于定子线圈的反电动势很小，低速下定子电阻的压降是电机上压 降的主要部分。这样即使对定子电阻估计的微弱偏差就会导致定子磁通的幅值，定子磁通 矢量的位置及电磁转矩的错误估算。从而导致控制系统的性能变差。针对这一问题，许多 学者提出了解决方案【1 9 - 2 4 。如在操作过程中运用状态观测器、p i 调节器，用模糊控制、神 经网络等估算定子电阻随温度的变化。而f r a n c e s c ob o n a n n o 则提出应用定子电压的三次谐 波估算气隙磁通和转矩，整个估算独立于电机参数，尤其是定子电阻的参数，从而提高了 系统在低速下的性能嘲。 ( 4 ) 对无速度传感器的研究 在现代交流传动中为达到高精度转速闭环控制，速度传感器是必不可少的，但是有时 速度传感器的安装增加了整个传动系统的费用，而且存在安装不便，低速下传感器精度降 低及在恶劣条w f 不适合安装等问题，故人们常希望在不降低系统性能的情况下取消速度 传感器，采用的方法是应用定子的电压和电流估算异步电机的转速。1 9 8 9 年，德国学者 u w eb a a d e r 等人将无速度传感器引入直接转矩控制系统中。无速度传感器的直接转矩控制 结构上更为简单，已经成为直接转矩控制系统研究的重要内容之一嘲。 ( 5 ) 全数字化问题 d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 名e 结构上特别适合于全数字化控制，但是对实时性要求很 高。不过各种高性能高速微处理器和控制器，特别是高速数字信号处理器( d s p ) 的出现， 使得全数字化的交流传动系统成为现实。目前普遍采用的d t c 数字化系统方案是应用普 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 通单片机完成系统常规性操作如键盘、显示系统操作等控制，而应用d s p 芯片完成实时性 要求很高的直接转矩控制的计算阢2 s l 。 论文的主要工作： 首先通过对异步电机数学模型的建立、直接转矩控制的原理、异步电机磁链观测模 型、转矩观测模型的介绍，推导了三种定子磁链的观测模型，并在全速范围内的应用。 直接转矩控带4 技术，其控制手段直接，系统的响应迅速，具有优良的静、动态特性， 系统的鲁棒性好，因而受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。本论文的第4 章介绍了直 接转矩控制在交流传动电力机车中的应用，并根据电力机车的牵弓 特性设计了不同区域的 控制策略。 第5 章通过m a n ，a b s 小i ，姗 软件包建立了异步电机的仿真模型，对交流电力牵 引直接转矩控制系统进行了仿真设计，验证了该方法的正确性。 最后介绍了无速度传感器的直接转矩控制系统，给出了基于模型参考自适应方法转子 速度辨识模型，并通过了仿真验证。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 异步电机直接转矩控制的基本原理 本章主要完成异步电机和w 疆型逆交器数学模型的建立以及电压空间矢量概念的介 绍，然后推导圆形磁链和六边形磁链直接转矩控制的基本工作原理。 2 1 异步电机数学模型的建立 由于异步电机直接转矩控制系统中采用空间矢量的分析方法，因此建立的异步电机的 数学模型应该是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在建立其数学模型时应做以下 假定： ( 1 ) 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中正弦分布。 ( 2 ) 电机铁芯的导磁系数触为无穷大，不考虑铁芯饱和的影响，从而可以利用叠加原 理来计算电机各个绕组电流共同作用下产生的气隙合成磁场。 ( 3 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响，无论绕线式还是鼠笼式的，都将它等 效为绕线转子，并折算到定子侧，折算后每相匝数都相等 依据这样原则建立的异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方 程组成。整篇论文中采用的是图2 1 所示的 、d 、o ) 坐标系并取a 轴与a 轴重合。 在对异步电机分析和控制时，均需对三相进行分析和控制。在此，引入p a r k 矢量变 量，将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 二维) 。即从三相坐标变标中，选三相定子坐标系中 的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴a 轴重合可得图2 1 的m 、b 、o ) 坐标系。 圈2 1a ，b 。c 坐标系与a 、e 坐标系的关系 f i g2 1t h er e l a t i o nb e t w e e na ，b ca n do 、pc o o r d i n a t es y s t e m 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 三相坐标 b ，c ) 到两相坐标 、p 、o ) 变换矩阵为： c ：三 3 l 一三一1 22 o 巫一鱼 22 与三相物理量五( f ) ，五，x x t ) 对应的p a r k 矢量 丽= 防) 陋( r ) + p x b ( t ) + p 2 x o ( r ) 式中p 一复系数，旋转因子p = 一1 矿 电机中电压、电流和磁链矢量分别定义为： 二= ( ) ( + p u b + p 2 虬) ；= 防) ( + 砘+ 矿) 歹= ( ) ( 虬+ p + p 2 虬) 则静止坐标系下的异步电机矢量方程如下： 1 ) 电压方程： e = e + p ，西) o = r ，x i , + ( d 出) y ，- j c o , v ， 2 ) 磁链方程： z = 丘i + k i 万= 厶x i + 一j r 3 ) 转矩方程： 互= ( ) 只暇i ) = ( ) 最旺7 r ) 4 ) 运动方程： ( 经) ( 嘲，出) = i 一巧 其中： ( 2 1 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 置、l 定子电阻、自感； 五，、转子电阻、自感； 乙定转子互感； 缸电机转子电角速度； 电机的极对数； e 电机电压矢量； 、电机定子的电流矢量及磁链矢量； 、 电机转子的电流矢量及磁链矢量； z 、巧电机的电磁转矩和负载转矩， - ，转动惯量； p 微分算子。 将其投影至( n 、卢、口) 轴上可得 吃 o r s + l s p o l m p q 厶 p 么 中8 s 虼， g p r 0 r | + l s p m ，l 。 k p t 0 0 丘 厶0 0 k 厶p 0 r r + 毛r p 一缉 k 0 0 k 0 0 t o l 。p ，l ， r s + l s p o t n k ， 1 b r k l d | o l 。r ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) z = ( ) 只( 么一o ) ( 2 1 4 ) 以上异步电机的数学模型描述了电机各个状态量之间的关系，不但可用于电机的稳态 分析，也可用于电机的暂态分析。本论文中用到的相关公式均是在此电机模型的基础上推 导的。 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 2 2 逆变器数学模型的建立及电压空间矢量的概念 直接转矩控制系统中采用的是、厂、n 傅型逆变器t 2 9 1 。对于三相2 点式w v f 型逆器的 简化如图2 2 所示。 一 1 j i 上 l 一 ( ，1 耳。则表明电机处于暂态过程可取： 耻耳一焘 耻x 彘 瓦= o 以下以选择k ( 0 11 ) 、k ( 0 0 1 ) 为例说明p w m 的各相的开关情况a ( 4 3 3 ) ( 4 3 4 ) ( 4 3 5 ) “3 6 ) ( 4 3 7 ) ( 4 3 8 ) ( 4 3 9 ) 从图4 8 可知，由于采用了间接转矩控制，即使死、瓦：很小，也不会受开关器件最 小开通时间的限制。其中每一个耳。周期内( 0 0 0 ) 、( 1 1 1 ) 这两个零电压矢量各作用瓦2 时间。 图4 8p w m 开关波形图 f 毽4 8p w mw a v e f o r mm a p 一3 7 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 以上在理论上给出了直接转矩控制技术在交流传动机车上的应用策略，根据不同的速 度范围，提出了不一样的控制方法，这种结果是否正确，将在第5 章加以仿真验证。 沈阳工业大学硕士学位论文 5 直接转矩控制系统的计算机仿真 对系统的应用研究通常采用理论分析、仿真研究和实验研究这三种方法。理论分析即 是应用一些基本物理规律对要进行分析的物理系统写出表达其运动规律的数学方程式，然 后对方程式进行理论计算，得到解答进而分析系统的品质特性等，但理论分析的缺点是比 较烦琐，并且有时难以得到理想的答案；实验研究则需要对真实的系统进行测试试验，但 要改变成型的参数很困难，有时也不可能进行具体实验。因此目前大多数通过对系统模型 而不是实际系统的研究，即仿真研究，来验证理论方法的正确性，这种方法在工程研究中 得到越来越广泛的应用。 5 1m 蛆。a b s 汛删k 仿真软件介绍 计算机仿真软件很多，在不同的系统中采用不同的仿真软件，例如：面向电路设计的 s p i c e 和p s p i c e ；用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件e m t p ；面向控制系统的仿真 软件包m a t l a b 、s a b e r 、s i m o n 等。 s a b e r 仿真软件是一种高性能标准仿真工具，比其它线路仿真软件如s p i c e 功能更 强。它能仿真模拟电路、数字电路、机械电气设计、控制系统或化学反应等复合技术组成 的系统。事实上，只能用变量时，如电压一电流，角速度转矩来表达的方程，s a b e r 都能仿真。因而它很适合于设计、仿真有电力半导体器件、吸收电路、电机和控制器组成 的电力电子传动系统。 m a t l a b 是美国的c l e v e rm o l e r 博士1 9 8 0 年研制的由m a t h w o r k s 公司在1 9 8 4 年推出 正式版本。随后于1 9 9 3 年推出4 0 版本，1 9 9 4 年推出了4 2 版本，1 9 9 6 年推出5 0 版本， 1 9 9 7 年推出5 1 版本。目前m a t l a b 己成为国际控制界最流行也最重要的软件，它除了 传统的交互式编程之外，还提出了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理 方便的w i n d o w s 编程等便利工具。此外，控制界的许多学者将自己擅长的c a d 方法用 m a t l a b 加以实现，出现了大量的m a t l a b 配套工具箱，如控制界最流行的控制系统工 具箱，系统辨论工具箱，鲁棒控制工具箱，多变量频域数据工具箱，h 分析与校正工具 箱，神经网络工具箱，最优化工具箱，信号处理工具箱以及仿真环境s m i i h 舢 0 ，7 0 2 为任一有限正数； 那么有嫩e ( f ) = 0 ，即模型参考自适应系统是渐进稳定的。 为了利用上述定理进行系统设计，首先将并联模型表示成式( 6 1 2 ) 所示的等价非线性 时变反馈系统。 p = a p e l e a y = d e( 6 1 2 ) 式( 6 9 ) 式( 6 1 0 ) 对庄e ( 6 1 2 涓t ： ；( 盖一彳 ；， c 6 ， 取d = i ，则1 ，= l e = f 。 首先，易证曰p ) = d ( 豇一4 ) - 1 为严格正实矩阵：其次，取比例+ 积分型自适应律 为： q = f g ( v , t , r ) d r + 唬( v ，f ) + q ( o ) ( 6 1 4 ) 则： 们f o ) = f v 7 础= h “卜出= f 。( i q 7 匕书出却是 其中。 直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用研究 s = r f 萌( v ，r ，r ) d r + 矗( 。) 一q 7 o1 1 每，出 s = r 唬( k r 弘7 o 苫 每，毋 可以证明，对于任意系数毛、如o ，若取： 有： 帆f ) - 妒 0 书= 南( t 吒 沲 晚( v ，) = 岛， ? 1 1 ，= 七2 ( 、王，咿童一一甲。巾 c 6 7 ， 叩( o ，f o ) = r ，砌= s + 是一蚝2 ，2 为某一正常数。