（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机直接转矩控制的优化控制策略(1).pdf

a b s t r a c t t h eo p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do n i n d u c t i o nm a c h i n e p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s d i r e c t e db yr u c h e n gh a na n df e n gp a n a b s t r a c t ai n d u c t i o nm o t o rd r i v e rc o n t r o ls t r a t e g yc a l l e dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) w a sd e v e l o p e di nt h em i d 一19 8 0 s i t sn e w l yc o n t r o lt h i n k i n g ，c o n c i s e s y s t e ms t r u c t u r e ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fs t a t i c s t a t ea n dd y n a m i cs t a t e a t t r a c t e da t t e n t i o n so fm a n yr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s n o wi th a sb e c o m ea h o t s p o ti nv a r i a b l ef r e q u e n c yd i v e rf i e l d a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm a i n l yc o n c e n t r a t ei n t h et o r q u ep u ls a t i o na tl o w s p e e ds t a t e ，s u c ha st h ea c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o no f s t a t o rr e s i s t a n c e ，t h ei m p r o v e m e n to ff l u xo b s e r v e rm o d e l ，t h ei n t e l l i g e n c e c o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n ds t a t o rf l u x a l t h o u g ht h e s em e t h o d so f d t ci m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea tc e r t a i nd e g r e e ，i t sd i f f i c u l tt oi m p r o v et h e c o n t r o lw a ya sar e s u l to ft h eh y s t e r e s i sc o n t r o lu s e db ye l e c t r o m a g n e t i c t o r q u ea n dt h es t a t o rf l u x ，t h ee x a c tl o c a t i o no f s t a t o rf l u xi s n tc o n s i d e r e di n t h ec h o i c e o fv o l t a g ev e c t o r 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n t e dau n i f i e df l u xc o n t r o l m e t h o dt h r o u g has t u d yo ft h ec o n t r o lm o d eo fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ，s t a t o r f l u x e sa n dt h es e l e c t i o np a t t e r no fv o l t a g ev e c t o r t h ef e a s i b i l i t yw a sv e r i f i e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o n m a i nw o r ko ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s i cp r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a ld t cb a s e di n d u c t i o n - m o t o rw e r e i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo fd s cs t r a t e g ya n da p p r o x i m a t ec i r c l e f l u xd t cs t r a t e g yw a se s t a b l i s h e d ，a n dc a r r i e do u tad e t a i l e da n a l y s i st ot h e p e r f o r m a n c e o fb o t ho fs y s t e m s 。 s e c o n d l y , t h ec h o i c em o d eo fv o l t a g es p a c ev e c t o ru n d e rd t cs t r a t e g y w a sa n a l y z e d b e c a u s et h ev o l t a g ev e c t o rc h o i c ei nd t cs t r a t e g i e sm e r e l y c o n s i d e rt h es e c t o rw h e r er u n n i n gf l u xi s ，n o tt a k ei n t oa c c o u n ti t sp r e c i s e l o c a t i o no ft h ef l u x au n i f e df l u xe r r o rv e c t o rc o n t r o is t r a t e g yi sp r e s e n t e dt o ，i i i 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 s o l v et h ep r o b l e m t h r o u g ht h ed e a d b e a ta l g o r i t h m so ff l u xe r r o rv e c t o ri s a b l et op o i n to u tt h eo p t i m a lv o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt oa c h i e v et h ec o n t r o l o f e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dt h es t a t o rf l u x t h i r d l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fu n i f i e df l u x e r r o rv e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y i sb u i l tu pb yu s i n gm a t l a b 7 1 s i m u l i n ki no r d e rt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m st h e o r y a tt h es a m et i m et h es i m u l a t i o n m o d e l so ft h ec o m p o n e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e mw e r ei n t r o d u c e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg o t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fd t cs y s t e mb a s e do nt h e i n d u c t i o nm o t o r ，t h es e l e c t i o na n dh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e d t h ep a g e g a v e t h es o f t w a r ed e s i g n p r o c e s s e s t h ed e s i g nh a s ac e r t a i n g u i d i n g s i g n i f i c a n c et ot h er e a l i z a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lp r o g r a m i np r a c t i c e t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff l u xe r r o rv e c t o rc a l le f f e c t i v e l ys i m p l i f yt h e m o d eo fd t c ，i m p r o v ef i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dt h ep e r f o r m a n c ea t l o ws p e e db ys i m p l i f y i n gt h em o t o r m o d e l ，d e f i n i n g t h ee r r o r v e c t o r , c a r r y i n g o u tt h ec o n t r o lo fb e a te r r o rv e c t o r , w h i c hw a sv e r i f i e db yb o t ho ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h e ya l s os h o w e dt h a tt h e c o n t r o ls t r a t e g yo w nac e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d ：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 ；f l u xe r r o rv e c t o r ； v o l t a g es p a c ev e c t o r ； i v - 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下 独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相 关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文 献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：李琰伟 2 0 0 8 年5 月1o 日 第一章综述 第一章综述 1 1 交流调速技术的发展概况 直流传动和交流传动在1 9 世纪先后诞生，在2 0 世纪上半叶，鉴于直流传动具 有优越的调速性能，所以高性能的可调速传动一直都采用直流电动机，交流调速性 能始终无法与直流调速相匹敌。然而直流电动机本身也存在着明显的问题，由于直 流电动机的电刷和换相器需要经常的检查和维修，换相火花使得直流电动机的应用 环境受到限制，换相能力还限制了直流电动机的容量和转速等等，因此，虽然直流 调速具有优越的性能，但是当时约占电气传动总容量8 0 以上的不变速传动系统却 都采用交流电动机n 1 3 。交流电动机具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、不需要经 常维修、运行可靠、适用于恶劣环境等优点，但长期以来由于受科技发展的限制， 把交流电机作为可调速的困难问题没有得到很好的解决，只有一些调速性能差、低 效耗能的调速方法，如：利用转子外接电阻、自耦变压器、滑差离合器等调速的方 法引。 自上世纪7 0 年代开始，电力电子技术和控制技术的发展开创了交流调速传动的 新纪元。尤其是脉宽调制技术、矢量变换控制技术的发展奠定了高性能现代交流调 速系统的基础，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流传 动系统在性能方面取得了很大提高，具备了宽调速范围、高精度、快速动态响应及 四象限运行等良好的动态性能，使得交流传动取代直流传动的愿望己经变为现实h 1 。 在交流调速领域中，异步电动机的调速技术应用最为广泛。交流异步电动机作 为一种高阶、非线性、强耦合、多变量的复杂控制对象，其主要调速方式分可为转 差功率消耗型、转差功率馈送型和转差功率不变型三类腩1 。其中，转差功率消耗型调 速方式是以牺牲转差功率为代价来进行电动机的调速，其转差功率都以热量的形式 消耗在转子回路里，从能量转化的效率来看其调速性能最差；转差功率馈送型的转 差功率是以能量反馈的形式回馈到电网中，其能量转化的效率要大大超过转差功率 消耗型调速方式，实现了能量的回收利用，调速性能较高，但是也存在着系统结构 复杂、成本增加和应用难度大等问题；转差功率不变型调速系统的调速性能要优于 前两者，能量转化的效率也很高，因而在当今的交流调速领域得到了最广泛的应用。 下面对广泛应用，且属于转差功率不变型的四种调速方式进行逐一介绍：一 1 恒压频比控制 这是变频调速中最简单的控制方法，通过在控制过程中始终保持叫厂为常数， 1 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 来保证定子磁链的恒定，进行变频调速，又称u 厂控制方式。基频以下可以实现恒 转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。其优点是：无需速度传感器、控制线 路结构简单、成本较低。但缺点是：电机的实际转速要根据负载的大小来决定。在 给定速度不变的条件下，负载变化时，转子转速将随负载转矩变化而变化，速度动 态特性差，电磁转矩利用率低，低速时由于定子电阻和逆变器电力电子开关器件延 时的存在，系统可能发生不稳定现象。故它常用于速度精度要求不十分严格而负载 变动较小的场合。 2 转差频率控制 转差频率控制是对恒压频比控制方式的一种改进。即在叫厂控制的基础上，检 测电机转速，然后根据速度传感器的检测，可求出转差频率，再把它与速度设定 值相加作为给定逆变器的输出控制，这种实现转差补偿的闭环控制方式就是转差 频率控制。与u 厂控制方式相比，其调速精度大为提高。但它依据的只是稳态模型， 并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。并且使用 速度传感器来求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这 种控制方式的通用性较差。 3 矢量控制 叫厂控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动的静态数学 模型上的，因此，动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高 的应用，不能满足其响应要求。2 0 世纪7 0 年代出现的矢量控制技术是交流传动控制 理论上一个质的飞跃1 。其实质是根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的 手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以 控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，以获得类似于直流调速系统的动 态性能。在矢量控制方式中，磁场电流与和转矩电流可以根据可测的电动机定子电 压、电流的实际值计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据 需要进行必要的校正，高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流的设定值。 其优点是：实现了电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态性能得到了 显著的改善。缺点是：需要进行大量复杂的坐标变换；在采用转子定向控制时，需 要电机转子参数转子电阻和转子电感，这些参数具有一定的时变性，会影响控 制精度和系统的动静态特性。 4 直接转矩控制 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授在i e e e 上首先提出了对交流电动机 2 第一章综述 实现直接转矩控制的新方法。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电 动机做比较、等效和转化，不需要模仿直流电动机的数学模型，也不需要为解耦而 简化交流电动机的数学模型。该方法通过检测得到的定子电流和电压，直接在定子 坐标系下计算电机的磁链和转矩，并根据反馈计算值和给定值比较所得的差值，直 接控制电机的磁链和转矩。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，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 速方法嘲。 纵观交流调速的发展过程和现状，从u f 恒压频比控制法到矢量控制法是第一 个飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法是第二个飞跃。交流调速技术今后必然有 以下研究趋势： 一、控制理论与控制技术方面的研究。应用实践表明，矢量控制控制和直接转 矩控制技术及其它现代控制理论的应用进一步提高了交流调速系统的控制性能。为 了建立交流调速系统的合理适用的控制结构，需要对交流电机数学模型的性质、特 点及内在规律作深入的研究和探讨。不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经 网络等智能化控制方法在交流调速系统中的应用，成为交流调速控制理论、控制技 术新的研究发展方向。 二、变频器主电路拓扑结构研究与发展。在中低压变频器中，仍然具有几乎统 一的拓扑结构，而在高压变频器的研发中，主电路拓扑结构的研究越来越受到重视。 在这些拓扑结构中，级联型h 桥拓扑结构特别有吸引力，因为它具有可实现模块化、 控制简单等特点，但是也存在需要很多独立直流电压源的缺点。随着变频技术的发 展，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积 木”p e b b ( p o w e re l e c t r o n i c sb u i l d i n gb l o c k ) 技术的兴起，使多个功率器件的集成 化和低成本化成为可能，这也为多电路拓扑的发展提供了有力的技术支持。 三、p w m 模式改进与优化。中压变频器的兴起，同时也促进了对电压空间矢量 p w m 模式的改进和优化研究，对p w m 进行系统的研究有助于降低对开关器件的要 求、使一些变频技术成为可能h 1 。 1 2 电力电子器件的发展与现状 交流变频调速技术的发展和电力电子技术及其器件的发展密不可分，晶闸管的 出现为交流电动机调速技术的发展奠定了物质基础呻3 。 2 0 世纪5 0 年代末美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 术的开端。并应用于电源和电机调速领域，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波 交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而第一代晶闸管没有自关断能力， 需要利用电源或负载等外在条件来实现换相，因此用晶闸管来实现交直交变频的变 频器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变，使得整体重量和体积 增大、效率和可靠性降低，并且会对电网和被驱动电器造成谐波损耗旧1 。 7 0 年代中期出现了集成度和工作频率高、超大功率、正反向均可用较小的功率 进行导通与关断控制的全控型电力电子器件，并在实际应用中取得了较好的效果。 8 0 年代以后，美国研制成功了绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 把m o s f e t 技 术与g t r 、g t o 晶闸管技术通过在芯片上的集成化，出现了绝缘门极双极晶体管 ( i g b t ) 和绝缘门极关断晶体管，它们综合了g t r 和m o s f e t 的优点，既具有电压 型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工 作频率高、器件容量大和热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电 流大等优点，因此它的发展很快。 近年来，功率器件的发展更趋于智能化和集成化，集驱动、保护、逻辑等单元 为一体的智能功率模块( i p m ) 也已经进入实用化阶段。这种器件既减少了体积、减 轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护都更方便，是功率器件的重要发展方向n 0 1 。 1 3 直接转矩控制技术概况 1 3 1 直接转矩控制的提出和发展 + 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术从理论上解决了交流调速系 统在静、动态性能上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矩和磁链控制 的完全解耦，这具有很重要的意义。然而，实际上由于转子磁链难以准确观测，并 且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以达到理论分析的结果。这是矢量控制 技术在实践上的不足之处3 。在2 0 世纪8 0 年代中期德国教授d e p e n b r o c k 和日本教 授t a n k a h a s h i 相续提出了直接转矩控制理论，并在日本首先取得了应用上的成功， 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，直接转矩控制有自己 的特点，在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影 响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。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、动态性能受到普 第一章综述 遍的关注并得到了迅速的发展n 引。 1 3 2 直接转矩控制系统的特点 与矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化鲁 棒性强，本身具有如下优点： ( 1 ) 从直接转矩控制的算法上来看，直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流 电机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，不需要矢量控制中那样复杂的坐标变 换技术。 ( 2 ) 从直接转矩控制的调控要求来看，我们只关心电磁转矩的大小，磁链本身有 点小的误差不会对电磁转矩的控制性能产生重要的影响，故这种方法对电机参数变 化不敏感n 引。 ( 3 ) 直接转矩控制能对电压开关矢量进行优化控制，信号处理工作简单，物理意 义明晰，降低了逆变器的开关频率和开关损耗n 钔。 ( 4 ) 直接转矩控制包括转矩调节和磁链调节两个方面，可对磁链直接调节，易于 实现弱磁控制，因而调速范围宽。 直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动大，其主要原因是n 朝： ( 1 ) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动。 ( 2 ) 在电动机运行一段时间之后，电机的温度升高，定子电阻的阻值发生变化，使 定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动。 ( 3 ) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越 小，反之开关频率越低转矩脉动越大。 1 3 2 直接转矩控制技术的现状及热点问题 直接转矩控制技术经过近二十年的发展，各方面的性能都在不断提高，并且已 进入实用阶段。日本研制成功的1 5 k w 直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频 率高达2 k h z ，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的2 0 倍，使电机从+ 5 0 0 到一5 0 0 转分 的反转时间只有4 m s ，在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高纪录n 引。 德国、日本、美国等都竞相发展此项技术，但直接转矩控制作为一种诞生不久的新 理论、新技术，自然又有其不完善、不成熟之处。正是由于它的优越性能与一些问 题并存，直接转矩控制技术已成为当今变频调速领域研究的热点之一。 目前，针对直接转矩控制系统的研究主要有以下几个方面n7 1 ： 1 定子电阻辨识 在感应电机直接转矩控制方案中，定子电压和电流可以精确测出，只要在线估 与 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 算定子电阻，就可算出定子磁链。而在感应电机运行时，定子电阻随温度和频率的 变化而变化。在高速时，定子电阻电压降很小，可以忽略不计；而在低速时定子电 阻电压降较大，不能忽略，否则可能使定子磁链的估算出错，从而给出的电磁转矩 和定子磁链位置也会出错。如果在电机运行时能够对定子电阻进行在线测量或估算， 那么就易于实现精确的直接控制。由于定子电阻的变化具有时变性、非线性、大惯 性、强耦合等特性，原有的电机电阻测量方法已不适合直接转矩控制系统，因而需 要采用特殊的方法加以研究。 2 定子磁链补偿 低速时由于定子电阻改变，使磁通发生畸变，系统性能变差，因此必须在低速 区对定子磁链进行补偿。如何进行补偿，并且在补偿过程中不会引入其他变量，也 是研究课题之一。 3 转速辨识 直接转矩控制本身不需要转速信息，但为了精确控制转速，还是应该迸行转速 闭环控制。以往是安装转速传感器进行速度反馈，不仅增加了成本，而且降低了系 统的稳定性和可靠性。实际应用时，有些场合根本不能安装转速传感器，甚至找不 到转速反馈的位置，因此，很有必要进行转速辨识。在低速时，电机参数变化较大 是影响转速辨识的重要因素。 4 控制器的实现 直接转矩控制系统的关键是开关状态选择器。传统直接转矩控制的电压矢量选 择表一般根据转矩误差、磁链误差和工作扇区来形成，控制无自学习性。另外，在 启动段和转矩给定或磁链给定有阶跃变化时，与正常运转期间精细调整时开关状态 的选择策略没有区别，因而全系统响应偏慢。因此在电压矢量的控制选择方面也有 一定的研究意义。 本文就是对直接转矩中的控制器展开研究，从传统直接转矩控制的矢量电压选 择器出发，针对其电磁转矩和定子磁链的滞环控制器及电压矢量选取时只考虑磁链 所在扇区，而没有考虑磁链的精确位置的问题，提出了一种统一磁链误差矢量控制 策略，来简化控制器的控制结构，固定开关器件的频率，减小转矩脉动。 1 4 本文的研究工作及论文结构 本论文以异步电动机的直接转矩控制的控制方式为研究对象，从转矩直接自控 制技术、近似圆形磁链直接转矩控制技术出发，提出了统一磁链矢量直接转矩控制 第一章综述 策略，并对直接转矩控制系统的硬件试验平台进行了选型与设计。 全文共分五章，内容安排如下： 第一章综述交流调速技术的发展概况、电力电子器件的发展现状和直接转矩控 制技术的特点及存在的问题，然后介绍直接转矩控制在几个主要问题上的研究进展， 最后总结直接转矩控制的发展方向，并引出本论文主要研究的问题。 第二章详细介绍转矩直接自控f l ；u ( d s c ) 和近似圆形磁链直接转矩控制策略的基 本原理，分别给出两种控制策略的控制结构。 第三章在数学理论的基础上，利用m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 仿真软件建立异步电动机 的直接转矩控制系统，包括转矩直接自控制系统和近似圆形磁链直接转矩控制系统 的仿真模型，给出仿真结果并进行对比分析。 第四章针对传统直接转矩控制中，电磁转矩和定子磁链的滞环控制器及电压矢 量选取没有考虑磁链的精确位置的问题，提出统一磁链误差矢量控制理论，给出该 控制方式的原理，并用m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 软件仿搭建统一磁链误差控制策略的仿真 模型，验证控制算法的可行性。 第五章在直接转矩控制理论的基础上，利用t i 公司的电机控制专用d s p ( t m s 3 0 2 f 2 8 1 2 ) 对硬件实验平台进行了设计。 第二章直接转矩控制技术的基本原理 第二章直接转矩控制技术的基本原理 异步电动机的直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高性 能的交流电动机变压变频调速系统，它是通过直接控制电机的给定转矩与转矩反馈 来直接控制电动机的，因而得名直接转矩控制n 8 i 。 本章首先对直接转矩控制的理论基础作比较系统的介绍。从电机数学模型、空 间电压矢量、磁链和转矩调节、磁链区段等分别做了分析，以此为基础理解直接转 矩控制。本章将全面地阐述直接转矩控制的原理及各种控制方式。 2 1 异步电动机的数学模型 数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能，是被描述系统的近似 模拟。通过交流异步电动机的数学模型分析电机的运动规律和各变量间的因果或定 量关系，是对交流异步电动机进行控制的理论基础。 异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此，在研究异步电 动机数学模型时常作如下假设n 9 1 ： ( 1 ) 三相定子绕组a 、b 、c 及三相转子绕组a 、b 、c 在空间对称分布，各相电 流所产生的磁动势在气隙空间是正弦分部； ( 2 ) 忽略磁路饱和，绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁芯饱和的影响； ( 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响； 根据上述假设简化后，使电机数学模型变得特别简单明了。直接转矩控制在静 止a d 坐标系下的数学模型包括以下的四组方程： 1 电压方程 l s d 材s 8 u r a l r 8 2 磁链方程 r ，+ 丘p 0 l p 0 f i ，。 0 r 。+ 三，p 0 l 肌p 87 妒 l 所p r ，+ l ，pc o l ， 8k c o l , l m p c o l r r r 七l r p x i r b 巨0 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) k 钾卯 叮ojiiiii皿 o k o t 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 3 转矩方程 瓦= p 厶( ，a 吨) 2 ( 如_ f 妒) 2 主l i p 轰i i f ，驯s i n p (2-3) 4 运动方程 疋= 瓦+ 三_ d c o ( 2 4 ) n p a t 式中：甜，矿材矿u 矿材巾分别为定子电压和转子电压的a 、卢分量， k 、分别为定子电流和转子电流的眠卢分量，尺。、尺，分别为定子电阻和 转子电阻，三，、三，、三，分别为电机的定子自感、转子自感和定转子互感，c o 为电机 的转速，p 为微分算子d w d t ， y 船、t i t 印、y 形、y 喇分别为定子磁链和转子磁链的 a 、1 3 分量，疋代表电机的电磁转矩，l 。为电机的极对数，1 3 为电机的漏感系数，0 为定子磁链和转子磁链之间的夹角，瓦代表电机的负载转矩，j 为机组的转动惯量。 2 2 磁链观测的实现原理 定子磁链观测器的准确性，可以说是直接转矩控制技术实现的关键。定子磁链 无论是幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，或者出现不稳定。 解决磁链问题的较为通用的方法为间接测量的方法，即通过测量的定子电压、定子 电流和转速等建立定子磁链的观测模型，在控制中实时地准确算出定子磁链的幅值 和相位啪1 。本节介绍三种常用的磁链观测模型：基于定子电压和电流的磁链观测模 型、基于定子电流和转速的磁链观测模型和基于定子电压和转速的磁链观测模型。 ( 1 ) 基于定子电压和电流的磁链观测模型( u - i 模型) 最为传统和简单的方法( 式2 5 、式2 6 ) ，该方法主要根据定子端电压和相电流以 及定子电阻来计算定子磁链，不需要相关转速，同时实现简单、编程方便，因此获 得了较为广泛的应用。然而，当电机低速运行时，由于定子电压的减小，定子电阻 测量误差将结合积分误差以及定子电压检测误差造成磁链观测的严重失真乜。另外 在电机不转时，定子电压为零，此模型无法使用。 u - i 模型方程： y 艘= i 一乞足 a t ( 2 - 5 ) l f ，妒= j 【u 卢一岛足 a t ( 2 - 6 ) ( 2 ) 基于定子电流和转速的磁链观测模型( f 一力模型) f n 模型方法( 式2 7 式2 1 0 ) 不受定子电阻变化的影响，但受转子电阻、漏电感、 第二章直接转矩控制技术的基本原理 主电感变化的影响，同时还要精确地测量角速度，较适用于低速。为实现在全速范 围内调速，有的文献采用合理安排u i 模型和f 一刀模型，在不同的转速范围采取不 同的磁链模型乜2 j 。实验证明该方案可行，但切换的快速平滑较困难。 f 一拧模型方程： 1 y r c r2 蠢乙k 一巩印) ( 2 - 7 ) 1 2 斋匕如叫w m ) ( 2 - 8 ) y 。：( l e t 一毕) o + 争y 。 ( 2 9 ) l rl r ：( 幻一华) 锄+ 争( 2 - 1 0 ) - r工一r ( 3 ) 基于定子电流和转速的磁链观测模型( u 一嚣模型) 该模型( 式2 1 1 式2 1 6 ) 是甜一f 模型和f 一刀模型的一种综合，集合了他们的优点， 高速时工作在“一f 模型状态，低速时工作在f 一1 7 状态，可以作为一个全速域的定子 磁链观测模型。但没有考虑定子漏电感，而定子漏电感与电机的最大电磁转矩近似 成反比，所以该模型使控制系统的控制精度下降，而且此模型结构复杂，实现起来 比较困难瞳引。本文主要是对控制方式进行讨论，所以采用简单的“一f 磁链观测器模 型。该模型主要受定子电阻的影响，在低速时积分误差将加大。 l ，一刀模犁方程： z 等+ y 。= 厶t + z 国l f ，巾c z r 孥c l t + l f ，巾= 乙如一和v ，旭 l f ，。= 【一i o r s a t u s b = ps b 一1 , o r s a t 、l js 。、l ，r 。+ l 。i s 。 vs b vr b 七l o ls b 式中z = 去，= 乙+ 厶。 ( 2 - 1 1 1 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 2 3 逆变器模型和空间电压矢量 2 3 1 逆变器开关状态 直接转矩控制系统中所采用的理想电压型逆变器，如图2 1 所示，由三组( 六个) 开关器件组成，它们是：s a 、s a 、s b 、s b 、s c 、s c 。由于同一桥臂的两个元件不 能同时导通，否则将导致短路，所以s a 与s a 、s b 与s b 、s c 与s c 互为反向，一通一 断。实际上每组开关只有一个独立变量，三组开关共有2 3 = 8 种开关状态组合，用二 进制的组合来表示。 a b c 图2 1 理想电压型逆变器 s a 、菇称为a 相开关，用s a 表示；同样的b 相表示为s b ；c 相为s c 。亦可将三 相开关用s 曲。表示。规定a 、b 、c 三相负载的某一相与直流源正极接通时，该相开关 状态为l ；反之，与负极接通为0 。显而易见，当状态为0 0 0 和1 1 1 时，负载得到的 电压为零；而另外六种组合时均有工作电压加于负载，如表2 1 所示。 表2 1 逆变器的8 种开关状态 工作状态零状态 状态 123456o 7 开关状态s 妇 0 1 10 0 11 0 11 0 01 1 00 1 00 0 0 1 1 1 电压状态 弧。以：弧，。酞。 酞， 8 种可能的开关状态分成两类：一类为6 种开关状态，即表中的状态1 到状态6 ， 相应的电压为工作电压，特点是三相负载不都接到相同的电位上；另一类为零开关 状态，即表中的状态0 和状态7 ，相应的电压为零电压，特点是三相负载都接到相同 的电位上跚。 第二章直接转矩控制技术的基本原理 2 3 2 电压空间矢量 在对异步电动机进行分析和控制时，均需对三相进行分析和控制。此时，引入 p a r k 矢量变换，即将三维变换为二维，会带来很多方便。假定选定定子坐标系中的a 轴和p a r k 矢量复平面中的a 实轴重合，三相负载接为星形，则其输出的电压矢量阢 的p a r k 矢量变换表达式为 虮( e 瓯) = 和( + s p 辟+ 墨p 一睁) ( 2 1 7 ) 其中：配、瓯、瓯分别为逆变器的开关状态。 利用p a r k 矢量变换，我们从逆变器的8 种开关状态可以总结出8 个电压状态， 电压矢量空间分布图乜翮。如图2 2 所示，这8 个电压状态分别为 u s o ( 0 0 0 ) 2 虬7 ( 1 1 1 ) = o ：酞l ( 0 0 1 ) 2 2 圬； 虮2 ( 0 1 0 ) ：号片。虮3 ( 0 11 ) ：- 2 3 e e u s 4 ( 1 0 0 ) ：妪e e 姆。u s 5 ( 1 0 1 ) ：妪e e 避， ， 虮6 ( 11 0 ) ：据圬 u , 3 ( 0 1 0 ) k 左 玑( 1 l o ) 、 图2 2 电压矢量空间分布图 逆变器的8 个电压状态，形成了8 个离散的电压空间矢量。它们具有以下特征： ( 1 ) 相邻两个电压空间矢量在空间的位置相隔6 0 。； ( 2 ) 6 个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6 个顶点； ( 3 ) 当电压开关状态取( o o o ) 、以，( 1 1 1 ) 时，电压矢量为零矢量，位于六边形 的中心点。 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 2 4电压空间矢量对定子磁链及电磁转矩的影响 2 4 1电压空间矢量对定子磁链的影响 直接转矩控制根据磁链矢量定点运动轨迹分为六边形磁链方案和近似圆形磁链 方案啪3 。如( 图2 3 、图2 4 ) 所示，在静止参考0 【d 坐标系中，六边形方案利用电压空间 矢量以，以。来划分区间，而近似圆形方案则利用超前电压矢量3 0 。的虚线将空间划 分为六个区段s ( 1 ) ，s ( 2 ) ，s ( 6 ) 。值得注意的是，图中两种控制方式都用了电动 机的串行启动模式，即电机启动时逆变器一直输出一个电压矢量，直到定子磁链达 到给定值旧3 。 下面首先介绍转矩直接自控制中磁链的控制轨迹。在图2 3 中，当磁链空间矢量 在区段s ( 4 ) 时，如果逆变器加到定子上的电压矢量为( 1 0 0 ) ，定子磁链空间矢量 y 。( r ) 的顶点将沿着s 4 边的轨迹，朝着电压空间矢量所作用的方向运动。当l f ，。( f ) 沿着边s 4 边运动到s ( 4 ) 与s ( 5 ) 的交界时，如果给出电压空间矢量以，则磁链空间 矢量y 。( f ) 的顶点则会按照与u s ；( 1 1 0 ) 平行的方向，沿着边s 4 的轨迹运动。这样依次 在各个区段给出相应的电压空间矢量，定子磁链l f ，。( f ) 的顶点将依次沿着六边形的轨 迹运动。这便是六边形磁链直接转矩控制的磁链控制。 s 1 图2 3 六边形磁链轨迹图2 4 近似圆形磁链轨迹 在近似圆形磁链直接转矩控制中，磁链的控制如图2 4 所示，当磁链空间矢量在 s ( 1 ) 区段时，如果电机磁链超过给定磁链允许值的下限，则为了增大磁链幅值，给出 定子上的电压矢量为u s ，( 0 1 1 ) ；反之，为了减小磁链幅值，给出定子上的电压矢量为 酿，( 0 1o ) 。这样在一个区间需要两种电压矢量进行控制，而不像六边形磁链直接转矩 控制中磁链的控制那样，在一个区间只需要种电压矢量进行控制。依次在各个区 第二章直接转矩控制技术的基本原理 段给出相应的电压空间矢量，定子磁链l f ，。( f ) 的顶点将依次沿着近似圆形的轨迹运动。 2 4 2 电压空间矢量对电机电磁转矩的影响 在直接转矩控制技术中，是通过电压空间矢量以( ，) 来控制定子磁链的行走速 度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角p ( f ) ，达到控制电动机转矩的目的啪3 。 电动机的电磁转矩可以用定、转子磁链矢量的矢量积来表达，即： t = k ( v ，( t ) x q t ，( ，) ) = ky 忆y ，is i n 0 ( t ) ( 2 - 18 ) 式中iy ，i 、il f ，1 分别为定、转子磁链矢量y 。、少，的模值，o ( t ) 为i f ，。与v ，之间 的夹角，称为磁通角。f l 了( 2 1 8 ) 式可知电机的电磁转矩和定、转子磁链及它们的夹角 p ( f ) 有关。在实际运行中为了充分利用电机铁心，定子磁链矢量幅值希望保持不变； 而转子磁链矢量幅值由负载决定；要改变电磁转矩，只有通过改变磁通角8 ( f ) 实现。 图2 5 所示为f ，时刻的定子磁链y ，( ) 和转子磁链妒，( ) 及磁通角9 ( f 1 ) 的位置。 从f ，时刻到，：时刻，若此时给出的定子电压空间矢量以( f ) ，则定子磁链矢量由y 。( ) 的位置旋转n q , ，( f ：) 的位置，其运动轨迹a g t ，( ，) 。定子磁链矢量顶点沿着所给电压矢 量的方向运行，且与其平行。这个期间转子磁链的旋转情况，受该期间定子旋转角 频率的平均值。的影响。因此在时刻t 、到时刻t ，这段时间里，定子磁链旋转速度大 于转子磁链旋转速度，磁通角p ( f ) 加大，由p ( ) 变为臼( f ，) ，相应转矩增大。 图2 5电压空间矢量对电磁转矩的影响 如果在：时刻，给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量瓦( f ：) 保持在f ：时 刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以i 的速度旋转，则磁通角减小， 从而使转矩减小乜引。通过控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能 控制定子磁链空间矢量的平均角速度虿的大小，这样就能获得高动态响应的转矩特 性。 异步电动机直接转矩控制的优化控制策略 2 5 传统直接转矩控制系统的控制方式 2 5 1 转矩直接自控制( d s c ) 系统 转矩直接自控制是在定子参考坐标系下分析和计算电机的参数、并通过控制定 子磁链的走走停停来控制电机的电磁转矩，定子磁链的运动轨迹是正六边形。引。 图2