（电路与系统专业论文）基于dsp的三相交流电机直接转矩控制研究与应用.pdf

独 创 性 声明 本人所呈交 的学位 论文是在 导师指导下进行 的研 究工作及取 得的 成果 。尽我所 知，除特别加 以标注 的地方外 ，论文中不包含其他人 的研 究成 果 。与我一 同工作的同 志对本文的研究工作和成果 的任何贡献均 已在论文 中作 了明确 的说 明并 已致谢 。 本论文及其相关资料若有不实之处 ，由本人承担一切相关责任 论 文 作 者 秘 鲤 孟 率一、年;月 二 学位论文使用授权声 明 本 人 尊 泰华一在 导 师 的 指 导 “作 完 成 学 位 论 文 的 知 识 产 权 归 西 安 理 工 大 学 所有 ，本人 今后在使用或发表该论文涉及 的研究 内容 时，会注 明西安理工大学 。本人 作为学位 论文 著 作权 拥 有 者 ， 同意授权 西安理 工大 学拥 有 学位 论文 的部分使用权 (在 以下 “口 ”中标 明 ，同意 的划 “矿” ，不 同意 的划 “x ，) ，即 : 本 人 提 交 的 印刷版和 电 子版学位 论文 ， 口 学校可 以采用 影 印、缩 印或其他 复制手段 保存 ; 口 学校可 以将学位论文 的全部 内容编入公开的数据库进行检索 ; 口 学校可 以将学位论文 的摘要编入公开的数据库进行检索 ; 口 学校 可 以将 公 开 的学位 论 文或解 密 后 的学位 论 文作 为 资料 在 图书馆 、资料 室等 场所及校 园 网上供校 内师 生 阅读 、浏览 。 本 人 学位 论 文全 部 或 部 分 内容 的公布 (包括刊 登 ) 授 权 西 安理 工大 学研 究生学 院 办理 。 (保密 的学位论文在解 密后 ，适用本授权说 明) 论 * 签 : 琳导 毗二上彝 ， 。 :月 :日 摘要 论文题 目: 学科专业 : 研 究 生 : 指导教师: 基于 d s p 的三相交流 电机直接转矩控制研究与应用 酱拯 电路与系统 许 志伟 高勇 教授 杨媛 教授 签名 : 签名 : 签名 : 摘 注石 3 七 本文设计 了以 tm s 32 0 f 2 4 0 7 d s p 为控制核心 ，三相异步 电机为研究对象的直 接转矩控制系统 。 首先从三相异步 电机 的工作 原理入手 ， 深入分析 了直接转矩控制系统 中电压 矢量与磁链和转矩 的关系 ，介绍 了磁链和转矩 的控制方法 ，给 出了最优 电压矢量 选择方案 。利用 m a tla b仿真工具对整个 系统进行 了仿真 ，证 明了系统 的正确性 和可靠性 ，针对 启动 电流大 的问题设计 了控制转矩 电流 的并行启动方法 ，达到 了 减 小启动 电流 的 目的 。最后采用 以 tms320f2407 ds p为控制核心 的硬件 电路 ，对 三相异步 电机进行 了实验 ，并详细介绍 了系统软件和硬件的实现方法 ，实验结果 证 明了系统 的可行性和有效性 。 关键词 : 异 步 电机 ; 直接转矩控制 ; tms32of24o7; ds p 。 西安理工大学硕士学位论文 t itle :d s p 一 b a s e d t h r e e 一 p h a s e a s y n e h o n o u s mo t o r d ir e c t t o r q u e c o n t r o l r e se a r c h a n d a p p l ic a t io n m a j or:c ir c uits and system s n s m e:z h iw ei x u s u p e r viso r :p r of . y on g g a o p r of . y 公a n y a n g s ig na t or e: s ig n a tu r e:. s ig na t ur c: a b stra et a d t c eo n tro llin g th r ee一 p h a s e a s y n eh r o n o u s m o to r d r i v e sy stem t h a t u ses t ms 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p a s its eo r e 15 d esig ned in t h is p a per . f r o m t h e w o r k in g p r i n eip le o f th r ee一 p h a s e a s y n eh r o n o u s m o to r sta r t， t h is p a per d ep th ly a naly ses th e relatio n sh ip b et ween v o ltag e v eet o r a nd f l u x a nd to r q u e in d t c system ， intr o duees the f i u x a n d tor q ue eontrol m et h ods a n d gives t h e op t im a l vo ltage veetor seleetion progr a m . a f t er ver i f y i ng system ， 5 eor r eetness by m a t la b sim u la t io n ，a m et h o d o f eo n tr o l th e to rq u e eu r r en t o f t h e p a r allel sta r t o p a i m in g a t t h e b ig sta r tin g eu r ren t 15 g iv e a nd eh iev es th e p u r p o se o f red u ein g t h e sta r t in g cu r ren t. t he experi m ent of t h r ee一 户a s e a s yneh r onous m otor usi ng t h e ha r dw a r e ei reui t w hi c h ad o p t t h e t ms 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p a s eo n tro l eo r e is e而ed o u t ，t h e sy stem so f t wa r e a nd ha r dw a r e im plem ent a t ions a r e detailed，its r e sults testi勿 t h e validi t y a n d the p r a ctiealit y of the design . k ey w o rd s:a sy n eh r o n o u s m o to r: d t c:t ms 3 2 0 f 2 4 0 7 ;d s r 摘要. i 目录 ， .， .， .， .工 1 绪论. 1 1.1 交流调速技术 的发展与现状 . . 1 1.2 直接转矩控制 的特 点及其研 究现状. 3 1.2.1. 直接转矩控 制 的特 点. 3 1.2.2 直接转矩控制 的研究现状. 4 1.3 直接转矩控制面 临的主要 问题. . 4 1.4 本课题任务及论文安排 . 5 1.4.1 本课题 的任务. 5 1.4.2 论文安排 . 5 2 直接转矩控制的原理. . 7 2.1 三 相 异步 电机 的工 作 原理 . 7 2.2 直接转矩控制 的原理 . 8 2.2.1 定子两相静止坐标系下的 电机模型 . 8 2.2.2 电压矢量和定子磁链 的关系. . 1 0 2.2.3 电压矢量 和转矩 的关系. 1 2 2.2.4电压矢量 的选 择. 1 3 2.3 直接转矩控制 系统 的组成 . 1 8 3 直接转矩控制 系统 的仿真 . . 1 9 3.1 直接转矩控制系统仿真 的组成 . 2 0 3.1.1 电流 3/ 2变换 . 2 0 3.1.2 磁链计算 . 2 0 3.1.3 转矩计算. . 2 1 3.1.4 扇 区计算 . 2 2 3.1.5 速度 p i调节. 2 3 3.1.6 磁 链 两 点控 制 .2 4 3.1.7 转矩三 点控 制. . 2 4 3.1.8 最 优 电压 矢 量 表 .2 5 3.1.9 逆变器模型. 2 7 3.1.1 0电机模型. 2 7 西安理工大学硕士学位论文 4 直接转矩控制 的系统实现. 2 9 4.1 直接转矩控制系统 的硬件组成. 2 9 4.1.1 控制和调理 电路 . 2 9 4.1.2 主 电路. ， .3 5 4.2 直接转矩控制系统 的软件设计. 3 5 4.2.1 主程序 . 3 5 4.2.2 中断程序. 3 7 5 实验 结果和全文总结. . 4 0 5.1 实验 结果 . 4 0 5.1.1 仿真结果. 4 0 5.1.2 软硬件实验结果. 4 4 5.2 全文总结 . . 4 8 5.2.1 实验 总结. ， .4 8 5.2.2 工作展望 . 4 9 致谢. 5 0 参考 文 献. 5 1 1 绪论 1 绪论 1.1 交流调速技术 的发展 与现状 20 世纪 6 0年代 以前 ，直流调速一直 以控制能力强 、可靠性高、噪声低 、 控制 电路简单等一系列优 良的性能在传动领域 中占据着主导地位 。 但是随着社会 生产力及技术 的不断发展 ， 直流传动 的薄弱环节逐步显示 出来 。由于换 向器 的存 在 ，使直流 电动机 的维护工作量加大 ，单机容量 、最 高转速 以及使用环境等都受 到限制 。交流调速系统 因其结构简单 、坚 固耐用惯量小、动态响应好 、效率高 、 经济可靠 、适应环境广 、易于维护 、易于 向高压大容量发展等优点而逐步取代直 流调速 系统 ，在传动领域 占据 了主导地位 。 近十几年来 ，科学技术的迅速发展为交流调速技术 的发展创造 了极为有利 的 技术条件和物质基础 。主要表现在 以下几个方面 川 【 2】 : a 电力 电子器件 的发展 作为交流调速系统实现 的载体和逆变器 的核心控制部件， 大功率半导体器件 的发展始终制约着 电机控制 的水平 。迄今为止 ，电力 电子器件 的发展经历 了分立 换流关 断器件 、 自关 断器件 、功率集成 电路 pi c 、智 能模块 工 pm 四个 阶段 。2 0 世纪 8 0年代 中期 以前 ，变频装置功率回路主要采用 晶闸管元件 ，装置的效率 、 可靠性 、成本 、体积均无法与 同容量 的直流调速装置相 比。2 0世纪 8 0年代 中期 以后 ，用 第 二 代 电力 电子 器 件gtr 、gto (satetumofftllruster) 、vdmos 一 igbt (vertiea1double 一 di 伪 sedmosfet 一 insulatedoatebipolartransistor) 等创造 的变频装置在 性能与价格 比上可 以与直流调速 装 置相 媲 美 。随着 向大 电 流 、高 电压 、高频化 、集成 化 、模块 化方 向继续发展 ，第 二代 电力 电子 器件 是 20 世 纪 9 0年代制造 变频器 的主流产 品 ，中 、小功率 的变 频调速 装 置 主要采 用 i g bt ，中、大功率 的变频调速装置采用 gto 器件 。 目前 ， 由 igb 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 (ip m ) 【 “ 】 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 。一代 电力 电子器件带来一代变频调速装 置 ，性价 比一代 高过 一代 川 。 b pw 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 (pw m )成 为可能 ， 变频技术也获得 了飞速 发展 。pw m脉 宽调制控制 分为等脉 宽 pw m调制 5 l、正弦波 脉 宽调制 (sp姗) 1 6 1和 空 间矢 量脉 宽调制 ( s vpw m ) 7 1 8 l。等脉 宽 p翎 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 西安理工大学硕士学位论文 正弦脉 宽调制 (sp枷)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 ，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 s v p翎 法，它与 spw m法不 同，spw 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 s v p翎 法是 从 电动机 的角度 出发 的， 着眼基于 ds 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 国内己有一些厂家推 出，国外 已普遍采用 。与正弦波脉 宽调制 spw m法 相 比， 具有一定 的优 势 。 c 控制策略 的发展 随着 电力 电子器件及 pw m技术 的发展 ， 交流调速 系统 的控制策略也得到 了发 展 。 目前 实用 的交流调速系统 的控制策略 ，主要有 以下几种 川 : (l )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 ， 控制参数还需要根据 负载 的不 同来做相应 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 的现 象 。 (2 )矢量控制 交流 电动机是多变量 、非线性 、强祸合 的被控对象 ，采用参数重构和状态重 构 的现 代控 制理论概念可 以实现 交流 电动机 定子 电流 的励磁分量 和转矩 分量之 间的解藕 ，实现 了对交流 电动机的控制等效为直流 电动机 的控制 ，使交流调速 系 统 的动态性能得 到了显著 的改善和提高 ， 从而使交流调速 最终取代直流调速 成为 可能 。目前对调速性能要求较 高的生产工艺 己较 多的采用 了矢量控制型的变频调 速装 置 。但矢量控制计算量较大 ，控制系统复杂 ，需要对磁场精确定 向，且性能 受转子参数变化影响较大 。 (3 )直接转矩控制 直接转矩控制 的变频调速技术简称为 dtc (direct torque contr。 1)，是继 矢量控制变频调速技术之后发展 的新型高效变频调速技术 。1985 年 德 国鲁 尔大 学 m.depenbro c k 教授 首先提 出直接转矩控制 的理论 ，它不考虑如何使定子 电流 解 祸 ，而 是直接着 眼于对 电磁 转 矩 的直接 控制 。它 采 用 空 间矢量 的方法 ，在 定子 坐标系下计算和控制交流 电机 的转矩 ，采用 定子磁场 定 向，借助于离散两 点式调 节 (ba n g 一 ba n g 控制)产 生 pw m信号 ，直接对逆变器 的开关状态进 行最佳选择 ， 1 绪论 以获得转矩 的高动态性能控制 。它省去 了复杂 的矢量变换 ，在很大程度上解决 了 矢量控制 中运算 、控制复杂 ，特性 易受交流 电动机参数变化影响的缺 点。 直接转矩控制技术 自诞生之 日起就 以其独特新颖的控制思想 ， 直接 明了的系 统结构 ，优 良的静态 、动态特性受到 了普遍重视 ，并得到 了迅速 的发展 。目前该 技术 己成功地应用在 电力机车牵引的大功率交流传动上 。 d 微处理器和专用集成 电路 (as i c )的发展 新型控制策略 的使用化完全得益于微处理器技术 的发展 。 电机数字控制核心 经过 了 8 位通用 mc u 、1 6位通用 mc u和面 向电机控制 的专用 mc u ，并随着微处理 器技术的成熟和完善发展到 目前面 向电机数字化控制的高性能 mcu 和高速数字 信号处理器 (dsp )。美 国德州仪器 的 tms320c2000 系列 ds p是这方面颇具代表性 的产 品 。 asi c芯片可 以封装 电机控制系统 中的某个或某些特定功能模块 ，例如 igbt 的驱动保护模块 。 高速微处理器 (dsp )和专用集成 电路 (asic )技术的快速 发展 ，简化 了系 统设计，保证 了电机数字控制系统 的实时性 ，为实现 电机控制系统到精度 、高稳 定性 、高抗干扰 能力 、多功能化 、通用化 、高性价 比等提供 了硬件手段 。 e 计算机辅助技术 的发展 随着计算机和微 电子技术的发展 ，现代计算机 的功能越来越强大 ，速度越来 越快 。为系统设计和仿真提供 的软件越来越 多，如 以tl a b、pspice、sa b er 等 。 m a tlab 凭借其强大 的矩 阵运算 能力 、简便 的绘 图功能 、可视化 的仿真环境 以及 丰 富的算法工具箱 ，已成 为科研和工程技术人 员的有力开发工具 。控制理论方面 的一些新方法 、新 的控制策略都可 以先通过 m a tlab 进行验证 、修改 。 .2 直接转矩控制 的特 点及其研 究现状 .2.1. 直接转矩控制 的特 点 直接转矩控制技术 自 1985 年提 出并且于 1987 年推广到弱磁调速范 围， 近二 十年来 ， 各 国科研 工作者和工程技术人 员从不 同的角度对其进 行 了不 同程度地 改 进 ，各方面性能都在不断提 高 ，并 已经进入实用阶段 。 与矢量控制系统相 比，直接转矩控制具有 如下优 点 川 : (l )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 ，计算过程简单 。 (2 )直接转矩控制磁场 定 向所用 的是定子磁链 ，通过 定子 电阻即可观测 。而 西安理工大学硕士学位论文 矢量控制磁场定 向所用 的转子磁链 的观测需要知道 电动机 的转子 电感和 电阻。 因 此直接转矩控制减少 了矢量控制 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 的概念来分析异步 电动机 的数学模型和控 制其 各物理量 ，使 问题变得简单 明了。 (4 )直接转矩控制是直接将转矩作为被控量 ， 直接对其进行控制 ，而不是像 矢量控制那样通过控制 电流 、磁链等量来 间接控制转矩 。 .2.2 直接转矩控制 的研 究现状 a 现代控制理论应用 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 。随着功 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。 例如最近研究十分活跃 的非线性控制 、 模糊控制 、 神经 网络控制 、 模糊神经 网络控制等 。 这些控制策略运用到直接转矩控制理论 中， 将使得一些 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 。 b 全数字化控制 直接转矩控制对处理 的实时性 、快速性要求很高 ，在结构上特别适合于全数 字 化 。ds p正是能满足这种需求 的芯片 ，它具有高速信号处理和数字控制功 能 ， 同时便于故 障监视 、诊断和保护 ，既确保 了系统 的高速 响应性 ，又增强 了系统可 靠 性 。 c 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 rs，在 中高速 时 ， 如 果忽略 rs，对计算 结果影 响不大 ，系统仍具有很高的控制 精度 。但在低速 时， 定子 电阻上 的压 降分量 比重很大 ，忽 略 rs 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 ，sa y eedm i r 等人提 出分别采用模糊控制和 p工控 制对 定子 电阻进 行观 测 ，我 国也有 学 者提 出 了利 用 自适 应 全 维观 测 器 的方 法来估算 定子磁链 9 l。 .3 直接转矩控制面 临的主要 问题 a 磁链 的观测 问题 直接转矩控制 的基础之一在于磁链 的观测 ，当电机工作于高转速 时，可 以使 用一种简单 的 u一 i 模型对磁链进 行观测且精度很高 ; 但 当 电机工作于低速域 时 ， 由于模型 自身 的缺 陷使得磁链观测 的精度严重下 降 ，必须用其它观测器来代替 ， 1 绪论 但这些观测器不但构成复杂 ，而且需要许多额外的电机参数 ，使得系统的鲁棒性 下 降 。目前 ，对直接转矩控制技术 的研究热 点之一集 中于如何采用智能控制 的方 法完成磁链 的观测 问题 。 b 磁链和转矩 的脉动 问题 传 统 的直 接 转 矩 控 制 系 统 采 用 两 点式 调 节 器 对 电机 的磁 链 和 转 矩 进 行 ban g 一 ba n g 控制 ，在实际应用 中，虽然这种调节器具有结构简单 、易于控制 的特 点 ，但 同时会 引起磁链和转矩 的脉动 问题 。从而 ，如何减 小磁链和转矩脉动 、提 高控制效果也成为 目前 的研 究热 点之一 。 c 系统 的动态优化 问题 虽然直接转矩控制系统具有较高 的动态性能 ， 但在某些情况下其控制效果还 可 以进一步提 高 。 因此 ， 如何继续优化系统 的动态性 能也是 目前 的研究方 向之 一 。 1 .4 本课题任务及论文安排 4.1 本课题 的任务 分析直接 转矩控制 中的各个模 型 的优缺 点并 结合 实 际应 用制 定最 优 的控 制 策略 ，在 m a tlab 中对控制策略进行仿真 ，进一步完善控制策略 ; 根据控制策略 和 实 际应 用 中需要 采 集 和 输 出控 制 的量 ，利 用t i公 司 的数 字 信 号 处 理 器 t m s320f2407 进行硬件平 台的搭建 ; 在所建 的硬件平 台上 实现对异步 电机 的直接 转矩控制 ，从而验证设计 的正确性 、合理性 。 .4.2 论 文安排 第一章 绪论 ，主要介绍 了课题背景交流调速 技术 的发展和现状 ，包括 电力 电子器件 、pw m技术 、控制策略 、微处理器和专用集成 电路和计算机辅助技术 的 发展 ，介绍 了课题研 究对象直接转矩控 制 的特 点和研 究现状 ，并分析 了直接转矩 控制面 临 的主要 问题 ，最后介绍 了课题 的任务和论文安排 。 第二章 直接转矩控制 的原理 ，首先介绍 了三相异步 电机 的工作原理 ，从 中 得 出直接转矩控 制 的主要控制 思想在 于对磁链 的控制 ，然后从 电机 的数 学模 型 、 电压矢量和磁链 的关 系 、 电压矢量和转矩 的关 系和 电压矢量 的选择几个方面介 绍 了直接转矩控制 的主要 原理和控制方法 。 第三 章 直 接转矩控制 系统 的仿真 ，首先给 出 了直 接转矩控 制系统 仿真 的总 框 图，然后对 电流 3/ 2变换 、磁链计算 、转矩计算 、扇 区计算 、速度 p i调节 、 西安理工大学硕士学位论文 磁链两 点控制 、转矩三 点控制 、最优 电压矢量表 、逆变器模型和 电机模型十部分 分别进 行 了详 细说 明。 第 四章 直接转矩控制系统 的实现 ，本章节从硬件和软件两方面介绍 了直接 转矩控制系统 的实现方法 。硬件方面主要介绍 了控制和调理 电路 中的 ds p控制 板 、母线 电压采样调理 电路 、电流采样调理 电路 、qe p测速调理 电路和人机接 口 电路等 6 部分 。软件方面介绍 了主程序和各 中断程序 的流程 ，并说 明了在编 写程 序过程 中要注意 的 问题 。 第五章 实验结果和全文总结 ， 本章首先对系统 的仿真结果进行 了分析 归纳 ， 并对 实验 结果 中不足 的地方进 行 了改进 ;其 次对 系统 的软硬件 实验 结果进 行 了分 析 ，指 出了有待进一步改进 的方面和进一步研究 的方 向; 最后对全文进行 了归纳 总 结 。 2 直接转矩控制 的原理 2 直接 转 矩控 制 的原理 直 接 转 矩 控 制 的特 征 是控 制 定 子 磁 链 ，是直 接 在 定 子 静 止 坐 标 系 下 ， 以 空 间矢量概念 ，通过检测到 的定子 电压 、 电流 ，直接在定子坐标系下计算与 控制 电动 机 的磁链和转 矩 ，获得转矩 的高动态性 能 。直 接转矩控制 针对 电机 的核心变 量作直接控 制 ，具有 反应速 度 快 、启动 转矩大 、易于控制 等优 点 。 本章 从三 相 异步 电机 的工 作 原理入手 ，阐述 直接 转矩控 制 的基 本 原理 ，对 系 统 的各 部 分 进 行 介 绍 。 2.1 三相 异步 电机 的工作 原理 图 2一 1 异步 电机工作原理 图 f ig u rez 一 1 p r i n eip le d ia g ra m o f a s y n ch r on o u s m o to r 当三 相 异 步 电机 定 子 a 、b、c (如 图 2一 1 )接 入 三 相 交流 电源 (各 相 差 1 2 0 度 电角度 )时 ，三 相 定 子 绕 组 流 过 三 相 对 称 电流 产 生 的三 相 磁 动 势(定 子 旋 转 磁 动 势 ) 并产 生旋 转 磁 场 ，该 磁场 以 同步转速 沿 定子 和 转 子 内圆空 间作 旋 转 。该旋转磁场 与转子 导体有相对切割运动 ， 根据 电磁感应 原理， 转子 导体 (转子绕组是 闭合通路)产 生感应 电动势并产 生感 应 电流 。根据 电磁 力定律 ， 在 感应 电动 势 的作用 下 ，转 子 导 体 中将 产 生与 感 应 电动 势方 向基 本 一 致 的感 生 电流 。载 流 的转 子 导 体 在 定 子 产 生 的磁 场 磁 场 中受 到 电磁 力 作 用 ， 电磁 力 对 电机 转 子轴 形成 电磁 转 矩 ，驱 动 电机 转 子 沿 着 旋 转 磁 场 方 向旋 转 ，当 电动 西安理工大学硕士学位论文 机轴上带机械 负载 时，便 向外输 出机械能 。由于没有短路环部分 的磁通 比有 短路环 部分 的磁通 领先 ， 电机 转动方 向与旋转磁场方 向相 同 l。 】 。 因为三 相 异 步 电机 转 子 线 圈 中的感 应 电流 是 由于转 子 导体 与 磁 场 有 相 对运 动而产 生 的 。三相异 步 电机 的转 子转速 不会 与旋转 磁场 同步 ，更 不 会超 过 旋转 磁场 的速度 。如 果三相 异步 电机转子 的转速 与旋转磁 场 的转 速 成 大 小 相等 ，那么，磁场与转子之 间就没有相对运动 ，导体不能切割磁力线 ，因之 转 子线 圈中也就不会产 生感应 电势和 电流 ，三 相异步 电机转 子导体 在磁 场 中 也就 不会 受 到 电磁力 的作用 而使转子转动 。因而三相 异步 电机 的转 子旋 转 速 度 不 可 能与旋转磁场相 同，总是 小于旋转磁场 的 同步转速 【 ， 】 。 2.2 直接转矩控制的原理 由三相异步 电机 的工作原理可 以看 出， 电机转子 的旋转是在旋转磁场 的作用 下完成 的，因此 ，对旋转的磁场加 以控制 ，就能完成对 电机速度和转矩 的控制 ， 这也是直接转矩控制 的主要控制思想 。 2.2.1 定子两相静止坐标 系下 的电机模型 在直接转矩控制 中，要对定子产生 的旋转磁场加 以控制 ，就要对 电机进 行数 学建模 ， 把 电机看做一个模型 ，根据 电机 的输入量和 电机 的一些参数来计算 电机 磁链的大小和位置，并对磁链的大小和位置进行控制 。a 一刀坐标系下的电机模 型是在定子两相静止坐标系下的数学模型，a 一刀坐标系下 电机 的等效 电路如图 2 一2 。 r ; j。班 ; 图 2一 z a 一刀坐标系下电机的等效电路 fi gur e z一 2 the equi val entei rcui t ofm otor i n a 一刀 eoor d i na t es 2 直接 转 矩控 制 的原理 图 2一 2 中各变量如下定义 : u:( t ) 一 定子 电压 空 间矢量 ; 礼 ( t ) 一 定子 电流空 间矢量 ; i;( t ) 一 转子 电流 空 间矢量 ; w :( t )一 定子磁链 空一间矢量 ; 丫， ( t )一 转子磁链空 间矢量 ; 几。 一 定子漏感; 几。 一转子漏感; 乌， 一定子主磁链对应的电感; 。一 电角速度 ; 其 中: (2 .1) 爪 l 3 1 2 一一 用 l l， 二几。+ l，(2 .2) l ; = l z。+ l m 电压方程 为 : 一u : =r :i，+ 丫 ， 0 = r r i r 一jo w :+ 少r 定子和转子磁链 的计算 公式 为: 丫 。=l ， i: + l ， i; (2 .3) (2 .4) (2.5) (2 .6) w ; = l二 i s + l ， i， 转矩计算 公式 为 : 几 = 凡l。 (i s n i s。 一 i . t。 i s n ) 可得 : 几 = n， 仲， 。 i s p 一 少 ， ， i : 。 ) 进一步可得 : (2 .7) (2 .8) (2 .9) 兀 李仲 夕 ; )- l 叮 少; sin s(2 .10) 丁丫 p 一口 n 一 了乙 其中，及一 全丛二 互l l m 西安理工大学硕士学位论文 从式 2.1 0中可以看 出，在 少 :、w ;一定的情况下，控制 电机的转矩 兀只有 通过控制定子磁链和转子磁链 的夹角 e 的大小来实现 ，在需要增大转矩 的情况 下 ，加速定子磁链 的旋转速度 ，从而增大 0 角来增大转矩 。反之 ，减小磁链 的旋 转速度 。从而可 以实现转矩和速度 的双重控制 。 2.2.2电压 矢量和定子磁链 的关 系 电压矢量是针对逆变器的控制信号来说的，电压矢量 、逆变器和 电机定子磁 链 的关系如下 : 妹 从/ / / 一 一一 练( ( ( 图 2一 3 逆变 器和 电机连接 图 f ig u rez 一 3 in v er t er a nd m o to r eo n n eetio n d ia gr a m 图 2一 3 中各变量定义如下 : u d c 一 直流母线 电压 ; s a 、b、 。 一 逆变器上桥壁三个控制信号 ，即三个 电压矢量 ; s口 、 b、 。 一 逆变器下桥臂三个控制信号 ，与 s a 、 b、 。 互补 ; u a 、 b、 。 一 输入异步 电机三相绕组 a、b 、c 的电压 ; 任一 时刻输入到异步 电机三相绕 组 a、b 、c 上 的电压 u a 、 b、 。 都有逆变器 的 六个控制信号唯一决定 ，逆变器上下桥壁 的控制信 号是互 补 的，因此 u 口 、 b、 。 的 值 由 s a 、 b、 。 的开关状态决定 ，假定 “ 1”表示控制信 号有效 ，开关 闭合 ，“ 0 ”表 示控制信 号禁止 ，开关 断开 ，则 s a 、b、 。 会有 2， = 8 种组合 ，这八种组合如表 2一 1 所 示 ，对 于逆 变器 的 8 种 开关状 态 ，可 以分 为两类 ，一类 是非零 电压矢 量 ，它 们 分别是 认(001)、u : (010 )、认(011)、u ; (100 )、矶(101) 和 矶(110); 另一类 是零 一电压 矢量 u 。(0 00 ) 和 u 7 (1 11)。 2 直接 转 矩控 制 的原理 表 2一 1 逆变器 的 8 种开关状态 几 b lez 一 1 8 in v er t er sw iteh s t a t e 状状 态态0 0 01 1 12 2 23 3 34 4 45 5 56 6 67 7 7 s s sa a a0 0 00 0 0o o o0 0 01 1 11 1 1l l l1 1 1 a a a b b b0 0 00 0 0l l ll l l0 0 0o o o1 1 11 1 1 s s sc c c0 0 0l l lo o o1 1 10 0 01 1 10 0 01 1 1 s。 、 b、 。 和 u dc 的关系可用如下矩 阵表示 : (2 .11) 、 l 万w e l ，l e s . w e . ij 5 5 5 厂. | 卜l 、l w e w e ，. | l 产 二 2 一 2一 2一一 产l e s . e e . 悦 . t . l 月l 戈 cd u l 一3 、一一 汉、 卜. l w e 卜. 已. l w e e e 少 石q b c 卜u u u u 尹. e e z 、l 、 在 电机定子两相静止坐标系下 8 种 电压矢量 的位置见 图 2一 4。 丫丫 认(001) u s(10 1) 图 2一 4 电压矢量在a 一刀坐标下的分布图 fi gur e z一 4 v o l t铭e veetor di str ibuti on m a p i n a 一刀 eoordi na t es 六个非零 电压矢量 的顶 点组成 一个等边六边 形 ， 两个 零 电压矢量位 于坐 标 柱 圆心 。由 式 2.6 可 以得 到 : v ， :( )一 j( u:( )一 ， ( ) r: 冲( 2 .12) 西安理工大学硕士学位论文 忽略定子 电阻的影响，则 : 、 、 ( )二 ju; ( ) d t， ( 2 .13) 从式 2.1 3可以看出，定子磁链和电压矢量成积分关系，表现在a 一刀坐标系下就为 定子磁链 的顶 点运动轨迹沿着 电压矢量 的方 向进行 ，如 图五 : 例如在 t， 时刻磁链 为 毋， ，此 时选择 了电压矢量 认 ( l 10 ) ，定子磁链是对 电压矢量 的积分，积分也可 以理解为所有 的矢 量相加 ， 那么在 tz时刻磁链运动到 少2， 磁链矢量 班， 和 少2顶点的连线平行于矢量 认 ( l 10 ) 的 方 向，在下 一 时刻选 择 电压矢量 u z(010 )，磁 链矢量 的顶 点运 动轨迹将 平行 于 电压 矢 量 矶 (0 10) 。 丫丫丫 厂厂 队(001) u s(10 1) 图 2一 5 磁链轨迹和 电压矢量 的关系 图 fi gurez一 5 fl u x t r a jector y a n d the volta g e veetor di a g ra m 从 以上 分析 可 以看 出，要控制磁链 的轨迹 ，就要选择适 当的 电压矢量 。理想情 况下 ， 通过 电压矢量 的选择就可 以得到任意形状 的磁链轨迹 2.2.3电压 矢 量和转 矩 的关系 在直接转矩控 制 中，对 电机转矩 的控制 是必不可 少 的 。电压矢量 的选 择也会直 接 影 响 电机转矩 的大 小 ， 由式 2.1 0可 以得到 ，通过控制 e 角可 以控制 的 电机 的转矩 ，0 角 的大 小可 以通过 电压矢量 的选取 从而控制磁链 的旋转速度 来控制 ，因此 ， 在选择 电压矢量 时就 2 直接 转 矩控 制 的原理 要考虑当前电机转矩的大小， 从而来决定选取的电压矢量是加快磁链旋转以便增大转矩还 是减小磁链旋转速度 以便减小转矩 。 电机转矩 的计算 公式为式 2.10: 毋; sin s 东w 一几一一 二 _ 称 ， 二 ， ._ i j=二， 、 w :w 气 2.2.4 电压 矢量 的选择 由电机 的工作原理可知 ，定子磁链是一种旋转磁链 ，它 的运动轨迹是 圆形 的 。理想情 况下 ，只要选择的电压矢量得当，就会得到圆形的磁链运动轨迹 。但在实际应用 中，完全 圆形 的磁链轨迹对硬件和 cp u的要求很高 ，会采用一种近似 圆形 的运动轨迹 ，如 图 2一 6。 图 2一 6 中的磁链运动轨迹近似为 圆形 ， 它 的大小控制在一范 围 内。 在任意 时刻要选择 下一 时刻 的 电压矢量 ，就需要知道 当前磁链 的大小 、位置和 电机转矩 的大 小，下面给 出磁 链大小和位置 的计算方法 : a 认 (00 1) u s(10 1) 图 2一 6 近 似 圆形 的磁 链运 动 轨迹 fi gur e z一 6 a ppr o xi m a t e ei reula r f l ux t r a j eetor y a 磁链大 小 的计算 在直接转矩控制 中， 磁链 的计算有三种模型 ， 分别为 u一 i 模型 、i一 n 模 型和 u一 n 模型 。 l3 西安理工大学硕士学位论文 (1) u一 i 模型 计 算 公 式 为 : 、 ; ( )=j( u、 ( )一 、 ( ) r、 冲 在 a 一刀坐标系下 的两个分量 叭。 和 w : 。 计算公式如下 : 、 、 。 一 j( u、。 一 。 。 r: 冲( 2 4) 丫 、。 j( u: 。 一 、 r、 冲( 2 .15) 磁链大小计算公式如下 : 叭 一 伽几 +、 暴( 2 .1 6 ) 在式 2.1 4和 2.巧 中用到 了变量 u s 。 和 u明，它们 分别是 电压矢量 u， ( t )在 定子两相 a 一刀静止坐标系下的分量，式 。 和i s n 分别是电流矢量i :( t ) 的分量。由三相坐标系下的。 。 、 u， 、 u:i。 、 几和 i c 经过 par k变换得到 。 该模型 只用到 了定子 电阻一个 电机参数 ， 而且 电机 的定子 电阻也是 易于测量 的 。 在 电 机转速较 高 时通常忽略定子 电阻压 降， 则定子磁链仅 随 电压的变化而变化 ， 只要合 理地选 择 电压矢量施加 的顺序和时间， 便可使磁链按照要求 的轨迹运行 ，因为此 时定子 电压远大 于定子 电阻上 的压降， 忽略定子 电阻上 的压降， 对磁链 的观测影响不大 。 但 当转速较低时， 定子 电阻的压 降较之定子 电压不可忽略， 这样就造成磁链观测不准确 。 另外 ，由于低速 时， 定子 电阻随温度 的变化而变化 ，也将影响磁链 的观测 ，最终影响系统的性能 。因此 ，u一 i 模型一般在转速较高时适用，它能准确地观测定子磁链，而且结构简单，鲁棒性强。 (2) i一 n 模型 计算公式为 : 1， ， w = 丁 甲 i 二 一 l 气 + 丫 ) l +-二 石 l (2 .17) r ， 丫 护 “ 万呷一w 十 了 田 班 产 (2 .18) 由公式 2.1 7和 2.1 8可 以看 出 i一 n 模型不 受定子 电阻变化 的影响 ， 因此在低速 范 围 内 精度很高 。但 由于 引入 了转子 电阻、漏 电感和主 电感等参数 ，因此这种模型易受 电机参数 变化 的影 响 。 (3) u一 n 模型 中高速 时采 用 u