（电力系统及其自动化专业论文）离心机专用变频器及其控制系统研究.pdf

t h er e s e a r c ho fs p e c i a li n v e r t e rf o r c e n t r i f u g e sa n dc o n t r o ls y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y us h e n g h u a ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i s s e r t a t i o n t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r w a n gd a n j u n e2 0 1 l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 ! 邕! 坠扭童旦变麴墨丛基控圭9 丕统盟塞：一。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：珥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：孑腿卑 导师签名： 日期：矽f f 年1 月日 ，卜 中文摘要 摘要 交流调速技术是2 0 世纪后期重要的工程技术成就。交流调速控制方式历经了 四代，得到了迅速发展。其中最新颖的是直接转矩控制技术，直接在定子坐标系 下分析交流电机数学模型，控制电动机的磁链和转矩，控制结构简单，手段直接， 是一种具有较高动态响应的交流调速技术。 论文首先介绍了调速技术的发展与现状，直接转矩控制技术的发展以及本文 的主要研究内容；接着介绍了异步电动机直接转矩控制的理论和直接转矩控制系 统组成及工作原理；然后详细介绍了离心机专用变频器的硬件电路设计工作，主 要包括主电路、隔离驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、测速电路以及电 源电路的设计；其后，论文介绍了在d s p 集成开发环境c c s 3 3 下直接转矩控制 的软件实现，主要包括测速、电压和电流信号采集与3 2 变换、磁链和转矩的计算、 转矩给定、磁链和转矩调节、磁链扇区选择、开关信号选择、电压状态输出等模 块的具体实现；最后对整个系统的软硬件进行联合调试，验证设计的正确性，获 得直接转矩控制的性能，还根据己取得的部分实验结果进行了分析与说明。 关键字：离心机；变频器；直接转矩控制；d s p ；三相异步电动机 英文摘要 a b s t r a c t a cv a r i a b l es p e e dt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n te n g i n e e r i n ga c h i e v e m e n ti nl a t e2 0 t h c e n t u r y a f t e rt h ed e v e l o p m e n to ff o u rg e n e r a t i o n s ，a cs p e e dc o n t r o lm o d e sh a v e d e v e l o p e dr a p i d l y d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sa na cs p e e dc o n t r o lt e c h n i q u et h a t d i r e c t l ya n a l y z e st h ea cm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o l sm o t o rf l u xa n dt o r q u e i nt h es t a t o rc o o r d i n a t i o n ，p o s s e s s i n gh i g hd y n a m i cr e s p o n s e ，s i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e ， d i r e c tc o n t r o lm o d e f i r s 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 ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fa cs p e e dc o n t r o l a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ；n e x t ，w ei n t r o d u c et h et h e o r y ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ， a n dp r i n c i p l e so fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；t h e n ，w ei n t r o d u c et h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n o ft h ed e d i c a t e dc o n v e r t e rf o rc e n t r i f u g ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i nc 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 ，t h ec u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，t h es p e e dd e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v e a n di s o l a t i o nc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ep o w e rs u p p l y c i r c u i t e s p e c i a l l y ，a h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es p e c i a lc e n t r i f u g ef r e q u e n c yc o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t ； s e c o n d 。w ei n t r o d u c et h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lu n d e rt h e c c s 3 3 ，ad s pi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，m a i n l yi n c l u d i n gt h es p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o no fm o d u l e ss u c ha ss p e e dd e t e c t i o n ，s p e e dd i s p l a y ，v o l t a g ea n dc u r r e n t d e t e c t i o na n dt h e i r3 2t r a n s f o r m a t i o n ，f l u xa n dt o r q u ec a l c u l a t i o n ，t o r q u eg i v e n ，f l u x a n dt o r q u ea d j u s t i n g ，f l u xs e c t o r ss e l e c t i o n ，s w i t c hs i g n a l ss e l e c t i o na n dv o l t a g es t a t e s o u t p u t ；f i n a l l y ，e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g na n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ed t c ，a n ds o m ea n a l y s i sa n de x p l a n a t i o n sa r eg i v e na c c o r d i n gt o s o m ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e d k e y w o r d s ： c e n t r i f u g e ；s p e c i a li n v e r t e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d s p ； t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r 目录 目录 第1 章绪论。1 1 1 电动机调速发展概况1 1 2 交流调速技术的发展1 1 3 直接转矩控制技术发展概况2 1 4 论文主要的研究内容3 第2 章直接转矩控制基本理论5 2 1 异步电机直接转矩控制基本理论5 2 1 1 直接转矩控制的理论依据5 2 1 2 异步电动机数学模型6 2 1 3 逆变器的开关状态和电压状态7 2 1 4 电压空间矢量及其与磁链和转矩的关系8 2 1 5 电压空间矢量与磁链、转矩的关系9 2 2 直接转矩控制的基本结构和工作原理1 0 2 2 1 异步电动机磁链计算模块1 2 2 2 2 磁链调节模块1 2 2 2 3 转矩调节模块1 3 2 ，2 4 扇区判断13 2 2 5 开关信号选择模块1 5 2 3 本章小结17 第3 章控制系统硬件电路设计18 3 1 系统硬件构成1 8 3 2 主电路18 3 3 控制电路。2 0 3 3 1 控制器d s p 及其外围电路2 0 3 3 2 隔离驱动电路2 6 3 4 信号检测电路。2 9 3 4 1 电压检测调理电路2 9 3 4 2 电流检测调理电路3 0 3 4 3 转速检测电路3 2 3 5 本章小结3 3 第4 章控制系统软件设计3 4 4 1c c s 开发环境介绍3 4 目录 4 1 1c c s 开发环境的功能3 4 4 。1 2 集成代码生成工具3 6 4 1 3 集成开发环境3 7 4 1 4d s p b i o s 插件3 7 4 。1 5 实时数据交换r t d x 和硬件仿真3 8 4 2 系统主程序设计。3 9 4 3 中断子程序4 0 4 3 1a d 转换4 1 4 3 2 由直流母线电压计算三相交流电压4 3 4 3 3 磁链和转矩计算4 4 4 3 4 转速测量和速度调节器4 6 4 3 5 磁链、转矩调节_ 4 9 4 3 6 开关信号选择4 9 4 4 本章小结5 l 第5 章实验结果与分析5 2 5 1 实验系统搭建5 2 5 2 实验波形及分析。5 5 5 3 本章小结5 7 总结5 8 参考文献5 9 致谢6 4 离，g , t 4 l 专用变频器及其控制系统研究 第1 章绪论 1 1 电动机调速发展概况 在用电系统中，电动机负荷大约占整个发电量的7 0 。电动机在国防、工农 业生产、社会生活和科技等各方面作为主要的动力设备而得到广泛的应用i lj 。根据 电动机所采用的是直流电还是交流电将其分为直流电动机和交流电动机，二者具 有不同的结构和原理。 直流电动机的转速很容易控制。在低于额定转速时，保持电动机的励磁电流 不变，可以采用改变电枢电压的方法对其进行恒转矩调速；在高于额定转速时， 保持电动机的电枢电压不变，可以采用改变励磁的方法对其进行恒功率调速。所 以在二十世纪八十年代之前的调速领域中，直流调速一直占据主导地位1 2 j 。 直流电机自身结构存在机械换向和电刷，这一缺陷限制了直流调速系统的发 展。二十世纪六十年代之后，随着工业生产技术的进步和能源危机的出现，对电 气传动系统的性能有了更高的要求，世界各国开始重视对交流调速技术的研究。 伴随着电力电子、微电子和控制技术的迅猛发展，电气传动发生了全新的变化， 高性能交流调速技术快速发展起来，并逐渐取代直流调速系统。 1 2 交流调速技术的发展 随着电力电子技术、微电子技术、自动化控制技术的不断发展和电机控制理 论的f i 断完善，交流调速逐渐取代直流调速成为主流调速技术已成为趋势。交流 变频调速系统之所以能有如此巨大的进步，主要得益于以下几个方面p ： ( 1 ) 电力电子器件的快速发展和迅速换代推动了交流调速的发展 现代交流调速技术发展的支柱是电力电子器件，每一代新的电力电子器件的问 世都推动了交流调速技术的进一步发展。二十世纪八十年代中期之前，变频调速 装置功率回路一般采用第一代电力电子器件一一不可控的电力二极管( p o w e r d i o d e ) 、半可控的晶闸管( s c r ) 。二十世纪八十年代中期之后，第二代电力电子器 件全控型半导体电力电子器件一一功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 等的应用使得交流调速技术快速发展并逐步走向于成熟，调速性能已经能够媲美 第1 章绪论 直流调速。九十年代以i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 为代表的第三代 电力电子器件问世，这些全控型电力电子器件更加便于控制，具有更大的电流容 量、更高的耐压值和开关频率、更低的饱和压降，更加易于驱动，使得电机的控 制性能有了更大的提高1 4 1 。 ( 2 ) 控制技术的发展 一九六四年，a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出用通信系统中的调制技术对电 机进行控制，这便诞生了脉冲宽度调制( p w m ) 技术2 1 。现在这种技术运用在了 绝大部分电机调速系统控制中。 二十世纪七十年代初期，德国西门子公司的f b l a c h k e 等人提出了“感应电 机定予电压的坐标变换原理”，这标志着矢量控制技术的诞生【2 1 。现在这种控制技 术普遍应用在高性能的电机控制系统中。但是这种控制技术性能的优劣在很大程 度上依赖于电机参数的准确性。 一九八五年，德国鲁尔大学的德彭布洛克( d e p e n b r o c k ) 教授第一次提出了“直 接转矩控制”的理论【5 1 。直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算比较复 杂、性能优劣容易受电机参数变化影响等问题【引。直接转矩控制自诞生之日起就因 为其控制思想新颖，系统结构简单，控制性能优良而得到了快速的发展。 ( 3 ) 微处理器的发展 微处理器技术的发展使电机传动控制技术发生了巨大的变革，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。随着微机控制技术的发展，特 别足以数字信号处理器( d s p ) 为控制核心的控制技术的成熟应用使交流调速系统 走向数字化【引。这不仅对电机控制系统产生了深远的影响，反过来也促进了智能控 制理论和应用技术的研究。d s p 出现于二十世纪八十年代，它采用集成硬件乘法 器、锁相环技术、支持浮点运算等措施来提高芯片的运算速度。近年来，d s p 已 经把p w m 发生器、a d 转换、捕获等集中在一起，成为一种特别适用于电机传动 的嵌入式控制的高速单片机。 1 3 直接转矩控制技术发展概况 1 9 8 5 年，直接转矩控f 苗l j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 方法由德国鲁尔大学 学者德彭布洛克( m d e p e n b r o c k ) 首次提出。和矢量控制不同，它抛弃了解耦的 离心机专用变频器及其控制系统研究 思想，不用进行复杂的旋转坐标变换。它不是通过控制电机电流等量来间接控制 电机转矩，而足把转矩直接作为被控量【7 1 。与其它的控制技术相比较，这种控制方 式具有简单明了的结构和良好的动静态性能，在输出同样的频率时所需要的开关 次数最少，具有比较小的开关损耗，所以广泛应用在大功率场合，这种场合对开 关频率的要求不高。但是，由于这种方法的定子磁链是按照六边形轨迹运动的， 所以电压、电流会有较严重的波形畸变，低转速时转矩的脉动较大。 随后日本学者高桥勋提出了直接转矩控制的圆形磁链控制方法，这种方法通过 实时计算电机转矩误差、磁链误差和电机定子磁链的空间位置来选择开关矢量输 出相应的电压矢量【8 l 。形成近似为圆形的定子磁链轨迹，在一定程度上减少了电压、 电流中的谐波分量。这种控制方法在一个周期内要求开关器件多次动作，因此新 型电力电子器件f 如i g b t ) 在这种控制中能够很好的发挥了自身开关频率的优势， 因而广泛应用在中小功率场合。 直接转矩控制相对于其它控制具有以下特点： ( 1 ) 直接转矩控制数学模型的建立以及对电动机的磁链和转矩的控制都是在 定子坐标系下进行的。不用将交流电机与直流电机进行比较、等效和转换，因此 不需要模仿对直流电机的控制方法进行控制，省掉了复杂的转换运算【9 j 。只需要进 行简单的信号计算，易于实现实时控制。 ( 2 ) 直接转矩控制是用定子磁链来计算磁通的，只需要知道定子的电阻。不 像矢量控制那样是用转子磁链计算磁通，不仅需要知道转子的电阻还需要知道转 予电感，大大的减少了控制精度受参数变化的影响。 ( 3 ) 直接转矩控制直接把转矩作为被控量【l o 】。并非极力获得理想的正弦波形， 也不强调磁链为十分理想的圆形轨迹，强调的是转矩的效果，所以它使用离散的 电压状态，使控制变得十分清晰容易。 1 。4 论文主要的研究内容 离心机依据离心沉降原理，将颗粒很小、各组分密度相近的各种乳浊液或混 合液进行分离、提纯、浓缩等。目前离心机多采用通用变频器。通用变频器的通 用性好，功能多而复杂，但是参数较多，价格较贵。而专用变频器是针对某产品 第1 章绪论 设计的，参数少而精，价格便宜。本文就是设计离心机的专用变频器，要求转速 为5 3 5 0 r m i n 。 本文所作工作是在查阅了大量的文献资料的基础上完成的。简单阐述了异步 电动机直接转矩控制的基本理论和实现方法。对以d s p 为控制核心的异步电动机 直接转矩控制系统的设计进行了简单介绍，给出了论文中系统设计方案的理论依 据。介绍j ，控制系统硬件电路部分的设计，包括主电路设计和控制电路的设计。 主电路采用典型交一直一交电压源型通用变频器结构，i g b t 采用仙童公司的 f g a 2 5 n 1 2 0 a n t d 。控制网路以t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 为控制核心，介绍了其基本外围电 路的设计以及驱动隔离等电路的设计实现。控制系统的软件部分，介绍了d s p 的 开发环境c c s 3 3 ，给出了主程序和中断子程序的流程图以及部分程序的c 语言实 现代码。在文章的最后对系统的软硬件进行联合调试，给出系统的调试结果，并 作简要地分析，控制电机稳定运行，初步达到控制目标。 本论文共分为5 章：第1 章为绪论，介绍电动机调速的发展概况，交流调速的 发展概况以及直接转矩技术发展概况。第2 章介绍直接转矩控制的理论依据、所 用到的数学模型以及直接转矩控制的基本理论。第3 章介绍系统硬件设计。第4 章介绍了控制系统的软件设计，整个软件的设计是在t i 公司的c c s 3 3 下进行编 程实现的。第5 章给出了变频器的硬件实物图以及系统调试的波形，并对波形进 行了分析。 离心机专用变频器及其控制系统研究 第2 章直接转矩控制基本理论 2 1 异步电机直接转矩控制基本理论 2 1 1 直接转矩控制的理论依据 按照对离心机工作过程的要求，控制离心机的转速是系统的根本目的。电机 转速的变化与转矩有着直接的联系，电机转速的控制是通过对转矩的控制来实现 的，且电机转速只受其转矩的影响。任何电机都由定子和转子这两部分构成。定 子产生的定子磁势矢量瓦和转子产生的转子磁势矢量瓦合成得到合成磁势矢量 瓦 1 l io 根据电动机的统一理论，瓦、f 和瓦的相互作用产生了电动机的电磁转 矩，其公式如下： 毛= q ( 只c ) = g 只es i n z ( 只，c ) = q ( 只疋) = g 只最s i n z ( f , ，疋) ( 2 1 ) = c m ( c e ) = g ，只cs i n 么( 只，疋) 其中只、e 、呸分别是瓦、f 和瓦的模。 异步电动机的三个磁势矢量在空间按照同步角速度缈。转动，彼此之间处于相 对静止的状态。由公式可以看出，要想改变电动机的转矩可以通过改变两磁势矢 量的幅值和他们之间的夹角来实现。 由公式( 2 1 ) 可以知道，转矩的大小等于瓦和瓦的矢量积，瓦与定子电流 矢量i 成比例关系，瓦与磁链矢量啄成比例关系，因此转矩与定子电流矢量乏和 磁链矢量模值的大小以及它们之间的夹角有关系【1 2 l 。云的大小可以通过直接检 测电机的定子电流得到，的大小可以由电机的磁链模型计算得到。在异步电动 机定了坐标系中求得转矩的大小，设置转矩调节器，构成转矩闭环控制系统，获 得的静动态调速性能可以与矢量控制媲美。 电动机的性能和运行状态与磁链的大小有着很大的关系，为了使电动机能够 合理的运行，希望电动机在运行的过程中能够保持磁链的大小基本不变，所以对 磁链进行控制是有必要的。与对转矩的控制一样，为了使磁链大小保持恒定，可 以设置磁链调节器，构成磁链闭环。对磁链的控制有两种方法，一种是德国学者 第2 章直接转矩控制基本理论 提出的磁链轨迹是六边形的控制方法；另一种是日本学者提出的磁链轨迹是圆形 的控制方法。本文中采用圆形磁链轨迹的控制方法。 2 1 2 异步电动机数学模型 异步电动机的空间矢量等效电路图如图所示： j a q ， 图2 1 异步电动机空i 剐矢量等效电路 f i g 2 1s p a c ev e c t o re q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 图中各量的定义如下： 瓦一定子电压空间矢量；亏一定子电流空间矢量；万一转子电流空间矢量； 甲一定子磁链空间矢量；甲，一转子磁链空间矢量。 由图2 1 中所示可以得出异步电动机在定子坐标系下的如下方程： 玑= r l + 甲，( 2 2 ) 0 = b 一甲，+ j 0 3 w ，( 2 3 ) 将空间矢量投影在两相静止坐标系0 【1 3 上，则电压公式( 2 2 ) 可以写成如下 形式： 笼赣麓 汜4 ) u 。p = r 、i 。七飞、s 8 公式中带下标0 【的量是空间矢量在0 【轴上的分量，带下标1 3 的量是在1 3 轴上 的投影。 由公式( 2 4 ) 可以得到异步电动机定子磁链公式： 气2 【姒口飞乞砌 ( 2 5 ) y i s , o2j ( 一r 。i s p ) d t l 离心机专用变频器及其控制系统研究 用公式( 2 5 ) 来计算定子磁链的大小，在计算的时候只需要知道电机的定子 电5 即可，而定子电阻在众多的电机参数中是很容易确定的，另外定子电压虬和 定予电流厶也足容易测量的量。计算出定子磁链后可以根据转矩公式： i = 昙只( v 瓤岛一v 。d 瓦。) ( 2 6 ) 计算出电动机转矩的大小，其中 乃一一电磁转矩( n - m ) ； 一一电机的极对数。 2 1 3 逆变器的开关状态和电压状态 一台电压源型的逆变器的结构图如图2 2 所示，由三组、六个开关器件组成， 分别为a 相一文、邑，b 相一& 、，c 相一& ，、& 。因为每组中的两个开 关是市h 反的，即一个开通时另一个关断，所以六个开关共有2 3 = 8 种不同的组合。 令上桥臂开关导通时s = i ，下桥臂导通时s = 0 。8 种不同的开关组合如表2 1 所示。 趣j r c 图2 2 电压源型理想逆变器 f i g 2 2i d e a lv o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r 逆变器六个开关的8 种组合输出八种电压状态。表2 1 还给出了这八种电压状 态。逆变器输出的八种电压状态，可分为两类，一类是工作状态，逆变器输出正 常的电压；另一类是零电压状态，负载电压为零。 第2 章直接转矩控制基本理论 表2 1 逆变器的开关状态与电压状态的对照表 t a b 2 1t h es w i t c h i n gs t a t ea n dt h ev o l t a g es t a t eo fi n v e r t e r 工作状态零状态 状态 123 45678 开 s o o111oo1 关 s bl000l10l 状 态 s r111000o 1 s 村w 、 电 表示一 u 。( 0 1 1 )u 。( 0 0 1 )u 。( 1 0 1 )u 。( 1 0 0 )u 。( 1 1 0 ) u 。( 0 1 0 ) u 。( 0 0 0 ) u 。( 1 1 1 ) u ，( t ) 压 状 表示二 u 6u 4u 5u lu 3u 2u ou 7 态 u 。( t ) 2 1 4 电压空间矢量及其与磁链和转矩的关系 异步电动机绕组的三相电压、电流、磁链都分别是在空间位置上互差1 2 0 。的 三维物理量，把它们定义为空间矢量。在对异步电机进行分析控制的时候，如果 引入p a r k 矢量变换可以方便许多。选取p a r k 矢量平面的实轴o l 与三相定子坐标系 的a 轴重合，则输出电压空间矢量u s ( t ) 的p a r k 变换公式如下所示： 一 以o ) = 【u 爿o ) + 【，拧( ，) 口。2 州3 + 以o 弦7 4 州3 ( 2 7 ) ， 公式中的、u 是a 、b 、c 三相定子负载的相电压。这样就可以用虮表 示逆变器三相输出电压的各种状态。 表2 1 中逆变器的六个工作电压状态按公式( 2 7 ) 计算出的对应的六个电压 空间矢量在坐标系中表示出来，如图2 3 所示。六个电压空间矢量对应于逆变器的 六种工作状态，相邻两个矢晕之间的角度足6 0 。，他们依次出现；电压空间矢量 的幅值不变，都等于4 e 3 ( e 为图2 2 中电源电压的一半) ；合理的控制图2 2 中 六个开关的导通次序，可以获得逆时针旋转的六个电压空间矢量，它们的顺序依 离心机专用变频器及其控制系统研究 次是：u 。( 0 1 1 ) u 。( 0 0 1 ) u 。( 1 0 1 ) u 。( 1 0 0 ) 一u 。( 1l o ) u 。( o l o ) ；两个零电压矢量在坐标 系的中间。 2 1 5 电压空间矢量与磁链、转矩的关系 由公式( 2 4 ) 可知定子磁链、i ，。( t ) 、定子电压u 。( t ) 两者之间的关系，重写如下： 纵= i ( 玑( f ) 一l ( f ) r ) a t ( 2 8 ) 如果不考虑定子电阻压降对磁链的影响，则公式可写成： 虮( f ) i ( t ) d t ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可知两者成积分关系。在图2 3 中，若磁链矢量虮( ，) 的位置如图 所示，加在逆变器上的电压矢量瓦西为u s ( 0 1 1 ) ( 在0 【的负方向上) ，那 么根据式( 2 8 ) ，定子磁链空间矢量瓦丽的顶点沿着s l 边向u s ( 0 11 ) 运动。 当v a t ) 运动到s 1 和s 2 的交点时，给出空间矢量u s ( 0 0 1 ) ，则磁链矢量会 沿着s 2 运动，依次类推可以使得定子磁链沿着s i s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 运动，形成 六边形磁链。这是d t c 的基本思路。 s 6 ， 爱汰甄( f ) 兮巡! 侈 l o 。 r 、摹2 、 图2 3 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt h ef l u xs p a c ev e c t o r 为了便于弄清电压空间矢量u s ( t ) 与异步电动机电磁转矩之间的关系，明确 电压空问矢量对电动机转矩的影响，我们用定、转子磁链矢量的矢量积来表达异 步电动机的电磁转矩，即 第2 章直接转矩控制基本理论 瓦，= k m ( 甲。( ，) 甲，( ，) ) = k m 甲，甲，s i n 么( 甲。( f ) ，甲，( ，) ) 由上式町知，要想改变转矩的大小，可以通过改变定子磁链大小或者是转子 磁链大小或者足定子磁链与转子磁链之间的夹角来实现。在现实应用中，为了充 分利用电机铁芯，需要保持定子磁链大小不变；转子磁链的大小是由负载决定的。 所以要改变转矩的大小，需要改变定、转子磁链之间的夹角来实现。 如图2 4 所示，t l 到t 2 时间段内，加在电机上的定子电压矢量为u 。( 11 0 ) ，由 公式( 2 9 ) 知定子磁链矢量运动轨迹沿着s 5 ，由。( t ) 的位置旋转到虮( t ：) 的位 置，由于转子磁链受这段时间内定子频率的平均值缈。的影h 向，所以转子磁链旋转 速度小于定予磁链旋转速度，两磁通之间的夹角由o ( t o 变为o ( t 2 ) ，转矩增大。 如果在t 2 时刻，给定子绕组零电压矢量，则定子磁链矢量停留在t 2 时刻所 在位置，而转子磁链矢量并没有停止旋转，磁通角减小，转矩减小。 仃 ( 1 0 1 ) s a ( 0 1 0 ) 、 ss 3 ，一j ( 0 0 1 ) 、 2 ：7 、7 ( 0 i1 ) 图2 4 电压空间矢量对电动机转矩的影响 f i g 2 4t h ei m p a c tm a d eo nt o r q u eb yv o l t a g es p a c ev e c t o r 2 2 直接转矩控制的基本结构和工作原理 图2 5 为直接转矩的基本结构原理框图。直接转矩控制系统由以下几部分组 成： ( 1 ) 信号检测模块：检测定子电压、电流以及电机转速； 离心机专用变频器及其控制系统研究 ( 2 ) 磁链计算模块：选择合适的磁链模型，根据定子电压电流计算定子磁链； ( 3 ) 转矩计算模块：通过信号检测模块检测出的电流和磁链模型计算出的磁 链计算电机转矩； ( 4 ) 转矩计算模块：通过信号检测模块检测出的电流和磁链模型计算出的磁 链计算电机转矩； ( 5 ) 转速调节模块：对给定转速和反馈转速进行p i 控制，得到转矩调节的给 定； ( 6 ) 磁链调节模块：将磁链计算模块得到的磁链与给定磁链进行比较，得到 磁链的调节信号； ( 7 ) 转矩调节模块：将转矩计算模块得到的反馈转矩与转速调节模块得到的 给定转矩进行比较，输出转矩的调节信号，对转矩进行直接自控制； ( 8 ) 扇区判断模块：判断磁链扇区，输出扇区信号； ( 9 ) 开关信号选择模块：根据磁链调节信号、转矩调节信号和扇区信号给出 正确的电压开关信号。 图2 5 直接转矩的基本结构原理框图 f i g 2 5t h eb a s i cs t r u c t u r eo fd t cs y s t e m 第2 章直接转矩控制基本理论 2 2 1 异步电动机磁链计算模块 磁链计算模块选择合适的磁链模型，计算定子磁链。定子磁链模型有：u i 模 型、i - n 模型和u n 模型。其中u _ i 模型中的定子磁链是通过定子电压和电流来确定 的，图2 6 是u i 模型的结构图。电压模型结构简单，所需要的参数少，易于实现。 图2 6 定子磁链u i 模型 f i g 2 6m o d e lf o rs t a t o rf l u x ( u it y p e ) 2 2 2 磁链调节模块 磁链调节模块在结构上是一个施密特触发器，它对磁链的幅值进行两点式调 节，实现磁链的自控制1 3 1 。其原理如图2 7 所示。 图2 7 磁链调币原理图 f i g 2 7b a n d - b a n dr e g u l a t o ro ff l u x 调节器的输入是磁链给定和磁链反馈的差值，其容差宽度为一句 + 气，决定 磁链波动所允许的范围。输出是磁链调节信号q ，当输入值大于+ 毛时，v o 等 于1 ，表示磁链需要增加；当输入值小于一气时，q 等于0 ，表示磁链需要减小。 可用式子表示如下： 炒忙z 二z 三 旺 离心机专用变频器及其控制系统研究 这两种动作需要逆变器输出合适的电压矢量。增加磁链的电压矢量有两种， 一种是与磁链运动方向成6 0 。角，另一种是与磁链运动方向成一1 2 0 。角。【1 4 】 2 2 3 转矩调节模块 转矩调节模块的作用是控制转矩在一定的范围内波动，实现转矩的自控制。 图2 8 是转矩调节器的原理图。 j l i 。融 。 一4 7 厂 璎 l c 1 0a t 7 4 _ j 一i j 图2 8 转矩调节器原理图 f i g 2 8t h er e g u l a t o ro ft o r q u e 其输入是给定转矩和反馈转矩的差值，输出砸如下式所示： i 。1t 弓 a t 当输出硷= 一1 时，表示需要使电机反向旋转，输出转矩需要迅速减少；当砸= 0 时，表示转矩在合适的范围内，不需要定子磁链前进或后退，应停在当前位置； 当硷= l 时，表示反馈转矩小于给定转矩，需要使定子磁链正转，使转矩增加。 2 2 4 扇区判断 直接转矩控制电压矢量的给出是综合磁链调节信号、转矩调节信号和扇区信 号给出的，因此若想给出正确的电压矢量必须知道当前磁链所在扇区。下面给出 扇区判断的方法。如图2 9 所示，给出了磁链扇区和电压空间矢量的关系，为了便 于分析和计算，扇区滞后于电压空间矢量9 0 。根据公式( 2 1 2 ) ，将定子磁链 的0 【、1 3 分量分别投影到o r , 三相坐标系o f , a 、a b 、轴上，得到三个量、i ，n 、i ，a b 、w a c 。 第2 章直接转矩控制基本理论 图2 9 扇区和电压矢量关系图 f i g 2 9t h er e g u l a t i o n s h i po ff l u xs e c t o ra n dv o l t a g ev e c t o r 扇区的判断方法如下： 妒口a 2 v d 1 3 峰a b 2 一警s a 1 斗s 9 1压 一虿船一一2 当一 o 时，o a = i ；1 爿 o 时，a b - = l ，虼片 o 时，a c = l ，( ， o 时，a c = 0 。 令n = a a + 2 a b + 4 a c ，通过表2 2 可以确定定子磁链所在扇区。 1 4 一 ( 2 1 2 ) 离心机专用变频器及其控制系统研究 表2 2 磁链扇区选择 t a b 2 2t h ec h o o s eo ff l u xl i n k a g es e c t i o n s o l a 状态 l10001 仅b 状态 0l11o0 0 【c 状态 0ooll1 n132645 扇区0123456 2 2 5 开关信号选择模块 磁链调节模块输出磁链的调节信号，用来保持磁链幅值的基本不变；转矩调 节模块输出电磁转矩的调节信号，用来实现高性能的转矩调节；扇区判断模块输 出扇区信号，用来确定定子磁链所在的扇区。开关信号选择模块，综合以上三个 信号，给出正确的电压状态。 在磁链运动的每个区段上，有四个电压空间矢量可以利用，这四个矢量分别 代表着定子磁链四个有意义的方向。现以区段s 4 上的电压矢量为例说明，如图2 1 0 所示f 1 5 1 。 q ( 1 0 0 ) 3 6 ， - ，_ ，一，。 ( 1 1 0 ) 一，。 r 争 图2 1 0 一个扇区的四种电压状态 f i g 2 10t h ef o u rv o l t a g es t a t e so fo n es e c t o r 在区段s 4 上有四个电压矢量，分别为方向、方向、方向和方向。其 中方向沿着区段s 4 的边，方向与磁链的运动方向相同，所以把它称作o 。方向。 方向超前于方向6 0 。，称作6 0 。方向。以此类推，方向和方向分别为6 0 第2 章直接转矩控制基本理论 。方向和1 2 0 。方向。把能够使定子磁链沿着0 。方向运动的电压矢量叫做0 。电 压。同样把使定子磁链沿着6 0 。、6 0 。和1 2 0 。方向运动的电压矢量分别叫做6 0 。电压、6 0 。电压和一1 2 0 。电压。现将这四个电压的作用介绍如下： ( 1 ) 0 。电压：对六边形磁链轨迹来说，当0 。电压u s ( 1 0 0 ) 接通时，定子 磁链的顶点沿s 4 正向运行，使得在整个s 4 上磁通角增加，转矩加大。根据六边 形磁链幅值计算公式虮= 0 5 ( 刖+ 邡+ y 肛) ，可以知道0 。电压不改变磁链的大 小和运动方向【。对于圆形磁链轨迹，o 。电压不仅使转矩增加而且对磁链产生影 响。由圆形磁链轨迹磁链幅值的计算公式帆= 2 + 怖2 ，可以知道s 4 的前 4 - 段，o 。电压使得磁链幅值减小，后半段使得磁链幅值增加。 ( 2 ) 6 0 。电压：无论是六边形磁链还是圆形磁链，6 0 。电压对磁链和转矩 都会产生影响。而且磁链在区段内的位置关系到这两种影响的大小。在s 4 的起始 部分，磁通角的增量较大，转矩增加也大而磁通量增加较小；而在s 4 的末尾部分， 磁通角和转矩的增加较弱，特别是s 4 的末尾边界处，不影响磁通角，只影响磁链 的大小，所以转矩不增加，但磁通量增加最大。 ( 3 ) + 6 0 。电压：+ 6 0 。电