（电力电子与电力传动专业论文）直接转矩控制的异步电机调速系统仿真研究.pdf

些查篓矍二奎耋三耋竺老兰堡丝兰 压矢量和电流直接控制技术用于三相电压型整流器的理论正确性与可行性， 并且提出了基于功率直接反馈的直接转矩一体化控制系统新思想。 关键词异步电动机；直接转矩控制；磁链观测器；电压空间矢量；整流器 竺垒堡矍三叁兰三兰丝当兰竺丝兰 r e s e a r c ho na c s p e e dr e g u l a t i o ne m u l a t i o no f a s y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do nd t c 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 lt h e o r yi sak i n do fn e wc o n t r o lm e t h o da f t e rv e c t o r c o n t r o lt h e o r yi na cc o n t r o lf i e l d i tc a l c u l a t e sa n dc o n t r o l st h et o r q u ea n dt h e f l u xo fa ce l e e t r o m o t o ri ns t a t o rc o o r d i n a t eu s i n gt h ev o l t a g es p a c ev e c t o r a d o p t i n gt h es t a t o rm a g n e t i s mf i e l dd i r e c t i o nm e t h o d c o n t r o l st h es w i t c hs t a t eo f t h ei n v e r t e rw h e nb e t t e rq u a l i t ys t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ei sp r o d u c e d t h ep a p e rs t a r t sb yr e v i e w i n gt h eb a s i cm a t hm o d e lo fa na s y n c h r o n o u s m a c h i n ea n do fap w mi n v e r t e ru s i n gt h es p a c ev e c t o rt h e o r y i ta l s oa n a l y z e s t h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 t h et w os t a t o rf l u x o b s e r v i n gm o d e l so fu - ia n di - na r ed e r i v e da n dt h ep r o p e ra r e aa n df e a t u r e so f t h e s et w om o d e l sa r ea n a l y z e d t h e nau - nm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ei nt h er a n g eo f a l ls p e e di sd e r i v e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e sa n dt h e p r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i sa b o u t h e x a g o na n dr o u n dt r a c ko ff l u xi sp r o p o s e di nt h ep a p e r i nt h er e s e a r c h e sa b o u t h e x a g o nt r a c k ，s m i t ht r i g g e r sa r eu s e d ，s oi sf l u xs e l f - c o n t r 0 1 a st or o u n dt r a c k t h em e t h o do fv o l t a g ev e c t o rs e l e c t i o ni st a k e na n da ni m p r o v e ds t a t o rf l u x l i n k a g er e g u l a t o ra n dt o r q u er e g u l a t o ri sp r e s e n t e dt og e tq u i c kt o r q u ec o n t r 0 1 w ec a ns e l e c tt h ep r o p e rv o l t a g ev e c t o rb yt h ep o s i t i o na n dm a g n i t u d eo fs t a t o r f l u xa sw e l la st h em a g n i t u d eo ft o r q u et ok c 印t h es y s t e mu n d e rc o n t r o le v e na t t h er a n g eo fa l ls p e e d as i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e p a c k a g ef o rt h ep u r p o s eo fv a l i d a t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mw i t ha d i r e c tt o r q u e i nt h e p a p e r , p a r t s o ft h es i m u l a t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e s i m u l a t i o n m o d e l i n g o fa s y n c h r o n o u s m a c h i n e ，f l u xo b s e r v a t i o n ，t o r q u e 1 1 1 睁尔泞珲t 大学t 学碲十学竹伶文 o b s e r v a t i o n ，i n v e r t e r , s e c t o rs e l e c t i n g ，s w i t c h i n gt a b l e 。t o r q u er e g u l a t o ra n df l u x r e g u l a t o re r e l a s t ，t h er e s u l t sw e r es i m u l a t e di n d i c a t e dap e r f o r m a n c ea t i n c r e a s i n g l o a d ，d e c r e a s i n g - l o a d ，a c c e l e r a t i n g a n d d e c e l e r a t i n g t h o s e d e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e v e l o p e ds i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ef l u xl i n k a g er e g u l a t o ra n dt o r q u er e g u l a t o rw h i c hi sw o r t hi n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n w i t hi t sg o o dp e r f o r m a n c e s t h ed t c t e c h n i q u ea t t r a c t sa l o to fr e s e a r c h e r s t os t u d yo ni t ，a n dg e tg r e a ti m p r o v e m e n t si nr e c e n ty e a r s n o w , t h ea cm o t o r c o n t r o ls y s t e mw i t hd t ct e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di nm o r ca n dm o r ef i e l d s b u t m o s to ft h ep o w e rc o n v e r t e r so fa cm o t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hd t ct e c h n i q u e a r ea c - d c - a cc o n v e r t e r s 。i nw h i c ht h er e c t i f i e r sa r ec o m p o s e do fd i o d e s t h e w i d eu s eo ft h i sk i n do fc o n v e r t e r sw i l ls e r i o u s l yp o l l u t et h ep o w e rn e t w o r k w c c a l lt h ea cm o t o rc o n g o ls y s t e mw i t hd t ct e c h n i q u ei nw h i c ht h r e e p h a s e v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ( v s r ) b a s e do nt h es v p w md i s p l a c e dt h er e c t i f i e r s c o m p o s e do fd i o d e s t h i sk i n do fs y s t e mi sp o s s i b l et oc o m b i n et h ea d v a n t a g e s o fv s rw i t hd t cs c h e m e s t h i sp a d e ri st ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e a p p l i c a t i o n s o fv s ri nd t co fi n d u c t i o nm a c h i n e s t h e o r e t i c a l l ya n db y s i m u l a t i o n s t h e nac o n t r o lm e t h o df o rc o n v e r t e rb a s e d0 nt h ed i r e c tp o w e r f e e d b a c ki sr a i s e d k e y w o r d sa s y n c h r o n o u se l e c t r o m e t e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；f l u xl i n k a g e o b s e r v e r ：s p a c ev o l t a g ev e c t o r ；r e c t i f e r - i v 哈尔滨理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文直接转t t 争；制的肄步电机 调速系统仿真研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理l 歹、学攻捩坝上学 位期日j 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论爻r - i ，除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工f f l ： 出贞献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结粜将完全由本人承 担。 作者签名 彩) 灰 同期：一6 年j j 加h ， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 直接转矩控制的异步电机调速系统仿真研究系本八r _ ：哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。砷论文的研究成果 ，1 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单f ? 6j 名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规忘。，州意学校保留 并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被奁阅和借? 髓。本人授权哈尔 滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，i 以公旬论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授杖 ； 不保盔凸 作者躲糊炙 铷繇纺考乏 厶￥。珍锄 j 仇 同期：，f 年j j 沙r 嗍矿绷 哈尔滨理工大学- 学碜七学位论文 第1 章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展概况 1 1 1 交流电动机调速技术的发展和现状 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、 国防、科技、及社会生活等各个方面。电动机作为把电能转换为机械能的主要 设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根 据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何 对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响为了控 制电动机运行，就要为电动机配上控制装置。交流电机+ 控制装置= 交流调速系 统。由于直流电机在结构上存在机械式换向器，使得直流调速系统的应用受 到了限制。采用无换向器的交流调速传动设备代替直流调速传动可以突破这个 限制，满足生产发展对调速传动的各种不同要求。m ，。 然而，长期以来由于受到可以发展的限制，把交流电机作为调速电机的困 难问题未能得到较好的解决，只有一些调运性能差、低效耗能的调速方法：2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重 视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的 迅速发展为交流调速的发展创造了锻为有利的技术条件和物质基础“1 。交流调 速理论及应用技术大致沿着以下四个方面发展： 1 电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促使了交流技术的迅速发展和交流 装置的现代化。 2 脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各种交流调 速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。 3 矢量控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。 4 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交 流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。 交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交 流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应 哈尔滨理工大学工学砺士学位论文 用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造 了技术和物质条件“”，。 2 0 世纪9 0 年代以来，电气传动领域面貌焕然一新。各种类型的鼠笼式异 步电动机压频比恒定的变压变频调速系统、同步电动机变频调速系统、交流电 动机矢量控制系统、鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统等在工业生产的各个 领域中广泛应用，覆盖了电气传动调速控制的各个方面。 实践证明，交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大 的经济和社会效益。现在，交流调速系统已全面、逐步取代直流调速系统在电 气传动领域占据统治地位。 ， 1 1 2 现代交流调速系统的发展趋势和动向 纵观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展 趋势和动向： 1 控制理论与控制技术方面的研究与开发。应用实践表明，矢量控制控制 和直接转矩控制技术及其他现代控制理论的应用进一步提高了交流调速系统的 控制性能。为了建立交流调速系统的合理适用的控制结构，需要对交流电机数 学模型的性质、特点及内在规律作深入的研究和探讨。不依赖电机模型的模糊 自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法在交流调速系统中的应用，成为 交流调速控制理论、控铝4 技术新的研究发展方向”。 2 变频器主电路拓扑结构研究与发展。谐振直流环逆变器，使电力电子器 件在零电压或零电流下转换，工作在“软开关”状态下，从而使开关损耗降到 零，提高了变频器输出效率。采用软开关技术也可以有效地抑制电磁干扰。 3 p w m 模式改进与优化研究。近年来，随着中压变频器的兴起，对于电 压空间矢量p w m 模式进行了改进和优化研究，为了解决三电平变频器中点电 压偏移问题，研究了电压矢量合成p w m 模式。级联式多电平中压变频器的脉 冲移相技术已经得到了应用 t e l e 1 2 直接转矩控制技术概况 1 2 1 直接转矩技术的产生与发展 直接转矩控制技术是在2 0 世纪8 0 年代中期继矢量变换技术之后发展的一 种异步电动机变频调速技术。 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术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，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的 转矩和磁链控制的完全解耦。这具有很重要的意义。然而，实际上由于转子磁 链难以准确观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电 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以达到理 论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处“”1 。 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 上首先提出，1 9 8 5 年由德 国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o e k ) 教授首次取得了实际应用的成功，接着 1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围“”。不同于矢量控制技术，直接转矩控制由 着自己的特点，在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 数影响变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直 接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优 良的静、动态性能受到普遍的关注并得到了迅速的发展。 1 2 2 ，直接转矩控制系统的特点 采用直接转矩控制的异步电动机变频调速系统，电机磁场接近圆形，谐波 小、损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。直接转矩控制系 统的主要特点有： 1 直接转矩控制时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，也不需要为解耦而简化交流电动机的 数学模型，省去了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，所需要的信号处 理工作比较简单，所用的控制信号易于观测者对交流电动机的物理过程作出直 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 以观测出来。而矢量控制的磁链定向所用的是转子磁链轴，观测转子磁链需要 知道电动机转予电阻和电感。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问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。 哈尔滨理工大学_ 学硕士学位论文 与矢量控制方法不同，直接控制转矩不是通过控制电流、磁链等量来间接 控制转矩，而是把转矩直接作为被控制量进行控制，强调的是转矩的直接控制 效果其控制方式是，通过转矩滞环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，容差的大小还可以由转矩调节器 来控制。因此，它的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，直接转矩控制技术，用矢量的分析方法，直接在定子坐标系基 础上计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助于滞环调节器调 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。它省去了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程， 控制简单，控制手段壹接，信号处理物理意义明确。转矩相应迅速，限制在一 拍以内，且无超调，是一种具有较高动态相应的交流调速技术“”“”。 1 3 整流器概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，从早期广 泛使用的半控型功率器件半导体开关，发展到现在性能各异且类型诸多的全控 型功率开关。功率半导体开关技术的发展，促使了电力电子变流装置技术的迅 速发展，出现了以脉宽调制( p w m ) 控制为基础的各类交流装置，这些装置在国 民经济领域得到了广泛应用。但是，这些变流装置很大一部分需要整流环节以 获取直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相 控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成严重的电网“污染”。 治理这些电网“污染”的根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化， 且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，受到了关 注，并展开了大量的研究工作。其主要思路就是，将p w m 技术引入整流器的 控制中，整流器网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，能量可双向传输， 真正实现“绿色电能转换”“”。 传统的相控整流器，虽然应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用， 但仍存在问题：晶闸管换相引起网侧电压波形畸变，网侧谐波电流对电网产生 谐波“污染”，网侧功率因数较低，闭环控制时动态响应相对较慢；二极管整 流，虽然改进了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流“污染”电 网。另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对这些不足， p w m 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改 哈尔浚理- 大学t 学颐t 学位论文 进在于用全控型功率器件开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以p w m 斩控整流取代相控或不控整流”。因此，p w m 整流器取得了优良性能；网侧 电流为正弦波，网侧功率因数可控，电能双向传输，较快的动态控制响应；可 以看出，p w m 整流已不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于电能的双向 传输，当p w m 整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态；当p w m 整流器运行 于单位功率因数整流状态时，网侧电压、电流同相( 正阻特性) ；当p w m 整流 器运行于有源逆变状态时，其网侧电压电流反相( 负阻特性) 。 综上可见，p w m 整流器实际上是一个其交流，直流侧可控的四象限运行 的变流装置“。 1 4 研究的主要内容 本文主要对异步电机直接转矩控制的原理进行分析和改进，建立数学模型 并仿真同时对三相电压型整流器原理进行分析，组成无污染的整流和高性能 的直接转矩一体化控制系统，实现“绿色电能转换”。研究的内容主要有： 1 j 分析推导不同坐标系下异步电动机的等值电路，建立数学模型。在电机 模型的基础上分析磁链观测方法；在空间矢量理论的基础上推导逆变器的基本 数学逻辑关系。然后分析直接转矩控制系统的基本原理。 2 根据直接转矩控制原理，分别对六边形和近似圆形磁链轨迹的理论进行 仿真实验分析。在六边形磁链控制系统中，采用自己建立的异步电动机和逆变 器数学模型。为了更接近于实际，在近似圆形磁链控制中，采用磁链和转矩观 测模型对定子的磁链和转矩进行观测，同时对传统的磁链和转矩调节器进行改 进，以加快转矩和磁链的跟踪速度，提高系统的动态性能。 3 利用m a t l a b s i m u l i n k 平台建立系统模型并进行仿真，对加减负载和 加减转速各种情况下系统的磁链轨迹、电流、电压、电机电磁转矩、电机转速 等反映电机运行性能的量进行分析。测试改进的直接转矩控制系统的稳态、动 态特性。验证建立的异步电机和逆变器模型的正确性。 4 分析三相电压型整流器网侧电压的矢量关系，将空间电压矢量和电流直 接控制技术引入到三相电压型整流器控制中，以实现整流器网侧电流正弦化， 且运行于单位功率因数。用这种整流器代替传统的二极管整流，应用于直接转 矩控制系统中，以形成对电网无污染的、高性能的“绿色”交流调速系统。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章直接转矩控制基本理论 2 1 异步电机静止坐标筇上的数学模型 c ，= 信 覆一c o 秽s ( 岛- 1 2 0 ) “c o s 铲( g + 1 2 0 ) ， 根据磁势等效原则即两相系统总磁势等于三相系统总磁势以及功率不变原 则条件，三相异步电动机在三相静止坐标系上的六维数学模型“”经过图2 - l 的坐标变换，等价于式( 2 1 ) ，可以得到在印轴系上的数学模型。令瞑s 0 ； 岛= 口，可简化得到下列方程，其中岛= 一q ( q 为转子旋转角速度) ： 。= r k4 - 0 ( 2 2 ) u i b = r j i 口+ 串i b 1 2 3 。= r j m + 妒。+ 妒，b r = 0 2 - 4 t r i = r j r b + 母。口一妒。m r = 0 q 么= + k 0 ( 2 6 ) 钿= l 0q - k 0 ( 2 7 ) 堕堡堡矍三查兰三茎堡圭耋竺鍪塞 = 0 + 厶0 l f ，r 口= l r i r 口+ l j m 。口 转矩方程有电流与电流，电流与磁链，磁链与磁链三种形式： z = k ( 0 k 一如k ) z = 伟争( o y 。如) 瓦= 吾考( 一) 毛沙懈m 护 写成电流的状态方程形式为： | ：a | + b u 址 kll o j q 己 一r s l r 一，l 。l | r 厶 肆l r l 。l f 一耳厶 r l r l i q 厶 耳k 一r l r l i 耳厶 k ， k k k + t 0 一。 0 0 厶 0 一k ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 【2 1 3 ) 其中= ( t l r 一焉) 式中使用带下标，的参数表示转子参数，带下标s 的参数表示为定子参 数。l 、k 分别为定子自感、转子自感、定转子互感：”。、乙、 如分别为定予电压、电流在筇轴系上的分量；、u r p 、k 、如分别为转子 电压、电流在筇轴系上的分量；、虬口、分别为定转予磁链在 叩轴系上的分量。 异步电机转矩平衡方程： h 一号，窘寸丢一 其中，瓦为负载转矩；j 为电机转动惯量；为极对数；q 为转子旋转 电气角速度。 根据以上各式就可以构成异步电动机的空间矢量等效电路如图2 - 2 所示， 其中帆= 。对应的仿真方程式模型具体实现在第四章 袭恐 ，_lii_li-j、-itl【 竺尘圣矍三垒兰：茎竺! 兰竺鎏兰 j 翘” 图2 - 2 异步电动机的空间矢量等效电路 f i g 2 - 2s p a c ev e c t o re q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f a s y n c h r o n o u sm o t o r 2 2 逆变器模型与空间电压矢量 直接转矩控制事实上是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整体 来考虑的。通过控制异步电动机的输入电压来实现对电动机定子磁链的控制， 当对称三相正弦波电压加于对称三相绕组时，在电动机的气隙中将产生具有恒 定幅值和恒定旋转速度的磁通，这时电机将在理想的状态下运行”。当异步电 动机是由一个三相逆变器供电时，则电动机的输入电压完全取决于逆变器的开 关切换模式，而电动机磁通的波形又取决于输入电压的模式。因此直接转矩控 制的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过控制逆变器开 关正确的切换，使电动机气隙获得一个近似圆形的磁场。 2 2 1 逆变器的八种开关状态与逆变器的电压状态 当逆变器采用双极性调制时，每相上下两桥臂的开关器件是互锁的，因而 六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量，如图2 - 3 所示，、s 和芝即三个独立变量，规定开关导通状态用l 表示，关断状态 用0 表示。 e 2 e | 2 图2 - 3 理想电压刑逆变器原理图 f i g 2 - 3i d e a lv o l t a g es o u r c ei n v e r t e rs c h e m a t i cd i a g r a m 以a 相为例，逆变器输出电压与开关状态的对应关系为： 哈尔滨理- 大学t 学颂士学位论文 吒= 【一+ 舭e 1 2 , s o 。- - 。1 ( 成要o = ：罟 ( 2 _ 1 5 ) 三个开关变量咒、s 、共有八种组合，分别是( 墨足) = ( o o o ) ， ( 1 0 0 ) ，( 1 1 0 ) ，( o l o ) ，( 0 1 1 ) ，( 0 0 1 ) ，( 1 0 i ) ，( 1 1 1 ) 。这八种组合中，组合 ( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 状态下，电动机的线电压均为零，称为无效组合。其它六种组合 则称为有效组合。 2 2 2 空间电压矢量 开关变量的八种组合对应为理想电压型逆变器的7 个电压状态，其中组合 ( o o o ) ，( 1 1 1 ) 对应一个电压状态，即零电压状态。若用电压空间矢量心( f ) 来表 示，则形成了7 个离散的电压空间矢量。屹、“、“。分别为a 、b 、c 彳相定子 负载绕组的相电压，它们在相位上相差1 2 0 。 川= 弘+ e 以t 3 + 虬7 4 u 1 3 ( 2 - 1 6 ) “ 晓 m ，乏。 旦| s 1 i 一0 。0 il )”，i o l l ) 图2 - 4 电压空间矢量图2 - 5 电压空间矢量与磁链空间矢每的关系 f i g 2 - 4v o l t a g es p a c ev e c t o r f i g 2 5r e l a t i o nb e “v 嘲v o l t a g es p a c ev e c t o ra n d f l u xl i n k a g es p a c ev e c t o r 图2 - 4 描述了空间电压矢量在筇坐标系和定子三相坐标系上的相对位 置，并标出了7 个空间电压矢量的分布，其中( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 对应坐标系的原 点。电压空间矢量的幅值不变嘲，都等于4 可3 。矢量的顺序从状态“l ”到状 态“6 ”逆时针旋转。所对应的开关状态是o l1 - 0 0 1 1 0 1 1 0 0 - 11 0 - 0 1 0 ，所对应 哈尔演理工大学t 学硕士学位论文 的逆变器电压状态，即电压空间矢量是一甜，：一一一“。- - u s 。零电压矢 量7 则位于六边形的中心点。下面介绍空间电压矢量对定子磁链以及电磁转矩 的影响。 2 2 3 电压空间矢量对定子磁链的影响 本节引出六边形磁链的概念，且定义定子磁链虬( ，) = 虬( f ) 。逆变器的输 出电压( ，) 直接加在异步电机的定子上，定子磁链“) 与定子电压坼( ，) 之间 的关系为： = j ( “，o ) 一o ) 墨) 出 若忽略电子电阻压降的影响，则有 n * p ，( t ) d t ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 所以定子电压和定子磁链之间是积分关系，该关系见图2 5 。 图2 - 5 中，群，( f ) 表示电压空间矢量，| l f ，。，( f ) 表示磁链空间矢量，s 1 、s 2 、 s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是正六边形的六条边。当磁链空间矢量妒。( f ) 在图2 5 所示位 置时，其顶点在边s 1 上，如果逆变器加到定子的电压空间矢量“。( f ) 为 u 1)，根据定子电压和定子磁链之间的积分关系，磁链空阃矢量的顶点将沿,(ol 着s 1 边的轨迹，朝着电压空间矢量。( 0 1 1 ) 作用的方向运动，到达s l 和s 2 的 交点时，这时如给逆变器加上电压空间矢量u , ( o o o ，则磁链空间矢量。驴) 顶 点会按照与“。( 0 0 1 ) 平行的方向，沿着边s 2 的轨迹运动，同样，如依次给出 u , o o o 、u , o o o ) 、u , o1 0 ) 、也( 0 1 0 ) ，磁链空间矢量( f ) 将依次沿着s 3 、 s 4 、s 5 、s 6 的轨迹运动。至此，可以得到如下结论： 1 定予磁量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 作用方向，只要定子电阻压降影响相对较小，凯( f ) 的运动轨迹近似平行“，( f ) 指示的方向； 2 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量嘞白嘲4 嘞缸_ f l ， 则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边s 2 寸s 3 _ s 4 专舒一s 6 j s l 一s 2 ，形 成六边形定子磁链； 3 一个六边形代表定子磁链一个周期的运动轨迹，每条边代表着个周期 磁链轨迹的l 6 ，称之为一个区段。 直接利用逆变器的六种工作状态，简单的得到六边形磁链轨迹以控制异步 哈尔滨理丁大学t 学顾十学位论文 电机，这种方法是直接转矩控制的基本思想1 。 2 2 4 电压空间矢量对电机转矩的影响 由式( 2 1 2 ) b - j 知，异步电机转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和 磁通角口成正比，实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电机 的铁心，转子磁链幅值由负载决定，要改变电机转矩的大小，可以通过改变磁 通角口( r ) 的大小来实现。在直接转矩控制技术中，基本控制方法就是通过电压 空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而 改变磁通角的大小，达到控制电机转矩的目的。 在时刻的定子磁链少。( f 1 ) 和转子磁链”“) 以及磁通角口( ) 的位置见图 2 - 6 。从 时刻考察到f ，若此时给出的定子电压空间矢量为“。( 1 1 0 ) ，则定子磁 链空间矢量由y 。，( ) 的位置旋转到缈。( 如) 的位置，与“，( 1 1 0 ) 的指向平行。此 时，转子磁链不直接跟随定子磁链的变化，因此在到屯的这段时间里，定子 磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角口( r ) 加大，由口( ) 变为 曰( r ) ，转矩相应的增大。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y 。以) 保持在如时刻的位置不动，而转子磁链空间矢量却仍以原来速度 旋转，则磁通角减小，从而使转矩减小。通过对转矩大小的调节来控制电压空 间矢量的工作状态和零状态交替出现，就能控制定子磁链空间矢量平均角速度 的大小。通过这样的瞬间调节就能获得高动态性能的转矩特性。 以上是以六边形磁链为例介绍了直接转矩控制的基本概念和工作原理，在 实际应用中，为了获得高的动态特性和追求在低速时的控制性能，往往要求实 现圆形磁链控制。这就要通过六个电压空间矢量的组合来实现。 2 2 5 电压空间矢量的正确选择 如图2 7 所示，逆变器六个可能的工作电压状态输出六个工作电压空间矢 量。由于定子磁链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，所以磁链 只能在这六个方向上运行。磁链的任何其他方向的运行，都只能通过六个电压 空间矢量的组合来实现。用六个电压空间矢量的组合的方法，就可以实现近似 圆形磁链轨迹的运行方式。只要每个区段中的电压状态的数目足够多，圆形磁 链轨迹就能够得到很好的近似。当然，这就要求配合转矩调节器和磁链调节器 和速度调节器等控制单元，提供相应的电压开关信号“1 。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 逆变器对定子磁链运动轨迹的每个区段，可以利用的电压空间矢量有六 个，代表着定子磁链变化的六个运动方向。本节主要分析这六个电压状态在生 成圆形磁链中的特点和作用，以便在直接转矩控制中更好的利用这六个电压状 态。 ( 0 1 1 ) 图2 - 6 电压空间矢量和转矩的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o nb e t w e e ns p a c ev o l t a g e v e c t o ra n dt o r q u e 图2 - 7 电压空间矢量的作用 f 培2 - 7f u n c t i o no f s p a c ev o l t a g ev e c t o l 以定子磁链空间矢量的顶点位于区段s 4 为例分析他们的作用。图中的六 个虚线箭头代表着y 。可能的运动方向，即电压控制矢量指向的方向：方向 、。方向沿着区段s 4 的边，向着磁链旋转的正向， 称为o o 电压；方向比方向落后6 0 。，成为- 6 0 。电压。同理方向称为 一1 2 0 电压，方向称为一1 8 0 。电压，方向称为+ 1 2 0 6 电压。方向称为+ 6 0 电压。 在图2 7 中，可以直观的看到在生成圆形磁链轨迹情况下，各电压矢量对 定子磁链、方向和角度的影响程度，假设定子磁链按照图中所示方向旋转，则 u 、“。( 1和( 0 0 1 ) 的作用如下：0 0 0 )0 1 ) 1 矿电压u 磁链有缓慢减小的作用，而在后半部分，对磁链则有缓慢增大作用；该电压在 整个区段上使磁通角增大，使转矩增加。一1 8 0 9 电压u , ( 0 1 1 ) 作用正好和扩电压 作用相反，值得一提的是，该电压在迅速减小转矩方面有其独特作用，可用于 紧急刹车或制动，以及电机高低速的快速切换等。 2 “0 。电压“，0 0 1 ) 的作用对磁链和转矩都有影响，影响的大小与磁链 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 矩也较大，在区段的起始边界，磁通角和转矩增加最大。而在区段末尾，磁通 角和转矩增加较弱，并逐渐趋于零。对磁链来说，则相反，在区段的开始，磁 链量增加较小，在区段的末尾，增加较大，到达区段边界时，达到最大值。 + 1 2 0 电压u , ( 0 1 0 ) 作用正好和_ 6 0 电压相反，此处不再详述。 3 一1 2 0 。电压u , ( 0 0 1 ) 的作用电压( 0 0 1 ) 的作用是增加磁链和减小转 矩它对磁链的作用可与- 6 0 电压的作用相比较。与“o 电压作用相反， 一1 2 0 。电压在区段开始使磁链增加作用最大，在区段末尾相对较小。一1 2 0 。电压 可使定子磁链反转，从而减小转矩，它主要用在使用零电压减少转矩还嫌不够 快的场合，可用一1 2 0 。电压来加速转矩的减小，加快转矩的调节过程，同时增 加磁链。利用一1 2 0 。电压的上述特性，再交替使用其它五个电压，就可以实现 定子磁链平均频率为零时的工作状态，并使定子磁链的平均频率达到任意值， 实现各种工作状态。6 0 。电压甜。0 1 0 ) 与一1 2 0 。电压作用相反，不再详述 以上以区段s 4 为例分析了各电压空间矢量在生成圆形磁链中的不同作 用。由上述分析可知，磁链和转矩彼此分离的调节结构是没有意义的，如何合 理、有效地利用各个电压空间矢量，实时满足系统在运行过程中提出的要求， 将决定系统在全速范围内的动态性能。因此，磁链环和转矩环如何能够协调工 作，实时响应系统的请求，成为实现直接转矩控制系统的关键。 2 3 本章小结 由于三相静止坐标系下异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、多变 量和强耦合的非线性系统，通过坐标变换，得到了异步电动机在口口两相静止 坐标系上的数学模型。变换后的数学模型很容易通过仿真实现而且变换并不改 变异步电机的物理行为特性。然后对逆变器输出电压的数学特性进行了分析， 引进了空间电压矢量的概念；分析了空间电压矢量对电机定子磁链和电机转矩 的作用，最后阐述了直接转矩控制的基本思路，并且针对六边形磁链和近似圆 形磁链轨迹的空间电压矢量的正确选择进行了分析。为后面进行整个调速系统 的仿真提供了坚实的建模基础。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第3 章直接转矩控制的基本结构 3 1 异步电动机的磁链和转矩模型 要实现磁链和转矩的闭环控制，就必须将磁链和转矩的实际值准确地检测 出来。实际上，很难采用直接手段检测出转矩和磁链的实际值，因此一般都是 采用间接法，利用定子电压、电流、转速等直接测量的量，来重构转矩和磁链 的观测值。所以定子磁链的准确观测是异步电动机直接转矩控制系统的重要组 成部分，起着决定性作用”1 可以由图2 - 2 异步电机的等值电路以及式( 2 - 2 ) 到 式( 2 9 ) 可以得到磁链观测模型，共有三种形式：u - i 模型、i - n 模型、u - n 模 型。 3 1 1 电压电流模型 由式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 可以得到定子磁链的u - i 模型如图3 - 1 所示。 图3 - 1 定子磁链的u j 模型 f i g 3 - 1m o d e lf o rb t a “) rf l u x ( u - it y p e ) 用上式来确定异步电动机的定子磁链的方法有一个优点，就是在计算过程 中唯一所需要了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。式中的定子电压“。和 定子电流t 同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。u - i 模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻的 存在引起的。由于这个原因，u - i 模型只有在1 0 额定转