（电机与电器专业论文）基于dsp直接转矩控制的异步电机系统的设计.pdf

基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 d e s i g no ft h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do nd s p a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sa na n o t h e rh i g hp e r f o r m a n c ea cs e r v o - c o n t r o l m e t h o da f t e rt h ev e c t o rc o n t r 0 1 t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o la t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n d u et oi t sd i r e c tc o n t r o lm e t h o d ，r a p i dr e p o n s es y s t e m ，g o o dr o b u s t n e s s ，e x c e l l e n ts t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ep a p e r p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to fa c s e r v o c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h e na n a ly z e s t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h eb a s i cf r a m e w o r ko fa s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 i t p r e s e n t st h ea r i t h m e t i ce q u a t i o no ff l u xa n dt o r q u ei ns t a t o rc o o r d i n a t eb ym a t h e m a t i c a l d e d u c t i o na c c o r d i n gt ot h ea r i t h m e t i cm o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r i td e d u c e su - if l u x m o d e la n di - nf l u xm o d e l ，a n dt h ep r o p e ra r e aa n df e a t u r e so ft h e s et w om o d e l sa r ea n a l y z e d ， t h e np r e s e n t sa u - nm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ei na l ls p e e da r e a f u t h e r m o r e ，a f t e rt h ea n a l y s i so f t h es t a t eo fc o n v e r t e rs w i t c h e s ，t h ed u a lc l o s e dl o o pc o n t r o lo ff l u xa n dt o r q u ei s d i s c u s s e d t h ep a p e rp r e s e n t sam i x e dt o r q u ea d j u s t e dm e t h e o d ，w h i c hi sc o m b i n e d 丽mt h e h e x a g o ns t a t o rf l u xt r a c em e t h o da n dr o u n ds t a t o rf l u xt r a c e i ta d j u s t st o r q u ew i t hb a n g b a n g c o n t r 0 1 a t y p i c a la c d c - a cg e n e r a lv o l t a g es o u r c ef r e q u e n c yc o n v e r t e ri su s e di nt h em a i n c i r c u i t i r f p 4 6 0o fs tc o r p o r a t i o ni st h ec o r ec o m p o n e to ft h em a i nc i r c u i t ，w h i c hi sa n - c h a n n e lp o w e rm o s f e tw i t h a n t i p a r a l l e ld i o d e d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) o f t i c o r p o r a t i o nw h i c hi n c l u d e sd s pc o n t r o lc i r c u i t ，s o u r c ec i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c i u t ，i su s e da st h e c o r e - p r o c e s s i n gc h i po ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m i ti n t e g r a t e sm a n ys p e c i a lm o d d e si n m o t o rc o n t r o ls y s t c r n ，a n dd e c r e a s ep e r i p h e r a li n s t m m e n t sl a b o r t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi s d e v e l o p e dt h r o u g ha s s m e b l el a n g u a g e ，w h i c hi n c l u d e sa ds a m p l i n g ，f l u xm o d e l ，m o d e l s w i t c ha n ds p e e dp ia d j u s t e r ，e t c a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mi sa n a l y z e db r i e f l y t h e r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o d sd e s c r i b e di nt h i sp a p e rc a na c h i e v e g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，r a p i dr e s p o n s e ，s t r o n gr e l i a b i l i t y ，w h i c hc a l lb eb r o a d l ya p p l i e di n i n d u s t r i a lf i e l d k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；a cs p e e dc o n t r o l ：d t c ；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：复皇苎日期：型 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 吴佑芴 一轹搬 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题的背景和研究的意义 伺服系统的发展是与伺服电动机的发展紧密地联系在一起的，在2 0 世纪6 0 年代以 前，伺服系统主要是以步迸电动机驱动的液压伺服系统，而伺服系统的位置控制为开环 控制。六七十年代是直流伺服电动机诞生和全盛发展的时代，由于直流伺服电动机具有 比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优点，相关理论及技术都比较成熟，因此， 直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制 发展成为闭环控制。在数控机床应用领域，由于其控制电路简单，无励磁损耗，低速性 能好，永磁式直流电动机占据了统治地位。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设 备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服驱动系统提出越来越高的要求，尤其是精度、 可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，使其在应用过程中而临以下 问题【1 1 ： ( 1 ) 维护工作量大，成本高。 ( 2 ) 使用寿命短，可靠性低。 ( 3 ) 结构复杂，体积大，转动惯量大，响应速度慢。 ( 4 ) 对其他设备产生干扰，现场环境适应能力差。 这些问题的存在，限制了直流伺服驱动在高精度，高性能要求伺服驱动场合的应 用。随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是 先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用，自7 0 年代末以来的短短二十 几年间，取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及 四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，多年 来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实。可以预见，交流伺服系统的 研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展。而我国 采用的交流伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国高科技产业的发展。因此， 通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高 性能、实用化的交流伺服系统，对于促进我国航空、航天、国防及土业自动化等领域的 发展，跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义【z j 。 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 1 2 交流伺服技术的发展 1 2 1控制策略的发展 高性能交流伺服系统的发展离不开先进控制策略的成功应用。纵观交流伺服系统 控制策略的发展，其中有代表性的控制策略有：变压变频控制、转差频率控制、矢量控 制、直接转矩控制等【2 】。 ( 1 ) 变压变频控制技术 在开始研究和应用交流电机时，人们对交流电机的动态模型还不是十分清楚，只能 从其静态模型出发来探讨调速方法。发现可以通过改变电机的供电频率来达到控制电机 转速的目的。为了充分利用电机铁芯，希望在调速时保持磁通不变。所以在变频的同时 必须协调的改变电机的供电电压，即实现同时变压变频( w ) 。否则，电机将出现 磁饱和或欠励磁，这对电机都是不利的，因此，实现磁通恒定是十分关键的。如果忽略 定子电阻，可近似使定子电压与频率成正比，于是出现了开环变压变频( v w f ) 控制 方法。这种方法至今仍普遍应用于对性能要求不高的节能调速和一般工艺调速中，如风 机、泵类等的调速。但是由于这种控制方法是开环控制，异步电动机的转速会随着负载 变化而变化，调速精度也不高，在对调速性能有一定要求的场合下满足不了要求。 ( 2 ) 转差率控制 继变压变频( v w f ) 控制后出现了转差率控制。从异步电机静态模型可以证明， 当保证磁通恒定时，电磁转矩近似与转差频率成正比，因此通过控制转差频率就可以控 制转矩。对比变压变频( w ) 控制，它的优点在于实现了闭环控制，控制对象为电 磁转矩而不是供电频率。采用转速闭环的转差频率控制，可以得到较平滑而稳定的调速， 可以获得比变压变频( w ) 控制更高的调速性能。但是当生产机械对调速系统的动 静态性能提出更高要求时，转差率控制系统还是比直流调速系统略逊一筹。 ( 3 ) 矢量控制技术 上面的转差率控制是建立在异步电机静态数学模型的基础上的，被控制变量( 定子 电压有效值，定子电流有效值，定子供电频率，转差频率) 都是在幅值意义上进行的控 制，而忽略了幅角( 相位) 控制。虽然此控制技术能获得良好的静态性能，但在稳定性、 启动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 2 0 世纪6 0 年代起，微处理器、大规模集成电路等微电子技术的飞速发展，给矢量 控制的研究奠定了坚实的物质基础。矢量控制主要采用了坐标变换的方法，把异步电机 等效成类似直流电机的模型，从而可以模拟直流电机的控制，对异步电机的电磁转矩和 大连理工大学硕士学位论文 工作磁通分别进行控制。它成功地解决了对交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调 速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别独立控制，从而使交流电机调速系统 具有了直流调速系统的全部优点。与以往的控制方法相比，矢量控制的启动性能、速度 控制范围、控制精度等方面都有了长足的进步。 ( 4 ) 直接转矩控制【3 】【4 】【5 】 直接转矩控制技术( 简称d t c ) 是近1 0 年继矢量控制技术之后发展起来的又一种 新型的高性能交流伺服控制技术。1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出了一种异步电动机 的直接自控制理论d s c ( d i r e c t - s e l f - c o n t r 0 1 ) ，通常称为直接转矩控制。这种方案使 得系统结构清晰，而且动态性能很好，d t c 出现之初就受到广泛的关注，具体的改进方 法不断出现，交流伺服控制技术因此也进入了一个新的发展阶段。 1 2 2 相关技术的发展 ( 1 ) 电力电子器件的发展 电力电子器件是现代交流伺服控制的支柱，其发展直接决定和影响了交流伺服控制 的发展。电力电子器件的不断进步，尤其是新的可关断器件，如功率晶体管( g t r ) 。、 门极关断晶闸管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、功率m o s ( p o w e r m o s f e t ) 、m o s 控制晶闸管等，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证。2 0 世 纪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d m 是微电子技术 和电力电子技术相结合的产物。目前，由i g b t 单元构成的功率模块在智能化方面得到 迅速发展。智能功率模块( i p m ) 【4 】不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和 报警功能。p m 以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件，利用p m 的控制 功能，与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。由于i p m 采用了隔离技 术，使得器件散热均匀，体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统的开发时间、开发 费用都大大减少。 ( 2 ) p w m 技术的发展 随着新型电力电子器件的不断涌现，使得高频化脉宽调制( p w m ) 成为可能，变频 技术也获得了飞速发展。p 嘲脉宽调制控制分为等脉宽p w m 控制 6 1 、正弦波脉宽调制 ( s p w m ) 7 1 、空间矢量脉宽调制p w m s , 明和电流追踪型p w m 6 。等脉宽p w m 控制的输出电 压和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，因此现在使用较少。而正弦脉宽 调制( s p w m ) 法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振动小，其控制变频器的效果较 好【6 j ，而且相应的硬件和软件技术较成熟。另一种方法是空间矢量脉宽调制p w m 法， 它与s p w i v i 法不同，s p w m 是从电源的角度出发，其着眼点是如何生成可以调频调压 的三相对称正弦波电源；而空间矢量脉宽调制p w m 法是从电动机的角度出发的，着眼 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 于如何使电动机获得圆磁场。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于 其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作比其它方式更平稳，噪音更低，同时 也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。这种工作模式国内已有一些 厂家推出，国外己普遍采用。与正弦波p w m 法相比，具有一定的优势。 ( 3 ) 微处理器的发展 控制技术的发展还得益于微处理器技术的发展，自从1 9 9 1 年i n t e l 公司推出8 1 9 6 m c 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都 有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的m 3 7 7 0 5 、m 7 9 0 6 单片机和美国 德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 0 系列都是颇具代表性的产品。与单片机相比，d s p 器件具有 较高的集成度，具有更快的c p u ，更大容量的存储器，提供高速、同步串口和标准异步 串口，有的片内集成了模数转换器，可提供p w m 输出，其汇编指令集为仿c 语言或代 数语言，几乎所有指令都能在一个机器周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个机 器周期内可完成多条指令。结构上的差异使d s p 器件比1 6 位的单片机单指令执行时间 快8 - 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 - 3 0 倍。应用d s p 作为处理器，会使整体的控制 性能得到提高。 1 3 直接转矩控制技术的概况及特点 1 3 1直接转矩控制技术的发展概况 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来【7 3 1 ，交流传动技术就从理论上解决了交流调速 系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制， 以转子磁场定向，用矢量的方法，实现了对交流电动机转速和磁链控制的完全解耦，它 的提出具有划时代的重要意义。然而在实际上由于转子磁链难于准确观测，系统特性受 电动机参数的影响较大和在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使 得实际的控制效果难于达到理论分析的结果，这是矢量控制技术的不足。 1 9 8 5 年提出的直接转矩控制技术，不同于矢量控制技术，它把转矩直接作为被控量 进行控制，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作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差大小由 频率调节器来控制。它的控制效果不取决于电机数学模型，而是取决于转矩的实际状况。 它的控制既简单又直接，具有较高的动态响应。直接转矩控制直接在定子坐标系上分析 交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换 大连理工大学硕士学位论文 和计算，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。但其输出转矩 有脉动，磁链模型在低速时误差大，又使系统的调速范围受到限制。 相比矢量控制技术，直接转矩控制有以下几个主要特点1 1 0 ： ( 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。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化；即不需要模仿 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。它省掉了矢量旋转 变换等复杂的变换与计算。因此，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的 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与效果。与矢量控制的方法不同，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，直接控制转 矩。它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。而是从控制转 矩的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁 链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 ( 5 ) 综上所述，直接转矩控制技术，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，借助于离散的两点式调节产生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。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，是一种具有高静 动态性能的交流调速方法。 1 3 2 直接转矩控制技术的发展现状及趋势 在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，美国、法国等 国家紧随其后，使直接转矩控制的推广逐步扩大。现在直接转矩控制技术已经成功应用 于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。市场应用方面，a b b 公司 于1 9 9 5 年推出了其直接转矩控制产品a c s 6 0 0 ，随后的a c s 8 0 0 、a c s l 0 0 0 也都应用了直接 转矩控制技术。在国内，株洲电力机车研究所研制的新一代列车机车“中原之星的牵 引电机采用的控制方式就是直接转矩控制。当前，德国、日本、美国等都竞相发展该项 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 技术，而我国对这项技术的研究与开发工作较晚，技术基础比较薄弱，与世界先进水平 还有很大的差距。因此，在消化和吸收国际上所取得的先进成果基础上，研究具有自主 知识产权的直接转矩控制技术，是我们当前的主要任务【2 】。 十几年来，在国内外直接转矩控制技术不断得到发展和完善，许多文章从不同的角 度提出了新的见解和方法，目前直接转矩控制技术研究的主要侧重方面有：与无速度传 感器技术结合；转矩脉动的削弱；低速性能的改善；与智能控制相结合；全面数字化。 ( 1 ) 与无速度传感器技术结合：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。 而无速度传感技术可在电机转子和机座上不安装电磁或光电传感器的情况下，利用检测 到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转子位置和转速，具有不改造电机、 省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉末与潮湿环境的影响等优点。采用无速 度传感器技术是当今交流伺服控制发展的趋势【l 。德国学者u w e b o a d e r 等人在1 9 8 9 年 把无速度传感器引入直接转矩控制系统当中f 捌，根据其等值电路求取电机转速。目前， 日本在无速度传感器领域处于领先的地位，而我们国内起步较晚，有一些无速度传感器 的产品出现，但存在着调速范围较小的问题，有待于进一步改善。大部分对于无速度传 感器的的研究多处于理论研究及仿真研究阶段，如文献 1 5 文献 1 6 所提出的一些无 速度传感模型。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将仿真结果应用于实际。 ( 2 ) 转矩脉动的削弱：传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据 各滞环的输出结果来确定当前的电压矢量，但这样砰一砰( b a n g - b a n g ) 控制会造成转矩脉 动。为了优化控制性能，许多学者在此方向作出了研究。文献 1 7 3 中提出了一种定子磁 链的双层滞环控制方法。该方法利用新型的定子磁链双层滞环比较器代替了传统的单滞 环比较器，并采用新的双层滞环比较器进行转矩控制，同时修改了传统的开关选择表的 部分内容，它通过改进转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了转矩和定子磁链的偏差 区间，提高了系统的性能。采用这种细化的转矩、磁链调节器的d t c 系统，全面改善了 系统的动静态性能，有利于减小转矩和磁链的脉动。而在国内，也有学者提出双滞环调 节器理论【7 1 ，即每个滞环有两个容差，磁链、转矩偏差情况被细化，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，仿真结果表明，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。 ( 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， 在中高速时，如果忽略定子电阻，对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。 大连理工大学硕士学位论文 但在低速时，定子电阻上的压降分量比重很大，忽略定子电阻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【j 7 1 ，很多学者设计了多种定子电阻观测 器。文献 1 9 提出了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器对定子电阻进行观测。该 观测器把对定子电阻值影响比较大的三个因素：定子电流、转速和运动时间作为输入量， 以定子阻值的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制 中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改 善。最近又有人提出了用神经网络来实现定子电阻观测器，实验结果也证明是可行的， 但具体的网络结构还有待研究完善【”】。 ( 4 ) 与智能控制相结合：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，使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【m 1 7 】。这些控制策略运用到直接转矩控制理论中， 将使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。这是一 个有益的尝试和良好的开端，也是当代值得深入研究的课题【2 l 】。 ( 5 ) 全面数学化：采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制 单元将全面代替以模拟电子器件为主的控制单元，从而实现完全数字化控制系统。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。 1 4 研究的主要内容 直接转矩控制技术伴随其它交流调速策略圈，经过近二十年的发展和完善，在理论 优化和仿真研究上皆已相当成熟。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。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。 本文在参考浏览大量文献资料的基础上，对交流电动机控制系统的特点和控制方法 进行简单叙述，提出了采用直接转矩控制调速系统的设计方案。对直接转矩控制原理进 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 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。介绍了直接转矩 控制调速系统的硬件部分，包括主电路和控制回路设计。主电路采用典型交一直一交电 压源型通用变频器结构，其核心器件采用的功率管为i r f p 4 6 0 ，它是n 沟道带有反并联 二极管的m o s f e t 开关管。控制回路以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心控制芯片，介绍其外围 基本电路的设计和信号采集电路等。而控制系统的软件部分，主要介绍了直接转矩控制 方法的软件实现过程，在文章的最后给出了实验结果，并作简要地分析。最后给出全文 总结。 本论文共分六个章节：第一章为绪论部分，介绍了直接转矩技术的现状与发展前景。 第二章介绍了直接转矩控制系统中所用到的各种数学模型。第三章分析了直接转矩控制 理论，设计了直接转矩调速控制系统，并详细分析各个模块。第四章为系统的硬件电路 设计。根据系统的要求，选取了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制核心，完成电机调速 控制系统硬件设计，包括d s p 电路、保护电路、采样电路等。第五章主要是系统的软件 编程与调试。开发了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的直接转矩调速控制系统，用汇编语言完成模 块化设计，包括波形发生中断服务子程序、磁链模型子程序、数字p i 算法程序、a d 采样子程序等。第六章为对论文研究内容进行总结。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 直接转矩控制系统中的数学模型 2 1 异步电动机的基本方程 直流电动机的磁通由励磁绕组产生，它的动态数学模型只有一个输入变量和一个输 出变量，分别为电枢电压和转速。而交流电动机的数学模型则复杂许多。异步电动机是 一个多变量系统，而电压、频率、磁通、转速之间又互相影响，所以是强耦合的多变量 系统。首先，异步电动机变压变频调速时需要进行电压( 或电流) 和频率的协调控制， 有电压( 电流) 和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一 个独立的输出变量。因为电动机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同 时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中 尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。其次，在异步电动机中，电流乘磁通产生转 矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们是同时变化的，在数学模型中就含有两个变 量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和因素，数学模型也是非线性的。最后，三相 异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己 的电磁惯性，再算上系统的机电惯性和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的 滞后因素，也是一个八阶系统。总之，异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、 强耦合的多变量系统】。因此在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下 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 0 电角度，所产生的磁动势 沿气隙周围按正弦规律分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组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。 2 1 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为： 铲匙+ 誓 = 如b + 警 = 屯b + 警 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： ( 2 1 ) 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 铲屯b + 警 = 耳+ 警 心= c 量+ 警 ( 2 2 ) 式中，鳓，妇，t i c ，铂，阮为定子和转子相电压的瞬时值；颤，红，i c ，屯，如， 站为定子和转子相电流的瞬时值；，为各相绕组的全磁链； 咫，母为定子和转子绕组电阻。 将电压方程写成矩阵形式： 云：一r i d - 坐 2 1 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和， 绕组的磁链可表达为： i 虬= k f j4 - l f ， 【 = k 4 - 厶i r 各子矩阵与各量分别为： 虬= 【】1 = 【虬v c 1 = 【 蕾r = 屯t 】 l 瓦弘丝i l = lm 瓦丝i l 坂弘kj om ，m r k = im ，厶肘，l 水，m ，l 。 ( 2 3 ) 因此，六个 ( 2 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 l c o s 8 c o s ( 0 1 2 0 0 ) c o s ( 0 + 1 2 0 0 ) l k = = k ic o s ( 0 1 2 0 0 ) c o s 0 c o s ( 0 - 1 2 0 0 ) l ic o s ( 0 + 1 2 0 0 ) c o s ( o 一1 2 0 0 ) c o s 0 l 式中三小三，为三相异步电动机定、转子绕组自感；厶坫为定、转子互感；三驴为随着 转子位置变化定、转子互感阵列，且与转子位置口有关。 2 1 3 转矩方程 在一般情况下，对于恒定转矩负载的电动机基本运动方程为： 乏哪丢警= 圭 尹告云+ 告动 ( 2 5 ) 式中，死为负载转矩，为机组的转动惯量，为极对数，c o 为电动机角速度。 在运动学中，转速方程为 彩：丝 ( 2 6 ) 衍 2 2 异步电动机在静止坐标系上的数学模型 上节中已经推导出异步电动机的动态数学模型，但是在实际运用中要分析和分解这 组方程是十分困难的，必须予以简化其数学模型，而简化的方法便是坐标变换。在对异 步电动机的三相分析时，经常用到的变换有三种，分别为：3 2 变换，即三相静止坐标 系和两相静止坐标间的变换；2 s 2 r 变换，即两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换； 以及k p 变换，即直角坐标极坐标变换。而直接转矩控制中最经常用到的是3 2 变换2 3 1 。 2 2 1三相一二相变换( 3 2 变换) 在三相静止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组a 、卢之间的变换，或称三相静止坐标系 和两相静止坐标系间的变换，简称为3 2 变换。三相电动机的电压，电流，磁动势，磁 链等均是三相电磁量。若能先用一个矢量来表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物 理量变为二维物理量，为分析和计算带来很多方便。在变换的过程中，必须遵循两个原 则，一是变换前后电流所产生的旋转磁场等效以及变换前后两个系统的电动机功率不 变。于是，三相坐标到两相坐标( 3 2 变换) 的变换矩阵为c 3 2 ， 一巨 乙3 坨2 、了 1 1 1 22 o 笪一鱼 22 ( 2 7 ) 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 分别用“、强、如表示三相电流瞬时值，i a 、抽表示三相合成作用的矢量在a 、夕坐 标系上的分量。如果三相绕组是y 型联结不带零线，则有西+ 西+ i c = o ，或配= 西i c 。 则电流变换方程为： 阡 店。 1 r 万w ( 2 8 ) 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链 的变换阵。 盼 店。 1 仄 西北 ( 2 9 ) 2 2 2 异步电动机在a 、坐标系上的数学模型 经过3 2 变换后，定子和转子的电压、电流、磁链、和转矩都变换到两相静止坐标 系仅、声上，于是可得三相异步电动机在口、夕坐标系上的磁链方程为： 、壬，船 飞s l 、王，旭 飞t b 厶0l 0 0 丘0l 厶0 0 0 厶0 k l s 8 z ，口 ( 2 1 0 ) 式中，为定子磁链在口、罗坐标系上a 轴的分量；为定子磁链在及、声坐标 系上卢轴的分量：为转子磁链在口、声坐标系上仅轴的分量；为转子磁链在a 、 坐标系上声轴的分量：定子电流在a 、声坐标系上a 轴的分量；妇：定子电流在a 、 夕坐标系上声轴的分量：如：转子电流在a 、卢坐标系上a 轴的分量；妇：转子电流在伉、 坐标系上声轴的分量；三肼：定子与转子绕组间等效互感；厶：定子两绕组间等效自感； l ，：转子两绕组间等效自感； 三相异步电动机在仅、坐标系上的电压方程为： 甜姬 u s b ”m u r b ( r + t p ) 0 0 ( r + 厶p ) l m pl m 一缈li m p l m p o ( 耳+ p ) 一彩厶 o 厶p 国 ( r + 厶p ) t s 伍 l s b l r 伍 t b ( 2 1 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中，1 , 1 犯为定子电压在a 、声坐标系上a 轴的分量：铆为定子电压在a 、坐标系 上轴的分量；为转子电压在a 、卢坐标系上口轴的分量；即为转子电压在仅、坐 标系上轴的分量；p 为微分算子符号d d t ； 三相异步电动机在a 、卢坐标系上的电磁转矩方程为： = r l p l ( 如i , o 一c 。) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 便组成了三相异步电动机在a 、卢坐标系上的数学 模型。 2 3 逆变器的数学模型与电压空间矢量 2 3 1逆变器的数学模型 常用的逆变器主要有电压型逆变器及电流型逆变器【1 0 1 ，而在本文中选择的是电压型 逆变器。一台典型的电压型逆变器电路如图2 1 所示，由三组、六个开关( 、& 、 & ，& 、& ) 组成，由于与、& 与岛、，& 与& 之间互为反向，即一个接通，另一 个断开，所以三组开关有八种可能的组合开关蜘。 e e 图2 1 三相电压型逆变器 f i g 2 1t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r c 若规定a 、b 、c 三相负载的某一相与“+ 级接通时，该相的开关状态为“l 状态； 反之，与“级接通时，为“o 状态。则八种可能的开关组合状态见表2 1 。 八组可能的开关状态可以分成两类：一类是6 种工作状态，即表2 1 中状态“1 到状态“6 ，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类开关状态是 零开关状态，如表2 1 中状态“o 和“7 ”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位 上去。当三相负载都与“+ 极接通时，得到的状态是“1 1 1 ”，三相都有相同的正电位， 所得到的负载电压为零。当三相负载都与“一 极接通时，得到的状态是“0 0 0 ”，所得 到的负载电压也为零。 上t上丫 表2 1 逆变器的八种开关状态 t a b 2 i e i g h tk i n d ss w i t c hs t a t eo fi n v e r t e r 图2 1 所示的电压型逆变器，在不输出零状态电压 论，其输出的工作电压状态的电压波形见图2 2 。图2 2 值及开关状态和电压状态的对应关系。 的情况下，根据逆变器的基本理 表示出逆变器的相电压波形、幅 liiiii i lii ii ：i 广n ： 一 hi ；h 二 l _ 一一 hhii 二j l iilii n ： ： 一 i ! h 一 二 0 1 t l 0 0 1 i 1 0 1 i 1 1 ) o i 1 1 0 l 0 1 0 l 1 i 2 i 3 l t l 5 i d l 鼬：纰：细：妇：妨：细： u s l u c l ，l u s t l i 王 n s n - 毋旺s n l 0u l o 竹0 图2 2 无零状态输出时相电压波形 f i g 2 2 w a v e f o r mo fp h a s ev o l t a g ew i t h o u tz e l os t a t e 由图可知：电压状态和开关状态都是6 个状态为一个周期，从状态“1 至状态“6 ” 然后再循环。相电压波形的幅值都是两个：。- i - - 2 u a 3 = 4 - 4 e 3 和4 - u d 3 = 4 - 2 e 3 。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 电压空间矢量 逆变器的输出电压若用空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空 间的概念，分析起来会方便很多。任何一种开关状态下的定子电压在都可以a 、卢坐标 系上表示为一个矢量： ( ，) = 导k + e j 2 州3 + “c e p 州3 ( 2 1 3 ) j 一 一 其中，u b 、u c 分别为a 、b 、c 三相定子负载的相电压。如此即既可用空间电压矢 量u s ( r ) 表示逆变器三相输出电压的各种状态。定子电压矢量还可以用另外一种表达式来 表示，即： 虬( r ) = 引邑+ & p 口州3 + & p h 州3l ( 2 1 4 ) j 一 一 当开关状态s 妇= 1 0 0 时，代入上式得到电压矢量u , ( 1 0 0 ) = 2 3 u a e d ，同理可得到其他 开关状态下的电压矢量分别为：u 置( 1 1 0 ) = 2 3 扩，u , ( 0 1 0 ) = 2 3 ，u s ( 0 1 1 ) = 2 3 蚴扩， 佃d 矽= 2 圬俐，u , ( 1 0 0 = 2 3 u a e s 扔，地徊d 缈= 蜥口j 矽= d 。我们把上述八个电压矢量称 为电压空间矢量。相邻两个工作电压空问矢量在空间的位置相隔6 0 。角度，6 个工作电 压矢量的定点构成六边形的6 个顶点。六个电压空间矢量的顺序是u s ( 0 1 1 ) 一u s ( 0 0 1 ) - u s ( 1 0 1 ) u 。o o o ) u s ( 1 1 0 ) u 。( o l o ) 。它们依次沿逆时针旋转。零电压状态7 及状态0 位于六 边形的中心。 搿9 5 ( 1 l o ) 瓤$ ( o l o ) ( 1 0 0 ) 越s 王 ( 0 1 1 ) 图2 。3 三相逆变器的输出电压空间矢量 f i g 2 3s p a c e - v e c t e rv o l t a g eo f t h r e ep h a s ei n v e r t e r 基于d s p 直接转矩控制异步电动机系统的设计 3 直接转矩控制的基本结构及原理 3 1 直接转矩控制的基本结构 直