（电工理论与新技术专业论文）异步电机直接转矩控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 ab s t r a c t d i r e c t t o r q u e c o n t r o l ( d i c ) i s a h i g h - p e r f o r m a n c e s p e e d c o n t r o l t e c h n o lo g y w h ic h w a s b r o u g h t in t h e m i d d le o f 1 9 8 0 s . d t c i s g e t t i n g m o r e a n d m o r e p o p u l a r w i t h i t s a d v a n t a g e s , s u c h a s s i m p le c o n t r o l , r o b u s t , w e l l d y n a m i c p e r f o r m a n c e . t h i s p a p e r m o d e l s a n d s im u l a t e s t h e d t c s y s t e m in t h e ma t l a b / s i m u l i n k e n v i r o n m e n t b a s e d o n t h e d i r e c t t o r q u e c o n tr o l t h e o r y , a n d t h e r e s u l t is a c c o r d i n g t o t h e a n t i c i p a t i o n . a t l a s t t h e p a p e r i l l u s t r a t e s a l l th e c o n t r o l t h e o r i e s o f i n d u c t i o n m o t o r i n d e t a i l , a n d d e s i g n s a d t c s y s t e m v i a d ig i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) . t h e s y s t e m a p p l i e s t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p c h i p w h i c h i s s p e c i a l i z e d i n m o t o r c o n t r o l s y s t e m . t h e l a t e s t i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ( i p m) i s b e e n u s e d f o r p o w e r i n s t r u m e n t . t h e p a rt o f s o f t w a r e is c o d e d w i t h a s s e m b l e la n g u a g e i n t h e c c s e n v i r o n m e n t ; i n a d d it i o n t h e s e r ia l c o m m u n ic a t i o n p r o g r a m b e t w e e n d s p a n d p c w a s d e v e l o p e d w i t h a c t i v e x c o n t r o l ms c o mm i n t h e v i s u a l c + + e n v i r o n me n t f r o m t h e r e s u l t o f e x p e r i m e n t , w e c a n c o n c l u d e t h e d t c s y s t e m h a s w e l l d y n a m i c a n d s t a t i c p e r f o r m a n c e , a n d t h e t r a c k o f s t a t o r fl u x i s h e x a g o n a l i n t h e l a s t p a r t o f t h i s p a p e r t h e p r o b l e m s i n t h e p r e s e n t s y s t e m a r e p o i n t e d o u t , a n d u s e f u l s u g g e s t i o n s f o r f u t u r e s t u d y a r e p r o p o s e d k e y w o r d s : i n d u c t i o n m o t o r , d i r e c t t o r q u e c o n t r o l , d s p 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1电动机调速技术的发展概况 现代社会中， 不论在工业、 农业、交通运输、国防军事装备还是在科研设备 以及日 常生活中， 都广泛应用着各式各样的依靠电力传动的机械系统电气传 动系统。如果带动机械运转的 源动机是直流电 动机， 则称为直流电 气传动系统; 如果带动机械运转的源动机是交流电 动机， 则称为交流电气传动系统。 根据转速 是否变化，电 气传动系统又可分为恒速电 气传动系统和变速电 气传动系统两大 类。 长期以来， 由于直流电 动机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想， 直 流传动系统一 直在变速传动系统中占 主导地位。 为了获得可变的直流电 压以调节 转速和控制转矩，上 世纪6 0 年代以前大都是采用 “ 直流发电 机一 . 直流电 动机” 机组， 即 伦 纳 德( l e o n a r d ) i ll控制 方 式。 此 后由 于 大 功 率 半导 体 器件的 出 现， 这 种伦纳德系统中的直流发电机己为静式 ( 固态) 整流器所替代， 也就是把三相交 流电源经整流电 路而获得可变的 直流电源， 对直流电动机供电。 这种由“ 可控整 流器一直流电动机” 组成的系统仍被称为l e o n a r d 系统， 或静式 ( 固态) l e o n a r d 系统。 在额定转速以下用减小电 枢的电压方法来调速， 系统具有恒定的最大转矩 运行特性， 输出的最大功率随转速的升高而减小。 采用转速负反馈、电流负反馈 和前馈的控制手段可以使传动系统获得高精度、 快响应、 宽范围的转速调节和转 矩控制特性。这种静式 ( 固态)l e o n a r d 直流传动系统在现今变速电气传动系统 领域中是一种主要的传动形式， 广泛应用于各行各业。 但是， 直流电 气传动系统 由 于直流电动机本身结构上的具有机械换相器和电 刷， 而使这种电气传动不尽理 想。 1 9 世纪8 0 年代以前， 直流传动是唯一的电 气传动方式。 1 8 8 5 年交流鼠笼型 异步电动机问世，由 于它坚实、少维护、适应环境广、 容量大、结构简单、运行 可靠等特点使其很快得到广泛应用，但是在这些电机中绝大部分都是恒速运行 的， 大大降低了生产效率和用电效率。 所以近百年来， 控制工程师们都在努力解 决交流电动机的调速问题。改变异步电动机转速可以通过三种方法来实现: 第一， 改变极对数来调速。由于受电机结构和制造工艺的限制， 通常只能实 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1电动机调速技术的发展概况 现代社会中， 不论在工业、 农业、交通运输、国防军事装备还是在科研设备 以及日 常生活中， 都广泛应用着各式各样的依靠电力传动的机械系统电气传 动系统。如果带动机械运转的 源动机是直流电 动机， 则称为直流电 气传动系统; 如果带动机械运转的源动机是交流电 动机， 则称为交流电气传动系统。 根据转速 是否变化，电 气传动系统又可分为恒速电 气传动系统和变速电 气传动系统两大 类。 长期以来， 由于直流电 动机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想， 直 流传动系统一 直在变速传动系统中占 主导地位。 为了获得可变的直流电 压以调节 转速和控制转矩，上 世纪6 0 年代以前大都是采用 “ 直流发电 机一 . 直流电 动机” 机组， 即 伦 纳 德( l e o n a r d ) i ll控制 方 式。 此 后由 于 大 功 率 半导 体 器件的 出 现， 这 种伦纳德系统中的直流发电机己为静式 ( 固态) 整流器所替代， 也就是把三相交 流电源经整流电 路而获得可变的 直流电源， 对直流电动机供电。 这种由“ 可控整 流器一直流电动机” 组成的系统仍被称为l e o n a r d 系统， 或静式 ( 固态) l e o n a r d 系统。 在额定转速以下用减小电 枢的电压方法来调速， 系统具有恒定的最大转矩 运行特性， 输出的最大功率随转速的升高而减小。 采用转速负反馈、电流负反馈 和前馈的控制手段可以使传动系统获得高精度、 快响应、 宽范围的转速调节和转 矩控制特性。这种静式 ( 固态)l e o n a r d 直流传动系统在现今变速电气传动系统 领域中是一种主要的传动形式， 广泛应用于各行各业。 但是， 直流电 气传动系统 由 于直流电动机本身结构上的具有机械换相器和电 刷， 而使这种电气传动不尽理 想。 1 9 世纪8 0 年代以前， 直流传动是唯一的电 气传动方式。 1 8 8 5 年交流鼠笼型 异步电动机问世，由 于它坚实、少维护、适应环境广、 容量大、结构简单、运行 可靠等特点使其很快得到广泛应用，但是在这些电机中绝大部分都是恒速运行 的， 大大降低了生产效率和用电效率。 所以近百年来， 控制工程师们都在努力解 决交流电动机的调速问题。改变异步电动机转速可以通过三种方法来实现: 第一， 改变极对数来调速。由于受电机结构和制造工艺的限制， 通常只能实 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 现两三种极对数的变换， 不能做到连续地调节速度， 调速范围和极数都非常有限 第二， 依靠改变定子电压 ( 改变电源电 压或定子串阻抗) ，或绕线型转子串 电阻， 或带转差离合器的异步电 机调节励磁电 流都可实现转差率调速。 但是电 机 的 损耗与转差率s 成比 例的 增大， 效率随转速的 降低而降低， 由 于电 机在高转差 低转速下运行特性恶化， 使实际可行的调速范围受到限制。 第三， 连续地改变电 源频率， 虽然可以十分理想地实现交流电 动机的无极调 速，但这要有一套变频电源，在 6 0 年代大功率半导体变频装置问世之前，代价 很大。这是交流电动机的变频调速系统不能获得推广的一个主要原因。 早在2 0 世纪3 0 年 代， 国 外 就开始 研究 各种交流电 机变速传动。 交流电 机的早期调速方式是转子串电阻调速、 采用这种调速方式的系统效率 低，维护工作量大。自上世纪 5 0 年代电力电子器件出现以后，静止功率变频器 与交流电 机构成的调速系统逐步占 据了交流调速系统的主导地位， 并有逐步取代 直流调速系统的趋势。 现在， 交流调速领域相当活跃， 新技术层出不穷。 各种先 进控制理论 ( 如自 适应控制、 模糊控制、 神经网络控制等) 正逐步渗透于交流调 速技术中， 借助先进的数字控制技术， 采用新型的电力电 子器件实现良 好的控制 性能。目 前，交流调速系统正向集成化、实用化、智能化方向发展。 变频调速技术是目 前正在应用的交流调速技术。 就变频调速而言， 其形式也 是很多。传统的变频调速方式是采用v / f 控制。 这种方式控制结构简单， 但由于 它是基于电 机的稳态方程实现的， 系统的动态响应指标较差， 还无法完全取代直 流调速系统。 1 9 7 1 年， 德国 学 者f .b la s c h k e l l提出 了 交 流电 机的 磁 场定向 矢 量控 制 理论， 标志着交流调速理论的重大突破。 所谓矢量控制， 就是把交流电机模拟成直流电 机， 通过坐标变换来实现电机定子电流的 激磁分量和转矩分量的解祸， 然后分别 独立调节， 从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式: 磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。 但无论 采用何种方式， 转子磁通的准确检测是实现矢量控制的关键， 直接关系到矢量控 制系统性能的好坏。 一般的， 转子磁通检测可以采用直接法或间接法来实现。 直 接法就是通过在电 动机内部埋设感应线圈以检测电 机磁通， 这种方式会使简单的 交流电机结构复杂化， 降低了系统的可靠性， 磁通的检测精度也不能得到长期的 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 保证。因此， 间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。 这种方法通过检测电机 的定子电 压、 电流、 转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的 磁通。 这种方法便于实现， 也能在一定程度上确保检测精度， 但由 于在状态重构 过程中使用了电 机的参数， 如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准 确观测。为补偿参数变化的影响， 人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法， 但补偿算法的引入也会使系统复杂化。 1 9 8 5 年， 德国鲁尔大学的m.d e p e n b r o c k 教授提出了一 种新型交流调 速理论 直接转矩控制。 这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的， 结构简单， 在 很大程度上克服了矢量控制中由 于坐标变换引起的计算量大， 控制结构复杂， 系 统性能受电 机参数影响较大等缺点， 系统的动静态性能指标都十分优越， 是一种 很有发展前 途的交流调速方式。 因此， 直接转矩控制理论一问 世便受到广泛关注。 目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 1 . 2直接转矩控制的发展现状 1 . 2 . 1 现状及发展方向 3 1 经过近2 0 年的发展， 直接转矩控制理论已 经日 趋成熟， 许多文章从不同的角 度提出了新的见解和方法， 特别是随着各种智能控制理论的引入， 又涌现了许多 基于模糊控制和人工神经网 络的d t c 系统， 控制性能得到了 进一步的改善和提 高。一下 面逐一介绍对直接转矩控制中各控制环节的改进研究。 ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的细化改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空间电 压矢量， 不同 的电 压矢量对磁链、 转矩有不同的作用。 传统的直接转矩控制磁链调节器、 转矩 调 节 器均 为 单滞 环 控制， 即 只 有 一个 容差。 国 内 有 学 者 提出 双滞 环 调 节 器 理论 14 1 即每个滞环有两个容差， 磁链、 转矩偏差情祝被细化， 可据此选取相应的电压矢 量。 偏差越细化，电压矢量的作用越精确， 这样， 不仅改善了直接转矩控制系统 的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 ( 2 ) 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定， 容差本身是一个难于控制的模糊量。 有学 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 保证。因此， 间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。 这种方法通过检测电机 的定子电 压、 电流、 转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的 磁通。 这种方法便于实现， 也能在一定程度上确保检测精度， 但由 于在状态重构 过程中使用了电 机的参数， 如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准 确观测。为补偿参数变化的影响， 人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法， 但补偿算法的引入也会使系统复杂化。 1 9 8 5 年， 德国鲁尔大学的m.d e p e n b r o c k 教授提出了一 种新型交流调 速理论 直接转矩控制。 这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的， 结构简单， 在 很大程度上克服了矢量控制中由 于坐标变换引起的计算量大， 控制结构复杂， 系 统性能受电 机参数影响较大等缺点， 系统的动静态性能指标都十分优越， 是一种 很有发展前 途的交流调速方式。 因此， 直接转矩控制理论一问 世便受到广泛关注。 目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 1 . 2直接转矩控制的发展现状 1 . 2 . 1 现状及发展方向 3 1 经过近2 0 年的发展， 直接转矩控制理论已 经日 趋成熟， 许多文章从不同的角 度提出了新的见解和方法， 特别是随着各种智能控制理论的引入， 又涌现了许多 基于模糊控制和人工神经网 络的d t c 系统， 控制性能得到了 进一步的改善和提 高。一下 面逐一介绍对直接转矩控制中各控制环节的改进研究。 ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的细化改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空间电 压矢量， 不同 的电 压矢量对磁链、 转矩有不同的作用。 传统的直接转矩控制磁链调节器、 转矩 调 节 器均 为 单滞 环 控制， 即 只 有 一个 容差。 国 内 有 学 者 提出 双滞 环 调 节 器 理论 14 1 即每个滞环有两个容差， 磁链、 转矩偏差情祝被细化， 可据此选取相应的电压矢 量。 偏差越细化，电压矢量的作用越精确， 这样， 不仅改善了直接转矩控制系统 的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 ( 2 ) 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定， 容差本身是一个难于控制的模糊量。 有学 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 保证。因此， 间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。 这种方法通过检测电机 的定子电 压、 电流、 转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的 磁通。 这种方法便于实现， 也能在一定程度上确保检测精度， 但由 于在状态重构 过程中使用了电 机的参数， 如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准 确观测。为补偿参数变化的影响， 人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法， 但补偿算法的引入也会使系统复杂化。 1 9 8 5 年， 德国鲁尔大学的m.d e p e n b r o c k 教授提出了一 种新型交流调 速理论 直接转矩控制。 这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的， 结构简单， 在 很大程度上克服了矢量控制中由 于坐标变换引起的计算量大， 控制结构复杂， 系 统性能受电 机参数影响较大等缺点， 系统的动静态性能指标都十分优越， 是一种 很有发展前 途的交流调速方式。 因此， 直接转矩控制理论一问 世便受到广泛关注。 目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 1 . 2直接转矩控制的发展现状 1 . 2 . 1 现状及发展方向 3 1 经过近2 0 年的发展， 直接转矩控制理论已 经日 趋成熟， 许多文章从不同的角 度提出了新的见解和方法， 特别是随着各种智能控制理论的引入， 又涌现了许多 基于模糊控制和人工神经网 络的d t c 系统， 控制性能得到了 进一步的改善和提 高。一下 面逐一介绍对直接转矩控制中各控制环节的改进研究。 ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的细化改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空间电 压矢量， 不同 的电 压矢量对磁链、 转矩有不同的作用。 传统的直接转矩控制磁链调节器、 转矩 调 节 器均 为 单滞 环 控制， 即 只 有 一个 容差。 国 内 有 学 者 提出 双滞 环 调 节 器 理论 14 1 即每个滞环有两个容差， 磁链、 转矩偏差情祝被细化， 可据此选取相应的电压矢 量。 偏差越细化，电压矢量的作用越精确， 这样， 不仅改善了直接转矩控制系统 的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 ( 2 ) 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定， 容差本身是一个难于控制的模糊量。 有学 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 者提出模糊开关状态选择器的概念， 选择器的 输入为转矩误差、 磁链误差和磁通 角的模糊量。 模糊开关状态选择器在转矩误差域上定义了五个模糊子集了: n l . . n s . z . p s 和p l , ; 在磁链误差域上定义了三个模糊子集: n . 7 . 和p 。 该选择器的 应用将使系统响应速度加快、系统超调量减小、抗扰动能力增强。 ( 3 ) 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中， 磁链的计算要用到定子电阻r s ，在中高速时， 如果忽略r s ， 对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。但在低速时， 定子电阻上的压降分量比 重很大，忽略r s 或认为它是常数将使所计算的磁链幅 值、相位偏差很大。为了解决此问题，s a u c e d mir 等人提出分别采用模糊控制和 p i 控制 对定 子电 阻 进行 观 测 15 1 ， 我国 也 有 学 者 提出 模糊 神 经网 络 定 子电 阻 估 计的 方法6 17 1 ( 4 )无速度传感器理论 在速度检测方面， 传统的控制系统要求有速度传感器， 存在成本高、安装维 护困难、系统易受干扰、 可靠性降低、 不适于恶劣环境等弊端。 采用无速度传感 器技术是当今交流传动发展的趋势。a .a b b o n d a t i 等人首次报道了无速度传感器 矢量控制的 异步电 动机调速系统; t .o n t a n i 首次提出了 理论意义上的 转速辩识方 法; 1 9 8 7 年， t a m a i s h in z 。 采用 模型 参考自 适应 ( m a r s ) 的 方法实 现了 对电 动 机转速的自 适应辩识。 后来， k u b o t a h i s a o . , ma t s u s e k o u k i 又在电动机全阶观测 器的基础上分别采用李亚普诺夫理论和披波夫理论推导出了电动机转速以及电 动 机 定 转 子电 阻 的 磁 链 观 测 器 f8 1 我 国 也 有 这方 面 的 论 文 发 表 l9 l l ,0 1 1 1 11 o _ t: 述 方 法 均是针对矢量控制系统设计的， 采用的 状态变量是定子电 流和转子磁链。目 前， 我国 学 者胡 育 文等 也 在 其 文 章中 16 1提出 了 新 型自 适 应 速度 观 测 器的 理 论， 直接 将 闭环观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中， 同时能够辩识出电动机 的转速及电动机参数。 1 . 2 .2直接转矩控制的发展前景 直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。 现代控制理论和智能控制 理论 ( 以模糊控制和人工神经网络为主)是人们改进d t c系统最主要的理论依 据;高性能的数字信号处理器d s p ( d ig i t a l s i g n a l p r o c e s s o r )和众多新型器件的 出现， 则为改进d t c系统提供了强大的物质基础。 现在， 人们对d t c系统的研 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 者提出模糊开关状态选择器的概念， 选择器的 输入为转矩误差、 磁链误差和磁通 角的模糊量。 模糊开关状态选择器在转矩误差域上定义了五个模糊子集了: n l . . n s . z . p s 和p l , ; 在磁链误差域上定义了三个模糊子集: n . 7 . 和p 。 该选择器的 应用将使系统响应速度加快、系统超调量减小、抗扰动能力增强。 ( 3 ) 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中， 磁链的计算要用到定子电阻r s ，在中高速时， 如果忽略r s ， 对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。但在低速时， 定子电阻上的压降分量比 重很大，忽略r s 或认为它是常数将使所计算的磁链幅 值、相位偏差很大。为了解决此问题，s a u c e d mir 等人提出分别采用模糊控制和 p i 控制 对定 子电 阻 进行 观 测 15 1 ， 我国 也 有 学 者 提出 模糊 神 经网 络 定 子电 阻 估 计的 方法6 17 1 ( 4 )无速度传感器理论 在速度检测方面， 传统的控制系统要求有速度传感器， 存在成本高、安装维 护困难、系统易受干扰、 可靠性降低、 不适于恶劣环境等弊端。 采用无速度传感 器技术是当今交流传动发展的趋势。a .a b b o n d a t i 等人首次报道了无速度传感器 矢量控制的 异步电 动机调速系统; t .o n t a n i 首次提出了 理论意义上的 转速辩识方 法; 1 9 8 7 年， t a m a i s h in z 。 采用 模型 参考自 适应 ( m a r s ) 的 方法实 现了 对电 动 机转速的自 适应辩识。 后来， k u b o t a h i s a o . , ma t s u s e k o u k i 又在电动机全阶观测 器的基础上分别采用李亚普诺夫理论和披波夫理论推导出了电动机转速以及电 动 机 定 转 子电 阻 的 磁 链 观 测 器 f8 1 我 国 也 有 这方 面 的 论 文 发 表 l9 l l ,0 1 1 1 11 o _ t: 述 方 法 均是针对矢量控制系统设计的， 采用的 状态变量是定子电 流和转子磁链。目 前， 我国 学 者胡 育 文等 也 在 其 文 章中 16 1提出 了 新 型自 适 应 速度 观 测 器的 理 论， 直接 将 闭环观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中， 同时能够辩识出电动机 的转速及电动机参数。 1 . 2 .2直接转矩控制的发展前景 直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。 现代控制理论和智能控制 理论 ( 以模糊控制和人工神经网络为主)是人们改进d t c系统最主要的理论依 据;高性能的数字信号处理器d s p ( d ig i t a l s i g n a l p r o c e s s o r )和众多新型器件的 出现， 则为改进d t c系统提供了强大的物质基础。 现在， 人们对d t c系统的研 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 究往往还是从改善系统某些性能出发， 对所用的理论思想进行部分的改进。 也就 是说， 整个领域的研究还基本停留在一个局部完善的水平上， 而没有达到全面提 高的层次。 由于近期研究成果的大量涌现，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻， 对各种局部性能的改善也有了更多的选择方案。 因此， 追求整体性能最优将成为 今后直接转矩控制研究的 主要方向。 通过改进系统各组成环节的内部结构来提高 系统性能， 其效果是非常有限的， 从软件方面着手改进系统将是今后的大势所趋， 智能控制会发挥越来越大的作用， 成为整个系统的控制核心。 近几年发展起来的 将神经网络和模糊控制结合起来的神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直 接转矩控制的重要手段，用d s p或c p u实现的d t c系统的全数字化也是一个 重要的发展方向。 1 .3课题研究的意义 直接转矩控制技术伴随其它交流调速策略， 经过近二十年的 发展和完善， 在 理论优化和仿真研究上皆己 相当成熟。 无论是在控制手段、 响应速度， 还是在静、 动态调速性能方面， 直接转矩控制都较其它交流调速控制策略有着明显的优势。 目 前德国、日 本和美国已 成功将其应用于电 力牵引中的大功率交流传动系统。 近 几年， 国内 广大科研工作者和工程技术人员 积极投身 于对直接转矩控制技术的研 究。 但大多都停留在理论优化和仿真研究基础上。 将直接转矩控制技术应用于实 际电 机系统， 特别是工业应用系统仍存在有待解决的问题。 同时， 直接转矩控制 技术自 身控制特性所导致的一些弊端， 诸如: 转矩脉动较大， 电 流谐波较为严重， 定子磁链观测不够准确， 低速域调速性能不够完善等， 在实际应用中亦没有得以 很好地解决。 因此， 在我国电 机调速领域仍然未能将直接转矩控制技术进行普及。 立足于将直接转矩控制技术由 理论研究转变为实际应用， 本课题主要任务将侧重 于直接转矩控制系统的 设计与实现。 为达到电 机控制系统实时性要求，课题在t l 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a最小系 统基础上构建试验平台， 进而实现异步电动机的直接转矩调速控制。 这将不仅为 进 1 步的调速系统研究提供基干 d s p的软硬件测试平台，同时也为直接转矩控 制技术在工业控制应用方面积累更多软硬件相结合的实际调试经验， 为今后将直 接转炬控制技术应用于实际交流电动机调速迈出关键性的一步。 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 究往往还是从改善系统某些性能出发， 对所用的理论思想进行部分的改进。 也就 是说， 整个领域的研究还基本停留在一个局部完善的水平上， 而没有达到全面提 高的层次。 由于近期研究成果的大量涌现，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻， 对各种局部性能的改善也有了更多的选择方案。 因此， 追求整体性能最优将成为 今后直接转矩控制研究的 主要方向。 通过改进系统各组成环节的内部结构来提高 系统性能， 其效果是非常有限的， 从软件方面着手改进系统将是今后的大势所趋， 智能控制会发挥越来越大的作用， 成为整个系统的控制核心。 近几年发展起来的 将神经网络和模糊控制结合起来的神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直 接转矩控制的重要手段，用d s p或c p u实现的d t c系统的全数字化也是一个 重要的发展方向。 1 .3课题研究的意义 直接转矩控制技术伴随其它交流调速策略， 经过近二十年的 发展和完善， 在 理论优化和仿真研究上皆己 相当成熟。 无论是在控制手段、 响应速度， 还是在静、 动态调速性能方面， 直接转矩控制都较其它交流调速控制策略有着明显的优势。 目 前德国、日 本和美国已 成功将其应用于电 力牵引中的大功率交流传动系统。 近 几年， 国内 广大科研工作者和工程技术人员 积极投身 于对直接转矩控制技术的研 究。 但大多都停留在理论优化和仿真研究基础上。 将直接转矩控制技术应用于实 际电 机系统， 特别是工业应用系统仍存在有待解决的问题。 同时， 直接转矩控制 技术自 身控制特性所导致的一些弊端， 诸如: 转矩脉动较大， 电 流谐波较为严重， 定子磁链观测不够准确， 低速域调速性能不够完善等， 在实际应用中亦没有得以 很好地解决。 因此， 在我国电 机调速领域仍然未能将直接转矩控制技术进行普及。 立足于将直接转矩控制技术由 理论研究转变为实际应用， 本课题主要任务将侧重 于直接转矩控制系统的 设计与实现。 为达到电 机控制系统实时性要求，课题在t l 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a最小系 统基础上构建试验平台， 进而实现异步电动机的直接转矩调速控制。 这将不仅为 进 1 步的调速系统研究提供基干 d s p的软硬件测试平台，同时也为直接转矩控 制技术在工业控制应用方面积累更多软硬件相结合的实际调试经验， 为今后将直 接转炬控制技术应用于实际交流电动机调速迈出关键性的一步。 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 1 .4本文的研究内 容 本论文结合国内 在直接转矩控制系统领域理论研究多、 系统实现少的发展现 状， 将侧重点放在系统的 基本实现上， 开发设计出 一套能够实现直接转矩控制理 论的完整的软硬件系统， 对高性能交流电动机控制系统在我国的开发应用进行了 一些微薄的探索。 本文的主要内容如下: 第一章在参考浏览大量文献资料的基础上， 阐 述了电 动 机调 速技术的发展概 况， 以及直接转矩控制的发展现状， 提出异步电 动机的直接转矩控制理论。 最后 论述论文开展的意义。 第二章对直接转矩控制理论进行了简单介绍， 给出了论文中直接转矩控制系 统设计方案的理论依据。 第三章利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块对直接转矩控制系统进行仿真， 针 对直接转矩控制系统的各个组成环节分别创建其仿真模型， 最终予以封装。 对仿 真结果进行分析，对直接转矩控制系统进行简单评价。 第四章分别介绍了 所设计的 直接转矩控制系统的 硬件和软件部分， 硬件部分 包括主电 路板和控制电 路板。 主电 路板实现控制电 压的交流一 直流一 交流的 变换过 程， 其核心器件采用 智能功率模块 p m 2 0 c t m o 6 0 ， 开关电 源部分采用 u c 3 8 4 2 控制芯片来实现。 控制电 路板是直接转矩控制理论的 物理载体， 它利用电动机控 制专用高性能芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a来实现。系统的 软件部分采用汇编语言在 c c s 环境下实现。 第五章对论文所做的工作进行总结并对今后的工作提出了 一些建议。 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 第二章 直接转矩控制理论 2 . 1概述，” 直接转矩控制出现以前，矢量控制长期占据着异步电动机控制的主导地位。 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 动机的转速和磁链控制的完全解祸。 然而， 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 j性， 使得实际的 控制效果难于达到理论分析的 结果。 直接转矩控制理论是 1 9 8 5年由 德国学者狄普布洛克 ( m . d e p e n b r o c k ) 首次 提出的，随后日 本学者塔卡哈什 ( i : h a k a h a s h 劝也提出了类似的控制方案。 与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点: ( 1 ) 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，计算过程简单。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向 所用的是定子磁链， 通过定子电阻即可观测。而 矢量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电动机的转子电感和电阻。 因 此直接转矩控制减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和控 制其各物理量， 使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制是直接将转矩作为被控量， 直接对其进行控制，而不是像 矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。 2 . 2直接转矩控制的基本概念 2 .2 . 1逆变器 直接转矩控制技术采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节器产生开关 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。 逆变器由六个开关组成，它的简图如图2 . 1 ( a ) 所示。由干逆变器的上下桥臂 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 第二章 直接转矩控制理论 2 . 1概述，” 直接转矩控制出现以前，矢量控制长期占据着异步电动机控制的主导地位。 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 动机的转速和磁链控制的完全解祸。 然而， 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 j性， 使得实际的 控制效果难于达到理论分析的 结果。 直接转矩控制理论是 1 9 8 5年由 德国学者狄普布洛克 ( m . d e p e n b r o c k ) 首次 提出的，随后日 本学者塔卡哈什 ( i : h a k a h a s h 劝也提出了类似的控制方案。 与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点: ( 1 ) 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，计算过程简单。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向 所用的是定子磁链， 通过定子电阻即可观测。而 矢量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电动机的转子电感和电阻。 因 此直接转矩控制减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和控 制其各物理量， 使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制是直接将转矩作为被控量， 直接对其进行控制，而不是像 矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。 2 . 2直接转矩控制的基本概念 2 .2 . 1逆变器 直接转矩控制技术采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节器产生开关 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。 逆变器由六个开关组成，它的简图如图2 . 1 ( a ) 所示。由干逆变器的上下桥臂 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 同 时 导 通时电 源 短 路， 因 此 对 应 于三 组 开关 共 有2 3 = 8 种 有 效组 合， 论 文中 定 义 s , = 1 代表。 相上桥臂导 通、 下 桥臂关断，s , = 0 代 表a 相上桥臂关断、下 桥臂 导通的状态， 其余两相定义方法相同。 与开关信号的八种组合对应的 是电 压分量 u , , u , , u的 八 种 组 合 12 1 ， 如 图2 . 1 ( b ) 所 示， 其 数 学 表 达 式 为 式 ( 2 - 1 ) 。 直 接 转 矩控制正是根据磁链、 转矩的不同要求来产生开关信号， 控制逆变器的功率开关， 输出相应的相电压给异步电动机，以达到我们的控制要求。 二 e ( 2 s 。 一 s b 一 s ) / 3 = e ( 2 s , 一 s 。 一 s ) / 3 = e ( 2 s : 一 s ;、 一 s , ) / 3 ( 2 - 1 ) al州仁 uuu zlesesesesj1 s a s n 5 。 h卜书 c ，5 令f s n s c 一上下土 ( a ) 逆变器简图( b ) 逆变器抬出与对应相电 压波形 图2 . 1 逆变器简图及对应输出电 压波形 2 . 2 . 2空间电压矢量 定义电压矢量: u , (t) 一 号 u , (t) + 一 ()一 ” 。 + u j t)一 ( 2 - 2 ) 电 压分量u , 、 u b , u 。 的 八种组合可以 对应计算得到八种电 压矢 量u 、 。 将这f l 种 电压矢量画在一个矢量图中， 则形成八个离散的空间矢量， 其中6 个工作电压矢 量的 顶 点构成一个正 六边形的顶 点 1 3 1 ， 如图2 .2 所 示。 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 同 时 导 通时电 源 短 路， 因 此 对 应 于三 组 开关 共 有2 3 = 8 种 有 效组 合， 论 文中 定 义 s , = 1 代表。 相上桥臂导 通、 下 桥臂关断，s , = 0 代 表a 相上桥臂关断、下 桥臂 导通的状态， 其余两相定义方法相同。 与开关信号的八种组合对应的 是电 压分量 u , , u , , u的 八 种 组 合 12 1 ， 如 图2 . 1 ( b ) 所 示， 其 数 学 表 达 式 为 式 ( 2 - 1 ) 。 直 接 转 矩控制正是根据磁链、 转矩的不同要求来产生开关信号， 控制逆变器的功率开关， 输出相应的相电压给异步电动机，以达到我们的控制要求。 二 e ( 2 s 。 一 s b 一 s ) / 3 = e ( 2 s , 一 s 。 一 s ) / 3 = e ( 2 s : 一 s ;、 一 s , ) / 3 ( 2 - 1 ) al州仁 uuu zlesesesesj1 s a s n 5 。 h卜书 c ，5 令f s n s c 一上下土 ( a ) 逆变器简图( b ) 逆变器抬出与对应相电 压波形 图2 . 1 逆变器简图及对应输出电 压波形 2 . 2 . 2空间电压矢量 定义电压矢量: u , (t) 一 号 u , (t) + 一 ()一 ” 。 + u j t)一 ( 2 - 2 ) 电 压分量u , 、 u b , u 。 的 八种组合可以 对应计算得到八种电 压矢 量u 、 。 将这f l 种 电压矢量画在一个矢量图中， 则形成八个离散的空间矢量， 其中6 个工作电压矢 量的 顶 点构成一个正 六边形的顶 点 1 3 1 ， 如图2 .2 所 示。 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 6碑 ， u、 “ 一喊 一 - - ， “ 4 u n , u , u l 户气u 5 图2 .2空间电压矢量 2 . 3直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的磁链轨迹有两种: 德国d e p h e n b r o c k 教授提出的六边形轨迹 和日 本学者提出的近似圆形轨迹。 近似圆形磁链轨迹要求六个非零电压矢量不停切换， 以达到磁链轨迹近似圆 形的日的。而六边形轨迹将3 6 0 。平面划分为一个正六边形， 其中六个对角线代 表六个非零电压矢量， 六条边代表磁链运动轨迹， 六边形轨迹要求控制过程在每 6 0 。范围内只需作用一个电压矢量。 对二者进行比较: 近似园形方案开关频率高， 转矩脉动、电动机损耗和噪声较小， 应用于中小功率的场合。 六边形方案相当于 六边梯形波逆变器供电， 功率器件开关频率低， 适用于大功率的场合。 直接转矩 控制理论的原理如图2 .3 所示。 am m u ct 1 1, f c a s s 异步电动机 数学模型 坐 标 变换 器 磁链幅 值构成 a tr pq 田一洲 转矩 调节器 图2 .3 直 接 转 矩 控 制 原 理 图 2 1 直接转矩控制的简单工作过程为: ( i )电动机定子电压u 、 、 定子电流i 作为整个系统的输入量作用干电动机数 西北工业大学硕士学位论文第二章 直接转矩控制理论 6碑 ， u、 “ 一喊 一 - - ， “ 4 u n , u , u l 户气u 5 图2 .2空间电压矢量 2 . 3直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的磁链轨迹有两种: 德国d e p h e n b r o c k 教授提出的六边形轨迹 和日 本学者提出的近似圆形轨迹。 近似圆形磁链轨迹要求六个非零电压矢量不停切换， 以达到磁链轨迹近似圆 形的日的。而六边形轨迹将3 6 0 。平面划分为一个正六边形， 其中六个对角线代 表六个非零电压矢量， 六条边代表磁链运动轨迹， 六边形轨迹要求控制过程在每 6 0 。范围内只需作用一个电压矢量。 对二者进行比较: 近似园形方案开关频率高， 转矩脉动、电动机损耗和噪声较小， 应用于中小功率的场合。 六边形方案相当于 六