（车辆工程专业论文）三相异步电动机定子磁通在线观测方法研究.pdf

摘要 摘要 直接转矩控制是继矢量控制之后提出，并与之并行发展的一种新型的高性能的交流 调速传动控制技术。直接转矩控制技术的基本思想是利用空间矢量的分析方法，直接在 定子坐标系下通过对定子磁链的控制实现对转矩的控制，以获得转矩的高动态性能。该 控制方法思想新颖，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 的交流调速方法。 由于直接转矩控制系统是通过对定子磁链的控制来实现对转矩的控制，所以定子磁 链的准确观测是保证直接转矩控制系统性能的关键。本论文在对异步电动机定子磁链观 测器和直接转矩控制系统理论研究的基础上，对定子磁链的观测方法进行了分析。首先， 为保证磁链的准确观测，对电机基本状态参数( 如电流、电压) 的采集和处理方法进行 了研究；然后针对目前直接转矩控制常见的磁链观测器u i 模型，i - n 模型等存在的不足， 提出了一种基于模型参考自适应( m r a s ) 的闭环磁链观测器，根据异步电机在口、 坐标系下的状态方程，设计了以么、么、，、y 肛为状态变量的基于m r a s 的定子磁链 观测器，对电机实测电流和由定子磁链观测器推算出的电流进行比较，并利用p i 调节 器进行调节，从而达到磁链准确观测的目的；再次，对基于m r a s 定子磁链观测器的 直接转矩控制系统的结构和算法进行了分析，结果表明本文设计的磁链观测器的实时性 能够满足直接转矩控制系统的需要。 最后本文在对直接转矩控制工程实现方法分析的基础上，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了基于m r a s 的定子磁链观测器的直接转矩控制系统的 仿真系统并对其性能进行分析，结果表明此系统具有良好的静、动态性能，能够保证较 高的准确性和精度。 基于m r a s 定子磁链观测器的直接转矩控制系统的性能分析表明：本文提出的基 于m r a s 法的定子磁链观测器能够应用在直接转矩控制的实时控制系统中，具有较高 的工程实用价值。 关键字：直接转矩控制( d t c ) ：磁链观测器；u p , a s ；m a t l a b 仿真；实时性 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed i r e c tt o r q u es y s t e m ( d t c ) i sah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lm e t h o dw h i c hh a sb e e n p u tf o r w a r da f t e rv e c t o rc o n t r o la n dd e v e l o p e dt o g e t h e r 、析t 1 1i t t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd t c i s u s i n ga na n a l y t i c a lm e t h o do fs p a c ev e c t o rt oo b s e r v ea n dc o n t r o lt h et o r q u eo fa s y n c h r o n o u s m o t o ru n d e rt h es t a t o rc o o r d i n a t ed i r e c t l y ，i no r d e rt oa c h i e v eh i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t o r q u e d t ci san o v e lm e t h o dw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dd i r e c tc o n t r o lm e t h o d a sa cd r i v e c o n t r o lt e c h n i q u e ，i th a sh i g hs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i nd t cs y s t e m ，c o n t r o lo ft o r q u ei sa c t u a l i z e db yc o n t r o l l i n gt h es t a t o rf l u x ，s ot h e a c c u r a t eo b s e r v a t i o no fs t a t o rf l u xi st h eb a s i co fg u a r a n t e et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i s t h e s i s ，t h em e t h o do fs t a t o rf l u xo b s e r v a t i o nh a sb e e na n a l y z e db a s e so nt h es t u d yo fs t a t o r f l u xo b s e r v a t i o nt h e o r yi na cd r i v ea n dd t cs y s t e m f i r s t 。t oa s s u r et h ea c c u r a c yo ff l u x o b s e r v a t i o n , t h i st h e s i ss t u d i e st h em e t h o do fb a s i cm o t o rs t a t ep a r a m e t e r s ( s u c ha sc u r r e n t ， v o l t a g e ) a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h e n , i na l l u s i o nt ot h es h o r t a g eo fc o m m o nu im o d e l a n di - nm o d e l ，ac l o s e d 1 0 0 pf l u xo b s e r v e rb a s e so nm r a sh a sb e e np u tf o r w a r d t h e o b s e r v e ri sd e s i g n e db a s e so nt h es t a t ee q u a t i o no fa cm o t o ri n o - 8c o o r d i n a t es y s t e m ， u s e s i s 、i 重s 、v s 、v8 s a ss t a t ep a r a m e t e r s ，c o m p a r e st h er e a lc u r r e n tt ot h eo b s e r v e dc u r r e n t o u t p u r e db yf l u xo b s e r v e r ，u s e sp ig e n e r a t o rt oa d j u s tt h e m ，t h e r e b ya c h i e v e st h ea c c u r a t e o b s e r v a t i o n t m r d l y t h et h e s i sa n a l y z e st h es t r u c t u r ea n da r i t h m e t i co fd t cs y s t e mw i t h m r a ss t a t o rf l u xo b s e r v e ri ni t , d e m o n s t r a t e st h a tt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ff l u xo b s e r v e r d e s i g n e di nt h i sp a p e rc a ns a t i s f yt h en e e do fd t cs y s t e m f i n a l l y b a s e so nt h ea n a l y s i so fd t cs y s t e m m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei su s e di n t h i st h e s i st oc o n s t r u c tas i m u l a t i o nd t cs y s t e mw i t hs t a t o rf l u xo b s e r v e rb a s e so nm r a si n i t ，a n dt h e na n a l y z e si t sp e r f o r m a n c e 1 1 1 er e s u l t sd e m o n s t r a t et l l a tt h i ss y s t e mh a sh i g hs t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc a ng u a r a n t e et h ea c c u r a c y t h ea n a l y s i so fd t cs y s t e mp e r f o r m a n c ew i t h1 、保ass t a t o rf l u xo b s e r v e rh a s d e m o n s t r a t e d ：t h es t a t o rf l u xo b s e r v e rb a s e do n i ra sp u t sf o r w a r di nt h i st h e s i sc a nb eu s e d i 1 1d t cr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：d t c ；f l u xo b s e r v e r ；m r a s ；b l a t l a bs i m u l a t i o n ；r e a lt i m ep e r f o r m a n c e h 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬壅通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 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、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：弓1 o 圆d导师签名：猁必胜 日期： 沙岳年占月7 日日期：泖9 年月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：南京浦镇车辆厂电话：1 3 4 7 8 5 8 1 4 7 0 通讯地址：南京浦镇车辆厂邮编：2 1 0 0 3 1 电子信箱：l i u x i a o j i n g y o u 16 3 t o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 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 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 3 ) 嘭l 驹 日期：彦年乡月、7 日 绪论 绪论 近年来，随着电力电子技术、计算机控制技术、自动控制理论的迅速发展，电气传 动技术正在进行着一场变革，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制取代模拟控制 技术。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、 推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高 功率因数、节电效果和广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途 的调速方式。 一、变频调速技术的发展概况 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和驱动装置三部分组成。在我国6 0 的 发电量是由电动机消耗的，因此调速传动作为一个重要的行业，一直得到国家的重视， 目前已有一定的规模【1 1 。电气传动技术以电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以 电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动自动控制系 统，控制电动机转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或往复运 动。 电动机可以分为直流电动机和交流电动机。它们各有优劣：直流电动机控制简单， 很长一段时间以来，直流电动机由于其转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，因 此在高性能可调电气传动领域中占统治地位。但是，直流电动机结构中存在换向器、电 刷等结构，使其在单机容量、转动惯量以及维护等方面受到限制，不能满足大型化发展， 难以在快速性、可靠性等方面进一步提高的要求。而交流电机因结构简单、坚固耐用、 运行可靠、制造成本低，易于维护、可工作于恶劣环境等优点，在工业领域得到了广泛 的应用。但是，由于异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统，要实现 对其控制相对困难，早期的研究没有很好的方法解决其控制问题。然而在近几十年里， 随着电力电子技术、微电子技术以及自动控制理论的不断发展，诸多新型电机控制技术 不断被提出，使变频技术能更好地实现对交流电机的调速，因此用交流调速取代直流调 速正逐步变为现实1 2 j 。 二、交流传动技术是轨道车辆电力牵引发展的必然趋势 与直流传动机车相比，交流传动具有无可比拟的优越性，这已经在各国铁路运输系 统中得到了广泛的验证。交流传动所用的三相交流异步电动机比直流电动机的功率体 积比和功率重量比更大，无需经常维护，故障率低。异步电动机的恒功率区比直流电 动机大许多，转速更高，起动牵引力大，持续功率大，有利于实现重载和高速牵引。交 流传动可以很容易地实现电气制动，大大减少制动闸瓦的消耗，并可以利用制动时反馈 大连交通大学工学硕+ 学位论文 的能量，起到节能的作用，经济效益显著。另外，交流传动机车的一个突出的优点在于 其优良的粘着特性，由于异步交流电动机变频调速系统具有很硬的机械特性，车轮更不 容易空转。交流传动电力机车牵引和再生工况的功率因数均接近于1 ，不仅降低了电网 损耗，而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网，减弱了电网对信号和通信系统的 干扰。再者，机车采用交流牵引异步电动机后，簧下重量大大减轻，改善了轮轨动力学 性能。随着磁场定向矢量控制和直接转矩控制等高性能异步电动机控制策略的应用，交 流传动机车的调速性能得到了大幅度提蒯3 1 。 由于具有以上优点，因此，交流传动代替直流传动己经成为机车电气传动技术发展 的必然趋势降驯。 三、本论文主要完成的任务 直接转矩控制系统是目前应用较广的一种异步电机控制方式，其中心思想是通过对 定子磁通的观测及控制实现对电磁转矩的有效控制。由于定子磁链= 定子磁通线圈匝 数，所以本文主要是对定子磁链进行观测。本论文在对异步电动机定子磁链观测器和现 代控制理论研究的基础上，针对定子磁链的观测方法进行了分析。首先，对定子磁链观 测需要的电机基本状态参数( 如电流、电压) 的采集和处理方法进行了研究；然后针对 目前直接转矩控制常见的磁链观测器u i 模型，i - n 模型等存在的不足，提出了一种基于 模型参考自适应( m r a s ) 的闭环磁链观测器，根据异步电机在甜、坐标系下的状态 方程，采用了以么、么、少毋为状态变量的磁链观测器，构建了异步电机基于m r a s 的定子磁链观测器模型，对电机实测电流和由定子磁链观测器推算出的电流比较并进行 调节，从而达到自适应磁链观测的目的；再次，对基于m r a s 定子磁链观测器的直接 转矩控制系统的结构和算法进行了分析，结果表明本文设计的磁链观测器的实时性能够 满足直接转矩控制系统的需要。 最后本文在对直接转矩控制工程上的实现方法分析的基础上，利用 m a t l 蝠s i m u l i n k 软件建立了基于m r _ a s 的定子磁链观测器的直接转矩控制系统的 仿真系统并对其性能进行分析，结果表明此系统具有良好的静、动态性能，能够保证较 高的准确性和精度。 2 第一章异步电机的主要控制方法 第一章异步电机的主要控制方法 交流调速的本质是随交流电动机的准确控制，而对电动机的各种控制，归根结底， 是对转矩的控制。对转矩的控制质量将影响或决定到整个交流系统的性能。因为感应电 动机的定子电流与电磁转矩具有复杂的非线性关系，因此不可能像直流电动机那样，通 过简单地调节定子电流来控制转矩。而对鼠笼感应电动机来说，只能通过定子一个输入 端进行控制【6 】。这些都会增大感应电动机转矩控制的难度。尽管如此，感应电动机与直 流电动机相比，具有结构简单、坚固耐用和成本低的优势，从根本上克服了直流电动机 由换向器与电刷间火花而带来的一系列技术上的缺点。下面我们先简单地分析比较当前 交流电机的主要控制方法。 对于异步电动机的定子变频控制方式，有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控 制和直接转矩控制等。这些控制电机的方式都各有良好的控制性能，以下分别对几种方 式进行比较分析。 1 1 恒压频比控制 依据电机学原理可知，电机转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源频率就可 以进行电动机的调速。为了不使电动机因为频率变化导致磁路饱和从而造成励磁电流过 大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率 保持恒定，即恒压频比控制，从而维持气隙磁通为恒定值r 7 1 。 恒压频比是比较简单的控制方式，该方式适用于转速开环的交流调速系统，适用于 对系统静动态性能要求不高的场合。 1 2 转差频率控制 转差频率控制是根据电动机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的 输出，能控制与转差率有直接关联的转矩和电流。这种控制方式比恒压频比控制的调速 范围宽一些，精度高一些，响应快一些。转差频率的控制方式是检测异步电动机转速使 转速反馈控制变频器的频率成为与转矩指令相应的转差频率。该方式往往包含电流控制 环节，由于转差频率和电流共同被控制，因而稳定性能较好，能承受急剧的加减速度和 负荷波动，并因采用了速度反馈环节，大大地提高了转速控制精度。从频率指令和定子 端电压指令后，其线路结构与恒压频比控制方式相同。该方式必须进行闭环控制，因此 常被用于单机运行，能得到恒定输出特性，并且高低转速时都能输出较大转矩。其优点 是转子差频变化能反映负荷变化，能适应于系统急剧加速及负荷变化大的情况，大大提 3 大连交通大学工学硕士学位论文 高了加速控制精度，但其机械特性同恒压频比控制方式一样都是非线性的，因而产生的 动态转矩受到限n t 引。 1 3 矢量控制系统 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 等人首先提出了矢量变换控制( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) ， 实现了用交流电动机模仿直流电动机转矩控制规律加以控制的思想，成功地解决了交流 电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样实现了交流电动机的磁通和转矩分别 独立控制，从而使交流电动机变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点。 我们很容易控制它励直流电动机转速，并且得到优良的动、静态特性，用同样的理 论和方法控制三相鼠笼异步电动机却达不到预期的目的。这是因为直流电动机数学模型 简单，主要物理量间关系解耦，电动机转速便于控制。而三相异步电动机数学模型十分 复杂，主要物理量间关系强耦合，电动机转速不便于控制。矢量控制变频调速控制的基 本思想之一是超越原有三相异步电动机传统的模型，建立一个全新的模型。这个新模型 等效于原来的三相异步电动机，也等效于一个直流电机，这样，我们模拟直流电动机的 理论和方法即可控制三相交流异步电动机并能取得优良的静、动态特性。虽然这个等效 变化比较复杂，还要求对转子磁链进行观测( 准确观测转子磁链比较困难) ，系统特性 也受异步电动机参数的影响，但矢量控制变频调速系统的提出仍意义重大。 然而，因为建立在转子坐标系下，所估测的各项参数( 转子电阻、转子电感等) 会 随温度、饱和程度而发生变化，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；而且由于在模拟直流电动机控制过程中所使用的大量矢量旋转变换的复杂性，对 实时控制带来了一定的难度，使得实际的控制效果难以达到理论分析的效果，这是矢量 控制技术在实践上的不足之处 9 1 。 1 4 直接转矩控制系统 直接转矩控制变频调速技术是继矢量控制技术后交流调速领域一门新兴的控制技 术，它直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁通，采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式控制产生脉宽信号，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，具有动态反应迅速，结构简单，易于实现等优点，是一种具有优良 静动态特性的交流调速方法。 4 第一章异步电机的主要控制方法 1 4 1 直接转矩控制技术的产生与国内外发展概况 直接转矩控制变频调速，英语称之为d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) ，是近年来继矢量控 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变流变频调速技术【l o 】。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论，又于1 9 8 7 年将其 推广到弱磁调速范围。直接转矩控制理论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的一些重大问题。 它是继矢量变换控制技术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的 控制技术。目前该技术已成功地应用在电力牵引中的大功率交流传动上。 直接转矩控制是近年来发展起来的具有高性能的交流变频调速技术。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 上难以与直流传动相媲美的问题。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的转速和磁链的完全解耦与控制。然而，在 实际上由于转子磁链难于准确观测，由于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。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大问题。 直接转矩控制技术从其诞生之日起，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的静、动态性能受到了普遍注意并得到迅速发展。目前该技术已成功的应用在电力 机车牵引的大功率交流传动上。 在国外，以德国为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，应用也得到不断发 展。美国、意大利、韩国和法国也紧紧跟进，使得直接转矩控制的应用发展逐步扩大。 目前该技术已成功地应用在电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率交流调速应用场 合。仅a b b 一家公司运行的使用直接转矩控制方法的电车和电力机车就超过了1 0 0 0 辆， 另外其生产的变频器也主要采用这种控制方法。 在国内以清华大学的李永东教授和南京航空航天大学的胡育文教授为首的研究队 伍在直接转矩控制技术方面的研究比较深入，在低频和死区控制方面提出许多卓有成效 的解决方法。南车集团公司在研究开发电力牵引交流传动控制技术上占领先地位，近年 采用直接转矩控制方案研制了d j 型电力机车、d j j l 型电动车组的交流传动系统【2 j 。其 余的一些高校和科研单位在直接转矩方面的研究还基本处于理论仿真阶段。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 1 4 2 直接转矩控制的主要特点、结构和基本组成部分的功能 ( 1 ) 直接转矩控制的特点 直接转矩控制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，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够做出直接和明确的判断。 直接转矩控制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 观察出来。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。 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，使问题变得特别简单明了。 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思：( 1 ) 直接 控制转矩，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。( 2 ) 对转矩的直接控制，控制方式是，通过转矩两点式调节转矩检测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。它的控制既直接又简化。 综上所述，直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法， 直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转 矩，采用离散的两点式调节器( b a n d b a n d 控制) ，把转矩检测值与转矩给定值作比较， 使转矩波动限制在一定的容差范围内，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关 状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数 学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动 机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式 的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型的过程，没有通常的p w m 脉宽 调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩 响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式【l o 】。 ( 2 ) 直接转矩控制的基本组成和基本原理 6 第一章异步电机的主要控制方法 图1 1 直接转矩控制系统框图 f i g 1 1 b l o c kd i a g r a mo fd t cs y s t e m 图1 1 是直接转矩控制系统整体框图。从图中可以看出，直接转矩控制系统，就是 通过使定转子磁链幅值保持恒定，然后选择合理的非零矢量和零矢量的作用次序和作用 时宽，以调节定子磁链矢量圣。的运动速度，从而改变磁通角p 的大小，以实现对电机转 矩的控制。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量口。来控制 定子磁链圣。的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度瓦的 大小，从而改变磁通角p 的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 当电机在稳态运行时，圣。和圣，在空间相对静止，即影和早，的平均旋转速度相等， 而圣。在电动状态时总是超前毫。当选用沿圣。旋转方向的电压空间矢量时，圣。的旋转 速度比毫快，秒变大，相应电磁转矩加大；当选用零矢量或与予。旋转方向相反或垂直 的电压空间矢量时，晕。的运动受到抑制，口变小，从而转矩减小( 暂不考虑磁链幅值的 变化对转矩的影响) 。可见，合理地选择非零矢量和零矢量的作用次序和作用时宽，就 能调节圣。的瞬间运动速度和平均速度，并可以获得迅速的转矩响应。 7 大连交通大学工学硕十学位论文 图1 2 直接转矩控制的基本结构框图 f i g 1 2 e s s e n t i a l 鳓f u c t u r eb l o c kd i a g r a m0 fd t c 图1 2 是直接转矩控制的基本结构的原理图，虽然该图所示的结构很简单，但已经 可以实现直接转矩控制的基本功能。其中被测信号只有三个：即u 。、i 。和n ，最终的输 出为电压开关信号：s 眈、s 矾、s 玑。图中各单元的意义为： a s s 开关信号选择单元； d m c 磁链自控制单元； a m m 异步电动机数学模型； u c t 坐标变换器； a t r 转矩调节器； a w r 磁链调节器； a m a 磁链幅值构成单元； a s r 转速调节器。 各单元的功能简述如下： 被测信号u 。、i 。和n 由a m m 处理后得到匕、和实际转矩值t f 。匕、匕通过 u c t 后得到磁链的三个分量信号、。再由d m c 得到磁链开关信号s 、 s k 、s t 。t f 与转矩给定值t ga t r 处理后得到转矩开关信号t q 。转矩给定值t g 由 a s r 获得，其输入信号是转速给定值n 。和转速反馈信号n f 。磁链给定值k 和磁链反馈 值由肿r 综合产生磁链量开关信号甲q 。由a m a 根据、甲庳计算得到。 8 第一章异步电机的主要控制方法 a s s 综合四个输入信号：磁链开关信号、转矩开关信号和磁链量开关信号，产生正确的 电压开关信号s u 。、s u 。和s u 。 由图可知，直接转矩控制系统的基本组成有以下几个部分： 磁链自控制：磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段，且给出正确的磁 链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确的旋转。磁 链自控制任务的执行单元是以磁链自控制单元为主，配合以坐标变换器和开关信号选择 单元，共同完成此项任务。 转矩调节：转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制，直接转矩控制的名称即 由此而来。为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能：一是用转矩两点式调节器直接 控制转矩；二是用p n 调节器，在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强 转矩的调节。 磁链调节：磁链调节的任务是对磁链量进行调节。由于定子电阻压降的影响， 在较低转速时，定子磁链幅值将减小。为了避免定子磁链幅值的减小，引入磁链调节闭 环。由磁链调节控制给出这样一个定子电压空间矢量，它的主要作用是加大定子磁链幅 值，以维持磁链幅值在允许的范围内波动。为此，磁链调节部分包括磁链调节器和能检 测磁链幅值大小的磁链幅值构成单元。 开关信号选择：开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调节环和磁 链调节环的三种开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正 确选择。磁链自控制单元提供磁链开关信号，以确定定子磁链空间矢量的正确区段；转 矩调节器提供转矩开关信号，以实现高性能转矩调节；磁链调节器提供磁链量的开关信 号，以保持磁链幅值恒定。综合磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号以及正 反转p n 信号、零状态电压信号，以实现正确的电压选择，这就是开关信号选择单元的 任务。 异步电动机的数学模型：异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。它 可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。 转速调节：转速调节环实现对转速的调节。转矩给定值可由转速调节器的输出 得到，也可单独给出转矩参考值进行调节。 1 4 3 直接转矩控制系统实现的关键问题 综合以上的四种电机控制方法，可以看出，直接转矩控制系统不需要将交流电动机 与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢 量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型的过程，没有通常的 9 大连交通大学工学硕士学位论文 p w m 脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、 系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接 转矩控制系统设计的要求是：( 1 ) 具备高可靠性。( 2 ) 满足实时性，在很多场合异步 电动机在运行过程中，希望在转矩或磁链等量发生变化时能够及时对其进行调节，这就 要求感应电机进行闭环控制，并且设计的控制系统对各种数据的检测及运算进行实时处 理，同时给电机提供相应的控制场合，以满足实时性要求。( 3 ) 获得转矩的高动态响 应。( 4 ) 便于维修。 直接转矩控制的关键是通过对定子磁链的控制，实现对电机转矩的控制，所以对定 子磁链的准确观测直接影响到对转矩的有效控制。本文着重对各种定子磁链观测的方法 进行研究。电机基本状态参数的测量和辨识，是定子磁链准确观测的前提。在第二章将 提出一种电机参数测量的方法并针对本论文进行实际应用。 本章小结 本章主要分析了几种常见的电动机的控制方法并进行了比较。着重介绍了直接转矩 控制系统的主要原理和基本组成，以及各组成部分的作用。直接转矩控制变频调速技术 是继矢量控制技术后交流调速领域一门新兴的控制技术，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，具有动态反应迅速，结构简 单，易于实现等优点，是一种具有优良静动态特性的交流调速方法。 1 0 第二章异步电动机基本状态参数的采集和处理 第二章异步电动机基本状态参数的采集和处理 目前对异步电动机状态的观测已成为高精度电机控制的关键，状态观测的前提是要 对异步电动机的电流、电压等基本状态参数进行准确测量，其中电流、电压的基波测量 的准确度对观测器的准确性和控制系统的设计起着重要的影响。 电动机的基本状态参数( 例如输出电压、电流) 在进行直接测量时，含有较高的高 次谐波，不能提供准确的参数对电机进行控制。本章旨在对电流、电压的信号进行采集 和数据处理的方法进行研究，实现对电机工作特性的有效控制。对这些含较多谐波的信 号进行采集时，选用合适的数据采集卡、传感器，确定信号的采集频率，信号的采集频 率要考虑到：首先采样频率要满足采样定理要求，同时也应考虑逆变器实际工作频率范 围；其次，控制及分析针对电机电流、电压基波和低阶次谐波，然后设计适当的数字滤 波器进行滤波处理，得到信号的有效值。这种方法是用在一般的信号采集系统中，例如 d s p 采集到的数据可以由数字滤波器进行处理，所以设计的方法可以应用在其它的数据 处理中。本论文实验主要是针对在逆变器条件下，采用p c i - - 1 7 1 3 数据卡，利用电流、 电压传感器，设计低通的巴特沃斯，切比雪夫和椭圆滤波器进行采集和处理。 2 1 三相交流异步电动机的电流、电压的采集 2 1 1 采样频率的确定 数据采集必须满足可进行多通道采集并可实现较高的采样频率的要求。在本文实验 过程中，采样频率要满足采样定理，同时还要考虑逆变器实际工作频率范围，对一般异 步电动机而言，逆变器工作频率( 主要是基波频率) 一般在1 5 0 h z 以下。同时考虑到 逆变器输出中含有与调制频率相对应的谐波( 本实验中逆变器调制频率为2 5 k h z ) 。 综上所述，采样频率可由公式f s = m a x 2 * f 调制，3 0 * 基波频率 确定，考虑3 0 次以内的 谐波影响，故采样频率取5 k h z 。在此频率下进行采样，可以对采集到的谐波成分进行 分析，考虑到基波成分的影响和减小对微机控制系统的负担，可以适当的降低采样频率， 其实验结果如表2 3 所示。实验结果表明，当采样频率为5k h z 时，可实现对电机在全 速范围内的工作电流、电压进行不失真的采集。所以，实验的采样频率确定为5 k h z 。 2 1 2 交流电机电流、电压的采集 本实验所用电机基本参数为：额定电压u = 5 5 0 v ，额定频率厶= 4 0 h z ，额定功率 为1 5 k w 。根据采样频率和电机的要求，本实验中采用p c i 1 7 1 3 数据采集卡a d 数据 采集板卡。p c i 一1 7 1 3 是研华公司推出的基于3 2 位p c i 总线的高级数据采集卡，此卡 大连交通大学工学硕士学位论文 性能良好，有完善的软件支持，适用于各类电信号的采集、控制和输出，广泛地应用于 工业、科研等领域。 图2 1p c i - 1 7 1 3 结构图 f i g 2 1p c i - 1 7 1 3b l o c kd i a g r a m p c i 1 7 1 3 数据采集卡是一个1 2 位3 2 通道的p c i 总线模拟输入采集板，插入工业控 制机的扩展槽中即可使用。它具有高速数据采集功能，最大采样速率可达1 0 0 k s s ；具 有自动地控制多路转换的通道扫描电路，可以使用单端和差动两种方式输入模拟信号； 支持软件、内部和外部触发方式触发a d 转换，在转换过程中可满足2 5 0 0 v 直流电压 的隔离，以保护工业控制机和外设免受输入量大的高电压的损害，因此非常适合作为对 数据采集要求灵敏、稳定和高水准的隔离保护系统。可以用软件实现对数据采集卡的基 准地址和中断的分配，采样范围的设定灵活多样、方便迅速。因此，该采集卡完全满足 电流、电压采集要求。 归纳其特点如下： ( 1 ) 1 2 位a d 转换分辨率，a d 转换的采样速率可达1 0 0 k s s ： ( 2 ) 3 2 路单端或1 6 路差分模拟量输入，可混合输入； ( 3 ) 总线隔离2 5 0 0 v ； 1 2 第二章异步电动机基本状态参数的采集和处理 ( 4 ) 可对每个输入通道的增益进行编程，可编程输入范围： + 1 0 v ，士5 v ，士2 5 v ，4 - 1 2 5 v ，4 - 0 6 2 5 v ，0 - l o v ，0 - 5 v ，0 2 5 v ，0 - 1 2 5 v ； ( 5 ) 板上4 k 采样f i f o 缓冲器； ( 6 ) 内部软件# b 部触发模式。 综上所述，该采集卡完全满足电流、电压采集要求。 在数据采集系统中，利用数据采集板卡p c i 1 7 1 3 对参数进行多路采集。对电机在 各种工况下的电压和电流进行采集，利用数据采集板卡接收试验台装置的数据，将所采 集数据存入数据库，并利用计算机对这些数据进行处理。在人机交互界面上对采集数据 进行实时可视化显示，并可对实验结果处理、分析。电机参数采集能否准确，就要求整 个系统所采集数据可靠性高，系统响应速度快。 2 1 3 电流、电压传感器的选择 ( 1 ) 电流传感器的选择 在电机电流检测当中，由于电机电流较大故不能选用串联电流表的方法。在测量大 电流试验中必须选用非接触式电流传感器。本实验选择l e m 公司非接触式电流传感器 l t 5 0 8 s 6 ，其利用霍尔原理的闭环( 补偿) 的电流传感器【l 。其具有出色的精度、良 好的线性度、低温漂、最佳的反应时间、宽频带、无插入损失、抗干扰能力强、电流过 载能力，于这些优点故选择l t 5 0 8 s 6 。传感器的供电电源为士1 5 1 8 v ，电流转换比例 关系为1 ：5 0 0 0 ，额定电流5 0 0 a ，最大电流为8 0 0 a 。 连接方法如图所示： 图2 2 电流传感器接线图 f i g 2 2c u r r e n ts e n s o rd i a g r a m 1 7 1 3 数据采集卡 由于1 7 1 3 板卡测得的是电压量，采集范围为+ 1 0 v ，4 - 5 v ，士2 5 v ，4 - 1 2 5 v ，4 - 0 6 2 5 v ， 0 1 0 v ，0 - 5 v ，0 - 2 5 v ，o 1 2 5 v ，如图所示输出端串联一个凡，其电阻风的大小由以下公 式计算得： r - = u i 蜊 ( 2 1 ) 1 3 大连交通大学工学硕士学位论文 其中u - 1 7 1 3 卡的测量范围； i 洲：副线圈的额定电流； 此试验中1 7 1 3 板卡电压范围为+ 5 v ，额定电流为l o o m a ， r m - - 5 0 1 = 5 0 q 此电阻选择高精度电阻，以免产生更大的误差。 ( 2 ) 电压传感器的选择 电压的检测方法，通常是检测逆变器的输出，再经滤波、a d 转换后得到参与计算与 控制的数字电压值。但是一个由p w m 波构成的电机端电压，由于其所含的高次谐波非常 丰富，所以在选择电压传感器时要格外注意，为了能够更好的测量电机电压的基波数值， 在此实验中选择了l e m 公司的a v l 0 0 1 0 0 0 电压传感器，其优点如下：低功耗、高精 度、良好的线性关系、低温漂、快速反应时间、较宽测量范围( 士1 5 0 0 v ) 、低干扰共 模信号、高速外部接口、较宽的温度测量范围，被广泛应用于交流伺服电机驱动、直流 电机驱动静态转换、电源供应、非中断电源应用以及焊接电源等系统。a v l 0 0 - 1 0 0 0 电 压传感器的转换比例关系为1 0 0 0 v 5 0 m a ，供电电压士1 2 2 4 v 【汜】。 连接方法如图所示： 图2 3 电压传感器接线图 f i g 2 3v o l ts e n s o rd i a g r a m 1 7 1 3 数据采集卡 由于1 7 1 3 板卡测量信号为电压信号，而a v l 0 0 1 0 0 0 测量的是电流信号，为了实 现与板卡进行通信，必须把电流信号转换成电压信号。在输出端串联一个分压电阻r n 。 分压电阻r n 的选择是根据1 7 1 3 板卡的测量范围决定的，前文已经说明1 7 1 3 的采集范围 为士1 0 v ，+ 5 v ，士2 5 v ，士1 2 5 v ，士o 6 2 5 v ，o 1 0 v ，0 - 5 v ，0 - 2 5 v ，o - 1 2 5 v 。i 一则为额定电流 5 0 m a ，具体方法如下： 砥= u i 一 ( 2 2 ) 其中u ：1 7 1 3 卡的测量范围； 1 4 第二章异步电动机基本状态参数的采集和处理 其中i 。：a v l 0 0 1 0 0 0 传感器输出的最大电流； 在此试验中u = + 5 v ，i m x = 5 0 m a 。那么r n = 2 0 0q 。 在对交流电压、电流、功率等信号进行数字化测量时，采用等时间间隔采样方法。 a d 转换的采样速率可达1 0 0 k s s ，可以满足实时采集的要求。实验中，对电机同一相 的电流电压进行同步采集，采样频率f s = 5 0 0 0