（电力电子与电力传动专业论文）基于直接转矩控制变频器的研究与分析.pdf

a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i so n eo ft h eh i g hp e r f o r m a n c e c o n t r o ls t r a t e g i e s i td i r e c t l yc o n t r o lt h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n ds t a t o r f l u x , u s i n gt h ea n a l y z i n gm e t h o do fs p a c ev e c t o r a n ds t a t o rf l u xo r i e n t a t i o n i th a st h ee x c e l l e n c eo ft h eh i g h e s tp r e c i s i o n 、t h es h o r t e s tr e s p o n s et i m e a n dt h es i m p l e s tc o m p u t i n g s t a r t i n ga tt h ea s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e l a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a l t h e o r yo fd t c a n dt h ep r i n c i p l eo fv a r i a b l ef r e q u e n c ec o n t r o l ，w ea n a l y z e t h ea p p r o x i m a t er o u n df l u xt h e o r yo fd t ci nt h ee m u l a t o r u s i n gm e t h o d o f v o l t a g e v e c t o rs e l e c t i o n , w ec a ns e l e c tt h ev o l t a g ev e c t o rb yt h ep o s i t i o n a n dm a g n i t u d eo fs t a t o rf l u x 勰w e l la st h em a g n i t u d eo ft o r q u e a n dw e a n a l y z eo nt h ed i f f e r e n ts t a r t - u p m o d ei nt h es t a r t - u pp r o c e s so ft h e d t c ，u s i n gt h em e t h o do fe m u l a t o r a i ma tt h es h o r t a g eo ft h et r a d i t i o n s w i t c hs i g n a lc h o i c et a b l e ，d e s i g nan e wt a b l e a tl a s t , w ep a r t i c u l a ri n t r o d u c et h eh a r d w a r es y s t e mo fd t c ，a n di n f o r m t h ec i r c u i td i a g r a mo f t h em a i nh a r d w a r es y s t e ma n de a c hf u n c t i o n k e yw o r d s ：d i r e c ts e l fc o n t r o l 、s w i t c hs i g n a l c h o i c et a b l e 、f l u x o b s e r v a t i o n 、a ct i m i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ：! 勾j ! 学位论文使用授权说明 7 年年月i s 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) = 向糸 7 年年月，j 7 e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变频器的现状及研究意义 电动机作为主要的动力设备，广泛应用于工农业生产、国防、科技及社会生 活各方面。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 而根据采用电流制式的不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中 交流电动机拥有量最多根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的8 5 左 右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。目前，我国电 动机总装机容量已达4 5 亿千瓦，年耗电量占全国用电总量的近6 0 9 6 。但我国电 机驱动系统的能源利用率非常低，基本上要低于国外平均水平2 0 * , 6 左右，7 0 9 6 的电 机只相当于国际2 0 世纪5 0 年代水平，节能潜力巨大”“ 变频调速器，自1 9 6 4 年问世以来，经历多年的发展过程，上世纪8 0 年代在 主要工业国家已广泛使用，9 0 年代进入中国，尤其是在节能方面，效果显著，在 空调、电梯、冶金，机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空 间我国现运行的风机、水泵、空调类负载，据估计有4 2 0 0 万台( 其中风机约 1 0 0 0 万台) ，占全国用电量的1 ，3 ，其中的6 0 适合调速，如果把这部分用电负荷 改造为变频调速，按年节电率2 5 计算，全国每年节电2 2 0 亿度。 变频调速的优点主要有如下一些优点：调速范围宽，可以使普通异步电动机 实现无级调速；启动电流小，而启动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保 护机械设备；对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；具有显著的节电效果； 通过调节电压和频率的关系方便的实现恒转矩或者恒功率调速。 在目前能源紧张的情况下，变频调速性能的提高能极大的节约能耗，对国民 经济的发展有着长远的意义。 1 2 变频器的控制策略及发展方向 早期通用变频器大多数为开环恒压比( v f = - 常数) 的控制方式，其优点是控 制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速 2 河海大学硕士论文 场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩 利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差 等。 八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量( 或称磁通轨迹 法) 。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转 磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形这种方法被称为电压空间矢量控制。 矢量控制，也称磁场定向控制。以直流电动机和交流电动机比较的方法分析 阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们 看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之 成为转矩和励磁两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子 磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理 论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足此外，它必须直接或间接地 得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统 中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o e k 教授首先提出直接转矩控制理论( d i r e c t t o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，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来控制。转矩控制的优越 性在于：控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子 磁链观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器。这 种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，被称为无速度传感器直接转矩控制。 在高动态性能应用中，要求采用转矩( 转速) 和磁链分别控制。矢量控制方 案强调转子磁链与转矩的解耦，实行连续控制，调速范围较宽；而直接转矩控制 方案则控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化的影响，采用转矩和定子 磁链的砰一砰控制而避开旋转坐标变换。它简化了控制结构，动态响应快，但却 引起了电流和转矩的脉动，低速性能差，调速范围受到限制。两种控制方案各自 的优缺点正好适用于不同应用条件。 从理论上看，交流电机变频调速方法又可以分为三个层次：节能为主的调 速对调速范围和调速性能要求不高，磁链开环控制的v vvf 方案即可满足，在 第一章 绪论 一定应用领域内，采用经济型调速方法来降低节能成本的方案也是可行的；用 于工艺调速和牵引调速的高动态性能变频器，要求转矩磁链分别控制，能满足国 民经济许多领域对电气传动的要求。其中，矢量控制方案和直接转矩控制方案能 分别适应不同领域的具体要求；高精密交流伺服调速控制，适合国民经济特殊 部门和国防对调速系统的特殊需求 从应用上看，交流电机变频调速可以分为四个方面：节能调速( 通用机械流 量调节用) ，i 艺调速( 满足各种机械运行的性能要求) 、牵引调速( 符合各种电 动车辆、电动船舶运行等“水平牵引”和卷扬、电梯等竖直牵引”等需求) 和精 密调速( 机器人、数控机床、航空航天等伺服传动) 在应用领域上，矢量控制除用于一般调速外，更适用于宽范围调速系统和伺 服系统。而直接转矩则适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统。鉴于两 种控制策略各有不足，两种系统的研究正在进一步加强 对直接转矩控制系统的研究主要集中在提高其低速性能。德国科学家在上世 纪9 0 年代提出了作为直接转矩控制系统改进方案的间接自控制i s r 。其中，将 b a n g b a n g 控制器改为连续的调节器，用p i 调节器对定子磁链进行闭环控制，以 建立圆形的定子磁链轨迹。除此以外，还有很多在直接转矩b a n g - b a n g 控制器上 的改进方案。如，直接转矩无差拍控制、转矩( 磁链) 跟踪预测控制、直接解耦控 制( d d c ) 、使用p i 调节器的直接转矩控制等等，以及智能控制在直接转矩控制 中的应用。 目前变频器有以下几个发展方向： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等：基于现代理论的控制策略，有滑模 变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理的非线性解耦、鲁棒观察器， 在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制 思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自 诊断技术等。 ( 2 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 l ，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉 动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器， 4 河海大学硬士论文 在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换 ( 3 ) 缩小装置的尺寸紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度， 其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用 新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器功率器件冷却方式的改变 ( 如水冷、蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 ( 4 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足 够的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的引入使得可自由设计，图形编 程的控制技术也有很大的发展 ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及 各种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持k i s 。 1 3 本文的主要研究内容 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制对象 是磁链和转矩，强调的是转矩的直接控制效果，是一种具有较高动态响应的交流 调速方式。但是由于其采用b a n g - b a n g 控制，电流和转矩存在脉动，在低速下受 定子电阻压降的影响，磁链会存在畸变等一系列问题。针对直接转矩控制的这些 问题，本文主要所做的主要工作是： 1 以直接转矩控制系统的结构为基础，设计了其仿真模型，并对其在不同运 行情况下进行仿真分析。 2 针对系统在磁链建立的过程中存在的启动电流过大的问题，研究分析了零 矢量限流方式。 3 针对传统开关信号选择表存在的一些不足，设计了一种改进的开关信号选 择表。改进的开关信号选择表对低速下定子磁链的畸变有着极大的改善作用，基 本上消除了畸变现象。并针对这种改进的开关信号选择表可能存在的问题进行了 讨论，提出了解决方法。 4 对直接转矩系统硬件结构的一些外围电路进行了设计，并对其一些关键芯 片进行了选型，还给出了软件设计流程图。 第二章变频调速的基本思想 第二章变频调速的基本思想 2 1三相异步电机的基本工作原理2 1 三相异步电动机的工作原理，就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场在转 子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用当对称三相 电流通入对称三相绕组时，必然会产生一个大小不变、转速一定的旋转磁场 旋转磁场的转速用一。表示，称为同步转速 ：五( r s ) ：盟( 2 - 1 ) n p h 口 其中，z 为交流电源频率，刀，为磁场极对数 异步电动机的转子转速，总是略小于旋转磁场的同步转速t c 蠢l ! n 。与玎之 差称为“转差”，转差一疗的存在是异步电动机运行的必要条件我们将转差 万。一万与同步转速之比的百分值，称为转差率，用j 表示，即 j ：n o - _ _ _ n n 1 0 0 ( 2 2 ) 一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载转差率在0 5 以下，满载 转差率在5 以下。 所以异步电动机转速公式可以表示为 舻警”加等2 w n ”d刀，p ( 2 3 ) 式中，正为电机定子供电频率；行，为电机极对数；( - 0 s = 2 矾为定子供电角频 率( 角速度) ；j 为转差率。 如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率正，就可以平滑地调节电动机的 转速开。实际应用中，不仅要求调节转速，同时还要求调速系统具有优良的机械 特性。 6 河海大学硕士论文 2 2 变频调速的基本控制方式 2 2 1 恒压频比控制方式 气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值e 为 e i = 4 4 4 f , n l k 5 圣。置电毫泺为e l | f l = c i 巾。( 2 - 4 ) 式中，为定子每相绕组匝数；x ，为基波绕组系数；丸为电机气隙中每极 合成磁通；q = 4 4 4 n , 丘 稳态情况下异步电动机定子每相电压与每相感应电动势的关系为 u | = e i 七i i z i = j 2 碍s l 。l 。+ t r | l | + j 2 碍s l s ，1 3 1 2 砩 式中，l 为定子相电流；l 为励磁电流；e 为定子每相绕组电阻；k 为定、 转子之间的互感；t ，为定子绕组每相漏感。 当定予频率z 较高时，感应电动势有效值e ，也较大，这是可以忽略定子绕组 的阻抗压降，认为定子相电压有效值仉* e ，此时公式( 2 - 4 ) 可表示为 e 正z 玑正= c 。丸= c ( 2 6 ) 如果采用这种控制方式，g e r , 由基频到低频的变速过程中都能保持九= c ， 则可以获得巧= 乙一= c 的控制效果，是一种较为理想的控制方式。 2 2 2 转差频率控制方式 异步电动机的电磁转矩也可以写成 死= g 丸c o s 作 ( 2 7 ) 式中，为折算到定予侧的转子每相电流的有效值；办= 眦t 觚警为转予 功率因素角，其中j 0 为折算到定子侧的转子每相漏电抗。 由异步电动机的等效电路，可以求出异步电动机的转子电流 第二章变频调速的基本思想 扣丽s e t ( 2 8 ) 正常运行时，s 很小，可以将分母s x , 忽略 则式( 2 7 ) 可以写成 死一墨喀蛔 ( 2 - 9 ) 把= 2 矾，e = 4 4 4 f , 札e 屯代入，得到 死聊2 国 ( 2 - 1 0 ) 式中，k = 4 4 4 n | x | k i 2 z r 。 由式( 2 一l o ) 可知，当丸= c 时，异步电动机转矩近似与转差角频率成 正比。所以，可以通过控制转差角频率来实现控制电磁转矩的目的 2 2 3 矢量控制方式 对于异步电动机，等效成具有互相垂直的两相定子绕组口、，当通入两相 对称的正弦电流、i p 时，则产生旋转磁场痧讲如果这个旋转磁场的大小、转 速、方向与三相交流绕组产生的旋转磁场完全相同，就可以认为两种交流绕组等 效。所以，处于三相静止坐标系上的三相固定对称交流绕组，以产生同样旋转磁 场为准则，可以等效为静止两相直角坐标系上的两相对称固定绕组。并且三相交 流绕组中的三相对称正弦交流电流、砝与两相对称正弦交流电流、之 间存在着确定的变换关系 ( 2 1 1 ) 利用矢量旋转变换将盯一轴系变换到同步旋转坐标系m - t ，这时口一轴系 中的交流电流、略与m t 轴系中的直流电流0 、之间存在着确定的变换关系 k 2 彳2 锄l 么= 彳；1 k ( 2 1 2 ) 7 8 河海大学硕士论文 所以m t 轴系与三相坐标系等效，有 f 胛= 爿2 0 = 刍4 f 。c ( 2 - 1 3 ) 在异步电动机外部，把0 ( 励磁电流分量) 、( 转矩电流分量) 作为控制 量，通过矢量旋转变换得到两相交流控制量、i p ，然后通过两相三相矢量变换 得到三相电流的控制量、i s 、j c ，再用其来控制三相异步电动机的运行，从而 实现了交流电动机电磁转矩的瞬时控制。 2 2 4 直接转矩控制方式 在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩模型可以表示为： = f ( 一k 冠冲 y s i = t q | b i | b r j 出 ( 2 - 1 4 ) 已= 以( 如一) 式中，如为转矩系数，幺、如、分别是、虬在口一轴系上的分 量。 以定子磁链矢量虬为基准的优越性是，在定子坐标系中计算定子磁链，受电 机参数影响最小( 只受定子电阻影响) ，定子电流可以直接测量得到。 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制的是 磁链和转矩，强调的是转矩的直接控制效果，是一种具有较高动态响应的交流调 速方式。 2 3电压空间矢量技术s v p w m ( 磁链轨迹法) 2 3 1 逆变器的输出电压模式 图2 1 是电压源型p w m 逆变器主电路示意图。对于1 8 0 0 导电型逆变器，它 的三个桥臂的六个开关器件可以形成八种开关状态。用s a 、s b 、s c 分别标记三个 桥臂的状态，规定上桥臂器件导通时桥臂状态为1 ，下桥臂导通时桥臂状态为0 。 第二章 变频调速的基本思想 这样，逆变器的八个开关模式就对应八个电压空间矢量，如表2 - l 所示 图2 1p w m 逆变器电路 表2 1逆变器的的电压状态与开关状态比较表 工作状态零状态 状态 u iu 2u 31 1 4 u su 6u ou 7 s aoolllo ol 开关 s b loo0llol 状态 s c ll10oo ol 电压 u su su su su su s u su s u s 状态( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )( i o o ) ( 1 1 0 )( o l o )( 0 0 0 )( 1 1 1 ) 与开关信号的八种组合对应的是电压分量的玑、u 。、u 。韵八种组合，如图 睦 = 三三； c 2 - t s ， 9 l o 河海大学硕士论文 卧 nj 。o ii 0 卜- “ i s b l i l i ii 0 i r 盘鬈 i i - s c l i i i l 0 倒 。_ _ _ _ 一 l 】l i) 0 l1 0 11 0 0 p 1 0 口1 0 l a b c 如u lu 2u 31u 4瓯u 6 图2 - 2 无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压波形 2 3 2电压空间矢量的概念 在对异步电动机进行分析和控制时，为了方便对三相进行分析和控制，我们 引入了p a r k 矢量变换。p a r k 矢量将三维变换为二维。选三相定子坐标系的a 轴 与p a r k 矢量复平面的实轴口重合，则其三相物理量u a 、u b 、u c 的p a r k 矢量为 玑= ( u + p u 口+ p 2 ) ( 2 - 1 6 ) j 式中，p 为复系数，称为旋转因子，p = e ，2 “3 。 各开关状态的电压空间矢量可以依次计算得到，对电压空间矢量可以得到以 下结论： 1 逆变器的六个工作电压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 0 。 2 电压空间矢量的幅值不变，都等于鲁。因此六个电压空间矢量的顶点 第二章 变频调速的基本思想 构成了正六边形的六个顶点 3 六个电压空间矢量的顺序是：l i t ( 0 1 1 ) u 2 ( 0 0 1 ) u 3 ( 1 0 1 ) 州 ( 1 0 0 ) u 5 ( 1 1 0 ) u ( o l o ) 依次沿逆时针方向旋转 4 零电压状态u o 、u 7 位于六边形的中心 2 3 3 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 在逆变器的八种开关模式中，有六种开关模式对应非零电压空间矢量，矢量 的幅值为妄，称为非零电压空间矢量，简称非零矢量；有两种开关模式对应的 j 电压空间矢量幅值为零，称为零电压空间矢量，简称零矢量。当零矢量作用于电 机时不形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成响应的磁链 矢量 逆变器的输出电压以( ，) 直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为 c k ，) 定子磁链与定子电压u s ( ，) 之间的关系为： s ( f ) = j ( u s ( t ) - i s ( t ) r s ) a t ( 2 1 7 ) 若忽略定子电阻压降的影响，则 虮( f ) * j u s ( o a t ( 2 - 1 8 ) 这表示定子磁链空间矢量与定予电压空间矢量之间为积分关系。可见电机的 定子磁链螈( ，) 的运动方向是沿着( r ) 的运动方向将式2 1 8 离散化可以得： s ( 以) = 少5 ( 一一1 ) + 甜s ( 弹一o r s ( 2 1 9 ) 式中，五为采样周期，电机的定子磁链与电压矢量的关系如图2 - 4 所示。从 图2 - 4 ( a ) 可以看出：如对异步电机施加工作状态的电压矢量，则定子磁链的运 动方向和幅值都发生变化；旅加零电压矢量的时候，则定子磁链停止移动。因此 直接转矩控制就是让工作电压矢量和零矢量交替作用，就可以使定子磁链走走停 停，实现了对磁链的相位和幅值的控制。 1 2 河海大学硕士论文 ( 1 ：氐 js 。 i d ) 、s 】 1 c 口1 1 ) ( b ) 图2 3 定子磁链和空间电压矢量关系图 如图2 - 3 b ，( ，) 表示磁链空间矢量，s l 、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y 。( ，) 在如图所示位置时，其顶点在边s l 上，如果所加 定子电压为u l ( 0 1 1 ) ，则定子磁链空间矢量的顶点，将沿着s l 边的轨迹，向着 电压空间矢量u l ( 0 1 1 ) 的方向运动。当虮( ，) 沿着边s l 运动到s l 与s 2 的交点a 时，如果给出电压空间矢量u 2 ( 0 0 1 ) ，则磁链空间矢量( r ) 的顶点就会沿着边 s 2 的轨迹运动。同样的方法，则( ，) 的顶点就会沿着边s 3 、s 4 、s 5 、s 6 的轨迹 运动，因此，得出以下结论； 1 定子磁链空间矢量顶点的运动方向，平行于相应的电压空间矢量作用方向。 只要定子电阻压降k ( f ) r 。l 比l 虮酬足够小，这种平行就能够很好的近似 2 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量u i ( 0 1 1 ) - u 2 ( 0 0 1 ) u 3 ( 1 0 1 ) _ u 4 ( 1 0 0 ) - u 5 ( 1 1 0 ) u 6 ( 0 1 0 ) ，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边s l s 厂s 广s 广s 厂s 6 运动，形成正六边形磁链。 3 正六边形的六条边代表着磁链空间矢量虮( f ) 一个周期的运动轨迹每条边代 表一个周期磁链轨迹的1 6 ，称为一个区段。1 第二章变频调速的基本思想 2 3 4 磁链轨迹p w m 的三段逼近式控制算法 为了得到近似圆形的定子磁链运动轨迹，可以使用正多边形磁链轨迹p w m 控制技术，将磁链圆分为m 等份，用正m 边形来逼近理想圆。为了保证电压的 对称性和便于微机实现，一般取m 为6 的倍数正多边形磁链轨迹p w m 控制技 术可以充分利用功率器件的开关频率，使得磁链轨迹尽逼近理想圆形，降低输出 电压的谐波含量。 设逆变器的输出频率为石，正多边形边数为m ，则每边作用时间出为 厶，：三一 f s m ( 2 1 9 ) 对址和m 有两种处理方法，一种是同步调制，即把调频范围分为若干区段， 在每一区段保持m 为常数，f 随石的变化而变化。无论兀如何变化，磁链轨迹 总是以m 多变形逼近圆形磁链轨迹。另一种方法是异步调制，它在整个调频范围 内使出= c ，因此当n 随兀变化时逆交器的输出电压的波形和相位都有变化，输 出波形含有傅氏频谱和低次谐波，因而可能引起电机转矩脉动 由于本论文设计的通用变频器的调频范用在1 5 0 h z 之间，范围不大，而且 用硬件实现同步调制时实时性很好，可以节省r o m 的空间占用量，所以本文选 用了同步调制方法。 越 、 聊 u 屯，、 杪鼢 弋彰；。澎 e 图2 - 4电压空间矢量合成图 b 1 4 河海大学硕士论文 将磁链圆平分成相等区域，如图2 4 ( a ) 所示，分别标为印) 、以2 ) 、 e ( 6 ) 。在每一区域内，都可以用两个非零矢量来逼近正多边形在该区域内的各边 各区域对应的非零电压空矢量如表2 - 2 所示，选择前一矢量可使电机磁链增大， 选后一矢量可使电机磁链减小交替使用两个非零矢量就可以使磁链运动轨迹近 似为圆形。 以口( 4 ) 区域的一边：揸为例来说明磁链多边形的形成原理。要求电机正转( 逆 时针) 时，如表2 - 2 ，在0 ( 4 ) 区域应选择矢量u 5 、u 6 来逼近4 e 边。如图2 - 5 ( b ) 所示，用a b 、b c 、c d 、d e 四段折线来逼近a e 边( 也可看作a b 、b d 、d e 三段折线) 。c 为a e 中点。其中，a b 、d e 是在u 5 的作用下磁链的运动轨迹；b d 表2 - 2 非零电压空间矢量的选择 对应非零电压空间矢量 区域 正转反转 0 0 ) u 5，u 6u 3 ，u 2 口( 2 ) u 6，u 1u 4 ，u 3 口( 3 ) u i，u 2u 5 ，u 4 口( 4 ) u 2 ，u 3u 6 ，u 5 口( 5 ) u 3 ，u 4u l ，u 6 烈6 )u 4 ，u 5u 2 ，u i 是在u 6 作用下磁链的运动轨迹。则有 a b = d e = 乩f 2 = f 2 j 一一 b c = c d = 玑毛= u d f 3 ( 2 2 0 ) f ：为u 5 作用时间，弓为u 6 作用时问 设逆变器的输出频率为矗，正多边形的边数为m ，则每边作用时间a t 为 2 竖壅塑塑鎏塑苎查璺望 血= 去m ( 2 2 1 ) ，s 、厶_ 1j a a b c ，由正弦定理有 鼋i 。一s m 。碡 q 舯_ 2 妒, s i n a z a ( 确正多边形每勰溉她鲁，为磁链 2 亨2 u 兰t 莩2 石球t 口咖和 2 寤2 us i n 2 万呼a a 吣 ( 2 - 2 3 ) q 为从起始边算起该区域第f 条边中点与圆心连线与该区域起始边的夹角， q = 刍+ 万2 7 1 u 棚，纠，2 。，m 6 。 非零矢量的作用时间之和r ：+ 乃总是小于或者等于半边( ：蟊) 作用时间 ，2 。 ”= 等等如粤吲 c 2 彩， 其中，u l 为逆变器输出线电压有效值。 因为。劢。u d ，所以 2 + 弓s 譬 可以求出零矢量的作用时间为 r o = 掣一( f ：+ r 3 ) ( 2 - 2 5 ) 正多边形边数确定后，每段非零电压空间矢量的作用时间就确定了。调压调 频就可以依靠改变插入零矢量作用时间来实现。 在每个扇区我们适当选用两个非零电压矢量分别作用一定时间，使磁链轨迹 1 6 河海大学硕士论文 逼近圆形，获得圆形磁通轨迹在从一个空间电压矢量变化到另一个矢量的过程 中，应当遵循功率器件的开关状态变化最小的原则，即应当只有一个功率器件的 开关状态发生变化若在工作电压矢量之问插入零矢量，使磁通矢量走走停停， 就可以调节磁通矢量的平均旋转速度。 选用零矢量的原则是，以最少的开关切换获得零矢量选择的方法是：插入 零矢量之前，判断被切换到的非零矢量是哪一个。如果是u l 、u 3 、u 5 ( 即该电压 空间矢量对应两个上桥臂和一个下桥臂的器件导通) ，则当前插入的零矢量为u 7 ； 如果被切换到的非零矢量是u 2 、i j i 、u 6 ( 既该电压空间矢量对应两个下桥臂和一 个上桥臂导通) ，则当前插入零矢量为u o 对于a e 边，电压空间矢量的作用次序为： 正转u 5 、u 6 、u o 、u 6 、u 、u 7 反转u 3 、u 2 、u 0 、u 2 、u 3 、u 7 低频时，零矢量持续时间很长如果把零矢量集中加在一点上，输出电压波 形会变得很差，使电动机出现转矩脉动。可以采用零矢量分割法。这种方法是在 低频区，把零矢量由一点分为多点采用零矢量分割技术后，平滑了磁链运动速 度，减少了转矩脉动，是改善电机低频特性的有效途径。 2 4 直接转矩控制系统的基本结构【1 1 直接转矩系统的典型结构框图如图2 5 所不 被测信号只有三个，即蚝、0 和。这三个信号经a m m ( 包括定子磁链模型 和转矩模型) 处理后得到虼、和转矩实际值t 。、通过u c t 变换后得 到磁链的三个分量信号倒、和妒彤，由d m c 得到磁链开关信号s 矿、s 缈b 和s f ，。与转矩给定值经a t r 处理后得到转矩开关信号t q 。a t r 的容差 宽度由a f r 的输出信号占，调节频率给定值正和频率反馈值力输入a f r ，得 到靠。转矩给定值疋由a s r 给出，其输入信号是转速给定值m 和转速反馈信号 t o 。a z s 产生零状态开关信号磁链给定值。和磁链反馈值妒矿由彳他综合产 第二章变频调速的基本思想 生磁链开关信号旧吩由a m a 根据矿脚、用得到a s s 综合四个输入 信号： 图2 5 直接转矩系统组成框图 磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号和零状态开关信号，产生正确的 电压开关信号s u 、s u 口和s u c 来驱动主电路的开关器件。 由图2 5 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 的旋转。 2 转矩调节器：利用转速调节器输出的给定转矩，采用两点式滞环控制，输 出转矩控制信号，直接控制电机的转矩。 3 磁链调节器：直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号，实 现对磁链幅值的直接自控制。 4 开关状态选择单元：开关状态选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调 节环和磁链调节环的开关控制信号，形成正确开关信号，以实现对电压空间矢量 的正确选择。 5 开关频率调节：开关频率调节环控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。 1 8 河海大学硕士论文 6 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型和转矩模型。 它可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求 7 转速调节器：给定转速和反馈转速的差值经调节器输出给定转矩，也可单 独给定得到，实现对转速的控制1 2 4 1 转矩调节 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节必须具 备两个功能： 用转矩两点式调节器直接调节转矩 用p n 调节器，在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向。 1 转矩两点式调节器( b a n g - b a n g 控制器) 转矩两点式调节器的结构同磁链自控制单元一样，也是采用施密特触发器， 只是容差不同。转矩调节器的容差是士f 。，且可调，如图2 - 6 图2 - 6 转矩两点式调节器 图中，调节器的输入信号是转矩给定值和转矩反馈值t ，的差死调节 器的输出量是转矩开关信号1 q 。调节器的容差是士s ，。调节器次用离散两点式 调节方式，它的调节过程如图2 7 。 假设电动机运行在空载情况下，忽略了损耗，平均转矩为零，则要求= 0 ， 瓦= 。 在时刻t l ，转矩实际值7 0 下降到调节器容差的下限一占。，调节器的输出信号 t q 变为“1 ”。 第二章变频调速的基本思想 盯一 图2 7 转矩两点式调节器的调节过程 在t ( 卜l 的作用下，得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。 而磁链作为对应电压的积分，其增量鸭是按恒定斜率上升的转矩实际值z 0 、 转矩开关信号t q 和定子磁链增量的波形如图2 - 7 到时刻t 2 ，z 0 上升到容 量的上限+ 气，t q 变为“0 ”，在1 q = o 的作用下，零电压加到电动机上，定子磁 链静止不动，转矩减小。这个期间妒。是保持不变，没有增长。后面就重复前两 个时刻的动作。通过转矩调节器的两点式调节，把转矩波动限制在给定容差范围 内，达到了转矩直接控制的目的。 2 p n 调节器 在转矩调节中采用p n 调节器，可以加快转矩调节过程。p 瓜调节器控制定 子磁链反向旋转，以实现转矩的迅速见效。p n 调节器的结构如图2 ，8 。 p 小调节器与转矩调节器有相同的结构，它也是由施密特触发器组成，也有 调节容差。但p n 调节器的容差昂，。大于转矩调节器的容差气图2 - 8 是完整的 转矩调节器，它由转矩两点式调节器和p n 调节器两部分组成。在转矩给定值变 化较大时，p , n 调节器才参与调节，加快调节过程。转矩调节器的两个输出信号 状态与定子磁链空间矢量的运转状态之间的关系，归纳于表2 3 中 1 9 河海大学硕士论文 图2 8 完整的转矩调节器 表2 3 转矩调节器输出信号与定制磁链运动状态关系表 t q p 肘 ol静止 llp 运转 0on 运转 lo静止 2 4 2 磁链调节 磁链调节的任务是对磁链量进行调节，由于定子电阻压降的影响，在较低转 速时，定子磁链幅值将减小。为了避免定子磁链幅值的减小，引入磁链调节闭环， 由磁链调节控制给出一个用于加大定子磁链幅值的定子电压空间矢量，以维持磁 链幅值在允许范围内波动。磁链调节部分包括磁链调节和检测磁链幅值大小的磁 链幅值构成单元 1 磁链调节器 磁链调节器的结构实际上也是施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节， 如图2 9 。 容差宽度是士勺，它是定子磁链幅值对于给定值所允许的波动宽度。磁 链调节器的输入信号是磁链给定值与磁链反馈值之差，其输出值是磁链量 开关信号q 。 第二章变频调速的基本思想 图2 - 9 磁链两点式调节器 对于任何一个定子电压空间矢量，如果把它接通时，其所起的主要作用是加 大磁链量，则此电压空间矢量就称为磁链电压。对磁链电压的选择有两种；一种 是与磁链运动轨迹成- 6 0 0 的电压空间矢量，另一种是成1 2 0 0 的电压空间矢量。两 者都能使磁链量加大。 磁链调节过程如图2 1 0 ，点1 和点4 是区段s 4 中容差毛的任意两点。从点 l 到点4 之间的黑色粗线表示的是定子磁链空间矢量顶点的运动轨迹其运动过 程是：由于低频低速时定予电阻压降的影响，定子磁链空间矢量顶点的运动不是 直接由点1 到点4 ，而是首先由点1 到点2 。在点2 处。定子磁链幅值下降到一， 1_ i 夕 3 一 - l 一口 y n 2 l 河海大学硕士论文 动到点3 ，增大了幅值在点3 处，定子磁链幅值加大到+ ，到达了磁链调 节器容差的上限+ 吒处。l l t 时q q 变为“0 ”态，断开磁链电压，转矩电压= u o o o ) 被接通。定子磁链继续正向旋转，但由于定子电阻压降的影响。其运动轨迹从点 3 到点4 由于磁链调节的作用，使得定子磁链空间矢量在旋转的过程中，其幅值保持 在以给定值为基准，以毛为容差限的范围内波动。 2 磁链电压对转矩的影响 由图2 1 0 可以看到，磁链电压。咿的接通不只是加大了定子磁链空间矢 量的模值，而且还使定子磁链空间矢量回转一个角度占 肾之s 吒f ) ( 2 3 5 ) 上式就是磁链电压对转矩的影响公式。其中，旦是定子磁链空间矢量的回 k 转速度。 3 磁链幅值构成单元 为了进行磁链调节，必须检测磁链量，这由磁链模值构成单元来完成对于 六边形磁链，磁链量由( f ) 、( f ) ，( f ) 构成由三个磁链分量对称， 则有 _ ( f ) + 7 如( o + 伍( f ) = o ( 2 - 3 6 ) 所以对于六边形磁链，定子磁链的模值为 蚓= o 5 ( + + ) ( 2 - 3 7 ) 式中，i i 是定子磁链的模值；p 、￥是定子磁链各p 分量的模值。 对于圆形磁链，定子磁链模值为 蚓= ( ) 2 + ( ) 2 ( 2 - 3 8 ) 第二章变频调速的基本思想 2 4 3 开关状态选择单元 磁链自控制单元提供磁链开关信号，以确定定子磁链空间矢量旋转的正确区 段；转矩调节器提供转矩开关信号。以实现高性能转矩调节；磁链调节器提供磁 链量开关信号，以保持磁链幅值恒定如何综合磁链开关信号、转矩开关信号、 磁链量开关信号以及正反转p n 信号、零状态电压信号，以实现正确的电压选择， 这是开关状态选择单元的任务。 将转矩、磁链两个调节器结合起来共同控制逆变器的开关状态，既可以保证 异步电机定子磁链在给定范围内变化，又能使电机输出转矩快速的跟随给定变化， 使调速系统获得良好的动态性能，直接转矩控制系统的电压空间矢量表如表2 4 综合各种开关信号，开关信号选择单元工作是：由磁链自控制单元给出的磁 链开关信号决定正确的区段电压，以使定子磁链沿六边形轨迹旋转。区段电压的 接通与否，由转矩开关信号控制。接通时，区段电压成为转矩电压，定子磁链旋 转，转矩加大；不接通时，零电压被接通，定子磁链静止，转矩减小在保证转 矩调节的前提下，若磁链量减小，则磁链量开关信号接通磁链电压，如1 2 0 0 电压， 以使磁链量增大，实现在沿六边形轨迹运动的过程中，既调节转矩，又调节磁链 量。p n 信号控制正反转。反转时，各开关信号与正转时有着内在的顺序关系。 表2 4 直接转矩控制电压矢量选择表 区段 墨马墨墨墨瓯 兄昂 l 以蜴u乩u lo 玑 砜 u 砜 玑 u o 1 u 6u 以 lu u 4 以u 6u oo砜 阢 砜 玑 砜 阢 1 乩玑u乩以 河海大学硕士论文 反转包括反向旋转和动态旋转两种情况。动态反转是转子旋转方向不变的情况下， 定子磁链的短时反转动态反转的目的是使转矩快速减小，以加快转矩调节或实 现制动 2 5 本章小结 本章先介绍了异步电机的基本工作原理，然后对变频调速的几种基本控制方 式进行了对比，之后介绍了直接转矩控制所采用的电压空间矢量技术( 磁链轨迹 法) ，最后介绍了宣接转矩控制系统的基本结构。 第三章直接转矩控制调速方案的研究 第三章直接转矩控制调速方案的研究 3 1 调节方案概述 在直接转矩控制中按照不同的转速范围，划分工作区域，确定相应的调节方 法，是非常重要的根据工作特点的不同，可根据转速分为三个区域：高速范围、 低速范围和弱磁范围。 3 1 1 高速范围内的调节方案 高速范围是指从3 0 到1 0 0 额定转速之间的转速范围这个范围内的调节 方案是典型的d t c 控制的转速范围。高速范围的调节方案有以下几个特点： 1 用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩电动机模型主要工作在l “模 型下，且有模型电流和实际电流相比较的电流调节器来补偿校正： 2 用磁链自控制环节内的施密特触发器( 也叫磁链给定值比较器) 来确定区段； 3 转矩两点式调节； 4 磁链两点式调节； 5 六边形磁链轨迹； 在这个转速范围内工作的d t c 控制，主要由磁链自给定环节和转矩两点式调 节起作用。磁链自控制环节给出正确的区段，转矩两点式调节控制转矩。由于这 个转速范围内的转速较高，因此定子电阻压降的影响可以忽略，定子磁链的畸变 也可忽略，六边形磁链能得到很好的保持，因此磁链调节只是起辅助