（电机与电器专业论文）基于dspace的感应电机直接转矩控制系统的研究与设计.pdf

浙汀大学硕上学何论义 a b s t r a c t t h ei d e ao fd e c o u p l i n gc o n t r o l ，w h i c hi su s e di nt h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，i sn o tu s e d i nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fi n d u c t i o nm a c h i n es y s t e ma n ym o r e s os o m et e c h n i c a l p r o b l e m s ，s u c ha st h ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i ce a s i l ye f f e c t e db yt h e p a r a m e t e ro fi n d u c t i o nm o t o ga 把s o l v e d t h ed t cs y s t e mh a dg o o dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e ，w h i c hm a k ed t c o n eo ft h er e s e a r c hf o c u s t h ed s p a c er e a it i m es i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db yt h ed s p i a c ec o m p a n y t h i s s y s t e mi su s e df o rd e v e l o p i n ga n dt e s t i n gt h ec o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mi ss e a m l e s s c o n n e c t e dt ot h em a l t a b s i m u l i n k ，s ot h r o u g ht h i ss y s t e mt h ep r o g r a m m ec a nb e c o m p i l e d d o w n l o a d e da n dd e b u g g e dc o n v e n i e n t l y t h ed s p i a c et e a lt i m e s i m u l a t i o n s y s t e mi u s tl i k e sar e a lt i m eb r i d g ec o n n e c tt h em a t h sm o d e lt ot h ec o n t r o l l e do b j e c tw h i b h m a k e st h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o la l g o r i t h mc o n v e n i e n t l ya n de a s i l y t h i sp a p e rp r e s e n t sad t cs y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do l lt h ed s p a c e t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h em a i nl o o p ，t h ec o n t r o l l o o pa n dt h es o u r c eo fl o wv o l t a g e 1 1 1 ep r o g r a m m ei sc o m p l i e da n dd o w n l o a d e db a s e d o n i ia f t e rt h ei oi n t e r f a c ei ss e t u p a tl a s t s o m ee x p e r i m e n t sa b o u tt h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dt h ei n d u c t i o nm o t o ru n d e rf a u l t e dc o n d i t i o na r ee x e c u t e d o nt h ep l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nd s p i a ( 冱d sll0 3a n dt h ep e r i o h e r a lc i r c u i t t h er e s u l t o ft h ei n d u c t i o nm o t o ru n d e rf a u l t e dc o n d i t i o ni sa n a l y s i s e d k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，d s p a c e ，自u l t e dc o n d i t i o n 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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 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。 学位论文作者签名：弓秒劫 签字同期：腓。6 月d 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、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。本人授权逝望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 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) 学位做作者签名季枷嘶 签字同期：力暗年幻月万日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 斐谬激 签字日期：b 潞年月可只 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论丈 第一章绪论 摘要：本章从d s p a c e 系统的开发背景，d s p a c e 系统的组成及该系统优点、主要用 途和国内外的研究使用情况等方面介绍本课题的研究背景；分析了感应电机直接转矩 控制技术的发展状况和发展趋势；综述了感应电机本体故障类型和三相逆变器供电下 的感应电机系统故障类型；阐述了本文主要研究目的和内容。 1 i 课题研究背景 1 1 1d s p a c e 系统的开发背景 ， 在研制电力驱动系统的过程中，因控制算法的复杂性，基本上都是基于d s p 或 者单片机的软件方法得以实现的。在项目开发过程中，需要编写大量的程序代码，同 时必须对数字控制器进行充分的测试和参数整定，并排除实时软件中编程、编译、中 断、内存、接口和通信等方面的错误，在未完全消除控制器实时软件隐患之前，就采 用实际电机系统进行闭环测试是非常危险的。离线仿真时无法对中断、速度、内存、 接口和通信等实时参量进行评价，无法排查控制器实时软件的错误。因此该方案开发 过程复杂，开发周期长【l 】。因此在项目开发初期需要一个方便而快捷的方法对控制算 法进行验证。d s p a c e 系统就是针对这样的问题而开发出来的一个实时硬件测试平 台。 基于d s p a c e 实时仿真硬件平台，可以实现用m a t l a b s i m u l i n l ( 开发控制算法， 对控制算法实时在线调试，可以很快的进行反复的设计和调试，直到找到理想的控制 方案。在：l ：程开发的初期阶段缩短开发周期，减少项目风险，对项目研究具有非常重 要的意义。 d s p a c e 实时仿真系统是由德国d s p a c e 公司开发的一套基于 m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和m a t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p i a c e 实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、 i 0 等，还拥有方便易用的实现代码生成、下载、试验和调试的软件环境。 这样，在d s p a c e 强大能力的支持。卜，就叮以很好地解决实时硬件测试的问题1 2 】： ( 1 ) 快速控制原型( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ) ：在项目开发的初级阶段，d s p a c e 实时仿真系统可以作为控制算法的硬件运行环境。通过d s p a c e 提供的各种板卡， 浙江大学硕士学位论文 在控制原型算法和控制对象之间搭建起一座实时的桥梁，便捷地实现对控制算法的研 究和试验，从而在短周期内开发出最适合控制对象或环境的控制方案。 ( 2 ) 硬件在回路仿真( h a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o n ) ：当产品型控制器生产 出来后，由于控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到，这就需要找到 合适的方法对已完成的控制器进行测试。此时d s p a c e 实时仿真系统可以用于仿真 控制对或外环境，从而允许对控制器进行全面、详细地的测试，甚至连极限条件下的 应用也可以进行反复测试。而且，在d s a p c e 试验工具软件的帮助下，测试工程师 只需在计算机屏幕上随时观看测试工具软件记录_ 卜的各种信号和曲线即可，从而人人 节约测试费用，缩短测试周期，增加测试的安全性及可靠性。 1 1 2d s p a c e 系统的介绍 d s p a c e 半实物仿真平台( 实时仿真系统) 拥有简单易用的代码生成及下载软件、 实验工具软件，还拥有灵活性极强的硬件组合系统。 1 d s p a c e 系统的软件环境 软件方面，d s p a c e 将自己的代码生成及下载软件集成于m a t l a b 中，实现 了与m a t l a b 的无缝连接。d s p a c e 提供了软件包括代码生成及下载软件 r e a l t i m ei n t e r f a c e ( r t i ) ，实验工具软件c o n t r o l d e s k 。d s p a c e 软件系统配合 m a t l a b s i m u l i n k r t w ，就可以实现控制系统丌发测试。 m a t l a b 是用来对模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理。它不需要用编 程语言对数学描述方法进行前后处理。这一特点使m a t l a b 成为了数学分析、算法 开发及应用程序开发的良好环境。s i m u l i n k 是。个用来建模、仿真和分析的软件包， 基于m a t l a b 的框图设计环境，支持连续系统，离散系统和混杂系统。s i m u l i n k 提供 了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过s i m u l i n k 提供的功 能块，可以迅速地创建系统模型。r e a l - - t i m ew o r k s h o p ( r t w ) 软件是m a t l a b 图形 建模和s i m u l i n k 仿真环境的一个重要的补充功能模块，它是一个基于s i m u l i n k 的代 码自动生成环境。它能直接从s i m u l i n k 的模型中产牛优化的、可移植的和个性化的 代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序。在d s p a c e 实对仿真系统中， 浙江大学硕士学位论文 用r t w 来从方框图生成可执行的c 代码。r t w 与d s p a c e 的r t i ( r e a l t i m e i n t e r f a c e ) 联合可完成从方框图到d s p a c e 实时硬件的无缝转换。 r e a l t i m ei n t e r f a c e ( r t i ) 为代码生成和下载软件。它是连接d s p a c e 实时系统 与m a t l a b s i m u l i n k 的纽带，它对s i m u l i n k 库进行了扩展，它以图形操作方式实现对i o 的设置，与普通s i m u l i n k 仿真模块在使用上没有区别。同时通过对r t w 进行扩展， 可实现从s i m u l i n k 模型虱j d s p a c e 实时硬件代码的无缝自动下载。另外，r t i 还支 持用户在s i m u l i n k 框图巾完成：指定部分模型为定时执行；指定部分模型为软件中 断：指定部分模型为硬件中断；指定中断及定时任务的优先级；支持单采样频率和多 采样频率。r t i 还充分考虑了实际工程应用中可能遇到的各种问题，如：通过附加 手段解决采样频率不同的模块之间数据传送的不一致性能问题。 当用户使用d s p a c e 的r t i 软件完成建模并用r t w 产生可执行目标代码及系 统描述文件( 木s d f ) 后，就可在c o n t r o l d e s k 的软件环境下实现实时代码的下载、信号 监视及参数调整等。c o n t r o i d e s k 软件提供了如下功能1 2 i ： 1 对实时硬件的图形化管理：c o n t r o l d e s k 可以方便对硬件板卡进行注册和管理， 并用拖放方式方便的完成目标程序的下载，用s t a r t 和s t o p 来控制实时程序的启 动和停止。 r 2 用户虚拟仪表的建立：用户可以从仪表库中采用拖放方式建立所需的虚拟仪 表，通过建立的虚拟仪表与实时程序进行动态数据交换、记录实时数据，实现实时数 据回放、完成在线修改参数等。 3 变量的可视化管理：c o n t r o l d e s k 可以用图形方式访问r t i 生成的变量文件， 通过拖放操作在变量和虚拟仪表之间建澎联系，除了访问一般变量外，还可以访问诸 如采样时间、中断优先级、程序执行时间的等其他与实时操作相关的变量。 2 d s p a c e 系统的硬件结构 硬件方面，d s p a c e 针对不同的需求，提供了多种可供选择的方案【2 l ： 1 单板系统：丰要功能是快速控制原型( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ) 功能；i o 数量 有限，但包括了进行快速控制原型设计所需的大多数i o ( 包括a d ，d a ，数字i 0 等) 。还特别考虑了驱动应用方面的需求，配有增量编码器信号接口及p w m 信号发 浙江大学硕士学位论文 生器。典型的单板系统有d s l l 0 3 ，d s l1 0 4 。 2 标准组件系统：d s p a c e 标准组件系统的核心是处理器板，通过内部高速总线 一p h s 总线扩展各种i o 板；i 刊时，也可通过专用处理器接口扩展处理器板，组成并 行多处理器系统，从而大大加快模型的仿真速度，适应用户对快速实时计算模型的要 求。目前，d s p a c e 为标准组件系统提供j d s l 0 0 5p p c 和d s l 0 0 6p p c 两种型号的处 理器板，其处理器分别采用了i b mp o w e r p c 7 5 0g x 和a m do p t e r o n ( x 8 6 处理器， 2 6 g h z ) 。 1 1 3d s p a c e 系统的优点及应用 d s p a c e 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比拟的优点： ( 1 ) 组合性强：d s p a c e 在设计时就考虑了大多数用户的需求，设计了标准组件 系统，可以对系统进行多种组合。对不同用户而言，可以在运算速度不同的多种处理 器( 如：t i 公司的t m s 系列、d e c 公司的a l p h a 系列、m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列) 之间进行选择。 ( 2 ) 过渡性和快速性好：由于d s p a c e 和m a t l a b 之问的无缝连接，方便地实现 了从非实时分析、设计到实时的分析、设计的过程，节省了时间和费用。 ， ( 3 ) 对产品型实时控制器的支持性强。 ( 4 ) 性能价格比高：d s p a c e 可以用于多种产品的开发和调试。 ( 5 ) 基于p c 机，w i n d o w s 操作系统：便于用户掌握和使用， ( 6 ) 实时性好，可靠性高：一旦代码下载到实时系统，代码本身将是独立运行的， 试验工具软件只是通过内存映射访问试验过程中的各种参数及结果变量，不会产生对 试验过程的中断。 正式由于d s p a c e 系统的诸多优点，目前d s p a c e 已经应用于航空航天、汽车、 发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等众多的领域。 许多汽车界的用户都把d s p a c e 作为可以信赖的丌发测试工具，如：a u d i 公司 用d s p a c e 实现了a b s 控制器测试台；德国的铁路运输巨头a d t m n z 则用d s p a c e 实现了电力机车的仿真：美国的b o e i n g ，c a l s p a n 公司用d s p a c e 进行飞jj ：器的控制 浙江大学硕士学位论文 系统设计和仿真。还有一些研究部门如荷兰的d e l f t 工业大学、日本的w a s e d a 大学 等用d s p a c e 进行机器人控制算法的研究。而且，由于d s p a c e 的高度可靠性，许 多工业用户用d s p a c e 实现工业过程控制，如a c h e n b a c hb u s c h u t t e n 公司就依赖 d s p a c e 的高可靠性来控制型材的平面度：丹麦的g r u n d f o s 还用d s p a c e 来验证专 用集成电路的设计可行性【2 1 。 1 1 4d s p a c e 系统在国内高校的应用 目前d s p a c e 系统在国内的高校应用也甚为广泛。譬如： 东南大学自控系的硕十研究牛田友吲3 】【4 1 ，基于d s p a c e 的单板系统d s l l 0 3 实时 硬件平台对感应电机进行变频调速。在m a t l a b s i m u l i n k 软件环境中构建异步电机的 数学模型和控制算法。在驱动、逆变和检测电路和实体电机的基础上，通过d s p a c e 的快速控制原型功能，在m a t a l b s i m u l i n k 中不断调试算法，实现代码的生成和下 载。对感应电机的矢量控制方法做了实验研究，实验证明d s p a c e 可以快速验证控 制算法。 江南大学的硕士研究生吴定会，使用d s p a c e 的标准组合系统d s 2 2 0 1 和 d s 4 0 0 2 ，在d s p a c e 系统卜实现了三相感应电机的矢量控制1 5 1 。 清华大学电机工程与应用电子技术系的卢子广【6 】【7 1 1 8 ，利用d s p a c e 的单板系统 d s l1 0 3 进行了电力驱动系统实时控制虚拟实验平台的研究，在m a t a l b s i m u l i n k 软件平台上建立了控制器、逆变器电机传感器模型，再与d s p a c e 系统的 i o 硬件模型建立实时仿真系统。实时仿真系统具有与实际系统的硬件接口，可以与 实际控制器或者实际的逆变器电机系统直接相连，构成硬件在回路仿真测试系统或快 速控制原型系统。 另外，国内的江南大学、上海大学和东北大学等几所高校都对d s p a c e 有一定 的研究和使用【9 l 【1 o 】【1 l 】【1 2 1 。 d s p a c e 使得控制系统的丌发、产品型控制器的仿真测试变得更加方便易行，大 大加快了新产品的研制速度，也使技术研究人员对控制算法及仿真测试方案的研究进 入更高的境界。 浙江大学硕士学位论文 1 2 感应电机直接转矩控制系统现状和发展趋势 交流电机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩控制困难，其动 态性能不如直流电机优良。1 9 7 1 年德国学者f b l a s c h k l e 提m 了矢量变换控制的原理， 为高性能的现代交流调速系统奠定了理论基础。矢量变换基础采用了参数重构和状态 重构的现代控制理论概念，实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解 耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统 的动态性能得到了显著的改善和提高。矢量控制理论【1 3 1 的提出和成功应用，开创了 ， 交流调速系统取代直流调速系统的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣 和热情。 但是，矢量控制也有彳i 尽人意之处。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，以及在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以达到理论分析的结果【1 4 1 。 上世纪8 0 年代中期德国的m d e p e n b r o c k 提出了定子磁场控制的直接转矩控制 技术( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，同本的1 t a k a h a s h i 和n o g u c h i 也在同一时期提出了该技 术。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标 系上进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩。 因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，转矩 响应迅速，动静念特性优良，目前受到广泛的关注，并得到迅速的发展。 直接转矩控制的丰要特点有f 1 4 】： ( 1 ) 直接转矩控制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做比较、等效、转化：既不需要模仿 直流电动机的控制，也小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 转变化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。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向以定子磁链为被控制景，而矢量控制磁场所用的是转 浙江大学硕士学位论文 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 ) 直接转矩控制采用非线性的砰一砰控制，它的控制效果不取决于电动机的数 学模犁是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简化。 综上所述，直接转矩控制技术采用空间电压矢量分析方法，在定子坐标系下计算 上j 控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于b a n g - - b a n g 控制的方式产生 p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能，无须复 杂的欠量变化与电动机数学模型的简化处理，控制思想新颖，控制结构简单，控制手 段直接，转矩响应迅速，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。 尽管d t c 有诸多优点，但是目前在理论上尚不成熟。直接转矩控制经典模型所面 临的丰要问题是低速性能较羞、切换频率不固定和转矩脉动较大等问题。为了解决上 述问题国内外学者做了大量工作对d t c 的研究主要集中在以下几个方面【1 5 】【1 6 】： ( 1 ) 磁链模型的改进：传统d t c 使用简单易实现的u i 模型计算磁链，当电机 工作于较高转速时，该模型精度较高，但在低速或由于模型自身的缺陷使得磁链观测 的精度严重下降。目前改进方案的主要思路是改进u i 模型，以克服其固有缺陷，或 采用闭环观测器来估算磁链同时结合智能控制方法增加系统的抗干扰能力减小参数 变化的影响。 ( 2 ) 新型磁链和转矩控制方案：传统的d t c 系统采用b a n g b a n g 控制器会引起磁 链和转矩的脉动问题。磁链和转矩控制器的优化方向主要是改进滞环调节方案或用新 型的调节器代替滞环调节器。 ( 3 ) 电压空间状态矢晕的改进：d t c 最终都是通过选择合适的电压矢量输出给 逆变器，然后逆变器产生相应的电压脉冲序列达到控制电机运转的目的。传统的d t c 系统中在一个采样计算周期内，电压矢量一旦选定，在本周期内便保持不变，但是单 一矢量输出不能保证刚好补偿预先估计的误差，从而导致了转矩和磁链的较大波动。 通过在每个采样计算周期内插入一些零电压矢量可以减小这种波动。目前使用较多的 是占空比调节技术和空间欠量调制技术。这些算法大部分计算简单，效果明显，冈此 具有较强的实用价值 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 无速度传感器技术：是当前直接转矩控制中的个热点。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中，根据等值电路求取 电机转速。日本在无速度传感器领域处于领先的地位，国内起步较晚。1 9 9 5 年清华 大学司保军等提出一种速度辨识的自适应律，随后将其用于d t c 系统：2 0 0 1 年南京 航天航空大学的李磊等在基于d s p 的无速度传感器直接转矩控制方面取得了很好的 实验成果。 ( 5 ) 系统数字化实现：微处理器性能的大幅度提高为d t c 技术的应用奠定了坚 实的基础。d t c 的数字化实现成为了近年来的研究热点之一。 1 3 三相感应电机系统故障研究分析概况 1 3 1 感应电机故障分析的必要性 感应电机作为驱动设备，以其结构简单、价格低廉、使用方便而在工业、农业、 交通运输、国防工程以及日常生活中取得了广泛应用，是一种用量最大、覆盖面最广 的电机。作为动力设备，电机的正常工作对保证生产过程的安全、高效、敏捷、优质 及低耗运行意义十分重大。 通常情况下，感应电机结构比较牢固，其寿命也比较长，但和其他任何产品一样， 它的寿命终究是有限的，都有一个从“投入一运行一稳定一失效”的过程，在一些特殊 运行条件下更是如此【1 7 1 1 8 】。如电力系统中的高压电动机必须反复启动、制动，运行 机制非常复杂，加上电机本身某些结构设计不合理，生产制造时存在有缺陷，故障隐 患很多。有时人为的操作不当甚至违章操作等，也会使电机寿命大打折扣。如果能及 时发现电机故障，并在故障甲期进行维修，则可延长电机的使用寿命：反之，则其故 障状态将迅速蔓延，造成恶性事故。特别是随着工业领域自动化水平日益提高，系统 的规模也越来越大，牛产系统中采用的电机数量不断增加，单机容量也在不断提高， 电机的故障和突然停止运行，不仅会损坏电机本身，还会影响整个系统的正常工作， 甚至危及生产人员的人身安全，造成巨大经济损失和恶劣影响【1 9 】【2 0 】1 2 1 1 1 2 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 因此，对电机故障状态的研究分析，为实际电机故障解决方法提供理论依据，防 止电机发生故障，避免重大事故的发生，减少事故危害性，保证电机高效、可靠运行， 具有非常重要的意义。 1 3 2 感应电机本体主要故障类型 感应电机是由定子、转予、轴承和气隙等几个部分组成，虽然其总体结构比较简 单，却具有极为复杂的机、电和磁等物理其至化学的演变过程。由于受供电电源、负 载性质、运行机制、安装环境以及地基等的影响最常见的故障主要有以下几种： 1 定子绕组最常见的故障丰要包括绕组匝间短路、相间短路和绕组接地等，故 障原因主要是由于电机长期运行发热，绝缘老化或工作环境中水分、尘埃等物质与绝 缘体相互作用，使绝缘击穿，或电机工作中各种电磁力、机械力冲击作用，使绝缘损 坏而造成短路。这类故障的明显的标志是绕组出现局部过热，相电流的对称性被破坏， 转矩降低，蜂鸣和振动加剧。这些故障一旦发生，不仅会导致电机损坏，而且有可能 导致牛产线中的其他设备损坏，造成长时间的停产，后果严重。 2 转子绕组故障主要为鼠笼型转予断条故障和端环断裂故障，其原因有以下几 种：在生产制造过程中的质昔因素潜伏隐患未被发现；运行过程中的疲劳损坏；起动、 过载运行中的较大的热负荷、电磁力冲击等。 3 电动机的转予偏心故障可分为静态偏心和动态偏心。静态偏心主要由于定了 铁芯呈现椭圆形或定转子定位不准确( 即定子和转子的轴心相偏离) 引起，其特点是 气隙最小长度相对于定子的空间位置固定不变，圆周空间的气隙人小在不同位置上也 基本不变；而动态偏心是由于转轴弯曲和高转速时的机械共振等原因引起，其特点是 转子巾心偏离旋转中心，从而使最小气隙的位置随转子的旋转而变化，这表明动态偏 心是空间位置和时间的函数，而静态偏心只是空间函数。这些故障的出现，将造成电 磁彳i 平衡，气隙磁场分布升i 均，产生单边磁拉力和谐波力矩，出现振动和噪声。情况 严重时，定子和转子之间会直接相互摩擦，致使电流过大而将电机烧毁，造成突然停 机和停产。在实际使用中，一定的偏心是允许的，即使在一一部新装配的机器中，由于 生产加工和安装的误差总会使电机存在一定的静态或动态偏心。随着电动机的运行时 浙江大学硕士学位论文 问的增加，偏心的程度会不断加剧，以敛最终损坏电机。 4 电机轴承故障：电动机的转子在工作中要承受各种复杂的交变的应力，冲击 性负荷会激发扭转振荡，使轴系疲劳甚至断裂。轴承故障约占故障总数的4 0 ，且 多发生在长时间运行的电机上【2 3 】【2 4 1 。 1 3 3 三相逆变器供电的感应电机系统的故障类型 在d t c 状态下的感应电机为逆变器供电方式，其故障除电机本体故障外，还存 在逆变器系统故障。所谓逆变器系统故障，是指系统的运行处于不正常状态，逆变器 相应的输出超出容许范围，使逆变器的功能低于规定的水平。据统计，8 0 的控制系 统失效都源于元器件的故障。三电平逆变器装置中，主电路功率开关器件是其中最易 于发牛故障的薄弱环节。图1 3 1 所示为常见的三电平逆变器的主电路。 图1 3 1i 相逆变器主电路 逆变器故障模式可分为以下几种： 1 某一功率开关器件基极驱动故障( e ) 2 某一功率开关器件短路故障( e ) 3 某功率开关器件间歇性断路故障( e ) 4 某相桥臂几个功率开关器件同时断路故障( 或逆变器输出缺相故障) ( ) 5 某一桥臂几个功率开关器件同时短路故障( e ) 6 交叉两桥臂几个功率开关器件同时断路故障( 圪) 浙江大学硕士学位论文 7 无源元件失效故障( 丘) 二电平逆变器上的开关元件通常由独立的基极驱动电路驱动，驱动电路单元的故 障通常表现为驱动电源失效，元件击穿或开路，最后造成第一类故障互，其故障特 性为控制极击穿或断路，即开关元件断路故障。故障只可能是由于开关元件的反向 击穿所引起，也可能是由于桥臂的绝缘破坏或并接在元件两端的吸收回路短路所造 成。故障只多是由于控制电路元件性锥变差或电磁兼容性差，例如电路自激，导致 开关元件基极驱动出现故障，这会使逆变器电压输出波形变差，引起其它元件过载。 故障e 可能由于基极电路故障所致。故障巧产生的原因很多，如同一桥臂功率元件互 锁延迟时间太小，过大的宰在漏栅极之间产生转移电流而形成误导通等，任元件短 a t 路后造成另一元件开关应力增大也致使其短路破坏。故障瓦可能由门极故障、串接 熔断器熔断或触发脉冲丢失所致。故障、忍、e 这三种故障都会造成整个逆变器 失效。故障只往往表现为电容击穿、漏气爆炸、电感饱和、电阻器烧断等现象，这也 会直接造成逆变器失效渊【2 6 】【2 7 】。 d t c 控制系统的三相逆变器的功率开关器件工作在高频开关状态，损耗较大，发 热严重，发生故障的概率大，实际运行情况表明，大多数故障表现为功率开关器件的损 坏，其中以功率开关器件的开路故障和直通故障最为常见。短路故障由于存在的时间 非常短，在线实时检测难度很大，且短路故障会导致过流保护，因此如果系统中有电流 传感器和过流保护，该故障很快被检测到。开路故障不会导致过流，然而系统可以“带 病”运行。由于器件发生故障的桥臂不能输出电压，逆变器的输出电流回路中断，这将 使得输出电压幅值减小，虽然系统也可能有欠压保护，但这种保护的适应范围也很有 限，在系统实际运行中很难被发现。输出电压的不正常将导致电机工作不正常，并且 有可能对电机造成损坏，所以对功率开关元件的开路故障进行分析研究也是非常有必 要的1 2 8 】。 浙江大学硕士学位论文 1 4 课题研究的目的和主要内容 近年来，作者所在的课题小组都是采用以d s p 芯片为核心的控制平台来控制对 象，发现在软件实现上比较烦琐，尤其为了提高执行的效率需要用汇编语言来编写程 序，这就需要耗费大量的精力，科研进程缓慢。为此，本项研究的目的是采用d s p a c e 实时仿真平台，利用其高速计算能力的硬件系统及方便易用的代码生成、下载和试验、 调试的软件环境，适当的扩充外围电路，实现对感应电机调速控制及直接转矩控制算 法的验证，并在此平台上进行感应电机直接转矩控制系统的故障分析。 具体研究内容如下： 1 建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的感应电机直接转矩控制系统离线仿真模型，对 感应电机直接转矩控制系统空载和负载运行进行仿真研究； 2 以d s p a c e 中的r t i 模块代替离线仿真中的接口和逻辑信号，得到基于 d s p a c e 的感应电机直接转矩控制的在线仿真模型。利用d sp ：a c e 的软件环境 完成程序的编译和下载，得到控制系统的软件实现； 3 设计并构建基于d s p a c e 的感应电机控制系统的外围硬件电路，主要包括主 回路、控制回路和电源三部分。主回路主要采用集成度较高的功率元件i p m ： 控制回路主要包括控制器、数据采集单元和保护电路。 4 利用样机在d s p a c e 实验平台上实现感应电机直接转矩控制的空载及负载运 行； 5 建立逆变器供电的感应电机故障模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中对故障运行状态 做离线仿真分析，并在d s p a c e 实验平台上对故障运行进行了实验分析，验 证了仿真故障分析的正确性，为电机故障解决方案提供数据参考。 浙汀大学硕上学静论文 第二章基于d s p a c e 的感应电机直接转矩控 制系统 摘要：本章建立了基于d s p a c ed s l1 0 3 单板系统的感应电机直接转矩控制系统的半 实物仿真平台，设计了包括驱动、数据采集、保护和电源电路等在内的外围硬件电 路，利用d s p a c e 的r t i 模块进行算法软件的编译、下载与实现，并在样机上进行 了实验研究。 直接转矩控铝1 ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 是一种新型的高性能交流调速传 动控制技术，它摒弃了矢量控制中解耦控制思想，很大程度上解决了矢量控制中计 算复杂、特性易受电动机参数变化的影响等一些技术问题，采用定予磁链定向和电 压空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标系下观测电机的磁链、转 矩，并将观测值与给定的磁链、转矩相比较，差值经滞环控制器调节后得到相应的 控制信号，通过滞环控制器输出的控制信号选择电压空间矢量，实现对电机定子磁 链和转矩的控制。直接转矩控制的交流感应电机变频调速系统具有优越的动静态性 能，已成为交流传动领域的研究热点之一。 2 1 感应电机直接转矩控制系统的数学模型 控制系统的最终目标是把控制变量的瞬时响应和稳态误差控制在要求的范圊之 内。因此在选择最佳的控制方式之前必须对系统的静态和动态特性进行充分的研究。 感应电机是交流调速控制系统中丰要的环，对它的研究显得尤为重要。而感应电 机的动静态特性以及控制技术又远比直流电动机复杂，因此建立一个合适的感应电 机数学模型是研究交流调速系统动、静态特性及其控制技术的理论基础。 二相感应电机是一个高阶、时变、非线性、强耦合的系统。在研究动态过程时 为了避免数学上和物理概念上的复杂化，能用易于理解的动态方程水表达感应电机 浙汀大学硕上学位论文 主要参数和状态变量之间的关系，通常对三相感应电机作如下的理想化假定： 1 电机三相定子绕组和转子绕组在空间均匀对称分布，即在空间互差1 2 0 0 电角 度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布，忽略空间谐波； 2 各相绕组的自感和互感都是恒定的，即忽略磁路饱和的影响； 3 忽略铁心耗损； 4 不考虑频率和温度变化对电阻的影响。 本论文就是在上述假设条件下，对感应电机的数学模型进行分析和推导。1 2 1 1 感应电机的数学模型1 2 8 i 经过坐标变换后的a d o ，坐标系下的感应电机模型如下。 电压方程： u s u p s 0 0 r | + l 、p o 三口 ，行。 三国 ，刀， 0 r s + c p 一工 所c d ， 三 口 m 。 三p ，”一 o r + 厶p ， 0 o p ，打 o 月+ 厶p ， i s i b s f ， l b r 其中： 劬一一转予转速 i 旷一同步转速 p ，广_ 电机极对数 p 微分算子，d d t 0 上。仪p o 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感，厶= k z 磁链方程： 巨 其中： l 0 0 t k0 0 k 厶0 0 丘 0 0 l ， l “ l8 s l 口r 1 8 r t 一一o c p o 坐标系下定子等效两相绕组自感，厶= l + 厶， 三，0 c b o 坐标系下转子等效两相绕组自感，厶= 厶+ 厶， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 浙汀大学硕土学倚论文 电磁转矩方程i l = p n l m q b 。r i 。s i b j 转矩运动方程： 互母丢警 2 1 2 感应电机直接转矩控制系统的基本组成 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 1 1 直接转矩控制基本框图 直接转矩控制采用定子磁链定向，将定子观测磁链、转矩与给定的磁链、转矩 相比较，差值经滞环比较器得到相应的控制信号，综合转矩控制要求信号和磁链控 制信号选择合适的电压空间矢量，使之满足电机转矩、磁链的控制需要。图2 1 1 所 示为直接转矩控制基本框图。系统主要南转速p i 调节，磁链转矩观测器，转矩、磁 链滞环调节和电压矢量开关信号选择单元组成。 1 转速p l 调节：转速调节器实现对转速的控制。转速调节器的输出的是直接转 矩控制的转矩给定值。 2 磁链转矩观测单元：磁链转矩观测单元通过定子相电流，电压矢量开关状态 信号和直流母线电压来计算电机的定+ 于磁链，电磁转矩。 3 滞环调节单元：直接转矩控制系统中有两个滞环调节器：磁链滞环调节和转 矩滞环调节。磁链滞环调节实现磁链的控制，输入是给定磁链与观测磁链的差值。 浙汀大学硕上学位论文 转矩滞环调节实现转矩的控制，输入是给定转矩和观测转矩的差值。 4 电压矢量开关信号选择单元：该单元综合滞环调节单元的输出信号，选择输 出合适的电压矢量开关信号来控制逆变器功率管。 1 转速p l 调节 调速系统一般都以转速为被控量，使实际转速跟随给定值变化。为了达到良好 的调速性能，需要通过一个闭环系统来实现。实际系统中，使用较多的是速度p i 控 制器。p 为比例系数，i 为积分环节，作用是调整稳态误差。p i 控制器的输入是由电 机检测出的实际转速与给定转速的差值，输出为给定电磁转矩。当电机的实际转速 与给定转速不相符时，控制器产生相应的给定转矩值，不断调整，最终使实际转速 稳定在给定转速上。 2 磁链观测及控制 1 ) 磁链观测 定子磁链观测是直接转矩控制技术中的重要环节。根据转速范围，丰要有三种 磁链模式：u i 模型、i - n 模型和u 1 1 模型。其中u 1 1 模型是综合了u i 模型和i - n 模型 的优点，同时解决了两模型间的切换问题【2 9 1 1 3 0 】【3 1 3 2 】【3 3 】1 3 4 1 。 ( 1 ) u i 模型：用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法叫u i 模型法。其计 算方法如式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 所示。这是一种简单、常用的模型。在中高转速时可以采 用此模型。此模型的主要缺点是：电机转速和频率较低时，玩( ，) 的模值小，t ( f ) 足项 补偿不准确带来的误差就大。 = i ( ，一么r ) d t( 2 1 5 ) 2j ( , a s 一么。n ) d t ( 2 1 6 ) ( 2 ) i - n 模型：用定子电流和转速来确定定子磁链的方法叫i - n 模型法。该模型根 据转了磁链电流方程，如式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) ，利用定子电流和转速信号水观测定子磁 链。 浙i t 大学颂上学位论义 j 。：= 笋妒么，_ c r j 巳，乞 。：。；， i 吵毋= 每。矽砂+ 仃t 加 。“0 k ：二f ，7s 势、 t d t t o ) i u d o t o ) 、 。，7 、3 u z ( 0 0 1 ) 图2 1 2 六边形磁链 磁链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 产牛相应的电压空间欠量，控制磁链按六边形运动轨迹正确的旋转。 如图2 1 2 所示为六边形磁链及轴二相坐标系队、艮、艮。 六边形轨迹的定子旋转磁链空间矢量在三相坐标系统，孱和屈，轴上的投影， 可以得到三个相差1 2 0 0 相位的阶梯波，它们分别为定子磁链的沙自，缈岛和沙甩分量。 7 0 0 红c 生乃 + + 缈 缈 少 v v 缉 q 一 一 彬 v ，一z一乃 一 一 = = 耽 浙汀大学硕上学俺论义 如图2 i 3 ( a ) 所示。 区段 s o l a ( b ) s