（电机与电器专业论文）基于tms320f240异步电机直接转矩控制系统的优化研究.pdf

；， g 太原理工大学硕士研究生学位论文 的快速平滑切换，取得了较好的动、静态性能。从而证明了直 接转矩控制系统的可行性。 以理论分析和仿真研究为依据，在d s p ( d i g j t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 开发装置实验平台上，实现上述控制系统的软件编 程。本文中采用d s p 汇编语言完成了有速度传感器的直接转矩 控制系统的软件编写，深入研究了直接转矩控制方式下p 1 】| m 生 成机理，对i p m 开关动作信号进行合理设置；充分利用d s p 的 硬件资源，采用一种适合直接转矩控制的p w m 波生成方法；控 制算法采用了标幺值形式，并在定点d s p 上实现浮点运算；实 现了定子相电流采样、相电压的计算、电流滤波、定子磁链的 观测、开关信号输出等功能。对直接转矩控制在工程上的应用 具有参考价值。 关键词：异步电机，数字信号处理器( d s p ) ，直接转矩控制( d t c ) ， 磁链观测器，p i 调节器 n 太原埋f 大学硕士研究生学位论文 s t u d yo f0 p t i m i z a t l 0 na s y n c h r o n o u s m a c h 州ec o n t r o ls y s t e m 、肌t had i r e c t t o r q u ec o n t r o l u s r n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 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 呵c ) i sah i 曲d y n a m i cp e r f o 咖a n c e s p e e dc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e da r e rv e c t o rc 0 n t r o lt e c h n o l 0 科i n t w od e c a d e s d t ci san o v e lc o n t m lt e c l l l l i q u ew h i c hi s q u i t e d i f f e r e m 丘o mf i e l d o r e n t e dc o n t m l ，w h i c ha l l o w st 1 1 ep r e c i s ea n d q u i c kc o n t m lo ft h en u xl i n l ( a g e a 1 1 dt o r q u ew i t h o u tc a i j i n gf o r c o m p l e xc o n n o la 1 9 0 r i t l l m s t h ed i r e c tt b r q u ec o n t r o ls c h e m ei ss t u d i e di nm ep 印e r ，a n d g a i n e dt 1 1 em a s t e r yo f e s s e n t i a la l l dk e y b a s e dt h en e wr e s e a r c ho f t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，p u tu pas e r i e so fo p t i m i z a t i o n 。i n t h j s p a p e r ，an e wn u xm o d e l 、v h i c hi s t l l es 锄ew i t hh i g h s p e e da n d l o w s p e e di sp u tf o r w a r d ，a tt l l e s 锄et i m e ，i tc a nb ee l i m i n a t e e f 艳c to fd y i n g s e c t i o n ；a d o p t e dar a t i o n a ls w i t c hc o m r o ls 仃a t e g y ； i na d d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a lp ir e g u l a t o ri si m p m v e d 1 1 1 es j m u l a t i o n m o d e l so ft h ed i r e c tt 0 r q u ec o n t r o ls y s t e 门r ep r e s e m e d b a s e d0 n t h e 印p l i c a t i o no fm a t l a b s i m u l i f l l ( ，a j l da r ed i s p e r s e d ，s ot h a t i 奎堕堡i ：堂堡：! ：塑塞竺兰垡堡塞 w h l c ha r ec i o s e rt o d i g i t a ic o n t r o i l a s t 茎i 三i 至垂i ! 兰三宝；皇! 葶暮i 荤；主 ；i 薤l 二三誊霎三三i ! 耋蒌薹耋萋羹室翼薹暮誊薹薹耄i 妻三! i 妻i 三二 三三三二三三= = 三二：三三；童? x 太原理工大学硕士研究生学挝论文 k 。 k 1 l 。、l k l 、l 。 j 、f 15 、1 s b 1 1r 0 n p p = d d t r 三、r ， t 。 t l v v 。b v v ，b v n 、v b h 、v 洲 v 。、v b 0 、v v 符号表 给定误差 比例增益系数 积分增益 定、转子自感 定、转子互感 漏电感和激磁电感 机械转动惯量、机械摩擦系数 定子电流( n 、b ) 分量 转子电流( d 、b ) 分量 极对数 微分算子 定、转子电阻 采样周期 积分时间常数 电磁转矩 负载转矩 转矩误差 定子电压( d 、0 ) 分量 转子电压( q 、b ) 分量 三相负载绕组的相电压 三个桥臂对中点的电压 负载绕组中性点对中点的电压 v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v c t v o 0 h ) v 。 i 。 i 。 v n 垂i 萋冀霓兴 叁囊謇囊薹 鋈| 鋈妻篓笺 羹羹羹篓 誉鞋囊鋈羹藤建研墨鱼鼍镩岭溜；型列掣县 狸篓滕翰湛镭碍 渤瓣嚆埔算每 爨司硎季器殴 ! f i = 廷朔嚏渐扈 碗。删峨强l 扩赢理濡坶 窭! 制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格 太原理工大学硕士研究生学位论文 极晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器件异军突起。i g b t 兼有m o s f e t 和g t r 的优点，它把mosfet的驱动功率小、开关速度快的优点和gtr通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范 围最为流行的器件。与i g b t 相对应，m o s 控制晶体管( m c t ) 则综合了晶闸 管的高电压、大电流特性和mosfet的快速开关特性，是极有发展前景的 大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率、高频化、智能化发展。8 0 年代以后出现的功率集成电路( p o w e r i c p i c ) ，集功率开关器 件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块( i n t e l l i g e n t power m o d u l e i p m ) 采用i g b t 作为功率开关，含 有驱动电路及过载、短路、超温，啉浔国篓赢琴蕞；蝎鬻萋引髟f 萋窭? 璐 蛐嘎涩；| 萋雁印王蟮塞薹誉萋霎囊；熏誊蕊姜| 霎雾i 姜熏产篓萋，墓霪羹 擎疆毯函；靼韩衫酲潮琵娥鐾! 醵鹜譬辩鳃辩酿聃r 囊3 4 ； 掣盎“釜淄叫“越嚣醣聪器；# 篱瑟祷鞴筵鞭臻驯越联理论澍强鲴妯 拍虢瓤醣! 捞萌了鍪晷秭弹竖尘； ? ；j型妇怠霸眺鼎翻罄熙研争牡剖剥：蠹淀哥二 ； !烈髅剥羿嚣掣牾邕刭东g 制实现高性能的调速控制。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等一些重大问题。 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、控制 电动机的磁链和转矩，所以，它不像矢量控制那样，将交流电动机与直流 电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直流电动机的控制而要求利用 解耦后的简化交流电动机数学模型来实现对转矩的间接控制，使系统结构 变得十分简单，更为容易实现。直接转矩控制有其自身的特点“”： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标 太原理工大学硕士研究生学位论文 的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可 以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系 统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。1 。 直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期提出的又一转矩控制方法，是继 矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。1 9 8 5 年 由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出，接着1 9 8 7 年把它推广到 弱磁调速范围”3 。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复杂、特性易受电动机参数变化的 影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。其思路是把电机 与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁 链、转矩计算，通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开关状态，实现直接控制转 矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制 结构简单，便于实现全数字化。直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普遍的注意和 得到迅速的发展”1 。 近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检 测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。 其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目 前应用较多的有模型参考自适应法。2 1 和扩展卡尔曼滤波法。”。无速度传感 器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维 护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。 微电子技术的发展，微型计算机功能的不断提高，使交流变频调速系 统逐步向全数字化控制系统发展。数字化控制系统不同于模拟控制系统， 它的主要任务是设计一个数字调节器。常用的控制方法有：程序和顺序控 制、直接数字控制、p i d 控制、最优控制等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 其中，数字式p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。 p i d 控制经过4 0 多年的应用和发展，从i 型发展到w 型，性能不断提高， 积累的经验越来越多，在工业控制中得到广泛的应用。微型计算机在p i d 控制中的应用，又使p i d 控制得到进一步发展，出现非线性p i d 控制算法、 选择性p i d 控制算法、自适应p i d 控制算法和模糊p i d 控制算法等。所有 这些算法都是在基本p i d 算法的基础上发展起来的。 随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非 线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略 正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的 发展。 1 2 微处理器的发展概况 适用于交流调速系统控制的微机可分为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、 单片机( m i c r o c o n t r 0 1 l e r ) 和数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 三种”m ”。一般来说，单片机是面向控制的，在片内集成了 较多的i o 接口和外围部件，但运算速度比较慢；d s p 是面向快速信号处 理的，运算速度比同一时期的单片机要快l 2 个数量级，但i o 接口和 外围部件少，价格也相对昂贵。为满足实际需要，微处理器、单片机和数 字信号处理器本身也在向着扩大集成度、增大位数、加快速度、提高数据 和信号处理能力、扩展功能、降低成本的方向发展。 交流调速系统控制器采用微处理器的数字控制方式，大体经历了三个 阶段1 。 第一个阶段，交流调速系统的控制器主要采用具有单一数据处理功能 的微处理器。以i n t e l 公司的芯片为例，最早开发成功的微处理器是四位 芯片i n t e l 4 0 0 4 ，接着推出了八位微处理器i n t e l 8 0 0 8 。从此开始了电力 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 目前，真正能实现交流伺服系统电流环的数字控制、并能使其获得高 性能的微机是具有单片机特点的d s p 。其典型的器件有m o t 0 1 0 r a 公司的 5 6 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列。 毫无疑问，由微机控制的交流伺服系统的性能还会随着微机本身性能 改善不断提高，其数字化程度也会逐渐加深，在微处理器、单片机和数字 信号处理这三者中，d s p 以其卓越的速度优势，使之在交流伺服系统的数 字控制中显得尤为突出。可以预测，随着d s p 价格的降低和性能的完善， 它将取代大多数交流伺服系统控制中模拟电路、微处理器和单片机，实现 交流伺服系统的全数字控制。采用大规模集成电路和微处理器为主的交流 伺服系统全数字化控制，将是未来伺服技术发展的主流。 1 3 直接转矩控制的特点与发展现状 1 9 8 5 年德国鲁尔大学mo e p e n b r o c k 教授在矢量控制技术基础上，首 次提出了直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 理论“2 “”1 。该 理论的核心是摒弃了矢量控制技术中过于繁杂的解耦思想，简单地借助三 相定子电压和电流在静止坐标系中直接计算磁链和转矩，与给定值进行比 较后，再通过两点式或多点式调节控制实现高性能的调速控制。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等一些重大问题。 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、控制 电动机的磁链和转矩，所以，它不像矢量控制那样，将交流电动机与直流 电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直流电动机的控制而要求利用 解耦后的简化交流电动机数学模型来实现对转矩的间接控制，使系统结构 变得十分简单，更为容易实现。直接转矩控制有其自身的特点“”： ( 1 ) 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、 6 太原理上大学硕士研究生学位论文 控制电机的转矩和磁链。既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解 耦。简化了交流电动机的数学模型。它所需要的信号处理工作特别简单， 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 ) 直接转矩控制利用定子磁链进行磁场定向，因而只要知道定子电 阻便可观测定子磁链。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子 磁链需要已知电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量 控制技术中控制性能易受参数变化影响的闯题。 ( 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 模型及各物理量的控制，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的控制与效果。与矢量控制方法不同， 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。因此它并非极力获得电流的正弦波形，也不专门追求磁链的圆形轨 迹，而是强调转矩的直接控制效果，因而采用离散的电压状态和六边形磁 链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。同时，其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容差选择。 ( 5 ) 综上所述，直接转矩控制技术控制思想新颖、控制结构简单、控 制手段直接、信号处理的物理概念明确、系统转矩响应迅速，是种具有 高静、动态性能的交流调速策略。 随着1 9 8 7 年直接转矩控制技术在弱磁调速范围的推广，该项技术开 始走向产品化。德国鲁尔大学和a b b 公司成功研制开发了a c s 6 0 0 直接转 矩控制器，其性能卓越：开环转矩阶跃上升时间小于5 毫秒，静态速度控 制精度为标称速度的o 1 到0 5 ，并且在零转速时不需速度反馈就能使 电机输出额定转矩“1 。 自直接转矩控制技术提出近二十年来，各国科研工作者和工程技术人 太原理工大学硕士研究生学位论文 员从不同的角度对其进行了不同程度地改进。特别是近几年，模糊控制理 论和人工神经网络在直接转矩控制方面的应用，使其控制性能有了更进一 步的改善。 总结目前现状，直接转矩控制技术的发展主要有以下几个方面： 1 ) 现代控制理论应用 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性 得以提高。随着功能强大的数字处理芯片( d s p ) 的推出，许多以前无法实 时实现的算法都可以应用到实时控制系统中。例如最近研究十分活跃的非 线性控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制等。这些控制策 略运用到直接转矩控制理论中，将使得一些由于自身无法克服的诸如转矩 脉动等弊端，逐渐被先进的控制技术所弥补。 2 ) 全数字化控制 直接转矩控制对处理的实时性、快速性要求很高，在结构上特别适合 于全数字化。d s p 正是能满足这种需求的芯片，它具有高速信号处理和数 字控制功能，同时便于故障监视、诊断和保护，既确保了系统的高速响应 性，又增强了系统可靠性。 3 ) 无速度传感器控制系统 无速度传感器用于矢量控制、直接转矩控制已有成型产品。如a b b 公 司的a c s 6 0 0 系列、三垦的s a c 工系列、日立的s j 3 0 0 系列、a b 公司的 1 3 3 6 p l u s 等。但普遍存在着调速范围较小的问题，有待于进一步改善。该 领域今后研究的方向仍是提高转速估计的精度及动态响应，增强对参数变 化的鲁棒性以及获得更宽的调速范围。 1 4 本文的研究内容 1 本文对课题组已有的研究成果进行了深入的理论分析和性能研究， s 太原理工人学硕士研究生学位论文 。+ _ _ _ - 一 发现了原系统的问题与不足，针对这些问题和不足，进行了必要的优化与 改进，包括： ( 1 ) 对现有的各种磁链观测器进行了分析对比，提出了一种改进的磁 链观测器，该磁链观测器可实现全速范围内的调速。 ( 2 ) 采用较为合理的转矩、磁链调节器滞环宽度兼顾减小转矩脉动和 最小功率器件开关量这两者之间的关系。 ( 3 ) 对p i 调节器进行改进，尽可能的改善电机的起动与调速性能。 仿真结果表明：优化后的系统提高了磁链与转矩观测器的精度，可以 实现高低速的快速平滑切换，减小了死区的影响，提高了控制系统的动、 静态性能。 2 以优化与改进后的算法为依据，对全数字信号处理器d s p 的资源 进行深入的应用研究，进行了软件编程。 ( 1 ) 用汇编语言编制程序实现新增的数据信号的数模、模数转换，及 其故障中断处理等功能。 ( 2 ) 根据重建的开关状态表，用汇编语言实现直接转矩控制的p w m 波 的生成。 ( 3 ) 对i p m 开关动作信号引起的电流尖脉冲进行电流滤波与开关动作 点合理设置。 软件已调试完成，但是由于实验开发装置硬件出现一些问题，一时不 能修复，加之时间仓促，系统的联合调试最终未能完成。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章直接转矩控制理论及其优化分析 直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的又一种高动态 性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈 直接控制电机的电磁转矩，因而得名。1 。 2 1 直接转矩控制( d t c ) 的基础理论 在直接转矩控制中空间矢量的概念十分重要，同时鉴于定子磁链定 向，相关计算均在静止坐标系中完成，为使模型降阶还需进行静止三相坐 标系与两相坐标系间的转换，以下简述之，进而给出两相静止坐标系的异 步电动机数学模型。 2 1 1 空间矢量的概念 在对电动机进行分析和控制时，均需对三相进行分析和控制，若引入 p a r k 矢量变换，会带来很多的方便“。p a r k 矢量将三个标量( 三维) 变换 为一个矢量( 二维) 这种表达关系对于时间函数也适用。如果三相异步电 动机中对称的三相物理量如图2 1 所示，选三相定子坐标系中的a 轴与 p a r k 矢量复平面的实轴q 重合，则其三相物理量k r 、k r 、蛭r 的 p a r k 矢量r r 为： 1 y 0 ) = 詈( 圪+ k p + e p 2 ) ( 2 一1 ) j 式中p 为复系数，旋转因子，p = e m ”。 矢量矿俐称为空间矢量，它代表三相电磁量某一时刻合成作用在坐标 1 0 查堕堡三奎堂堡主竺塞圭堂垡堡塞 系的空问位置和大小。 a o b 图2 一l 空间矢量分量的定义 f i g u r e2 1d e f i n i e n so fs p a c ev e c t o r 2 1 2n b 坐标系下异步电动机的数学模型 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 羽孔奠醐珥雏雏i | 蓬瘟笛；象则蟊牾蓦掣r 雠彰弛 ! 刳赣靼。箍黧燃浑嚣嚣；醚羰器嚣豁 gg羚一电角速度( 机 械电角速度和极对数的积) l ，? l f 一 微分算子口少矾： 定转子漏抗、主电抗( 定转子漏抗相同) 。 图2 2异步电动机在ab 坐标系上的等效电路图 f j g 2 2 t w o a x i sm o d e le 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 a c h i n e 由等效电路图21 2 可得如下电压矩阵方程： “一 甜s 口 太原理工大学硕士研究生学位论文 成正比，在实际运行中，保持定子磁链幅值为定值，以充分利用电机铁芯， 转子磁链幅值由负载决定，在改变电机转矩的大小，可能通过改变磁链角 目的大小来实现。在直接转矩控制技术中，就是通过电压空问矢量来控制 定子磁链的旋转速度，从而改变磁链角的大小，达到控制电机转矩的目的。 2 1 3 直接转矩控制原理 l _ 直接转矩控制系统框图 图2 4 给出了直接转矩控制系统的原理图，该图说明了直接转矩控制 系统的结构以及各个控制单元的关系。首先电流、电压采样信号0 、与 速度的反馈信号。一起进入磁链、转矩观测器分别得到磁链和转矩的估计 值吁、丁。，在磁链滞环和转矩滞环中分别与磁链和转矩给定、r 进行 比较，获得系统的状态信息，再与磁链区间判断信号s 判断开关状态选择 信号驱动逆变器，给电机提供合适的电压空间矢量来满足电机动态特性变 化的需要，实现高性能的直接转矩控制。给定转速u 光电码盘反馈转速“ 的差值作为速度调节器的输入信号，由速度调节器根据速度的变化产生转 矩给定r 信号，以增强控制系统对外界的扰动的抗干扰能力，以及具有适 应负载变化的能力。 直接转矩控制就是根据磁链幅值虬、转矩疋的瞬时值勤进行控制。 这些瞬时值都是从磁链观测器与转矩观测器中计算得到，并且通过控制逆 变器开关模式分别控制磁通和转矩在一定的误差范围内。在这种控制方法 中，为了获得高品质的动态特性，必须快速跟随圆形磁链轨迹。因此从 聆一巧中选择一最佳控制矢量，使电机运行在特定的状态，关键在于磁链 观测器与转矩观测器的准确估算、磁链环及转矩环设计。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 直接转矩控制系统框图 f i g 2 4 d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m 2 逆变器输出电压及电压空间矢量9 3 在交流调速系统中，一个重要的部件是逆变器，逆变器输出电压空 间矢量形成电动机定予磁链空间矢量为 帆( r ) = u ( f ) 一( f ) 蜂 出 ( 2 5 ) 忽略定子电阻压降的影响，则为 虬( f ) = l 址o ) 凼 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 说明：定子磁链空间矢量的顶点将沿着电压空间矢量以r 作用 的方向运动。这样，电机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的 运动轨迹问题。 在常规的p w m 变压变频调速系统中，异步电机由六拍阶梯逆变器供 电，这时，供电电压并不是三相平衡的正弦电压，那么，电压空间矢量的 运动轨迹是怎样的呢? 为了讨论方便起见，把三逆变器一异步电动机调速 奎堕堡! 奎兰堡主塑窒竺兰焦笙奎 系统主电路的原理如图25 所示，六个功率开关器件都是开关符号代替， 可以代表任意一种开关器件。 图2 5 逆变器原理图 f i g 2 5i n v e r t e rs c h e m a t i cd i a g r a l n ( 1 ) 1 8 0 0 导通时，导通的开关器件及对应的开关模式、导通角度及相电压 值如表2 一l 所列。 表2 1 1 8 0 0 导通时开关模式及输出相电压值 t a b i e2 - ls w i t c hm o d ea t18 0 0 m n g e 鲫do u t p u tp h a s ev o l t a g e 导通的器件6 、l 、21 、2 、32 、3 、43 、4 、54 、5 、65 、6 、1 开关模式1 0 01 1 00 1 0o l l0 0 l1 0 1 开关状态w 阿阳w盱 导通角度0 0 6 0 0 6 0 0 1 2 0 0 1 2 0 0 18 0 01 8 d 0 2 4 0 02 4 0 叱3 0 0 03 0 0 0 0 6 0 0 相 阮d 2 3 1 3 叻一l ，3 曲- 2 ，3 - 1 ，3 叻l ，3 叻 电 - 1 ，3 叻l 3 2 ，3 l ，3 一1 ，3 - 2 ，3 曲 压 值 一】3 己0- 2 3 一l 3 观l 乃台2 3 1 3 e 0 此外，还有开关模式0 0 0 、1 l l ，不输出电压，称为零电压矢量。 ( 2 ) 对上述逆变器输出电压值用p a r k 矢量进行表达，则输出电压空间矢 i 斗 一 。 。 。 一 l | 与二 一lifl叫一 太原理工大学硕士研究生学位论文 量抬n j 的表达式为 饥= 詈 u + 。片+ 以一警 ( 2 7 ) 式中如，如、沈、为表2 一l 中相电压值( 省掉下脚o ) 。 将表中各开关模式下对应的相电压值代入式2 一1 2 进行运算，得到 u ( 1 0 0 ) = 要p 缈 u ( 1 1 0 ) ：昙一s 0 。 玑( 0 1 0 ) ：昙e m 0 0 j u ( 0 1 1 ) ：昙e 门舻 u 。( 0 0 1 ) ：昙删 阢( 1 0 1 ) ：昙e 删 把以上各电压矢量画在静止的n b 坐标系中，则如图2 6 所示。由于各 矢量幅值相等，矢量端点连线为一正六边形，零电压矢量可表示在六边形 的中心。当给出开关模式( 0 1 1 ) ，产生电压u s ( 0 1 1 ) ，则1 l rs ( t ) 矢量的矢 端沿s 1 边( 见图2 6 ) 向下运动。余类推，从而形成磁链六边形。 显然这种六边形的的旋转磁场不能使电动机获得匀速运行。如果想获 得一个近似的正弦波供电的圆形旋转磁场，就必须在每一个3 期间内出 现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此必须对逆 变器的控制模式进行改造。p 删控制显然可以适应上述要求，如何控制p w m 的开关时间才能逼近圆形旋转磁场，本文采用转矩与磁链的砰一砰控制来 实现，下面将有较详细的叙述。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 j 。 枷艮7 参踟0 1 )i “牝 l 琴n 如 ，掌7 歹吲0 0 1 ) j 始( 0 1 1 ) 图2 6 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 f i g 2 6r e l a t i o no fv o l t a g es p a c ev e c t o ra n df l u xl i n k a g es p a c ev e c t o r 3 输入电压、电流信号与转速信号 电压信号是根据电压霍尔采样得到直流母线电压，结合开关状态( 表 2 - 1 ) 得到电压、洗、以，再通过三相静止坐标变两相静止坐标( a b ) 得到以。以一( 见附录i i ) ，作为磁链观测器的输入信号。电流信号慢根 据电流霍尔采样得到电流、i 6 、i 。，再通过三相静止坐标变两相静止坐标 ( n b ) 得到。、f 。一( 见附录i i ) ，作为磁链观测器的输入信号。转速 信号是在一定的时间疋内测取旋转编码器输出的脉冲个数 乃，用以计算 这段时间内的平均转速口j 。把 幻除以疋就可得到旋转编码器输出脉冲的 频率f 1 ，电动机每转一圈共产生z 个脉冲( z = 倍频系数编码器光栅数) ， 把n 除以z 就得到电动机的转速。则电动机的转速为式( 2 8 ) 。转速信号 作为磁链观测器与速度调节器的输入信号。 ”：曼咝( 2 8 ) ”= 一 l z - 5j z 7 ： 2 2 直接转矩控制理论优化分析 直接转矩控制是通过控制定子磁链旋转而实现对电动机调速控制。电 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 机磁链的准确估算是实现高性能电机传动系统的关键环节1 9 _ 1o 】。同时容差 的选择以及逆变器死区效应的存在皆对直接转矩控制的性能产生影响。本 文将从以下几方面对直接转矩控制理论进行优化分析。 2 2 1 磁链观测的实现 在直接转矩控制中，提出三种磁链模型“1 ：u i 模型、i n 模型和u - n 模型。最为传统和简单的方法是采用纯积分的u i 模型观测法，如式( 2 9 、 2 1 0 ) ，该方法主要根据定子端电压和相电流以及定子电阻来计算定子磁 链，不需要相关转速，同时实现简单、编程方便，因此获得了较为广泛的 应用。然而，当电机低速运行时，由于定子电压的减小，定子电阻测量误 差将结合积分误差以及定子电压检测误差造成磁链观测的严重失真；另外 在电机不转时，定子电压为零，此模型无法使用。i - n 模型( 如式2 - 1 1 之一1 4 ) 不受定子电阻变化的影响但受转予电阻、漏电感、主电感变化的影响，同 时还要精确地测量角速度，较适用于低速“1 。为实现在全速范围内调速， 有的文献“1 采用合理安排“模型和i n 模型，在不同的转速范围采取不同 的磁链模型。实验证明该方案可行，但切换的快速平滑较困难。代之而起 的是一个u - n 模型( 如式2 1 5 2 1 8 ) ，但该模型没有考虑定子漏电感，而 定子漏电感与电机的最大电磁转矩近似成反比。1 ，所以该模型使控制系统 的控制精度下降。本文提出的磁链观测器模型( 如式2 1 5 、2 一1 6 、2 1 8 、 2 一1 9 ) 是在u n 模型的基础上改进而来的，该模型主要受定子电阻的影响， 同时在低速时又能等到有效的磁链补偿。采用本文观测器模型提高了磁链 与转矩观测器观测的定子磁链与电磁转矩的精度，可以实现高低速的快速 平滑切换，提高了控制系统动、静态性能。 u i 模型方程式： 虬。o ) = j 【址。( ，) 一t o ) r p ( 2 9 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于u n 模型中的式2 一1 7 没有考虑定子漏电感，使得系统的控制精度 下降。本文在考虑定子漏电感后的磁链模型方程式： 定子、转子电压方程、转子磁链方程分别同式( 2 一1 5 ) 、( 2 一1 6 ) 、( 2 1 8 ) 。 磁链方程： ；：我：臻瓷 任柳 【即= ，s ，l n = 上印 。 2 2 2 开关状态的选择 开关状态的选择是根据双滞环直接转矩控制( b a n g b a n gd i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) 的原理如图2 4 所示。与矢量控制相比，直接转矩控制 直接在定子坐标系下分析感应电机的数学模型、通过双滞环控制器分别对 电机的磁链和转矩进行控制。其基本控制原理为： ( 1 ) 通过检测电机定 子线电流和线电压以及电机转速；( 2 ) 由磁链与转矩估计器计算实际磁 链、转矩和磁链位置：( 3 ) 分别由磁链滞环控制器和转矩滞环控制器得 到磁链和转矩控制指令；( 4 ) 由磁链、转矩控制指令和磁链位置以及开 关状态表查表，得出所要求的逆变器开关指令以得到所需的空间电压矢 量。 本文的开关状态选择是采用磁链位置检测与滞环控制技术。首先根据 实测的定子磁链位置检测图2 7 ，可得该磁链所处的区域( s 。“s 。) ，再经磁 链调节器( 图2 8 ) 将定子磁链给定值与反馈值进行比较，所得结果与转 矩调节器( 图2 9 ) 的输出相结合，最终查表2 4 所示开关状态表，得到 该时刻作用于电机的空间电压矢量。由图2 7 可得磁链位置检测判断表 2 2 。本文的滞环控制器是由磁链滞环与转矩滞环构成。利用磁链环与转 矩环的协调控制来实现d t c 技术。首先应明确一点，在d t c 系统中，磁链 奎堕墨三查堂堡主竺茎竺兰垡笙奎 环与转矩环不存在优先级的问题，因而在实际系统中只有实时的根据当前 图2 7 磁链位置检测 f i g 2 7 d e t e c tf l u x p o s i t i o “ t 表2 - 2 定子磁链位置检测判断表 t a b l e2 2f 1 u xl i n k a g es t a t i o nd e t e c tt a b l e 判定条件扇区 ms - l ? 3v s 4 6 s 5 o v ia l ? 3 ￥；| l 。o ￥；，l 3q 。p 5 掣t e o v ；。 一1 3v 。4 4 v ；。：- l7 ，3 ￥；4 l 肇sb o m 。 l v 3v 。4 2 ￥s 。 o ￥s 。：l ，3 ￥s 4 4 妖f q vs 。 l 3 毕；|3 转矩环与磁链环工作任务的轻重缓急，作出适当的安排，尽可能的协调好 它们之间的关系，才能达到d t c 控制的目的。由于磁链易于达到稳定，且 波动范围小所以本文采用单滞环结构，如图2 8 ；而转矩脉动大，本文采 2 l 每力l_7。焉 、 ， ，、 ， 。|il沭i|0 一 ， 、歹、 。 | | m 一 眨s s 一一 太原理工大学硕士研究生学位论文 用双滞环，如图2 9 。这样相比典型磁链、转矩均为单滞环可提供更多的 状态信息，又比文献“磁链、转矩均为双滞环减少了开关损耗，同时又 能提高控制精度。 图2 8 磁链调节器 f i g 2 8 f l u xl i n k a g er e g u l a t o o 图2 8 中为磁链给定，吁为磁链反馈，为误差值，r ，为误 差带宽，f d “是磁链调节器输出。其磁链环的设计原理如下： 1 ) 当妒。f ，时，取d “产1 ；这时应增加磁链。 2 ) 当。 一e ，时，取p d 产o ；这时应减少磁链。 3 ) 其它情况，调节器输出保持不变。 图2 9 转矩调节器 f i g 2 - 9t o r q u er e g u l a t o r 孽 字 太原理工大学硕士研究生学位论文 圆形磁链轨迹的运行方式。只要每个区段中的电压状态的数目足够多，圆 形磁链的轨迹就能够得到很好的近似。当然，这就要求配合转矩调节器与 鹪蛸蠹噔嗡翻曝西霜驹iz 制嘲糯辑国瀚毋蟛髫蠖。 墨 ； 砉 i ”翱 薹i | 鬃鬃 繁纛 手毫 # 沁 _ 蠹 蠢l i l 日钆芘岳甍置降离璧 毫j i 孽一! 耋玑星霉l 譬差芦嚣一1 | g 甏，重鼍喜二；e 壹嚣i p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ 七j ( j i ) ( 2 2 3 ) “( i ) = 甜( 七一1) + ”( t ) ( 2 2 4 ) 利用式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 即可实现速度p i 调节器，本文中改进的速度p i 调 节器的数学模型是对式( 2 2 1 ) 进行改进的，如下式： “( 七) ：咿( t ) +毛p 8 ( ，) ( 2 2 5 ) 得增量型数字改进p i调节器控制算法： 甜( 七) = 七。【p( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ 置p ( 七) ( 2 2 6 ) 仿真结果表明改进的pi 调节器起动时超调量小，抗扰能力强。 2 2 4 死区效应的消除 普通的电压型逆变器为避免同一桥臂上的功率管直通，通常在相应的 基极驱动信号上加入一定“死区”，以保证同一桥臂的上下功率管“先关 后通”。一般设置的死区延时总比实际的功率管关断时间要长，因此，可 太原理t 大学硕士研究生学位论文 卢为积分项系数。 传统的p i 调节器的数学模型： ( 七) = p ( 七) + 皇p ( ) ( 2 2 1 ) 拈享k ( 2 - 2 2 ) ，9 式中：殆为采样周期，巧为积分时间常数，丘为比例增益系数，丘为积分 增益，p 阮) 为岛时刻调节器输入，6 移为岛时刻调节器输出。由式( 2 2 1 ) 、 ( 2 2 2 ) 可得增量型数字p i 调节器控制算法： “( 1 j ) = _ i 。【p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ 七j ( j i ) ( 2 2 3 ) “( i ) = 甜( 七一1 ) + 甜( 七) ( 2 2 4 ) 利用式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 即可实现速度p i 调节器，本文中改进的速度p i 调 节器的数学模型是对式( 2 2 1 ) 进行改进的，如下式： “( 七) = 咿( t ) + 毛p 8 ( ，) ( 2 2 5 ) 得增量型数字改进p i 调节器控制算法： 甜( 七) = 七。【p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ 置p ( 七) ( 2 2 6 ) 仿真结果表明改进的p i 调节器起动时超调量小，抗扰能力强。 2 2 4 死区效应的消除 普通的电压型逆变器为避免同一桥臂上的功率管直通，通常在相应的 基极驱动信号上加入一定“死区”，以保证同一桥臂的上下功率管“先关 后通”。一般设置的死区延时总比实际的功率管关断时间要长，因此，可 以认为在延迟时间内，上下功率管均为关断状态。由于电动机为感性负载， 电流不会突变，由相应的二极管续流，使逆变器输出相应电压。在延迟时 太原理 ? 大学颈士研究生学位论文 阳j 内可能输出一个误差电压信号，从而产生转矩脉动、电流畸变等影响。 这些影响就是所谓的死区效应。如何消除死区效应? 本文通过电流调节器 中p i ”的作用来实现对定子磁链的补偿。如图3 2 所示，用采样电流与观 测器中计算电流的差值，经p i 调节器得到对定子磁链进行补偿，达到 消除死区效应的目的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章直接转矩控制在仿真软件m a t l a b 中的实现 3 1 系统仿真软件m a t l a b 及s i m u l i n k 仿真包简介 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司开发的用于教育、工程与科学计算的 软件产品，它向用户提供从概念设计、算法开发、建模仿真到实时实现的 理想集成环境。无论是进行科学研究、产品开发，还是从事教育事业， m a t l a b 产品都是非常有效的工具。 m a t l a b 不断推陈出新，以其完美的数值分析能力、丰富多彩的图形 理、符号运算以及友好的操作界面等特点，赢得了科学运算与系统仿真领 域一致赞誉，成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。具体来说， 该软件具有如下特点“： m a t l a b 支持更多的数据结构，如单元数据、多维数据、对象与编程， 所以可以说m a t l a b 也是一种更方便、完美的编程语言。编程效率、可视 性、可移植性要远远高于其它语言，可大大提高编程效率、质量和可靠性。 撇t l a b 提供了各其它语言的接口，能够保证它可以和其它各种各样强 大的计算软件相结合，提高计算效率、有利于数据处理处理和图形处理。 它还提供了和文字处理( 如w o r d ) 的接口，方便了用户在文字处理软件中 的公式计算。同时它也提供了和外部硬件的接口，可以将m a t l a b 作为虚 拟的硬件环境，为硬件的设计提供宝贵的技术资料和数据。 m a t l a b 的一个引人注目的特点是提供了基于框图的仿真功能，即 s i n 洲l i n 仿真包，其中包含了大多数学科和应用领域中常用到的模型( 如 各种电机模型、状态方程组求解模型等) ，工程人员可将现成的模型为己 太原理工大学硕士研究生学位论文 所有，提高工作效率。 m a t l a b 是一种开放式的软件，工程人员或科研工作者可用高级语言编 卧蛭茕囊钉铺舔萌稍荆、工【蠹丽露摹g 耋i 囔湛譬塥磋j 康醑甾毒圆喻葡啾琢 值穗涮撤浦兰港霪渐耀湛薹司以齑顸。槌拟j 妻霞瓢烈器一氍甄；冀矬 ”钱驰醚始； 酣熨；掉、f 门寺器件的关断时的阳极电煎j ：! ! 降时回拨；援地懑型；型竖 型磊毪稳；臻篥蚤蓿以定义为不同器件构成的逆变器，如g t 0 、i g b t 、m o s f e t 、 t h y r is t o r s 、i d e a ls w i t h e s 等。本文仿真时定义其为i g b t 的直流电压到 交流电压的逆变。 异步电动机模型：该模型提供了电动机理想化的通用模型，可以设置 电机转子为鼠笼型或绕线型，也可可选择电机在不同坐标系下的参考模 型。本文模型采用鼠笼型电机以静态坐标系为参考坐标系。 示波器及电动机测试信号分路器：该模型对直接转矩控制系统状态变 量( 如定、转子电流、电磁转矩、转速、磁链等) 进行观测，分