（农业电气化与自动化专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统的研究.pdf

摘要 传统的调速控制多采用直流电动机，这是由于直流电动机可以通过改变电枢电压以及调 节励磁电流实现无级调速。但是直流电机存在结构复杂，造价昂贵，机械换向器与电刷之间 存在换向火花等问题，而且维护困难。随着生产技术的发展，交流调速已经进入逐渐取代直 流调速的时代。 交流电动机是多变量，强耦合的非线性时变系统，与直流电动机相比，交流电机的转矩 控制要困难的多。直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 理论很好的解决了这一问题。这一理 论土要采用空间欠量的方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的磁链和转矩，采用 定子磁场定向控制的方法，直接跟踪定子磁链和电磁转矩，借助于调节器产生的p w m 信号， 对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩响应。 本文利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱中的电力系统模块，根据直接转矩控制原理，建立 了调速系统的数学模犁，进行了仿真研究，研究结果表明磁链轨迹近似为圆形，实际转速跟 随指令转速效果良好。 硬什方面主电路采用交一直一交的拓扑结构。在设计方面采用t i 公司专门为电机驱动开发 的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制系统的处理器，该芯片集成了i 午多电机控制所需要 的功能控制模块，减少了外同电路设计t 作。驱动部分主要采用i p m 为驱动核心，通过光电 耦合电路和d s p 通信。软件进行了整体方案的构建，给出了软件流程。 最后，完成了包括启动及闭环运行等在内的仿真实验，分析了实验结果，总结了系统设 计的成功和不足之处，并展望了直接转矩控制技术的发展前景。 关键词：直接转矩控制；异步电机；d s p ；仿真 v a b s t r a c t s t u d yo nt h es y s t e mo f d i r e c tt o r q u e c o n t r o lb a s e do nd s p a b s t r a c t i ti sa l w a y su s e df o rs p e e dc o n t r o lb yd i r e c tc u r r e n tm o t o r ，b e c a u s et h ed i r e c tc u r r e n tm o t o r m a yr e a l i z e st h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o nb yc h a n g i n ga r m a t u r ev o l t a g ea sw e l la sa d j u s t i n gt h e e x c i t i n gc u r r e n t b u tt h ed i r e c tc u r r e n tm o t o ri ss u r eo fal o to fp r o b l e m ss u c ha st h a tt h es t r u c t u r ei s c o m p l i c a t e d ，i t i s v e r ye x p e n s i v e ，a tt i m e s i th a sc o m m u t a t o rs p a r kc o n s i s ti nm e c h a n i c a l c o m m u t a t o ra n de l e c t r o n i c sb r u s h ，a n dm o s to fi m p o r t a n ti sv e r yd i f f i c u l tt or e p a i rd i r e c tc u r r e n t m o t o r a l o n gw i t ht h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，t h et i m ei sc o m i n gt h a tt h ee x c h a n g e v e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g ys u b s t i t u t e sf o rt h ed i r e c t - c u r r e n tv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a l l y a s y n c h r o n o u sm o t o ri sm u l t i v a r i a b l e ，c l o s ec o u p l i n ga n dn o n l i n e a rs y s t e mt h a ti sv a r i a t i o n a l w i t ht h et i m eg o i n g t h et h e o r yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o li ss o l u t i n gt h ep r o b l e mv e r yw e l l t h ef l u x a n dt o r q u eo fs t a t o ro fa ci n d u c t i o ne l e c t r o m o t o ra r ec a l c u l a t e da n dc o n t r o l l e di nt h e s t a t o r - o r i e n t e dc o o r d i n a t e s ，a r ea d o p t e ds t a t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n ，a r ed i r e c t l yt r a c k e d t h e s i g n a lo fp w m i sb u i l t b yd i n to ft h ed i s c r e t ea d j u s t m e n ti no r d e rt oc o n t r o lo p t i m a l l yt h es t a t eo f t h es w i t c h e so f i n v e r t e ra n dg e tt h eh i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c et o r q u er e s p o n s e i nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k , t h ep a p e ru s e st h ep o w e rs y s t e mb l o c kt ob u i l da m a t h e m a t i cm o d eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd t cs y s t e ma n dh a sd o n es o m es i m u l a t i o n t h er e s u l t o ft h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h et r a j e c t o r yo ft h em a g n e t i cl i n ki sa l m o s tc i r c u l a r ，t h er o t o rs p e e d f o l l o w st h eg i v e ns p e e d t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e ma d o p t st h ea c - d c - a ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r e t h es y s t e m u s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i pw h i c hi ss p e c i a l i z e di nm o t o rc o n t r o ls y s t e mb yt e x a ni n s t r u m e n t c o m p a n y t h ec h i pc o n t a i n sm a n ys p e c i a lm o d u l e sf o rm o t o rc o n t r o la n dd e c r e a s e sm a n yp e r i p h e r a l i n s t r u m e n t s t h en e w e s ti n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei su s e df o rp o w e ri n s t r u m e n tc o r e ，i ti s c o r r e s p o n dt od s pb ye l e c t r i cc o u p l i n ge l e c t r i cc i r c u i t ig i v et h ew h o l es o f t w a r ed e s i g n f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m p l e t e st h es i m u l a t i o nd e b u g g i n go ft h eo p e nl o o ps t a r ta n dt h ec l o s e d l o o pm o t i o n ，w eh a v ea n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，s u m m a r i z e dd e s i g n s u c c e s sa n dt h e i n s u f f i c i e n c yi nt h i ss y s t e ma n da tl a s tf o r e c a s tt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lp r e s e n t sd e v e l o p m e n t 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 ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；s i m u l a t i o n 东北农、i k 大学t 学硕卜学位论文 c a n d i d a t e ：z h a n g w e i s p e c i a l i t y ：t r a n s f o r m a t i o na n du t i l i z a t i o no f b i o b a s se n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f o u y a n g b i n l i n 研究生学位论丈独创声明和使用授权书 独创声明 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。据我所知，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过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 麴遗直基丝盂要签别直明数! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 枨络 1 日期：如谚年月锣e l 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，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和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校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 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：狱南 l e l 强：沙8 年只l 弓e l 导师签名：渺j 林 嗍矽彦年咖乡同 引言 1 引言 1 1 研究的目的和意义 现代社会中，交流异步电机囚其结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便等特 点，在生产生活中得到广泛的应用，与其它类的电动机相比，交流异步电机的市场占有量始 终居第一位。 但是，交流电动机尽管结构简单、价格低廉，却难以实现像直流电动机那样的调速性能， 而随着生产技术的发展，特别是精密机械加工和冶金、交通等工业生产的进步，对电气传动 在起制动、正反转以及调速精度、调速范围等静态特性和动态响应方面都提出了更高的要 求。直流电动机比交流电动机在技术上更容易满足上述要求，所以在需要可逆、可调速与高 性能的电气传动技术领域中，相当长的时期内儿乎都是采用直流电气传动系统。交流电动机 则占领了电气传动总容量8 0 的不调速传动系统。 当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源t 业作为 国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增k 的 经济环境f ，中国能源t 业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明：受资金、技 术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。9 0 年代中国高耗能产品的耗能 量一般比发达国家高1 2 - - - - 5 5 左右，9 0 以上的能源在开采、加工、转换、储运和终端利 用过程中损失和浪费。如果进行单位g d p 能耗( 吨标准煤千美元) 的国家比较( 9 0 年代中 期) ，中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿人的1 4 4 倍、1 1 3 倍、1 0 6 倍、8 8 倍、8 3 倍、7 2 倍、4 6 倍、和4 2 倍。1 9 9 5 年，中国火电厂煤耗为4 1 2 克 标准煤千瓦时，是国际先进水平的1 2 7 倍( 千树，2 0 0 5 ) 。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经1 卜常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节 能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦 时，约占工业耗电量的8 0 。我国各类电机中，8 0 以上为0 5 5 2 2 0 千瓦以下的中小型异 步电动机( 王树，2 0 0 5 ) 。实际上，我国风机、水泵的年耗电量占全部用电总量的l 3 ，占全 国工业用电一、卜左右，如果对交流异步电机进行高效调速，至少可以节约2 0 - 3 0 的电能， 其中的经济效益是巨大的，但是目前我国在片j 电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国 家5 0 年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统。”i a “f j “i c , 方面的投入将高达5 0 0 亿元左右， 所以变频调速系统在我国将有非常巨人的市场需求。 与此形成对比的是：我国交流调速传动方面起步较晚，与先进国家相比具有较大差距， 至今自行开发设计的变频调速产品大体只相当于国际上世纪8 0 年代水平。在产业的形成上 与国外相比相差更远，尤其在高性能交流传动方面国产化系统和装置基本上还没有形成批量 生产的能力。而随着交流调速和变频霄能认识的不断加深，国内对变频调速装置的需求越来 越大，同时对性能的要求越米越高。但是国产的变频器还不能满足上述要求，市场占有量很 少，很多最先进的产品还得从国外进口。因此研究开发高性能的交流变频装置使其国产化， 商业化，对于发展我国经济具有重要意义。 东北农业大学t 学硕i j 学位论文 1 2 交流电动机调速技术的发展 长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点而广泛的应j j 丁国民 经济各部门。冈此，直流凋速一直在凋速领域中占据主导地位。白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将原米只用于恒速转动的交流电动机实现速 度控制，以取代复杂、造价昂贵和维护麻烦的直流电动机。随着新型自关断电力电子器件、 智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异， 新的控制策略不断涌现，使得现代交流凋速技术得到迅猛发展。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、快速响应和大 范围的调速传动；从单机传动到多机协调运转，几乎都可以采用交流调速传动。交流电动机 调速系统不但具有同直流电动机一样的性能，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低， 可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频 调速装置的生产大幅度上升，交流调速已经进入了逐步取代直流调速的时代。 1 2 1 电力电子技术的发展 总的来说，电力电子器件的发展经历四个阶段： 2 0 世纪5 0 年代中期出现的晶闸管和后米发展的快速品闸管，是第一代电力电子器件。 它是一个半控性器件，工作频率低。 2 0 世纪7 0 年代中期出现了集成度和上作频率高、功能强的全控性电力电子器件。大功 率晶体管( g t r ) 、门极可关断品闸管( g t o ) 、场效应品体管( 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。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；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。 2 0 世纪8 0 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管( i g b t ：i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，它综合了m o s e f t 和g t r 的优点。这种器什有很高的门极阻抗， 允许使用逻辑电平信号，并有反向阻断能力。i g b t 冈为具有这种特点，就成了极易使用的 理想功率器件，现在己酱遍应用在逆变器方面。 近1 0 年来，功率智能模块( i p m ：i n t e i l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 发展速度1 卜常迅速。该模块将 电力电子器件、触发驱动、过电流保护、过电压保护、过热保护及故障监测功能集于一体， 有的专用触发模块还具有隔离功能，可人人减少硬件电路的设计。 1 2 2 微处理器发展概况 适用于交流调速控制系统的微机可分为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、单片机 ( m i c r o c o n t r o l l e r ) 和数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 三种。交流调速系统采用微处理 器作为控制核心，大体经历了三个阶段： 第一个阶段，主要是采用单一数据处理功能的微处理器。以i n t e l 公司的芯片为例，最早 2 引言 开发的成功的微处理器是四位芯片i n t e l 4 0 0 4 。这一时期微处理器速度较慢，硬件配备不齐全， 控制精度不高。 第二个阶段，主要是采用单片微型计算机和数字信号处理器。典型的代表是i n t e l 公司在 上世纪7 0 年代推出的m c s 一5 1 和m c s 9 6 系列单片机，其集成度高，配件齐全。但是，到了 8 0 年代末、9 0 年代初为了使用交流伺服系统得到响应速度更快、实时性更强的数字化控制， 广泛的采用数字信号处理器( d s p ) ，如t m s 3 2 0 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 系列以及 n e c 公司的“d p 7 7 2 0 等。 第三个阶段，新一代具有单片机特点的数字信号处理器。典型的器件有m o t o l o r a 公司的 5 6 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 2 8 x 系列。随着信号处理 器性能的不断提高，其数字化的不断加深，它将逐渐取代交流调速控制系统中的模拟电路、 微处理器和单片机。 1 2 3 交流电机的调速策略 交流电机的调速技术从转差功率控制的过程中一路走来。按照交流异步电动机的原理， 从转子传入的电磁功率等丁带动负载的机械功率加上转子回路的转差功率。从能量的转换角 度看转差功率是否增大，是消耗掉还是同收，是评价调速系统效率高低的标志( 陈伯时， 2 0 0 5 ) 。 ， 1 转差功率消耗犁的调速系统有变压调速，转著离合器凋速，转子回路串电阻凋速三种。 这类系统效率低，它是以转差功率的消耗来换取转速的降低的。 2 转差功率馈送型调速系统有绕线转子电动机串级调速和双馈电机凋速。此类系统效率 高，但要增加一些设备。 3 转差功率不变型调速系统有变极对数调速和变压变频调速等。其中变极对数调速是有 级的，应用场合有限。变压变频调速这种方法简单，但无法满足高性能场合的需要。这是由 于标量控制存在转矩和气隙磁场的耦合，从而导致感应电机控制响应迟缓。 4 矢量控制国际上一般多称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o n ) 。这个理论是1 9 6 8 年首 先由d a r m s t a d e r 工科人学的h a s s e 博十发表。矢量控制的信息最早传到日本是在1 9 7 2 年， 由富士时报发表了b l a s c h k e 的泽文( 冯垛生，2 0 0 6 ) 。 5 1 9 7 7 年，a b p l u n k e t t 首先提出磁链一转矩直接调节的思想，但由于需要检测磁链， 未获实际应用。其后鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在制动时有快速瞬态转矩响 应的需要，特别是在弱磁调速范同内运行的情况，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授研制 了直接控制系统( 德文d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ，简称d s r ) ，采片j 转矩模型和电压型磁链模型 以及电压空间矢量控制的p w m 逆变器，实现转速和定子磁链的砰一砰控制，取得成功，于 1 9 8 5 年发表了论文，随后日本学者1 t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，在国际上通称直接 转矩控制，简称d t c ( d i r e c t t o r q u e c o n t r 0 1 ) 系统( 张静，2 0 0 7 ) 。 直接转矩控制系统摒弃了解耦的思想，坐标变换采用静止坐标变换，磁链控制采用的是 定子磁链。直接转矩系统结构简单，转矩响应快，定子磁链模型不受转子参数的影响。一经 提出便引起人们的很大兴趣。 3 东北农业人学t 学硕十学佗论文 6 近年米，智能控制研究很活跃，典型的如自适应控制、滑模变结构控制和无速度传感 器的高动态性能控制、模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制都是研究的热点。由 于智能控制，如模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型、能克服_ 卜线性因素的影响、对调 节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制 系统的研究，并在交直流凋速系统和伺服系统中取得了比较满意的效果。 1 3 直接转矩控制技术的提出、发展与特点 1 3 1 直接转矩控制技术的提出 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 是19 8 5 年由德国鲁尔人学m d e p e n b r o c k 教授首先 提出的转矩直接自控制( d i r e k t es e l l b s tr e g e l u n g ) 思想，随后日本学者1 t a k a h a s h i 等也提出了 类似的控制思想( 谢宝吕，2 0 0 5 ) 。直接自控制的基本思想是根据交流电机转矩的需要，直接 选择合适的定子电压空间欠餐，实现交流电机电磁转矩的快速响应。该理论的核心是摒弃了 矢量控制技术中过于繁杂的解耦思想，即放弃欠量控制中转矩与转子磁链的解耦控制，转而 检测母线电压和定子绕组上的电流，直接计算出电机的定子磁链和电磁转矩，利用滞环控制 器产生p w m 信号通过开关表直接控制逆变器而获得高动态的响应特性( 曹昌平，2 0 0 7 ) 。 1 3 2 直接转矩控制技术的发展 直接转矩技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态 性能受到普遍的关注，并得到了迅速的发展。总结目前现状，直接转矩控制技术的发展主要 有以下几个方面： 1 现代控制理论的应用使得系统的动态性和鲁棒性得以提高。随着功强大的数字处理 芯片( d s p ) 的推出，许多以前无法实时实现的算法都可以应用到实时控制系统中，例如最 近研究十分活跃的非线性控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制等。这些控制 策略运用剑直接转矩控制理论中，将使得一些由于自身无法克服的诸如转矩脉动等弊端，逐 渐被先进的控制技术所弥补。 2 全数字化控制可以满足直接转矩控制对数据处理的实时性、快速性要求。d s p 正是 能满足这种需求的芯片，它具有高速信号处理和数字控制功能，同时便于故障监视、诊断和 保护，既确保了系统的高速响应性，又增强了系统可靠性。 3 无速度传感器用于欠量控制、直接转矩控制已有成型产品。如a b b 公司的a s c 6 0 0 0 系列、三垦的s a m c o i 系列、日立的s j 3 0 0 系列、a b 公司的1 3 3 6 p l u s 等。但普遍存在着 调速范围较小的问题，有待于进一步改善。该领域今后研究的方向仍是提高转速估计的精度 及动态响应，增强对参数变化的鲁棒性以及获得更宽的凋速范同。 4 引言 1 3 3 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制不像矢量控制那样，将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，更 不需要模仿直流电动机的控制而要求解耦后的简化交流电动机的数学模型来实现对转矩的 间接控制，它有其自身的特点： 1 直接转矩控制直接在定子坐标系统下分析交流电机的数学模型、控制电机的转矩和 定子磁链。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丁交流电动机的 物理过程能够直接作出明确的判断。 2 直接转矩控制利用定子磁场进行磁场定向，只要知道定子电阻的大小就可以利用反 电势积分法将定子磁链观测出来，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 直接转矩控制不考虑定子磁链欠量端点轨迹是否为圆型，也不考虑定子电流波形是 否为正弦波，也不管电机内部磁场运动速度是否均匀，它只考虑转矩的响应速度与转矩的控 制效果。 1 4 本课题完成的主要任务 本课题主要对异步电动机直接转矩控制原理进行研究和分析，基于此建立变频调速系统 的数学模型并仿真。同时研究t i 公司的处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和三菱公司的功率智能模块 p m 2 5 c l a l 2 0 ，并进行d s p + i p m 的硬什电路设计，给出软件设计的整体思路。研究的主要 内容有： 1 分析推导不同坐标系下异步电机等效电路，建立数学模型。在模型的基础上分析电 压矢量对电机磁链和电磁转矩的作用以及观测方法；在空间矢量理论的基础上推导逆变器和 电压空问矢量的基本数学关系，然后分析直接转矩控制系统的基本原理。 2 运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 、s i m p o w e r s y s t e m s 以及f i x e d p o i n tb l o c k s e t 等模块对 调速系统进行了建模与仿真。分析和验证系统的可行性并优化控制参数，近一步探讨直接转 矩控制原理的构成。 3 研究t i 公司的电机控制专用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 以及基于此的最小控 制单元，设计采用交一直一交拓扑结构的硬什电路。主要包括弱电部分的控制单元d s p 最小 系统，功率部分的基于i p m 的逆变电路，电压、电流以及转速测量电路，保护电路等电路的 设计。 4 掌握d s p 的编科环境c c s 2 0 0 0 ，针对基于直接转矩控制原理所建立的调速系统，在 仿真设计和硬件设计的基础上，进行软件设计。 5 分析实验结果，对全文进行总结。 5 东北农业大学t 学硕十学位论文 2 直接转矩控制的基本原理与建模 直接转矩控制系统简称d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 系统，是继欠量控制( v c ) 系统之后发 展起来的另一种高动态性能的交流电动机调速系统。在它的转速环里，利用转矩反馈直接控 制电动机的电磁转矩，冈此得名。与v c 系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁 链。 本章主要介绍直接转矩控制的基本原理，分析推导电动机在不同坐标系下的数学模型， 最后确定了将公共坐标系统建立在静i ：两相坐标系统上的方法，这样建立的数学模型就可以 不受转子参数变化的影响。 2 1 矢量控制的坐标变换 感应电动机的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势( 或磁动势) 产生的，根据电动机旋转 磁场理论可知，向对称的三相绕组( 所谓对称是指定子、转子各绕组分别具有相同的匝数和分 布电阻) 中通以对称的三相止弦电流时，就会产生合成磁势，它是一个在空间以一定的速度旋 转的空间矢量。如果用磁势或电流空间矢量来描述三相磁场、两相磁场和旋转磁场，并对它 们进行坐标变换，就称为矢量坐标变换。( 王晓玲，王玲，2 0 0 4 ) 矢量变换控制通常以电机真实结构建立起来的系统数学模型为基础，经过一系列变换( 三 相一两相交换、矢量旋转变换等) ，将原来系统的数学模型变换成公共坐标系统中的等效两相 模型，通过对公共坐标系统中相关矢量( 如电流或磁链等) 各分晕的独立控制，实现对感应电 机的控制。矢量变换必须要遵循以下原则： ( 1 ) 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效。 ( 2 ) 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。 2 1 1c l a r k e 变换 三相静i ：坐标系和两相静1 卜坐标系间的变换( 3 s 2 s 变换) 如图2 - 1 所示，在图中给出了三 相定子绕组a 、b 、c 和两相定子绕组口、两个坐标系，取其中a 轴和口轴重合。设三相 绕组每相有效匝数为3 ，两相绕组每相有效匝数为2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘 积，其矢量均位于相关的坐标轴上。根据矢量坐标变换的原则，两者的磁场应该完全等效， 即合成磁势矢量分别在两个坐标轴上的投影应该相等。 6 直接转矩摔制的堆本原理与建模 图2 1 三相定子绕组与两相定子绕组的空间矢量位置 f i g 2 - 1s p a c ev e c t o rp o s i t i o no fs t a t o rt w o p h a s ea n dt h r e e p h a s ew i n d i n g 当三相总磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组磁动势在口、轴上都应当相等。将其 改写成口、轴线矢量的分量形式。 徽n 2 i s a 。：- 0 筹n 爿裟3 s i n1 2 0 s 戮n 啦c 0 8 2 4 0 ，3 i c s i n2 4 0 l 2 锄= + 如 + 、7 为了求反变换，最好将变换矩阵表示成可逆的方阵。因此，在二相系统上人为地增加一 项零轴磁动势，矗，并定义为： 2 l s o = k n 3 ( i 爿+ i 丹+ 如) ( 2 2 ) 将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得： l s l s 8 l s o ：兰 n 2 1 1 1 i j 0 【：手： l i i = = c s ，z s i ； c 2 - 3 ， 7 r 寸，q 一2 = k 2 3 ： = 为 一心纳盟m 数系常及比数匝明证以可 东北农q p 大学t 学硕十学何论文 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 得： i s t s 8 l s o 2 = 3 7 c 3 m ，= 寻 j 1 o 1 _ 2 1 o 1 2 1 i 封- 一科芝 一 2 1 2 矗 2 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 中的变换矩阵表示定子静止三相到静止两相的坐标变换( 3 s 2 s ) ，也称为克拉克变 换( c l a r k et r a n s f o r m a t i o n ) ，变换矩阵c 3 们，称为克拉克变换矩阵。由此可以得到由静止两相 坐标系统到静止三相坐标系统的变换逆矩阵c 2 啪。a 得： = 伽= ； l 1 2 1 2 类似的可获得静止两相到静止三相的表达式，即克拉克逆变换。 b z c = c 2 s 1 3 z s 口 l s b 1 s o ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 对丁三相绕组不带零线的星形接法，有+ 如+ i = 0 ，冈此，t = - 6 一如，代入式( 2 - 5 ) 8 o 鱼务t 商接转矩控制的幕本原理j 建模 2 1 2 矢量旋转变换 l + s 。 2 l 锄j2 了 3 2 压 2砷 ( 2 9 ) 由于定子和转子分别采用各自独立的坐标系统，对于感应电机中的同一物理量在不同的 坐标系统中会有不同的观测结果，囚此需要建立一种公共的坐标系统使得以相同的方式观测 不同的物理量。 口 jv p 9 r 1 ，塔 图2 - 2 两相正交公共坐标系统 f i g 2 - 2t w o - p h a s eo r t h o g o n a lp u b l i cc o o r d i n a t e ss y s t e m 定子静止三相坐标系统工脚( 1 话，a l 心，口2 l 惰) 和止交两相坐标系统厶卵( 1 话，话) ，转 子静止三相坐标系统厶。( 1 氓，a l 氓，口2 1 氓) 和正交两相坐标系统厶叩( 1 氓，氓) 以及正交 两相公共坐标系统p q o ( 1 俨，山) 在同一定子静i ：复平面坐标系统中观测。显然，原来定子静 止两相等效矢量在正交公共坐标系统p q o ( 1 v p ，妒) 中可以表示为： f q = e - 拍黔f v s 邓 1 ， 一， l j s o e o _ j s o ( 2 1 0 ) 其中：表示两相止交公共坐标系统的p 轴单位欠量l v 尸相对于定子静l ：两相坐标系统 9 东北农、l p 大学t 学硕l ：学付论丈 的实轴单位矢量1 话的相位角。e - j o p s 为单位旋转矢量，它表示在正交公共坐标系统中观测定 子综合矢量厶叩的结果相当丁- 综合矢量的相位角减小幺咯。同样，转子静止两相等效矢量在 纛f v = 吒e - j e e r p 其中：表示两相正交公共坐标系统的p 轴单位矢量1 妒相对于转子静i e 两相坐标系统 的实轴单位矢量1 氓的相何角。e - j 为单位旋转矢量，它表示在正交公共坐标系统中观测转 子综合欠量厶础的结果相当于综合矢量的相位角减小。由于定转子静i 卜两相坐标系统到 正交两相公共坐标系统的变换只是改变欠量的相位角，而矢量的幅值保持不变，冈此这种变 换称为矢量旋转变换( v e c t o rr o t a t i o nt r a n s f o r m a t i o n ) 。不考虑零轴分量时，矢量表达式( 2 - 1 0 ) 和( 2 11 ) 也可用变换矩阵形式表示为： 阱吲 p ，2 ， 阱捌 p 变换矩阵互s 2 j p 和疋r 川，为： t 2 s 1 2 p = ic o s 鹕s o p s 嗒c s 。i n s o e s 任4 ， s i n 臼，。c 。s 乡，。l 2 - 1 4 ) 书。咖s o , c s i n o p r o s 乡p ri ( 2 - 1 5 ， z p 2 b n 砩。c 2 2 异步电动机在不同坐标系下的数学模型 要获得高动态性能的系统，必须依据电动机的动态数学模型。适当地选择坐标系会使得 模型变得更加简单。我们知道当电机运行时，转子的电阻人小和其他参数会发生变化，这样 建立起米的系统就是一个非线性的时变系统，分析系统的动静态性能也就变得困难起来。因 l o 直接转锋摔制的基本原理j 建模 此选择合适的坐标系统建立数学模型就显得尤为重要。 2 2 1 异步电动机在静止三相坐标系统下的数学模型 定子和转子绕组的三相电压方程的矩阵形式为： “曰，为电机绕组电压， 中a j 口 + p l iy 。 l i 少6 l l 。 ( 2 1 6 ) “。为转子绕组折算到定子侧的电压，p 表绕组的磁链。定子和转子的三相绕组磁链的矩阵方程为： 阱卅嘲 = l i t s+ l r r ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 其中：k 为定子三相自感矩阵，艘为转予三相自感矩阵，k 为转子三相绕组对于定 子三相绕组的互感矩阵，l g s 为定子三相绕宝f l 对于转子三相绕组的互感矩阵。 r 厶 k = l 地 【慨 r 厶 k ：i l 心 ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 0b七0b0 viiiiiiij00iiii八一 o o o 0 0 磁 0 0 o o 如o o o o 0 o ， o o o o 0 o b 0 0 0 0 & o o o 0 o 晰如卯如如如 ，崩， 0 中 。 封 d 一衍 表 0七1j 口 6 c儿 胍肌岛胁厶肌 胁厶胁 l 漾= ms r = 其中，电感矩阵中l s 东北农、f k 大学t 学硕十学何论文 c 。s c 。s ( + 了2 7 ) c o s 9 峪 c o s ( + 等) c o s 9 豁 磁 ( 2 2 1 ) 厶、m s 和m 尺分别表示定转子一相自感和定子或转子两相之 间互感，它们与转子的位置角没有关系，且都是常数。m 职表示定子一相和转子一相轴线重 合时的最大互感。 2 2 2 异步电动机在静止两相坐标系统下的数学模型 静l ：三相剑静i f = 两相变换后的定转子电压方程的矩阵形式为： u s 口 u s 8 u s o 甜r 口 l l r 8 u r o r s 000 0 0 r s 000 00 r s 00 000 r s 0 0000 r s oooo0 静止三相到静止两相变换后的定转子磁链方程： = c 划2 。l s s c 甚 = c 3 m ，l 脑c 宝协 其中，电感矩阵经过变换以后简化为： (j，：，二删c瑶，：。=上岱专丸以 ( v s ， l ly 印 + 尸f 沙s 。 ly 尺口 i i 少印 l 舯 r(j，：，-：src2，：，i圣 r(j。，：，-!rr之：，ii ls_m岛蔓002 m j s 三。+。l 1 2 f 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 佗一2 5 ) 、，j、j锄一3劢一3 + + ，一， s s o o c c 、， 锄一3幼一3 + + ，一，一 s s o o c c ：眵：彬二却：渺：彬：删 viijjiiiiiiiii八 o 0 0 0 0 艮。 口 矽 协：缈：唧：螂 。l 口 声 田k 锄 l r-，lj 1j 融 即 舳妙 l 胁 印 肿 少 。l 直接转婚榨制的苯奉原理 j 建模 c 3 栊，l 艘础胁= 三月一0 a 彳r l r ! m 尺r 。0 片1 c2-26)00l - i - 2 m 一 只 ( 2 - r l c 蚓2 s l s r c 甚锄= 蚓2 s l 峪c 甚口3 = 专m 豫 c o s 9 r s s i n e r s 0 s i n e 憋c o s 9 峪0 00 o 际警钳筇) y r a 肿# ：= l l m 。( k e 。- j ) + l f 州筇 ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) 其中：l ，= l s m s 是定子等效两相绕组的白感；l ，o = l s + 2 m s 表示定子零轴等效 绕组自感；l r = l r - m r 是转子等效两相绕组的自感；l r o = 厶+ 2 m 月表示转子零轴等效 绕组的自感；l m = ，、- m 职为定转子等敏两相绕组之间的互感最大值。 2 2 3 异步电机在正交两相公共坐标系统下的数学模型 根据静止两相到止交两相公共坐标系统的变换式( 2 1 0 ) 和( 2 。11 ) ，静i i - 两相电压方程式 ( 2 2 2 ) 变换到正交两相公共坐标系统后得到： j q 划s 7 删+ pl l l f v s p q + j ( - 1 ) p s 5 b v s i q ( 2 - 3 0 ) 【u 舯= r s i s o + p y s o j 留硼删岬y 删“功p r 驴c v r i 留 ( 2 - 3 1 ) lu 凡o2r 月l r o + p g t r o 其中：( - o p s = p 表示公共坐标系统相对丁定子的角速度；( 1 ) p r = p 是公共坐标系 统对于转子的角速度。同理，在止交两相公共坐标系统中的定转子磁链方程可以由静止两相 磁链方程式( 2 2 8 ) 年t 1 ( 2 2 9 ) 经欠量旋转变换获得，即： 1 3 东北农、i k 大学t 学硕十学化论文 ( 2 3 2 ) 由十经过静i 卜闪相剑止父曲相公共坐杯糸统的焚殃，尚敌肝h j 以得剑蛋2 缈，氓+