（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器直接转矩控制系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 控制方式较为复杂，我们只对其进行了仿真验证。为了减少计算量，我们选 择了单一有效电压矢量与零电压矢量通过合适的占空比进行调制的方式。为 了得到优化占空比，我们采用了模糊逻辑直接转矩控制方法。其为传统直接 转矩控制方式与模糊逻辑控制方式之间的结合。首先，由传统直接转矩控制 方式，根据滞环调节器的输出状态及定子磁链的空间位置，选择出有效的电 压矢量，再由模糊占空比控制器根据定子磁链和电磁转矩误差大小以及异步 电动机当前的运行状态，给出一个优化的占空比，以此来得到所需的电压矢 量。对这种控制方式，我们同样进行了仿真。并对仿真结果作了分析。 无速度传感器控制是现代交流传动领域一个重要的研究方向，为了同时 得到异步电动机的定子磁链和转速估计，我们采用了参考模型自适应系统。 它由异步电动机的电压模型和电流模型通过合适的自适应律来构成。该模型 不但能对异步电动机的定子磁链和转速进行估计，而且通过参考模型和调节 模型之间的角色互换，还可以对异步电动机定子电阻的变化进行调整。在模 型中，由于纯积分环节无法克服直流漂移等因素的影响，我们可选用一阶低 通滤滤器或改进的积分器来代替传统的积分环节。 基于上述算法，我们构建了一个多功能实验平台，其为一个双处理器结 构，具有完备的上位机通讯和系统扩展能力。p c 主机监测从机d s p l f 2 4 0 7 的运行状况，并可实时改变系统的设定值，对系统程序进行修定、完善。文 章最后给出了实验结果，仿真和实验结果均表明所提出算法的可行性。 关键词：直接转矩控制；扇区划分：m r a s 模型；预前控制；模糊控制 山东大学硕士学位论文 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 ) o fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，w h i c hh a sb e e n d e v e l o p e da f t e rv e c t o rc o n t r o li nr e c e n ty e a r s ，i san e wt e c h n o l o g yi nd o m a i no f v a r i a b l e 疔e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e da cd r i v e s t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d h a sm a n ym e r i t s ，i t ss t r u c t u r ei sv e r ys i m p l ea n dt h ep r i n c i p l ei sv e r yc l e a r , t h e r e s p o n s eo ft o r q u ei sv e r yr a p i da n dl i t t l ed e p e n d e n c eo nt h ei n t e r i o rp a r a m e t e r s o ft h em o t o r , t h i sm e t h o di se a s yf u l l yd i g i t i z a t i o n n o wm o r ea n dm o r ep e o p l e p a yt h e i ra t t e n t i o no nt h i sm e t h o d i n t h i st h e s i s ，w et a k et h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o da sac e n t e r , b r i e f l y r e v i e w e dt h eh i s t o r yo ft h ea d j u s t a b l es p e e do fa cd r i v e s a st ot h et r a d i t i o n a l d i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d ，w em a k eai n t r o d u c t i o no fi t sb a s i cp r i n c i p l e ，m a k e af u l l y d e s c r i p t i o no ft h ei n v e r t e rs w i t c h i n gs t a t e s w h i c ha f f e c tt h ef l u x p e a k t o p e a kv a l u eo ft h es t a t o ra n dt ot h ee l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u e w ef i n do u t ， i fw ed i s t r i b u t et h ew h o l ep l a n ei n t os i xp i es l i c e s ，t h e r ea r eo n l yf o u ra c t i v e v o l t a g ev e c t o r st h a tc a l lb eu s e di ne a c ha r e a i no r d e rt oi n c r e a s et h en u m b e ro f t h ea c t i v ev o l t a g ev e c t o r si ne a c ha r e a ，w ep r o p o s e dt od i s t r i b u t et h ew h o l ep l a n e i n t ot w e l v ep i es l i c e s i nt h i ss c h e m ea l lt h ea c t i v ev o l t a g ev e c t o r sc a r lb es e l e c t e d b u ta f t e rv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n ，w ef i n db yt h i sm e t h o d ，i tc a no n l yi m p r o v e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi nal i t t l ee x t e n t i nt r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d ，t h es t r a t e g yo ft h es y s t e mi s b a n g ，b a n gc o n t r 0 1 s oi tc a n n o td i s t i n g u i s ht h er e a lv a l u eo f t h ef l u xl i n k a g ea n d t h et o r q u ee r r o r ，a l s oi tc a n n o td i s t i n g u i s ht h er e a ls t a t u so ft h em o t o r t h e s t r a t e g yi ni t s e l fc a n n o ts e l e c tt h ea p p r o p r i a t e ds w i t c h i n gs t a t ea n di t sd u r a t i o n t i m e s oi no r d e rt om a k eaf u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c e ，w es h o u l d s e l e c tt h ea p p r o p r i a t e ds w i t c h i n gs t a t ea n di td u r a t i o nt i m ea c c o r d i n gt ot h ee r r o r o ft h es t a t o rf l u xa n dt h et o r q u e a c c o r d i n gt ot h em e t h o do fh o wt o g e tt h e d e s i r e dv o l t a g ev e c t o r , w ed i v i d e di ti n t ot ot w ok i n d s o n ew a yt og e tt h ed e s i r e d v o l t a g ev e c t o r i s b ys y n t h e s i z i n gu s i n gt w oa c t i v ev o l t a g ev e c t o r sa n da c o r r e s p o n d i n g n u l lv e c t o lt h eo t h e ru s eo n l yo n ea c t i v ev o l t a g ev e c t o ra n dan u l l i i i 山东大学硕士学位论文 v e c t o r , t h ed u r a t i o nt i m eo fe a c hv o l t a g ev e c t o ri sd e c i d e db yaa p p r o p r i a t e d o c c u p yr a t i o w ea p p l yt h ef i r s tm e t h o do nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h r o u g h p r e d i c t i o na l g o r i t h m i tp r e d i c t e dt h ev o l t a g ev e c t o r , w h i c hs h o u l db ee x e r t e do n t h ei n v e r t e rn e x tp e r i o d t h i sm e t h o dn e e d st oc o m p u t e ra l lt h ep o s s i b l es t a t e so f t h en e x tp e r i o d ，s ot h i sm e t h o di ni t s e l fi sv e r yc o m p l e x ，i tl o s tt h em a i nm e r i to f d i r e c tt o r q u ec o n t r o la n dw eo n l yv e i l f yi tb ys i m u l a t i o n i no r d e rt or e d u c et h e q u a n t i t yo fc o m p u t a t i o n ，w eu s e dt h es e c o n dm e t h o dt og e tt h ea p p r o p r i a t e d v o l t a g ev e c t o rb yaf u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o d t h i sm e t h o di sac o m b i n a t i o no f t r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o la n df u z z yl o g i cc o n t r o l ，t h et r a d i t i o n a ld i r e c t t o r q u ec o n t r o lm o d u l ew i l ls e l e c to u tt h ea c t i v ev o l t a g ev e c t o rw h i c hw i l le x e r t o nt h ei n v e r t e rn e x tt i m ea n dt h ef u z z yl o g i cc o n t r o lm o d u l eg i v eo u tt h eo c c u p y r a t i o t h eo c c u p yr a t i oh a sc o n s i d e r a t i o no fm a n yf a c t o r si n c l u d et h ee r r o ro f f l u xa n d t o r q u e ，t h er u n n i n gs t a t u so f t h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n e b yt h i sm e t h o d i ta l t e rt h eo d g i n a lc o n t r o lm o d e ，w h i c ho n l yu s eo n ev o l t a g ev e c t o ri naw h o l e p e r i o d ，w h i c ho f t e n c a u s eu n n e c e s s a r ye f f e c to nt h es y s t e mt h a nd e s i r e d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，w ea l s ov e r i f yi tb ys i m u l a t i o n i nm o d e ma d j u s t a b l es p e e da cd r i v e ss y s t e m m o r ea n dm o r ep e o p l ep a y t h e i ra t t e n t i o no nas y s t e mw i t h o u tas p e e ds e n s o r i no r d e rt og e tt h ee s t i m a t i o n o ft h es t a t o rf l u xa n da tt h es a m et i m et h es p e e de s t i m a t i o n ，w eb u i l tam o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) t h i sm o d e li sac o m b i n a t i o no ft h ev o l t a g e a n dt h ec u r r e n tt h r o u g hap r o p o r t i o n a l i n t e g r a lr e g u l a t o r n o to n l yc a nt h i sm o d e l p r o v i d et h ee s t i m a t i o no f t h es p e e d ，b u ta l s oi tc a na d j u s tt h ev a r i a b l eo f t h e s t a t o r r e s i s t o r i no r d e rt oe l i m i n a t et h ed r i f t i n go ft h ep u r ei n t e g r a t o rw ec a ns u b s t i t u t e i tb yaf i r s to r d e rl o w p a s sf i l t e ro rb ya ni n t e g r a t o r , w h i c hh a sb e e ni m p r o v e d b a s e do nt h ea b o v ea l g o r i t h m ，w eh a v ec o n s t r u c t e dam u l t i f u n c t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i th a st w op r o c e s s o r s ；i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s t p ca n de x p a n de a s i l y b yt h i sp l a t f o r m ，w eg i v eo u tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t t h e r e s u l to ft h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a t i o na l lv e i l f yt h ea l g o r i t h m st h a tw e p r o p o s e di sc o r r e c t ； 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；t h ed i s t r i b u t i o no ft h ep l a n e ；m r a s m o d e l ；p r e d i c t i o nc o n t r o l ；f u z z yl o g i cc o n t r o l v 一生东大学硕士学位论文 2 2 。2 2 。3 2 9 2 2 2 2 $ ! ! s _ _ ；二一：! ： 符号说明 a 1 2 0 0 算子 e 感应电动势 t 定子电流 f ，转子电流 i 定子电流空问矢量 转子电流空间矢量 e ，电磁互感 ，一转子电感 ，定予电感 丸定子漏感 同步转速 以电动机极对数 r ，转子电阻 r 定子电阻 s 转差率 t 电磁转矩 t 控制周期 定子电压空同矢量 q 转子角频率 q 同步频率 q 转差角频率 口定子磁链角 v i 钆转矩角 转予时间常数 t 一一定子磁链空间矢量 转子磁链空间矢量 下标 d 户两相静止坐标系分量 r 转子坐标分量 s 一定子坐标分量 j ：标 + 参考量 算术运算符号 丢川分运算 ! 积分运算 积分运算符 j j 沫绝对值 j 复数因子 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 蛰l ! 蔓 日期：边：芏：吐 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 啤导师签名：逢丝日 飘：加6 ；巧 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动机发展的历史回顾 1 8 2 0 年，丹麦物理学家奥斯特发现：通电导线可以使周围的小磁针偏 转，表明通电导线周围能够产生电磁场。一年以后，法拉第又发现：磁场能 使通电的线圈旋转并制造出第一台直流电动机。法拉第继续对电磁现象进行 研究，并于1 8 3 1 年发现了电磁感应定律，但直到1 8 8 3 年，美国电机工程师 泰斯拉才制造出第一台交流异步电动机【lj 。 根据所采用的电流制式，电动机可以分为直流电动机和交流电动机两大 类，它们都基于电磁感应原理。至今已经研究、制造了形式多样、用途各异 的各种容量、各种品种的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步( 感 应) 电动机两大类，电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关 系，即是同步电动机：反之若不保持这种关系，即是异步电动机【2 】o 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、科技及社会生活的各个方面。电动机负荷约占总发电量的6 0 7 0 ，成为用电量最多的电气设备【3 】。其中交流电动机的用电量又约占电动 机总用电量的8 5 左右，主要因素就在于异步电动机与直流电动机相比具有 如下诸多优点【3 1 。：异步电动机特别是三相鼠笼式异步电动机，其定转子 之间没有电气联系，因此它们之间不需要机械式换向器和电刷连接，而这恰 恰是直流电动机最致命的弱点。：直流电动机由于机械式换向器的存在， 增加了制造工艺的复杂性和直流电动机的成本，从而降低了其功率重量的 比值，换向器的换向能力限制了直流电动机的容量和速度。而异步电动机和 直流电动机相比具有重量轻、转动惯量小、效率高和过载能力强等优点。： 直流电动机的大部分功率( 除励磁功率以外) 都是通过换向器流入电枢的， 转子发热量大，效率低。由于转子散热条件差，中大功率的直流电动机需要 强迫风冷或水冷。大容量的直流电动机设计制造困难，不得不采用双电枢或 三电枢结构，使成本、体积等大大提高。而异步电动机的容量却可以做的很 大，以适应大型机械传动的需要。而且交流电动机价格便宜、坚固耐用，在 高速时性能也不会变差。：直流电动机换向器和电刷的磨损，降低了系统 山东大学硕士学位论文 的可靠性，增加了维修和保养的工作量。电刷火花和环火限制了直流电动机 的安装环境，易燃、易爆、多尘及环境恶劣的地方不能使用直流电动机。交 流电动机不存在有这些限制，可以使用在恶劣的环境之下且维修量较少。 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；二是能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决定性的影响。电动机+ 控 制装置= 电力传动自动控制系统，以直流电动机作为控制对象的电力 传动自动控制系统称之为直流调速系统，以交流电动机作为控制对象 的电力传动系统称之为交流调速系统。根据交流电动机的分类，相应 的有同步电动机的调速系统和异步电动机的调速系统【2 1 。 交流电动机虽然机械结构简单，但它是一个高阶、非线性、强耦 合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度的控制较为困难。 因此，虽然直流传动和交流传动在1 9 世纪先后诞生，但在2 0 世纪的 大部分年代里，约占整个电气传动的8 0 不变速传动系统均采用交流 电动机，而只占2 0 的高控制性能的可调速控制系统则采用直流电动 机【4 】。 1 2 交流调速技术的兴起 2 0 世纪6 0 年代以前，在工业和家庭应用中的大多数异步电动机传动系 统，其控制功能一般仅局限于接通、关断，以及在某些情况下的辅助起动、 制动和反转。异步电动机直接由电网供电，且以固定的定子电压值和频率运 行。对于要求电动机具有比较硬的机械特性的负载，一般倾向于采用具有低 转子电阻的高效率的异步电动机，而这样的电动机要比普通电动机价格更昂 贵一点l “。 显然，不受控电动机传动是最廉价的投资，但缺乏转速控制带来另外的 代价，那便是工作效率的低下和大量的能源浪费。2 0 世纪7 0 年代的能源危 机促使人们向不调速系统中占很大比重的风机、泵类等负载要能源，世界各 国纷纷开始重视交流调速技术的研究与开发。 山东大学硕士学位论文 交流调速的方法有多种，但它们都基于交流电动机的转速公式 门= 6 0 f ( 1 一s ) n 。= n o ( 1 s ) ( 1 2 1 ) 因而，异步电动机的基本调速方法可分为变频调速、变极调速和变转差率调 速三种。 变极调速变极调速的方法只适用于具有特殊结构的三相鼠笼式异步 电动机，这种方法需要在电动机运行时，切换定子绕组的联接方式。它通过 在电动机定子绕组上绕上独立的两套或三套不同极对数的绕组，形成双速或 三速电机，这种方法会使电动机的成本、体积和重量大大增加，而且改变极 对数的方法只能是有级调速。 变转差率调速通过改变转差率的方法实现交流电动机调速的方法有 多种：对于绕线式电动机而言，可以通过在转予绕组中串入电阻来实现。通 过改变定子电压的方法，也可以实现变转差率调速。定子电压的改变可以通 过y 一转换或串入自耦变压器的方法来实现。另外，采用电磁转差离合器 或者串级调速的方法，也可以改变转差率实现调速【3 1 。但变转差率的调速方 、 法，都是以转差功率损耗为代价的，效率较低，浪费大。 变频调速所谓变频调速，就是运用相应的控制算法，按照一定的规律 控制逆变器三对桥臂功率管的通断，将恒压、恒频的三相交流电通过逆变器 变为电压和频率均可调的三相交流电，供给交流电动机的定子，以实现平滑 的交流电动机调速。 变频调速的优点在于：改变同步频率f 时，转差率s 基本保持不变，因 而转差损耗小，机械特性较硬，调速精度高，能实现宽范围的平滑调速，适 用于对于调速性能有较高要求的场合。 变频调速控制算法复杂，对微处理器和功率器件的要求较高。2 0 世纪 7 0 年代以后，科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技 术条件和物质基础： ( 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 山东大学硕士学位论文 和变流装置的现代化。 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流 调速技术的发展。电力电子器件的发展大致经历了四个阶段【2 】：第一代为分 立换流关断器件，包括硅整流管s r 、晶闸管s c r 等。2 0 世纪8 0 年代以前， 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 等均无法与同容量的直流调速装置相比。第二代为自关断器件包括g t r 、g t o 、 v d m o s i g b t 等。采用第二代电力电子器件制造的变频装置，在性能和价格 上均可以与直流调速装置相媲美。第三代电力电子器件向着大电流、高电压、 高频化、集成化、模块化的方向继续发展，其主要采用的电力电子器件为 i g b t ，并以此为核心制造出功率集成电路p i c 等。第四代电力电子器件模块 化更为成熟，如智能功率模块i p i , ，专用功率器件模块a s p m 等。模块化功 率器件将是2 1 世纪的主宰器件。 ( 2 ) 脉宽调制( p w m ) 技术 脉宽调制( 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 类调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重、大作用。脉宽调制技术种类很 多，并且正处于不断发展、完善之中。其基本上可以分为四类【2 】，即等宽p w m 、 正弦p f l e 、磁链及电流跟踪型p w m 。p w m 技术的应用，克服了相控原理的所 有弊端，使交流电动机定子得到了接近于正弦波形的电压和电流。人们从追 求电压波形正弦到电流波形正弦，再到磁通波形正弦，在促进脉宽调制技术 发展的同时，也使变频调速装置的性能有了极大的提高。现代p w m 生成电路 大多采用具有高速输出口的单片机( 如8 0 c 1 9 6 ) 及数字信号处理器d s p ，它 们均可以通过软件编程来生成p _ | v m 。 ( 3 ) 微计算机及数字信号处理技术的发展 变频调速系统，其控制算法较为复杂，对微处理器的性能和运算速度要 求较高。随着科学技术的进步，中央处理单元c p u 迅速发展：从8 位到1 6 位，又从1 6 位到3 2 位；指令执行时间也从微秒级提高到纳秒级。它为变频 调速实现更为复杂的控制策略，奠定了坚实的物质基础，推动交流调速系统 向着更高、更成熟的方向迅速发展。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 现代控制理论的应用及交流调速原理的发展和成熟 交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构 和状态重构的现代控制理论思想，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耦。7 0 年代初，德国学者提出了矢量控制思想，通过 旋转坐标变换，使电动机定子电流的励磁分量和转矩分量实现解耦，从而可 以模仿直流电动机的控制方式，对交流电动机进行控制，使交流调速系统的 静、动态性能达到了直流调速系统的水平。 8 0 年代中期，德国鲁尔大学德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授又提出了直 接转矩控制原理，对交流电动机的电磁转矩直接进行控制，这是交流调速理 论的又一新突破。从某种程度上说，直接转矩控制也是一种综合方法口】，它 避免了繁杂的旋转坐标变换，以定子磁场定向，利用电压型逆变器的工作过 程，控制定予磁链的走走停停，从而达到对异步电动机的电磁转矩和定子磁 链进行直接控制的目的。 近年来从以上控制方案中又派生出诸如多变量自解耦控制、变结构滑模 控制、预前控制等方法，并在控制方案中融入了多种智能控制策略：如自适 应控制、模糊控制、神经元与神经网络控制、模糊神经网络控制等。从矢量 控制的转子磁链观测模型、铁损补偿，到直接转矩控制中的定子磁链观测模 型，变结构控制的削弱抖振现象等，都在尝试引进智能控制技术，以弥补其 他控制方法的不足，达到更好的控制效果。可以预见，在不远的将来，交流 调速系统会全面、逐步取代直流调速系统，在电气传动领域占据主导地位。 1 3 交流变频调速的基本类型 交流变频调速的分类方法有多种，按中间有无直流环节来划分，可以分 为交一交变频( a c a c ) 和交一直一交变频( a c d c - a c ) 两种类型。对于后一 种类型的变频调速系统，依据中间所采用的直流滤波环节的不同，又可以分 为电压型逆变器和电流型逆变器两种。 山东大学硕士学位论文 给 图1 3 1 变频调速系统原理框图 变频调速系统的原理框图如图1 3 1 所示，控制器根据转速的给定值 和反馈量( 开环控制和无速度传感器控制时可以不使用速度传感器) ，运用 相应的控制算法来控制逆变器中功率器件的关断时序。恒压、恒频的三相交 流电通过逆变器产生电压和频率均可改变的三相交流电，供给交流电动机的 定子，以实现平滑的交流变频调速。在多数情况下，我们把控制器和逆变器 合二为一，称为变频器。 、交流变频调速另一种常用的分类方法是依据控制器中所采用的控制算 法进行分类。到目前为止，常用的控制算法有四种： ( 1 ) 恒压频比控制 3 图1 3 2 恒压频比交流调速系统原理框图 恒压频比交流调速系统原理框图如图1 3 2 所示，其中( a ) 为不带转速反馈 山东大学硕士学位论文 的开环恒压频比控制系统，( b ) 为带有测速反馈的恒压频比控制系统。对于变 频调速系统来说，在改变电动机定子供电频率的同时，还要相应的同步改变 电动机的定子电压。因为在交流电动机调速时，希望保持电动机的每极磁通 为额定值。磁通过大，会使铁心饱和，励磁电流过大，还会使绕组发热，严 重时会烧坏电动机；磁通过小，电动机的铁心得不到充分利用，输出转矩小， 造成浪费。因此在设计时，在基频以下，应保持e l i = 常数，其中e l 为定子 每相感应电势的有效值，为定子频率，以保持电动机的每极磁通为恒定值。 由于绕组中的感应电势难以直接测量和控制，为了便于实现，通常采用近似 的方法：当电势较高时，忽略定子绕组中的漏电感压降，用定子电压代替定 子电势，使u a = 常数，这就是恒压频比控制方式。当在基频以上调速时， 由于此时定子电压值不能大于其额定值，所以此时应保持定子电压为额定 值，在改变电动机定予频率的同时，将磁通与频率成反比的降低，相当于直 流电动机弱磁升速的情况。 在图1 3 2 中，v c o 为压控振荡器，它将转速给定信号疗+ 或者转速给。 定信号月+ 与转速反馈信号n 之间的差值经由速度调节器a s r ( 一般为p i 调 、 节器) 的输出，转变为定子频率的给定值q + ，定子电压的给定值可以按式 ( 1 3 1 ) 进行计算： ( 1 3 1 ) 式中为定子电压补偿量，它用于在低频情况之下，对忽略掉的定子阻抗 压降进行补偿，其值可以由用户根据不同的负载状况进行调整。在闭环恒压 频比控制中，还设值了电流极限控制环节，其电流反馈只有当电动机的电流 升到预置的最大值时才起作用，用于当变频器快速的加减速时，限制变频器 电压和频率的快速变化，控制逆变器电流和频率的变化率。 恒压频比控制可以说是最简单的交流变频调速技术，它在工业领域有着 极为广泛的应用。其结构简单，易于实现，通常可以不使用速度反馈。但是， 由于这种控制方式，不直接对电动机的定子磁链和电磁转矩进行控制，故控 制系统不论是转速响应还是转矩响应，都不能达到较高的控制精度。即便如 山东大学硕士学位论文 此，如果控制参数设置合理，其转速控制精度仍然可以达到2 ( 转速极低 时除外) ，动态响应约为5 0 m s l 7 , 8 1 。 ( 2 ) 转差频率控制 转差频率控制依据下面的电动机在稳态时的转矩方程式： 式中 t = k 。2 可丽( o s g r 万 ( 1 3 2 ) 如= 吾n p n , 2 k 2 ( 1 3 3 ) 当电动机稳态运行时，q 很小，由此可以得到转矩的近似的表达式 t z k 。m 。2 百( d s ( 1 3 4 ) 上式表明：在s 很小的范围内，只要能维持每极气隙磁通中。不变，异 步电动机的转矩就近似的与转差角频率q 成正比。也就是说，在异步电动 机中控制q ，就和直流电动机中控制电枢电流一样，能够达到间接控制转 矩的目的。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概 念。电动机的气隙磁通o 。与电动机的励磁电流幅值l 成正比，而与定子 电流幅值l 之间的关系可以用式( 1 3 5 ) 描述 h v j r , 丢+ ；o ) 浮s 2 ( l m + l , ) 2 s s ， s p w m 逆变器驱动的转差频率控制的变频调速系统原理框图如图1 3 3 所示。转速偏差经速度调节器产生转差频率指令q + ，其被输入到函数发生 器中，按( 1 3 5 ) 式产生能保持气隙磁通的恒定的电流幅值指令，。+ 。转差 山东大学硕士学位论文 频率指令q + 同时还和测速反馈信号相加，以产生逆变器频率指令+ 。 电流幅值指令，+ 和频率指令q + 被送入到基准波发生器中，以产生以，+ 为幅值，以。为频率的三相正弦电流信号匕一。+ ，它和定子三相电流l , o b 。 ( 由电流传感器t a 检测) 相比较后，产生逆变器的触发信号。 图1 3 3 转差频率控制变频调速系统原理框图 同恒压频比控制方式一样，转差频率控制所依赖的控制规律，都是在电 路处于稳态时得出来的，不能保证系统最优的动态品质。实际应用中，磁饱 和及温度变化等所引起的电动机参数的变化，将导致气隙磁通的变化，从而 使系统的驱动性能下降，这是稳态函数关系自身所不能解决的一个问题【3 1 。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制模仿直流电动机的控制方法，利用旋转坐标变换，对异步电动 机的定子电流矢量进行解耦，以分解出励磁电流分量0 和转矩电流分量。 其仿效直流电动机的磁场运作过程【9 1 ( 直流电动机的磁场定向采用机械式换 向器) ，采用转子磁场定向，以达到对电动机的转矩和磁场进行直接控制的 目的。矢量控制变频调速系统原理框图如图1 3 4 所示：测速反馈信号 与转速给定信号翻+ 的偏差经速度调节器a s r 产生系统的转矩给定信号 毛+ ，同时经由函数发生器g f 产生转子磁链给定信号一+ ，二者再分 9 山东大学硕士学位论文 别与“转子磁链观测与转矩估计”环节所产生的转矩估计信号t ，、磁链估 计信号t 比较后，分别经由转矩调节器a t r 、磁链调节器a h u r ，产生控 制系统的转矩电流分量，- + 和励磁电流分量o + 。二者再经由旋转坐标变 换v r 一、2 3 变换得到参考电流+ 、i b + 、i c + ，分别与反馈电流信号、 如、i c 相比较后得到产生逆变器的控制信号。 3 图i 3 4 矢量控制变频调速系统原理框图 矢量控制模仿直流电动机的控制方式，直接对交流电动机的磁链和转矩 进行控制1 0 】，其转速控制精度可以达到0 5 ，转矩控制精度可以达到2 。在 使用速度传感器时，即便是在速度较低的情况之下，仍然可以达到较高的控 制精度。它的主要缺点是：转子磁场定向较为困难，需要使用旋转坐标变换， 系统计算量较大，所用到的电动机参数较多，因此易受电动机参数变化的影 响，需要对电动机参数进行准确的辨识j 。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制技术是继矢量变换控制技术之后发展起来的又一种异步 电动机变频调速技术。在传统直接转矩控制方案中，它以系统的转矩误差、 磁链误差以及定予磁链的位置为参考量，通过合理的选择逆变器的开关状 态，控制定子磁链的走走停停，从而达到对电动机的定子磁链和电磁转矩进 山东大学硕士学位论文 行直接控制的目的。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，不需要与直流电动机做比较、等效、转化等，因此避开了复杂的矢 量旋转坐标变换。直接转矩控制以定予磁场定向，只需要电动机的定子参数， 从而减少了参数变化对系统性能的影响，其目前已经成为交流传动领域研究 的一个新热点【1 2 1 。 直接转矩控制同矢量控制一样，可以获得较高的静、动态特性，但其控 制算法更为简洁，物理概念更为清晰。直接转矩控制被认为是未来控制异步 电动机四象限运行的重要方式之一【1 3 ，1 4 l 。这种控制方案仍然需要进一步研 究，以进一步提高异步电动机的静、动态特性和能量转换效率，改善电网供 电质量，抑制电磁干扰( e m i ) 等。 传统直接转矩控制主要的特点如下口】： 直接控制电动机的定子磁场和电磁转矩。 间接控制电动机定子的电流和电压。 定子磁通和定子电流按近于正弦 在接近于零转速时仍能获得较好的动态性能。 直接转矩控制的主要优点是： 采用定子磁场定向，避开了复杂的旋转坐标变换。 直接对电动机的电磁转矩和磁链进行控制，因此没有必要使用p w m 调制模块来控制电动机的电压和频率。这些中间环节的缺省，大大提高的系 统的转矩响应。同样，对于电动机的磁链和转矩也不需使用诸如p i d 之类的 调节器f 纠。 最小拍电磁转矩响应时间，且无超调，这一点甚至优于矢量控制。 然而传统直接转矩控制方案同样也有一些不利因素，现列举直u - f t l 5 , 1 6 1 ： 直接转矩控制由于没有专门的电流环，在起动时，在转矩和磁链同时 增加的情况下，易引起过电流，从而使起动失败。 需要对异步电动机的电磁转矩和定子磁链进行估计，并因此带来一些 电动机参数辨识的问题。 直接转矩控制由于采用b a n g b a n g 控制，其控制方案本身会产生较大 的转矩和磁链谐波。 山东大学硕士学位论文 直接转矩控制在瞬态过渡过程，开关频率变化较大1 7 1 。 1 4 课题的研究内容与目标 直接转矩控制强调电磁转矩控制的直接效果，目前较多地应用于电力牵 引机车上，其具有较大的起动转矩和较强的过载能力。作为通用变频器的控 制方案，目前也只有a b b 公司有成熟的通用变频器产品问市。传统直接转 矩控制虽然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 其各物理量，使问题看似简单明了，但在实际工程实现中仍存在多种多样的 问题。具体表现在： ( 1 ) 电动机的定子磁链估计 在直接转矩控制系统中，需要对异步电动机的定子磁链进行估计。工程 计算中，通常采用反电动势积分法( 基于异步电动机的电压模型) 。这种方 法在低频时受电动机定子电阻压降的影响较大，而且定子电压又受诸如功率 器件的管压降及为防止逆变器上下桥臂短路而设置的死区时间的影响。因 此，这种方法，在低速时对定子磁链估计的效果不十分理想。基于电流模型 的异步电动机定子磁链估计，在转速较低时，对异步电动机定子磁链的估计 效果较好，但这种方法需要知道异步电动机的转速信息。在控制系统中使用 速度传感器或光电码盘，会极大的增加系统的控制成本，降低产品的市场竞 争力。并且测速装置需要独立的测量和传输线路，对产品的使用环境也具有 一定的要求，因而也限制了产品的应用场合。在采用反电势积分法对异步电 动机的定子磁链进行估计时，使用了纯积分环节。纯积分环节本身没有能力 克服直流漂移的影响，而且，异步电动机的定子电阻受温升等因素的影响较 大。这些，都是在异步电动机的定子磁链观测时需要解决的问题。 ( 2 ) 逆变器功率器件开关频率不恒定 在传统直接转矩控制系统中，逆变器所有开关状态的变化都是基于电动 机电磁转矩或者定子磁链的变化，因此，没有必要在电动机和逆变器之间提 供单独的p w m 调制。但是，由于电动机负载的变化规律不可预知，因此对 于整个控制系统来说，当系统处于电磁转矩或者磁链的瞬态过渡过程时，逆 2 山东大学硕士学位论文 变器功率器件的开关频率往往变化较大。过大的电压或电流变化率不仅会造 成对功率器件地冲击，减少功率器件的使用寿命，而且还会给系统带来较大 的转矩纹波。另外，采用不同阶数的滞环调节器、设置不同的滞环误差，不 同的负载状况及电动机的实际转速水平，都会影响逆变器的实际开关频率， 这也是直接转矩控制技术的特点之一f l 引。在传统直接转矩控制系统中，采用 一个控制周期只施加单一电压矢量的方法，也往往会造成该电压矢量的过作 用，在接下来的控制周期再对其调整，又会带来较大的磁链和转矩纹波。 ( 3 ) 电压矢量对电动机定子磁链和电磁转矩的实际影响 在传统直接转矩控制系统中，采用查询电压矢量表的方法来对电动机的 定子磁链和电磁转矩进行调节。电动机的定子磁链幅值与电磁转矩滞环调节 器的输出状态、定子磁链矢量的空间位置，形成查表所需要的信息。在这种 直接转矩控制技术中，不同的电压矢量表会对交流传动系统的静、动态性能 有很大的影响。例如选用反转的电压矢量可以大大加快系统的动态响应，可 ： ， 以防止定子磁链大幅度的减少即防止消磁现