（通信与信息系统专业论文）以dsp为核心的智能直接转矩控制变频器的研究.pdf

摘要 交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，随着电力电子技 术、微电子技术和现代控制理论的发展和在交流变频调速系统中的应用，作为 交流变频调速系统核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高，并越来越广泛 地应用于工业生产和只常生活的许多领域中。本论文在跟踪现代交流变频调速 控制技术的发展的基础上，对直接转矩控制理论进行了深入的研究和探讨，提 出了一套适合用d s p 实现的算法，并在此基础上建立了一种全数字化高性能通 用变频调速系统。该系统以直接转矩控制技术作为理论基础，以美国德州仪器 公司出品的单片电机微控制器d s pt m s 3 2 0 c 2 4 0 作为控制核心，采用i p m 智能 功率模块作为功率元件组成交直交电压型逆变主回路。测试结果表明，系统 具有优良的动、静态性能。 关键词t 直接转矩控制d s r d s p 变频器 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho f f r e q u e n c yc o n t r o lo f m o t o rs p e e d sa n dd s pt e c h n i q u e ， d i r e c ts e l f - c o n t r o lp r i n c i p l ei sd i s c u s s e d ，a nc o n t r o la l g o r i t h mb e i n gs u i t a b l et ob e i m p l e m e n t e db yd s p i sp u tf o r w a r da n daf u l l yd i g i t a lg e n e r a lv v v fs y s t e mw i t h h i g hp e r f o r m a n c ei sd e v e l o p e d i nt h es y s t e m ，t h ed i r e c ts e l f - c o n t r o lt h e o r yi sb a s e d o n ，t h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rd s pt m s 3 2 0 c 2 4 0i su s e da sc o n t r o lc e n t e ra n d i p mi su s e di nt h em a i nc i r c u i to f a c d c a cv o l t a g e t y p ei n v e r t e r t h et e s t i n gr e s u l t s p r o v et h a ti th a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d i r e c ts e l f - c o n t r o l d s rd s pi n v e r t e r 鎏。：翌竺燕一 第一章绪论 1 1 变频调速控制系统的优势和变频器技术的发展 魄气传溯系统囊控裁、毒磬率驱动秘电动辍三大要素维波。淫遗传动献魄滚 形式上可分为异步调速和同步调速。在卜述三种调速系统中。直流调速虽然历 变悠久、技零成熬，并置在不龋魏淡完善( 翔全数字耗) ，缎峦予霄电魂稻橇菝 换向器等固有缺陷，必将被交流调遮所取代。与传统的交流拖动系统相比，利 丽交频器对交流电动机避 亍调速控制豹交流拖动系统有许多优点，细节能，容 易实现对现鸯邀动耄f l i 的调速控制，硼以实现太范围内的高效连续调速控制，容 易实现电动机的正反转切换，可以进行高频腹的起停运转，可以迸彳亍电气制动， 霹以对电动枧送短裹速驱动，可以逶应各秘工作联境，霹以矮一台变壤嚣瓣多 台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能 豹羟髑系绞等等。出于交流电动 ；t 獒有x 砉繇壤适应幢强，缳护筠鼙等诲多鑫滤 电动机不具备的优点，在许多需要高速高精度控制的应用场合，变频调速系统 逐步替代妻流饲服系统。使掰变频器可这蓟如下目的：1 ) 节能：利用交频辩实 现调遮节能运行，建变频器威用的一个最典型的例予。其中以风机和泵类机械 的节能效果为最显著； 2 ) 提裹燮产率：这主要 拳墁在：a ) 傈谖糖工工艺中瓣羧挂转速，翅食熬翅 工、众属加工等；b ) 适应负载不周工况的最佳转速，如提升机、传送带、货物 焱运率等；e ) 纛旁设备黔交速运转；d ) 离糖度壤确箨车，鲡提舞梳、交韵仓 库等在生产过程中间歇时问的缩短，对提高生产率起到很大的作用。 3 ) 提高产品蔟薰：如应蹋子车藤等船工机械，绦证船工对象的最佳速度； 应用于造纸、塑料薄膜、冷轧带钢等，实现嬲精度转矩控制。 4 ) 设备的合理化：幂| j 羽变频器教造传统的生产机械，使一大部分生产机械 的功能褥以“费级”，实现设矮的皂旗化、多鑫电动机的绕一控裁、枫械装饕驰 简单化标准化、提高运行可靠性。 垫! 竺旦一 5 ) 适应或改善环境：划某些订爆炸危险或腐蚀性e 体等条件恶劣的肼：境， 变频器具有较强的适应性，可降低此类系统的成本、提高可靠性：同时，变频 器还可以降低噪声，实现“静音化”。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、 微电子技术和计算机技术的基础之上，j t - n 着这些基础技术的发展而不断得到 发展。随着电力电子技术的发展，自从2 0 世纪7 0 年代后，作为交流调速系统 中心的变频器技术得到了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。到现在变频器 技术的发展变频器进入实用期已超过了1 4 个世纪，在此期间，变频器技术基 础的电力电子技术和微电子技术都经历了飞跃性的发展，变频器的性能价格比 越来越高，体积越来越小。 近年来，采用电压驱动的电力半导体器件l g b t ( 1 s o l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ，隔离门极双极晶体管) 发展很快，并在迅速进入传统上使用b j t ( 双 极功率晶体管) 和功率m o s f e t ( 场效应管) 的各种领域。此外，以i g b t 为开关 器件的i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，智能功率模块) 和单片功率i c 芯片也 在不断得到发展。随着微电予技术和半导体技术的发展，用于变频器的c p u 和 半导体器件以及各种传感器的性能越来越高。而随着变频器技术的发展，交流 调速理论日益成熟，现代控制理论也在不断得到新的应用。这些都为进一步提 高变频器的性能提供了条件。 随着v l s i 和控制理论的发展，高速、商集成度、低成本的微控制器及专用 芯片相继问世，使全数字化的交流调速系统成为可能。用软件取代模拟器件， 可以方便地修改控制策略、修正控制参数。此外还可以具有故障检测、自诊断 和上位机管理与通信等功能。正是顺应这一发展方向，许多芯片厂家纷纷致力 于数字电机微控制器的研制与生产，如国内较为流行的m o t o r o l am c 6 8 h c l 6 系 列、i n t e lm c s 9 6 系列以及t i 的t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列等。美国t i ( 德州仪器) 公 司自8 2 年发明第一片数字信号处理器( d s p ) ，又于9 7 年推出数字电机微控制 器t m s 3 2 0 c 2 4 0 。该芯片面向新一代交流电机控制，具有d s p 的高速运算能力与 面向电机的高效控制能力于一体，堪称业界最具有竞争力的数字电机控制器。 本论文也是根据这一发展方向，使用最新的变频器芯片和变频控制理论，致力 于新型智能变频器的研究。 一2 笙! 竺堡 一一。 随着各种复杂控制技术在变频器技术叶i 的应用，变频器的性能不断得到提 高，而且应用范田也越来越厂。| ii 订变频器不但在传统的电力拖动系统中得到 了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗 衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 1 2 直接转矩控制技术的产生与概况 直接转矩控制变频调速技术，德语称之为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ， 英语称之为d s c ( d i r e c ts e l f c o n t r o ) ，是近1 0 年来继矢量控制变频调速技 术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流 调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流 电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的 转速和磁链控制的完全解耦。它的提出具有划时代的重要意义。然而，在实际 上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电动机参数的影响较大，以及 在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性使得实际的控制效果 难于达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次提出了直接转 矩控制的理论，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术， 直接转矩控制有着自己的特点。它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的一些 重大问题。商接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的 系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的注意和得到迅速的发展。在短短 不到1 0 年的时间里，单由德国工程师协会出版社出版的新技术丛书里，有关直 接转矩控制的博士论文就有几十本。德国、r 本、美国都竟相发展此项新技术。 1 3 直接转矩控制的主要特点 直接转矩控制有以下几个主要特点：( 1 ) 直接转矩控制直接定子坐标系下分析 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 一一一堡二至堕堡一一 一一 直流电动机作比较、等效、转化；【甄不需要模仿亢流电动机的控制t 也不需要 为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与 计算。因此，它所需要的信号处理： 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作出直接和明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的足定予磁链，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知 道电动机转予电阻和电感。因此直接转矩控制大大地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与效果。它包含有两层意思：直 接控制转矩；对转矩的直接控制。1 ) 直接控制转矩与著名的矢量控制的方法 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念和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的 概念。2 ) 对转矩的宜接控制在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把转矩检测值与转矩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”1 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，用空m 矢量的分析方法，直接在定子坐标系 下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向。借助于离散的两点式调 节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的丌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换与电动机数学模型的简化 处理，没有通常的p i n 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 - 4 一 m亭缔论 拍以内，且无超调，是一种具有商静动态性能的交流调速方法。 笙二二童皇堡! ! ! ! 堡型! 堕! ! 堕型一 第二章直接转矩控制( d s r ) 原理 2 1 异步电动机数学模型的基本方程 在d s r 的分析中，采用空间矢量的 数学分析方法，使问题变得特别简单明 了。图2 - 1 是异步电动机的空间矢量 的等效电路图。该等效电路是在正交 定子坐标系( a 一坐标系) 上描述异 步电动机的。各量的意义如下： 玑( ，) 一一定子电压空间矢量； z ，( ，) 一一定子电流空间矢量： f 。( f ) 一一励磁电流空间矢量： f ，( f ) 一一转子电流空问矢量； 、壬，。( ，) 一一定子磁链空间矢量； 甲，( f ) 一一转子磁链空间矢量； r 。一一定子电阻； 尺，一一转子等效电阻； 三。一一漏电感； 三一一主电感； “，( f ) 一一定子电压空间矢量； 图2 - 2 空间矢量分量的定义 棚辑 一电角速度( 机械角速度和极对数的积) 。 并且规定，将旋转空间矢量在。轴( 见图2 - 2 ) 上的投影称为口分量，在正交的 口轴上的投影称为芦分量。 根据以上规定，异步电动机在定予坐标系上由下列方程式表示： 一6 一 笙二：! 皇堡! ! 堑丝! ! ! ! ! ! ! 塑型生里一 “。= r ，i ，+ v ， ( 2 1 ) 0 = 尺，i ，一甲，+ j c o 甲，( 2 - 2 ) 定子磁链与转子磁链出下式获得： 甲，=li，(2-3) 甲，= 甲。一三。i ， ( 2 4 ) 定子旋转磁场提供的功率如下： 尸= 甜，瓦= 三r e 中z ： 。一。， ：；k k + 锄) 式中；一一定子频率( 定子旋转磁场的频率) 。且 、i ，。= j c o ，工( f ，+ j i 朋) ( 2 6 ) 由此方程可得出下面两个方程式： 中m = 一，三0 = 一珊，一班 ( 2 7 ) 峥朋= 珊；l i p 。= m ，甲 ( 2 8 ) 将式( 2 7 ) 和式( 2 - 8 ) 代入式( 2 5 ) ，得转矩 乃= 昙陬。i , p v 印o ) ( 2 9 ) 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变为简明的形式。由 f 。= f 。+ f ， ( 2 1 0 ) 和式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可得 乃= 毒兰旧印甲，甲，v 巾) ( z 州) 该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可写成如下形 巧= 吉三阻i i - v r l s i n ( 口) ( z _ i z ) 二 丝：型! ! ! 型型业旦型一 式中口一定子磁链与转子磁链之问的央角，即磁通角。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以充分利用电动机；而转子 磁链的幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角 口来实现。转子磁链可以根据式( 2 2 ) 通过改变转子电流来实现。而定子磁链可 以根据式( 2 1 ) 以定子电压的积分束改变。稳态转矩的计算则是根据式( 2 1 2 ) 通 过改变转子磁链和磁通角o ( o 的计算来完成。 2 2 逆交器的8 种开关状态和逆变器的输出电压空间矢量 一台电压型逆变器可以用图2 - 3 所示模型表示，三相桥臂由六个开关( s 。、 瓦、s 。、瓦、s 。、g o ) ，共分成三组( s 。、& 和s c ) 组成。若规定，a 、b 、c 三相负载的一相与 “+ ”极接通时，该 相的开关状态为“1 ” 态，与“一”极接通 时，该相的开关状态 为“0 ”态。 不同的开关组合使 逆变器加到异步电动 机上的电压有不同的 图2 - 3电压型理想逆变器 输出，三组开关共有8 种可能的开关状态，其可以分成两类：一类是6 种所谓 的工作状态，即表2 - 1 中的状态“1 ”，到状态“6 ”，它们的特点是三相负载并 不都接到相同的电位上去；另一类开关状态是零丌关状态，如表2 - 1 中的状态 “0 ”和状态“7 ”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上去。当三相负 载都与“+ ”，极接通时，得到的状态是“1 1 1 ”，三相都有相同的正电位，所得 到的负载电压为零；当三相负载都与“一”，极接通时，得到的状态是“0 0 0 ”， 负载电压也是零。对应于逆变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输 出7 种不同的电压状态。用符号桫表示逆变器的输出电压( 或简称为逆变器的 电压) 状态的空间矢量，关于逆变器的电压状态的表示与开关状态的对照关系见 一8 一 鼐亭“ 妾转如拧删( d s r ) 原理 表矿1 。 表2 - 1 逆变器的开关状态与电压状态的对照关系 工作状念零状态 状态 12345678 s 。 0011lo01 玎 关 s b 100oll01 组 s 。 lllooo 0l 何 u ( 0 1 z )f 刎u , ( 1 0 1 )玛臼缈吨8 2 谚o , ( 0 1 0 )( 0 0 0 )u , a 1 1 ) 图2 3 所示电压型逆变器，在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基 本理论，其输出 的6 种工作电压 状态的电压波形 见图2 4 。图2 - 4 表示出逆变器的 相电压波形、幅 值及与开关状态 和电压状态的对 应关系。 由图2 - 4 可 知：由相电压 波形得到的开关 状态顺序与表2 一 l 中所规定的顺 序完全一致。 电压状态和开关 33 甜 甜 “ 叭l0 叭i 叭1 0 0 1 1 00 l o l2 3456 # 1尊1 2赫| 3 r , 4尊d簟硝 u , ( o l i )# _ ( 0 0 1 )u , ( i o i )u , ( 1 0 0 )# “1 1 0 )u , ( 0 1 0 ) 图2 - 4 无零状态输出时相电压波形 及所对应的丌关状态和电压状态 状态都是6 个状态为一个周期，从状态“l ”至状态“6 ”，然后再循环。相电 压波形的幅值是两个：_ + 4 e 34 - 2 e 3 ( 对照图2 - 3 ) 。 一9 一 兰二型塑塑燮坚型里一 2 3 电压空间矢量御 引入p a r k 矢量，如果三棚异步 i 王动机l 一对称的三棚物理量如图2 - 2 所示， 选三相定子坐标系中的a 袖与p a r k 矢量复平面的实轴a 重合，则其三相物理量 x 。( t ) 、x b ( t ) 、x c ( t ) 镪p a r k 矢量x ( t ) 为： 工( ，) = ；阮( ，) + 一( ，) + p 2 以( ，) 】 式中0 一一复系数旋转因子，p = e “2 ”。 旋转空间矢量r 的某个时刻在某相轴线a 、b 、c 轴上的投影就是该时刻 该相物理量的瞬时值。就图2 - 3 所示的逆变器来说，若其a 、b 、c 三相负载的 定予绕组接成星形，其输出电压的空问矢量扰，( ，) 的p a r k 矢量变换表达式应为 t t ，( f ) = 导k 。4 - 。p 7 2 ”7 3 + 。p 7 4 5 7 3 j ( 2 1 3 ) j 其中“。、“。分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。在逆变器无零状 态输出的情况下，其波 形、幅值及与逆变器开 关状态的对应情况如图 2 4 所示，这样就可以 用电压空间矢量嵋似来 表示逆变器的三相输出 电压的各种状态。 如图2 5 中，定子三 相坐标系( a b - c 坐标系) 中的a 轴与复平面正交 的a 一卢坐标系的实轴。 轴重合。各电压状态的 空间矢量的离散位置见 “1 0 姒1 1 0 ) a 1 0 f 卢i 一 ( o l0 ) 、l ， “0 1 1 ) ( 0 i i ) 图2 - 5 电压空问矢量在坐标系中的离散位置 图2 - 5 。根据式( 2 1 3 ) ，依次计算各丌关状态的电压空间矢量，如对于状态“1 ”， 一1 0 一 塑：! 些! 塑丝塑型丝! l 瓯= 0 1 1 时，l h 图24 可知 “。= - 2 u d 3 = - - 4 e 3 “6 = “。= “j 3 = 2 e 3 将“。、d c 代入式( 2 1 3 ) 得： “，( 0 1 1 ) = ； ( 一；e + ；艮口 + ；川” = ； ( 一；e ) + ；e ( 一j i + ，粤) + ；e ( 一i 1 一，孚 ：兰，一 对照图2 - 6 可知，“，( 0 1 1 ) 位于a 轴的负方向上。依次计算各开关状态的电 压空间矢量，可以得到如下有关电压空间矢量的结论：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。它们周期性地顺序出现，相邻两 个矢量之间相差6 0 。电压空间矢量的幅值不变，都等于4 e 3 。因此六个电 压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。六个电压空间矢量的顺序是 瑶z 妒u o o ) 一髓, a 0 1 ) - 彻7 一q 口砂砌仞。它们依次沿逆时针方向旋转。 零电压状态“7 ”位于六边形的中心。 2 4 定子磁链运动轨迹和电压空间矢量对定子磁链的影响 逆变器的输出电压甜直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为 纠。定子磁链，f 矽与定子电压( t ) z f 自j v j 关系由式( 2 一1 ) 确定。经变换得： 甲，( ，) = 弛，( f ) 一f ，( ，冰。如 ( 2 1 4 ) 若忽略定子电阻压降的影响，则： 甲，( f ) zj 玩( f 枷 ( 2 一1 5 ) 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。该关系 见图2 - 6 。 图2 - 6 中，嵋御表示电压空间矢量，p ，r 矽表示磁链空间矢量，s 1 、s 2 、s 3 、 s 4 、s 5 、s 6 是正六边形的六条边。当磁链空间矢量妒，r 秽在图2 - 6 所示位置时 ( 其顶点在边s 1 上) ，如果逆变器加到定子上的电压空问矢量倒为细砂( 如 一1 i 一 塑= 型型! ! 型幽旦幽l 一 图2 - 6 所示，在一d 轴方向) ，则根据j ( 2 1 5 ) 可得： 甲，( 0 1 1 ) zj 玑( ，印= j 0 l f ，( 0 1 1 瑚+ y 。 = “，( 0 1 1 ) 卜，o 】+ 甲。 上式表明定子磁链空间矢量的顶点，将朝着电压空问矢量以彩所作用的方向， 即沿着s l 边的轨迹运动，其速度正比于压空间矢量。盘删。同理当矽，f 沿着 边s l 运动到s 1 与s 2 的交点j 时，如果给出电压空间矢量渤缈( 它与电压空 间矢量玛( 0 1 1 ) 成6 0 。夹角) ，则磁链空间矢量妒，r 矽的顶点则会按照与舰砂相 平行的方向，沿着边s 2 的轨迹运动。若在s 2 与s 3 的交点时给出电压u , a o o ， 则矽，似的顶点将沿着 边s 3 的轨迹运动。同样 的方法依次给出 ( 刍卿、( 刎、( a g 功， 则掣，俐的顶点依次沿 着边s 4 、s 5 、s 6 的轨迹 运动。由此可以得到以 下结论：定子磁链空 间矢量顶点的运动方向 和轨迹( 以后简称为定子 磁链的运动方向和轨 迹，或矽，俐的运动方 s 6 1 1 0 卜 越 k 。 、_ 图2 - 6 电压空间矢量与磁链 空间矢量的关系 向和轨迹) ，对应于相应的电压空间矢量的作用方向，妒，r 矽的运动轨迹平行于 z 的指示的方向。只要定子电阻压降k ( ，沁，i 比起l 玑( f 】足够小，那么这种平 行就能得到很好地近似。在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量f 2 2 砂 f 臼纠一z a 0 1 ) - 口砌一u a 蟹o ) - 嵋彻功，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿 边s 1 一s 2 一s 3 一s 4 一s 5 一s 6 运动，形成了正六边形磁链。正六边形的 六条边代表着磁链空间矢量y 。r 矽一个周期的运动轨迹。每条边代表一个周期 磁链轨迹的l 6 ，称为磁链轨迹的区段。六条边分别称为磁链轨迹的区段s l 、 区段s 2 直至区段s 6 。 一1 2 一 塑= ：! 皇堡! ! 堑兰：型翌堡坠堕型l 一 直接利用逆变器的六种工作丌关状态，简前地得到六边形的磁链轨迹以控制 电动机，这种方法是d s r 控制的基本思想。 2 5 电压空间矢量对电动机转矩的影响 根据式( 2 1 2 ) ，转矩的大小与定予磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角臼( ，) 的乘积成正比。在实际运行中，保持定子子磁链幅值和磁链幅值为额定值，以 充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定；要改变电动机转矩的大小， 可以通过改变磁通角日( f ) 的大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本方法 就是通过定子电压空间矢量俐来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走 走停停，以改变定子磁链 的平均旋转速度西的大 小，从而改变磁通角口的 大小，以达到控制电动机 转矩的目的，见图2 7 。 t 。时刻的定子磁链吒 和转予磁链砟以 及磁通角p “) 的位置见图 2 - 7 。从t 。时刻考察到f ：时 刻，若此时给出的定子电 压空间矢量似为 望os5-j s 6 禽 1 1 。卜 ： 卢 b l 。啊。 0 1 1 “d f 删，则定子磁链空问 图2 7电压空间矢量对电动机转矩的影响 矢量由矽，f 的位置旋转到妒，f 矽的位置，其运动轨迹甲。( ，) 见图2 - 7 ，沿 着区段s 5 ，与倥砌的指向- 甲行。这个期间转予磁链的旋转情况，根据式( 2 2 ) 不直接跟随超前于它的定子磁链。转子磁链的位置变化实际上受该期间定子频 率的平均值砭的影响。因此在时刻，。到时刻，：这段时间里，定子磁链旋转速度 大于转子磁链的旋转速度，磁通角口( f ) 加大，由口“) 变为口( ，：) ，相应地转矩增 大。 如果在r ：时刻，给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量吒保持在 一1 3 一 笙= 皇皇堡! ! 堑堡! ! ! ! ! ! 堕! ! 坚堡 一 ，时刻的位置静止不动，而转子磁链空剧矢量却继续以甄的速度旋转，则磁通 角减小，从而使转矩减小。通过转距两点式调节来控制电压空阳j 矢量的工作状 态和零状态的交鹫出现，就能控制定- 了磁链空问矢量的平均角速度瓦的大小。 该过程即是所谓的“转矩直接自凋4 竹”过程。通过直接自调节作用，使电压空问 矢量的工作状态与零状态交替接通，控制定子磁链走走停停，从而使转矩动态平 衡保持在给定值的占。( 容差) 的范围内，如此既控制了转矩，又形成了p w m 的调 制过程。通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。“转矩直接自调 节”又称为“转矩两点式调节”或“转矩双位式调节”，转矩直接控制的名称由 此而来。但是现在所谓的“转矩直接控制”已有了更广泛的意义。它不只是指 转矩的自调节，而是广义地指有关的整个控制系统。 2 6 电压空间矢量的正确选择 本节分析如何正确选择电压空间矢量，以形成六边形磁链。所谓正确选择， 包括两个含义：一是电压空间矢量顺序的选择；二是各电压空间矢量的给出时 刻的选择。 定子磁链空间矢量的 。 运动轨迹取决于定予电压二 空间矢量。反过来，定子 电压空间矢量的选择又取 决于定子磁链空间矢量的 运动轨迹。对六边形磁链 进行分析，观察六边形轨 迹的定予旋转磁链空间矢 量在b 三相坐标系尻、 p b 和p e 轴i 的投影，t l b 坐标系见图2 8 ) ，则可 以得到三个相差1 2 0 相 位的梯形波。它们分别被 ( 1 0 0 ) ( 1 0 0 ) 一 八菇? j ( 1 0 1 ) ( 儿i ) 一 图2 - 8 六边形磁链及b 三相坐标系 ；b o 、p h 翻8 ：轴 一1 4 一 ：p 央 k l 0 ( ) 笙二! 皇堡! ! ! ! 筻型! 堕旦些竺生一 称为定子磁链的v m 、v 肺和甲a 分景。图2 9 是这三个定子磁链分量的时序图。 采用三个施密特触发器( 见图2 - l o ) ，施密特触发器的容差是甲。掣，* 作为磁链给定值。它等于图2 - 7 中的v 。通过三个施密特触发器，用磁链给 定值甲啦，分别与三个磁链分量甲，h 、甲芦和甲肛进行比较，得到图2 - 9 b 所示 的磁链开关信号一s t 。、面一和面。对照图2 - 9 a 和b 可见，当甲加上升达到正 的磁链给定值甲。时，施密特触发器输出低电平信号， s w a 为低电平；当甲肛 下降达到负的磁链给定值一甲。时，：茹。为高电平。由此得到磁链开关信号 一s w 。的时序图，同理可得到一s t 和s w ，的时序图。 电磁链开关信号面。、面。和菇。可以很方便地构成电压丌关信号s u 。、 s u 6 和s u 。其关系 是： 丙。= 一s u c a ) s w b = s u 。 s w c2 s ” 电压开关信号 s u 。、s u 6 和s u 。的 时序图见图2 9 c 。电 c ) 压开关节号与磁链开 关信号的关系可对比 图2 9 b 和c 清楚地 田 看出。把电压丌关信 号面。、丽6 和一s u 。 反相，便直接得到电 压状态信号s u 。、 s u 6 和s u 。，见图2 一 x 一 k天天天x 天 一一。一 区段 s 1s 2s 3s 4s 5s 6 刁甲一一 i 两一 _ _ 一 弛i - _ _ 一 砺一 o 一 _ 一 s 厶 - 一 s “1oooll loo0ll 1o s 砺1l1oool 110o01 l s u00111oo011 1 o0o 图2 9d s r 控制丌关信号及电压空间矢量的 正确选择 a ) 定子磁链的三个b 分量b ) 磁链开关信号 c ) 电压开关信号d ) 电压状态信号 9 d 。对比图2 9 a 和d 可以清楚地看到：电压开关状态的顺序是0 1 1 0 0 1 1 0 1 一i 0 0 一1 1 0 0 1 0 ，正好对应于六边形磁链的六个区段：s l s 2 一s 3 一s 4 一 一1 5 一 笙：! 垒些! ! 塑堡! ! ! ! 竖坠盟旦墨l 一 s 5 一s 6 。换句话说，按顺序依次给电j 氍空间矢量u ( 0 1 1 ) - u , ( o o z ) 一u a 0 1 ) 一u , ( 1 0 9 ) 一a l o ) - 嵋彻锄就可以得到按逆时针旋转的j f 六边形磁链轨迹，其相对应的顺 序是s 1 一s 2 一s 3 s 4 一s 5 一s 6 a 对比图2 - 9 a 到d 还可以清楚地看到：通过以上分析，解决所选电压空间矢 量的给出时刻问题。这个时刻就是各磁链分量甲脚、甲肚和t f 庳到达磁链给定 值掣。的时刻。通过磁链给定值比较器得到相应的磁链丌关信号一s t 。、一s t 一和 面。，再通过电压丌关信号茹。、茹和菇。得到电压状态信号 s u ( s u 矿s u 矿s u 。) ，也就得到了电压空间矢量似。在这里磁链给定值q 么 是一个很重要的参考值a 它决定电压空d m c 间矢量的切换时间。当磁链的口分量变 化达到甲。值时，电压状态信号发生 变化，进行切换。由图2 7 可见，磁链 给定值的几何概念是六边形磁链的 边到中心的距离，它就是图2 7 中的 l o 。 为了获得定子磁链的口分量，必须 对定予磁链进行检测。在本论文中定子 图2 一l o 用作磁链比较 器的施密特触发器 磁链是根据式( 2 - 1 4 ) 确定。用式( 2 1 4 ) 来确定异步电动机的定子磁链的方法 有一个优点，就是在计算过程中唯一所需要了解的电动机参数是易于确定的定 子电阻。式中的定子电压屿御和定子电流何同样也是易于确定的物理量，它 们能以足够的精度被检测出来。这种用定子电压与定子电流来确定定子磁链的 方法叫“一f 模型法。在3 0 额定转速以上范围内，采用一f 模型法，该方法结 构简单，精度高，优于其他方法。 由检测出的定子磁链，向, e - - 相坐标系投影得到磁链的芦分量，通过施密特 触发器与磁链给定值比较，得到正确的电压状态信号，以控制逆变器的输出电 压，并产生所期望的六边形磁链。这个过程称之为“磁链自控制”过程。而图 2 1 0 所示的单元，称为“磁链自控制”单元，它是“磁链自控制”单元的最 简单方案。 苎三兰皇董壁堕塑墅! 坠坚l 墨望坌堑一 第三章直接转矩控制( d s r ) 算法分析 控制理论与数字信号处理技术棚结合为变频器全数字化和控制策略的复杂 化，提供了强劲的支持。正是在此基础上，变频器的多功能、高智能、小体积 逐渐成为现实。为配合d s p 芯片的特点，结合直接转矩控制理论，在上一章对 直接转矩控制理论分析的基础上，对直接转矩控制理论作进一步的定量分析， 同时提出自己的控制算法模型。直接转矩控制的算法模型组成见图3 - 1 。 图3 - 1 直接转矩控制的算法模型组成框图 图3 1 中，各单元的功能简述如下：三个被测信号( 以，l 和刀) 由a 瑚处 理后得到矿。、矽，和转矩实际值0 。，挚0 通过u c t 后得到磁链的三个分 量信号矽，、6 和。再由d m c 得到磁链开关信号两、两和面。l 与转矩给定值。经a t r 处理后得到转矩开关信号t o , z s 产生零状态开关信号。 a s s 综合三个输入信号：磁链开关信号、转矩开关信号和零状态开关信号，产 生正确的电压开关信号s 眈、s 和s 以。 由图3 - 1 可知，直接转矩控制系统的基本组成有以下几个部分： ( 1 ) 磁链自控制磁链自控制的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁 链。 - 1 7 - 苎三皇塞堡壁堑塑塑些坚l 苎堕坌堑一 ( 2 ) 转矩凋仃转矩凋仃环实现转甜! 直接自控制。 ( 3 ) 丌关信号选择 丌关信号选择单元综合来自磁链自控制环节和转矩调节 环的开关控制信号，形成正确的电眶丌关信号，以实现对电压空间矢量的正确 选择。 ( 4 ) 异步电动机的数学模型异步电动机的数学模型包括磁链模塑和转矩模 犁。 3 1 异步电动机的数学模型 蛐过程分析与实现 异步电动机的数学模型删的输入量是电压信号。、和电流信号j 。、 j 。根据式( 2 9 ) 和式( 2 1 4 ) ，可以求出 姗的输出量妒。、缈，和转矩实际 值只。 在实际中由于测量交流电压蚧叱比较困难，电压信号由3 2 坐标变 图3 - 2 异步电动机的数字模型框图 换器变换成u 。u 。信号供 泓使用。根据逆变器的电压状态与逆变器的开关状 态和逆变器的直流电压之间的关系可得到虬、和虬，再由式( 2 1 3 ) 可由 和虬求出u 。、信号。逆变器的每个电压状态和，。、“口的值见表3 一l 。 表中= 2 e 见图2 3 。 j 8 第五章直接转矩控橱( d s r ) 算法分析 表3 - 1 逆变器的电压状态与定子电压分量值 定子电压分量值 电压状态 虬t 2 h“f“口u 日 l12 u ( o z l 3一： + j 沁 + = 一= o jj lll l u ( 0 0 1 )一= 一= 封d + ，j 蜥一西蜥j 1ll1 u ( z 0 1 )+ ： 一j “j+ j + 尹。一再 1l2 u ( z e a ) + i 一= 一= “d + j 0 j ll2ll u , o l o ) + j + j 一= + = 的 + 万 l2l l l u , ( o l o ) j + j 一了j + 万蝴 f 卿 oo0o 0 3 2 磁链自控制过程分析与实现 磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段，且给出正确的磁链开关信 号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转。磁 链自控制任务的执行单元是以磁链自控制单元为主，配合以坐标变换器和开关 信号选择单元，共同完成此项任务。 3 2 1 定子磁链沿六边形轨迹正转和反转时各信号之间的关系 如图3 - 1 所示， 坐标变换器u c t 的输入量是定子磁链在口一，坐标系上的分 t 9 - 苎三兰塞堡整堕篓墅! 堕璺! 苎鳖坌堑 量匕和，输出量则是三个一磁链分景。t l g r 单元的输入量与输出量之问的关 系，也就是d 一卢坐标系与p 三相坐标系之问的变换关系( 见图2 - 2 ) ： 中m = - p p ( 3 一1 ) ：一宰l 一1 2 ( 3 哪 = 鱼2 甲a 一扛 沿3 ) 可见通过坐标变换单元u c t 的坐标变换可得到鼻磁链分量甲卢、v 卢和u r , 卢。 如图3 一l 所示， “磁链自控制” 单元d m c 的输入 端是定予磁链在 ，三相坐标系上 的三个分量 陆、w 和 甲m 。d m c 的参 考比较信号是磁 链给定值、。 如第二章所分 析，通过d m c 内 的三个施密特触 发器分别把三个 磁链分量与甲。 相比较，在d i s c 输出端就得到三 个磁链开关信号 胛。、舯6 和 弹。由三相磁 广卜 s 1s 2- s 6 f _ _s 4 - 望r 6 b 一， 、 f 甄c _ _ 、 、 f 卿。 艘 _ 观0_ - - s u s 己暑- _ - s u s 瞩 s 酷 s u o 01l l 0 s u1 ooo1l 1l l0o0 t 。 s 4s 3 罗 s 1 _ 一 b 5 l f _ 警飞b、 一 一， f ， c l 斑 p 乳 黜。 s u s u s u s 强 s 踢 _ _ s u _ - oo1 11o s ul110o0 looo1 1 f 。 图3 - 3 六边形磁链正转和反转时各量之间的关系 a ) 正转情况b ) 反转情况 2 0 苎三主塞墨堕塑塑型! 堕堡! 壁坌堑 链开关信号换相得到三相电压j r 关信号：一s u 。、面一和茹，。其中换相原则就 是第二章中介绍过的原则：面。= 甄，面一= 瓦，面。= 面( 见图2 - 9 ) 。 这是定子磁链j 下向旋转时，各信号量之问的关系。 对比反向旋转时的情况。如图2 - 6 所示六边形磁链，在正转时和反转时分别 向尻、屏、展轴投影，得到两种情况，磁链分量、，其波形见 图3 - 3 。图3 3 a 表示正转的情况，图3 3 b 表示反转的情况。 注意图a 表示的正转情况是从区段s 1 丌始逆时针旋转l 周的波形。图b 表 示的反转情况是从区段s l 的对边s 4 丌始顺时针旋转周的波形。对比图a 、b 两种情况下的磁链分量、可知，对于相同的区段，磁链分量的波 形完全一样，只是反转时相序不同。在这里，是和交换了相序。 如第二章所述，正转时，当磁链分量达到正的磁链给定值时，磁链开 关信号变为“0 ”态：当达到负的给定值时，磁链开关信号变为“l ，态。由此 得到图3 - ；a 的三个磁链开关信号r - f o 、5 、- 9 t 。反转时情况正好相反：当 磁链分量达到正的给定值时，磁链丌关信号变为1 态：反之，变为“0 ”态。 由此得到图3 3 b 所示的三个磁链开关信号s 叱、s 、s t 。 由磁链开关信号可得电压开关信号s u 。、s u 。、s u c 。正转时，令 一s u o = 两 ( 3 4 ) s u 6 = 跳 ( 3 5 ) s u 。= 跳 ( 3 6 ) 反转时，令 s u a = 瓦 ( 3 7 ) s 以= 6 - f o ( 3 - 8 ) 瓦= 瓦 ( 3 9 ) 图3 3 a 、b 分别列出了正转和反转时电压开关信号的波形。把电压开关信号 反向，就得到了电压状态信号s 叱、s 、s u c 。正转和反转的电压状态波形 如图3 3 a 、b 所示。 - 2 l - 苎三! 皇董堑堑塑型! 堕坚! 苎鲨坌堑 一一一 由电压状态信号可得用数字表达的电压丌关状态。对于正转，有0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 ，对照图2 - 9 ，i t 好对应于区段s l s 2 s 3 一s 4 一s 5 一s 6 。对于反转，有电压丌关状态顺序叭1 0 1 0 一1 1 0 一1 0 0 1 0 1 0 0 1 ，对照图2 9 ，正好对应于反转的区段顺序s 4 一s 3 一s 2 一s 1 一s 6 一 s 5 。以上分析了六边形磁链j 下转和反转时的各干咭l f 言号关系，以此可以正确选择 磁链开关信号，以便控制磁链的征转和反转。 3 2 2 磁链开关信号正确选择的实现 前面己初步分析 了正转时如何实现磁 链开关信号的正确选 择问题。反转时，如 果单单根据上面所分 析的反转信号之间的 关系，直接进行反 转，却还存在问题。 例如，假如在时刻 t ，定子磁链在区间 s 5 开始反转，如图 3 4 所示。在时刻， 到达区间s 5 与区间s 4 的交点处。 区间s 5 的磁链开关信号是 s 也i ，c = 1