毕业设计（论文）基于高性能磁链观测器异步电动机调速系统的研究

目录摘要1第一章引言211交流电机变频调速系统的概况与发展趋势212矢量控制和直接转矩控制的对比213本课题国内外研究概况314本文的主要研究内容5第二章高性能交流调速的理论基础621空间矢量的概念622异步电动机的动态数学模型7221异步电机在两相任意旋转坐标系（DQ坐标系）上的数学模型7222异步电机在两相静止坐标系（坐标系）上的数学模型8223异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型9224三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程923电压型逆变器的电压状态和电压空间矢量的基本概念10第三章直接转矩控制系统基本原理1331直接转矩控制的理论基础1332定子磁链与电压空间矢量的关系13STSTU33电压空间矢量对电机转矩的影响1434电压空间矢量的正确选择15第四章高性能磁链观测器1841传统的DTC系统低速转矩特性的局限性1842传统的磁链的计算和观测1843目前定子磁链观测方法的局限性2144一种改进的高性能磁链观测器22第五章系统仿真2451系统仿真软件MATLAB及SIMULINK仿真包简介2452直接转矩控制系统仿真24第六章总结34参考文献35致谢36基于高性能磁链观测器异步电动机调速系统的研究摘要众所周知直接转矩控制在交流电机中能产生较快并且鲁棒性强的响应。本文首先在空间矢量理论的基础上介绍了异步电机和逆变器的基本数学模型，然后给出了直接转矩控制的概念，重点对直接转矩控制策略进行了深入的讨论，而且通过对开关表作出不同选择时磁链和转矩所产生的不同响应来加以详细说明。最后在深入研究传统直接转矩控制系统定子磁链观测方法的局限性的基础上，提出了一种改进的定子磁链观测器,利用它定子磁链可以被精确的观测并且可以使系统在低速时仍可以保持较好的特性。为了验证异步电机直接转矩控制系统的可行性，建立了基于MATLAB/SIMULINK软件包的仿真系统。文中介绍了仿真模型的各组成部分。最后给出了仿真结果，可以看出该系统有较好的低速性能，转矩和转速脉动较小、动态响应快等，从而证明了直接转控制系统的可行性。关键词感应电机，直接转矩控制，磁链观测器THERESEARCHOFASYNCHRONOUSMOTORSPEEDREGULATIONSYSTEMBASEDONHIGHPERFORMANCEFLUXOBSERVERABSTRACTDIRECTTORQUECONTROLDTCISKNOWNTOPRODUCEQUICKANDROBUSTRESPONSEINACDRIVESTHEPAPERSTARTSBYREVIEWINGTHEBASICMATHMODELOFANASYNCHRONOUSMACHINEANDOFAPWMINVERTERUSINGTHESPACEVECTORTHEORYTHENTHECONCEPTOFDTCISILLUSTRATEDANDTHEDTCBASEDSTRATEGIES,ISDEALTWITHINDEPTH,ILLUSTRATINGBYMEANSOFTHEFLUXANDTORQUERESPONSESGENERATEDWITHDIFFERENTCHOICESOFTHESWITCHINGTABLEFURTHERMORE,THELIMITATIONOFTHECLASSICALOBSERVERMETHODOFSTATORFLUXINDIRECTTORQUECONTROLDTCISDEEPLYRESEARCHED，THENANIMPROVEDSTATORFLUXLINKAGEISPROPOSED，BYWHICHTHEFLUXCANBEOBSERVEDMUCHMOREACCURATELYANDKEEPTHESYSTEMUNDERCONTROLEVENATLOWSPEEDASIMULATIONSYSTEMISDEVELOPEDUSINGMATLAB/SIMULINKSOFTWAREPACKAGEFORTHEPURPOSEOFVALIDATINGASYNCHRONOUSMOTORCONTROLSYSTEMWITHADIRECTTORQUECONTROLDTCINTHEPAPER，EVERYPARTSOFTHESIMULATIONSYSTEMAREINTRODUCED，THERESULTSWERESIMULATEDINDICATEDABETTERPERFORMANCEATLOWSPEED，SMALLTORQUERIPPLEANDFLUXRIPPLEANDQUICKDYNAMICPERFORMANCEETCTHOSEDEMONSTRATETHEEFFECTIVENESSOFTHEDEVELOPEDSIMULATIONSYSTEMKEYWORDSINDUCTIONMOTOR,DIRECTTORQUECONTROLDTC,FLUXOBSERVER第一章引言随着现代电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论、高速微处理器的普及应用，交流调速电气传动系统的应用越来越广泛。在感应电动机的控制技术中，以70年代初提出的矢量控制技术和80年代中期提出的直接转矩控制技术为代表，控制性能优良，特别是直接转矩控制技术以其简单高效吸引着广大学者，因此在现代交流电气传动中占有越来越重要的地位。11交流电机变频调速系统的概况与发展趋势众所周知，由于直流电机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，只要改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转矩，因而在大范围调速传动系统中，一直是直流传动系统占统治地位。由于交流电机是多变量、强耦合的非线性器件，定子电流同时包含有转矩电流分量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制比较困难。但是直流电机结构中存在着换向器、电刷等器件，使其在电机容量、转动惯量以及维护等方面受到了限制，不能向大型化发展，更不可能在快速性、可靠性、免维护等方面进一步提更高的要求。同直流电动机相比，交流电机特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的特点制造成本低、重量轻、惯量小、可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，所以能在恶劣环境中安全运转。近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调速的发展可具体归纳为三个方面首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；其次，GTR、MOSFET、IGBT等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。高动态性能调速的发展方向是交流调速系统逐步替代直流调速系统，矢量控制和直接转矩控制就是高性能交流调速方案的代表。12矢量控制和直接转矩控制的对比直接转矩控制（DIRECTTORQUECONTROL）方法是1985年由德国鲁尔大学的DPENBROCK教授首次提出的，它是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型交流变频调速技术。直接转矩控制着眼于快速的转矩响应，因此其磁场定向所用的是定子磁链，在最直接的定子坐标系下进行磁链和转矩的控制，一般只要知道定子电阻就可以把定子磁链观测出来，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转子电阻和电感，而转子电阻受温度影响变化范围较大，从而影响了解耦的精度。所以，对直接转矩控制而言，转子参数变化仅表现为状态干扰而非参数干扰，这种干扰很容易通过闭环控制予以克服。另外，定子电阻的变化也是比较容易补偿的。所以对二次参数而言，直接转矩控制系统本质上是鲁棒性的。这就大大改善了系统对电机参数的依赖关系，简化了控制方案和提高了控制精度。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，从而避免了矢量控制系统中复杂的坐标变化和参数运算，结果使系统结构变得十分简单，更为容易实现。直接转矩控制技术是建立在瞬间空间理论的基础上，所以便于应用空间矢量方法来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各个物理量，并通过转矩和磁通的独立跟踪自调整，借助于转矩的BAND一BAND控制来实现PWM控制策略和高动态性能，尤其是可以直接得到逆变器的开关状态，易于优化系统的工作状态，所以直接转矩控制系统的成本较低，而效率较高。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调。它新颖的控制思想、简洁明了的控制结果、优良的动静态性能备受人们的青睐，得到迅速的发展。直接转矩控制的特点归纳如下（1）在定子坐标系下分析交流机的模型，直接控制磁链和转矩，不需于直流机作比较、等效、转化等，省去了复杂的计算；（2）直接转矩控制以定子磁场定向，只需定子参数，而不需随转速变化的，难以测定的转子参数，大大减小了参数变化对系统性能的影响；（3）采用电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩；（4）转矩和磁链都采用两点式调节器（带滞环的BANGBANG控制），把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化；（5）控制信号的物理概念明确，转矩响应迅速，且无超调，具有较高的动静态性能。直接转矩控制对电机转矩采用BANG一BANG控制，因而具有最快的转矩响应，但却带来了转矩脉动大、噪音大等问题。13本课题国内外研究概况基速以下的异步电机的“直接转矩控制DIRECTTORQUECONTROL，简称DTC”方法由MDEPENBROCK教授于1985年首次在文献5中提出，两年后，又将此方法推广到基速以上即弱磁范围，从而为DTC方法在理论与系统实现上奠定了基础。自从直接转矩控制理论问世以来，尽管时间不太长，但各国学者都对此作了大量工作，取得了一些成就。MDEPENBROCK在提出直接转矩控制理论之初所实现的系统，其定子磁链轨迹是按正六边形运动的，由于六条边分别与相应的六个非零电压矢量对应，可简单的切换六个工作状态，直接由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹控制，磁链控制环节很简单，开关动作次数少，开关损耗也少。但这相当于六阶梯波逆变器供电异步电机调速系统，电流脉动、转矩脉动、噪音都比较大，束缚了直接转矩控制带给异步电调速系统所应具有的高性能发挥。为了得到高性能的速度控制，必须使电机气隙旋转磁场尽可能成为圆形。怎样在尽可能低的开关频率下来控制逆变器，使得异步电机磁场尽可能接近于圆国内外不少学者为此做了不少工作。日本的TAKAHASHI等人在1986年提出了定子磁链轨迹近似圆形的直接转矩控制方法，通过实时计算得到的磁链和转矩与给定值比较，再加上磁链所处位置，来选择相应的电压开关矢量，采用这种控制逆变器的控制方法，开关周期是随机变化的，而电机的损耗、转矩的脉动和噪声最小。但由于系统在1/6周期中都要交替使用两种开关工作状态两个工作电压矢量，所以，开关次数比较多，开关损耗比六边形法略大，因此，一般用在中小功率的高性能场合。有些学者近来提出了定子磁通定向的新型控制方法，即采用了感应电机定子磁链定向解耦模型，首先求出所需的D、Q轴定子电流，然后得到D、Q轴定子电压指令，经旋转变换得到静止坐标系下应作用的定子电压矢量。这种方案用到了解耦模型和坐标变换，增加了系统的复杂性，丧失了直接转矩控制原有的简单直接性。在现代交流传动中为达到高精度转速闭环控制，速度传感器是必不可少的，但又经常遇到传感器发生故障或在某些情况下速度传感器很难安装等问题，因此，常希望能够取消速度传感器，但又不能降低性能。很多学者也开展了无速度传感器交流调速系统的研究，但大都侧重于在矢量控制中的应用，主要是对滑差的求取。德国学者UWEBAADE等人在1989年把无速度传感器引入了转矩控制系统中。也有学者用卡尔曼滤波器和模型参考自适应等方法估算异步电机转速，并在矢量控制中应用。目前日本在该领域处于较领先的地位，已有一些厂家开始出售无速度传感器的矢量控制逆变器。我国在这方面的研究虽然起步较晚，但是直接转矩控制方法的众多优点，引起了大批国内学者的注意。直接转矩控制作为一种诞生不久的一种新理论、新技术，还有许多不完善、不成熟的地方，国内学者在借鉴国外理论和经验的基础上，对直接转矩控制存在的一些问题展开了研究，主要集中在以下两个方面减小转矩脉动。国内学者已提出一些解决的方法一种方法是采用较高的逆变器开关频率，其优点是降低了定子电流谐波含量，减小了转矩脉动，但该方法增加了功率损失，降低逆变器工作效率，要求逆变器具有高频开关特性，且需利用高速的DSP数字信号处理器实现控制算法。第二种方法是在传统的DTC原理图上，在优化开关选择表与逆变器之间引入一个模糊估计器，该估计器利用模糊的方法估计一个控制周期内非零电压矢量作用时间，剩余的时间选择零电压矢量。这种方法原理简单，没有增加成本，由于采用模糊方法，计算量大，结果不十分精确。无速度传感器研究。较为常见的一种方法是转子磁链的电流模型和电压模型分别作为可调模型和参考模型，利用两个模型的差值去驱动参考自适应模型。有的学者提出了改进的参考自适应模型他们将电机的全阶观测器作为可调模型，根据李雅普诺夫稳定性理论得出自适应律，修正作为观测器系数的电机速度估计值。该模型只包含定子电流和转子磁链输出，定子电流可精确测量，因此将电机本身作为了参考模型，而不必计算转子磁链的电压参考模型，提高系统运行效率。直接转矩控制作为继矢量控制之后一种新兴的、更先进的技术，需要各种先进的辅助技术作支撑，各种新技术的推广应用将给直接转矩控制技术注入新的活力，促进它的不断完善和发展。总之归纳下来主要有以下三点（1）研究磁链观测的方法，提高观测磁链的精度（2）改善传统DTC的缺陷,传统的DTC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（3）研究速度观测模型,进一步简化系统控制结构。14本文的主要研究内容本文第二章概括总结了高性能交流调速的理论基础,介绍了空间矢量的概念和异步电动机的动态数学模型以及在直接转矩控制中要用到的电压型逆变器的概念；第三章介绍了直接转矩的基本原理；第四章介绍了几种磁链观测器,详尽论诉了传统的磁链观测器的局限性，并由此提出了一种易于实现的高性能的磁链观测器该观测器准确度高、鲁棒性好,用于减小转矩和电流波动，仿真试验证明了该方法的可行性第五章介绍仿真系统的构建和仿真结果。第二章高性能交流调速的理论基础本章对关理论交流调速的理论基础作比较系统的介绍，之所以作此介绍是因为现行的教材涉及直接转矩控制理论不多，而且现在的文章又很少介绍相基础，往往直接引用结论，使读者对一些基本概念弄不清楚。作者通过大量的文献阅读，将这些理论基础系统的归纳总结如下。21空间矢量的概念交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以定义为空间矢量。若在复平面中，能用一个矢量来表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为两维物理量，为分析和计算带来很多方便。为此，引入PARK矢量变换。PARK矢量变换是将三个标量变换为一个矢量，这种变换对于时间函数同样适用。若用UAT,UBT,UCT分别表示三相电磁量在三相坐标系中的瞬时幅值函数，用UT表示合成作用矢量，则PARK矢量变换关系为（21）2/34/323JJABCTTETEUU矢量UT称为PARK矢量，它在某一时刻值代表三相电磁量合成作用在坐标系中的空间位置，所以称为空间矢量如图21。AB1UTUATUBTUCT图21空间矢量对于三相异步电机来说，空间磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存在的，而电流矢量和电压矢量并不存在。但是磁动势与电流相关，电压又与磁链相关，所以仍可以定义电流空间矢量和电压空间矢量，它们分别表示三相电流的合成作用和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。以下的分析均是建立在空间矢量的基础上。一个空间矢量可由两个正交的坐标表示，所以三相电机转化成两相电机模型更方便问题的分析。22异步电动机的动态数学模型基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下假设（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。221异步电机在两相任意旋转坐标系（DQ坐标系）上的数学模型两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的，其中以任意转速旋转的坐标系为最一般有了这种情况下的数学模型，要求出某一具体两相坐标系上的模型就比较容易了。设两相坐标D轴与三相坐标A轴的夹角为，而PSDQS为DQ坐标系相对于定子的角转速，DQR为DQ坐标系相对于转子的角转速。要把三相静止坐标系上的电压方程、磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用3/2变换将方程式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系A、B上，然后再用旋转变换阵C2S/2R将这些变量变换到两相旋转坐标系DQ上。（1）磁链方程或写成（22）SSSMRRR0ILLISDSMRDQQRSRLII式中DQ坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感MLDQ坐标系定子等效两相绕组的自感SDQ坐标系转子等效两相绕组的自感R（2）电压方程（23）SDSSDQSQDRRRRQURIPI将磁链方程（22）代入电压方程（23）得DQ坐标系下电压电流方程式如下（24）SDSDQSMDQSMSDQDQDQSQRMRRRRRURLPLPIRI在上式等号右侧的系数矩阵中，含R项表示电阻压降，含LP项表示电感压降，即脉变电动势，含项表示旋转电动势。为了使物理概念更清楚，可以把它们分开写（25）SDSDSDSSMQQQSRDRDRDRMRQQQRDQSSDQRR0000UIIRLPPLIISD（3）转矩和运动方程DQ坐标系下的转矩方程为（26）EPMSRDQTLNII运动方程与坐标变换无关，仍为（27）PJT其中DQSR222异步电机在两相静止坐标系（坐标系）上的数学模型在静止坐标系上的数学模型是任意旋转坐标数学模型当坐标转速等于零时的特例。当0时，即转子角速度的负值。将下角标D、Q改成，则电压矩阵DQSDQR、方程为（28）SSSMSRRMRR00UIRLPLPIR磁链方程为（29）SSSMRRRM0ILLI利用两相旋转变换阵，可得2/SRC（210）DSSQRRRINICOISIII代入（26）式并整理后得坐标系上的电磁转矩（211）EPMSRTLNII223异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型另一种很有用的坐标系是两相同步旋转坐标系，其坐标轴仍用D，Q表示，只是坐标轴的旋转速度DQS等于定子频率的同步角转速1。而转子的转速为，因此DQ轴相对于转子的角转速DQR1S，即转差。代入式24，即得同步旋转坐标系上的电压方程（212）SDSD1SM1MQQ1S1RDRDMSRSRQQSSUIRLPLPIR磁链方程、转矩方程和运动方程均不变两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到DQ坐标系上就成为直流。224三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程作为异步电机控制系统研究和分析基础的数学模型，过去经常使用矩阵方程，近来越来越多地采用状态方程的形式，因此有必要再介绍一下状态方程。为了简单起见，这里只讨论两相同步旋转DQ坐标系上的状态方程，如果需要其它类型的两相坐标，只须稍加变换，就可以得到。式（22）表示DQ坐标系上的磁链方程SDSMRDQQRSRLII式（23）表示任意旋转坐标系上的电压方程SDSSDQSQDRRRRQURIPI对于同步旋转坐标系，考虑到笼型转子内部是短路的，1DQS1DS则，于是电压方程可写成0RDQU（213）SSSDSQQ1RDRRQD0URIPI由式（22）中第3、4两式可解出（214）SDRDMSSQRQS1LII代入式（26）的转矩公式,得（215）MSQRDSQSDRMSDQRPLNTEIILISRSRRP把式（22）代入式（213），消去、再将式（215）代入运动方程式（2RDIQSDQ7），经整理后得状态方程如下（216）2PPSQRDSRQLMDNLNIITTJJ（217）1RSDMRTI（218）1QRQQDTT（219）21SDMSDRSDSSRRSLRLLTLUTII（220）2QQQDQRSMSR式中电机漏磁系数，21MSRL转子电磁时间常数，TRTR23电压型逆变器的电压状态和电压空间矢量的基本概念在交流调速系统中，一个最重要的部件是逆变器，通过对逆变器的控制，可以调节电机转速。一般分为电压型、电流型两种逆变器。直接转矩控制系统中采用的是电压型逆变器，如图22，其中同一桥臂上的上下两个开关元件是互补动作的，即在任何一个时刻，它们总是一个断开，一个闭合，这样一个电压型逆变器就可以有三个单刀双置开关来表示，三组开关有8种开关组合，现在用三个开关变量SA、SB、SC来表示逆变器状态，SA1，表示逆变器A桥臂上管导通SAO，表示逆变器A桥臂下管导通，SB、SC含义与SA类同。逆变器的8种开关状态对应逆变器的七种不同的电压状态，如用符号US表示逆变器的输出电压状态的空间矢量，US有8个离散量，用USSA,SB,SC表示，即US0，0，0一USL，L，L。为了简单，用UK表示US，下标K表示SA，SB，SC的二进制，因而可得表21。M3ASBSCSAIBICIDCU图22理想的电压型逆变器状态SASBSCU0U1U2U3U4U5U6U7000001010011100101110111表21逆变器的8种开关状态逆变器的八个输出电压空间矢量中有两个零矢量U0、U7，它们的特点是三相负载被接到相同的电位上，导致的结果是负载电压为零。其余六个为非零矢量U1U6，它们的特点是三相负载不都接到相同的电位上，这时负载电压将加在电机上产生旋转磁场和电磁转矩，从而使电机旋转起来。根据逆变器的基本理论，可得逆变器输入开关状态与输出相电压对应关系如表22所示输入开关状态输出电压UAUBUC100110010011001101000,11123DCU23DCU23DC111000表22逆变器输入开关状态与输出相电压对应关系以上分析了逆变器的电压状态及其相电压波形。现在引入PARK矢量变换，将逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，选定三相定子坐标系中的A轴与PARK矢量复平面的实轴A重合，三相负载绕组接成星形，则输出电压的空间矢量UST的PARK矢量变换表达式应为SASBSCUDCABCNO图23逆变器简化原理图从图23可知221ANOBCU2222/34/32/34/24/3/JJJJJJSANCNAOBOONBEUEE其中UAN、UBN、UCN分别是三相绕组的相电压。式中UAO、UBO、UCO为三个桥臂对直流中点的电压，只能取UDC/2或UDC/2。这样就可以用电压空间矢量UST来表示逆变器的三相输出电压的各种状态。图24描述了电压空间矢量UST在坐标系和定子三相坐标系ABC坐标系上的相对位置，并标出了电压状态的空间矢量的离散位置。US100US110US001US011US010US101ABC图24电压空矢量在坐标系中的离散位置第三章直接转矩控制系统基本原理31直接转矩控制的理论基础直接转矩控制系统结构如图31，它包括转矩控制环和磁链控制环，采用BANGBANG控制，通过转矩和磁链滞环选择合适的电压矢量，调节电机转矩和定子磁链快速跟踪给定。根据对定子磁链的形状归结来选择开关模式，并通过控制磁链的停止和前进控制电机力矩，从而产生PWM信号。3MIUTEESSNPWM逆变器开关表磁通转矩估计图31直接转矩控制系统结构图32定子磁链与电压空间矢量的关系STSTU定子磁链与电压空间矢量的关系如下31SSSTTIRDT若忽略电子电阻压降的影响，则有32SSTUDT所以定子电压和定子磁链之间是积分关系，100S6S1S5110010011001101S4S2S3000111STJUST图32电压空间矢量与磁链空间矢量的关系图32中，UST表示电压空间矢量，表示磁链空间矢量，STS1、S2、S3、S4、S5、S6是正六边形的六条边。当磁链空间矢量在图32所示位置ST时，其顶点在边SL上，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量UST为US011，根据定子电压和定子磁链之间的积分关系，磁链空间矢量的顶点将沿着SL边的轨迹，朝着电压空间矢量US011作用的方向运动，到达S1和S2的交点J，这时如给逆变器加上电压空间矢量US001，则磁链空间矢量顶点会按照与US001平行的方向，沿着边S2的轨迹运动，ST同样，如依次给出US101、US100、US110、US010，磁链空间矢量将依次沿着STS3、S4、S5、S6的轨迹运动。至此，可以得到如下结论L定子磁量空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向，只要定子电阻压降影响相对较小，的运动轨迹近似平行UST指示的方向；ST2在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量U1U5U4U6U2U3U1，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S2S3S4S5S6S1S2，形成六边形定子磁链；3一个六边形代表着定子磁链一个周期的运动轨迹，每条边代表着一个周期磁链轨迹的1/6，称之为一个区段。直接利用逆变器的六种工作状态，简单的得到六边形磁链轨迹以控制异步电机，这种方法是直接转矩控制DTC的基本思想。33电压空间矢量对电机转矩的影响由公式33S13IN2TRL可知电机转矩的大小不仅与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关，还与它们的夹角有关。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电机铁心，转子磁链幅值由负载决定，要改变电机转矩的大小，以通过改变磁通角T的大小来实现。在直接转矩控制技术中，基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，达到控制电机转矩的目的。现在分析其具体过程，T1时刻的定子磁链和转子磁链以及磁通角1ST1RT的位置见图33。从TL考察到T2时刻，若此时给出的定子空间矢量为U6则定子磁链1T空间矢量由的位置旋转到的位置，与U6的指向平行。此时，转子磁链不直1ST2ST接跟随定子磁链的变化，因此在TL到T2的这段时间里，定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角加大，由变为，转矩相应的增大。如果在T2时刻，T1TT给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量保持在T2时刻的位置不动，而转子磁S链空间矢量却仍以原来速度旋转，则磁通角减小，从而使转矩减小。通过对转矩大小的调节来控制电压空间矢量的工作状态和零状态交替出现，就能控制定子磁链空间矢量平均角速度的大小。通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。US100US110US001US011US010US101RT2TT图33电压矢量对转矩的影响以上是以六边形磁链为例介绍了直接转矩控制的基本概念和工作原理，在实际应用中，为了获得高的动态特性和追求在低速时的控制性能，往往要求实现圆形磁链控制。这一目标也一直是国内外学者研究的热门课题。34电压空间矢量的正确选择01101001001101DQ01SECTOR1SECTOR2SECTOR3SECTOR4SECTOR5SECTOR6SUSUSSUSUSS图34电压空间矢量正如前面32节所分析的一样,定子磁链综合矢量将沿着电压综合矢量的方向，SSU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的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。图35所示是定子磁链矢量随着S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和允许的偏差的范围内变化，使其平均值基本保持不变。而其旋转转速则通S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60O，为了便于选取，把空间分成6个区域（见图34），每个区域所包括的范围是612632MM对应不同的工作区域，应选择不同的工作电压矢量。例如当处于区域1时，为了控制S沿顺时针方向旋转，应当选择和。当磁链幅值达到上限S01SUS时选择，当磁链幅值达到下限时选择。反之，S0SU当需要磁链作逆时针运动时，对应区域1时应当选取和。01SS根据定子磁链幅值和转矩的偏差情况以及定子磁链矢量所处的区域，ETM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和磁链滞环比较器的输出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36），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PI调节器实现转速调节的同时产生需要的给定转矩。DQ1U23U45U6DQNSRSI旋转方向图35异步电机定子磁链的轨迹ETET011ETET10SSSS图36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100MS，由此可知电机的转子磁链与定子磁链相比变化相对缓慢。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2UDC/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和允许的偏差的范围内ETET变化，并同时使磁链幅值保持在的偏差之内。由此可得开关选择表,如表31SS所示。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，一直阻碍着DTC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DTC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DTC系统，性能会有所下降，尤其是目前关于DTC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。M，1010123456US101US100US110US010US011US001US111US000US111US000US111US000US110US010US011US001US101US100US001US101US100US110US010US011US000US111US000US111US101US000US111US010US011US001US100US110表31开关选择表第四章高性能磁链观测器41传统的DTC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DTC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DTC系统的低速控制性能。2DTC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，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。42传统的磁链的计算和观测磁链观测是实现高性能电机传动系统的关键环节。在直接转矩控制中，不论是按圆形轨迹还是按六边行轨迹控制，都需要已知定子磁链。采用直接检测的方法获得定子磁链，存在着制造工艺问题、适用环境限制问题以及成本问题，因而在实际系统中应用较少。解决磁链问题的较为通用的方法为间接测量的方法，即通过易于测量的电机其他物理量（如定子电压、定子电流和转速等），建立定子磁链的观测模型，在控制中实时的推断出定子磁链的幅值和相位。由于定子磁链的观测是直接转矩控制系统的重要组成部分，观测准确性直接影响到系统的性能，因此，许多学者针对磁链观测问题开展了大量的研究工作，提出了各式各样的磁链观测模型。目前常见的定子磁链的开环计算方法主要有UI模型、IN模型和UN模型等。421基于定子电压和电流的的磁链观测模型UI模型根据定子电压平衡方程式，可以推导出41SSSUIRDT该式实际上是式在两相静止坐标系下的表达式，其结构图如图1所示，简称模型。此观测模型只用到了一个电机参数定子电阻，而且电机的定子电阻也是易于测量的。为计算方便，在图42中，通常忽略定子电阻压降，则定子磁链仅随定子电压的变化而变化，只要合理的选择电压失量施加的顺序和时间，便可使磁链按照要求的轨迹运动。但是这种简化只能在转速较高时采用，因为此时定子电压远大于定子电阻上的压降，忽略定子电阻上的压降，对磁链的估计影响不大。但当转速较低时，定子电阻的压较之定子电压不可忽略，这种简化不能适用。另外由于低速时，定子电阻随温度的变化而变化，也将影响磁链的观测，最终影响系统的性能。因此，UI模型一般在1030额定转速以上适用，能较准确的观测定子磁链，而且结构简单，鲁棒性强。SRSRSSSISISUSU图41定子磁链的模型UI422基于定子电流和转速的磁链观测模型IN模型根据异步机的转子电压方程和磁链方程420RPJRSLMSII不难推出定子磁链方程式4322SRLSSRMI44222LSRLRSRSRMRP上式就是基于定子电流和转速的磁链观测模型，其结构图如图42所示，简称IN模型LSRLMLSRLMLMRSRLLMRSRLLSRSRMLLSRSRMLLMRLMRSISISSRRRR图42定子磁链的模型ININ模型克服了积分器的不良影响，但是严重依赖电机的参数，需要精确检测电机的转速或者位置，而速度传感器的安装又大大地降低了传动系统的可靠性。由于该方法仍属于开环估计方法，因而电机参数的变化和转速估计的偏差所产生的影响仍然很大。423基于定子电压和转速的磁链观测模型UN模型图43定子磁链观测UN模型图43为UN模型的定子磁链观测框图。该模型的输入量为定子电压和转速，通过计算得到转子磁链、定子磁链、定子电流等量，较好地模拟了异步电动机的运行过程。此外，通过将实际电机电流IS,与计算所得到的电机电流,的误差,补偿至积分SSCISDI环节的输入，提高了磁链的观测精度。实际上这种模型在低速工作时类似于IN模型，而在高速时类似于UI模型，基本可以保证定子磁链观测的精度高低速时都较高424基于定子电压电流和转速的磁链观测模型（UIN模型）从前面所诉可知，中高速时采用UI模型，因为它结构简单，受参数影响小而低速时采用IN模型，因为低速时UI模型己不能正常工作。这样在全速范围内就要有一个模型切换的过程。由于瞬间切换模型相当于变结构，必将对整个系统的动态性能造成较大的影响。为避免这种情况发生，需要采用基于定子电压电流和转速的磁链观测模型，简称UIN模型，其模型结构图如图44所示SUISIUSSIIPIPISRSRRSSR2LMRS2LMRS2LS2SR2LRM2LRM2LSR2图44定子磁链的模型UIN该模型的特点是综合了UI模型和IN模型的优点，克服了它们的缺点，又很自然的解决了模型的切换问提。尤其在该模型中引入了电流调节器，而且是无差的PI调节器。它的作用是强迫模型电流与实际电流相等，如果不等，则电流调节器输出补偿信号，用以修正定子磁链估计值和模型电流值，由此提高了模型的观测精度。43目前定子磁链观测方法的局限性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UI模型作为磁链估计器。积分器的固有缺陷是导致DTC低速瓶颈的重要原因之一。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RS。笔者认为，采用积分器观测定子磁链无法从根本上提高DTC系统的低速性能。积分器又称为UI模型估计器，是实现定子磁链观测最简单的方法。该方法仅需要知道定子电阻RS，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RS的影响不能够忽略。由于计算时设定的RS和实际的RS不可避免存在着偏差，而且定子电流礼的检测值中包含有AD转换噪声，再加之由于PWM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DTC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DTC系统低速瓶颈的主要问题所在。IN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。UN模型是综合了以上两种模型实现两种模型的平滑切换，在低转速时采用IN模型，高速时切换到UI模型，这种模型实现复杂，存在平滑切换的问题，而且不能够摆脱IN模型的固有缺陷，因此实际应用得比较少。UIN模型可以在全速范围内得到较好的观测精度,无需切换但该模型的缺点是结构复杂,实现较困难44一种改进的高性能磁链观测器鉴于传统的磁链观测器存在这样那样的缺点而难以实现,本文提出了一种高性能的磁链观测器。由于仅测直流母线电压和两项线电流，根据22节所分析的异步电机动态数学模型理论可知感应电机模型为45）SESSSJIRU（46）RRR0（47）MSSIL（48）SRR这里是定子电压，是定子和转子电流，是定子和转子磁链，SUSI,RS,是电机参数，是参考模型速度（任意的速度），是转子速度。MRRSLR,ER电磁力矩为（49）15DQSDTEPII这里P是磁对极数。SISUSR补偿环节电压模型SR/RDRQARCTGJEJERS电流模型RS图46磁链估计估计器计算定子磁链，转子磁链，电磁力矩TE和转子速度。它们是基于感SRR应电机的五个方程（45）（49）而得。状态估计器的输入是定子电压和电流空间SUSI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46，它包含两个模型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（46）和（48）式在转子磁链参考模型（书RE写为“DQ”）中通过定子电流计算得到（410）RDQSDQRMRDQSTJITLR11这里是转子时间常数。RRT对于转子磁链坐标，转子磁链的D、Q分量为411）SRMRDITL1（412）0RQ开环电流模型的输出（书写为“”）是在定子坐标系下计算的定子磁链IIS（413）SRMSIRMISIL2这里是从式（411）和（412）在定子参考坐标估计的磁链（见图46）。IR电压模型建立在式（45）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，定子磁链可简化如下S（414）1COMPSSUIR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的测量（或SR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PI补偿器来调节的。（415）1ISIPCOMPKU转子磁链是在定子参考系中计算得到R416SMRSMRIL2第五章系统仿真51系统仿真软件MATLAB及SIMULINK仿真包简介如今数学建模作为一种分析系统的有效手段受到越来越多的重视，随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型在科学研究中的应用日益广泛，并发挥出重要的作用。系统仿真就是利用数学模型来研究真实系统的一门学科，尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机系统仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析和验证等环节。MATLAB软件及其SIMULINK仿真包正为此应用而生。MATLAB作为国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具，己成为自动控制、电气传动、航空航天、机械电子等诸多仿真领域的首选。自从1984年由THEMATHWORKS公司推出第一个MATLAB商业版本以来，不断推陈出新，以其完美的数值分析能力、丰富多彩的图形处理、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MATLAB支持更多的数据结构，如单元数据、多维数组、对象与类等，集成了C和C高级语言，在其环境下可直接进行C和C编程，所以可以说MATLAB也是一种更方便、完美的编程语言。虽比一般高级语言执行效率低，但编程效率、可视性、可移植