11直接转矩控制系统的低速能研究.doc

直接转矩控制系统的低速性能研究摘 要直接转矩控制技术是既矢量控制技术之后发展起来的高速变频调速技术具有动态响应迅速。控制简单、受电机参数变化影响小的技术优势，能够获得非常好的动态性能。本文首先介绍了异步电机直接转矩控制系统的基本原理和基本结构，搭建了各个模块的仿真模型和异步电机直接转矩控制系统的整体仿真模型，对直接转矩控制系统的动态和静态性能的进行分析研究，揭示了异步电动机直接转矩控制系统存在着低速转矩脉动较大的缺点。接着，论文先分析了定子电阻的变化对异步电机磁链和转矩脉动的影响，进而分析了电压矢量作用时间的长短对异步电机转矩脉动的影响，在上述分析研究了电压矢量作用的长短对异步电机转矩脉动的影响，在上述分析研究的基础上，建议了一种采用在线定子电阻辨识与转矩预测控制相结合的控制方案，构成了改进的异步电机直接转矩控制系统。关键词：直接转矩控制；异步电动机；圆形磁链；转矩脉动；转矩预测控制；第一章 引言1.1 交流调速技术的发展概况随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢.在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断.因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展，通过对这些器件门极(基极、栅极)的控制，既能控制导通又能控制关断，又称自关断器件。它不再需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关速度较高的电路。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR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IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)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。80年代以后出现的功率集成电路(Power IC-PIC)，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(Intelligent Power Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有： 基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制。 基于消除指定次数谐波的HEPWM控制。 基于电流环跟踪的CHPWM控制。 电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，因此目前应用最广。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，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。直接转矩控制是20世纪80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。1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，接着1987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PWM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。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、PID控制、最优控制等。其中，数字式PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。PID控制经过40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PID控制中的应用，又使PID控制得到进一步发展，出现非线性PID控制算法、选择性PID控制算法、自适应PID控制算法和模糊PID控制算法等。所有这些算法都是在基本PID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直接转矩控制技术的产生转矩控制技术，德语称为DSR，英语称之为DTC，是自七十年代发展起来的继矢量控制技术之后又一新型高性能的交流变频调速技术。 1977年，A . B . Piunkett研究PWM逆变器感应电机传动系统中就考虑了磁链和转矩的直接控制，只是苦于当时对瞬时主磁通的测量没有一个很好的解决方法，使其实现起来颇具困难而未曾引起广泛的注意。 1981年，日本学者S . Yamamura在开发交流电机速度控制系统时提出了磁场加速控制法，关键性地指出如果维持气隙磁场幅值不变，诸如电压、电流和转矩等其他物理量仅为转差的函数，此时只需通过调节气隙磁链的旋转速度，改变其对转子的瞬时转差频率就可以达到控制转矩的目的。 1983年，日本学者Y . Murai等人将瞬时空间电压矢量理论应用于PWM逆变器感应电动机传动系统中，他们把逆变器和电动机看成一个整体，综合三相电压进行控制，提出了磁链轨迹控制法，基于电压、磁链空间矢量概念，成功地解决了瞬时主磁链的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整个调速范围内近似保持不变，使其轨迹接近于圆形。1985 年 ， 德 国 鲁 尔 大 学 的 M . Depenbrock 教授通过对瞬时空间理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论，接着 1987 年把它推广到弱磁调速范围。随后日本学者者 I . Takahashi 也提出类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。直接转矩控制技术一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁的结构，优良的静、动态性能受到广泛的关注，并得到迅速的发展。目前在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日本研制成功的 1.5kw直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达 2kHz，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的 20 倍，使电机从 500 500 转/分的 反 转 时间只有4ms。在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高记录。当前，德国、日本、美国等都竞相发展该项技术，今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件及数字化控制元件，向工业生产应用推出全数字化最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置。1.3直接转矩控制的特点接转矩控制有以下几个主要特点8：(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、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸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做出直接和明确的判断。(2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，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效果。1.4直接转矩控制技术的研究现状1.5论文研究内容1.6论文研究意义第二章异步电动机直接转矩控制策略2.1异步电动机动态数学模型二、数学模型1异步电动机转矩的数学模型异步电动机的空间矢量等效图如图1所示该等效电路是在正交坐标系（-坐标系）上描述异步电动机的。其中：US（t）-定子电压空间矢量iS（t）-定子电流空间矢量ir（t）-转子电流空间矢量U（t）-定子磁链空间矢量r（t）-转子磁链空间矢量-电角速度则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：电压方程：（1）（2）磁链方程：（3）（4）转矩方程：（5）若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：（6）或(7)是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，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，可通过改变磁通角来实现。2异步电动机磁链的数学模型目前磁链模型主要有三种，分别适用于不同转速下应用。（1）u-i模型在30%额定转速以上，采用u-i模型，其表达式为：（8）从此式可看出，在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。同样，定子电压us（t）和转子电流is（t）也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（5）就可计算出电动机的转矩。此模型中关键是要准确确定定子磁链，即要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略，而只有在30%额定转速以上时才能达到这一要求。（2）i-n模型在30%额定转速以下，由于定子频率很低（仅有几赫兹），电动机端电压很小，定子电阻RS的变化导致u-i模型中积分项is（t）RS误差较大，故采用i-n模型，其表达式为：（9）（10）在30%额定转速以下范围，磁链只能根据转速来正确计算。在i-n模型中正是用定子电流与转速来确定定子磁链。该模型在这个转速范围内是合适的。但要注意在使用i-n模型时要求准确测量角速度，这是因为角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差，再由转子磁链的误差引起定子磁链的误差，最终引起转矩误差，故对转速要求有较高精度的测量。对于u-i模型和i-n模型的应用必须有合理的安排，不同的转速范围应采用不同的磁链模型。在高速时采用u-i模型，因其模型不仅简单，而且精度也高，受参数的影响小；在低速时采用i-n模型，因为低速时受定子电阻的影响u-i模型已不能正确工作。（3）u-n模型由于在由u-i模型向i-n模型切换时，快速平滑切换的困难使得这种解决方案产生问题，而u-n模型是一个在全速范围都实用的磁链模型。u-n模型综合了u-i模型和i-n模型的特点，由上面所提到的转子方程式（10）和定子方程式（1）及磁链方程式（3）、（4）组成。关键在于使用了电流PI调节器，强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相等，同时精度大大提高，缺点是结构比较复杂。通过使用u-n模型，解决了u-i模型向i-n模型快速平滑切换问题，并且使电动机在高速时工作在u-i模型下，低速时工作在i-n模型下。2.4 逆变器模型 逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。图电路的具体实现。图 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，