（系统工程专业论文）异步电机直接转矩控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 f 直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、 优良的动、静态特性受到了普遍关注并得到了迅速发展。) 体论文研究的就是基 于d s p 的全数字化的直接转矩控制系统。论文共分四个部分： 第一部分介绍了交流调速技术的发展，电力牵引技术的发展，分析了异步 电机直接转矩控制的基本原理，推导了u i 、i n 两种磁链模型。俳对这两种磁 链模型的适应范围和特点进行了分析，然后推导了全速范围都适用的u - n 模型。 u n 模型的特点是：低速下工作于i - n 模型，高速下工作于u - i 模型，高低速之 间自然过渡，加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿，大大提高了模型的 观测精度。人，尸 第二部分介绍了直接转矩控制在交一直一交电力机车牵引系统中的应用，并 根据电力机车的牵引特性，在不同的转速范围内采取不同的控制策略d f ( 1 ) 低速区：采用圆形磁链的间接转矩控制； ( 2 ) 高速区：采用六边形磁链的直接转矩控制 ( 3 ) 弱磁区：通过改变磁链给定值来调节转矩，实现恒功率调节。 文中分别介绍了这三种控制方式的基本原理及各自特点，应用 m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，并得出了仿真结 荣。k ，芦“一 第三部分介绍了实验系统，该系统是由数字信号处理器t m s 3 2 0 c 3 2 为基础 的控制电路，和由i p m 模块为主的逆变电路所组成，并做了异步电机控制的开 环s v p l j m 实验。 第四部分介绍了无速度传感器的直接转矩控制，推导了基于模型参考自适 应( m a r s ) 理论的转予转速的辨识方法，建立了转子转速的辨识模型，并得到 了仿真结果，验证了该方法的正确性。 关键词：电力机车牵引特性；异步电机；直接转矩控制、模垂荔写葛话面。 ， ， 7 ，、一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s c h e m eh a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n du s e dd u r i n g r e c e n ty e a r sd u et oi t sn o v e ls t r a t e g y , s i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r ea n de x c e l l e n td y n a m i c a n ds t a t i cp e r f o r m a n c e s i nt h i st h e s i s ，ad i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o n m o t o ri ss t u d i e d t h et h e s i si n c l u d e sf o u r p a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t so fa c s p e e dr e g u l a t i o n t e c h n o l o g ya n de l e c t r i ct r a c t i o n i ta l s oa n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nm o t o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 。t h et w os t a t o rf l u xo b s e r v i n gm o d e l so fu - ia n di - na r e d e r i v e d ， a 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 l w h i c hi ss u i t a b l ei nt h er a n g eo fa l ls p e e di sd e r i v e d ，t h eu nm o d e l f e a t u r e s ：u s i n g i - nm o d e li nt h el o ws p e e da n du - im o d e li nt h eh i g hs p e e dr a n g e t h et r a n s i t i o n b e t w e e nl o ws p e e da n dh i g hs p e e dc a nb es m o o t h ，a st h ec u r r e n tr e g u l a t o rc a n c o m p e n s a t et h eo b s e r v e dc u r r e n t ，t h ep r e c i s i o no f t h eo b s e r v a t i o ni sr a i s e dg r e a t l y t h es e c o n d p a r tm a i n l yi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no f d i r e c tt o r q u ec o n t r o li na c e l e c t r i cl o c o m o t i v es y s t e m b a s e do nt r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ， t h ed i f f e r e n tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea p p l i e di nt h ed i f f e r e n tr a n g e so f s p e e d ： ( 1 ) i n d i r e c tt o r q u ec o n t r o lv a t hc i r c u l a rs t a t o rf l u xi nt h el o w - s p e e dr a n g e ( 2 ) d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 谢t 1 1h e x a g o n s t a t o rf l u xi nt h eh i g h - s p e e d r a n g e ( 3 ) t h et o r q u ei sa d j u s t e db ys e t t i n gd i f f e r e n tr e f e r e n c e so ft h es t a t o rf l u xi n w e a k e nf l u xa r e a t h es y s t e mp o w e ri si n v a r i a b l e t h ee l e m e n t a r yp r i n c i p l e sa n df e a t u r e so ft h e s et o r q u ec o n t r o lm e t h o d sa r e i n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fd t ci ss e t u p b yu s i n g m a t l a b s i m u l i n k a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e nw h i c hp r o v e st h e f e a s i h i l i t yo f t h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h et h i r dp a r t ，t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mi s i n t r o d u c e d t h es y s t e mm a i n l y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 i n c l u d e sc o n t r o lc i r c m tb a s e do n t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rp s p ) t m s 3 2 0 c 3 2a n d i n v e r t e rc i r c m tb a s e di p m t h ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fo p e n - l o o p s v p w m s y s t e m h a v e b e e nd o n e f i n a l l y , t h es p e e ds c n s o r l e s s d i r e c tt o r q u ec o n t r o li s p r e s e n t e d n et h e s i s d e d u c e st h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fr o t o rs p e e db a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e s y s t e m ( m a r s ) t h e s i m u l a t i o nm o d e li ss c tu pa n dt h er e s u l t sa r ea l s og i v e n k e yw o r d s ：e l e c t r i c l o c o m o t i v et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d u c t i o nm o t o rd i r e c t t o r q u e c o n t r o lm a r s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 交流调速技术的发展 。 世界上第一台交流电动机于1 8 8 5 年问世，在交流电动机中，特别是笼 式异步电动机，其拥有的结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修 等特点，使其得到了十分广泛的应用。虽然该电动机较直流电动机只晚一年 问世，但是直到2 0 世纪7 0 年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和 动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。交流电动机， 主要指笼式异步电动机和同步电动机。它主要用于不需要变速的电力传动系 统中，其原因是：( 1 ) 不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供 电频率调速最为方便，而且可以获得优异的调速特性。而大容量的变频电源 却在长时期内没有得到很好的解决：( 2 ) 异步电动机和直流电动机不同，它 只有一个供电回路一定子绕组，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机 那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速【6 1 1 。 然而，自2 0 世纪5 0 年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技 术革命一将原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复 杂、价格昂贵和维护麻烦的直流电动机。随着电力电子器件及微电子技术的 不断进步以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在从数百瓦的伺 服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统；从一般要求的小范围调速传动 到高精度、快响应和大范围的调速传动；从单机传动到多机协调运转，几乎 都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它完全可以 与直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。 交流电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速 等。在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式， 也是交流调速的基础和主干内容1 5 引。变频装置有交直交系统和交交系统 两大类。交- 直- 交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调 制( p w m ) 型变频器和多重化技术方向发展，而交交变频器应用于低速大 容量可逆系统有上升趋势【5 8 l 。 交流调速技术的发展是与电力电子器件和交流调速控制理论的发展分 不开的，电力电子器件的发展促进了交流调速理论的发展，而交流调速理论 的发展又对电力电子器件提出了更高的要求。随着现代控制理论、新型大功 率电力电子器件、新型变频技术及微型计算机数字控制技术在实际应用中相 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 继取得重要进展以及市场对交流传动需求的增抓，交流调速技术取得了飞速 发展。 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是近代交流传动的基础和支柱，传动技术的发展总是随着 器件的发展而发展的。任何一种新器件的问世，都使交流传动技术向前推近 一步【2 1 。总的来说，电力电子器件的发展经过了三个阶段【5 9 】： 2 0 世纪5 0 年代中期出现的晶阐管和后来发展的快速晶阐管，是第一代 电力电子器件。它是一个半控型器件，工作频率低，一般采用电网电压强迫 换流，这样就会对电网和被驱动电器造成谐波损耗，构成的逆变系统复杂。 2 0 世纪7 0 年代中期出现了集成度和工作频率高、功能强的全控型电力 电子器件。如大功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶阐管( g t o ) 、场效应晶 体管( m o s f e t ) 及静电感应晶体管( s i t h ) ，这些都是第二代电力电子器 件。g t o 是除i g c t 外目前容量最大的电力电子器件( 6 0 0 0 a ，4 5 0 0 v ) ，它 的最大缺点是，关断损耗太大( 为导通功率的2 0 以上) ，还必须要有专门 的吸收电路，因此，其开关频率不能太高：g t r 具有工作频率高、通态压 降低的优点，但存在二次击穿和耐压难以提高的缺点，一般用于中功率以下： s i t h 的通态低、工作频率高、开关损耗小，但由于制造工艺复杂，成本较 高；m o s f e t 的开关速度可以很高，无二次击穿问题，但通态电阻大，一 般用在小功率范围内使用。 为了综合g t r 和m o s f e t 的优点，2 0 世纪8 0 年代初，美国r c a 和 g e 公司研制成功了一种绝缘门极晶体管( i g b t ) ，这种器件有很高的门极 阻抗，允许使用逻辑电平信号，并有反向阻断能力。其电流密度比m o s f e t 大1 0 倍，开关时间只有2 p s ，其工作频率可达5 0 k h z 。与此同时，美国科 学家又研制成功了一种m o s 驱动g t o 器件，称之为m c t 的功率控制晶阐 管( m o s c o n t r o l l e d - t h g r i s t o r ) 。其主要优点是：电流、电压的容量更大( 电 流的密度是g t r 的3 0 倍) ；d i l d t 和d u l d t 的耐量值更高( 分别可达 2 0 0 0 a u s ，2 0 0 0 0 v “s ) ；开关速度更快( 关断时间2 p s ) ，能大幅度地减小 驱动功率。这些复合器件，构成了电力电子器件第三代产品 2 1 。 近十年来，智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，i p m ) 的发展速度 非常迅速，种类也很多。该模块将电力电子器件、触发驱动、过电流保护、 过电压保护、过热保护及故障监测等功能集于一体，有的专用触发模块还具 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 有隔离功能，可大大减少硬件电路的设计，是一个发展潜力很大的集成器件。 它的主要不足是容量不太大，价格也较高。 1 1 2 交流调速的控制理论 伴随着新型大功率电力电子器件的发展，交流电机调速的控制理论及技 术也得到了发展。目前实用的交流调速系统控制方法，主要有以下四种”： ( 1 ) v f 控制 v ，f 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过在控制过程中始终保 持v f 为常数，来保证定子磁链的恒定。然而v ，f 控制是一种开环控制，速 度动态特性很差，电机转矩利用率低，控制参数( 加、减速度等) 还需要根 据负载的不同来作相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器电力电 子器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。 ( 2 ) 滑差频率控制 滑差频率控制引入了速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或 下降，与v f 控制相比，加速、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但滑差 频率控制并未能实施对瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影 响系统的实际动态系统。 ( 3 ) 矢量控制 1 9 7 1 年，德国西门予公司f b l a s c h k e 等提出了“感应电机磁场定向的控 制原理”，美国的e c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了专利“感应电机定子电压 的坐标变换控制”。这两项研究成果是磁场定向矢量控制调速技术的基本原 理。它是以坐标变换理论为基础，参照直流电机里磁场( 励磁电流) 和电枢 电势( 转矩电流) 在空间相互垂直，且可以分别独立控制的特点，把交流电 机定子电流1 1 分解成励磁电流分量i l m 和与之相垂直的转矩电流分量i t ， 通过对励磁电流分量和转矩电流的分别控制，就可以有效地控制电机所产生 的转矩，使系统具有良好的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统 的动态特性得到了显著的改善，是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是 矢量控制需要进行大量复杂的坐标变标变换计算，对实时控制带来一定的难 度。在采用转子磁链定向的矢量控制中，需要电机转子参数，即转子电阻 r ，和转子电感l f ，而转子电阻会随温度而变，转子电感会随饱和随程度而 交，所以控制精度及系统的动静特性受转子参数变化的影响很大。 ( 4 ) 直接转矩控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 9 8 5 年，德国的m d e p e n b r o c k 教授提出了直接转矩控制方法。直接转 矩控制是继矢量控制后的又一个重大发展。直接转矩控制技术用空间矢量的 分析方法，简单地通过检测到的定子电压和电流，直接在定子坐标系下计算 电机的磁链和转矩，并根据反馈计算值与给定值比较所得的差值，实现磁链 和转矩的直接控制。它省掉了电机坐标的旋转变换，使电机数学模型的计算 得到简化，使控制手段更直接。这种控制系统的转矩响应迅速，是一种具有 优良静、动态特性的交流调速方法。近年来对异步电机的直接转矩控制的研 究异常活跃。 近年来，由于高性能数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r d s p ) 、 微处理器和专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 的 支持，各种现代控制算法也日益广泛地应用到交流调速系统中，其中，自适 应控制是一种比较常用的方法。它包括自调整、模型参考自适应控制( m o d e l r e f e r e n c e a d a p t i v e c o n t r o l ，m a r c ) 等。这些方法有助于提高系统的鲁棒性， 但控制响应速度较慢，往往难以满足调速系统的实时性要求。有此学者也讨 论了滑模变结构控制在交流调速系统中的应用。这种控制系统是使系统结构 在动态过程中根据系统当时的偏差及其导数以跃变的方式作预先设定的改 变，使系统达到最佳性能指标，并使系统具有对参数的不敏感性和抗干扰的 售捧性，对系统的数学模型和参数的精确性要求不高。实际上它解决了非线 性控制的问题，但这种方法对状态观测要求很高【2 i 。 此外，随着现代控制理论的发展，一些智能控制理论也应用于交流调速 系统中，如人工神经网络、模糊控制、模糊神经网络、遗传算法等。智能控 制与传统的经典、现代控制方法相比，具有不依赖或不完全依赖于控制对象 的数学模型，继承了人脑思维的非线性等一系列的特点。智能控制可以在不 精确性和不确定性问题中获得可处理性和鲁棒性因此在电气传动系统中， 为了得到高精度、高性能、强鲁棒性的新型交流调速系统、将智能控制引入 交流传动系统中，可以简化系统的结构，能够提高整个交流传动系统的可靠 性。 1 2 交流牵引传动技术的发展 2 0 世纪下半叶，电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为采用交流电机 驱动提供了重要的物质基础。通过大功率变频变压变流器实现了交流驱动的 优良调速性能，交流电机驱动装置的优越性由此得到完整体现，从而使以交 流驱动技术为核心的交流传动机车一交直交传动机车得到了充分的发展。历 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 史上交流驱动技术是呈螺旋式上升之势发展，至今已趋成熟，目前世界上的 电力牵引动力已转向以交流传动为主体。2 0 世纪8 0 年代，交流传动电力机 车以德国b p l 2 0 型的优越性能为起点，开始在全球广泛应用。9 0 年代以来， 发达国家新造的高速机车、重载机车及客货通用机车已经全部被交流传动机 车所占领。展望2 l 世纪，交流传动机车必将成为新的霸主。 我国交流传动技术的研究始于7 0 年代初，但国际上8 0 年代初交流传动 电力机车已经进入商用化，技术上日趋成成熟。到9 0 年代我国由株洲电力 机车研究所和铁道科学研究院共同研制，功率达1 0 0 0 k w 的电力牵引交流传 动系统获提成功。在此基础上，由株洲电力机车厂、株渊电力机车研究所于 1 9 9 6 年共同研制的4 轴4 0 0 0 k w ，我国第1 台交流传动电力机车的研制，标 志着我国电力牵引技术进入交流传动时代，这是我国电力牵弓l 技术发展的又 一个里程碑。 世纪之交的2 0 0 0 年，是我国交流传动电力牵引取得卓越成果的一年， 这一年里可供商用的大功率交流传动电力机车研制成功，标志着我国交流传 动电力机车的工程化进入了新阶段。 2 0 0 0 年是我国电力牵引行业的“交传一高速一发展”年。我国首批投 入商业运营的国内单轴功率最大、技术最先进、达到国际先进水平的交流传 动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组动力车“蓝箭号”的诞生，标 志着我国铁路机车进入现代高科技领域。 与此同时，在2 0 0 0 年期间单轴功率3 0 0 k w 动力分散型交流传动高速动 车组的研制也已取得重大成果，近期可望在南京浦镇车辆厂完成全列动车组 的竣工，并投入试验：国产首台交流传动内燃机车样机也已于1 9 9 9 年在四 方机车车辆厂研制成功。投入运营考核至今1 年多；交流传动城市地铁工程 维护车也已由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所完成研制，并已投入试 运营：株洲电力机车厂研制的交流传动海关集装箱射线检测牵引平车已正交 付大连海关运营；交流传动游览车也正式在张家界游览区使用。2 0 0 2 年中 国第一辆高速列车“中华之星( c h i n a s t a r ) ”也是采用交流传动系统，时速可 达2 7 0 k m h ，目前已研制成功，正在试运行试验中。 之所以要大力发展交流传动，是因为交流传动与直流传动相比，具有以 下优势： ( 1 ) 牵弓i 性能优越 异步电机功率较大，通常没有容量的限制，由于没有换向器，在高速时 也不会有换向的限制，所以具有较大的起动牵引力和较宽的恒功速度调节 4 9 学啤戆憋恻黪謦睁紫擎黪懋嘲骥缨黪嘲嘲黪黪簟畔* 西赢交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 区，这一点是一般直流换向器电机所不能实现的。利用交流电机功率大、体 积小的特点，可使机车既适合低速大牵引力，又适合高速大功率的运输要求。 ( 2 ) 机车功率因数较高，谐波干扰小 三相交流传动机车采用四象限脉冲整流器后，可以在较广范围内保持机 车变压器原边的功率因数接近于1 ，电流波形接近于正弦波，在再生制动时 也是如此，从而减少了电网的谐波电流，这时改善电网的供电条件，减轻通 信信号干扰、改善电网电压质量和延长牵引变电站之间的距离是十分有利 的。四象限脉冲整器还有良好的自动调压能力，当电网电压波动时，它可以 维护中间回路的直流电压不变，从而保证了逆变器牵引电机的输出功率不受 网压波动的影响。 ( 3 ) 电机的重量轻，对线路的冲击影响小 鼠笼式电机没有换向器和电刷，可以充分利用空间，与相同容量的直流 电机相比其体积重量要小得多。目前特大功率异步牵引电机其牵引功率与重 量之比( k w k g ) 已下降至1 1 左右，而我国最先进的全叠片直流牵引电机 ( 用于s s 8 机车) ，持续功率为9 0 0 k w ，重量却达3 5 0 0 k g 。牵引电机重量 的下降使机车簧下重量大为减轻，对线路的作用力大大降低，这一点对高速 铁路来说尤为重要。 1 3 异步电机直接转矩控制概况 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出了基速以下的异步 电机的“转矩直接自调整( d i r e c t t o r q u es e l f - c o n t r o l ，d s c ) ”方法。接着1 9 8 7 年把它推广至弱磁调速范围。直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中 计算控制复杂，特性易受电动机参数变化的影响，实际性能难于达到理论分 析结果等一些重要问题。故自从直接转矩控制理论问世以来，各国学者都对 此作了大量工作，取得了一些成就。但还存在一些亟待解决的问题。 ( 1 ) 磁链轨迹问题 m d e p e n b r o c k 在提出直接转矩控制理论之初所实现的系统，其定子磁链 轨迹是按六边形运动的，六边形分别对应六个非零电压矢量，可简单地切换 六个工作状态，直接由6 个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹控制，磁链控 制环节简单开关动作次数少，开关损耗也小1 3 扪。但是六边形磁链方案的电 流脉动大，转矩脉动、噪声都比较大。故只在某些大功率领域( 开关频率、 开关损耗均有较大限制) 的场合予以考虑，目前这方面的研究工作主要集中 在德国，并且还有在兆瓦级电力机车牵引上成功应用之报导。1 9 8 6 年日本 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 而五五孟i 再灭磊西了覆歪亍丽丽面撅面丽的直接转矩控制方法m 】。由于感 应电机由三相对称正弦波供电时，电机气隙磁势为圆形，此时电机损耗、转 矩脉动和噪声最小，故在中、小功率场合人们趋向于采用圆形磁链方案。 ( 2 ) b a n g b a n g 控制策略及p w m 开关策略 德国的m d e p e n b r o e k 和日本的i t a k a h a s h i 采用的是双滞环b a n g b a n g 控制策略，即由转矩偏差疋( t = 巧一t ) ，定子磁通幅值偏差 ( z x v 。= 妒：一l 呒i ) 及定子磁链相位的的值直接由几何方法得到开关状态， 一但瓦、虬越过预先设定的滞环宽，逆变器的| 开关状态即能发生变化以 实现对转矩瓦及定子磁链眠的及时调节。此种方案能真正将t 、限制 在给定值附近较小的范围内，而且在每个采样周期耳附内仅作用一个电压 矢量，系统控制起来十分简单，转矩响应快速性好。但是此种方式下，每个 电压矢量的工作周期完全越过带宽边界的瞬时决定，这会导致可变的开关频 率引起噪声。为了使瓦、处于限定的范围内，系统必须有很快的采样 频率，否则当昂删太长时作用的某一个电压矢量可能使得l 、在昂州 内走得太远而远离了设定范围。这就要求微处理器有极高韵运算速度。随后 t g h a b e l t e r 等提出了一种预前控制法，即根据当前的转矩、磁链以及反电 动势，在一个固定的采样周期下，选择计算下一个所要施加的空间电压矢量， 其是以疋、y 。无超调为原则【4 0 1 。此种控制方法使得开关频率恒定，减少 了噪声，同时实现了疋、y ，快速无超调控制，但此种方法算法复杂同时 存在低速性能问题。 ( 3 ) 低速下定子电阻的估算问题 在低速甚至零速时由于定子线圈的反电动势很小，低速下定子电阻的压 降是电机上压降的主要部分。这样即使对定子电阻估计的微弱偏差就会导致 定子磁通的幅值，定子磁通矢量的位置及电磁转矩的错误估算。从而导致控 制系统的性能变差。针对这一问题，许多学者提出了解决方案 4 2 , 4 7 】。如在操 作过程中运用状态观测器、p i 调节器，用模糊控制、神经网络等估算定子 电阻随温度的变化。而f r a n e e s e ob o n a n n o 则提出应用定子电压的三次谐波 西南变通大学硕士研究生学位论文 第8 页 估算气隙磁通和转矩，整个估算独立于电机参数，尤其是定子电阻的参数。 从而提高了系统在低速下的性能。 ( 4 ) 对无速度传感器的研究 在现代交流传动中为达到高精度转速闭环控制，速度传感器是必不可少 的，但是有时速度传感器的安装增加了楚个传动系统的费用，而且存在安装 不便，低速下传感器精度降低及在恶劣条件下不适合安装等问题。故人们常 希望在不降低系统性能的情况下取消速度传感器。采用的方法是应用定子的 电压和电流估算异步电机的转速。1 9 8 9 年，德国学者u w eb a a d e r 等人将无 速度传感器引入直接转矩控制系统中。无速度传感器的直接转矩控制结构上 更为简单，已经成为直接转矩控制系统研究的重要内容之一。 ( 5 ) 全数字化问题 d t c ( d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) 在结构上特别适合于全数字化控制，但是 对实时性要求很高。不过各种高性能高速微处理器和控制器，特别是高速数 字信号处理器( d s p ) 的出现，使得全数字化的交流传动系统成为现实。目 前普遍采用的d t c 数字化系统方案是应用普通单片机完成系统常规性操作 如键盘、显示系统操作等控制，而应用d s p 芯片完成实时性要求很高的直 接转矩控制的计算。 1 4 论文的主要工作 本论文首先异步电机直接转矩控制的原理、异步电机磁链观测模型、转 矩观测模型，推导了三种定子磁链的观测模型，在全速范围内得到了应用。 直接转矩控制由于转矩控制性能高、结构简单等优点特别适合于电力牵 引场合，本文第四章就重点介绍直接转矩控制在交流传动电力机车中的应 用，并根据电力机车的牵引特性在不同的区域采取不同的控制策略。 第五章通过m a t l a b s i m u l i n k 软件包建立了异步电机的仿真模型，对交 流电力牵引直接转矩控制系统进行了仿真分析，验证了该方法的正确性。 第六章介绍了直接转矩控制的硬件设计，开发了基于t i 公司的d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 3 2 为核心的实验板，并做了异步电机开环空间矢量p w m 控制的实 验。 最后介绍了无速度传感器的直接转矩控制系统，给出了基于模型参考自 适应方法( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，m a r s ) 转子速度辨识模型， 并通过了仿真验证。 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章异步电机直接转矩控制的基本原理 本章在讲述异步电机、v v v f 型逆变器的数学模型及电压空间矢量概念 的基础上，分别介绍了圆形磁链和六边形磁链直接转矩控制的基本原理。 2 1 异步电机的数学模型 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。按惯 例在建立其数学模型时做以下假定。 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中正弦 分布。 电机铁芯的导磁系数以为无穷大，不考虑铁芯饱和的影响，从而可 以利用叠加原理来计算电机各个绕组电流共同作用下产生的气隙合成磁场。 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响，无论绕线式还是鼠笼式 的，都将它等效为绕线转子，并折算到定子侧，折算后每相匝数都相等。 异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 整篇论文中采用的是图2 1 所示的( 口、口、o ) 坐标系统并取a 轴与口 轴重合。 在对异步电机分析和控制时，均需对三相进行分析和控制。在此，引入 p a r k 矢量变量，将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 2 维) 。即从三相坐 标变标中。选三相定子坐标系中的口轴与p a r k 矢量复平面的实轴口轴重合 可得图2 1 的( 口、口、d ) 坐标系。 ( c ) 图2 - 1 口、b 、c 坐标系与口、p 坐标系的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 三相坐标( 口，b 、c ) 到两相坐标( 口、0 ) 变换矩阵为： c ：兰 3 1 1 1 22 n 矗矗 u 22 与三相物理量以( f ) 、瓦( ，) 、以( ，) 对应的p a r k 矢量 z ( f ) = ( 2 3 ) 阢( t ) + 1 2 y b ( t ) + p 2 置( f ) 】 式中 p 一复系数，旋转因子p = 8 小o 。 电机中电压、电流和磁链矢量分别定义为： “= ( 2 3 ) ( u 。+ p u 6 + p 2 。) f = ( 2 3 ) ( + p 吆+ p 2 f c ) = ( 2 3 ) ( + 户+ 虬) 则静止坐标系下的异步电机矢量方程如下： 电压方程： 圪= r + ( d 防) 虮 0 = r ，i ，+ ( a a t ) l f ，一j o j ，y ， 磁链方程 = t i s + 厶 i c ，= o + l r l r 转矩方程 乏= ( 3 2 ) 只( 虬) = ( 3 2 ) p ( i , 缈j ) 运动方程 ( ，只) ( d c o ，d r ) = 一霉 其中：r 、丘一定子电阻、自感， ( 2 - 1 ) 劲 q 筇 回 乃 的 m 弘 弘 弘 陋 p p 弘 p p 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 吃 吃 啄 y 妒伍 妒甜 矿庸 耳、一转予电阻、自感， 厶一定转子互感， 缸一电机转子电角速度， 只一电机的极对数， 一电机电压矢量， i 、万一电机定子的电流矢量及磁链矢量， 、辨一为电机转子的电流矢量及磁链矢量， 正、巧一电机的电磁转矩和负载转矩， 卜转动惯量， p 一微分算子。 将其投影至( 口、o ) 轴上可得 r ，+ t p 0 0 r ；+ 厶p l 。p国，l 。 c o ，l 。l 。p l ，0l 。0 0 l ，0l 。 l 。0l ，0 0 l 。0l ， l 。p 0 r ，+ l ，p - ( - o ，l ， i 甜 l 庸 z 甜 f 庸 0 l 。p ，l ， r ，+ l ，p f 时 l 甜 - ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 瓦= ( 3 2 ) 只( 。一y 辟k )( 2 一1 4 ) 以上异步电机的数学模型描述了电机各个状态量之间的关系。不但可用 于电机的稳态分析，也可用于电机的暂态分析。本论文中用到的相关公式均 是在此电机模型的基础上推导的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 逆变器的数学模型及电压空间矢量 直接转矩控制系统中采用的是v v v f 型逆变器。对于三相2 点式v v v f 型逆器的简化如图2 2 其同一桥臂上的上、下两个开关元件在任何一个时刻总是一个断开、一 个闭合。这样一个v v v f 型逆变器可由三个单刀双掷开关来表示。如图2 3 所示。 图2 - 2 三相二点式v v v f 型逆变器简化图 a b c 图2 3v v v f 型逆变器等效电路 由图2 3 可知 ”= 圪。一| = 一( 2 15 ) = 一j 则电压矢量为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 巧= ( 2 ，3 ) ( + e 脚n + x e l 4 椰) 2 甏嚣。嚣z 1 3 + ”g c o xg m j 4 z ，3 x e 一( + 2 “3 + 一4 “3 ) 。 = ( 2 3 ) ( v a d + x 8 2 “+ x g j 4 x 3 ) 用三个开关变量、昆、足分别表示逆变器的状态。疋= 0 表示下桥臂 导通，鼠= l 表示上桥臂导通，墨、足的定义一样。这样匕。、只 能取日2 或一日，2 。 而三相2 点式逆变器共有2 3 = 8 个开关状态。用g ( s o 、魏、& ) 来表示。 即v a o ，0 ，0 ) 圪( 1 ，1 ，1 ) 。由式( 2 - 1 6 ) 可求出不同开关状态下的电压矢量如图 2 - 4 其在口、轴上的分量如表2 - l 所示。 k ( o x l )吒( 1 0 0 ) 图2 - 4 电压空间矢量的位图 如取v ：( 0 0 1 ) 可得： v ，( 0 0 1 ) = ( 2 3 ) ( - e # 2 一( 局2 ) xe 胁”+ ( 日2 ) x e j 4 “3 = ( 2 3 ) ( 一e d 2 一( 目1 2 ) x ( e o s ( 2 x 3 ) + j s i n ( 2 7 r 3 ) 】 + ( 日2 ) x 【c o s ( 4 x 3 ) + j s i n ( 4 1 r 3 ) 】 = ( 2 3 ) ( 一乓2 一j 4 3 易2 ) = ( 2 3 ) x 日x e 一“3 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 由表2 1 及图2 - 4 可知。逆变器的六个工作状态给出了六个不同方向的 电压空间矢量，它们具有以下特征：相邻两个矢量之间相差6 0 0 。电压 空间矢量的幅值不变，均为2 目3 ，因此，这六个电压空间矢量的顶点形成 了正六边形的六个顶点。六个电压空间矢量的顺序是k ( 0 0 0 一v , ( 1 0 t ) 一 一v , 0 0 0 ) 一一v , ( 1 1 0 ) 一嚣( 0 1 0 ) 一巧( 0 1 1 ) 。当电压开关状态取( 0 0 0 ) 、( 1 1 1 ) 时，空间电压矢量为零矢量。 表2 - 1 空间电压矢量表 矿的口、分量 电压开 电压矢量e 关状态 屹 ( 1 0 0 ) ( 2 3 ) x e d o 砷2 e , 3 0 ( 1 1 0 )c 2 3 ) xe d x e i “| 3 e d f 3 矗e d 3 ( 0 1 0 )f 2 3 ) xe a e 。2 4 7 3 一e d | 3 0 3 e d 3 ( 0 1 1 ) ( 2 3 、e ax p ”一2 玩3 0 ( 0 0 1 ) ( 2 3 ) r e a 口4 “3一e d f 34 3 e , 3 ( 1 0 1 ) ( 2 3 ) e e e 伽”e d | 3一矗e d 3 ( 0 0 0 ) oo o ( 1 1 1 ) 2 3 异步电机直接转矩控制的基本原理 2 3 1 直接转矩控制的基本原理 八十年代由于h o l t z 和m u r a i 等学者的卓越工作促使瞬时电压空间矢量 理论取得了充足的发展，使得人们对电机一逆变器系统有了更为深入的认 识，即通过控制逆变器的开关状态可以成功实现对电机瞬时空间矢量的调 节，从而实现对磁链的控制与调节。这就是人们常说的“磁链自控制”理论； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 而与之并齐的所谓“转矩自控制”理论则源于“磁场加速法”，日本学者 s y a m a m u r a 等通过对感应电机的动态等效电路做深入分析后，得出结论： 在电机控制中，只要维持气隙磁链幅值不变，那么滑差频率是唯一的状态变 量，调节滑差频率即可确定电压、电流以及转矩等状态变量。首先用“磁链 自控制”方法保持定予磁链幅值恒定，再通过调节零电压矢量的作用时间以 控制磁链的平均旋转速度，就可改变为瞬时滑差频率以达到控制转矩的目 的。 在定子磁链幅值恒定的条件下，可推导出如下转矩表达式： t = ( 3 2 ) p ( c o s r , l 。聒z 2 ) ：器砒荔鬻tk+。a)lz)l)tl o) s i n ( c o 陋 一( t j o，一般。( l ，：o。f ) 、 一三，厶乇( i sl ，：o ) c o s ( t ) e x p ( 一r r t l ) 式中z = o 母+ ( q 三) 2 y ”口= t a n 一( c o , l r , ) 工= ( t 一0 2 ) ，t 以一转差角频率，即定子磁链虬相对于转子的瞬时滑差频率。 ，0 一定子磁化电流矢量的幅值。 式( 2 - 1 8 ) 表示在定子磁链虬的幅值保持恒定的条件下，在织发生阶 跃变化时电机转矩变化的规律。式中第一项表示转差突变时所引起的稳态转 矩，而第二项是瞬态转矩，它以时间常数三，皿为衰减。 将式( 2 - 18 ) 对时间微分，得，= 0 时的转矩增长率： a t a t l 。= ( 3 2 ) 只( t ，0 ，) 征耳厶+ r 【( ，) i 。】k 一r r ，。睫( f ) l o ( 2 1 9 ) 式中r 表示取实部，l 表示取虚部。 由式( 2 1 9 ) n - - j 知，为了得到转矩的快速响应，应尽可能提高。之值。以 上两式说明了转矩变化率同转差的关系。在直接转矩控制系统中，正是基于 以上两式，通过选择适当的电压矢量来改变转差，从而达到控制转矩增长率 的目的。 讴赢交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 以下简述空间电压矢量对电动机转矩的