（电力电子与电力传动专业论文）基于xc164的异步电机直接转矩控制系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ev e c t o rc o n t r o l ( v c ) t e c h n i q u e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) o f i n d u c t i o nm o t o r ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h er e c e n td e c a d e s ，i sa n e wa n d h i g h - p o w e r e da cd r i v i n gc o n t r o lt e c h n i q u e t h ei d e ao fd t ci sa ne x c e l l e n ta c d r i v i n gc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hh 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 ea n dh a s b e e ns u c c e s s f u la p p l i e di nm a n yo c c a s i o n su pt on o w t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ep f i n d p l ea n dr e a l i z a t i o no ft h e d t c ，s y s t e ms i m u l a t i o ni nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h ea n a l y s i so ft h e w h o l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b a s e do l lt h es t u d yo fm 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 r , t h ep a p e rp r e s e n t s b a s i cp r i n c i p l eo fd t ci nd e t a i l ，t a k e sc o m p o n e n t so fd t cs y s t e mw h e nt h es t a t o r f l u xl o c u si sr o u n da n dg i v e si t ss t r u c t u r ed i a g r a m a c c o r d i n gt 0t h ef a u l t so f t r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o la n dt h er e q u i r e m e n to ft h ei n d u c t i o nm o t o r sc o n t r o l s t r a t e g y , t h ee m p h a s i so ft h er e s e a r c hi sp u to nt h eo b s e r v a t i o n ，r e g u l a t i o na n d c a l c u l a t i o no ft h es t a t o rf l u xa n dt o r q u ei nt h ed t c s y s t e m t h i sp a p e rm o d e l sa n ds i m u l a t e st h ed t cs y s t e mi nt h em a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t i nt h es i m u l a t i o n ，t h r e e - v a l u et o r q u ei sc o n s i d e r e da n dm o d i f i e d i n t e g r a t i o ni su s e di nt h es t a t o rf l u xo b s e r v a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dh 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 dv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t y o ft h ec o n t r o ls c h e m e ， m e a n w h i l e ，s i m u l a t e st h es e n s o r l e s sd t cs y s t e mw i t hm r a sa r i t h m e t i c i na d d i t i o n ，x c16 4o fi n f i n e o nc o r p o r a t i o ni su s e da st h ec o r e p r o c e s s i n gc h i p o ft h ed i g i t a ls p e e da d j u s t a b l ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nd t c t h e o r y r e a l i z a t i o no ft h e w h o l eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei sd e s c r i b e di nt h ep a p e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv 舐母 t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed t c s y s t e mb a s e do nx c 16 4 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 n t r o l ，m o d i f i e di n t e g r a t i o na r i t h m e t i c ， m a t l a b s i m u l i n k ，x cl6 4 i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：咀 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。电气传动技术是以电机为 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 控制理论的指导下组成电气传动自动控制系统，通过改变电机的转矩、速度、位 移等物理量，使各种电机按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的 需要【1 】 2 】【3 1 。 1 1 交流传动的现状与发展 电机可分为直流电动机和交流电动机两大类，因此可根据电机分类把电气传 动系统分为直流传动系统和交流传动系统。鉴于直流电动机调速方便，良好的启 动、制动性能等优点，直至2 0 世纪上半叶，变速传动系统中直流传动系统一直 占有主导地位。但直流电机固有的缺附4 】使其已经越来越不能满足现代电气传动 的要求，与此同时，随着电力电子技术、数字控制技术、控制理论的发展，特别 是矢量控制、直接转矩控制等先进的控制技术的出现，使得交流电动机调速性能 已能与直流电动机相媲美【l 】：加之交流传动与直流传动相比，价格便宜、维护简 单、体积小、可靠性高等优点，使得交流调速传动系统的应用越来越广泛，其取 代直流传动已经成为当前电力传动控制的主要发展方向之一。 1 1 1 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代交流调速技术实现的物质基础 5 】，在交流调速系统中的 主要应用是构成电力电子变换器，起到弱电控制强电的纽带作用，电力电子器件 的发展大致经过了四个阶段，它的发展直接影响了交流调速的发展【6 】【7 】。2 0 世纪 5 0 年代末出现了晶体管，其属于半控型器件，可由门极控制导通，但不能由门 极控制关断。7 0 年代后期，以功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶体管( g t o ) 、功 率m o s 场效应管( m o s f e t ) 为代表的全控型器件先后问世并得到迅速发展，此 类器件可通过对门极的控制，即能控制导通又能控制关断。8 0 年代，绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 出现，其兼具m o s f e t 和g t r 的优点，把m o s f e t 的驱动功 上海大学硕士学位论文 率小、开关速度快的优点以及g t r 通态压降小、载流能力大的优点集于一体， 性能优越，是目前中小功率变频器中应用最为广泛的功率开关器件。目前，大功 率半导体器件正在向集成化智能化方向发展。智能功率模块( i p m ) 是向功率集成 电路( p i c ) 的过渡产品，它采用i g b t 作为功率开关器件，是微电子技术和电力电 子技术相结合的产物。内含电流传感器、驱动电路以及过载、短路等保护电路， 实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种功能，既减小了体积、减轻了重量， 又提高了可靠性，目前已在中小功率的交流变频调速系统中得到了广泛应用【6 】 7 】。 1 1 。2 数字控制技术的发展 上世纪8 0 年代开始大规模集成电路微处理器的商品化，将数字控制技术推 上了一个全新阶段。以微处理器为核心的数字控制逐渐成为现代自动控制系统中 控制的主要形式。数字控制能够使控制电路得到简化，提高系统的可靠性和实用 性，能够完成更为复杂的控制策略，并能提高系统的智能化程度。 目前常用的微处理器有单片机( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 等。变频调速 系统中应用最多的是高性能的电机控制专用芯片。一般这些芯片都具有多总线的 哈佛结构、专用的硬件乘法器和数字信号处理指令，能够实现复杂运算的高速处 理；同时具备一些电机控制专用的模块和接口，从而硬件和软件的设计能够得到 简化。近年来还出现了专用集成电路( a s i c ) ，其功能往往可以包括一种特定的控 制系统，甚至能将电机控制的各种功能集成在一个芯片中，使可靠性得到提高的 同时成本大大降低【_ 7 1 。 1 1 3 交流调速控制策略的发展7 1 1 8 1 1 9 1 1 1 0 i 随着计算机技术的发展及控制理论的深入应用，控制策略方面也不断取得突 破。早期的变频系统采用开环恒压频比的控制方式，结构简单但系统性能不高。 这是由于控制思想是基于交流电动机的稳态控制规律，因此在动态性能、低速转 矩性能等方面的缺陷限制了其应用范围，比较适用于风机、水泵等对动态性能要 求不高的场合。 2 0 世纪7 0 年代，德国f b l a s c h k e 等人首先提出了矢量控制理论，在基于转 子磁通定向的基础上，实现了交流电机磁通和转矩的解耦，显著改善了交流调速 2 上海大学硕士学位论文 系统的动态性能，交流电机控制理论获得了一次质的飞跃，开创了交流传动的新 纪元。 1 9 8 5 年，德国的m d e p e n b r o c k 教授提出了一种新的控制方法一异步电机 直接转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称为d t c ) ，随后日本学者也提出 了类似的方案，并取得了显著的控制效果。直接转矩控制的控制思想与矢量控制 不同，它完全摒弃了矢量控制的解耦思想，省略了矢量计算和坐标的旋转变换， 把磁链、转矩直接作为被控量来控制。通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间 矢量计算出电机的磁链和转矩，采用离散的砰一砰控制器调节，产生脉宽调制 ( p w m ) 信号，直接对变频器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 这种方法，对电机参数敏感度较小，不受转子参数的影响，在很大程度上克服了 矢量控制技术的一些缺点，具有广阔的发展和应用前景。 1 2 直接转矩控制技术的发展与现状 基于异步电动机的“直接转矩控制( d t c ) 方法由德国鲁尔大学的 d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年首次提出【1 0 】，其原理是让电动机的磁链矢量沿六边形 运动。1 9 8 6 年日本学者t a k a h a s h i 提出了基于圆形磁链轨迹的异步电动机d t c 基本理论。直接转矩控制技术控制思想新颖、系统结构简洁、静动态性能优良等 优点受到了普遍关注并得到了迅速发展。 1 2 1 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制相对于其它控制具有以下特点 9 】【l l 】【1 2 】： 1 ) 直接转矩控制在定子两相静止坐标系下分析交流电动机的数学模型，达 到控制电动机磁链和转矩的目的。省掉了矢量旋转变化等复杂的变换与计算，信 号处理工作特别简单，易于实现实时控制； 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，而矢量控制磁场定向所用是 转子磁链，定子磁链的观测模型要比转子磁链的观测模型简单得多，受电机参数 的影响也相对较小； 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来控制磁链、转矩等物理量，使问题 变得简单明了； 上海大学硕士学位论文 4 ) 直接转矩控制的控制效果取决于转矩的实际状况，控制既直接又简化。 思想是利用一对滞环比较器直接控制磁链和转矩，而不像矢量控制那样通过控制 定子电流的两个分量间接地控制电机的磁链和转矩，追求转矩控制的快速性和准 确性，甚至并不刻意追求圆形磁链轨迹和正弦波电流。 综上所述，直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系 下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的砰一砰调节 以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处 理，没有通常的p w m 信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手 段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高 静、动态性能的交流调速方法。 直接转矩控制技术虽然具有许多优点，但是目前仍旧面临许多有待解决的问 题。主要是低速性能不尽人意、转矩脉动比较严重和速度传感器影响系统的可靠 性等，这些问题阻碍了直接转矩控制系统的进一步发展与应用。因此如何解决这 些问题己成为当前直接转矩控制研究的热点。 1 2 2 直接转矩控制技术的研究现状与趋势 直接转矩控制技术经过2 0 多年的发展，各方面的性能都在不断提高，并已 经进入实用阶段。国外目前已成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨 电车的主传动系统中。当前，就传统的直接转矩控制存在的转矩脉动大，低速性 能差等缺点，国内学者展开了大量的研究，主要有以下几个方面【1 3 1 【1 4 】【1 5 】【1 6 】： 1 ) 无速度传感器的直接转矩控制 无速度传感器研究是当前交流传动中热门的话题，为了进一步简化系统的控 制结构，国内外学者对无速度传感器技术进行了大量的研究。目前为止提出了许 多方法，大致可以分为以下几类：直接计算法、模型参考自适应法、基于观测器 估算法、高频注入法、人工智能估算法等，并将有些方法应用于直接转矩控制系 统中。 2 ) 磁链观测方法的研究 磁链观测是实现高性能电机传动系统的关键。常用的定子磁链计算方法有 u i 模型，i 一万模型以及u n 模型。但它们各自都存在缺点，因此就出现了对 4 上海大学硕士学位论文 这些方法的改进研究和新观测方法探究的两个发展方向。例如引入低通滤波器或 改进的积分器算法，对纯积分器进行改进，以解决纯积分器误差积累等问题，提 高“一i 模型在低速时的精度；采用全阶磁链观测器等新型观测方法等。 3 ) 改善传统d t c 的缺陷 传统的d t c 控制中转矩和磁链一般采用滞环控制，在某一工作区间内电压 矢量的选择是固定的。由于每个采样周期内的转矩变化量不同，必然会使得低速 转矩中包含锯齿波分量，造成严重的转矩脉动。目前国内外学者都在不断改进和 优化开关表。 1 3 课题研究的意义和主要内容 电机调速节能已经被广泛关注，我国政府也把电机系统调速节能列为重中之 重。但我国的交流电机调速技术和国外相比，还存在很大的差距。从国内变频器 市场可以看出，一些国外品牌的控制策略和制作工艺平均处于领先地位。近年来 随着高性能微处理器的普及和市场竞争的推动，国内各高校和公司大力投入变频 调速的研究开发，研究开发高性能的交流变频装置对于调速节能具有重要的意 义。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型交流调速技术，控 制思想新颖，控制系统简洁明了，动、静态性能良好，得到越来越广泛的应用。 本课题以英飞凌公司最近推出的x c l 6 4 单片机为控制核心，对直接转矩控制交 流调速系统进行探讨和研究。 本课题主要研究内容： 1 ) 本文在参考大量文献资料的基础上，分析了调速技术的发展概况，以及 电力电子技术和数字控制辅助技术的发展状况。 2 ) 从理论上分析了直接转矩的原理及特点，给出了论文中直接转矩控制系 统设计方案的理论依据。 3 ) 针对带有纯积分器的电压模型估算定子磁链在低速时存在的固有缺陷问 题作了研究。采用改进的积分器算法，有效地克服了纯积分环节所具有的误差积 累以及直流偏移问题。 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 对论文中的圆形定子磁链直接转矩控制系统进行仿 真，分别对直接转矩控制系统的各个组成环节创建仿真模块。在仿真试验中通过 上海大学硕士学位论文 带载启动，突加负载以及改变转速给定值等方式对系统性能进行分析。为避免采 用速度传感器所带来的缺点，对无速度传感器直接转矩控制系统进行了仿真研 究。 5 ) 对控制芯片x c l 6 4 单片机作简单介绍，对直接转矩控制系统的硬件构成 以及各子程序的软件实现进行了分析，并采用c 语言编程方式编写系统的控制 软件。 6 ) 在以x c l 6 4 单片机为控制核心的试验平台上进行直接转矩控制实验，在 实际控制系统中验证算法。测量控制系统的输出，分析试验结果，得出控制系统 的控制性能，并对系统提出进一步改进的建议。 6 上海大学硕士学位论文 第二章直接转矩控制的理论基础和基本原理 本章首先对直接转矩的理论基础作比较简单的介绍，这些理论基础是理解直 接转矩控制的前提。尤其是矢量变换部分，虽然直接转矩控制不需要矢量旋转变 换，但矢量分析的方法是分析直接转矩控制的主要方法 1 7 1 1 8 】。然后再全面地阐 述直接转矩控制的原理。 2 1 异步电动机的数学模型及坐标变换 基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑 调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等动态性能高的控制对象而 言，就不能完全适用了。要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异 步电动机的动态数学模型来设计系统【1 】 2 】。 2 1 1 异步电动机三相轴系下的数学模型1 1 l 【2 1 1 1 8 1 1 1 9 1 异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在异步电机调速系 统中，一般采用的数学模型都是基于理想的电动机数学模型。该模型对异步电机 作如下的几种基本假设： 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 。电角度，所产生 的磁动势沿气隙按正弦规律分布； 2 ) 忽略磁路饱和，各磁路的自感和互感都是恒定的； 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。 无论异步电动机转子是绕线型还是笼型，都可以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相等。三相异步电动机的物理模型如 图2 1 所示，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间中是固定的，转子绕组轴线a 、 b 、c 随转子旋转，以a 轴为参考坐标轴，转子a 轴和定子a 轴间的电角度乡为 空间角位移变量。规定各绕组电压、电流磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺 旋定则。 7 上海大学硕士学位论文 b a 图2 0 ! 三相异步电动机的物理模型 异步电动机动态模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 1 ) 电压方程： 2 ) 磁链方程： 彳 沙口 y c 。 y 6 。 定子和转子各相自感为： 乏三毒耄毫 8 d i - d t 三一c c c 。 三6 c l c c _ v b 申c y 。 少6 沙。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 匕bkkk =iiiiiiiiiiji且 o o 0 0 0 砖 o o o o 砖o 0 o o 母o 0 o 0 砖o o o o 心o 0 o 0 b o o 0 o o 彳 口 c 4 6 c “ 甜 “ “ ” hbkkb0 肋 肪 西 蚀 仂 协 幻西办厶厶厶 加 砌 饧 嬲 惋 锄跏励励知知如 胛 盯 w w 厶西办厶厶厶 肚 船 妇 船 协 厶三 剧 肌 “ 耐 似 钳 厶 上海大学硕士学位论文 其中电感矩阵中各互感如下： 如= 厶c = 乇= k = 如= 三 c = - i 2 t , 。 l a b = k = 乞= k = k = 乞= 一丢k l 。= 乞= k = k = 乞= k = k c o s t 9( 2 - 4 ) k = 乞= k = 如= 乞= 厶c = ke o s ( o + 1 2 0 。) l 。= z l , = 二鼬= 上细= l c , = 厶c = 厶硝e o s ( o 一1 2 0 。) 3 ) 转矩方程g z = 吲口k h i a + i a + 瓴) s i n 8 + ( i a + i a + 瓴) s i n + 1 2 0 ) 1 + ( 乇+ 屯+ 毛) s i n 秒一1 2 口) 】( 2 - 5 ) 4 ) 运动方程： 三塑：z 一瓦 (26)d 靠口t 。 其中，”_ ，甜口，“c ，“。，“。，是定子和转子相电压的瞬时值，屯，屯，之是定 子和转子相电流的瞬时值，口，5 f ，c ，虬是各相绕组的全磁链，r ，r ，是 定子和转子绕组电阻。上述各量都已折算到定子侧。死为负载转矩，t 为电磁 转矩，为机组的转动惯量，开p 为极对数。 2 1 2 坐标变换1 2 】【1 9 l 异步电动机三相轴系下的动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十 分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。 在三相对称绕组中，通以三相平衡电流f 。、f r 、，所产生的合成磁动势是 旋转磁动势。它在空间呈正弦分布，以同步转速以旋转。由于旋转磁动势并非 一定要三相不可，且三相变量中只有两相为独立变量，完全可以消去一相。所以， 三相绕组可以用相互独立的对称两相绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势 相等。两相对称绕组在空间互差9 0 0 ，如图2 2 所示，通以两相平衡交流电流屯、 9 上海大学硕士学位论文 ，也能产生旋转磁动势。坐标变换的原则是产生合成的磁动势相等，且保持前 后总功率不变。 a 图2 2 三相坐标系和两相坐标系间的变换 通过坐标投影计算可得： 阡 1 l一 2 o 鱼 2 令c 3 ，：表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则 r ， 1 ：= 月三蔓 l 2 电流变换阵也就是电压变换阵和磁链变换阵。 2 1 3 异步电动机两相静止坐标系下的数学模型f l l 【2 1 1 1 8 1 1 1 9 i ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 由于直接转矩控制系统的理论分析是基于电机静止坐标系上的，下面采用异 步电机在两相静止的坐标系下的数学模型来讨论电机的基本动态数学模型。 l o 一2压一2 鱼2 上海大学硕士学位论文 1 ) 电压方程： 2 ) 磁链方程： 3 ) 转矩方程： 4 ) 运动方程： u 孵 u 妒 u 附 u 够 r 。 0 0 o 妙j 口 v s b 吵，口 v r b 0 0 r ， o l ，0 0 l ， l 脚0 0 l ， d - d t l ，竹0 0 l ，。 l ，0 0 三， y 。口 v b 缈馏 v t b l j 口 t s p l r a 1r b + o o c o r r p 一国r y 略 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 研r 、 p = ，z p l 研【z j l r a z s 口印) ( 2 1 1 ) 2 2 直接转矩的基本概念 2 2 1 逆变器原理及数学模型 三一d o ：z 一互d 玎p t 。 ( 2 1 2 ) 逆变器是交流调速系统中的功率驱动模块，通过准确控制逆变器开关器件的 导通和关断，控制施加到电机三相绕组上的电压，可实现高性能的电机调速。在 本直接转矩控制系统中采用的是电压型逆变器【2 0 1 ，它的结构如图2 3 所示： 名 4 ，s bs ck r y y y 一、 b ，- y 、” 1 d 尚 j 广誓 爵西嚣 图2 3 理想电压型逆变器模型 该逆变器由三组、六个开关( 咒，瓦，墨，瓦，s 0 ，瓦) 组成。由于同桥臂 上的两个开关为互锁关系，即一个导通，另一个断开，因而六个开关器件的工作 l l 暑 妒 以 妒 l = 一 一 一一 1lj o 0 o 艮 o k o o = 上海大学硕士学位论文 状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量。三组开关( 疋，墨，足) 共有8 种开 关状态。若规定三相负载的某一相与“+ 极相通，该相的开关状态为“1 态， 反之为“0 态。则8 种可能的开关状态如表2 一l 所示。表2 1 给出了逆变器 的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电压状态。八种开关 状态可以分为两类，一类是状态o 和7 ，其特点是三相负载接到相同的电位上， 称为零开关状态；另一类是三相负载并不都接到相同的电位上，即状态1 - 6 ，称 为有效开关状态。 表2 1 逆变器开关状态 状态 o 1 2 3 4 567 s n ol1oo011 s b oo111oo1 s c ooool111 2 2 2 电压空间矢量概念嘲捌 空间矢量和极坐标类似，都使用幅值和相角表示，但空间矢量表示的是空间 上3 个独立存在、随时间变化且其和为0 的物理量。由于异步电动机三相相电压 之和为零，因此可以将逆变器的输出电压用电压空间矢量表示，即 2 一1 ro 4 - 一x 蚝( f ) = u 4 + e 。3 + “c e 。3( 2 1 3 ) 其中u u 矿u c 是以直流电源中点0 为参考点的p w m 逆变器三相输出电 压。那么将有效的电压矢量代入上式可分别得到： z 1 0 0 0 ) = 压 ( 1 1 0 ) = u d e 。3 ，丝 蚝( 0 1 0 ) = u d e 。3 v 4 ( 0 1 1 ) = u d e ，竺 z 5 ( 0 0 1 ) = u d e 。3 5 石 1 6 ( 1 0 1 ) = u d e 了 ( 2 - 1 4 ) 1 2 上海大学硕士学位论文 它们的空间位置关系如图2 4 所示： v 3 ( o ! o lv 2 ( 1 1 0 ) 么v o ( o o o ) v 7 ( 1 1 1 )v 1 0 vv i v 5 ( 0 0 1 )v 6 ( 1 0 1 ) 图2 - 4电压矢量空间位置关系 6 个非零矢量均匀的分布在坐标平面上，彼此之间相差6 0 。相角，幅值为直 流电压。直接转矩控制就是根据磁链和电磁转矩的需求，从8 个电压矢量中 合理选择矢量施加顺序以及作用时间比例，就能得到指定的电机工作状态。 2 3 直接转矩的基本原理 直接转矩顾名思义就是把转矩作为直接被控量去控制电机，其控制效果的好 坏取决于转矩的实际情况，所以此控制方法简单、直接。异步电机直接转矩控制 系统框图如图2 5 所示。 图2 - 5 异步电机直接转矩控制系统框图 从结构图中可以看出，它的基本原理是：充分利用电压型逆变器的开关特点， 1 3 上海大学硕士学位论文 通过不断切换开关组合，选择不同的电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通 过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而 使异步电机的磁链和转矩同时按要求快速变化【l l 】【2 1 1 。在以往的控制中，往往要 根据电机的各种参数来计算，而直接转矩控制只是通过定子电阻及能够方便测量 得到的定子电压及电流值就能把磁链转矩估算出来，所以相比而言，直接转矩控 制转矩响应迅速，实现起来也较为方便、简洁【2 2 】。 2 3 1 电压空间矢量对磁链和转矩的影响 直接转矩控制关键在于控制电机的磁链和转矩。控制磁链幅值恒定以获得良 好的动态性能，如果磁链幅值过大，磁路就会饱和，使得电流急速上升，定转子 电感及其互感降低，漏感增加，电机的运行条件恶化，使系统的动态性能变坏； 如果磁链幅值太小，将会导致电机输出转矩允许值减小，电机的效率降低。为了 保证电机的合理运行，在基速以下时，通常将磁通维持在额定值。 1 ) 电压空间矢量对定子磁链的影响 定子磁链与定子电压之间的关系为： ( f ) = i ( ( f ) 一( f ) 足) d t ( 2 1 5 ) 若忽略定子电阻的影响，则： 虬( f ) p ，( t ) d t 离散化后如图2 - - 6 所示： ( 2 - 1 6 ) 图2 - 6 定子磁链与电压矢量关系简图 定子磁链的运动方向基本是沿虬进行的，其运动的快慢由电压幅值决定a 因 此，当所施加的电压矢量与磁链的夹角秒 9 0 。时，电压矢量作用的结果使磁链幅值减小；当9 = 9 0 。或者 1 4 上海大学硕士学位论文 施加的是零矢量时，磁链幅值基本保持不变。如果按照图2 4 的顺序依次选择 电压矢量，并合理控制其作用时间，就可以得到正六边形的磁链轨迹。 2 ) 电压空间矢量对电磁转矩的影响 根据式( 2 10 ) 可得： k l s 8 i 哺 1 厶一己 l s 。一l m l s i l 捌r l y 懈一l s 。 l , y r p l 捌s 9 ( 2 - 1 7 ) 代入式( 2 1 1 ) ，可得： ， z = n p 厶( 如k 一如如) = 寺( 一) ( 2 _ 1 8 ) “s o rl m 电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链之间的叉积决定的，即异步电机转 矩的大小不仅与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关，还与它们之间的夹角有关。 夹角从0 。到9 0 。变化时，电磁转矩从零变化到最大值。在实际运行中，一般保持 定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，转子磁链幅值由负载决定。因 此要改变电动机转矩的大小可以通过电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改 变磁通角的大小来实现。 当施加超前定子磁链9 0 。的电压矢量时，定子磁链的旋转速度最大，因此 获得的转矩最大。一般地，当施加超前矢量使定子磁链的旋转速度大于转子磁链 的旋转速度时，磁通角增大，相应的转矩增大。同样，如果施加零矢量或滞后矢 量，相当于定子磁链停滞不前或反转，而转子磁链继续旋转，磁链夹角减小，相 应的转矩减小。 2 3 2 圆形磁链轨迹控制的原理小2 瑚1 图2 5 详细地说明了近似圆形磁链控制系统的结构以及各个控制单元的关 系。电压、电流信号“4 、“。和l 、厶、l 经过三相到两相的坐标转换得到“，矿 “，声和。、如，一起进入磁链和转矩观测器分别得到磁链和转矩的观测值，并通 过磁链和转矩控制器，获得系统的状态信息，然后根据磁链区间判断模块的输出 信号，从优化开关表中选出适合的电压开关状态去驱动逆变器，给电机提供合适 1 5 上海大学硕士学位论文 的电压空间矢量来满足电机动态特性变化的需要，实现高性能的近似圆形磁链控 制。给定速度和反馈速度的差值作为输入信号进入速度调节器，由速度调节器根 据速度的变化产生转矩给定信号，以增强控制系统对外界扰动的抗干扰能力，以 及具有适应负载变化的能力。以上简要叙述了整个近似圆形磁链控制系统的工作 原理，下面将给出各部分功能详细的实现过程。 2 3 3 定子磁链观测及其改进方法 磁链观测是实现高性能电机调速系统的关键环节。在直接转矩控制中，无论 是按圆形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要已知定子磁链。直接检测定子 磁链的方法由于各方面的限制，在实际系统中运用较少。通用的方法为间接检测 的方法，即通过测量电机的其他物理量( 如定子电压、定子电流等) ，建立定子 磁链的观测模型，在控制中实时地推算出定子磁链的幅值和相位。定子磁链观测 的准确性对系统的性能影响很大，可以说是直接转矩控制技术的关键。以下首先 介绍常用的两种方法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。然后介绍一下本课题拟选择的磁链观测方法。 1 ) 传统的u f 模型磁链观测 在直接转矩过程中，传统的方法是采用纯积分器( u f 模型) 估算磁链。u i 模型根据式( 2 1 5 ) ，利用电机易测得参数定子电压、电流及定子电阻，得到 定子磁链。该方法的优点是计算过程中只用到定子电阻这一电机参数，模型简单， 理论上很精确。定子磁链u i 模型如图2 7 所示： 图2 7 定子磁链u - i 模型 u i 模型在高速，特别是在3 0 的额定转速以上，由于定子电压值较大，所 以可以忽略定子电阻压降部分，可以准确地观测定子磁链。虽然u f 模型结构简 单，但u i 模型是对差值的积分，只有差值较大时，求得的定子磁链才有精确的 结果。但在电机实际运行中，当电机运行于低速时逆变器输出的相电压较小，此 1 6 上海大学硕士学位论文 时定子电阻上的压降占输入电压的绝大部分，定子电阻r 影响不能忽略，因此 e=甜一it接近零。由于计算时设定的定子电阻r和实际值难免存在偏差，而且 定子电流的检测值中包含a d 转换噪声，再加之由于p w m 和死区效应的影响使 得定予电压也存在测量偏差，这些误差成分虽然很小，但会随着积分运算的不断 积累，最终使计算磁链严重偏离实际值。另外，该模型采用纯积分计算，在实际 应用中，由于纯积分存在零漂和直流偏移等问题，致使实际效果受到影响。 2 ) i 一，l 模型磁链观测 i 一刀模型去掉了积分的不良影响，但是过于依赖电机参数的准确性，而且需 要准确测量电机的转速。而在大多数工业应用中，为了增加系统的可靠性和降低 成本，在传动系统中一般应用无速度传感器技术。因为该方法属于开环估计方法， 所以转速估计的偏差和电机参数的变化势必造成定子磁链的计算误差。 3 ) 对传统的“一f 模型纯积分器的改进 基于低通滤波器的定子磁链观测模型的改进 2 4 】【2 5 】【2 6 】： 基于上述积分器存在的缺陷，有文献采用低通滤波器代替积分器以消除积分 器的不良影响，低通滤波器很容易采用模拟或数字的方法实现。积分器中的直流 偏移问题可以通过在滤波器中设定较大的时间常数( 截止频率) 来加以解决。 然而在滤波器的截止频率附近或者以下区域，积分器与低通滤波器的相位角 之间存在很大的差别。因此，降低低通滤波器的截止频率非常必要。不幸的是， 采用上述措施将增大滤波器对直流分量的敏感性。因此采用低通滤波器代替积分 器必然会引入对定子磁链幅值和相位计算的误差，此误差既非常数，也不是时间 的函数。 带有直流限幅功能的积分器的磁链方、法 2 5 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】： 这种积分器的基本结构如图2 8 所示： 图2 - 8 带直流限幅补偿功能的积分器 它的前向通路是一个简单的一阶惯性环节，另外由输出引出一路反馈信号， 1 7 上海大学硕士学位论文 对惯性环节带来的限幅和相位误差进行补偿。积分器的输出可以表示成下式： 】，；竺l z ，+ 土一x ( 2 1 9 ) s + c l s + 国c 式中：x 为输入，l r 为输出，z ，为输出经过限幅后的值。 其补偿作用：当z ，= 0 时，即没有引入反馈的时候，该积分器就表现为一个 一阶惯性环节，也相当于一个以q 为截止频率的低通滤波器；当乙= y 时，即 输出在幅值范围内时，补偿项完全抵消了惯性环节引起的误差，该积分器就表现 为一个纯积分环节；当z ，= l 时，积分器的输出将会有一个最大值，为了分析方 便，假设纯直流信号赵加在输入端，而且限幅器的输出已经达到最大值，那 么就有：】，2i 薏三+ 击从a 将式中的微分算子s 用州出代替后，可得： 百d y = 赵+ q 一吐y ，令该式等于零，可算出y 的最大值为：k = + 等。由 此可知，当z ，= l 时，考虑有直流分量的正弦信号输入的情况，该积分器的总输 出就是上述直流输出最大值与交流输出信号的叠加之和。如果选取合适的眈值 的话，这种积分器即能有效降低直流分量的影响。 实际上这种积分环节相当于一个截止频率可调的惯性环节，对于输入为正弦 信号的理想情况下，它的截止频率为0 ，如果由于输入的误差导致积分器输出发 生漂移，这时反馈环节的饱和限幅作用就体现出来，零漂越大，反馈作用越弱， 积分器的截止频率越大。 据上述分析，本课题磁链观测采用此改进积分的电压电流磁链观测方法，如 图2 9 所示： 图2 - 9 改进积分的电压电流磁链观测法 上海大学硕士学位论文 2 3 4 转矩的估算 对电机输出转矩进行直接控制，是控制系统获得高性能的关键。在直接转矩 控制中，需要将实测电磁转矩z 作为反馈量。直接测量电磁转矩在技术上存在一 定的难度，为此，在控制中一般采用间接法求电磁转矩，一般根据电机在两相静 止坐标系下的电磁转矩方程式( 2 1 1 ) ，由定子电流i ，及定子磁链虬来计算电动机 的电磁转矩互，即： 2 z = 丢，l ，( 如一t ) ( 2 - 2 0 ) 知道了定子磁链和定子电流的口、分量后，根据上式可以计算出电动机电 磁转矩乙，将该值作为反馈值参与控制。 2 3 5 磁链及转矩的滞环控制 1 ) 磁链调节器 磁链调节器采用施密特触发器，容差气，图2 一1 0 调节器的输入信号是磁 链给定值l j 和磁链反馈值l 虬l 的差值虬。调节器的输出信号是转矩开关信号 f k 。调节器采用离散的两点式调节。 图2 一l o 磁链两点式调节器 假设当磁链给定值i 矿l 与实际值i 虬i 之差上升到调节器容差的上限+ 勺，调 节器的输出信号f k 变为“1 ”态。在f 1 0 1 作用下，得到相应的电压空间矢量， 使定子磁链增加。当磁链给定值l 旷l 与实际值l 虬i 之差下降到调节器容差的下限 一气，调节器的输出信号f k 变为“0 态。在f k - - 0 作用下，得到相应的电压空 间矢量，使定子磁链减小。由此可见，通过转矩调节器的两点式调节，把磁链波 动限定在容差范围内，达到控制磁链的目的。定义磁链调节器的输出f k 取不同 1 9 上海大学硕士学位论文 值时的含义： f f k = 1控制定子磁链增加 l f k = 0控制定子磁链减小 2 ) 转矩调节器 由于影响转速最直接的原因就是转矩的变化，因此转矩控制性能好，则不难 设计一个速度调节器，使速度环有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响 应慢，相应的调速性能也较差，因此调速的关键在于对转矩的控制。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也是由此而来。为了控制转 矩，转矩调节器必须具备两个功能：一是调节转矩；二是控制定子磁链的旋转方 向，以加强转矩的调节。若转矩调节器也采用两点式调节，当转速较低或给定转 速突然降低时会使零电压矢量所加的时间较长，这样不仅使近似圆形磁链产生严 重畸变，还会使电机的减速时间大大延长，使电磁转矩脉动增大。为解决这个问 题本文采取一种新的转矩偏差调节器，即三点式转矩调节器，其输入为转矩给定 值z 与转矩反馈值互的信号之差为z 。调节器的输出量是转矩控制量t k ，可 根据t k 的取值不同来确定定子电压矢量。调节器框图如图2 1 l 所示 2 5 】。 z 一翮a t , 。 一岛1h 迨 。 斗j 图2 - 1 1转矩三点式调节器 转矩调节器的容差是白，调节器分为两个部分，相当于两个施密特触发器， 当z z 时，若电机的转矩z 在增加且t k _ l ，则只有巧= 乏时，调节器输出t k 变为“0 ，若电机的转矩在减少且t k _ o ，则只有z = z 一白时，调节器的输出 t k 变为“l ；当 t 时，若电机的转矩互在增加且t k _ o ，则只有z = 巧+ 白 时，调节器的输出t k 变为“一1 ”，若电机的转矩在减少且t k _ 1 ，则只有巧= z 时，调节器的输出才能变为“0 。 通过前述公式可知，要想提高转矩z 有两种方法：一是改变定子磁链的幅值， 上海大学硕士学位论文 二是增大定子磁链与转子磁链之间的夹角。而定子磁链在电动机运行过程中由于 磁链调节器的调节，其幅值变化不大，因此要靠增加定子磁链和转子磁链的夹角 来增加转矩，这就要求定子磁链正向旋转。而要想减小转矩z ，可通过减小定子 磁链和转子磁链的夹角来减小转矩，这可以通过保持定子磁链不动或使定子磁链 反转来实现。 结合上述分析，可以定义转矩调节器的输出t k 取不同值时的含义： f t k = 1 控制定子磁链正转 t k = 0 控制定子磁链不动 it k = 一l 控制定子磁链反转 三点式转矩控制器加快了转矩的调节，同时又保证输出转矩的平稳性。 2 3 6 空间电压开关表的形成 按照转矩调节器的输出t k 和磁链调节器的输出f k 取不同值