（电力电子与电力传动专业论文）异步电机的单神经元直接转矩控制研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：锄氖蝌 日期：加0年? 鄢。日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：陌知螂导师( 签字) ：沙慨 日期：i 0l o 年汨 日矽d 年岁月影日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，迅速发展起来的一 种新型高性能的交流调速传动控制技术。该控制方法思想新颖，控制结构简 单，控制手段直接，是一种具有良好的静态与动态性能的交流调速方法，已 成为交流调速传动中的一个研究热点。 本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，在此 基础上，深入研究分析了直接转矩控制磁链控制和转矩控制原理，提出了一 种优化的直接转矩控制电压矢量开关状态表，并建立了各个模块的仿真模 型，构建了直接转矩控制仿真系统 采用单神经元控制理论构成单神经元自适应p i d 控制器，仿真结果表明， 单神经元自适应p i d 控制器具有结构简单、自学习、自适应能力强的特点， 控制性能优于传统p i d 控制系统。 采用具有二次型性能指标的神经元自适应p i d 的最优控制器，建立了新的 学习算法，分析了其稳定性和收敛性。仿真结果表明，改进后的控制器在稳 定性和快速性方面都有较大的改善。 设计了异步电机直接转矩控制系统的硬件实验环境，微处理器采用数字 信号处理器d s p ，分别设计了整流电路、逆变驱动电路、电压检测电路、电 流检测电路、速度检测电路、调理电路、隔离电路。功率器件采用智能功率 驱动模块i p m 。在d s p 集成开发环境c c s 下，采用c 语言完成了直接转矩控制 系统各模块的搭建和控制算法的编写。 关键词：异步电动机；直接转矩控制；单神经元；d s p 掣 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a bs t r a c t f o l l o w i n gt h ev e c t o rc o n t r o l ( v c ) t e c h n i q u e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) o fa s y n c h r o n o u sm o t o r ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h er e c e n td e c a d e s ，i s an e wa n dh i g h - p o w e r e da cd r i v i n gc o n t r o lt e c h n i q u e t h ei d e ao fd t ci s n o v e l ，t h es t r u c r u r ei ss i m p l e ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o do fd t ci sd i r e c t d t ci sa n e x c e l l e n ta cd r i v i n gc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hh a sh i g hs t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n y o c c a s i o n su pt on o w f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fd t ch a v eb e e ni n t r o d u c e d ，o n t h i sg r o u n d t h ed i s s e r t a t i o nd e e p l ya n a l y z e sf l u xl i n k a g ea n dt o r q u ec o n t r o lt h e o r y o fd t ca n d p r e s e n t s ar e a s o n a b l e v o l t a g e v e c t o r s w i t c h t a b l e u s i n g m a t l a b s i m u l i n kb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e l sw h i c hf o r mt h e w h o l ed t c s i m u l a t i o ns y s t e m t h e n ，s i n c et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i nc o n t r o l l e rw h i c hc a n t r e g u l a t et h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y ，s i n g l en e u r o nc o n t r o lt h e o r yw a s a p p l i e dt ot h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rs oa st om a k eu pas i n g l en e u r o na d a p t i v e p i dc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es i n g l en e u r o na d a p t i v ep i n c o n t r o l l e rh a sas i m p l es t r u c t u r e ，s t r o n gs e l f - l e a r n i n ga n da d a p t i v ea b i l i t yo ft h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n t r 0 1p e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r 0 1 t h eq u a d r a t i ci n d e xi si n t r o d u c e di no r d e rt or e a l i z et h eo p t i m a lc o n t r o lo ft h e s i n g l e 。n e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w l e a r n i n gi l l u s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h mi m p r o v e st h es t a b i l i t ya n df a s t n e s si nt h i s p a p e r f i n a l l y ，t h et h e s i sd e s i g n sa d t cs y s t e mw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m o d u l e ( i p m ) a r eu s e di nt h i ss y s t e m r e c t i f i e rc i r c u i t ，i n v e r t e rd r i v e rc i r c u i t ，t h e v o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i t ，c u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t ，t h es p e e d d e t e c t i o nc i r c u i t ， c o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ，a n di s o l a t i o n c i r c u i t sa r ed e s i g n e ds y s t e ms o f t w a r ew a s c o m p i l e du n d e rc c s ，w i t hp r o g r a ml a n g u a g ec ，e v e r ym o d u l ei nt h ed t cs y s t e m ，l 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a n dt h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ca r ec o n s t r u c t e d k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s i n g l en e u r o n ；d s p 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 交流电机调速技术的发展和现状1 1 2 直接转矩控制技术的诞生与发展2 1 2 1 直接转矩控制系统的特点3 1 2 2 直接转矩控制存在的问题与当前的研究热点4 1 3 论文的研究内容5 第2 章异步电机直接转矩控制的基本原理6 2 1 交流异步电动机的数学模型6 2 1 1a b c 坐标系下的交流异步电机的数学模型方程6 2 1 2 交流异步电机的转矩运动方程7 2 1 3 两相坐标系下的交流异步电机的数学模型8 2 2 逆变器的数学模型与电压空间矢量1 0 2 2 1 逆变器的开关状态1 0 2 2 2 电压空间矢量1 1 2 2 3 电压空间矢量对定子磁链及转矩的影响1 2 2 3 磁链模型1 4 2 4 直接转矩控制系统的实现1 5 2 4 1 磁链调节1 6 2 4 2 转矩调节1 8 2 4 3 定子磁链与转矩的协调控制1 9 2 4 4 逆变器的开关频率调节2 0 2 5 本章小结2 0 第3 章单神经元自适应p i d 控制。2 2 3 1 传统p i d 控制2 2 3 2 基于单神经元的自适应p i d 控制2 4 3 2 1 单神经元控制器模型及其原理2 4 3 2 2 神经元的学习理论2 5 3 3 采用二次型性能指标的单神经元自适应p i d 控制器3 0 3 3 1 以输出误差平方为性能指标的单神经元自适应控制器3 0 3 3 2 以二次性能指标为性能指标的单神经元自适应控制器3 l 3 4 单神经元自适应控制器学习速率与系统稳定性3 3 3 5 本章小结3 7 第4 章异步电机直接转矩控制系统仿真3 8 4 1m a t l a b s i m u l i n k 简介3 8 4 2 系统仿真模型的建立3 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 2 1 坐标变换模块3 9 4 2 2 磁链区间判断单元3 9 4 2 3 转矩和磁链滞环比较器仿真模块4 0 4 2 4 开关矢量选择表仿真模块4 0 4 2 5 扇区判断模块4 l 4 2 6 逆变器的仿真模块4 1 4 2 7 单神经元p i d 模型4 2 4 2 8 系统总体模型4 5 4 3 仿真结果及分析4 6 4 4 本章小结5 2 第5 章异步电动机直接转矩控制系统硬件设计5 3 5 1d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介5 4 5 2 系统硬件电路的设计5 5 5 2 1 整流滤波电路5 5 5 2 2 驱动及逆变电路5 5 5 2 3 光耦隔离电路5 7 5 2 4 电流检测部分5 8 5 2 5 电压检测电路6 0 5 2 6 速度检测电路6 l 5 3 本章小结6 2 第6 章基于d s p 的异步电动机直接转矩控制系统软件设计6 4 6 1 集成开发环境c c s 简介6 4 6 2 控制系统模块化设计6 5 6 2 1 系统初始化程序模块6 5 6 2 2 主程序模块6 6 6 2 3 定时器t 1 中断服务程序模块6 6 6 2 4 定时器t 2 中断服务程序模块6 8 6 2 5 故障中断服务程序模块6 9 6 3 子模块实现6 9 6 3 1a d 采样模块7 0 6 3 2c l a r k 变换模块7 0 6 3 3 磁链和转矩计算模块7 1 6 3 4p i d 控制模块( p i d 71reg3) 6 3 5 正交编码脉冲电路( q e p ) 模块7 2 6 3 6 速度计算( s p e e df r ) 模块7 3 6 4 本章小结7 3 结论7 4 参考文献7 6 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 9 致谢8 0 哈尔滨1 = 程大学硕士学何论文 第1 章绪论 1 1 交流电机调速技术的发展和现状 交流电机广泛应用在工业、农业、交通运输及日常生活中，并且起着越 来越重要的作用，由于很多机器都有调速的要求，国内外投入大量的人力， 财力加以研究，使交流电机调速技术得到了大力的发展，尤其在最近十年中 随着电力电子技术的发展，各类大功率半导体器件的不断涌现，如g t o 、 m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等，于此同时交流调速的控制方法也是百花齐放， 其中包括转速开环恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制和直接转矩控制， 使交流调速系统更是得到了飞速发展，交流调速控制系统已经成为电气传动 控制的主要发展方向。 在2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产的需要与节省电能的要求，促使全世 界都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，随着科 学技术的迅速发展，使交流调速的发展创造了非常有利的技术条件和物质基 础。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方向发展： 1 电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变 流装置的现代化。 2 脉宽调 甫r j ( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各 类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大的作用。 3 矢量变换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得 基础。 4 微型计算机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。 目前，交流调速系统的主要应用方向可分为三类”1 ： 1 为了节能使电机的恒速给为变速：在原来大量的交流不调速领域( 如风 机，水泵，压缩机等) o p ，改直接启动为软启动，改恒速为调速：在调速性能 要求不高的场合，为降低成本采用开环调速。仅以泵的控制改造为例，节电 率高达2 0 以上。 2 以少维护为目的的取代直流调速系统：在直接关系到生产和人身安全 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 的重要场合，为减少直流电机的故障和维护时间，改用交流调速系统。如直 流电梯改为交流电梯，有利于保证人身安全，增加正常营运时间。 3 直流调速难以实现的领域：在需要大容量高转速的应用领域，交流调 速系统可以大显身手，如电动机车，厚板轧机，高速电钻等。 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。 交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。 1 2 直接转矩控制技术的诞生与发展 直接转矩控制技术是二十世纪8 0 年代中期继矢量控制技术之后发展起 来的一种异步电机变频调速技术。直接转矩控制变频调速系统，德语称之为 d s r ( d i r e k t es e l b r e g e l l u n g ，d s r ) 。英语称d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 或 d s c ( d i r e c ts e l f - c o m r 0 1 ) 【2 】o 1 9 7 7 年，a b p l u n k e t t 研究p w m 逆变器感应电机传动系统中就考虑了 磁链和转矩的直接控制，只是苦于当时对瞬时主磁通的测量没有一个很好的 解决办法，使其实现起来颇具困难而未曾引起广泛的关注。 1 9 8 1 年，日本学者s y a m a m u r a 在开发交流电机速度控制系统时提出了 磁场加速控制法，关键性地指出如果维持气隙磁场幅值不变，诸如电压电流 和转矩等其它物理量仅为转差的函数，此时只需通过调节气隙磁链的旋转速 度，改变其对转子的瞬间转差频率就可达到控制转矩的目的。 1 9 8 3 年，日本学者y m u r a i 等人将瞬时空间电压矢量控制理论应用于 p w m 逆变器感应电动机传动系统中，他们把逆变器和电动机看成一个整体， 综合三相电压进行控制，提出了磁链轨迹控制法，基于电压，磁链空间矢量 概念，成功地解决了瞬时主磁链的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整 个调速范围内近似保持不变，使其轨迹接近于圆形。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布洛克( d e p e n b r o c 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。 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， 应用也得到不断的发展。美国、意大利、韩国和法国也紧紧跟进，使得直接 转矩控制的应用发展逐步扩大。目前该技术已成功地应用在电力机车牵引系 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 统、垂直升降系统等大功率交流调速应用场合。仅a b b 一家公司运行的使用 直接转矩控制方法的电车和电力机车就超过了1 0 0 0 辆，另外其生产的变频器 也主要采用这种控制方法。在国内，直接转矩控制主要还处于理论研究阶段， 实际的应用还比较少见。国内以清华大学的李永东教授和南京航空航天大学 的胡育文教授为主的研究队伍在这方面的研究比较深入，在低频和死区控制 方面提出许多卓有成效的解决方法。另外四川工业大学在电力机车牵引方面 使用了直接转矩控制技术。其余的一些高校和科研单位在直接转矩方面的研 究还基本处于理论仿真阶段p 1 1 2 1 直接转矩控制系统的特点 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，也不需要为解祸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。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 把它观察出来。而矢量控制磁场所用的是转子磁链，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 和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，它包含有两层意思： 直接控制转矩和转矩的直接控制。直接控制转矩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制 量，直接控制转矩。因此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。相反，从控制转矩的角度出发，它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，而对转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对转矩实行直接控 制。其控制方式是通过转矩两点式调节器或三值调节器把转矩监测值与转矩 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小 由频率调节器来控制。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，它的控制既直接又简化。对转矩的这 种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅 用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制。但以转矩为中心来进行 综合控制。 综上所述，直接转矩控制技术采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机的转矩，采用电子磁场定向，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化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，该控制系统的转矩响应迅速，限制在一 拍以内无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。 1 2 2 直接转矩控制存在的问题与当前的研究热点 虽然直接转矩控制系统有诸多的优点，但是由于发展的时间并不长，所 以肯定有许多不完美，不成熟的地方，还存在着一些不足和局限的地方，需 要有很长的一段路要走，至此大量的国内外学者对以下几个方面进行了研究： 1 在低速时，由于定子电阻对定子磁链影响很大，所以就产生了转矩， 电流脉动比较大，磁通难于控制。为此可以采用电流磁链模型就可以消除电 阻对磁链的影响。 2 逆变器开关频率的不固定，其实是来源于对滞环比较器的应用，对器 件有很大的损害，并产生大量的电磁干扰，通过对滞环宽度的设计能达到开 关频率的固定，或者通过设定开关动作时间。 3 速度检测器的安装，一部分提高了系统的成本，受环境影响比较大， 又增大了电机的体积，破坏了系统的稳定性，所以无速度传感器的应用，具 有很大的发展前景。 4 随着一些智能控制理论例如模糊控制，神经网络控制，人工智能控制， 自适应控制应用到直接转矩控制系统中，使其局部性能得到了很大的改进。 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 3 论文的研究内容 本课题的主要研究内容： 1 分析了异步电机直接转矩控制的原理及特点，以及近来国内外的直接 转矩控制的发展现状和一些研究热点问题，并加入智能算法使直接转矩控制 系统更加完善，可靠； 2 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了异步电机直接转矩控制系统并进行仿 真。在仿真实验中通过改变磁链和转矩的滞环宽度以及改变磁链和转矩给定 值等重要参数对系统性能的影响； 3 分析单神经元p i d 控制算法的理论及特点，将单神经元自适应p i d 控 制器运用在异步电机直接转矩控制系统中的速度控制环节中，代替传统p i d 速度控制器，来验证传统p i d 控制器参数无法在线自调整的问题，在加载和 空载情况下，通过两者仿真实验波形的对比。为了使系统达到很好的效果， 在单神经元p i d 的基础上又加入二次型控制理论，通过仿真对比，来验证二 次型控制理论在抑制误差和系统增量的效果： 4 设计异步电动机直接转矩控制系统的硬件电路，主控芯片采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p ，将i p m 作为驱动逆变电路，加入些外围电路来构成直接 转矩控制系统。 5 根据系统的控制方案设计基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的软件控制系统，并 详细研究本控制系统中主要用到的软件模块，利用c 语言，试图采用模块化 的编程思想，来编写相关的程序。 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第2 章异步电机直接转矩控制的基本原理 2 1 交流异步电动机的数学模型 交流异步电机的数学模型通常非常的复杂，难于控制，因为它是一个多 阶，非线性，强耦合的复杂系统，要想建立它的数学模型，必须简化一些可 以忽略不计因素的影响，为此作出如下假设h 1 ： 1 忽略空间谐波，设三相绕组完全对称，在空间相差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 磁饱和、涡流及铁芯损耗忽略不计； 3 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响，电机定转子三相绕组 完全对称； 4 电机的定子与转子表面光滑，无齿槽效应。 2 1 1a b c 坐标系下的交流异步电机的数学模型方程 定子的电压方程： 转子的电压方程： “日 铭c 甜c 其中 甜爿、“占、船c 一分别为定子三相电压，v “口、彩。一转子三相电压，v 6 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 砒百砒百盟衍 + + + 足 疋 尼 0 强 七 盟衍盟巩盟以 + + + b 厅 乃 吃 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 z 4 、f r 、i 一定子三相电流，a 屯、t转子三相电流，a 尺。、足 一定子与转子电阻，q 尸代表积分算子，上述两个方程写成矩阵的形式如下： 磁链方程 “b “c “口 “c l a a = l b b = 乞= 厶。= l c c 疋0 000 0 r s 000 0 0 r s 00 0 00 足0 0 0 0 0 足 0 0 o o o l 4 占 l b b l c b l n b l b 8 l c b + p l a nl 曲l a c l b ol b bl b c l c n l c bl c c l 豫l m bl l kl b bl b c l 豫l c bl c c 定子每相绕组的自感，h 转子每相组的自感，h ( 2 3 ) ( 2 4 ) l 爿b = l 爿c = l b a = l s c = 乞= l c b 定子三相绕组之间的互感，h 乞6i i k = 厶口= 厶。= k = l c b = 厶转子三相绕组之间的互感，h 2 1 2 交流异步电机的转矩运动方程 互谢丢等 式中：互一一负载转矩，n m z 电动机额定输出转矩，n 。m 7 ( 2 - 5 ) 彳 口 c 口 6 c虬0b七屹0 0 o o o o 足 0珞七乞0 伽伽彬助伽彬 助助励助励助 爿 占 c 口 6 f既虬 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 0 9 一电动机的角速度，r a d s p 。一极对数 ，一机电系统转动惯量，蚝m 2 2 1 3 两相坐标系下的交流异步电机的数学模型 首先在a b c 坐标系与两相口，坐标系进行变换，叫做3 2 变换， 可以按照两系统的总磁势相同和功率不变原则进行变换，得出变换公式 如下： r 1 1 2 信j 。办h l - 1 压1 压 c j ，：= c ! ；杰= 信【i v 12 一0 3 ，2y152- 2 1 3 1a , 1 3 坐标系下的异步电机的数学模型 电压方程： 磁链方程： u a l = 局乞i + 夕l 坳l = 蜀绉l + p l 甜。2 2 r 屯2 + p 2 + c o 弘p 2 u # 22r 2 i # 2 + p 2 + 彩2 j l = t 乞l + 厶屯2 = 厶彩- + 厶0 z 2 = 匕1 + 乞2 8 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) f 2 - 1 4 ) v 压俚 舭由啦 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y 卢22 。妨l + e ，2 将以上两个式子写成矩阵的形式，就可得出o f , ， 的数学模型 u a l u p l u o t 2 u # 2 蜀+ 厶p 0 厶p 一缈厶 o 蜀+ t p c o l , l m p 厶p 0 r + l r p 一l ， ( 2 - 1 5 ) 坐标系下的异步电机 o 厶p c o l ， 恐+ l r p ( 2 1 6 ) 异步电机的电磁转矩： r e = n p l 肌( 如l 屯2 一i o l i p 2 ) ( 2 1 7 ) 2 1 3 2d , q 坐标系下的异步电机的数学模型 两相静止坐标系下的方程变为两相旋转坐标系下的变换，称之为2 2 变 换。前提条件是静止坐标系下和旋转坐标系下的绕组匝数，磁动势相同。变 换式子如下： ic o s 纱s m 矽l c 2 m r = i 一7 矽f ( 2 - 1 8)sinc o s l 一矽矽l = 岛= p 柳 经过式子( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可以推导得出( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 式子： d l 2 k 们+ p g t s l c o l l 口1 “g i = 蜀l + p l f f q l + c o l l g s l 蚴2 = 足0 2 + p 2 一q 2 2 l g q 2 2 1 2 1 ) 2 + p 沙q 2 + c 0 1 2 2 9 ( 2 - 2 0 ) dl = lj i di + l 。i d2i 荔一q l - l 3 i ql + + l , i q2 lili p 2 t ， d2 2 mdl +rd2l 卜“7 yg2 2 三。z g1 + 三，i g2j 将上述两个式子写成矩阵的形式如下： r 、+ l s p q l 丘 l m p q 2 厶 一q 1 厶 + l s p q 2 匕 厶p 厶p q l 厶 醚+ l r p q 2 一q 。乙 厶p q 2 是+ t p ( 2 - 2 2 ) 在( 2 - 2 2 ) 式子中c o , ：= q - - 0 ) = 哆为转差角速度。铂为d , q 坐标系下的旋转 角速度，缈为旋转角速度。 转矩方程为： 正= ，z p 厶( - 屯：一岛- ：) ( 2 2 3 ) 2 2 逆变器的数学模型与电压空间矢量 2 2 1 逆变器的开关状态 ej r 中性点 e t c 图2 1 三相电压型逆变器主电路模型 电压型逆变器如图2 1 所示由三组，六个开关组成分别为：s 一，瓦，s b ， 瓦，& ，夏其中两两互补，把邑，夏称为a 相开关，把& ，瓦称为b - , h y p y 毛，把& ，s c 成为c 相开关，可得到8 种可能的开关组合，其中可分 为两大类，一类是6 种工作电压，三相负载不同时接到同一电位上，而另一 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 类是2 种零开关状态，三相负载都有相同的电位，如表2 1 所示： 表2 1 逆变器开关状态 工作状态零状态 状态 12345607 开 s a o0111o01 关 s b 100 011o1 组 s c l 1 10 0 oo1 用符号1 d s ( f ) 来表示逆变器的输出电压状态的话，逆变器的电压状态可用 以下符号表示：可用u 。u 。，来表示，对应于开关状态还可以用： 1 2 s ( 0 11 ) u s ( 0 0 1 ) 一“，( 1 0 1 ) 一u , ( 1 0 0 ) u s ( 1 1 0 ) 一u , ( o l o ) 一u s ( o o o ) 一u s ( 1 11 ) 表 示，如表2 2 所示： 表2 2 逆变器的开关状态和相应的输出电压状态 工作状态零状态 状态 l23456o7 开关 s o l ls o o ls l o ls l o os l i os o l os o o os ii i 状态 输出电 压状态 u s o l l“5 0 0 lu j l o l u s l 0 0 u s l l 0甜s 0 1 0u 5 0 0 0甜s 1 1 1 2 2 2 电压空间矢量 为了对异步电机更好的分析和控制，可以引入p a r k 矢量变换，它是把三 个标量转换成一个矢量，选取定子坐标系a 轴和p a r k 矢量变换实轴重合，可 以得出p a r k 矢量x ( f ) = 2 3 x o ( f ) + p 瓦( f ) + p 2 五( f ) 式中：p 为复系数， 称之为旋转因子，p = e 口叩。如果三相负载的定子绕组接成星形，则输出的 电压可表示为： b s ( f ) = 2 3 “彳+ “曰p 2 州3 + u c e j 4 石3 】 ( 2 2 4 ) “4 ，b r ，蚱三相定子绕组的相电压，v 通过将各个状态的三相电压值带入此式子，得出以下的结 仑【1 ： 1 逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它 哈尔滨工程大学硕十学位论文 们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差6 0 。 2 电压空间矢量的幅值不变，都等于4 驯3 ，因此六个电压空间矢量的 顶点构成了六边形的六个顶点。 3 零电压状态“7 位于六边形的中心。 4 六个电压空间矢量的顺序是： u , ( 0 1 1 ) 一u , ( 0 0 0 一u , 0 0 1 ) u , ( 1 0 0 ) u s ( 1 l o ) 一u , ( o l o ) 一甜。( o o o ) 一u s ( 1 1 1 ) 它们依次沿逆时针方向旋转，如图2 2 所示。 u s l 0 0 t i s 0 1 1 图2 2 空间电压矢量分布 2 2 3 电压空间矢量对定子磁链及转矩的影响 2 2 3 1 空间电压矢量对磁链的影响 如果忽略了电机定子电阻的影响，可以将磁链公式写成： 一 虬( f ) k ( t ) d t ( 2 2 5 ) 此式子说明了定子磁链是定子电压的积分。 沙。表示定子磁链空间矢量，剐，邸，跗，舾，跖则表示磁链空间 矢量顶点所处空间方位。当磁链位于图中位置时，加到定子上的电压为： u , ( 1 0 0 ) ，定子磁链空间矢量将沿着肼边的轨迹逆时针运动，当到达肼和鼬 交点的时候，在把电压u s ( 11 0 ) 加到定子上，磁链将继续沿着鼬沿着逆时针 运动，以此类推给定子n 上u ，( o l o ) ，“。( 0 1 1 ) ， 。( 0 0 1 ) ，u s ( 1 0 1 ) ，则磁链将 沿着跖，肼，舵，岛逆时针运动，因此可以总结出以下结论： 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 定子磁链的运行轨迹平行于空间电压的指示方向。 2 通过给定子相应的电压，可以使定子磁链沿逆时针运动，形成正六边 形磁链轨迹。 3 六条边代表着定子磁链一个周期的运动轨迹。 如图2 3 所示： 甜j 1 0 0 8 扰s 0 1 0 图2 3 电压空间矢量与磁链矢量空间矢量的关系 2 2 3 2 空间电压矢量对转矩的影响 电磁转矩的大小和定子，转子磁链幅值有关，还有很它们之间的夹角有 关，实际中，定子磁链一般要保持恒定，充分利用电机的铁芯，负载决定着 转子磁链的幅值，所以只能靠改变夹角来改变电磁转矩。在直接转矩控制系 统中，定子磁链的旋转速度是由相关的电压矢量来控制的，能改变定子磁链 的平均速度，从而改变定子磁链与转子磁链的夹角，达到改变转矩的目的胪1 。 1 若要增大电磁转矩，就施加正向有效空间电压矢量，是电压的幅值足 够，定子磁链的转速就会大于转子磁链，磁通角增大，从而使转矩增大。 2 若要减小电磁转矩，则施加零电压矢量，定子磁链就会停止转动，磁 通角减小，从而使转矩减小。 3 若要迅速减小电磁转矩，则施加反向有效空间电压矢量，定子磁链就 会向反方向旋转，磁通角迅速减小，从而使转矩减小。电压空间矢量的工 作状态和零状态轮流出现，就可以控制定子磁链的平均转速，就可以得到 哈尔滨工程大学硕十学位论文 高动态性能的转矩。 2 3 磁链模型 异步电机的磁链模型可分为三种：1 甜一i 模型2 f 一门模型3 “一刀模 型，我们把用定子电压和磁链表示定子磁链的方法叫做“一f 模型。 定子磁链可以用公式为：( ，) = i ( ( f ) 一( f ) b 弦 ( 2 - 2 6 ) 此方法只有在( ，) 一( ，) r 的值比较大的时候，所得结果比较理想。定 子电阻是影响误差的原因，所以它只适合于1 0 额定转速以上，尤其是在3 0 额定转速以上时，定子磁链才能非常精确的确定。此方法结构简单，精度高。 在3 0 额定转速以下范围内，可由定子电流和转速来确定磁链的方法叫做 f 一厅模型。 1 = ( 0 l + 怕) ( 2 2 7 ) 1 4 一生 l ， = ( 妇乙+ 缈巾) ( 2 2 8 ) 14 - j o l 虽然此式子不受定子电阻的影响，但易受转子电阻，漏电感，主电感的 影响，而且需要准确的测出国和转速。对于异步电机来说，在不同的测速范 围应该采用不同的方法，一般来说，高速时采用“一f 模型，而低速时采用f 一刀 模型。 由此提出一个全速范围内实用的磁链，称之为甜一刀模型。 转子方程： 虬= 耳乞( 妙口一沙，) + j c o g r( 2 2 9 ) 定子方程： 虬= 蚝一r ( 2 3 0 ) 磁链方程： = 三 ( 2 - 3 1 ) 虬= 吮一t f ，( 2 - 3 2 ) 此模型可以使电机在不同的转速自如的切换模型，并且它采用了电流 p i d 调机器，精度大大的得到了改善，可以很好的模拟电机的物理量。但u n 模型比较复杂，实际应用的很少。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 直接转矩控制系统的实现 该系统包括整流器、电流和电压矢量变换器、逆变器、转矩磁链角和 磁链计算器、转速调节器、转矩和磁链调节器以及p w m 控制器等几个部 分。直接转矩控制的控制步骤如下：根据测得的定子电流与电压经过3 2 变换得到在静止两相坐标系下的电流t 、声和电压“跗、u ，口。通过磁链 计算公式虬- - i ( “。( f ) ( f ) r ) 出计算可求出y 船、虬声以及幅值i 虬i 作为 系统的实际值。再由转矩计算公式丁- - - 胛p ( 如一虮也) 计算出转矩的实 际值。 将定子磁链幅值和给定值相比较得到磁链误差。送入磁链滞环比 较器得到离散的磁链状态d 。，并送入到开关表中。同理，将给定转矩与实 际转矩比较所得到转矩偏差丁送入转矩滞环比较器可以得到转矩的离散 状态办，送入开关表中。将磁链向定子三相a b c 坐标轴投影在三个轴的 投影大于o 时输出0 ，小于0 时输出1 ，再利用公式n = 4 a + 2 b + c 便可得到 磁链所处的区间，将其也送入开关表中。这样便可根据谚，、西及区间值得 到一个相应的空间电压矢量去控制逆变器的开关状态从而控制电机。以上 便是异步电机直接转矩控制系统的工作过程。 图2 4 异步电动机直接转矩控制系统结构图 哈尔滨工程大学硕士学何论文 2 4 1 磁链调节 磁链调节采用施密特触发器，容差是- + i a 沙i 2 ，对于给定的磁链参考基 准和误差限缈，调节定子磁链幅值陟。i ，使处于i i i y i 2 和 i y 2 i - t - i a l 2 两点之间的一种调节方法。 磁链调节的任务就是通过定子电压空间矢量的选择将定子磁链的幅值变 化控制在允许的范围内，使磁链的轨迹为六边形或者接近圆形。传统的直接 转矩控制是使定子磁