（电机与电器专业论文）基于dsp的交流电机直接转矩控制的研究.pdf

r e s e a r c ho nd i r e s tt o r q u ec o n t r o lo fi n d u e f i o nm o t o r b a s e do nd s p 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 咖嘲( d 1 陀) o f a s y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c h h a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l yi n r 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 g c o n t r o lt e c h - n i q u e ，t h i si d e ao f d t ci sn o v e l ， w h o s es i n l c n 鹏i ss i m p l e a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sd i r e c ta sw e l l d t ci sa l l e x c e l l e n ta cd 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 c p e r f o r m n e aa n dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n y o c c a s i o n su pt on o w 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 h 嘏k n - u l i n k e n v i r o n m e n tb a s e do nt h ed i r e c tt 0 r q u ec o n t r o lt h e o r y 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 er e g u l a t i n gi sc o n s i d e r e d m e m w h i l e ，t h er e s u l ti sa c c o r d i n gt ot h e a n t i c i p a t i o ni sp r o v i d e d i na d d i t i o n , d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) o f t ic o r p o r a t i o ni su s e da st h e c o r e - p r o c e s s i n gc h i po f t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m , a n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( m m ) i su s e da st h ep o w e rs w i t c hc o m p o n e n t f i n a l l y , t h ed t cs y s t e mi sr e a l i z e d w i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb yd i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r ( d s p ) k e yw o r d s ：d t c ；s v ；m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ；d s p 2 插图清单 图2 - 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 图2 - 2 定子磁链的u i 模型 图2 - 3 定子磁链的i - n 模型。 图“电压型理想逆变器 图2 5 相电压波形及所对应的开关状态l l 图2 - 6 空间电压矢量与电压状态矢量 图2 - 7 电压空间矢量与磁链空间矢量 图2 - 8 电压空间矢量对电动机转矩的影响 图2 - 9 直接转矩控制原理图 图2 一l o 六边形磁链与b 三相坐标系 图2 - 1 1 六边形磁链波形与磁链开关信号 图2 1 2 转矩两点式调节器 图2 - 1 3 磁链两点式调节器 1 1 ； 1 5 1 7 图2 - 1 4 圆形磁链直接转矩控制原理框图 图2 1 5 定子磁链区间 图3 1 直接转矩控制原理图 图3 - 2 定子电流模块 图3 - 3 转速模块 图3 - 4 电机模型 1 8 1 9 2 0 图3 - 5 三点式转矩调节器 图3 - 6 磁链幅值及扇区判定 图3 7 逆变器模型 图3 - 8 异步电机d t c 控制系统仿真框图 图3 - 9 转矩曲线 图3 - l o 转速曲线 图3 1 l 磁链波形 图3 1 2p w m 波形 3 0 3 0 3 l 3 1 3 l 图3 一1 3 逆变器输出波形。 图3 一1 4 定子电流波形 图3 1 5 转予电流波形 图3 1 6 转矩曲线 图3 一1 7 转速曲线 图3 1 8 磁链波形 。3 3 。3 3 图3 一1 9 转矩曲线 6 图3 - 2 0 转速曲线 图3 - 2 1 磁链波形 图3 - 2 2 p w m 波形 图3 - 2 3 逆变器输出波形 圈3 2 4 转矩曲线 图3 - 2 5 转速曲线 图3 2 6 磁链波形 3 4 3 5 图3 2 7 转矩曲线 图3 - 2 8 转速曲线。 图3 - 2 9 磁链波形 图4 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 器件概况图 图4 - 2 数字化控制系统硬件结构图 图4 - 3 主程序流程图 图“中断服务子程序流程图 图4 - 5 测速流程图 7 3 5 3 6 3 6 3 7 3 7 3 7 4 0 4 5 4 6 4 7 表2 1 表3 - 1 表3 - 2 列表清单 逆变器的电压状态与开关状态的对应关系 转矩调节器的输出 电压空间矢量选择表 8 1 2 独创性声明 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，也不包含为获得 盒魍王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢翮老签字眺缈妒汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆三e 些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 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 金壁王、业盍堂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 签字日期：易哆年加p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：主域 签字日期： o 年6 月知e l 电话 邮编 致谢 本文从选题到写作，都得到了导师万文斌教授的关怀与指导，导师的悉心 培养使笔者在三年的研究生求学生涯中获益非浅，在学业和综合素质等各方面 都获得了很大提高。 完稿之后导师又对本文做了多次耐心而细致的审查和修改。导师渊博的学 识，深邃的思想，治学的严谨以及为人的品格，都让学生深为敬慕，值此论文 定稿之际，对我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 万文斌教授是一位治学严谨的学者，他在学术上孜孜以求的精神，他渊博 的知识、高尚的师德、睿智的思想，丰富了我的知识；他在生活中开朗豁达的 态度，以及对学生的宽容厚爱，都将使我终生受益。 感谢实验室的同学在论文写作期间给予的大力支持。 感谢我的家人对我学业的支持。 在论文写作过程中参考了大量文献资料，在此谨向资料作者表示感谢。再 次感谢所有在这项工作中给予关怀和帮助的人! 范丽君 二零零七年四月十三e t 第一章绪论 1 1 电动机调速技术的发展概况 1 1 1 现代交流调速的发展概况 电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械的工艺要求进 行电动机转速( 或位置) 控制的自动化系统。直流电动机的调速性能好，对转 速的调节性能和对转矩的控制性能都比较理想，因此在调速领域中曾一直占主 导地位。但是，直流电动机结构中存在着换向器、电刷等器件，使其在电机容 量、转动惯量、以及维护等方面受到了限制，不能向大型化发展，更不可能在 快速性、可靠性、免维护及节能等方面提出更高的要求。 交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、牢固、成本低廉等许多优 点，以前未能得到大规模应用，主要是由于调速困难。现代科学技术的高速发 展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论等为交流电机调速提供了全 新的理论和技术。随着电力电子技术及其器件和新型微处理器的发展，出现了 利用工业控制单片机和数字信号处理器( d s p ) 进行电机控制，使该控制不但高 精度、高可靠性，而且控制更加简单、灵活、方便。可以说，自2 0 世纪8 0 年代 以来，交流调速技术已进入了一个新的时代，也就是说可以与直流调速相媲美 并逐渐取而代之占据电力传动主导地位。常见的异步电动机调速方案如下： 1 绕线式异步电动机的串级调速：在转子电路中引入一个附加电动势，其 频率和转子相电动势的频率相同，相位相同或相反。通过改变附加电动势就可 改变电动机的转速。串级调速的优点是可以将所吸收的部分转差功率回馈入电 网，使电机在低速运转时仍具有较高的效率。它的主要缺点是整个调速装置总 功率因数较低。 2 变频调速技术：变频调速技术是当今交流调速的主要方式。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，即在改变电动 机定子供电频率的同时改变电源电压，以维持磁通恒定。这种方式存在着低速 性能较差的缺点，但其在控制上较易于实现，而且在低频时还可以通过低频电 压补偿来获得性能的改善，因此在一些对于调速性能要求不高的场合还是得到 广泛的应用。其具有调速范围宽、性能好等特点，它的缺点是不能动态地调节 电动机的转矩和转速。 3 矢量控制变频调速：矢量控制变频调速是一种高效动态的调速技术，它 是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立起来的。矢量变换理论是它的理 论基础。它基于转子坐标系下电动机的数学模型，分别控制电动机的转矩电流 和励磁电流，使交流电机拥有和直流电机相类似的控制性能。和标量控制的主 要区别在于它不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位。它的缺点是因为建 立在转子坐标系下，所估测的各项参数都在不断的变化，这对它的调速性能有 一定的影响，如何提高参数估算的准确性一直是研究的热点问题。 4 直接转矩控制变频调速：直接转矩控制变频调速技术是继矢量控制技术 后交流调速领域- t l 新兴的控制技术，直接在定子坐标系下计算并控制交流电 动机的转矩和磁通，采用定子磁场定向，( 在经典直接转矩控制中) 借助于离 散的两点式控制( b a n g b a n g 控制) 产生脉宽信号，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。省去了复杂的矢量变换与电动机数 学模型的简化处理，具有动态反应迅速，结构简单，易于实现等优点，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。该方法的主要特点为： ( 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。不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化 交流电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。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于交流电动机的物理过程 能够做出直接和明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知 道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制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 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型 和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制包含有两层意思：直接控制转矩和对转矩的直接控制。 直接控制转矩是指它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转 矩直接作为被控量，强调的是转矩的直接控制效果；对转矩的直接控制是采用 直接把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，将转矩波动限制在一定的容差范 围内。控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的 实际状况。 综上所述，直接转矩控制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。控制系统的转矩响应迅速，且无超调， 是一种具有较高的静、动态性能的交流调速方法。 2 1 1 2 电力电子技术的发展 功率半导体器件一直是电机控制发展最重要的一个因素，大功率半导体器 件的发展实际上也制约着电机控制水平的发展。2 0 世纪5 0 年代末出现的晶闸管 属于半控型器件，其特点是门极可以控制导通，但是不能控制关断。7 0 年代出 现了全控型器件如g t r ( 功率晶体管) 、g t 0 ( 门极关断晶闸管) 、i g b t ( 绝缘栅 双极晶闸管) 、p o w e r m o s f e t ( 功率m o s ) ，m c t ( m o s 控制晶闸管) 等，属于全控 器件。特别是i g b t 和p o w e r m o s f e t 控制和驱动容易，使得逆变器结构紧凑，构 成简单。 8 0 年代以后大功率半导体器件又向智能化发展。智能功率模块( i p m ) 是 混合集成功率器件，它由高速、低耗的i g b t 芯片和优化的栅极驱动及保护电 路构成，可简化设计，提高系统可靠性。此外，还发展了将半导体开关器件与 其周围器件( 如续流二极管等) 构成的电路集成于一片芯片而构成的逆变器模 块( i n v e r t o rm o d u l a r ) ，以及将整流电路、逆变器电路、检测电路、保护电 路等集成于一体的功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t 。简称p i c ) 等。 1 1 3 计算机辅助技术的发展 新型控制策略的实用化得益于微处理器技术的发展。电机数字控制核心经 过了8 位通用m c u ，1 6 位通用m c u 和面向电机控制的专用m c u ，并随着微处理 技术的成熟和完善发展到目前面向电机数字化控制的高性能、高速数字信号处 理器( ( d s p ) 美国德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列和t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 等都是这 方面具代表性的产品。 许多a s i c 芯片可以封装电机控制系统中的某些特定功能，如p w m 调制器、 矢量旋转器、全功能控制器以及电机控制所需的专用保护功能等。 随着计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度越 来越快。同时，为系统设计和仿真提供的软件越来越多，如m a t l a b , s a b e r ， p s p i c e 等。m a t l a b 凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿 真环境以及丰富的算法工具箱，成为广大科研工作者有力的开发工具。控制理 论方面的一些新方法、新的控制策略都可以先通过m a t l a b 进行仿真验证，并加 以修改。 1 2 论文的研究内容 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变频调速技 术，摒弃了矢量控制中坐标变换复杂以及对电机参数依赖等缺点，控制思想新 颖，控制系统简洁明了，动、静态性能优良，得到越来越广泛的应用。本课题 将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 ) 在参考浏览大量文献资料的基础上，分析了电动机调速技术的发展概 况，以及电力电子技术和计算机辅助技术的发展状况。 2 ) 从理论上分析了直接转矩控制的原理及特点，给出了论文中直接转矩 控制系统设计方案的理论依据。 3 ) 利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块对转矩三点式调节的圆形定子磁链直 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。在仿真实验中分析了通过改变滞环宽度以及改变给 定值等重要参数对系统性能的影响。 4 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 最小系统，分析研究了直接转矩控制系统的硬件和软 件部分，采用c 语言和汇编语言混合编程方法对直接转矩控制系统软硬件设计 作更进一步研究。 i 3 论文的研究意义 随着现代工业的发展，对交流调速的要求越来越高，研究开发高性能的交 流调速装置是一项紧迫的课题，对我国国民经济的发展具有重要的意义。虽然 国内近年来在变频调速方面取得了长足的发展，但与国外相比还存在很大的差 距。 异步电机直接转矩控制变频调速技术( d t c ) 是继矢量控制技术之后发展起 来的高性能的交流变频调速技术。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、曰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， 4 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。 在科技e t 益更新的今天，控制领域也面临着一场革命，将先进控制理论和 控制方法运用于传统控制系统己经是很迫切的事情，研究高精度的交流传动控 制方案和控制系统是符合工业现代化的发展趋势，具有理论和实际意义。 第二章直接转矩控制基本原理 直接转矩控制技术基于定子两相静止参考坐标系，控制电动机的磁链和转 矩，在维持转矩在给定值附近的同时，维持定子磁链沿着给定的轨迹( 预先设 定，如六边形或近似圆形) 运动。在经典直接转矩控制结构中，采用酗曹脑培 控制器对交流电机的电磁转矩和定子磁链幅值直接进行闭环b a n g - b a n g 控制， 从而将转矩与磁链的脉动限定在预定的范围内，当实际值超过调节范围的上下 限时，b a n g b a n g 控制器就会产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。借 助空间电压矢量的分析方法，利用该数字控制量产生p 刚信号，直接对逆变器 的开关状态进行最佳控制。 2 1 异步电动机的数学模型 2 1 1 坐标变换原理 圳矧圈 倍。， 2 1 2 异步电动机口一口坐标系的数学模型 图2 1 是在口一坐标系( 正交定予坐标系) 下来描述异步电动机的，由 下列方程表示： 6 图2 - 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 虬= 墨+ 虬 0 = r j r 一妒r + j vr 虬= 玩 ”= 虬一l j , 瓦= 吉猢炸触 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中各量的意义如下： 甜。、分别为定子电压和定子电流空间矢量， 虬、悱分别为定子和转子磁链空间矢量，足为定子电阻，三为定子电 感，为转子电感，l 为转子漏感，巳为定予磁链与转子磁链之间的磁 通角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机； 而转子磁链幅值由负载决定。由式( 2 - 6 ) 可知，如果要改变异步电动机的转 矩，可以通过改变定子与转子之间的磁通角以来实现。转子磁链可以根据式 ( 2 - 3 ) 通过改变转子电流来实现，定子磁链根据式( 2 - 2 ) 与定子电压的积 分值呈一定的比例关系，可通过改变定子电压的积分值来改变定子磁链。 2 2 异步电动机的磁链模型 在直接转矩控制中，定子磁链的准确观测是起确定性作用的。对于定子磁 链的估计大体上可分为三种模型：u i 模型，i n 模型，u n 模型。根据电机 转速的不同，可采用不同的电机模型。 1 u - i 模型 定子磁链可由式 ( f ) = f ( u 。( t ) - i 。( 0 r 。) 4 7 ( 2 - 7 ) 确定，在计算过程中唯一需知的电动机参数是定子电阻置定子电压和电流 能以足够的精度检测出来，结构如图2 - 2 所示。算出定子磁链后，与测得的定 子电流就可以算出转矩。 该模型只有在被积分的差值，也就是u ( t ) 一i 。( o r 。的值较大时才能提供正 确的结果，其误差是由定子电阻足的存在引起的。由于这个原 图2 - 2 定子磁链的u - i 模型 因，u - i 模型只有在1 0 9 6 额定转速以上特别是3 0 9 6 额定转速以上时才能准确的 算出定子磁链，而且结构简单，鲁棒性强。在低速时定子电阻随温度的变化不 能忽略，因此对磁链观测的准确性有较大的影响。当定子频率接近零时，用这 种方法来确定定子磁链是不可能的，因为用做积分的定子电压和定子电阻压降 之间的差值消失了，以致在稳定情况下只有误差被积分，因此在3 0 9 6 额定转速 以上的范围采用u - i 模型，在3 0 9 6 额定转速以下范围内磁链只能根据转速来正 确计算，采用定子电流与转速来确定定子磁链的方法即i - n 模型法。 2 i - n 模型 在转速较低时可采用i - n 模型，在该模型中定子磁链由定予电流与转速 确定。由式( 2 - i ) 一( 2 - 4 ) 得： 1 。= 二r ( k 乞+ 妒。) ( 2 - $ ) 1 j r 生 工 矗：孚( 一) 一功”， ( 2 - 9 ) b 1 = ( 如乞+ 沙印) ( 2 1 0 ) lq - 丝 8 磊= 乏( 一) + 国 ( 2 - 1 1 ) 图2 - 3 所示为定子磁链的i n 模型。 与u i 模型相比，i - n 模型中不会出现定子电阻足，即不受定子电阻的 影响。但是它受转子电阻碍、漏电感、主电感l 变化的影响，它还要 求精确的测量角速度，角速度的测量误差对i n 模型的结果影响很大，因为 在i 州模型中，角速度的测量误差首先会引起转子磁链的误差，再由转子磁链 误差引起定子磁链误差，最终引起转矩误差，所以使用i n 模型时要求对转速 有比较精确的测量。 对于u - i 模型和i 娟模型的应用必须采用合理的安排，应该对于不同的转 速范围采取不同的磁链模型，一般将3 0 的额定转速定为切换点，高于3 0 额 定转速时用u - i 模型，低于3 0 额定转速时用u i 模型。 图2 - 3 定子磁链的i n 模型 3 u - n 模型 从上面可知，中高速时采用叶i 模型最佳，低速时采用i - n 模型较好，这 样在全速范围内就会有一个模型的切换过程，由于瞬间切换相当于变结构，对 整个系统的动态性能会造成较大的影响。为避免这种情况，可采用在全速范围 9 内都实用的u - n 磁链模型。 该模型由以下数学方程式得到： d 竹= 帆一炸) + 细” ( 2 一1 2 ) 虬= 虬一足 ( 2 1 3 ) u = l i , ( 2 1 4 ) ”= 虬一l f ， ( 2 1 5 ) u - n 模型的输入信号是定子电压和转速信号，由此可以获得电动机的其他 各量，也称电动机模型。引入电流p i 调节器，使得电动机模型的仿真精度大大 提高。它结合了前两种模型的优点，解决了高低速的切换问题，高速时电动机 模型实际工作在u i 模型下，低速时电动机模型实际工作在i n 模型下。但 u - n 模型实现起来比较复杂，目前用得较少。 2 3 逆变器 交流调速系统中，通过对逆变器的控制来调节电动机的转速。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。 + 岫 七七 ) 0 ) 7 写7 ；| 7 _ 图2 - 4 电压型理想逆变器 逆变器有电压型和电流型两种，直接转矩控制中通常采用的是电压型逆变器。 逆变器由六个开关组成，它的简图如图2 4 所示。由于逆变器上下两个桥臂之 间互为反向，即一个桥臂接通，另一个桥臂必断开，所以三组开关共有2 3 = g 种可能的开关组合。定义开关状态s a = l 代表a 相的上桥臂导通、下桥臂关断， s 。= o 代表a 相的上桥臂关断、下桥臂导通状态，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 b、 的八种组合，如图2 5 l o 所示。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，以达到控制要求。8 种可 能的开关状态可以分成两类，即表2 - 1 中的状态“l ”到“6 ”，它们的特点是三 相负载并不都接到相同的相位上去；另一类开关状态是零开关状态，如表2 1 中的状态“7 到“8 ”，它们的特点是三相负载都被接到相同的相位上去，当 三相负载都与“+ 极接通时，得到的状态是“1 1 1 ”，当三相负载都与“- ，极 接通时，得到的状态是“0 0 0 ”，这两种状态的负载电压都是零。对应于逆变器 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，其中有 6 种为工作电压状态，另一种为零电压状态，如表2 1 所示。 s a b 。 u 8 ( 1 ) 0 11a o 。1o 。1o o11o0 1c u 和1 u 。p 锕)u a a 盯u l ( 1 d o lu s t o )u 蜘町 图2 5 相电压波形及所对应的开关状态 表2 - 1 逆变器的电压状态与开关状态的对应关系 “雠泰零状丧 状卷 123 五5 r78 开魁i 毒s o b c 0 1 111 0 11 ( 1 n1 1 0( 1 0n ( 1 n1 1 1 电 表示一 ( 鼎)( 6 ：5 1 )( 1 宅1 )( 佑o )( )( 杆o )( 湍o )( 1 ) u ，( 0 压 麦示二 状 u 埘 u , 1u eu - ,u u 正u eu 订 鑫麦示三 u 翔 12345 67 2 4 电压空间矢量 2 4 1 电压空间矢量概念 定义电压矢量： 蚝( f ) 专阮( f ) + ( f ) 3 + 】 ( 2 - 1 6 ) 电压分量屹、 、虬 的八种组合状态可以对应计算得到八种电压矢量 虬 。将这八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 个工作电压矢量的幅值相同，相邻两个矢量之间互差6 0 。，它们周期性 的顺序出现，因此六个电压空间矢量的顶点构成一个正六边形，如图2 - 6 所 示。 u 5 ( 1 1 0 ) u z 0 1 1 ) u 一 图2 - 6 空间电压矢量与电压状态矢量 ”。险 1 0 1 0 0 1 0 1 1 图2 7 电压空间矢量与磁链空间矢量 2 4 2 电压空间矢量对定予磁链的影响 直接转矩控制关键在于控制电机的磁链和转矩，控制磁通幅值恒定以获得 良好的动态性能。电机的电磁转矩是与磁通相关的，磁通控制的优劣，对电机 的运行性能影响很大。如果磁通值太大，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；如果磁通值太小，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，在基速以内时，通常将磁通维持在额定值。 逆变器的输出电压，( f ) 直接加到异步电动机的定子上，定子磁链( f ) 与定子电压“。o ) 之间的关系由式( 2 - 7 ) 确定： y 。( f ) = l ( u 。( t ) - i 。( t ) r 。) 吐 若忽略定子电阻压降的影响，则 ( 力= 丘p m ( 2 - 1 7 ) 可见定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，如图2 - 7 所示。 帆表示定子磁链空间矢量，s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 ，s 5 ，s 6 则表示磁链空间矢量顶 点所处空间方位。当定子磁链空间矢量帆落在图2 - 7 所示位置( 其顶点在s 1 上) ，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量为“。( 1 )( 0 1 1 ) ，则根据式( 2 - 1 7 ) 定子磁链空间矢量的顶点将沿着s 1 边的轨迹，朝着电压空间矢量( 0 1 1 ) 所指方 向运动。当磁链矢量虬沿着边s 1 运动n s l 与s 2 的交点，若改为电压空间矢量 ，( 2 ) ( o o i ) 作用，则磁链空间矢量虬的顶点将会沿着边s 2 轨迹运动。同样 的情况下依次给出虬( 3 ) ( i o i ) ，砟( 4 ) ( 1 0 0 ) ，甜，( 5 )( 1 1 0 ) ，“，( 6 ) ( 0 1 0 ) 。则的顶点依次沿边s 3 ，s 4 ，s 5 ，s 6 的轨迹运动。 至此可得以下结论： ( 1 ) 定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢 量作用方向，的运动轨迹将近似平行于嵋的指向，只要定子电阻的压降 墨l 比起k ) i 足够小，这种平行关系就能锝到很好地近似。 ( 2 ) 在适当时刻依次给出定子电压空间矢量飞叫m 飞 1 ， 则定子磁链的运动轨迹将依次沿边s 】忒 s 氍硅删6 运动，形成正六边形磁链。 ( 3 ) 正六边形磁链的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹。 ( 4 ) 若合理选择电压矢量施加顺序及作用时间，可形成多边形磁链轨迹。 2 4 3 电压空间矢量对电动机转矩的影响 式( 2 - 6 ) 中电磁转矩也可以用定、转子磁链表示： 互= gk i p ，i s i n 岛 ( 2 一i s ) 其中g 为转矩系数，以为定转子磁链夹角，转矩的大小与定子磁链幅值、 转子磁链幅值和口o ) 的乘积成正比。在直接转矩控制技术中，基本控制方法就 是通过电压空间矢量“。( f ) 控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链平均旋转 速度，通过改变磁链夹角曰( f 1 的大小，实现控制电动机转矩的目的。 从到时刻，若给出的定子电压空间矢量为u 。( d = ”。( 1 1 0 ) ，则定子磁 链空间矢量虬( f 1 ) 的位置旋转到彬。( f 2 ) 的位置，其运动轨迹a ( f ) 见图2 8 ， 沿着区段s 5 ，与u 。( f ) = “，( 1 l o ) 的指向平行这个期间转子磁链的旋转情况不 直接跟随超前于它的定子磁链。转子磁链的位置变化受该期间定子频率的平均 值蛾的影响。因此在t l 到t 2 这段时间内定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转 速度，磁通角0 ( 0 加大，由o ( 6 ) 变为占( ，2 ) ，相应的转矩加大。 如果在t 2 时刻给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量( ，2 ) 保持在t 2 时刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以q 的速度旋转，则磁通 角减小，从而使转矩减小。在经典直接转矩控制中，通过转矩两点式调节来控 制电压空问矢量的工作状态和零电压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。的大小。通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩 特性。 1 4 1 0 1 s 4 0 0 1 图2 - 8 电压空间矢量对电动机转矩的影响 2 5 直接转矩控制的基本原理 2 5 1 六边形磁链直接转矩控制 直接转矩控制最初是在上世纪8 0 年代由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提 出的，传统的直接转矩控制是六边形磁链控制方案，即德国学者提出的自控制 方案。图2 - 9 为基于六边形磁链控制的直接转矩控制的基本组成框图。 us i s n 图2 - 9 直接转矩控制原理图 六边形磁链轨迹控制系统在l 6 周期中仅采用一种开关工作状态，逆变 器的开关次数少、开关频率小。它的控制电路逻辑比较简单，不需实时计算磁 链矢量的幅值和相角，只需在六边形磁链轨迹上建立坐标系。 六边形磁链直接转矩控制的简单工作过程为： 三个被测信号：电动机定子电压、定子电流和转速n ，作为整个系 统的输入量作用于电动机数学模型删，a 姗的输出是定子磁链分量、 和转矩实际值弓；、经两相三相坐标变换为、后 输入至磁链自控制单元d m c ， 再由d m c 得到磁链开关信号i 瓦、面i 、 s 虬；转矩调节器的输入是转矩给定值巧和转矩反馈值弓，其输出是转矩 开关信号，弓和乙经转矩调节器处理后得到转矩开关信号t q 。转矩给定值 墨由转速调节器a s r 获得，a s r 的输入是转速给定值和转速反馈信号 ；零状态选择单元a z s 产生零状态开关信号；磁链给定值和磁链反馈 值吩( ，由磁链幅值构成单元a m a 根据么、坳。计算得到) 由磁 链调节器avr 综合产生磁链量开关信号；开关信号选择单元a s s 综合四个输 入信号：磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号和零状态开关信号， 产生正确的电压开关信号s u , 、s 和题；电压开关信号反相后便可得到 正确的电压状态信号s u a 、s u b 、s u , 。 异步电动机的数学模型a 和两相三相坐标变换已在2 1 节中介绍，不 再赘述。 l 磁链自控制 对定子磁链进行检测，所得定子磁链向b 三相坐标系投影得到磁链的b 分 量，通过施密特触发器与磁链给定值比较，得到正确的电压状态信号，这一过 程称为“磁链自控制”过程。 磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段，且给出正确的磁链开关信 号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转。 电压空间矢量的正确选择有两个含义：一是电压空间矢量的顺序的选择： 1 6 二是各电压空间矢量的给出时刻的选择。定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于 定子电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢量的选择又取决于定子磁链空间 的运动轨迹。 根据已介绍的坐标变换原理，可从口、芦坐标系的、得到三相 坐标系的、，如图2 1 0 ，列式如下： 妒8 口2 v 8 = 一孚一圭 = 孚一三坳 aa 1 0 0 卢c 1 1 0 跫 口 t x 口as 1 名 0 1 0 图2 - 1 0 六边形磁链与1 3 三相坐标系 ( 2 - 1 9 ) 在图2 - 9 中d m c 是磁链自控制单元，其输入为定子磁链在b 三相坐标系上 的分量、，d m c 的参考比较信号是磁链给定值通过d m c 内的三个施密特触发器即滞环比较器，分别把三个磁链分量与相比较，可 得到三个磁链开关信号i 瓦、i 万、i 瓦，如图2 一1 1 所示。三个磁链开关信号 1 7 通过开关单元s 换相，得到三相电压开关信号s 虬、s 、5 q ，换相原则 是s = 眠，s = 陬，艇= 眠，s 乩、s 、雕经反相后就 得电压状态信号s 【，口、s 、s 址，由电压状态信号就可以直接去控制逆变 器，输出相应的电压空间矢量，得到所需的六边形磁链。 对比图2 1 1 及磁链开关信号与电压状态信号的对应关系，可得电压状态信 号顺序的正确选择其顺序是0 1 1 - 0 0 1 - 1 0 1 1 0 0 1 1 0 - 0 1 0 ，正好对应于六边形 磁链的六个区段：s 1 一s 2 一$ 3 - $ 4 - s 5 - $ 6 。按照0 1 1 - 0 0 1 - 1 0 1 - 1 0 0 - 1 1 0 - 0 1 0 的顺序 给出电压空间矢量，可得到按逆时针旋转的正六边形磁链轨迹。 同理，按照0 1 l 一0 1 0 1 1 0 一1 0 0 一1 0 1 - 0 0 1 的顺序给出电压空间矢量，对应于 六边形磁链的区段顺序为s 4 一s 3 一s 2 一s 卜s 6 一s 5 ，得到按顺时针旋转的正六边形 磁链轨迹。 图2 1 1 六边形磁链波形与磁链开关信号 其中是一个很重要的参考值，当磁链分量达到正的磁链给定值时，磁 链开关信号变为“0 ”态，输出适当的有效空间电压矢量，使磁链减小，当磁 1 矗 链分量达到负的磁链给定值时，磁链开关信号变为“1 ”态，输出适当的有效 空间电压矢量，使磁链增加，所以决定电压空间矢量的切换时间。至此电 压空间矢量顺序的选择和电压空间矢量给出时刻的选择都已分析解决。 2 转矩滞环调节 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即由此得 来。对电机的电磁转矩进行直接控制是直接转矩控制系统获得高动态性能的关 键。用转矩两点式调节器( 如图2 1 2 ) 可以直接实现对转矩的调节。调节器的 输入信号是转矩给定值t 和转矩反馈值乃的信号差r ，输出量是转矩开 关信号t q ，调节器的容差是士白当转矩实际值巧下降到调节器容差的下 限一唧时，调节器的输出信号变为1 态，在t q = i 的作用下，输出适当的有效 空间电压矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升，此时磁链作为对应电压的积 分，其增量是按恒定的斜率上升的。当转矩实际值l 上升到滞环调节器的上 限+ 唧时，t q 变为o 态，在t q = o 的作用下，则输出零电压矢量，定子磁链停 止不动，转矩下降。采用离散的两点式调节方式，把转矩波动限制在给定的容 差范围内，达到了转矩直接控制的目的。 图2 一1 2 转矩两点式调节器 在直接转矩控制系统的转矩调节中，转矩给定值巧通常是对由速度传感 器所测的电动机转速n 进行p i 调节所得，转矩反馈值可根据下式求得： t = 詈只( 吵。如一妒幺) ( 2 2 。) 1 9 式中：只一电动机极对数 、一定子磁链在口一坐标系的分量 0 、如一定子电流在口一坐标系的分量 由转矩两点式调节产生的转矩脉动频率，也就是由转矩调节决定的逆变器 开关频率，与岛成反比。当理想空载转速一定时，转矩容差越小，开关 频率越高。转矩的上升速度主要取决于定子磁链与转子磁链之间的角速度差， 转矩调节可使电机的输出转矩快速跟随给定值而变化，系统获得很高的动态性 能。 利用六个非零电压空间矢量控制磁链沿着六边形磁链轨迹运动，这种方法 虽然控制简单，功率器件开关次数少，开关频率低，开关损耗小，但是六边形 磁链方法会产生较大的电流脉动，因而转矩脉动也较大，故这种方法只能在某 些大功率领域( 如开关频率、开关损耗均有限制) 的场合使用。 3 磁链滞环调节 磁链调节器也是施密特触发器，对磁链幅值进行传统的两点式调节( 如图 2 1 3 ) 其容差宽度是士勺，是定子磁链幅值对于给定值所允许的波动 宽度， 磁链调节器的输入信号是磁链给定值p k 和磁链反馈值竹，输出量 图2 1 3 磁链两点式调节器 是磁链量开关信号l l ，q 当磁链实际值竹下降到调节器容差的下限一勺 时，调节器的输出信号变为1 态，在1 i ，q = 1 的作用下，输出适当的有效空间电 压矢量，使定子磁链幅值增加当磁链实际值竹上升到滞环调节器的上限值 + 气时，1 l ，q 变为0 态，在0 = 0 的作用下，断开磁链电压( 使磁链幅值增 加的电压) ，接通转矩电压，使定子磁链幅值减小，继续正向旋转。对磁链电 压的选择有两种：与磁链运动轨迹成一6 0 。和- 1 2 0 。的电压空间矢量。 2 5 2 圆形磁链直接转矩控制 圆形磁链直接转矩控制最初是由日本的t a k a h a s h i 提出的方案。近似圆形 磁链控制系统在每个坛周期中要交替多种开关工作状态，即多个工作电压矢 ，v 量，系统需要实时计算定子磁链矢量的幅值和相角，这种方法计算工作量大， 但磁链脉动量较小。根据测得的定子实际磁链与给定值的差值进行滞环比较， 当误差超出允许值时进行开关的切换，即实际定子磁链矢量的端点轨迹不能够 超出以给定磁链为中心圆的圆形偏差带。 图2 一1 4 圆形磁链直接转矩控制原理框图 0 1 1 图2 一1 5 定子磁链区间 2 1 为了便于选取电压空间矢量，将空间分成六个区域s n ，每个区域所包含 的范围为么，即( 2 n - 3 ) 繇烈) s ( 2 n 一1 ) 繇，如图2 1 5 所示，其中 n = 1 ，2 ，6 ，根据定子磁链在磁链圆中所处磁链角的变化判断磁链所处 扇区。根据定子磁链在磁链圆中处于不同的区域，综合磁链位置和磁链滞环比 较器信号及转矩滞环比较器信号由开关选择单元选定合适的空间电压矢量。旋 转速度的调节可根据需要适当插入零电压矢量加以控制。 2 6 弱磁过程中的转矩特性 在图2 - 9 的磁链自控制单元中，磁链给定值为。减小能够在弱磁 过程中加大转矩，保持弱磁过程中的高动态转矩特性。 弱磁前，磁链给定值是p ，定子磁链与转子磁链以相同的平均角速度沿 正六边形轨迹逆时针旋转。若在t 1 时刻把磁链给定值从。减小到p k ：，则逆 变器的开关状态在时刻t l 应这样改变，使得定子磁链空间矢量的顶点