（控制理论与控制工程专业论文）异步电机直接转矩控制研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 近年来随着电力电子技术的发展，各类电机控制技术不断得到发展。其中直 接转矩控制技术( d t c ) 作为继矢量变换控制之后发展起来的叉一项新型现代交流 电机控制技术，以其控制简单、鲁棒性强、动态性能好的优点得到了越来越广泛 的重视。 本文首先介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理，从异步电机的数学模型 人手，逐步分析，从而得到磁链和转矩。通过对逆变器开关状态的分析进而得到 电压空间矢量，并且论述了电压空间矢量与转矩和磁链之间的关系，使用两点式 调节方法对定子磁链进行调节，实现六边形磁链轨迹和圆形轨迹方案，对转矩采 用三值调节器进行调节，以实现转矩的快速调节。为了完成对直接转矩控制方法 的验证，设计了一个异步电机控制系统，完成了控制系统的硬件电路的设计和相 关软件的编写和调试。 最后根据以上的讨论和实际应用中的情况，分别采用六边形磁链方案和圆形 磁链方案，以高速数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制部件，在一台 0 ，1 2 k w 的绕线式异步电机上实现了异步电机直接转矩控制。实验结果验证了作者 采用的直接转矩控制方法的可行性和正确性，同时得到圆形磁链方案实验结果优 于六边形磁链方案的结论。 关键字：直接转矩控制、定子磁链、磁链调节、转矩调节、逆变器 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n de l e c t r o nt e c h n i q u e ，v a r l o u s m e t h o d sa n dt e c h n i q u ew e r eu s e do nm o t o rc o n t r o lt h e s ey e a r s o n eo ft h e m ， a san e wa s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n i q u ea t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o na f t e rs p a c ev e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u eb e c a u s eo f i t sr o b u s tc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m p l er e a l i z a t i o na n d e x c e ll e n td y n a m i cr e s p o n s e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l o na s y n c h r o n o u sm o t o r t h r o u g hm a t h e m a t i c sm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r ， s t a t o rf l u xa n dt o r q u e c a nb eg o t a f t e rt h ea n a l y s i s o ft h es t a t eo f c 。n v e r t e rs w i t c h e s ，t h ev o l t a g es p a c ev e c t o ri sr e c e i v e d o nt h eb a s i so f h e x a g o ns t a t o rf l u xt r a c em e t h o do f t r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，b y c h a n g i n gt h er e g u l a t i o n o fs t a t o rf l u x ，h e x a g o na n da p p r o x i m a t er o u n d t r a c e o fs t a t o rf l u xc a nb eg o tw h e nu s i n gd i f f e r e n tv o l t a g es p a c ev e c t o r t h e f a s tr e q u l a t i 。ni sr e a l i z e dw h e nt h r e e v a l u er e g u l a t o ri s u s e dt oa d j u s t t o r a u e i no r d e rt ov e r i f y t h ec o n t r o lm e t h o d ， a u t h o r d e s i g n e d a n a s v n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n g t h em e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l h a r d w a r ed e s i g nu s e sh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a s t h ek e vc o n t r o lp a r t s o f t w a r ed e s i g na d o p t sh e x a g o ns t a t o r f l u xs c h e m e a n dr o u n ds t a t o rf l u xs c h e m er e s p e c t i v e l y a f t e rt h es y s t e mi ss e tu p ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l m e t h o di sr e a l i z e d f o ra0 1 2 k ww i n d i n ga s y n c h r o n o u sm o t o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t ya n de x a c t n e s so ft h ec o n t r o lm e t h o d a tt h es a m et l m et h e c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l to fr o u n ds t a t o rf l u xs c h e m e i sm o r es a t i s f a c t o r yt h a nt h a t o fh e x a g o ns t a t o rf l u xs c h e m e k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 、s t a t o r f l u x 、 f l u xr e g u l a t i o n 、t o r q u e r e g u l a t i o n 、c o n v e r t e r 疆j 工业大学硕土学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 毫槐调速系统，广泛地应用子枧披、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、承混、 交通等工业部门”1 。直流电机和交流电机在1 9 世纪先聪诞生，在2 0 戡纪的大部 分年 弋毽，鏊予盔滚奄貔吴套缆越豹溺速牲珑，毫蛙锈溺逮系绞一般都莱赐童溅 电机，随流电机调速一直占有主导地位；交流调速虽有应用，但其性能始终无法 与直滚漩逮褶聪敌。隧藿生产技术静不拶缓l 震，壹滚毫极潺蘧辩薄弱黪第逐步遂 示出来，由于按向器的存在，使得直流电机的维护工作量加大，单机密量、最高 转速以及使用环境都受蓟限铽。交流电耄f l 调速系统由予不存在赢流毫钒溺速系统 维护困难积难以实现离速驱动等缺点，其突出的优点熙：电机造价成本低，结丰句 简单，维护容易，可以实现高聪大功率以及高速驱动，适宜在恶劣的条件下工作， 系统成本逐澈辫馁，莠虽能够达到与壹溅电拉棚嗣甚至超出壹溅电枧的控铡效累， 因此近年来成为人们研究、推广的热潮”2 。”。由于交流电机原理上的原因， 其宅磁转短难泼像壹滤邀橇那梯壹接遴遘毫漉憝符灵灏熬瞬醚控割，困戴交藏电 机的使用如上所述受到很大限制。2 0 世纪7 0 年代初发明的矢照控制技术( 或称 磁场定潞登耩艘零) ，遴过垒稼变换，藏突流龟貔酶定予宅藏分麓戒藤磁分量j 鼙转 矩分馘，用来分别控制磁通和转矩，获得了和直流电机相仿的高动态性能，从而 使交流电机溺速系统的应用得到很大的推广“”5 。1 9 8 5 年德鬻d e p e n b r o c k 教授 提出了奁接转短控制联论，它完全摈夯模拟直澈电机的勰耦慰想，其掇镪l 思路是 对于一台交流异步电机，若维持定予磁链幅慎懂定，其转矩以及转矩增长率霹以 通过改变定子皴链矢羹x 孝转子翡转差惫平均邃壤，迅速加以控铡，大大提高了电 机的转矩性能”“”1 。另外还有解耦控制、非线性控制、智能控制等方法，形成了 一系氍在缝黥上可以秘壹藏溺速系统稳媲美熬离往交滚调逮系绫，大大扩鼹了 交流电机的应用范围、”“】。 1 1 现代电力电子技术的发展“”“”“”h “”“”1 “n ”“” 现代电力电子技术是门新兴的高新跨学科技术，其主鼷的应用方法是利用 西北工业大学硬士学位论文 第1 章绪论 电力电子器件对电能进行控制和转换，包括电压、电流、频率和波形等方面的变 换。电力电子技术的不断发展对交流电机的应用起到了巨大的推进作用，其内容 主要包括三个方面：电力电子器件、变流技术和控制技术。 1 1 1 电力电子器件的发展 近年来，随着材料科学和微电子技术的发展，电力电子技术取得了长足的进 展，各种新型电力电子开关器件不断涌现，从而使变频装置的硬件性能不断提高， 可靠性大为增强，为交流电机调速系统的进一步发展提供了强有力的物质支持。 2 0 世纪8 0 年代以来，新一代高频化、全控型的功率集成器件逐渐代替了传统的半 控型晶闸管。可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管 ( 功率m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 以 及m o s 控制晶闸管( m c t ) 等器件的产生和发展，已经形成了一个新型电力电子 开关器件的大家族。另外，智能功率集成模块( i p m ) 将开关器件与部分控制电路、 驱动电路、保护电路功能集成在一个模块上，进一步促进了变频装置向小型化、 高频化、低噪声、高性能、高可靠性、低成本方向发展。目前电力电子器件正在 向大功率化、高频化、小体积、集成化、智能化、低损耗、易触发、易于保护等 方向发展。 1 1 2 变流技术与控制技术 以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能 的转换和控制的方法，称为变流技术，其中逆变转换不仅能把直流变成可调压的 交流，而且可以输出连续可调的工作频率；而整流变换和逆变变换是交一直一交 变频器的主要环节，目前，已出现了各种型号通用变频器，具有体积小、重量轻、 功率增益高、控制灵活、控制性能好、效率高的优点。近年来，随着全控型电力 电子器件的出现，变流技术与控制技术发生了巨大的变化。其中控制技术的发展 先后经历了相位控制技术、变压变频控制技术、转差率控制技术、脉宽调制技术、 矢量控制技术及直接转矩控制技术等，各种控制技术的不断发展和完善，极大地 推进了交流调速系统的应用与发展。 西北工业大学硬士学位论文第i 章绪论 1 2 直接转矩控制技术的产生、发展与特点“”“” 1 2 1直接转矩控制技术的产生 直接转矩控制变频调速技术d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n tr 0 1 ) 是近年来继矢量 控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。 7o 年代产生的矢量控制技术，为交流调速系统的应用在静、动态性能上能与直流 调速系统应用相媲美奠定了理论基础。矢量控制技术模仿直流电机的控制，以转 子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电机的转速和磁链控制的完全解 耦。它的提出具有划时代的重要意义，其所达到的静态精度和动态响应并不亚于 直流控制系统的指标。然而，在实际应用过程中，由于转子磁链难于准确观测， 系统特性受电机参数的影响较大，以及在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转 变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。这是矢量控制技 术的不足之处。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次提 出了直接转矩控制的理论，接着1 9 8 7 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 控制复杂、特性易受电机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一 些重大问题。 1 2 2 直接转矩控制技术的国内外发展概况 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、动态性能受到了普遍的注意和得到迅速的发展。 在国外，以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，应用 也得到不断的发展。美国、意大利、韩国和法国也紧紧跟进，使得直接转矩控制 的应用发展逐步扩大。目前该技术已成功地应用在电力机车牵引系统、垂直升降 系统等大功率交流调速应用场合。仅a b b 一家公司运行的使用直接转矩控制方法 的电车和电力机车就超过了i 0 0 0 辆，另外其生产的变频器也主要采用这种控制方 法。 在国内，直接转矩控制主要还处于理论研究阶段，实际的应用还比较少见。 塑i 坚些查兰堕主兰竺笙苎 茔! 量堕笙 国内以清华大学的李永东教授和南京航空航天大学的胡育文教授为主的研究队伍 在这方面的研究比较深入，在低频和死区控制方面提出许多卓有成效的解决方法。 另外四川工业大学在电力机车牵引方面使用了直接转矩控制技术。其余的一些高 校和科研单位在直接转矩方面的研究还基本处于理论仿真阶段。 1 2 3 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制相对于矢量控制主要具有以下特点： a 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的 磁链和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化：既不需要模 仿直流电机的控制，也不需要为解耦而简化交流电机的数学模型。它省掉了矢量 旋转变化等复杂的变换与计算。困此，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机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 b 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。而矢量控制磁场所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转子 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。 c 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电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。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制 和效果，它包含有两层意思：直接控制转矩和转矩的直接控制。直接控制转矩与 著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等景来间接控制转矩， 而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获碍理想的正弦波 波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的 是转矩的直接控制效果，困而它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。 d 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式 调节器或三值调节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环的比较，把转矩波动限 制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果 不取决于电机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制 堕! ! 三些奎兰堡圭兰竺堡苎兰! 童 堕堡 既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接 自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制。但以转 矩为中心来进行综合控制。 综上所述，直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定于坐标系 下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节 ( b a n d b a n d 控制) 产生门极驱动信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电机数学模型的简化处理， 没有通常的p w n 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接， 信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静动态性 能的交流调速方法。 1 3 直接转矩控制技术的热点研究方向“2 “”“”“”“”5 直接转矩控制理论和技术固然有许多优点，但是作为一种诞生不久的新理论、 新技术，自然有其不完善、不成熟之处，有些问题甚至成为它发展过程中难以逾 越的障碍。正是由于以上原因，直接转矩控制技术成为当今世界范围内交流调速 控制技术研究的重点。下面所要介绍目前直接转矩控制技术的几个研究热点问题。 1 3 1定子磁链补偿和定子电阻辨识 在低速区，凰的变化带来一系列的问题，特别是定子电流和磁链的畸变，到 了非常严重的程度。一种方案是在低速区对定子磁链虮进行补偿，将m i 模型从 。一d q 坐标系变换到口一卢坐标系，使其表达式中不含r s 。从结果看，妒s 得到一 定的补偿，但是却引入了r ，的影响，不能从根本上解决问题，效果仍不理想。另 一种方案是在转矩比较器的输入端叠加一个方波信号( 5 0 0 赫兹) ，从而改善定子 电流和磁链的波形，消除畸变，效果很明显。从上述问题看，如果能对定子电阻 进行辨识，就能从根本上消除定子电流和磁链的畸变，问题即可解决。目前已经 有一种在线辨识异步电机定子电阻的方案。它从电机的数学模型出发，经过各种 西北工业太学硬士学位论文第l 章绪沧 数学变化和运算，计算出r s 。从求解过程看，不利之处在于要用到较多的电机参 数，对参数的依赖性较大，而且运算复杂，实现困难。模型参考自适应方法 ( m r a s ) 也已经用于电机参数的辨识。卡尔曼滤波技术也被用于电机参数辨识， 用它可对异步电机的转于时间常数、漏感、激磁电感和定子电阻进行辨识。h o p f i e l d 网络被用来辨识交流传动系统的参数，仿真研究结果证明，辨识结果达到了很高 的精度。又有人提出了用模糊理论构造在线观测器的方法对尺_ 进行补偿，仿真表 明也是可行的。总之，对兄s 的辨识是1 f 常困难的。 1 3 ，2 转速的辨识 盲接转矩本身不需要转速信息，但是为了精确的控制转速，应该进行转速闭 环控制；尤其是在有自适应功能的控制系统中，转速白适应是重要的环节，这就 需要检测电机输出速度。以前是通过安装转速传感器进行速度反馈，不仅增加成 本，而且降低了系统的稳定性和可靠性；而且在实际应用时，有些场合根本不能 安装传感器，甚至找不到转速反馈的位置，因此有必要进行转速辨识。现有方案 一般足从矿。、y ，和国，的关系人手，推导出简单的转速估算公式，仅需要定子电 压和电流就可以计算转速。卡尔曼滤波用于估算转速也很有用，实验证明，转速 估汁值与实际值非常接近，即使低速时，误差仍很小，但是随电机参数变化而变 化，需要考虑温度对参数的影响。此外，模型参考自适应方法也被用于转速估算， 但在低速时，效果不理想。 1 3 3 低速区存在问题的解决 低速时脉动转矩、死区效应和开关频率的问题也很突出。当控制系统全数宁 化时，采样周期是固定的，在一个采样周期内，转矩的增加量和减少量是不同的； 于是产生低频锯齿渡分量，它在低速时频率低，幅值大，影响系统低速性能。改 善措施有如下几点：( 1 ) 提高逆变器开关频率，使转矩在一个周期内的变化量减 小幅度降低。( 2 ) 使转矩围绕给定转矩波动。( 3 ) 用转矩追踪法实现无差转 矩控制。实践证明，这些方案都很有效。 6 一 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 论文选题的意义 2 003 年，镇江某公司与我的导师进行项目合作，共同开发中小功率变频器， 本论文的研究内容是作为其中的电机控制方法的试验验证环节。 直接转矩控制技术是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变 换控制技术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技 术。国内有许多高校和科研单位在这方面也投入了一定的人力进行研究，但是大 多数研究仍然处于理论研究和仿真阶段，真正实用的直接转矩控制调速系统还不 多见，因此说本论文从事将理论转化为实际工程应用的工作具有非常实际的意义。 论文针对其主要控制对象电机转矩及定予磁链提出了相应的控制方法，采用 了优化的定子电压矢量控制方式，使得定子磁链轨迹为六边形或者近似为圆形， 转矩响应迅速。本控制系统结构简单，具有很好的实用价值。 1 5 本论文的内容安排 论文的工作要求是通过理解直接转矩控制技术的基本方法，设计一个电机控 制的小系统，其中包括硬件设计和软件设计以及试验环节。本论文内容安排如下： 在本章绪论的基础上，本文第二章安排介绍直接转矩原理。这一部分内容包 括对系统的基本概述，之后分析电机数学模型，在逐层推导下得到转矩以及定子 磁链和电压矢量之间的关系。接下来阐述电压空间矢量的概念，以及与其相关的 一系列内容，进而得到六边形磁链控制和圆形磁链控制方法。 第三章承接第二章介绍设计的直接转矩控制系统组成，这部分内容主要介绍 磁链闭环控制方法和转矩闭环控制方法。 第四章本文安排硬件控制系统设计介绍。在介绍过核心控制元件d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 的一系列相关知识之后，进行控制器的硬件设计，i p m 以及外围基 本电路的设计和多路隔离电源的设计等等。 第五章进行控制系统的软件设计。首先介绍了软件开发环境和方法，接着主 要介绍直接转矩控制方法的软件实现过程。 第六章主要给出试验结果并且进行筒要分析。最后对全文进行总结。 西北工业大学硬士学位论文 第2 章直接转矩控制技术原理 第2 章直接转矩控制技术原理 在介绍直接转矩控制技术原理之前，首先介绍一下系统综合概述，之后将介绍 一下直接转矩控制的基本思路，然后将对基本原理展开逐层分析。 2 1 系统综合介绍 一个电机控制系统的组成，如图2 一l 所示，一般包括控制单元，逆变单元和 电机本体以及信号检测单元四部分。逆变器单元一般包括逆变器本身及其驱动电 路部分，主要负责将直流电压变换成电机运行所需的可控供电电压；采样单元的 作用是对电机的一些信号进行检测，作为控制策略的必要数据，一般是对位置、 速度、电流、电压等信号的检测；控制单元通过对采样单元获得的数据进行处理， 主要负责控制算法的实现，输出逆变器的驱动信号。基本控制过程为控制器通过 检测单元检测相应的信号，根据不同控制指标，采用具体对应控制策略最后给出 逆变器具体的开关方式，带动电机进行运转。 图2 1电机控制系统框图 对于交流电机调速系统来说，控制策略的选择目前以变频控制为主，方法主 要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制等。 恒压频比控制方法是使逆变器输出的交流电压幅值和频率的比值维持恒定， n 口u f ：c ，这种控制方式虽然存在着低速性能较差的缺点但其在控制上比较易于实 现，在低频时可以通过定子电压补偿来获得一定的性能改善。但在低速时如果电 压补偿效果不好，极易造成电机磁场欠励或过励，进而造成电机在低速范围内转 8 堡! ! 三些盔兰堡主堂焦婆茎整! 兰 墨堡茎篓楚型垫查竖墨 速振荡，严重的时候甚至会造成机一电共振，烧毁电机。 电枧调逮麴关键在子转矩的控制，。藤由予交浚电枧本身是一个j # 线性、多变 量、强耦合、时变系统，对转矩进行直接控制比较困难。矢最控制方法从理论上 薅决了交渡毫撬转矩鹃控裁耀越。其蘩岑悉想怒在蓍避辫三趣交滚毫援上设法模 拟直流电机转矩控制的规律。猩磁场定向坐标上，通过坐标变换，将静止坐标系 中交流程流矢麓分薅成藏磁整流分量稻转矩奄滚分量，并餐鼹分量虿穰垂壹，彼 此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的转矩控制，从原理和特性上就和直 流电机相似了。医院矢登控制的关键就成为了对电流矢璧幅德稚空阉僚餮的控镪， 也即锵糨与藕合。采用矢量控制的好处是可以嶷现转矩的实时控制，同时也可以 避免蕊态时电流突变。 健在矢量羧剁中转予磁毽观测受恕枧参数豹影蛹较大，尤其是转予电阻会随 着温升和频率的变化耐发生较大变化( 有时高达5 0 ) ，而且电机转速测量谈差 毽极茹孽l 趁转予磁链潦差，这魏使终遮转藕邃方式臻玖获缮璞怒的效浆。为鼗嚣 前有不少基于柱线参数辨识对电机参数变化进行补偿的新方法提出，不过这些方 法采鞠了较复杂静控索l 瑾论稀箨法，佼缮整个蘩统蔓缮复杂、淀大。 直接转矩控制方法避开矢蹩控制中的两次坐标变换及求矢髓模与棚角等复杂 的计算工作，而直接谯定子坐标系上计算电视转矩与怒子磁链，通过转矩静诵节 控制，迅速碍到转矩蛹应。它姆控制恩想新颖，控告4 结梅简单，控制譬段直接， 信号处理的物理概念明确，控锚转矩响应迅速，是一种鼹有高静、动态性能的交流 谰速方法。 本文从事的异步电机直接转矩控制，主耍工作是对电机控制系统中的控制策 略遘符渡验验 菱。控潮鼹象是一台拳秘率三楼簿步毫撬，罴馔盏接转楚控剩方法 进行控制，逆变器使用i p m 三相逆变功率模块。本文将首先对电机数学模型避行 分析，逐步褥掰和宠予磁链以获转矩祷关酶瑗论公式。由予辩电撬转短静嚣节最 终是以改变逆变器的开关状态来实现的，因此将分析本文所用逆变器的开关状态， 进而褥到电压定间矢艇概念，通过分析电压空闻矢量与定子磁链矢羹和转矩的关 系，找到磁链矢量秘转矩的调节方法，也就是这里要验诞的直接转矩控制方法。这 一部分的内容在本章膳续介绍。 堕i 坚些型堡圭兰垡笙茎 釜! 兰塞堡茎堑量塑堇查垦堡 根据前述得到的基本控制方法，接下来设计一个简单的直接转矩控制系统， 包括控制器、逆变器、电机和采样四个部分。基本的工作过程和前面叙述的电机 控制系统相似。控制器采用高速数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心器件：逆 变器采用智能功率模块p m 3 0 c s j 0 6 0 ；电机采用已有的一台小功率三相异步电机； 采样部分电压采用分压采样，电流采用电流霍尔传感器b l t l 0 0 一p 采样。该系统的 基本组成介绍放在第3 章，相关的硬件部分设计放在第4 章介绍，第5 章介绍软 件设计。试验结果放在第6 章。 由于直接转矩控制需要的物理量是电机定子电压和电流，因此该系统中将包 括电压和电流的采样过程。电压采样，这里采用分压采样方法；电流采样，这里 使用电流霍尔传感器b l t l 0 0 p 进行。 直接转矩控制系统中涉及到电压电流的采样处理，电机定子磁链、转矩的计 算，还要对转矩和磁链的变换进行快速的调节，这些任务的实现需要进行大量的 计算和复杂的模型建立，因此这里设计一个控制器来完成这些任务。 对于控制器来说，采用的电路设计可以是模拟电路，也可以是数字电路。由 于模拟电路器件复杂，易受外界干扰，稳定性比较差，因此控制电路的数字化设 计成为主要的发展趋势。直接转矩控制，控制原理清晰，结构简单，适于实现数 字化设计，因此本文控制器电路设计采用数字电路为主，辅以必要的模拟电路。 基于控制周期和控制算法的复杂程度以及器件外围电路的简易程度等因素的 考虑，核心器件选择为t i 公司生产的非常适于电机控制的高速数字信号处理器 ( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 对于逆变器部分采用三菱公司生产的外围电路简单内嵌功能丰富的智能功率 模块( i p m ) p m 3 0 c s j 0 6 0 。 对于需要的多路隔离电源，尽管通用的方法是设计多路隔离开关电源，但主 要由于时间原因，作者这里设计了一个比较简单的多路隔离整流稳压电源。 至于试验结果，由予主要工作目的是控制方法的实验验证，所以给出的是电 机稳定运行时的结果，对于电机启动和变速运行等情况，还有待作者更深入去研 究。 2 2 直接转矩的基本控制思想 1 0 匣j ! 三些查兰堡主堂垡堡茎 一 釜! 童 塞堡茎丝垄型垫查垦型 直接转矩控制技术( d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) ，简称d t c ，又称d s c ( d i r e c t s e l f c o n t r 0 1 ) ，是继矢量控制技术之后近十几年来发展起来的又一种高性能的新型交 流变频调速技术。 19 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出了d i r e c t s e l f c o n t r o l ( d s c ) 理论，通常译为直接转矩控制，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模 与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电机转矩与定子磁链，通过转 矩的砰砰控制，使转矩响应得到迅速的控制。交流电机的调速控制理论，从u f 恒定控制法到矢量控制法是一次飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法被认为是 第二次飞跃。 直接转矩控制方法的基本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上进行磁链、转矩计算，通过选择逆变器不同的开 关状态直接对转矩进行控制。不同于矢量控制技术，它不是通过控制电流、磁链 等量来间接控制转矩，而是直接以转矩作为被控制量进行控制。因此它并非要极 力获得理想的正弦波波形，也不是专门强调磁链的圆形轨迹，相反，从控制转矩角 度出发，强调转矩的直接控制效果，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。直接转矩控制不需要模仿直流电机的控制，也不需要为 解耦而简化交流电机的数学模型，它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模 型，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制中磁场定向采用定子磁链， 定子磁链计算过程中存在的电机参数只有定子电阻，这是一个比较容易得到的参 数；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，转子磁链计算需要知道电机转子电 阻和电感，而得到这两个参数比较复杂、困难。因此，直接转矩控制对电机参数 的依赖与矢量控制相比要小很多，控制性能，受参数变化影响也比较小。 在电机控制过程中，比较容易得到的物理量是电机的定子电压和电流，直接 转矩控制就是通过这两个物理量进行电机定子磁链和转矩的控制。定子磁链轨迹 采用六边形轨迹或者近似为圆形的控制方法，也就是将定子磁链的幅值变化限定 在一个比较小的范围内，定子磁链的幅值一旦超出这个范围，相应改变定子电压 矢量，控制其回到该范围内，第3 章中将详细介绍这种控制方法，称为两点式控 制。为实现这一控制，并且考虑到逆变器件所能承受的开关频率，将定子磁链的 西北工业大学硕士学位论文 苎! 兰皇堡壁望堡型茎查堕望 不同区域采用不同定子电压矢量轨迹分为六个区，对定子磁链实行分区控制 使得定子磁链的轨迹为六边形或者近似为一圆形。对于转矩调节采用三值调节器 ( 第3 章中将详细介绍) ，以实现转矩的快速凋节。 介绍过基本的控制思路之后，本章接下来介绍直接转矩控制技术的基本原理， 将对电机数学模型，逆变器开关状态和电压状态，电压空间矢量概念，电压空间 矢量和定子磁链以及转矩之间的关系，电压空间矢量的合成等几个方面进行介绍， 从而得到直接转矩控制的基本方法。 2 3异步电机基本数学模型 根据空间矢量的数学分析方法，在正交定子坐标系( 口一芦坐标系) 上描述 异步电机的等效电路图( 忽略铁损) 如图2 - - 2 所示，其中主要物理量的意义如下： “。( f ) 定子电压空间矢量； f ，( f ) 定子电流空间矢量； i ，( f ) 转子电流空间矢量； 0 ) 定子磁链空间矢量； y 。( f ) 定子磁链空间矢量的时间导数； 矿，( f ) 转子磁链空间矢量； 1 f r ，( ) 转子磁链空间矢量的时间导数 电角速度( 机械角速度和极对数的积) 。 ，出掣， 图2 ，2异步电机的空间矢量等效电路图 1 2 西北工业大学硕士学位论文第2 章直接转矩控制技术原理 这里规定，将旋转空间矢量在a 轴( 如图2 - 3 ) 上的投影称为口分量，在正 交口上的投影称为p 分量，根据图2 - 2 ，有如下一系列方程： “s = r s 以+ 妒j 0 = r ，f ，一y ，+ j c o v ， y s = l i “= l ( i $ - - i r ) 妒，2 妒j l a i r 定子旋转磁场提供的功率如下： 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 图2 - 3空间矢量分量的定义 p = c o s t d = 罢r e 帆国= 三( 乱。+ 而却) ( z - s 其中国。是定子频率( 定子旋转磁场的频率) 。并且有如下关系存在： 虬= 7 。l ( 如口+ j i 。卢) ( 2 6 ) 则依据图2 - 3 有： 1 ；，s 口= 一国s l is 8 2 一s l l ，s b ( 2 7 ) 访8 = 国，l f 。= s y 。口 ( 2 8 根据公式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 则可以推算出转矩的计算公式如下： t d = 昙( 1 f ，s 口i 。卢一1 矿即；。口) ( 2 - 9 ) 而根据公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 9 ) 有可以推得如下的转矩计算公式： 丁a = 去兰( y 彬口嘶枷) 。 而矿阳y ，。一y s 口矿印表达的是定子磁链和转子磁链之间的交叉乘积，可以写 成iy s i l 虬i s i n 8 ，这里p 是定子磁链和转子磁链之间的夹角，即磁通角，因此 嚣北王蛾大学硕士攀位论文 端2 章童接转蜷控制技本麟理 ( 2 - 1 0 ) 式霹激写裁舞l 下形式： t d = ：1 。31 酶| | 酊l s i n o 幻z 。 。 爨藏蜀翔魄槛蠡誊转簸巍窀予疆毽 矢量与转予磁链矢蛩之闻的交叉乘 积筑疆珑。转予疆链弼以稷攒公式( 2 2 ) 通过改搬转子电流来实璃。而 定予磁链可殴聚据式( 2 一1 ) 以定予 0 銎2 一电馥 状态下定转子磁链阕关系 逛压的积分慕敬变。豫态转筑的计算则是根掇浅( 2 - i i ) 通斑对转予磁链与磁通 煮毋国懿诗簿慕宠成。转矩窝纯魏大夺遗过敬燮定予磁链逶穗溉遴翡警建邃嶷簌 霉改变磁遴角移来癸璇控键 辩鹜2 - 4 辑录；。 2 。曩 逆燮器舞奖状态耨电鹱状态 零论文菇爹毫瓿藏攘转瓣控裁采用懿逡突瀑翔潮2 一s 辑零为邀毯测理想邀变 器，由兰组、六个开关管( s a 、s b 、s c 、s a _ 、s b _ 、s 屯 组成，氆就麓瀵常新说翡 三章g 邋燮嚣。零文荚予_ 遂变嚣辩有关沦述郡鼹潼子送摊遂交魄蘸，辩予其魏遴嶷 电路，本文不避行介绍。其中，s a 和s d 一、s b 和s b _ 、s c 和乳+ 盼状淼甄为相反，郎 s a 袋“1 ”( 嚣遴) ，掰s 屯敬“0 ”( 关闭) ，反之，s a 取“0 ”，捌s a _ l 襄“t ”， 缴此类推。逡艇以上三管s a 、s b 、s c 为研究对糠，贝i j 它们的开篾组合肖2 3 = 8 种可能， 如轰2 一l 蓊示。 图2 5电鹾獭理想逆褒瓣 4 1 e h ( 、ij，1 墨兰三些查兰燮焦坚 笙! 主重堡鲎堑丝型茎查堡垄 为了符合直接转矩控制系统的工作情况，这里重新编排一下上述的各个状态 如表2 2 所示，当逆变器处于l 6 状态时，逆变器将输出相应的电压，而当其处于 作 表2 1 逆变器的8 静开关组合状态 状态 0l2 34567 8 ao101 o1o1 s b0011 00l1 l s coo0 ol1ll 7 和8 两种状态时，输出电压为0 ，因此这里把逆变器的1 6 状态称为工 表2 - a 逆变器的8 种开关状态 l 状工作状态零状态 态 12345677 ( 8 ) s ao01ll0o1 s b1000l10 1 s cl1100001 状态，而把7 和8 两种统称为零状态。本论文中用“s 咖”或者“s 女”表示 逆变器的各种状态，这里k = l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 ，如工作状态1 可写成s o 或者s 1 ，以此类推a 相应的输出电压状态记为“政。表2 - 3 说明了逆变器的各 种状态和输出电压状态之间的关系。 表2 3 逆变器的开关状态和相应的输出电压状态 状工作状态零状态 态 l2345677 ( 8 ) 开 s o l ls o r es 1 0 ls 1 0 0s 1 1 0s o r es o o os 1 1 1 关 状 态 ( s 1 )( 5 2 )( s 3 )( s 4 )( 5 5 )( s 6 )( s 7 )( s 8 ) 输出电 压状态 u s 0 1 1煳】u s l 0 1“s 1 0 cm 5 1 1 c矾i 0 1 cm 由0 0u s l l l 堕些三些查堂堡主兰焦堕墨 苎! 兰 堕堡堕堑塑型垫查堕里 2 5 电压空间矢量 2 5 1 p a r k 矢量变换 在对电机进行分析和控制时，运用p a r k 矢量变换对三相电压进行处理，将三 维标量变换成二维矢量。三相异步电机中对称的三相物理量如图2 3 所示，选三相 定子坐标系的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴重合，则物理量x 。( 0 、x 5 ( f ) 、 x 。( f ) 的p 砌：矢量x ( f ) 为： x ( f ) ：昙 x 。( f ) + p x b ( f ) + , 0 2 x c ( f ) ( 2 1 2 ) 式中p 复系数，即旋转因子，p = p j 2 万乃。旋转矢量x ( r ) 的某个时刻在 某相轴线a 、b 、c 轴上的投影即为该时刻该相物理量的瞬时值。 2 5 2 电压空问矢量 根据逆变器的基本理论，当开关处于不同的状态时，逆变器的各相输出电压的 幅值如表2 4 所示，如果把逆变器的输出电压用电压矢量来表示，则逆变器的各种 电压状态和次序就有了空间的概念，这就是所说的电压空间矢量。直接转矩的控 制系统就是从分析电压空间矢量开始的。 表2 - 4 逆变器的开关状态和各相输出电压幅值的对照关系 开关 状态 j ls 2s 3 s d s 5s 6 s 7 s 8 输 0 1121 1 出 u a j “dj 蚴一j 一i “d 一i u d 一j 黝 o0 各 j 2 相 ，) 1 j 蝴j 蚴o0 电 mb 11 压 j 黝一j “矗一j 蚴一j 呦 的 幅 u c 1211l 值 j 黝j 鲫j 黝 一i h di h d i u d ，oo l 其中“。、“6 、“。分别为a 、b 、c 三相定子负载的相 型! 三些鳖堡主堂垡堡苎 篁! 童塞塑堑篓型垫查堡垄 根据 p a r k 矢量变换，若电机三相负载的定子绕组接成星形，则逆变器输出电 压空间矢量“；( f ) 的p a r k 矢量变换表达式为： “。( f ) = 罢k 。( f ) + “6 ( f - ) d 2 = 3 + u c ( r ) 已j 。”，3 ：“。) + ，“卢o ) ( 2 1 3 ) 电压。如此即可用空间电压矢量“。( f ) 表示逆变器三相输出电压的各种状态。 若用空间矢量表示，则形成了8 个离散的电压空问矢最。相邻两个工作电压空间矢 量在空间的位置相隔6 0 。角度，6 个工作电压矢量 的顶点构成六边形的6 个顶点，如图2 6 所示。依据 表2 4 和公式( 2 1 3 ) 的推算，可以得到各个开关状 态在口一声坐标系下的瞬时输出电压，也就是“口 和“8 的瞬时值，如表2 5 所示。从表2 5 可以看出， 当开关处于零状态时，输出电压处于口一卢坐标系 的原点位置，正如图2 6 所描述的那样。 图2 6各相电压矢量 通过分析各个电压空间矢量和定子磁链以及和转矩之间的关系，就可以逐步 理出一种简单的控制策略，这就是本文所说的直接转矩控制技术。下面就对这两 种关系进行介绍分析。 2 6 电压空间矢量与定子磁链之闻的关系 异步电机容易得到的物理量为定子电压和定子电流，为控制定子磁链恒定， 首先来考察定子磁链与这两个量之间的关系。 在前面的分析中，我们根据图2 1 得到公式1 2 1 ) ，现将其改写成如下形式： 矿q ( f ) = ( “。( ) 一i s ( f ) 月s ) 协 ( 2 - 1 4 若忽略定子电阻压降的影响，则有： l c ，q ( f ) = j ( u s ( t ) d t ( 2 1 5 要些三訾奎笺堕圭善些笙苎一一 苎! 童塞堡鲎塑量型垫查堡里 上式说明定子磁链空间矢量和定子电压空问矢量之间为近似的积分关系，则 有磁链空间矢量在相位上要落后电压矢量9 0 。由于数字信号处理器处理的是离散 数据，对于离散的电压数据，公式2 1 5 的定子磁链数值计算用如下差分公式代替： y s ( n ) = u s ( n ) t s + y s 研一1 ) ( 2 1 6 ) 式中：n l 。 丁s 采样周期； u s ( n ) 当前电压矢量； d 一 糕 y ，j 想 图2 - 7定子电压空间矢量与定子磁链空间的矢量的关系 前面已经论述过了，u f ( ，z ) 电压矢量是由逆变器三相开关管的开关状态决定 的。而定子电压空间矢量决定定子磁链的空间矢量，也就是说开关状态的选则决 定了定子电压空间矢量，也同时决定了磁链空间矢量的旋转方向，面磁链空间矢 量幅值则和不同的电压空间矢量所作用的时间有关。当开关状态选择为工作状态 时，定子磁链会按