（检测技术与自动化装置专业论文）交流异步电动机直接转矩控制系统研究.pdf

摘要 摘要 直接转矩控制是交流传动系统中一种新型的、具有高性能的交流调速技术， 以其新颖的控制思想，简洁的系统结构，优良的动、静态性能受到普遍关注。 但是由于其低速性能较差，目前还不能广泛应用于实际系统中。 针对这一问题，本文主要介绍了直接转矩控制的基本原理，分析了低速时 影响异步电机直接转矩控制系统性能的原因，并提出改进方法。一是划分电压 矢量为十二个区域，细化了开关状态表，改善了系统性能；二是把两点式磁链 调节器改为三点式磁链调节器，减小了定子压降对磁链的影响，为准确控制转 矩和磁链提供了一个好的基础；三是采用基于定子电压、电流和转速的u - i n 模 型，使系统在全速范围内得到较好的观测精度。在s i m m i j l l 【环境下建立异步电 机直接转矩控制调速系统进行仿真实验，并对仿真结果进行分析，从而验证了 本文所提出方法的可行性。 本系统以1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器为核心，控制智能功率模块 ( i p m ) ，从而把直流转换成交流，驱动异步电动机。系统参数由上位机通过 r s 2 3 2 接口下传给下位机，采用霍尔传感器检测电机的三相电流和电压，用光电 编码器检测速度，d s p 获得检测到的定子电流及电压信号后，完成直接转矩控 制的计算，得到6 路p w m 控制信号，经驱动隔离后控制i p m ，经逆变后控 制电动机。最终完成实际系统的建立。 关键词：异步电机；直接转矩控制；电压矢量；数字信号处理器； a b s t f a c t a b s t r a c t d 订e c tt o r q c o n 虹d li sat y p i c a lt m l i i l gt c c h i l o l o g yw i t l ll l i g hp c d o 肋a n c ei n a cd r i v es y s t e 札t h c 嘶西n a li d e a ，s i i i 】i p l es t r u c t l 鹏，懿c c l l e md y 啪i c 锄ds t ；a t i c p e m 脚m c eh a v ea 材豫c t c dm o r ca 舵嘶h o 唧t h e 耐o n n 锄c co fd i r e c t t o r q u ec o m m ls y s t 锄i so u to f 咖d i t i o nm l o ws p e e d ，w k c h 啪n o tb ea p p l i e dt o t h ep r a c t i c a ls y s 衄n s 、】i ，i d d y a i m i i l ga tt h ep r o b l e h l t l l e 如l a n l e m a lp r i i l c i p l eo fd i r 。c tt o r q u ec o n t r o li s i n 岫d d l l c e d ，也e 站a s o nt op o 凹p c r f b m 觚c ei nl o ws p e e di s 雏a l y d ，柚da n i m p v o dm 烈h o d i sb r o u g h t f i r s t f h ev o l t a g ev e c t o ri sd i v i d c dt ot w e l v ea 嬲，a l l d t h es w i t c hs t a _ t ct a _ b l ci sz 0 删n e d w h i c hi m p r o v e ss y s t 锄p e r f b n 啪c e s e c o n d t l l e 咖1 p o i n tf l u xa 面u s 6 既i s 代p l e db yt l l et 量l r e e - p o i n tf h a d j l l s t e r w 坷c hm i l l i s h e s t h ei n n u e n c eo ft i l es t a _ t o r 、，o l t a g et on u xa l l ds u p p l i af i r 峙b 嬲i cf o rc o n t r o l l i n gt h e 锄q l l e 柚d n 慨黜t l y t l l i 】曲a n e w n 慨o b s e r v e r b a s e do n v o l t a 喀e ，c 硼c 】吡“s t a = 的r 锄ds p c c di sa d o 雎远w l l i c hm a l 【e st h es y s t c mt or e c e i v cb c t c e rp r c c i s i o no f o b s e “砒i o n t h es i 舢l a t i o ne ) 【p e r i m e n ti si i l a d et ob l l i l dm ea s y n c h r o n o u sm o t o r t i n l i n gs y s t e mb 鹪e do nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ii nt h ec o i l d i t i o no f t l l es i m u l i n k ，a n dt h e 删l 招a r c 柚a l y z e dw h j c hp r o v et i l ef c a s i b i l 酊o f t h ei m p r o v e dm e m o di nt l l ep a p 盱 1 1 圮k e m e lo f t h ew h o l es ) r s t c mi st 1 1 ed s po f n “s 3 2 0 l f ”0 7 a ，w k c hc o n t r o l s i p ma n d 咖s f o 肌sd i r e c tc u r r e n tt oa l t e m a 石n gc l l r r c n tt od r i v e 硒y n c h d n o l l sm o t o r t h es y s t c mp a r 锄e t e 瑙a m 昀| l s f c 小姐散啦印i g y l l sm a c h i 鹏t 0h y p o g y i l o i l s m h i mb ym ei n f e 疵c eo fr s 2 3 2 t h et h l e c p h a c u r r e n t sa i l dv o l t a g e so fm e g 呲0 ra d c t c c t e db yi l a l l n s o 隅a n dm es p e e di sd e t e c t e db yp h o t c l c l e c m cc o d e r 锄龇s i g n a l sa r co b t a i n e db ym ed s pt 0c o 唧l 咖龇c a l c u l a t i o no f 恤d t c a l g 硎t i 吼1 ks i xp w ms i g n a l sa r e 鲥n 甜t oc o n ln l ei p ma f t e rb yi n s m a t i o n ， 锄dc o n t r o lt l l em o t o ra f i e rb yi i l v e r s i o n f i i l a l l y ，t l l ep r a c t i c a ls y s t e mi sb l i i nb yt t l e a ：b o v es t e p s k e yw o r d s ：鹪y n c l r o i l o u sm o t o r ； d i r e c tt o q u ec o n t r o l ； v o l t a g ev e c t o r ； d i g “a is i g n a lp r o c e s s o r h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：吾炙 1 叼年弓月 j 日 两一黼论更无薷签字j _ 。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：要乏 l 。印年弓月1 日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 直接转矩控制技术的研究意义 自1 8 8 5 年交流异步电动机问世以来，由于其结构简单、运行可靠、维护方 便，适用于恶劣环境等优点，受到广泛关注。但是，交流异步电动机是一个多 变量、非线性、强耦合的复杂系统，控制起来非常困难。因此，在传统的变速 传动领域中，直流调速一直占主导地位。 直到二十世纪七十年代矢量控制理论提出以后，交流调速技术得到长足发 展所谓矢量控制，就是将交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换实 现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解耦，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。 尽管矢量控制从理论上可以使交流传动系统的动态特性得到改善，但是在 矢量解耦时需要用到电机参数。在电机运行过程中，随着电机温度的升高和磁 路的饱和，这些参数可能在大范围内变化。而使用不精确的参数则难以实现动 态过程的完全解耦，为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数的补偿算 法和在线辨识，这些算法使得系统复杂化。并且由于矢量旋转交换的复杂性， 使得实际的控制效果很难达到理论分析的结构，这是矢量控制技术在实践上的 不足之处。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e 口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( d i r e c tt o r q u ec o n 仃o l d t c ) 。它是在空间矢量调速理论基 础之上发展起来的，与空闻矢量控制相比，其主要优点是：在定子坐标系下对 电机进行控制，摒弃了空间矢量控制中的解耦思想，直接控制电机的磁链和转 矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电机中不易确定的参数 ( 转子电阻1 。由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所 以使得磁链的估算更容易、更精确，受电机参数变化的影响也更小。此外，直 接转矩控制通过直接输出转矩和定子磁链的偏差来确定电压矢量，与以前的调 速理论相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。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。 第l 章引言 1 2 直接转矩控制技术的研究现状及发展方向 传统的直接转矩控制采用两点式控制，功率管的开关由转矩和磁链的计算 值和给定值比较确定，因此开关频率随转速和滞环宽度变化而变化带来了开关 噪声，另外产生的转矩脉动也较大。g h 舭c l c r 在文献【l 】中引入空间矢量调制的 概念，将控制过程分为稳态、转矩磁链暂态两部分，针对不同的过程分别控制。 j 咖k 艮m g 在文献【6 】中提出了一种求转矩变化量的最小值的方法，在每个采 样周期根据转矩误差计算出开关时间，这样可减小转矩的脉动实现恒开关频率。 在实际的反馈控制交流调速系统中，速度传感器的使用不但增加了系统的 成本，而且降低了系统的可靠性。因此无速度传感器控制系统便成为交流传动 中一个热门研究方向。文献川、【8 】采用模型参考自适应算法辨识转速，而文献 【9 】、【1 0 】、【l l 】采用神经网络算法根据电流、电压等物理量辨识转速。 近年来，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、神 经网络和模糊神经网络的直接转矩控制系统，增强了系统的鲁棒性。文献【2 】根 据d 1 r c 具有坐标交换运算量小和受电机参数变化影响小的特点，将模糊控制和 无速度传感器相结合使系统性能进一步提高并增强了实用性。文献【3 】提出一种 模糊控制定子磁链角转化方法，在保持系统优良性能的前提下，大大减少模糊 规则数量，提高系统响应速度为有效减小低速时定子电阻变化引起的磁链观 测误差，又设计了一个模糊电阻观测器，在线观测定子电阻值的变化，提高了 系统的低速性能。文献【4 】介绍了一种基于模糊控制理论的p l 模糊控制器，作为 直接转矩控制系统的速度调节器，论证了模糊控制器优于传统的p i 调节器。文 献【2 7 】采用基于模糊控制技术的转子电阻估计器来估计转子电阻，改善了转矩控 制系统的性能。文献【5 】认为直接转矩控制的关键部件是状态选择器，用神经网 络来模拟传统异步电动机d t c 系统的状态选择器，并采用遗传算法训练该神经 网络，然后用训练好的神经网络代替状态选择器。文献【2 6 】把神经辨识和非线形 控制器应用到线性异步电动机上，通过实验证明了该方案能够排除干扰，并确 保轨迹误差为零。 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) 是人们改进直接转矩控制系统最主 要的理论依据；高性能的数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i 印a 1p r o c e s s o r ) 和众多 新型电力电子器件的出现，则为改进直接转矩控制系统提供了强大的物质基础。 2 第l 章引言 由于高性能传动系统大多要求在多个电机和传动装置之间协调并精确运动，因 此导致现在的运动控制技术越来越复杂。使用d s p 最明显的优点在于提高了系统 的可靠性，并降低了整个系统的成本，另外，利用诸如d s p 能直接产生p w m 的 软件技术，可明显降低由电磁干扰引起的噪声。文献【1 8 】采用t m s 3 2 0 c 2 4 0 作为 控制器来控制电机运动。就目前来说，众多国内外学者一般选择1 r i 公司的 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为电机控制系统的核心。文献【1 9 】和【2 0 】都提出了一种基于 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 直接转矩控制系统全数字化的实现方法，它们所设计的系统硬件 简单、实时性好，系统结构紧凑，表现出良好的动态和静态性能。现在许多学 者又将智能控制技术运用到基于d s p 的电机控制系统中，极大地提高了控制系统 的性能指标。文献【2 1 】采用模糊控制状态选择器代替传统的状态选择器，使定子 磁链、电磁转矩的观测精确。文献【2 2 】采用转矩模糊控制器进行设计，使其调速 精度提高。文献【2 3 】研究无速度传感器调速系统，采用1 m s 3 2 0 f 2 4 0 实现d f c 系 统中的转速辨识。根据电机转子磁链误差，调整迭代时转速的增量。实现转速辨 识的目的。实验结果表明系统具有较好的控制特性。 目前，人们对直接转矩控制系统的研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多种选择方案。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。因此追求整体性能最优将成为今后 直接转矩控制的主要研究方向。直接转矩控制将向以下几个方向发展： ( 1 ) 现代控制技术的实用化 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性得以提 高。功能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，如最近研究十分活跃的模糊控制、神经网络控制、模 糊神经网络控制、非线性控制等。 ( 2 ) 控制手段的全数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于全数字化，对处理的实时性、快速性要 求很高，d s p 正是能满足这种需求的芯片，它快速高效地实现复杂的控制规律， 同时便于故障监视、诊断和保护，增强系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 ( 3 ) 无速度传感器的控制系统 第l 章引言 无速度传感器用于矢量控制、直接转矩控制已有产品，如a b b 公司的 a c s 6 0 0 系列、三菱公司的s a m c o i 系列、日立公司的s j 3 0 0 系列，但这些产 品调速范匿d 较小，性能有待于进一步改善。 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高的调速范围。 ( 4 ) 应用于同步电机的控制 直接转矩控制的传统领域是异步电机的交流调速，现在人们也尝试将其应 用在直流无刷电机和永磁同步电机的调速中【1 。1 现代控制理论与经典控制算法的进一步结合成为交流电机控制算法发展的 一种趋势。现在人们正致力于改善低速性能、发展鲁棒控制策略。直接转矩控 制性能的提高，应用领域的扩展，都必将使其在今后的传动领域中拥有更加光 明的前景。 1 3 本论文的主要工作 本文在广泛深入了解国内外异步电机直接转矩控制系统研究状况的基础上 割析了直接转矩控制低速性能差的原因，主要做了以下几个方面工作。 1 详细阐述了直接转矩控制算法的原理、直接转矩控制调速系统各部分结 构，并在m a t l a b s i m i l l i n k 环境下搭建出基于直接转矩控制的交流异步电动机调 速系统模型。 2 分析了直接转矩控制低速性能差的原因，并提出解决方案。 3 基于m 甜a b s i 枷l i l l i c 环境进行仿真实验，实验结果证明了该方案在低速 时系统性能良好。 4 由于直接转矩控制需要对电机实时控制，故采用n 公司专有的电机控制 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，设计了直接转矩控制系统的软、硬件部分对系统软件 部分在c c s 环境下编程，对硬件电路利用p m t e l 进行p c b 板设计，制板成形后 调试整个系统，建立了基于d s p 的异步电机直接转矩控制系统。 1 4 本章小结 基于d s p 的异步电机直接转矩控制系统是数字化电机调速系统，涉及到电 4 第1 章引言 机、电力电子、自动化、计算机控制和数字信号处理等多门学科，具有一定的 理论意义和实用价值。本章主要讨论了直接转矩控制技术的研究意义、研究现 状及发展方向，为课题研究的开展奠定了坚实的理论基础。 第2 章直接转矩控制调速原理 2 - 1 概述 第2 章直接转矩控制调速原理 直接转矩控制系统又称d t c 系统，是继矢量变换技术之后发展起来的另一 种高动态性能的异步电动机变频调速系统。它用空间矢量的分析方法，直接在 定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向。借助于离散 的两点式( b 粗g b a i l g 控制) 产生p w m 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刚。 直接转矩控制弥补了矢量控制的不足，它避免了复杂的坐标变换，减少了 对电机参数的依赖性，以其新颖的控制思想，优良的动静态性能备受人们的青 睐，得到迅速的发展。 直接转矩控制的特点有： ( 1 ) 直接转矩控制是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。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、 转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的 数学模型，省掉了矢量旋转交换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号 处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程做出 直接和明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就 可以把它测出来，大大减少了矢量控制技术中控制性能容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 和控制各物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转 矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一 定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。 2 - 2 直接转矩控制技术的基本原理 6 第2 章直接转矩控制调速原理 直接转矩控制系统是建立在静止坐标系下的，首先电机定子相电压和相电 流反馈值经3 2 坐标变换，得到口一坐标下的分量，再按照电机的磁链和转矩 模型计算出实际转矩z 和磁链的两个分量、y ，这样就得到了磁链幅值y ， 和磁链位置目。将转速调节器输出的给定转矩r 和实际转矩z 送入转矩调节器， 得到转矩控制信号。磁链调节器根据磁链幅值妒。和给定幅值输出磁链控制 信号，d 。通常电压状态的选择是通过状态表的方法实现的。即根据磁链、转矩 控制信号和磁链位置，查表输出逆变器的开关状态，控制其输出电压。直接转 矩控制系统的结构如图2 1 所示 图2 1 直接转矩控制系统结构图 从图中可以看到，d t c 控制系统主要由以下几部分组成： 1 电机模型 电流电压反馈按照电机模型，计算出电机的转矩、磁链。 2 磁链位置检测单元 电压状态的选择不仅依靠转矩和磁链信号，而且和磁链所在区段有关。这 一单元根据磁链的口和口分量，判断磁链的位置。 3 磁链调节器 为了控制磁链在给定值的附近变化，d t c 采用两点式控制，输出磁链控制 信号。 7 第2 章直接转矩控制调速原理 4 转矩调节器 实现对转矩的直接控制。 5 。转速调节器 给定转速和反馈转速的差值经p i 调节器输出转矩给定，实现对转速的控制。 在不考虑速度环的时候，转矩给定也可直接给出。 6 电压状态选择单元 根据磁链、转矩和磁链位置，输出合适的电压状态，控制电机正确运行。 2 2 1 定子坐标下异步电机的数学模型 交流电动机是交流传动系统中的主要环节，其静态和动态特性及控制技术 远比直流电机复杂。由于异步电机是一个高阶、非线形、强耦合的被控对象， 建立一个适当的异步电机数学模型是研究交流传动系统动静态特性及其控制技 术的基础。按惯例在建立其数学模型时做以下假设： ( 1 ) 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和的影响，各绕组的自感和互感都是线形的； ( 3 ) 忽略铁芯损耗； ( 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机绕组电阻的影响。 根据电机学理论，在三相对称a 、b 、c 坐标系中，异步电机的数学模型为 复杂的时变方程，经过三相两相坐标变换，可将它转换为两相垂直的口、坐 标系中的时不变方程。图2 2 所示为三相坐标系与两相坐标系的关系。 c 图2 ，2a 、b 、c 、三相坐标系与口多坐标系的关系 直接转矩控制以定子磁链定向，建立在静止口一坐标系上，图2 3 是异步 8 第2 章直接转矩控制调速原理 电动机的等效电路。 一 图2 3 异步电动机等效电路 图中各物理量的意义如下： 甜，( f ) 定子电压空间矢量； ( r ) 定子电流空间矢量； ( f ) 转子电流空间矢量； 虬( ，) 定子磁链空间矢量； ”( f ) 转子磁链空间矢量； 从图2 3 中可知，为产生定子总磁链眈，折算到定子侧的磁化电流为 屯= 一 ( 2 1 ) 由于鼠笼型异步电动机转子是短路的，所以在定子坐标系下的电压方程为： “，= r ，+ 缈， ( 2 2 a ) o = “，= 耳一；c ，+ 啡少， ( 2 2 b ) 定转子磁链方程为： 定子旋转磁场提供功率为： 儿= 三j 。 i ，r = l ；，s l 乒r 9 ( 2 3 a ) ( 2 3 b ) 第2 章壹接转矩控制调速原理 p = ，乃= ( 1 | f ，。+ 妒印钿) ( 2 4 ) 式中q 为定子旋转磁场的频率。 电机电磁转矩： 乃= 三( y 。i 班一矿垆k ) ( 2 5 ) 用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变为另一种形式。由式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 得到 乃2 云妒m 一m 2 云褂阮陋口 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 表明电机转矩是定子磁链与转子磁链的交叉乘积。由此可见在磁 链幅值不变的条件下，改变磁链之间的角度就可以改变电机的转矩。 电机的运动方程为 乃：瓦+ ! 鱼当 ( 2 7 ) p 口l 式中：死一电机的负载转矩；p 一电机的极对数；，一电机的转动惯量。 公式( 2 1 ) 到( 2 7 ，是电机在静止坐标系下的基本方程，是分析讨论直 接转矩控制策略的基础 2 2 2 电压空间矢量 1 空间矢量p w m 逆变器 交流调速系统中，一个很重要的部件是逆变器，通过对逆变器的控制来调 节电机的转速。逆变器有电压型和电流型两种，直接转矩控制系统中通常采用 的是电压型逆变器，如图2 4 所示，由三组( s a ，s b ，s c ) 六个开关组成。每 一组的上下两个管子的开关状态互反，这样逆变器共有八种开关组合。对每一 组来说，当上面的管子导通时设s = l ，反之下面的管子导通时，s = o 。例如， s a b 萨1 l o 表明a 相和b 相的上管子及c 相的下管子导通。其中同一桥臂上的上、 下两个开关元件在任何一个时刻总是一个断开、一个闭合。 l o 第2 章直接转矩控制调速原理 图2 4 电压型逆变器 a b c 八种开关状态可以分成两类：一类是六种所谓的工作状态，它们的特点是 三相负载并不都接到相同的电位上去，如表2 1 中的状态l 6 ：另一类是零开 关状态，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上去，如表2 i 中的状态7 和8 。 表2 1 逆变器的开关状态 工作状态零状态 l23 4 56 7 8 开s aoo11loo1 关s blooollol 组 s c1lloooo1 当引入空间矢量概念后，各电压状态和次序就有了空间的意义。 在对异步电机控制时，需要对a b c 三相进行分析和控制，为此引入p 盯k 变换。p a r k 变换是将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 二维) 。选三相定子坐 标系的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴口重合，则其三相物理量x ( t ) 为： r ( f ) = 吾k 。( f ) + j a x 。o ) + p 2 k ( f ) 】 ( 2 8 ) 式中，p 为复系数，称为旋转因子，p = p 胁”。 对图2 3 所示的逆变器来说，其输出电压空间矢量甜，( t ) 的p a r k 矢量变换表 达式应为： 第2 章直接转矩控制调速原理 r 甜，( f ) = 詈b + d b + p 2 甜cj ( 2 9 ) j 其中，蝴、”。、分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。 逆变器的输出电压甜。( f ) 直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为 材，( f ) 。定子磁链虬( f ) 与定子电压”，( ，) 之间的关系为： 虬( ，) = i p ，击= i ( “，( f ) 一j j ( f ) e ) 出 ( 2 1 0 ) 若忽略定子电阻压降的影响，则： 缈，o ) i 甜，( f ) d ( 2 1 1 ) 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。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的方向，虬( ，) 的 运动轨迹平行于甜，( r ) 指示的方向。只要定子电阻压降k ( ，) i r ，比起k ( 叫足够小， 那么这种平行就能得到很好的近似。施加零电压矢量，磁链停在原位不动。 如图2 5 所示，按照u 1 ，u 2 ，u 6 的顺序循环一周后，形成六边形 磁链六边形的六条边代表着磁链空间矢量虬( f ) 一个运动周期，每条边代表一 个周期的1 6 ，称为区段。如果合理地选择非零矢量的施加顺序及作用时间比例， 可以形成多边形磁链。 图2 5 电压空间矢量 第2 章直接转矩控制调速原理 直接控制逆变器的六种工作电压，得到电机的六边形或圆形磁场，这就是 d 1 的基本控制方法。 2 电压矢量对电机转矩的影响 由式( 2 6 ) 可知电机的转矩和定转子磁链及它们的夹角有关。在直接转矩 控制中为了充分利用电机铁心，保持定子总磁链不变，而转子磁链由负载决定， 就要改变转矩，而这可以通过改变磁通角口实现。电机运行时，转子磁场旋转的 速度和定子磁场旋转的平均速度有关，在某一瞬间，定子磁场速度变化时，转 子磁场旋转速度不变。施加与定子磁链方向一致的电压矢量，则其旋转速度加 快，与转子磁链之间的磁通角变大，输出转矩提高。为了减小转矩，逆变器输 出零电压矢量，定子磁链的空问位置不变，而转子磁链继续旋转，两者之间的 角度变小这样通过控制磁链的走走停停，达到了转矩控制的目的。 2 2 3 磁链控制 异步电机直接转矩控制的原理是必须控制磁通幅值恒定以获得良好的动态 性能。因为如果磁通值太大，磁路就会饱和，使得电流急剧上升，定转予电感 及其互感降低，漏感增加，电机的运行条件恶化，使得动态性能变坏。如果磁 通值太小，将会导致电机输出转矩允许值减小，使得电机的效率降低。所以， 对磁链的控制是非常重要的。 磁链控制环节的任务是判断磁链所在的区域，且给出正确的开关信号，以 产生相应的电压空间矢量。当异步电机的励磁电流是一个常数时，电机的电磁 转矩是与其磁通相关的。可以通过控制电机的输入电压来控制异步电机的定子 磁链。在逆变器开关模式不变时，定予电压矢量不变，这时对异步电机采用非 零电压矢量，则_ ；c ，。的运动方向和幅值将发生变化，而采用零电压矢量，则虬的 运动将受到限制。 利用六个非零电压空间矢量控制磁链走出六边形磁链轨迹，这种方法控制 简单，功率器件开关次数少，开关损耗小。但是六边形磁链方法会产生较大的 电流脉动，而转矩脉动也较大。为了减少转矩脉动，很自然地想到改六边形磁 链轨迹为圆形轨迹。由于异步电动机在三相对称正弦电压供电时，定子磁链为 圆形，因此，可以通过合理地选择非零电压空间矢量及零电压矢量控制逆变器 的开关状态按一定的规律变化，这样就能获得幅值不变而又旋转的圆形磁链轨 第2 章直接转矩控制调速原理 迹。但是，由于逆变器的电压空间矢量是离散的，加之开关频率的限制，控制 时只能是在一定容差范围内使定子磁链逼近圆形 为了准确地确定某一瞬时定子磁链的空间位置，把原六边形的磁链轨迹， 按照六个非零电压矢量的作用方向，分为六个区域，每个区域占万3 电角度， 分别标以0 i 、e i l 、0 、0 、o v 和0 ，如图2 6 所示。0 角的选择见表2 2 u s 图2 6 具有容差限的圆形磁链轨迹 表2 20 角的划分 ) 9 o io u 0 i 角度 霄耳嚣a 牡牡 范围 266662 0 0 0 v 0 角度 石5 万 竺二石& 一万一旦 5 万万 范围2666一i “一i 在图2 6 中，有三个圆圈，虚线圆圈表示定子磁链幅值的给定值，用i 以i 表 示，两个实线圆圈表示定子磁链幅值的实际值，用i j 表示，它们的半径之差 1 4 第2 章直接转矩控制调速原理 妒。i 为允许误差。从图中可看出通过适当选择电压空间矢量，就可使定子磁链 矢量的幅值只在给定l _ 5 c ，：l 和允许的偏差阮i 2 的范围内变化，即： i 缈：l l 妒1 ，2 l 少。i l ：i + i 。i 2 ( 2 1 2 ) 对于圆形磁链，定子磁链模值为： i 矿。i = ( y m ) 2 + ( 矿妒) 2 ( 2 1 3 ) 在电机旋转过程中，每一阶段具体加什么电压空间矢量，不但要根据磁链 偏差的大小，同时要考虑磁链的方向 例如，当定子磁链i 虬i 位于oi 区域，如果要求定子磁链逆时针旋转时，分 别选择电压空间矢量u 。( 1 l o ) 和u 。( 1 0 0 ) ，就能控制阮i 满足式( 2 - 1 2 ) 的关系 从图2 5 看出，当电压空间矢量u 。( 1 l o ) 的作用使定子磁链阮i 到达下限 p ：i i 虬i 2 时，采用滞环控制把逆变器切换为u 。( 1 0 0 ) 状态，定子磁链1 l 将沿 电压空间矢量u ，( 1 0 0 ) 的方向移动，直到幅值达到上限l i i f ，：l + p ，i 2 为止，之后 再进行逆变器工作状态的切换，只要定子磁链l y 。l 不出ei ，则反复施加电压空 间矢量u 。( 1 l o ) 和u 。( 1 0 0 ) 。但是，当定子磁链l 虬i 进入o i i 后，则需让逆变器反 复工作在u 。( 0 1 0 ) 和u 。( 1 1 0 ) 状态，才能满足式( 2 1 2 ) 的要求。其他各区域的情 况以此类推。 为了实现对上述定子磁链的控制，需采用图2 7 的滞环控制技术。将测得 的妒和给定值y ：之间的偏差进行滞环比较，当误差超过允许值时，就进行电压 切换，使误差减小。 第2 章直接转矩控制调速原理 jl l 土 r 川 i i 一k l ，20a k l ，2 图2 7 磁链滞环控制 当i y ：i 1 ，l l 虬i 2 时：，= l ，选择电压空间矢量使得l 。l 增加； 当i 以| - l f ，s - 阮i ，2 时：，= o ，选择电压空间矢量使得i 州减小l 当炒：l 一矿。l l 妒。i 2 时：b ，不变。 以上的分析是建立在电机逆时针旋转的条件下，顺时针分析过程是一样的， 只是选择的电压不同。总之。用滞环控制来实现对定子磁链的限幅控制，就能 获得近似圆形旋转的定子磁链轨迹。 2 2 4 转矩控制 转矩控制是通过转矩调节器实现的，它的结构和磁链调节器类似，是双滞 环结构，如图2 8 所示。在正常情况下控制转矩在( z ，z + 4 r ) 之间变化，调节 器输出控制信号为o 或1 ，若转矩小于伍一4 r ) ，调节器输出一l ，要求迅速减 小磁链。通过选择加速电压矢量、零电压矢量、反向电压矢量，就可以控制转 l 1 e - = 尺 矗t ，： 7 下q _ 一 一 ， 一 卜 - t tr - l 2 8 转矩调节器 1 6 第2 章直接转矩控制调速原理 t t 图2 9 转矩控制原理 矩在给定值附近波动。图2 9 表明了在控制过程中转矩的波动情况和电压的控 制作用。 2 2 5 开关向量表 考虑在不同区段电压对磁链和转矩的作用，将磁链控制信号、转矩控制信 号及磁链所处的区段和应该选择的控制电压，制成如表2 3 和2 4 所示的开关 状态选择表。 表2 3 定子磁通逆时针转时的开关向量表 逆时针 e101 10i e 9v b 增加磁增加转矩( 1 ) l o o1 l o0 1 00 l lo o l1 0 1 通( 1 )减少转矩( 0 )o o o 1 1 10 0 01 1 l0 0 01 1 1 减少磁增加转矩( 1 ) 1 1 00 1 0 0 1 10 0 11 0 ll o o 通( 0 ) 减少转矩( 0 ) l l l0 0 0l l l0 0 0l l l 0 0 0 表2 4 定子磁通顺时针转时的开关向量表 顺时针 oio i ie 10 o v o 增加磁增加转矩( 1 ) o o o1 1 10 0 01 1 lo o o1 1 1 通( 1 )减少转矩( o )0 0 l1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 00 1 1 减少磁增加转矩( 1 )l “o o o1 1 l0 0 01 1 i 0 0 0 通( o )减少转矩( o )0 l lo o l1 0 11 0 0 1 1 0o l o 在控制系统中，将上表存入存储器中，状态选择单元根据控制信号查表， 第2 章直接转矩控制调速原理 控制逆变器输出电压。 2 3 直接转矩控制低速性能分析 目前，国内外众多学者对直接转矩控制系统做了大量的研究，有力地推动 了直接转矩控制技术在交流传动中的应用。就该控制方法而言，由于直接将电 机瞬时转矩作为状态变量加以反馈调节，转矩的估算仅在定子侧展开，并且对 逆变器的控制采用空间矢量p w m 策略，直接由控制信号得到逆变器开关状态 这不仅使电机处于合理运行状态、易于弱磁，而且使转矩快速响应成为可能， 因此d t c 被公认为可使感应电动机达到高性能的新途径。从理论上看，它确有 矢量控制所不及的转子参数鲁棒性和结构上的简单性，然而在技术实现时它往 往很难体现出优越性来f 1 6 1 。比如，d t c 系统难以获得如矢量控制那样良好的低 速性能，因而无法达到如矢量控制调速系统那样宽广的调速范围。其根源主要 在于低速转矩控制特性交差稳态转矩脉动的存在，带负载能力的下降和磁 链波形畸变等问题。正是这一因素制约了d t c 方法进入实用化的进程。因此， 本节主要针对d t c 系统的低速性能进行分析，找出导致系统低速性能差的根本 原因，并提出改进的方法。 2 。3 1 直接转矩控制低速性能差的原因 l ，定子电阻的影响 由式( 2 i 1 ) 可知，直接转矩控制定子磁链儿( f ) 与定子电压虬( f ) 之间的关 系如下所示： ，( f ) = p ，办= ( 蚝( f ) 一( f ) r ) d ￥ ( 2 1 4 ) 此模型只用到了一个电机参数定子电阻，由于电机的定子电阻易于测 量，为计算简便，通常忽略定子电阻压降，则定子磁链仅随定子电压的变化而 变化，但这种简化只能在转速较高时采用，因为此时定子电压远大于定子电阻 压降，忽略定子电阻压降。对磁链的影响不大。当转速降低，定子电压降落于 定子电阻上的分量会增大。此时若忽略定子电阻压降，则磁链幅角、幅值与真 实值的偏差会越来越大，这是因为磁链的估算为开环积分型，一旦有误差，则 无法衰减，只能依次叠加，将会严重影响系统性能f 1 4 1 。 1 8 第2 章直接转矩控制调速原理 t t 图2 9 转矩控制原理 矩在给定值附近波动。图2 9 表明了在控制过程中转矩的波动情况和电压的控 制作用。 2 2 5 开关向量表 考虑在不同区段电压对磁链和转矩的作用，将磁链控制信号、转矩控制信 号及磁链所处的区段和应该选择的控制电压，制成如表2 3 和2 4 所示的开关 状态选择表。 表2 3 定子磁通逆时针转时的开关向量表 逆时针 e101 10i e 9v b 增加磁增加转矩( 1 ) l o o1 l o0 1 00 l lo o l1 0 1 通( 1 )减少转矩( 0 )o o o 1 1 10 0 01 1 l0 0 01 1 1 减少磁增加转矩( 1 ) 1 1 00 1 0 0 1 10 0 11 0 ll o o 通( 0 ) 减少转矩( 0 ) l l l0 0 0l l l0 0 0l l l 0 0 0 表2 4 定子磁通顺时针转时的开关向量表 顺时针 oio i ie 10 o v o 增加磁增加转矩( 1 ) o o o1 1 10 0 01 1 lo o o1 1 1 通( 1 )减少转矩( o )0 0 l1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 00 1 1 减少磁增加转矩( 1 )l “o o o1 1 l0 0 01 1 i 0 0 0 通( o )减少转矩( o )0 l lo o l1 0 11 0 0 1 1 0o l o 在控制系统中，将上表存入存储器中，状态选择单元根据控制信号查表， 第2 章直接转矩控制调速原理 控制逆变器输出电压。 2 3 直接转矩控制低速性能分析 目前，国内外众多学者对直接转矩控制系统做了大量的研究，有力地推动 了直接转矩控制技术在交流传动中的应用。就该控制方法而言，由于直接将电 机瞬时转矩作为状态变量加以反馈调节，转矩的估算仅在定子侧展开，并且对 逆变器的控制采用空间矢量p w m 策略，直接由控制信号得到逆变器开关状态 这不仅使电机处于合理运行状态、易于弱磁，而且使转矩快速响应成为可能， 因此d t c 被公认为可使感应电动机达到高性能的新途径。从理论上看，它确有 矢量控制所不及的转子参数鲁棒性和结构上的简单性，然而在技术实现时它往 往很难体现出优越性来f 1 6 1 。比如，d t c 系统难以获得如矢量控制那样良好的低 速性能，因而无法达到如矢量控制调速系统那样宽广的调速范围。其根源主要 在于低速转矩控制特性交差稳态转矩脉动的存在，带负载能力的下降和磁 链波形畸变等问题。正是这一因素制约了d t c 方法进入实用化的进程。因此， 本节主要针对d t c 系统的低速性能进行分析，找出导致系统低速性能差的根本 原因，并提出改进的方法。 2 。3 1 直接转矩控制低速性能差的原因 l ，定子电阻的影响 由式( 2 i 1 ) 可知，直接转矩控制定子磁链儿( f ) 与定子电压虬( f ) 之间的关 系如下所示： ，( f ) = p ，办= ( 蚝( f ) 一( f ) r ) d ￥ ( 2 1 4 ) 此模型只用到了一个电机参数定子电阻，由于电机的定子电阻易于测 量，为计算简便，通常忽略定子电阻压降，则定子磁链仅随定子电压的变化而 变化，但这种简化只能在转速较高时采用，因为此时定子电压远大于定子电阻 压降，忽略定子电阻压降。对磁链的影响不大。当转速降低，定子电压降落于 定子电阻上的分量会增大。此时若忽略定子电阻压降，则磁链幅角、幅值与真 实值的偏差会越来越大，这是因为磁链的估算为开环积分型，一旦有误差，则 无法衰减，只能依次叠加，将会严重影响系统性能f 1 4 1 。 1 8 第2 章直接转矩控制调速原理 电机的电磁转矩可表示为 z = 虬x ( 2 1 5 ) 因为定子磁链与定子电流为相同角频率下在空间旋转的矢