（模式识别与智能系统专业论文）电动车辆感应电机直接转矩控制系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 电动车辆以车载电池为电源，具有清洁环保、驾乘舒适等优点，是未来汽车 工业的发展方向。电动车辆电机控制系统是车辆中的核心部件，对整个车辆的性 能发挥起着举足轻重的作用，因此对车辆电控系统的研究和开发具有重要的工程 实际意义。在电动车辆驱动控制领域中，由于感应电机在性能、成本、结构等方 面的优势，得到了越来越广泛的使用，并且朝着控制精细化的方向发展。 感应电机的直接转矩控制技术是继矢量控制控技术之后发展起来的新型电 机控制技术，其直接在定子坐标系观测并控制感应电机的定子磁链和电磁转矩， 省去了复杂的坐标变换，具有结构简单、动静态性能优良、易于实现等特点。 目前在直接转矩控制领域理论研究中很多，但系统具体实现较少，本文将重 点放在控制系统的设计和实现上，设计和开发了一套满足在电动叉车、电动汽车 等场合应用要求的电机控制系统。本文首先从感应电机数学模型和电压源型逆变 器数学模型入手，讨论了定子磁链和逆变器开关状态与电压空间矢量的内在关 系，详细说明了直接转矩控制系统的定子磁链和电磁转矩的观测和调节控制，在 此基础上分析了直接转矩控制基本系统的各部分功能和实现方法。然后使用t i 公司高性能浮点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 高速运算能力和丰富的片内资源完成了 控制系统的软、硬件的设计方案，本课题使用c 语言和汇编语言编写了控制程序 和应用程序，文中给出了相关程序的软件流程图并一一作了介绍，同时文中给出 了主要硬件电路的电路原理图并阐述了其工作原理。 本课题制作了直接转矩控制的感应电机控制器样机，对控制器样机进行了大 量实验测试并在实验室现场进行了电机空载和带负载实验。实验结果验证了直接 转矩算法的优良性能，表明控制系统基本能够实现电动车辆对感应电机的控制需 要，达到了课题要求的研发目标。最后对整个课题的设计和开发进行总结，并对 由于时间等原因未进行的研究工作进行了说明。 关键字：感应电机直接转矩控制电压空间矢量d s p a b s t r a c t a b s t r a c t f o rb a t t e t ya sp o w e rs u p p l y ，a sw e l la st h ea d v a n t a g eo fc l e a na n dn o p o l l u t i o n e m i s s i o n s ，d r i v i n gc o n f o r t ，e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v s ) a r eo n eo ft h ef u t u r ed i r e c t i o n so f t h ea u t o m o t i v ei n d u s t y e l e c t r i cv e h i c l em o t o rc o n t r o ls y s t e m sw h i c ha r et h ec o r e c o m p o n e n to fe v sa n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ne v s ，s oi t sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h a td ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h em o t o rc o n t r o ls y s t e m s i nt h ef i e l do f e l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o l ，b e c a u s eo fa d v a n t a g e so fp e r f o r m a n c e ，c o s t ，s t r u c t u r ea n ds o o n ，i n d u c t i o nm o t o rh a sb e e nw i d e l yu s e d ，a n dm o v et ot h ed i r e c t i o no f f i n ec o n t r 0 1 f o rt h es t a t o rf l u xa n dt o r q u ea r ec a l c u a t e da n dc o n t r o l l e di nt h es t a t o r c o o r d i n a t e ，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 yo fi n d u c t i o nm o t o rw h i c h e l i m i n a t e st h ec o m p l e xc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni st h en e wt e c h n o l o g yo fm o t o r c o n t r o lf o l l o w i n ga f t e rv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y 1 1 1 ed t ct h e o r yh a ss i m p l e s t r u c t u r e ，g o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n di se a s yt oi m p l e m e n t c u r r e n t l yi nt h ef i e l do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h e r ei sa l o to ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， b u tl a c ko ft h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，s ot h i sp a p e rw i l lf o c u so nt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m 1 1 1 ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt om e e tt h e n e e do fe l e c t r i cf o r k l i f t s ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sa n ds oo n mp a p e rb e g i nw i t ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，a n dt h e n d i s c u s s e si n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g es p a c ev e c t o rw i t ht h es t a t o rf l u xa n d s w i t c h i n gs t a t eo fv o l t a g ei n v e r t e r ，a n dt h e na n a l y z et h e nm e a s u r ea n da d j u s t m e n to f s t a t o rf l u xa n do r q u ei nd e t a i l o nt h eb a s i sa b o v et h e nt h ep a p e ra n a l y z et h ef u n c t i o n a n di m p l e m e n t a t i o no fe a c hp a r ti nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y a t e m a f t e rt h et h e o r y p r e s e n t a t i o n ，t ih i g hp e r f o r m a n c ed s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 w h i c hi sf l o a t i n g 。p o i n t ， h i g h s p e e dc o m p u t i n g ，a n dc o n t a i n sr i c ho n c h i pr e s o u r c e si s u s e dt oc o m p l e t e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o la n da p p l i c a t i o n p a o g r a m so ft h ep r o j e c ta r ew r i t t e nb ycl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e ，t h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef l o wc h a r t sa r ei n t r o d u c e di nt h et h ep a p e r ，t h em a i nc i r c u i t d i a g r a mo fh a r d w a r ea n dh o w i tw o r k sa r ea l s og i v e ni nt h ep a p e r t h em o t o rc o n t r o l l e rp r o t o t y p ei sp r o d u c e di nt h ep r o j e c t , a n dal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s o nt h ec o n t r o l l e r p r o t o t y p ei n c l u d i n gn o l o a d a n dl o a dt e s t sa r e c o n d u c t e di nt h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td i r e c tt o r q u ea l g o r i t h m h a sg o o dp e r f o r m a n c e ，t h ec o n t r o ls y s t e mm e e tt h er e q u i r e m e n to fi n d u c t i o nm o t o r i i i a b s t r a c t c o n t r o lo ne l e c t r i cv e h i c l e sa n da c h i e v et h eg o a lo ft h ed e v e l o p m e n t f i n a l l y ，t h e p a p e rs u mu pt h ew h o l ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，a n dt h es t u d yt h a tn o tc o n d u c t e df o r t h er e a s o no f t i m ei sl i s t e d k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，d i r e c tt o r q u ec o m r o l ，s p a c ev o l t a g ev e c t o r , t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字嗍迈丝，亟夕 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据 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。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 、， 囱公开 作者签名：一 翩躲婵 签字日期：2 望2 翌。笸、f 签字日期：二酸豇啦 第l 章绪论 1 1 课题背景及研发目标 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，能源危机和环境问题已经成为人类面对的共同课题，各国 政府都在采取积极措施寻求新技术、新能源来改善环境状况，解决人类社会对煤 炭、石油等传统化石能源的依赖。我国资源储量丰富但人均拥有量不足，而且资 源利用率低、环境污染严重，因此提高能源效率，发展清洁能源，是保护环境、 实现可持续发展的重要途径，是建设资源节约型、环境友好型社会的必由之路。 近年全球汽车工业高速发展，但同时也产生了一系列严重的环境问题：车辆 尾气污染、能源的大量消耗，人们急需发展无污染、无噪声、节能环保的交通和 运输工具。电动车辆正是适应了这一要求应运而生。电动车辆是以蓄电池作为动 力来源，通过电机将电能转化为机械能驱动电动车辆行走。相对于燃油车辆，电 动车辆外形尺寸较小，操作灵活，具有清洁无污染、能源使用率较高、噪音低、 驾驶舒适的特点。随着各国政府对环境、资源问题的重视以及人们环保意识的提 高，各国政府对电动汽车的研发投入越来越多，居民用户对电动车辆的需求越来 越大，电动车辆必将成为未来绿色环保的交通工具而取代燃油车辆。我过也在大 力发展电动车辆研究，虽然中国汽车工业落后世界发达国家，但是电动车辆的研 发水平和技术与其他国家相比差距并不明显。2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海世 博会由我国自主研发的混合动力汽车和蓄电池汽车投入使用，充分展示了我国在 电动车辆的技术水平。 目前电动车辆使用的驱动电机主要有直流电机和交流感应电机两种。由于直 流电机优良的调速性能和简单的控制方法在车辆驱动上仍起着相当重要的作用， 但直流电机的具有电刷、换向器等易损坏部件，需要定期维护，而且质量及体积 较大，价格高、使用不便等问题也日益突出。相对的是感应电机结构简单、成本 低廉、工作可靠、惯性小、效率高、维护方便等优点，而且现代电力电子技术、 控制理论的发展和高性能微处理芯片的广泛使用为感应电机驱动提供了技术保 证，现代交流电机的控制技术可获得和直流电机相媲美的调速性能，因此交流感 应电机驱动在电动车辆上应用非常广泛。 电控系统是整个电动车辆的核心部件，电动车辆的运行性能主要取决于电控 系统的类型和性能，因此有必要开发和研制电动车辆的电控系统，这对实现电动 车辆实用化和产业化具有重要的现实意义。 本课题开发目标是开发一款全数字化交流感应电机控制器，以电动车辆用小 第1 章绪论 功率三相感应电机为主要的控制对象，满足电动叉车、小型电动车辆等场合的应 用控制需求。硬件结构设计为功率驱动板和逻辑控制板两块电路板组合的方式， 其中逻辑控制板采用t i 公司高性能的浮点d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ) 为控制核心， 并具有供电转换电路、霍尔电流检测采样、电压采样、串口通信接口、开关输入 检测、电机转速测量、m o s 管驱动放大电路等硬件电路，功率驱动板上是由 i r f 3 2 0 5 s 型m o s 管所构成的电压源型桥式逆变器。软件结构上采用模块化编程 思想和前后台的软件结构，使用直接转矩控制( d t c ) 算法与电压空间矢量控制理 论相结合的控制思想，实现对转矩调节、磁链调节和电压空间矢量的控制，经过 d s p 高速、精确运算后输出三对p w m 信号来控制功率驱动板上的逆变器的功率 器件的开关输出三相电压来驱动感应电机运转，同时控制系统还要具有良好的在 线编程和状态诊断功能以及一定的电机故障检测和保护功能。 1 2 感应电机控制的技术基础 在2 0 世纪5 0 年代以前，由于直流传动简单的调速控制和优越的调速性能，因 此直流电动机在高性能的调速传动中一直占据着主导地位，而交流传动系统一直 处于不调速只传动的窘境，这种交直流电机工作分工一段时间内甚至得到全世界 的公认。直到2 0 世纪6 0 年代以后，大功率电力电子器件的交流传动系统的实现， 特别是感应电机控制理论的飞速发展及微型计算机数字控制技术在实际应用中 取得重要进展，使得交流传动的性能达到甚至超越了直流传动系统，因此实际应 用优点明显的交流传动系统逐渐发展壮大。 1 2 1 电力电子技术的发展 1 9 4 6 年晶体管被美国贝尔实验室研制成功，开拓了半导体物理学的新领域， 从此人类步入电子时代。1 9 5 7 年在晶体管的基础上美国通用电气公司率先研制出 晶闸管( s c r ) ，也称为可控硅，标志着电力电子技术的出现。在2 0 世纪6 0 年代到 8 0 年代，电机控制研究人员开发出晶闸管控制的直流电动机调速系统，使小信号 可以控制大功率，极大的推动了电机控制理论和电气传动技术的发展。但是普通 晶闸管只能实现自主导通，需要有辅助关断电路来控制其关断，这使得整个系统 电路结构变得非常复杂，降低了系统控制的可靠性。因此在晶闸管的基础上又研 制出了导通和关断均可控制的电力电子器件，如电力晶闸管、电力场效应管、绝 缘门极双极性晶体管( i g b t ) 等一系列器件，这些器件被称为全控型器件，相对普 通晶闸管则称为半控型器件。全控型功率器件的出现使得电机实际控制技术上升 到一个新的高度。 2 第1 章绪论 现在新型电力电子器件正在迅速的发展中，制造工艺不断改进，一些性能不 高的器件逐渐被淘汰，而电力电子器件的大功率、高耐压、高频、低损耗、易驱 动的成为发展趋势，并且在朝着模块化、智能化和集成化的方向发展。例如将半 导体器件相关的信息处理部分，通过高压集成电路、系统芯片s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 和多层印制电路板安装在同- - # b 壳中，集成了必要的保护和控制技术形的 智能功率结构模块( i p m ) 1 2 2 微处理器的发展应用 随着微电子技术的发展，微处理芯片的运算能力和可靠性得到极大提高，传 统的模拟器件控制系统逐渐被以微处理器为控制核心的数字控制系统所代替。微 处理器中的单片机体积小、使用简单、功能较强，但是信号处理速度和精度较低， 只能满足于一些简单的控制系统，而对于感应电机这样复杂的控制系统，要求较 多的数据储存量以及高速实时运算能力，因此出现了采用数字信号处理器( d s p ) 的为核心控制单元的电机控制系统。 数字信号处理器( d s p ) 使用哈佛总线和流水线结构传送数据、快速中断响应， 使得d s p 可以高速处理能力和实时控制，这就为电机控制复杂算法的高速实现提 供了硬件保障。世界上各大d s p 厂商开发出电机控制的专用d s p ，这样d s p 内部 不仅集成了串口通信、a d 转换、强大的f o 控制等接口，同时还有电机控制所需 的可编程的多路p w m 信号发生器、可编程死区以及用于电机控制中的速度和位 置反馈的编码器接口等电路。这样可以将电机控制、故障检测、诊断和保护、人 机交互等功能集成一体，使得电机控制系统的硬件设计更加灵活。 1 2 3 感应电机控制策略的发展 电机是工业自动化不可缺少的基本单元，电机的控制技术是实现高性能自动 化驱动的核心技术，电机控制策略不断更新和优化。 由感应电机的机械特性可知，要调节感应电机的转速，则需要调节定子供电 电源的电压和频率，同时为更好的利用电机铁心而要保持气隙恒定，因此最初的 感应电机变频调速是开环恒压频比控制( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) ，后 来增加了电流反馈和速度控制，称为转差频率控制，这种感应电机调速控制策略 调速性能较好并且已经在实际中广泛使用。但是这种控制方式电机转矩是不能调 节的，智能实现恒转速调节。而且在电机低速时，由于定子阻抗压降随负载转矩 变化，当负载较重时可能补偿不足，当负载较轻时又可能造成补偿过大，造成磁 路饱和。 第l 章绪论 2 0 世纪7 0 年代，德国学者f b l a s c h k e 提出了感应电机矢量控制理论( v e c t o r c o n t r 0 1 ) ，又称为磁场定向控$ 1 ( f i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 ) ，它的出现对电机控制技 术具有划时代的意义，使电机控制技术的发展不如一个全新的阶段。在此之后的 实践中，许多学者的工程技术人员不断改进，最后形成了目前普遍应用的矢量控 制变频调速技术。矢量控制技术应用坐标变换将三相坐标系等效为正交两相系 统，再经过按照转子磁场定向的矢量旋转变换实现定子电流分量和转矩分量的解 耦，从而实现对感应电机磁链和电流的分别控制。由于矢量控制将一台三相电机 等效为一台直流电机来控制，因而获得了与直流电机调速系统同样良好的静态、 动态性能。然而实际中转子磁链难以准确观测、系统特性受电机参数影响很大以 及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效果。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授首先提出了直接转矩控制( d t c ) 思 想。与矢量控制不同，直接转矩控制的根据感应电机转矩的需要，直接选择合适 的定子电压空间矢量，实现感应电机转矩的快速响应。直接转矩控制打破了传统 的模仿直流电机进行参数解耦的控制思想，避免了许多复杂的矢量旋转坐标变换 与计算，具有系统简单、转矩响应快、对电机参数依赖性比较小、鲁棒性强等特 点。目前，直接转矩控制技术还在进一步深入研究和改进，加快向更加优良的控 制效果和更加简单实用的方向发展。 现代电机智能控制技术是将传统电机控制理论与自适应控制、人工智能控 制、神经网络、模糊控制等相结合的产物。智能控制的处理方法不再是依赖单一 的数学模型，而是数学模型与知识系统相结合的广义模型，充分利用人类的经验 和思维、判断能力实现对复杂系统的控制。可以预期，在未来几十年里，人工智 能控制将在电力电子学和电机控制领域中发挥引领时代新潮流的作用。 1 2 4 计算机仿真和辅助设计 电机控制电路由于电机和电力电子器件的非线性，给控制电路的分析带来一 定的困难和复杂性。现代计算机仿真技术为电机控制的分析提供了崭新的方法， 可以使得复杂的控制电路和系统分析及设计变得更加容易、有效。仿真是在计算 机平台上虚拟实际的物理系统，以数学模型代替实际的物理器件和电路。随着数 字计算机的出现和普及，数值算法的完善，出现了大量通用的数字仿真语言和软 件。现在用于电机控制的仿真软件有多种，其中最具影响力的当数m a t l a b 。 m a t l a b 是一种科学计算软件，是以矩阵为基础的交互式程序设计软件， 具有强大的矩阵运算能力、可视化的仿真环境和内容丰富的模型库，可用于控制 理论、电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。 4 第1 章绪论 1 3 本文的主要内容 本课题目标是设计和开发一款基于高性能d s p 的感应电机控制器，本文的主 要工作就是对三相感应电动机的控制系统进行了设计和实现，文中详细讨论了直 接转矩控制的基本原理、电压空间矢量原理，在系统总体设计的基础上进行了相 应的硬件电路和软件设计，并进行了相关实验室测试，测试结果表明系统设计达 到了既定的研发目标，基本能够满足在电动叉车、小型电动车辆电机控制和调速 的需要。 本文的具体内容安排如下： 第2 章：介绍三相感应电动机的数学模型，同时分析逆变器开关状态与电压 空间矢量的内在联系。 第3 章：针对直接转矩控制中的关键问题：定子磁链和电磁转矩观测与控制 进行了详细的分析，在此基础上说明直接转矩控制中电压空间矢量的具体实现方 法，这些构成了直接转矩控制的基本原理。 第4 章：结合系统的技术要求，给出系统的硬件总体设计框图，并对各部分 电路的电路原理进行分析，同时说明了一些硬件电路设计中应该注意的问题。 第5 章：首先对d s p 软件开发工具和软件编程流程进行简单介绍，然后根 据系统软件总体设计方案，对软件中的各个软件功能模块进行了详细介绍，并给 出了对应的程序流程图。 第6 章：对电路板和系统软件进行了详细实际测试，同时在实验室现有条件 下，使用电机控制台模拟电动车辆对电机的控制实现了电机的空载和带载实验， 实验波形和电机运转情况表明设计的正确性，达到了开发目标。 最后，对全文工作进行总结，同时对未来工作的方向做出展望。 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 感应电机是通过电磁耦合来实现能量的传输和变换的，在结构上有一个静止 部分( 定子) 和一个运动部分( 转子) ，两者之间相隔一条狭窄的空间( 气隙) ， 定子和转子表面各分布有三相绕组，各自流过交流电流并产生在空间和时间上连 续变化的旋转磁场，两个旋转磁场及其力的相互作用构成了机械能与电能的可逆 转换。 在电动车辆控制系统中，感应电机是由逆变器将蓄电池的直流电逆变出可变 压变频的交流电来供电的。逆变器分为电压源型和电流源型两类，两种电路的区 别只是在直流环节采用怎样的滤波器。本课题使用的是电压源型逆变器。 2 1 三相感应电动机的数学模型 感应电动机的定子绕组和转子绕组为三相绕组，没有励磁绕组。在研究感应 电动机的多变量数学模型时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波和齿槽效应，三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 。电角度，定 转子之间气隙均匀，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感系数都是恒定的。 ( 3 ) 忽略铁心损耗。 ( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 这样，无论电机转子是绕线型的还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子， 并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这样，电动机就等效成 如图2 1 所示的物理模型。图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的， 以a 轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 相绕组轴线相对 于定子a 相绕组轴线的夹角为0 。这里规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符 合电机学惯例和右手螺旋准则。这时，感应电动机的数学模型由如下电压方程、 磁链方程、转矩方程组成。( 陈伯时，陈敏逊，2 0 0 5 ) 1 7 0 1 7 6 6 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 图2 1 三相感应电动机的物理模型 2 1 1 电压方程 三相定子绕组电压平衡方程为 匙+ 警 b + 警 t 凡+ 等 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 = 足+ 警 u b - - 毋+ 等 铲讽+ 等 式中、1 , 4 b 、“。、心一一定子和转子相电压的瞬时值； 、如、如、f 6 、乞定子和转子相电流的瞬时值； 甲4 、甲丑、壬，c 、甲。、甲6 、壬，。一各相绕组的全磁链； 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) f 。 簿 j 取i a 。 晰 咖 比 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 b 、耳一定子和转子绕组电阻； 上式以微分算子p 代替导，则可将方程写成矩阵形式： 讲 或写成 2 1 2 磁链方程 00 00 o0 oo 足0 0 r ”= 尼+ p 甲 甲月 甲口 + p 隧 吨b 甲。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 每个绕组的磁链是其自身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此 六个绕组的磁链可表达为 或写成 甲_ 甲占 甲c 甲。 甲6 甲。 “ k 如 k 厶。 k 式中，l 6 行6 列的电感矩阵； 匕、k 、k 、k 、乞各有关绕组的自感； 其余各项则是绕组间的互感。 2 1 3 转矩方程 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 根据电能量转换原理，可求出感应电动机电磁转矩的表达式如下： = 见l 【( + + i c i 。) s i n o + ( i , d , + 乞+ i c i , , ) s i n ( o + 1 2 0 。) + ( + + i c 。) s i n ( 8 1 2 0 。) 】 ( 2 7 ) 应该指出，上式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假设条件下得出来的， 但对定、转子电流对时间的波形未作任何假定，式中的i 都是瞬时值。因此，上 8 0 0 0 耳o 0 o o 磁0 o 0 o 砖o o o 0 咚o o 0 o o 晰砌比如鳓班 “砌励伽如知励励知如易 k k k k k k 砧 珈励励伽伽加“励励助励助 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 述电磁转矩公式安全适用于变压变频供电的含有电流谐波的三相感应电动机调 速系统。 由以上方程可知感应电机的数学模型是个高阶、非线性、强耦合的多变量 系统。 2 2 电压源型逆变器的数学模型 当三相对称正弦电压加在感应电机三相绕组时，在电机的气隙中将产生恒定 幅值和恒定转速旋转的圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 电压空间矢量p w m 是把感应电机和逆变器视为一体，按照跟踪圆形旋转磁 场来控制逆变器的功率器件开关切换，使电机气隙获得一个近似圆形的磁场。 2 2 1 磁链空间矢量与电压空间矢量 电机理论中，分析各相定子绕组磁动势及其合成磁动势时，是将各相绕组在 空间分布的正弦函数之和转化为空间矢量之和。如图2 2 左图所示，给出了感应 电动机定子三相绕组接线图，图中箭头所指为相应物理量的给定正方向。在空间 呈正弦分布的三相定子绕组磁动势可用空间矢量瓦、瓦、虿表示，它们分别落 在代表三相定子绕组轴线空间位置的a 、b 、c 轴上，而三相绕组合成磁动势的 空间矢量为最。它们的关系可表达为： b = e + 磊+ 尼 ( 2 8 ) 式中巧、巧、瓦的模值均在各自的轴线上按正弦规律作脉动变化，时间相 位分别相差2 州3 ，它们的合成磁动势空间矢量耳则绕定子参考坐标系的原点。 以其同步角频率旋转，其矢端运动轨迹为圆，即通称的圆型旋转磁场。( 陈伯 时，陈敏逊，2 0 0 5 ) 1 2 5 1 3 6 图a 图2 2 定子三相绕组磁动势和电压空间矢量 9 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 同理，在三相对称正弦波相电压加到电动机三相定子绕组上时，可在定子参 考坐标系上定义三个定子电压空间矢量石、一u b 、一u c ，它们的方向在对应的各相 绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，三相电压空间矢量之和所产生 的定子三相电压合成矢量嚣也是一个旋转的空间矢量，其幅值不变，是相电压 值的3 2 倍，并以电源角频率作恒速旋转，如图2 2 右图所示。合成电压矢量 表达式为 us=ua+ub+uc ( 2 9 ) 当三相平衡正弦电压供给感应电机，对三相定子绕组的每一相可写出电压平 衡方程，三相的电压平衡方程相加，可得合成空间矢量表示的定子电压方程式： 石：匙云+ 譬 ( 2 1 0 ) 式中甲s 是定子三相合成磁动势空间矢量。 电动机定子磁链矢量幅值恒定，以矢端为圆形的运动轨迹并且恒定的角速率 旋转，则定子磁链矢量可以表示为 甲s 甲朋e 皿 ( 2 1 1 ) 式中甲。是磁链的幅值，为其旋转角频率。在电动机转速不是很低时， 可以忽略定子电阻压降的影响，则合成空间矢量的定子电压方程可以近似写为 石等= 丢( 岭令洲。p 几卅争 ( 2 1 2 ) 上式表明，u s 的大小与c o 成正l f ；，其方向与磁链矢量正交，即磁链圆的 切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方 向运动3 6 0 。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题可以转化为电压空间矢量运动 轨迹问题。 2 2 2 逆变器开关状态与电压空间矢量 直接转矩控制系统采用三相桥式电压型逆变器来获得所需的定子电压空间 矢量，逆变器如图2 3 所示，包括3 个桥臂，共有6 个功率器件。用s 。、s 。、墨 分别表示3 个桥臂上的功率器件的通断状态，且令s 、瓯、昂= l 表示该相上桥 臂功率器件接通，s 。、& 、& = 0 表示该相下桥臂功率器件接通，三相桥式逆变 器的导通与关断状态取决于可控功率器件的驱动电压，对于常用的n 沟道 m o s f e t 功率器件，高电平驱动导通，低电平关断。由于逆变器上下桥臂的功 率器件通断状态互补并且不能同时接通，则可形成8 种开关模式。( 洪乃刚，2 0 0 8 ) l o 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 图2 3 三相电压型逆变电路原理图 在开关状态咒& 品= 0 0 1 时，即q 4 、q 、9 5 接通，由图可得= _ 1u d ， u c - 兰u d ，将其代入电压空间矢量合成公式可得： ( o o l u s ( o o d ：詈2l p ， 0 十p j 等+ p ，等】：詈【( 一丢) + ( 一丢1u d ) p j 警+ 詈p 等】：詈e j 4 - - r 万= i l p ，十p 了+ p 了】= 吾【( 一 ) + ( 一i u d ) p 了+ 吾p 了】- 鲁 3 33333 ( 2 1 3 ) 以此类推，可得逆变器六种开关状态下的电压空间矢量，如表2 1 所示。其 中开关状态中0 0 0 和1 1 1 ，即下桥臂或上桥臂同时接通或关断时，其工作状态是 无效的，对应的空间电压矢量为0 ，称为零矢量，其余空间矢量称为非零矢量。 表2 1 基本电压空间矢量 开关状态工作状态零状态 状态序号 s ls 2s 3s 4s 5s 6 s 7 s 8 s as bs c 0 1 10 0 11 0 1l0 01 1 00 l o0 0 01 1 1 空间 l g s lu s 2蜘3l l s 45h s 6u s 7u s g 电压 毛u d e j 再 ，塑，堑 昙扣 7互 ，堑 o0 矢量 j 孝p p ，3 j p 。?p 1 jjj 根据上表的8 种开关模式，磊瓦六个合成电压空间矢量幅值相等，在空 间上相位相差万3 ，则可将定子合成电压空间矢量按照放射形分布画出，如图2 4 的左图表示，整个矢量空间被分为6 个扇区，编号i 到，每个扇区的电角度是 州3 。对于上述电压型逆变器，在其输出的每个周期中，6 个有效的开关模式依 次出现一次，逆变器每隔刀3 时刻仅改变一次开关模式，且在万3 时期内保持不 变。例如在第一个万3 时期内，定子电压合成矢量为磊，则过了州3 时刻后，定 子电压空间矢量变为石；随着时间的推移，依次产生磊、石、磊、磊，到 第二个周期又产生瓦。这样可把放射形表示的六个电压空间矢量依次首尾 相连，且聂的矢端与一u s l 的起端衔接，从而形成封闭的正六边形。磊与嚣电 第2 章直接转矩控制系统中的数学模型 压空间矢量的幅值为o ，因而落在六边形的中心点处，如图2 4 右图所示。 合成电压矢量放射形分布 u s 4 合成电压矢量正六边形分布 图2 4 合成电压空间矢量图 电压空间矢量一方面联系了逆变器的开关状态，另一方面联系了电动机的磁 链轨迹，即通过电压空间矢量建立了逆变器开关与电动机磁链控制的关系。定子 电压空间矢量形成的正六边形轨迹可以看做是电机定子合成磁链空间矢量矢端 的运动轨迹。 2 3 本章小结 本章首先介绍了三相感应电动机的数学模型，同时分析了电压源型逆变器的 数学模型，并将逆变器开关状态和定子磁链通过电压空间矢量联系在一起，为实 现直接转矩控制和电压空间矢量控制提供了理论依据。 1 2 第3 章直接转矩控制的控制策略 第3 章直接转矩控制的控制策略 直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期提出的新型感应电机控制理论，是在定子 坐标系统中计算磁链和电磁转矩的大小和位置角，通过对磁链和转矩的直接跟踪 来实现高性能动态控制。由于磁链的幅值限制在很小的误差范围内，对转矩控制 性能不会有很大的影响，因此直接转矩控制方法对电机参数变化不敏感，同时加 上电压空间矢量的优化控制，降低了逆变器的开关频率和开关损耗，提高了控制 系统的效率。 3 1 直接转矩控制的关键技术 直接转矩控制中有两个关键技术：( 1 ) 计算感应电机实际电磁转矩以及给定 电磁转矩的误差，从而确定电磁转矩变化的方向；( 2 ) 在当前定子磁链位置确定 定子电压空间矢量与电磁转矩变化之间的关系，以便选择最佳定子电压空间矢量 实现转矩的直接快速响应。 直接转矩控制电路中包括两个滞环( b a n g b a n g ) 调节器：定子磁链调节器改 变有效电压空间矢量沿参考轨迹运动的持续时间，而转矩调节器决定零电压空间 矢量的持续时间，使电机转矩保持在滞环控制器的误差范围内。在每次采样时， 通过选择逆变器的开关状态，以减少磁链和转矩的瞬时偏差。 与传统的转子磁场定向控制策略相比，使用滞环调节器的直接转矩控制策略 没有电流控制环，不需要坐标变换，没有独立的脉宽调制器，但是需要在线计算 定子磁链和电磁转矩。 3 1 1 定子磁链的观测与调节 对于定子磁链空间矢量，由定子电压空间矢量方程2 1 0 可得 甲s = i ( 一岛) d r 将磁链矢量在两相静止坐标( q1 3 坐标) 分解为两个分量可得 l 甲鼬= i ( 一b 口渺 【甲卵= j ( 蜘户一b 锄渺 定子磁链矢量的模值为 1 3 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第3 章直接转矩控制的控制策略 磁链角为 甲s = 属5 巧 3 3 ) w 0 = a r c c o s 且( 3 4 ) 甲s 上式是使用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法，称为“u i ”法。 它适用于中、高速运行的系统，该方法结构简单、精度较好，但是这种观测方法 在低速时，定子电阻压降以及积分误差的作用会影响磁链计算的准确度。本课题 中主要实现电机在定子电压较高的情况下的直接转矩控制，对低速电机性能要求 较低，因此在本课题控制系统中，定子磁链的估计可以使用这种观测方法。 磁链调节就是使用给定的磁链参考基准甲：和误差容限甲缈调节定子磁链 幅值，使实际定子磁链的幅值甲。与给定磁链幅值甲：之间的偏差处于范围胖 之内，其实现方法就是通过选择定子电压空间矢量将定子磁链的幅值变化控制在 允许范围内，使定子磁链的轨迹接近圆形。在电压空间矢量选择时，不仅要考虑 磁链幅值的偏差，还要考虑磁链的旋转方向。 j甲 1 一a q - 斟 d 甲甲 一l 图3 1 定子磁链滞环调节器 图3 1 为定子磁链滞环调节器的原理图，其滞环误差容限为巧，调节器输 入为a q - = 甲；一甲s ，输出为甲，输出取值l 或一1 。当甲大于胖甲时，滞环调 节器输出l ，当y 在甲矽2 f - j 耵t ，滞环调节器输出保持不变，当甲小于一甲矽 时，滞环调节器输出1 。滞环调节器的输出值确定以后，根据磁链所在扇区选择 相应的电压空间矢量进行切换，就可以把定子磁链的幅值限制在甲；甲矽- 范i i i 内。 3 1 2 电磁转矩的观测与调节 直接转矩控制中需要观测电机的电磁转矩作为反馈量，但是目前直接测量电 机电磁转矩在测量技术和结构方面仍有困难。由两相静止坐标下的转矩方程和磁 1 4 第3 章直接转矩控制的控制策略 链方程可得： z = 见( 卢甲胁一岛口甲即) ( 3 5 ) 式中是以电机的极对数，这是直接转矩控制系统中的转矩模型。转矩模型 提供了一种间接求取电磁转矩的方法，即可以根据定予电流及定子磁链来计算电 机的电磁转矩。 电磁转矩还可以表示为 t = 酬巧i s i l l 矿 ( 3 6 ) 。一。 式中l 为漏感。由上式可知转矩的大小和定子磁链幅值、转子磁链幅 值以及定转子之间的夹角巾的乘积成正比。在实际运行中，通过磁链滞环调节后 基本能保持定子磁链幅值近似不变，而转子磁链的幅值由负载决定，因此要改变 电动机的转矩大小，只能通过改变磁通角的大小来实现。其实现方法就是通过选 择零电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，进而改变定子磁链的旋转速度， 以达到控制电机转矩的目的。 l i 一巧 i l o 乃 - 1 图3 2 电磁转矩滞环调节器 转矩调节使用的滞环调节器如图3 2 所示，其容差是研，滞环调节器的输 入是转矩给定值咒和转矩计算值t 的信号差乙= 艺一疋，滞环调节器采用的 是三值比较输出，输出可输出1 、0 、l 三个值。转矩调节的目的就是使输出 转矩满足以下关系 l 艺一乃t 艺( 磁链顺时针旋转)，。、 【艺s z 艺+ 弓( 磁链逆时针旋转) 根据滞环调节器的不同输出可以确定定子电压空间矢量。由于转矩控制中采 用的是滞环调节器，所以实际输出转矩存在脉动。转矩调节容差乃越小，电磁 转矩的脉动幅度越小。但是转矩容差越小，电压空间矢量加入的次数越多，逆变 第3 章直接转矩控制的控制策略 器开关频率的开关频率越高，这就对功率开关器件的性能提出了更高的要求。 3 2 电压空间矢量控制策略 电压空间矢量p w m 从逆变器6 个非零电压空间矢量中进行选择，并以追踪 圆形旋转磁场为目的。由图2 4 左图可知，整个电压矢量空间分为6 个扇区，由 于逆变器在各个扇区的工作状态是对称的，因此分析一个扇区的电压空间矢量的 选择情况可以推广到其他扇区。在确定了磁链的幅值范围甲：甲缈后，根据这 个范围可以画出两个同心圆，磁链滞环调节就是使磁链矢量矢端轨迹限制在两个 同心圆所确定的范围内，如图3 3 所示。在矢量空间的6 个扇区中，每个扇区采 用不同的定子电压矢量，且每个扇区只选择一个基本电压空间矢量，每个矢