（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器异步电动机的直接转矩控制的研究.pdf

江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e mf o rs p e e ds e n s o r l e s s a s y n c h r o n o u sm o t o ri s s t l l d i e dp r o f b u i l d l y b a s e do nt l l e r e s e a r c ho f1 i m i t a t i o no f c l a s s i c a ld i r e c tt o r q u e c o n t r 0 1 ( d t c ) s y s t e m ，m es t a t o r n u xo b s e r v e rh a sb e e n d e s i g n e d ，a n ds p e e ds e n s o r l e s sa s y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e mo f d i r e c tt o r q u ec o n t m l h a sb e e ni n t r o d u c e db yh i 曲p e r f o m a n c ed i 曲a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，w h i c h e r l l l a n c e dt l l ep e r f o n n a n c eo f t h es y s t e m b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n si nt l l ec l a s s i c a lo b s e r v e r so fs t a t o rn u x t 、v ok i n d so f n o v e ls c h e m e sa r ed e s c r i b e d ，b yw h i c hm es 诅t o rn u xc a nb eo b s e e dm u c hm o r e a c c u r a t e l y0 n e i st h ei m p r o v e df i i l lo r d e rv o h a g e c u r r e n tm o d e ln u x o b s e r v e r ，w h i c h c a no b s e r v es t a t o rn u xa s 、v e l la sr o t o rn u x r e s u l t si u u s t r a t et l l a tt h j sm e m o di sb e t t e r t h a l lc l a s s i c a lm e t h o d t h eo t h e ri sam o d m e di n t e 铲砷”w i t h 锄p l i t u d el i m i t a t i o n f u n c t i o n ，t o g e t l l e r w i t ht h em e r i t so f i m e g r a t o r ；w h i c h c a ns 0 1 v em ee r r o r a c c u m u l a t i o na n dd cd r i ro ft l l e i m e g r a t o lb a s e do nm ec l a s s i c a ld t c i n h e r e m l i m i t a t i o n ，t 1 1 es v m a 1 1 dd t ca r ec o m b i n e dt or e d u c et l l e t o r q u en u c t u a t i o n ，b y s e n d i n gm o r ev o l t a g ev e c t o r st o 印p r o a c h a c t u a lv c c t o lb 髂e do nt l l ei n v e s t i g a t i o no f t l l ei n n u e n c e o fd i f f b r e n tv e c t o rt om et o r q u ev a r i a t i o n ，t l l e s w i t c h i n gt a b l e i s i m p m v e da n do p t i m i z e d ，a n d t a ：k ean u xa n dt o r q u et 、o 1 e v e l s 谢t c h i i l g t a b l e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u h ss h o wt h a tt l l et o r q u eo fm o t o rc a nb ei m p r o v e d 1 a r g e l yw i m o u td e g r a d i n gd y n 锄i cp e r f b m l a n c e o fs y s t e m ，t l l e t o r q u er i p p l e i s w e a k e n e d g r e a t l y b a s e do n n u xo b s e r v e r ，m en o v e l a d 印t i v es p e e d o b s e r v e r h a sb e e n d e s i g n e d ，i t i s e a s y 龇1 de 虢c t i v e ，a i l d 印p l i e dt o t h ed t c 埘t l ln 1 1 ) ( o b s e r v e l s i m u l a t i o na 1 1 de x p e r i m e n t a lr e s u l t st e s t i 母t 1 1 a ti ti ss i m p l e 锄d r e l i a n t ，a n da c c u r a t e i nt 1 1 ee n d ，t h ea s y n c l l r o n o u sm o t o rs y s t e mo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a v ed e s i g n c d b yt m s 3 2 0 c 3 2d s p ，a n dt h er e a l - t i m ec o n t r o l l e rs o n w a r ei sw t i t t e nb ycm i x e d a s s e m b l el a l l g u a g e ，t h er e s e a r c ho fd i g i t a lr e a l i z a t i o na n dt 1 1 es o f t w a r ed e s i g ni s c a r r i e do u t m a n yh i g h p e r f o m l a n c e sh a v eb e e n a t t a i n e d k e y w o r d ：a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，d i r e c tt o r q u ec o n t m l ，s e n s o r l e s s ，a d 印t i v es y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作纛完全了解学校有关傈留、使用学位论文的瓶定，同意学校保 留并向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 人授权江苏大学可阻将本论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密厂 在年解密居逶躅本授权书。 i 一 本学位论文t | ；嚣予 不傈密囫 学位论文律者签名：冶搿名 少$ 年月，猡曰 指导教师签名： 年月日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，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。 学位论文作者签名：彩缝名 目期：a k 午 z 月 一多口 江苏大学硕士研究生论文 第1 章绪论 基于异步电动机的“直接转矩控制( d t c ) ”方法由德国学者d e p e n b r o c k 于 1 9 8 5 年首先提出。其原理是让电动机的磁链矢量沿六边形运动，故又简称磁通 轨迹控制原理【l 】【3 1 。日本学者y o s h i h i ”m o r a l 又提出了让电动机的磁链矢量基本 上沿圆形轨迹运动的磁通轨迹控制原理【2 j 。应用这种新的控制理论，可方便地直 接控制电动机的转矩和转矩增长率，从而获得电机的快速响应。由于d t c 直接 控制电机转矩，使逆变器切换频率低，电机磁场接近圆形，谐波小、损耗小，噪 声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多，其动态性能优于矢量控制，从而成 为现代交流调速的又一个研究热点。 1 1 直接转矩控制与矢量控制的比较 直接转矩控制技术( 简称d t c ) 是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调 速技术。德国教授和日本学者最早提出的开创性方案虽然在理论推导和实现方法 上有所不同，但是基本思想是一致的，即：摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思 想，去掉了p w m 脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流， 直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和 转矩的解耦控制【5 ：】【“。d t c 技术与传统的矢量控制相比，具有以下的主要特点： 控制结构非常简单。传统的转子定向控制系统需要四个p i 调节器和一个 单独的p w m 调制器，而d t c 控制仅需要一对滞环控制器和一个速度 p i 调节器，这使得d t c 具有更优良的动态性能。 直接转矩控制的运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标系 中对定子电流进行分解和设定，所以不需要像矢量控制那样进行复杂的 坐标变换，大大地简化了运算处理过程，简化了控制系统结构，提高了 控制运算速度。 直接转矩控制利用一对滞环比较器直接控制定子磁链和转矩，而不是像 矢量控制那样，通过控制定子电流的两个分量间接地控制电机的磁链和 转矩，追求转矩控制的快速性和准确性，甚至并不刻意追求圆形磁链轨 迹和正弦波电流。 直接转矩控制一般采用空间电压矢量的概念，并根据磁链和转矩滞环比 较器的输出，直接对逆变器开关管的导通与关断进行最佳控制，最终产 生离散的p w m 电压输出，因此传统的直接转矩系统不需要单独的p w m 调制器。 江苏大学硕士研究生论文 综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它的系 统结构简单，控制思路新颖，并具有良好的控制性能。 1 2 传统的直接转矩控制的基本原理及其发展 图1 1 是电压型逆变器供电的异步电动机直接转矩控制系统的主电路，由于 逆变器的开关是由自关断器件构成的，而且每相桥臂的开关器件是互锁的，因而 六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量。这样逆变器 可以用三个单刀双投开关e 、既和s 。表示。当s 。= 1 时，表示逆变器的a 桥臂 的上开关闭合，下开关断开；当咒= 0 时，则情况相反。这样根据配，最和疋为 。或为1 ，可以组合出8 个状态以( s 。，足) ，其中包括六个非零矢量和两个零 矢量( 如图12 所示) 。 六个非零矢量的幅值均为u d c ( ( ，d c 是直流母线电压) ，依次相隔6 0 度。 对应不同导通方式，电机输入电压综合矢量( 依据磁动势不变原则) 可表示为 厂2 z4 口 曩= 以8 。，& ，) = 杉d ci + & e 了+ 是p 。了i ( 1 1 ) lj 若略去定子绕组的电阻和漏感，电机定子磁链矢量公式为如( 1 2 ) 形式： 元= f ( 霸，一致乏) 西+ 炽o “k 破+ 炽。 ( 1 2 ) 电机转矩为： t = 要p ( 妒。f ，一妒，f 。) 图1l 电压型逆变器 ( 1 3 ) u 1 0 1o )u ( 1 l0 ) 气 ， 、0 。弋夕夕 v 0 1 1 ) s “”i 0 z 细6 。 s c c t 。r i d 7 7 巡w i ，o o ) s e c t o r5s 矗i o r 6 、 i p ( 00 1 )泸( 10 1 ) 图1 2 电压空间矢量 公式( 1 2 ) ( i 3 ) 中元。表示定子磁链的初始值，、屯和0 分别 2 江苏大学硕士研究生论文 为d q 轴上的定子磁链与定予电流，p 为磁对极数。通过该式得知：定子磁链综 合矢量妒，将沿着电压综合矢量厅，的方向，以正比于输入电压的速度移动。通过 逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量妒。的运动轨迹纳入一定的范围， 沿着预定的轨迹移动。图1 3 所示是定子磁链矢量随着选择电压矢量的不同而运 动的轨迹。通过选择合适的电压矢量，可使得磁链幅值在给定值阮i 。和允许的偏 差阮f 的范围内变化，使其平均值基本保持不变。而其旋转转速则通过改变有 效电压矢量和零矢量的作用时间比例加以调整。 在磁链旋转过程中，每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差的 大小，而且还要考虑磁链矢量的方向。由于逆变器的输出电压矢量依次各相差 6 0 。，为了便于选取，把空间分成6 个区域( 见图1 2 ) ，每个区域所包括的范围 是 ( 2 川一3 ) 詈口( 肌) ( 2 ，”一1 ) 詈 对应不同的工作区域，应选择不同的工作电压矢量。例如当疵处于区域1 时， 为了控制死沿顺时针方向旋转，应当选择玑( 0 0 1 ) 和玑( 1 0 1 ) 。当磁链幅值达到 上限阮l + + 阮i 时选择u ( 0 0 1 ) ，当磁链幅值达到下限阮i 一l 炽i 时选择 玑( 1 0 1 ) 。反之，当需要磁链作逆时针运动时，对应区域1 时应当选取玑( 0 1 0 ) 和 玑( 1 l o ) 。 根据定子磁链幅值l 矿和转矩t 的偏差情况以及定子磁链矢量妒，所处的区 域口( 卅) ，可以事先制定一个优化的开关选择表，此开关表的输入为转矩滞环比 较器的输出f 和磁链滞环比较器的输出毋以及定子磁链所处区间的编号m 。在每 一个控制周期内，根据两个滞环比较器的输出及定子磁链所在区间位置，通过优 化的开关选择表可以选取最优的定子电压矢量，进而将电磁转矩和定子磁链控制 在两个滞环内( 图1 4 ) ，最终实现对定子磁链和电磁转矩的解耦控制。该系统利 用一对滞环比较器和一个磁链位置判别环节并根据开关选择表来确定最优的电 压矢量，采用一个速度p i 调节器实现转速调节的同时产生需要的给定转矩。电 机的定子磁链由积分器( 公式1 2 ) 计算得到，而电磁转矩则通过公式( 1 3 ) 计 算得到。 江苏大学硕士研究生论文 图1 3 异步电机定子磁链的轨迹 l 枣 击 防7 阮f 图】4 转矩和磁链滞环比较器 通常标准异步电动机的转子时间常数大于1 0 0 m s ，由此可知电机的转子磁链 与定子磁链相比交化相对缓慢。由于定子磁链的旋转角速度直接受到所选择电压 矢量的影响，选择合适的电压矢量可以使定子磁链最快以2 u d c ，3 的角速度旋转， 从而引起定子磁链和转子磁链之间夹角快速发生变化，致使电磁转矩具有很高的 动态响应速度。通过选择合适的电压矢量并进行合理地切换，可以使得输出电磁 转矩在给定值t 和允许的偏差疋的范围内变化，并同时使磁链幅值眵保持 在阮l 的偏差之内。 直接转矩控制技术虽然具有前面所述的诸多优点，但是目前直接转矩控制技 术在理论上尚不成熟、不够完善，直接转矩控制经典模型的固有缺陷，直阻碍 着d t c 系统的进一步发展。所面临的主要问题是：低速性能不尽人意，转矩脉 动比较严重，这些问题阻碍了d t c 系统调速比的进一步提高。此外，由于直接 转矩系统的动态响应速度非常快，并具有自身的特殊性，矢量控制中的无速度传 感器方案直接应用于d t c 系统，性能会有所下降，尤其是目前关于d t c 系统无 速度传感器技术的研究尚不成熟，还需要开展大量的工作。 4 江苏大学硕士研究生论文 1 3 国内外研究动向 就目前传统的直接转矩控制存在的转矩脉动大、低速性能差等缺点，国内外 学者展开了大量的研究，主要有以下几个方面： 1 、研究磁链观测的方法提高观测磁链的精度，磁链观测是实现高性能电机传 动系统的关键环节。常见的定子磁链的开环计算方法主要有“一f 模型、f 一国 模型和“一国模型，但都存在缺点，如何解决上述问题，目前主要有两个发展 方向：第一个方向是对定子电阻进行在线辨识，如文献 1 6 2 2 】通过提高定子 电阻的辨识精度，来提高传统“一f 模型对定子磁链的观测精度。第二个方向 是探讨新的磁链观测方法，摆脱对电机参数的严重依赖，提高磁链观测的准 确度，如文献 2 4 提出新的全阶电压电流定子磁链观测器，很好的实现了定 子磁链的观测。文献 2 5 】 3 8 提出了改进的积分器引入了低通滤波器，以解 决纯积分器误差累积及积分漂移等问题，但是又会引入定子磁链幅值和相位 的计算误差。文献 2 6 提出了磁链预测控制的方案。文献【3 4 3 5 】提出了自适 应磁链观测器，前者同时还能观测速度与定子电阻，有着很好的意义。还有 文献【4 1 】将神经网络与模型参考自适应结合在一起来观测定子磁链。 2 、改善传统d t c 的缺陷传统的d t c 控制中转矩和磁链一般采用滞环控制， 且在不同的工作区间内电压矢量的选择是固定的。由于每个采样周期内的转 矩变化量不同，必然会使得低速转矩中包含有锯齿波分量，造成严重的转矩 脉动。目前国内外学者都在不断改进和优化开关表，如文献 2 2 3 0 ，在不 同的磁链与转矩误差内选择不同的电压矢量即着重研究了如何建立新的最优 开关选择表。文献 1 5 对电压空间矢量对磁链和转矩的调节作用进行了更加 细致地分析，并改进了转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了磁链和转矩 的调节，使电压空间矢量的选择更加精细。文献 3 1 3 6 3 7 提出了使开关 频率保持恒定且转矩脉动最小的控制技术。文献 1 4 2 4 2 5 2 7 结合空间 矢量的方法在一个周期发多个电压矢量来逼近目标电压矢量，减小力矩的波 动，将直接转距控制和矢量控制这两种方法取长补短相互融合以构成更加优 良的控制系统，也将是未来的发展方向。 3 、研究速度观测模型进一步简化系统控制结构，国内外研究最多的是模型参 考自适应( m r a s ) 的方法实现对电机转速的自适应辨识1 ”2 1 1 2 2 m 4 1 3 “。文献 3 2 利用l u e n b e r g e r 观测器实现对转子磁链观测的同时，采用p o p o v 超稳定 性理论推导出速度和定子电阻的自适应辨识算法。文献 2 3 还直接根据同步 速与转差推导出了速度观测器的数学模型。目前研究的速度观测器还有卡尔 曼滤波器及扩展的卡尔曼滤波器等”，但是由于算法复杂，离实际应用还有 一段距离。 江苏大学硕士研究生论文 1 4 本文的主要研究内容 针对上述传统d t c 技术所存在的问题，本文主要进行了以下内容的研究： 准确度高、鲁棒性好的定子磁链观测方法，降低d t c 系统转矩脉动的具体方案， 适用于d t c 的高性能的无速度传感器技术，死区效应有效补偿方法等。此外， 还对d t c 高性能的数字化实现方法进行研究。具体的研究内容如下： 1 、在第二章中，针对异步电动机的数学模型，主要分析了传统d t c 目前磁链 观测所存在的不足，分析了多种改进方法及其之间的比较。利用仿真分析了 传统d t c 控制采用的定子磁链观测方法所存在的局限性，然后提出了两种 能够实现定子磁链准确观测的解决方案，并对两种方案进行了仿真研究和实 验验证。 第一种方案是采用全阶磁链观测器实现对电机定子磁链的观测。 第二种磁链观测方案是具有幅值补偿环节的改进积分器。 第二章的最后，研究了磁链观测器的数字化实现方法。首先采用欧拉法实 现了对状态方程的实时求解，然后采用完全离散化方法构造了预测观测器 和实时观测器，并对上述方法进行了实用性对比。 2 、在第三章中，在分析传统直接转矩控制的基础上，分别研究了如何提高控制 性能以及降低磁链和转矩波动等问题。 分析传统d t c 固有的缺陷和不足，改进和优化开关表，改进转矩和磁链滞 环控制器，利用新型的转矩和磁链的双层滞环控制方案代替了传统滞环控 制方法来提高d t c 控制的低速转矩特性。 分析空间矢量调制的原理，将空间矢量调制技术和d t c 有机的结合在一起， 在一个开关周期内通过多个电压矢量来逼近目标电压矢量，从而降低转矩 的波动。 3 、第四章中，分析多种无速度传感器技术后，研究了两种简单实用的模型参考 自适应速度观测器，并利用波波夫理论完成了稳定性的证明。在对死区效应 的机理进行了深入分析之后，提出了一种适合于d t c 系统和采用空间矢量 调制技术场合使用的新型死区补偿方法。 4 、在第五章中，在无速度传感器d t c 系统的数字化实现以及实时软件的编制 方面，进行了理论和实践研究。首先介绍了d t c 及改进d t c 系统的仿真， 接着介绍了实验系统的硬件系统结构，最后采用c 语言汇编语言的混合编 程方法，完成了d s p 实时软件的编写工作，实现了对电机的高性能控制。 6 江苏大学硕士研究生论文 第2 章异步电动机的定子磁链观测方法 2 1 异步电动机动态数学模型 由于电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止的坐 标系中描述电机的模型将非常方便。又因为仅测量电机直流母线电压和定子电 流，所以电机矢量形式的动态数学模型可描述如下： 磊。= r ，乏+ p 矿， ( 2 1 ) q = r r r + p 母r j ? 币， 币s = l j ；七l j ? 币，= l j ? 十l m t 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 这里r ，尺，表示异步电机的定子和转子电阻；三，三，和三。分别表示定子和 转子的自电感及两者的互感；，表示电机的电角速度，p 为微分算子。 消去公式( 2 1 ) 至( 2 4 ) 中的和，可以得到以定转子磁链炽和妒，为状 态变量的感应电机的状态方程。 d 妒， 出 d 旷， 西 一l 垦生 o l 5 lro l s l r 箍以一老观，。7 观， 卧卧 电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式 t = 三p 去鼢烀吾p 去褂阱毗 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 上式中：盯= 生乏主 称为电机漏感系数；p 表示异步电动机的极对数。 公式中的“”表示矢量积。此外电磁转矩的表达式还可以表示成定子磁链和定 子电流形式： 疋2 p ( 女f 。一。) ( 2 7 ) 江苏大学硕士研究生论文 2 2 磁链观测对直接转矩控制的影响 直接转矩控制系统低速性能难以提高的重要原因是低速时定子磁链难以准 确观测，这一点与矢量控制中转子磁链观测困难在本质上是一致的。在直接转矩 控制中，传统的方法是采用纯积分器( “f 模型) 作为磁链估计器。积分器的固 有缺陷是导致d t c 低速性能差的重要原因之一。国内部分学者认为直接转矩控 制的优势之一是定子磁链的计算简单，对电机参数的依赖仅限于定子电阻r 。 但采用积分器观测定子磁链无法从根本上提高d t c 系统的低速性能。矢量控制 经过了长期的发展，经过各国学者的努力，出现了多种比较成熟的磁链计算和观 测方法，其中不乏经典之作【7 】，使得矢量控制系统的性能已经完全达到甚至超过 直流电机的控制性能。如果将矢量控制系统中性能优良的磁链计算和观测方法加 以改造，应用于d t c 系统中，一定能够大大地提高d t c 系统的控制性能。 2 3 传统定子磁链观测方法的局限性 实现定子磁链观测最简单的方法是积分器，又称为“f 模型估计器。该方法 仅需要知道定子电阻r 。，通过对定子电压方程的积分即可计算出定子磁链。当 电机运行于高速时，定子电阻的影响可以忽略，利用该方法计算磁链可以取得较 好效果。然而积分器本身具有误差积累以及直流偏移问题，这些问题在电机运行 于低速时变得非常严重。当电机运行于低速时逆变器输出的相电压较小，此时定 子电阻r 。的影响不能够忽略。由于计算时设定的尺。和实际的r 。不可避免存在着 偏差，而且定子电流f 。的检测值中包含有a d 转换噪声，再加之由于p w m 和死 区效应的影响使得定子电压不可避免的存在测量偏差，这些误差成分虽然很小， 但会随着积分运算的不断积累，最终使计算磁链严重偏离实际值。由于定子磁链 的精确观测是提高d t c 系统性能的关键( 转矩的计算也依赖定子磁链) ，因此上 述问题是d t c 系统低速性能差的主要问题所在。 f 一模型去掉了积分的不良影响，但是过于依赖电机参数的准确性，而且需 要准确测量电机的转速或者位置。在大多数的工业应用中，速度传感器的安装大 大地降低了传动系统的可靠性。此外，该方法仍属于开环估计方法，电机参数的 变化和转速估计的偏差将产生很大的影响，与此相关的问题是：电机的参数随着 电机运行环境的变化而变化，例如，会随着电机的温升、磁场的饱和程度而变化。 为了克服该问题，必须对电机参数进行在线辨识，但是这样做就会增加控制系统 的复杂程度。“珊模型是综合了以上两种模型实现两种模型的平滑切换，在低转 江苏大学硕士研究生论文 速时采用f 一模型，高速时切换到z ，一膜型，这种模型实现复杂，存在平滑切换的 问题，而且不能够摆脱f 一模型的固有缺陷，因此实际应用得比较少。 2 4 高性能的定子磁链观测方法 2 4 1 异步电动机的全阶磁链观测器 为了提高磁链在低速时的观测精度，必须克服上述磁链观测方法的缺陷。在 我们实验系统中采用全阶磁链闭环观测器对定子磁链进行了观测。仿真和系统实 验证明，采用此方法能够实现对定子磁链的准确观测，并对电机参数的变化具有 良好的鲁棒性。 本节中借鉴了矢量控制中闭环磁链观测器的设计方法2 】【7 】，构造出了两种适 合于直接转矩控制的闭环磁链观测器。虽然此类磁链观测器需要知道电机的全面 参数，但是所观测的磁链对电机参数的变化表现出了有很好的鲁棒性。作者认为 采用图2 1 所示的闭环磁链观测器对d t c 控制系统的定子磁链进行观测计算， 是提高d t c 系统低速性能的有效方法。下面将介绍这两种定子磁链闭环观测器 的具体设计过程。 图2 1 定子磁链观测器框图 2 4 1 1 异步电动机的定子磁链观测器( 一) 估计器计算定子磁链一、转子磁链一，电磁转矩t 和转子速度，。它们 是基于异步电动机的五个方程而得。状态估计器的输入是定子电压“。和电流空 9 江苏大学硕士研究生论文 间矢量。它们都是参考的静止坐标系。磁链估计器是一全阶全速度范围的定子和 转子磁链观测器( 见图2 2 ) ，它包含两个模型一希望产生精确值尤其在低速运行 时的开环电流模型和运行于全速度范围的可调节的电压模型。 转子磁链电流模型估计器是从( 2 2 ) 和( 2 4 ) 式在转子磁链参考模型 ( 棚。= 甜，书写为“d q ”) 中通过定子电流计算得到： 飞曲= 南一j 旨恤 这里r = 等是转子时间常数。 对于转子磁链坐标，转子磁链的d 、q 分量为： 岭南匕 、壬，。= o ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 开环电流模型的输出( 书写为“f ”) 是在定子坐标系下计算的定子磁链一 叼= 等岭兰等 ( 2 1 1 ) 这里v ：是从式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 在定子参考坐标估计的磁链( 见图2 2 ) 。 电压模型建立在式( 2 1 ) 和测量的定子电压、电流基础之上的。对于定子 参考结构来说，定子磁链甲。可简化如下： 1 、壬：= 二( u ，一r 。f 。一u 。) ( 2 1 2 ) j 为了校正定子磁链估计值，来补偿因低速时相关的纯积分器和定子电阻r 。 的测量( 或估计) 的错误并提供全速度范围的完整观测器，电压模型是通过一个 p i 补偿器来调节的。 1 u 。= ( 足p + 足，二) ( 一、壬，：) ( 2 1 3 ) j 转子磁链甲，是在定子参考系中计算得到； 江苏大学硕士研究生论文 岭专一一等等 ( 2 1 4 ) 图22 ：磁链观测器 图2 3 为磁链观测器观测的定子磁链，给定磁链为1 w b 。 图2 3 电压- 电流模型磁链观测器观测的定子磁链 ( 横轴为时间s ，纵轴为观测磁链w b ) 2 4 1 2 异步电动机的定子磁链观测器( 二) 利用公式( 2 1 ) 至( 2 4 ) 所描述的电机模型，可以推导出以定转子磁链为状 态变量的矩阵形式电机数学模型： 江苏大学硕士研究生论文 丢 善： = 三：三： 善： + b 厅= 爿妒+ 口开 = c 妒 式中纸= p 。妒。 r 妒，= 砂。y 。，r 开= k 。oo 7 定子磁链矢量 转子磁链矢量 电压矢量 t = kf 。r 定子电流矢量 爿l l = 一( r ，工，占) ，= 口川， 爿1 2 = ( 月，三。，占) ，= 口，1 2 4 2 l = ( r ，。占) ，= 口，2 i ， 爿2 2 = 一( r ，三。占) ，+ ， 占= 三，上，一上，2 尺；，月， 定子和转子电阻 三，三， 定子和转子电感 三。 互感 ，电机的电角速度 j d电机的极对数 f负载转矩 机械转动惯量 ，= ，= 机械运动规律可以表示为： 1 2 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 阵矩出输 j m o 工一 m l o 叫副0 0 o o ，o 0 o o 。o o 舛 m m一 吖 = 1 1 8 n v 江苏大学硕士研究生论文 击：p 互d( 2 1 7 ) 爿 电磁转矩表示为： 1 乙= 詈尸( y 女0 一y ，屯) ( 2 1 8 ) 公式( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 所描述的电机模型可以认为是四阶线性缓变系统，即 假设矩阵4 中的变量( 如珊，和r ，r ，等) 是缓慢变化的。由于电机的机械时间常 数远远大于电磁时间常数，且定转子电阻r ，和r ，随温度改变而产生的变化十分 缓慢，因此上述假设在电机传动的工作条件下一般可以满足。 那么，同时观测定子磁链和定子电流的全阶磁链状态观测器，可以用下面公 式描述【2 2 】： 丢痧= 五痧+ b 孬+ k k i 】 f ，= c 妒 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 上述表达式中，“n ”代表观测器的估计值。厅是状态观测器的输入，输出 是芒，k 是观测器增益矩阵。观测器的最后一项是包含观测输出与电机真实输 出t 的修正项。增益矩阵k 起到加权矩阵的作用，用于修正观测所得的定转子磁 链状态变量。当观测器模型使用的矩阵五与实际系统的矩阵a 之间存在差异时， 必然会导致观测器输出t 与实际输出乏之间存在偏差，在此情况下，该附加的修 正项将进一步校正这些影响。上式中观测器增益矩阵k 可以表示为如下矩阵形 式： k l lk 1 2 k 2 ik 2 2 k 3 lk 3 2 k 4 l k 4 2 ( 2 2 1 ) 若令估计误差i = 妒一痧表示状态变量实际值和估计值的误差向量( 偏差) 则系统的动态误差方程表示为 ；= 曲一k c 】i 足，= r ，( 七2 1 ) ； ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 江苏大学硕士研究生论文 足2 = o k 3 = t l 。r ，+ r ；l ? k l k r ；l ，一k l ，r ，) l 。 置。= ( 一1 ) 如，工。； ( 2 ，2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 误差a 的收敛速度取决于矩阵阻一j 汜l 的极点位置，即误差响应的动态特征 由矩阵阻一腰】的特征值决定，通过合理的设计足可以使矩阵阻一艇】的极点的位 置满足系统的需要，这里要用到极点配置问题。如果n 一髓】是稳定矩阵，则对 于任意初始误差( o ) ，误差向量；都将趋近于零。也就是说，不管真实磁链的初 始值旷( o ) 和观测磁链的初始值痧( o ) 为何，痧( o ) 都将收敛于妒( o ) 。如果所选的矩 阵k 一愆】的特征值使得误差向量的动态特性渐进稳定且足够快，则任意误差向 量都将以足够快的速度收敛于零( 原点) 。换句话说，误差向量i 的收敛速度取 决于矩阵l 一愆】的极点位置，而通过合理设计足可以合理的配置状态观测器的 极点位景。如果被观测的系统( 电机模型) 是稳定的或渐进稳定的，选取合适的 k 和k ，就可以使观测器能够快速地跟踪实际值。即可只用两个参数k ，和k ：。 取x = k l o k 2 o 0 k l 0 一k 2 ，2 一一一 ， 、l 图2 4 定子磁链观测器二观测下定子磁链幅值的对比 ( 2 2 7 ) 曲线1 ：观测器的观测值；曲线2 ：真实值； 图2 4 为使用定子磁链观测器( 二) 模型对电机进行定子磁链观测下的观测 值与真实值的对比图，从图中可以看出该模型观测精度相当高，有着很大的实际 意义。 6 4 2 l 8 6 4 2 l i l 0 0 o o 江苏大学硕士研究生论文 2 4 1 3 改进的积分器算法在直接转矩控制中的应用 采用磁链闭环观测器可以更加准确地观测定子磁链，而且对定转子电阻具有 很好的鲁棒性，实践结果已经证明了这一点。但是采用磁链观测器不仅需要全面 了解电机参数，而且需要速度信息。因此必须进一步探讨新的磁链观测方法。有 些文献提出了积分器的改进算法【2 “，利用结合低通滤波器来解决纯积分估算电 机磁链时所带来的实际问题，改进算法的基本原理如下。在此将磁链表达式变为 1 ( 在静止坐标系下) 如下：虬= i ( “，一r ，= 二( “。一r ，) * 南 驰。一酬+ 忐y ： ( 2 2 8 ) 图2 5 ：改进的积分器 这里疋= ( 1 2 矾) ，疋为滤波器的截止频率，p 为微分算子。也就是运用低通滤 波器来改进纯积分器所带来的直流漂移与误差累积。这里作者只作了简单研究， 未加以仿真与实验研究。 2 4 2 磁链观测器的求解方法 上面所描述的前两种磁链观测器是四阶的微分方程组，而且是连续的数学模 型，为了能够在数字信号处理器或单片机上实现对上述观测器微分方程组的实时 求解，必须将上述微分方程转化为离散化形式。通常可以采用数值积分法或者直 接构造出磁链观测器的离散化模型，并利用数字信号处理器直接计算上述微分方 程组。本系统利用数字信号处理器( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 【l l j 采用欧拉法进行了数字化 实现。欧拉法是一种简单实用的积分算法。利用欧拉法可将公式( 2 1 9 ) 所示电 江苏大学硕士研究生论文 机的全阶闭环观测器展开成如下离散化形式： 在本系统中，由于电机的定转子自感和互感的变化一般较小，因而可以近 似认为是常数。观测器反馈增益矩阵k 可以根据公式( 2 2 3 ) 至( 2 2 6 ) 可以计 算得到。由公式( 2 2 6 ) 可以看出，增益矩阵k 和特征矩阵a 一样，包含有时 变量转速、定子电阻和转子电阻( 辨识定转子电阻时，才认为是时变量) ， 因而两者都是时变矩阵，在不同的时刻会发生变化。上式( 2 2 9 ) 中所示的多。是 第k 时刻的定子和转子磁链矢量，已是第k 时刻的观测器输出电流矢量，瓦是 作用在k 至k + l 时刻的输入电压矢量。利用上面的公式( 2 2 9 ) 可以计算出k + 1 时刻的定转子磁链和输出电流矢量的观测值。在实际应用中，为了减少运算 量并进一步缩短控制周期，公式中的常系数可以在控制软件的前期处理部分预先 计算完成( 即在进入循环程序之前，已经预先计算出) ，这样做可以使实时运算 量大为减少。 然而，采用欧拉法也存在着一定的局限性。只有当积分运算的步长小于逆 变器输出电压周期的l 时，运算精度才能满足要求。也就是说，如果系统控制 周期是1 0 0 ，要求逆变器的输出电压频率不能够高于1 0 0 h z 。对于本系统而言， 只要电机的转速低于3 0 0 0 r p m ，采用欧拉法运算时即能满足基本的精度要求，因 而对本系统而言采用小于1 0 0 的控制周期就足以满足计算精度的要求。 2 4 3 预测磁链观测器 文献 2 6 】提出了预测控制的方法，其思想是根据女时刻的测量的输出电流值 t ( ) 去预估下一时刻的状态痧( 七十1 ) 。若将上面所示的闭环观测器进行离散化处 理，即可得到如下离散化形式的闭环观测器： 妒( 七+ 1 ) = ，旷( 七) + ? 露( 七) + k 【( 七) 一c 妒( 七) ( 2 3 0 ) = f 一解】妒( 女) + g 露( 七) + 酞( ) 由于痧( 女+ 1 ) 是在测量t ( | + 1 ) 之前求得，因此称为预测观测器。 预测观测器是利用上一时刻的检测值t ( | i ) 来估计下一时刻的状态痧( + 1 ) ， 并产生当前的控制历( | i 十1 ) ，由于所观测的状态与当前的检测误差无关，因此采 凹 胍以吁弛 一 + 旺k k 憎 + 女甄肼 + k 峨阶 + + 元鼓 i i i | 死 江苏大学硕士研究生论文 用该方法观测系统状态时，将会产生一定的理论误差，特别是当控制周期较长时， 采用该方法将会影响到系统的控制性能。 综上所述，与矢量控制对磁链观测准确度的要求一样，实现高性能的d t c 控制的关键环节是实现对电机磁链( 定子磁链) 的准确观测。 江苏大学硕士研究生论文 第3 章迸一步提高直接转矩控制系统性能的 具体方法 3 1 传统的d t c 系统低速转矩特性的局限性 直接转矩控制不需要复杂的磁场定向算法和电流内环控制即可实现对磁链 和转矩的解耦控制，因而被认为是一种能够实现高精度和高动态性能的异步电动 机新型控制策略可靠解决方案，目前一直是研究的热点。但其本身也存在不足， 如转矩波动大等。影响传统d t c 控制低速性能的原因主要有以下三个方面：1 当 电机低速运行时，采用传统的磁链观测方法难以实现对定子磁链的准确观测，进 而会直接影响磁链和转矩的控制性能效果，降低了d t c 系统的低速控制性能。 2 d t c 系统的传统开关选择表和滞环控制器本身所固有的缺陷会引起严重的转 矩脉动。3 低速时速度传感器或速度观测器的速度观测效果变差而引起的系统 性能下降( 这同样也是影响矢量控制低速性能的重要原因) 。电机在低速运行时， 目前所采用的无速度传感器技术对速度的观测效果往往会降低。此外，目前的无 速度传感器技术多是依赖电机的数学模型1 9 】【2 l l 【2 4 1 ，根据所测量的定子电压和电 流值计算转速，在转速的表达式中往往需要用到电机的定子或者转子磁链，前述 的定子磁链观测不准确的因素最终会反映到对电机转速的观测效果上。 在忽略定子电阻影响的情况下，当采用“f 模型计算定子磁链时，电机的定 子磁链可以用公式表示为：妒，= l ( 舀。一r 。) 西+ 妒。“i 订，出+ 妒。当采用圆形磁 链轨迹控制时，在理想情况下定子磁链的轨迹是以一定速度( 电压矢量的切向分 量) 移动的圆。但磁链运行是靠近圆而并不是在准确圆上f 3 】。 传统的直接转矩控制是在每一个固定的开关周期内选择最优的空间矢薰，由 于电压矢量的作用时间是以控制周期为单位的( 即最小的作用时间为一个采样周 期) ，因而采用这种方法可以使系统高速时获得更优良的动态性能。而当电机速 度很低时，采用此方法则会导致电流的品质下降，使电机转矩的脉动严重。这是 因为在相同的开关周期内，不同电压矢量作用时所产生的转矩变化量不相同，而 在不同的工作区间内电压空间矢量的选择表却是固定的，这必然会使转矩中包含 有低频锯齿分量。这个锯齿分量与速度有关，速度越高，它的频率越高，因此低 速时的影响更大。 此外，开关频率还会随着电机的转速以及磁链和转矩滞环宽度的不同而发 生变化。由于d t c 的实现不可避免存在滞后延迟，实际上即使采用零滞环控制 也无法进一步提高开关频率。实践表明，在采用传统的d t c 方案时，只有在采 样周期小于2 5 时才能够实现较高控制性能，因此传统的d t c 方案对硬件系统 江苏大学硕士研究生论文 提出了很高的要求。 综上所述，要进一步提高d t c 的低速性能，必须改进传统的开关选择模式， 或者对传统的定子磁链和转矩的控制方案进行变革。 3 2 直接转矩控制系统的转矩变化规律 假设直接转矩控制系统的控制周期( 采样周期) t 足够小，那么根据公式( 2 5 ) 可以得到离散化的感应电机的状态方程。r 。时刻的定子磁链和转子磁链可以表 示为如下形式： 一哦”鲁驴嚣t i ( 3 1 ) 甜蹦慨一争w “差t ( 3 _ 2 ) 上式( 3 1 ) 描述了在“+ 。期间由于定子电压矢量瓦的作用所引起的定子 磁链的变化规律。如果忽略了定子电阻r 的影响，则可以得到下面这一著名的 关系式【6 】： 妒曲“妒曲+ 开业t ( 3 3 ) 通过公式( 3 3 ) 可知，定子磁链将沿着定子电压矢量站的方向运动，那么，选 择合适的电压矢量，就可以使定子磁链沿着固定的轨迹移动。 根据公式( 2 6 ) 同样可以得到电磁转矩的离散化表达式： k - 2 吾p 去。慨圹吾p 去儿唧一 。， 将公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 带入上式，并忽略t 的平