（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车直接转矩控制技术的仿真研究.pdf

哈尔滨理丁大学t 学硕i ：学位论文 电动汽车直接转矩控制技术的仿真研究 摘要 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交 通、安全法规各项要求的车辆。异步电机因具有结构简单、制造容易、价格 低廉、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、易于维护等优点已成为动力驱动 系统的主流。异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，迅速发展 起来的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术。该控制技术控制思想 新颖，控制结构简单，控制手段直接，是一种具有良好的静态与动态性能的 交流调速方法，已成为交流调速传动中的研究热点。 本文以交流异步电机作为电动汽车的驱动电机，在考虑电动汽车驱动系 统运行特点的前提下，将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统，并结 合电动汽车的实际情况，对电动汽车直接转矩控制系统进行建模仿真。整个 仿真系统的研究采用递进式。在直接转矩控制技术方面，对直接转矩控制理 论进行分析，针对传统的直接转矩控制系统在低速段磁链观测不准确的问 题，提出了新的磁链观测方法，并通过仿真验证，证明了在低速运行时，改 进后的方案比传统方案更能准确的反映磁链的变化。在直接转矩控制技术应 用于电动汽车方面，建立了电动汽车动力学数学模型，将直接转矩控制方案 与电动汽车动力学模型结合，根据电动汽车典型行驶工况，在全速范围内对 电动汽车的运行特性进行了仿真，证明了直接转矩控制方案的优越性能。 关键词电动汽车；驱动系统：直接转矩控制 哈尔滨理t 人学丁学硕 ：学位论文 s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l t e c h n o l o g yo f e l e c t r i cv e h i c l e s a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) u s ev e h i c l ep o w e rs u p p l ya st h e i rp o w e r , u s i n gm o t o r t od r i v et h ew h e e l st or u n t h e ya r ev e h i c l e st h a tc o n f o r mt ot h er o a dt r a f f i cr u l e s a n dt h es a f e t yr e g u l a t i o n s a s y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo f p o w e rd r i v es y s t e m ，b e c a u s eo f i t ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s ym a n u f a c t u r e ，l o wp r i c e ， s t u r d i n e s s ，d u r a b i l i t y , s m a l lr o t a r yi n e r t i a ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c e ， a n do t h e rm e r i t s d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yo fa s y n c h r o n o u s m o t o ri san e wt y p eo fh i g h p e r f o r m a n c ea cd r i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yt h a ti s q u i c k l yd e v e l o p e df o l l o w i n gv e c t o rc o n t r o l ( v c ) t e c h n o l o g y i ti sa ne x c e l l e n t a cd r i v ec o n t r o lt e c h n i q u ew h i c hh a sh i g hs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ef o r i t sn o v e lc o n t r o li d e a ，s i m p l es t r u c t u r ea n dd i r e c tm e a n so fc o n t r 0 1 s oi th a s b e c o m et h er e s e a r c hh o ts p o ti nt h ea cd r i v es y s t e m i nt h i sp a p e r , a ca s y n c h r o n o u sm o t o rw a su s e da st h ed r i v ee n g i n eo fe v c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e m ，t h e i d e ao fd t ct e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e m c o m b i n i n gw i t ht h er e a lc o n d i t i o n so fe v , t h ew h o l ed t cs y s t e mo fe vw a s m o d e l e da n ds i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rt h ee n t i r es y s t e mi s p r o g r e s s i v e i nd t ct e c h n o l o g y , d t ct h e o r yw a sf u l l ya n a l y s e d i nv i e wo f i n a c c u r a t ep r o b l e mo nf l u xl i n k a g eo b s e r v e da tl o w - s p e e dr a n g eo ft r a d i t i o n a l d t cs y s t e m ，an e wf l u xl i n k a g eo b s e r v a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d t h e n ，t h e i m p r o v e ds c h e m em o r ea c c u r a t e l yt h a nt h et r a d i t i o n a lo n et or e f l e c tt h ec h a n g e s i n f l u xl i n k a g ea tl o ws p e e dl u l l - t i m ew a sp r o v e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n c o n f i r m a t i o n i nt h ea s p e c to fa p p l y i n gd t ct e c h n o l o g yi ne v , t h ed y n a m i c s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe vw a sb u i l t c o m b i n i n gd t ct e c h n o l o g yw i t ht h e e l e c t r i cv e h i c l ed y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l a c c o r d i n gt ot h et y p i c a ld r i v e c o n d i t i o no fe v , t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fe vi ss i m u l a t e da tf u l ls p e e d i i 哈尔滨理丁人学- t 学硕l ! 学位论义 r a n g e t h er e s u l tv a l i d a t e dt h es u p e r i o r i t yo fd t cs c h e m e k e y w o r d s e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) ，d r i v es y s t e m ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电动汽车直接转矩控制技 术的仿真研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将由本人承担。 作者签名：犀张碍日期：沙净3 月2 4 f 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电动汽车直接转矩控制技术的仿真研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 玺张擤r 期：妒年3 胗ir 日期：2 矽 年；月1 日 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电动汽车拥有近乎和内燃机汽车一样长的历史，已经1 0 0 多年了。1 8 8 6 年，在伦敦呈现出第一辆带有电池的电动汽车。1 8 8 9 年，在美国，t h o m a s e d i s o n 提议以“电力轻便小汽车”命名了第一辆电动汽车。大约在1 9 0 0 年， 电动汽车以其无噪音、无污染排放等的优势开始出现在上层阶级的奢侈汽车行 列。但是在1 9 1 5 年后，随着供燃油使用的电启动装置被发明后，使得燃油汽 车迅速发展，而电动汽车则从公路和城市的街道上销声匿迹【l 】。上世纪7 0 年代 以来，随着世界汽车保有量的增加，内燃机汽车所带来的环境污染问题和全球 性石油资源危机使得全世界又重新求助于电动汽车，由此电动汽车的推广应用 和技术开发受到了世界各国的普遍重视【2 】。电动汽车是指以车载电源为动力， 用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆【3 1 。目前，电 动汽车主要包括由电池提供能源的纯电动汽车；既有传统内燃机发动机又有电 池供电电动机的混合动力电动汽车；燃料电池电动汽车三种【4 】。 近些年来，国外著名的汽车厂商都在研制各类电动汽车，并取得了一定的 成就。如同本的丰田公司在1 9 9 7 年1 2 月推出了世界上第一款批量生产的混合 动力轿车p r i u s ，并在2 0 0 0 年后开始出口北美、欧洲。美国的三大汽车公司 ( 通用、福特、克莱斯勒) 已于1 9 9 8 年在北美国际汽车展上展出了混合动力 汽车，在此基础上已推出了三款混合动力车g mp r e c e p t 、f o r dp r o d i g y 、 d a i m l e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 ，并且其在纯电动汽车和燃料电池电动汽车方面 也取得了不小的成就1 5 i 。 我国从7 0 年代开始研制电动汽车，曾经制造出一些样车进行试验，但由 于资金、人力有限，未取得什么进展。1 9 9 2 年，电动汽车第一次被列入国家科 技攻关项目。1 9 9 6 年，国家科委把电动汽车列入“九五”国家重大产业工程项 目，至此，我国全面拉开了电动汽车研究与开发的序幕【6 i 。“十五”期问，国家 设立“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高等院校和科研机构进行联 合攻关，已取得了一定的成绩。如东风汽车集团已研制出神龙富康纯电动汽车 ( 总重量1 6 2 0 k g ，最高车速8 5 k m h ，加速性能o - - 5 0 k m h ，加速时间小于等于 1 0 s ，5 0 k m h 匀速行驶续航里程1 5 0 k m ) 、e q 7 2 0 0 混合动力轿车和e q 6 11 0 0 混 哈尔滨理t 人学r t 学硕l ：学位论文 合动力公交客车；上海汽车集团依托高校( 如同济大学) 方式已研制出两款燃料 电池轿车；长安汽车公司联合清华大学等研制出混合动力长安轿车整车匹配项 目。另外国内的高校如北京理工大学已研制出纯电动豪华旅游车和纯电动低地 板公交车样车；西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了1 5 项国家 发明专利，在电动汽车驱动控制和能量回收技术的研究中，率先将h o o 鲁棒控 制应用到电动汽车能量回收技术上，提高了车辆的一次性充电的续航里程。哈 尔滨工业大学电气学院程树康、崔树梅承担的“十五 国家“8 6 3 ”重大专项 课题“解放牌混合动力客车电机及控制系统”也取得阶段性成果，获得国家科 技部有关专家高度评价等等f 7 】。 从外形上，电动汽车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在动力 和驱动系统。电动汽车的结构是使用电动机驱动，行驶时，由蓄电池输出电 能，通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经由传动系统带动车辆行 驶。车辆在行驶过程中，驾驶员是通过控制电动机的转矩来实现汽车的起步、 加速、减速等一系列的操作，所以快速、准确、可靠的控制驱动电机的转矩， 在电动汽车研制中是至关重要的。尽管电力驱动在各种类型的电动汽车中的靠 置及结构稍有区别，但均包括以下几个部分：电机驱动装置，机械传动装置和 车轮，其中机械减速器有时可以省略【8 】。电动汽车电气驱动系统是电动汽车的 心脏，它主要由3 大部分组成：电机、电力电子和控制技术，而电机又是电气 驱动系统的核心，电机有直流电机和交流电机两种。电机的性能、效率直接影 响电动汽车的性能【9 】。交流感应电机驱动系统以其批量生产的性价比高，可靠 性高、易于维护等优点正在成为2 1 世纪电动汽车驱动系统的主流 10 1 。而在交 流驱动系统中，主要采用异步电机、永磁同步电机以及开关磁阻电机。异步电 机以其成本低，坚固耐用，调速范围宽、能实现再生反馈制动，具有较好的稳 态和动态特性等特点正在被广泛应用在电动汽车驱动系统中【川。目前针对异步 电机的调速控制方法主要有恒压频比开环控n ( v v v f ) 、转差控制、矢量控制 ( v c ) 以及直接转矩控$ 1 ( d t c ) 1 1 2 。 恒压频比开坏控制实际上只控制了电机磁通而没有控制电机的转矩，采用 这样的控制系统对异步电机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能 要求一般的通用变频器上。 转差控制是根据异步电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机的转 矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电机的 电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在异步电机的 稳态数学模型基础上的，它适合于电机转速变化缓慢或者对动念性能要求不高 2 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 的场厶【1 3 l4 1 。 矢量控制被提出以来，人们提出了各种矢量控制的实现方案，包括转子磁 场定向矢量控制、转差频率矢量控制、标量解耦控制。矢量控制理论采用矢量 分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模 型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流 解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就 可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态 性能【1 5 】。可见矢量控制的提出具有划时代的重要意义，但是在实际应用中，由 于矢量控制所需的转子磁链参量难于准确观测，系统性能受电动机参数的影响 较大，且在等效直流电动机控制工程中所用矢量旋转变换较复杂，使得矢量控 制的实际效果难于达到理想分析的结果。 直接转矩控制技术在很大程度上解决了矢量控制的不足。本文研究的电动 汽车用驱动系统就是基于直接转矩控制的交流异步电机驱动系统。 1 2 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出了直接转矩控制的理论，随 后，同本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控 制效果。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标 变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量计算电机的磁 链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点【1 6 1 ： 1 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，计算过程简单。 2 直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。而定向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 直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制，而不是 像矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来i 、日j 接控制转矩。 综上所述，直接转矩控制技术可概括为：是用空间矢量的分析方法直接在 哈尔滨理t 大学丁学硕i ：学位论文 定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，借助于离散的两点式调节( b a n g - b a n g 控制) 产生p w m 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动机数学模型的简化处理， 没有通常的p w m 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 直接转矩控制的发展现状 经过2 0 多年的发展，直接转矩控制理论已经r 趋成熟，许多文章从不同 的角度提出了新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现 了许多基于模糊控制和人工神经网络的d t c 系统，控制性能得到了进一步的 改善和提高。现主要对直接转矩控制中各控制环节的改进研究概括如下： 1 磁链调节和转矩调节的细化改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空问电压矢量，不 同的电压矢量对磁链、转矩有不同的作用。传统直接转矩控制一般对转矩和磁 链采用单滞坏控制，根据各滞环的输出结果来确定当前的电压矢量。因为不同 的电压矢量在不同的瞬间对转矩和定子磁链的调节作用互不相同，所以，只有 根据当前转矩和磁链的实时偏差合理地选择电压矢量，才有可能使转矩和定子 磁链的调节过程达到比较理想的状态1 1 7 , 1 8 l 。显然，转矩、磁链的偏差区分得越 细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就会越好【l 们。 2 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定，容差本身是一个难于控制的模糊量。有 学者提出了模糊开关状态选择器的概念，选择器的输入为转矩误差、磁链误差 和磁通角的模糊量。模糊开关状态选择器在转矩误差域上定义了五个模糊子 集：n l ，n s ，z ，p s 和p l ；在磁链误差域上定义了三个模糊子集：n ，z 和 p 。该选择器的应用将使系统响应速度加快、系统超调量减小、抗扰动能力增 强1 2 0 2 1j 。但这种方案也存在一些难于克服的缺点，如模糊控制算法的应用中， 由于人为选取的模糊状态选择器中各变量，隶属度具有较大的主观性和盲目 性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在，甚至还会变得更差。为了解 决这个问题，e v r l n a r a s i m h a m 等人提出了采用遗传算法来学习转矩误差的 隶属度函数分布，以达到进一步提高转矩响应速度与减小转矩谐波和电流谐波 的目的1 2 2 1 。 4 哈尔滨理r 人学丁学硕l j 学位论文 3 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中，磁链的计算要用到定子电阻尺。，在中高速 时，如果忽略r ，对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。但在低 速时，定子电阻上的压降分量比重很大，忽略r ，或认为它是常数将使所计算的 磁链幅值、相位偏差很大。为了解决此问题，a s a y c e d 等人提出分别采用模糊 控制和p i 控制对定子电阻进行观测f 2 3 】，我国也有学者提出模糊神经网络定子 电阻估计的方法。 4 无速度传感器理论 在速度检测方面，传统的控制系统要求有速度传感器，存在成本高、安装 维护困难、系统易受干扰、可靠性降低、不适于恶劣环境等弊端。采用无速度 传感器技术是当今交流传动发展的趋势【2 4 1 。a a b b o n d a t i 等人首次报道了无速 度传感器矢量控制的异步电动机调速系统；t o n t a n i 首次提出理论意义上的转 速辨识方法；1 9 8 7 年，t a m a l s h i n z o 采用模型参考自适应( m a r s ) 的方法实现 了对电动机转速的自适应辨识【2 5 1 ，后来，国外专家又在电动机全阶观测器的基 础上分别采用李亚普诺夫理论和波波夫理论推导出了电动机转速以及电动机 定、转子电阻的磁链观测器，我国也有这方面的论文发表【2 引。上述方法均是针 对矢量控制系统设计的，采用的状态变量是定子电流和转子磁链。目前，我国 也有学者提出了新型自适应速度观测器的理论 2 7 , 2 8 】，直接将闭环观测器观测的 定子磁链应用于直接转矩控制系统中，同时能够辨识出电动机的转速及电动机 参数。 1 4 研究目的及意义 近年来，为应对能源危机、环境污染和全球大气温室效应等问题，世界各 国纷纷投以巨资进行电动汽车的研究和开发工作。目前，中国国内电动汽车的 研究和开发尚处于起步阶段，电动汽车的研制流于“拼凑”，虽然在小范围内 如车站、码头、仓库等场所也使用了微型电动汽车，但公路用的电动汽车几乎 尚属空白。因此，我国的电动汽车的研制具有重要的现实意义。 交流电机驱动系统以其优越的静动念性能很适合用于电动汽车，并将成为 电动汽车驱动系统的主流，可推动电动汽车产业化早同实现。交流电机的调速 控制技术是驱动控制系统的关键，由于电动汽车电源功率有限，故需要该驱动 系统的效率要高，结构简单，控制有效、直接以适应各种复杂情况下的路况， 因此控制技术的选用占有十分重要的地位。 哈尔滨理t 人学丁学硕l ：学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 直接转矩控制方法简单，受电机参数变化的影响较小，在其u i 模型中只 要能精确估计出定子电阻j r 。的值，就可以准确计算出定子磁链，其性能优于矢 量控制，这是一种很有前途的控制方法，而电动汽车又是一个新兴产业，具有 很广阔的应用市场，故选择了课题：电动汽车直接转矩控制技术的仿真研究。 目的是通过理论推导、m a t l a b s i m u l i n k 建模仿真的手段来寻求该系统的最佳解 决方案。 论文的主要研究工作： 1 在分析异步电机数学模型的特点上，分析直接转矩控制技术的基本原 理。主要包括：分析空间电压矢量对电磁转矩和定子磁链的控制作用；分析与 设计磁链、转矩观测器，磁链、转矩调节器，转速调节器，电压矢量选择模 型；分析与实现磁链区间的判断。 2 分析磁链观测模型，针对传统磁链观测模型的局限性，通过理论推 导，提出一种改进型的磁链观测模型以改善传统模型低速时观测不准确而造成 的低速性能。主要包括：分析u f 模型，i 一行模型和u n 模型的构成及原 理；分析采用低通滤波器取代传统积分器的磁链模型原理与不足，推导出磁链 补偿公式；分析设计直接转矩控制系统的启动策略，把磁链、转矩分为多个状 态，根据磁链、转矩的不同状念选用最佳的电压状态矢量。 3 建立直接转矩控制的仿真模型，对传统直接转矩控制方案中的典型控 制方法与本文所研究的改进型方法进行仿真，通过分析、比较，验证后者的有 效性。 4 建立电动汽车动力学模型，将直接转矩控制方案移植到电动汽车载体 中，选择典型工况，利用m a t l a b 软件仿真电动汽车的运行特性，验证直接转 矩控制方案的优越性能，为电动汽车用异步电机直接转矩控制方案的实现提供 理论支持。 6 哈尔滨理t 人学t 学硕，l ：学位论文 第2 章直接转矩控制的理论基础与基本原理 交流驱动系统以其优越的性能很适合为电动汽车提供驱动动力，而在交流 驱动调速方案中，直接转矩控制技术以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结 构，优良的静、动态性能，将成为交流驱动系统的理想控制方法，故本章对直 接转矩控制的理论基础与基本原理做出比较系统的介绍，其中理论基础是理解 直接转矩控制的前提，尤其是矢量变换部分，虽然直接转矩控制不需要矢量旋 转变换，但矢量分析的方法是分析直接转矩控制的主要方法 i 5 1 。 2 1 空间矢量的概念和原理 异步电动机的坐标系是按异步电动机的实际情况来确定的，矢量坐标变换 就是按这个实际情况进行的，这样做的目的是为了物理意义更实际、更清晰。 三相坐标系的三个坐标轴分别用口，b ，c 表示，两相坐标系的两个坐标轴分 别用口一表示，通常使口轴和口轴重合，如图2 1 所示。 图2 1 两相、三相坐标关系 f i g ，2 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w o - p h a s ec o o r d i n a t e sa n dt h r e e - p h a s ec o o r d i n a t e s 三相电动机的电压、电流、电动势、磁链等均是三相电磁量。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，则将三维物理量变成了两维 物理量，给分析和计算带来很多方便。为此，引入p a r k 矢量变换。p a r k 矢量 变换将一个三维的标量变换成一个二维的矢量。这种变换对于时间函数同样适 用。若用圪、k 、分别表示三相电磁量在三相坐标系中的瞬时幅值，用v 表示合成作用矢量，则p a r k 矢量变换关系为： ，一2 x ，! ! v = 三( 圪+ 圪p ，3 + 圪p 。3 ) ( 2 - 1 ) 7 哈尔滨理t 大学丁学硕1 学位论文 矢量y 成为p a r k 矢量，它代表三相电磁量某一时刻合成作用在坐标系中 的空间位置，所以称为空问矢量。 对于三相电动机来说，空间磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量确实存在 的，而电流矢量和电压矢量并不存在，但是磁动势与电流密切相关，电压与磁 链密切相关，所以仍可以定义电流和电压空间矢量【1 4 1 ，它们分别表示三相电流 和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。 进行直接转矩控制时，在定子坐标系中需要进行三相与两相坐标之间的变 换。这种变换要遵循旋转磁场等效原则和功率不变原则。分别用屯、以、f c 表 示三相电流的瞬时值和分别用u 。、u 。、u 。表示三相电压的瞬时值，他们的合 成作用分别用矢量，、表示，、以在口一坐标系中的两个分量分别用f 。， i , p 和“蛐，u 印表示。 于是，三相到两相( 3 2 ) 的电流变换矩阵方程式为： ll 22 囊压 22 1l 扼应 三相到两相( 3 2 ) 的电压变换矩阵方程式为： 阱 l 2 压 2 1 压 州番喜 i 22压 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 。 o l 压 压怄 = 1，j m 妒o n 一 “ “ “ 一：2笪2一f应 。 o 。一压 。l 一2 3 1，j 口 芦)k o ，旷iiiijih卜j 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位论文 阡h 2 2 异步电机的数学模型 0 2 订 2 ( 2 - 5 ) 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在建立 数学模型时可以做以下假定： 1 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所产生的磁势沿气隙周围按f 弦分 布。 2 忽略定子和转子铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，各绕组的自感和 互感是线性。 3 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。 在建立交流电机的数学模型时，采用空间矢量的数学分析方法，使问题变 得特别简单明了。图2 2 a ，2 - 2 b 分别是异步电动机空间电压矢量的等效电路 图 2 9 1 和各量的矢量刚1 4 】。 娜l a )b ) 图2 2 异步电动机等效电路及备量等效欠量图 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dv e c t o rd i a g r a mo fi n d u c t i o nm o t o r 图中f ，为定子电流空问矢量，f ，为转子电流空间矢量，缈。为定子磁链空问 矢量，y ，为转子磁链空i 、b j 矢量，l 盘和l 。分别为定子、转子漏感，l m 为定转 子绕组问的互感，l s 为定子绕组全电感，l r 为转子绕组全电感，r ，为定子电 阻，尺，为折算到定子侧的转子电阻。 9 口 k 锄o 一 一 r_，j 上压上压上压 哈尔滨理工人学t 学硕l ：学位论文 根据异步电动机的等效电路图与各量的等效矢量图可得异步电动机的数学 模型，其主要包括磁链方程、电压方程和转矩方程三部分。 1 磁链方程： 定子磁链： 转子磁链： 励磁磁链： y ，= l ，i ，+ l 。i ， 缈，= l ，i ，+ l 。i ， 缈。= k ( + ) t = l 田+ l 。；l ，= l 。+ l 。 将2 - 6 和2 7 写成口一多分量形式分别为： l y ，口= t t 。+ l 。i 。 1 1 l s b 2 l s i s p + l 。i r 8 i y ，。= l ，i 。+ 三。f 。 l 沙印= l ，i 咿+ 三。f 妒 2 电压方程： 异步电动机定转子绕组电压平衡方程式为： 写成口一分量形式为： 盱牲。+ 鲁 ， i r r r 一等+ j 唧r = o i “，口= 。r ，+ p g ；口 0 s p 2 i s p r s + p g , p l f ，。r ，+ p 少，。一缈印= 0 r b r r + p g r b + 审。= 0 3 转矩方程： 电机的电磁转矩是由电动机中的电流和磁场相互作用而产生的， 1 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 而电机的 哈尔演理t 人学丁学硕l ：学化论文 定转子磁链以及励磁磁链都是由定转子电流产生的磁场合成的， 积为零，所以电磁转矩也可写成定、转子电流叉积形式： 33 疋= 号p 。l 。( f ，o f ，) = 号p 。l 。( f ，。f 妒一i s o , f 印) 由方程( 2 一l o ) 和( 2 1 1 ) 可得： 相同矢量的又 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) q 罐4 t = 吾专( y 辨口也批) 2j 3 p n 缈， ( 2 1 9 ) 式中三。= ( 三，三，- l 乙) l 。，将式( 2 一1 9 ) 改写成如下形式： r e = 3p _ 卫i q t ，鼽i s i n 0 ( 2 2 0 ) - 。6 t 式中：z 为电磁转矩，p 。为电机极对数，秒为定子磁链与转子磁链之问的夹 角，即磁通角。 由电机拖动理论知，对于恒转矩负载，异步电动机运动方程如下： r l ：塑( 2 2 1 ) 。p 。d t 上述方程中，t 、f 。口为电流矢量f ；的口、分量，o 、如为电流矢量f ，的 口、夕分量，y ，。、少妒为定子磁链矢量沙，的口、分量，。、印为转子磁 链矢量i | f ，的口、分量，”，。、“，口为电压矢量，的口、分量，p 为微分算 子，彩为转子角速度，为转动惯量，瓦为电动机的负载转矩。 一一一一一 哈尔滨理t 人学- t 学硕i ：学位论文 2 3 逆变器的数学模型 逆变器是交流电机直接转矩控制系统中的重要部件，通过对逆变器的控制 才能实现对电机的调速和控制，由于直接转矩控制需要用逆变器的输出电压来 直接控制磁链和转矩，因此，在直接转矩控制系统中选用电压型逆变器【3 0 1 ，其 理想模型如图2 3 ( 虚框外的部分) 所示，它由三组即六个开关( s 。、s 。、鼠、 s 。、s ，、s ，) 组成。把开关s 。、s 。称为口相开关，用s 。表示；把开关s 。、 s 。称为b 相开关，用s 。表示；把开关s 。、s 。称为c 相开关，用s 。表示。并且 规定，口、b 、c 三相负载的某一相与“+ 极接通时，该相的开关状态为 “l ”；反之，与“极接通时，为“0 ”态。由于s 。与s 。、& 与s 。、s c 与s 。 之间互为反向，即一个接通，另一个断开。根据逆变原理知，电压型逆变器工 作时同一桥臂上的两个开关器件不能同时闭合或断开，即它们工作状态是互补 ， 的，所以三组开关共有2 3 = 8 种可能的开关组合，其对应关系如表2 1 所示。 2 2 图2 3 理想电压型逆变器与负载 f i g 2 3i d e a lt h r e e - p h a s ev o l t a g ei n v e r t e r sa n d l o a d 对于负载为感应电机( 上图中虚框内部分为其简化模型) 的逆变器有： “。+ “6 + “。= 0 ( 2 - 2 2 ) 输入是恒定的直流电压时，采用各桥臂的开关状态表示可得到各相电压： 旷宰( 2 咒一咒一s o ) “6 ：_ u d ( 一s a + 2 s 6 s o ) ( 2 - 2 3 ) 旷宰( 一s 。一咒+ 2 s 。) 1 2 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 将逆变器输入开关状态与输出相电压对应关系结合起来列表如2 1 所示： 表2 1 逆变器输入开关状态和输出相电压对应关系 t a b l e2 - 1c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e ni n p u ts w i t c h s t a t ea n do u t p u tp h a s ev o l t a g e 开关状态 1 0 0 11 0 0 1 00 1 l0 0 l1 0 l0 0 0 、1 1 1 输 u 4 弘扛 一昙 2 ， 一扛扛 o 一：l d jj 出 u b一昙c ，d 扛弘扛 一昙 2 ，7 o 电 j j一了 压 一扛 2 ，1 ， 扛弘扛 0 “c 一j u d 一：u d j 2 4 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的基本结构 1 6 】如图2 4 所示，它的基本原理是：通过传感器 检测得到定子电流、电压，再经过坐标矢量变换得到的口一分量，然后通过 磁链观测模型和转矩观测模型分别获得定子磁链的实际值帆i 和转矩的实际值 t ，将定子磁链实际值k f 与给定值阿g f 输入磁链调节模型，通过滞环比较器 实现磁链自控制。转速给定值胛g 与通过速度检测装置测量的转速疗，之差经过 图2 4 直接转矩控制原理图 f i g 2 - - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 哈尔演理t 大学t 学硕f ：学位论文 转速调节模型得到转矩给定值巧，将转矩的实际值疋与给定值巧输入转矩调 节模型，实现转矩的自控制。根据磁链调节模型和转矩调节模型的输出，查询 电压空间矢量表，选择合适的开关状态，从而再控制逆变器输出。可以看出整 个控制过程为一个闭环控制，具有良好的动态控制性能。 2 4 1 定子磁链模型 定子磁链观测模型的准确性，可以说是直接转矩控制技术实现的关键。定 子磁链无论是幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，或者出 现不稳定。解决磁链问题的较为通用的方法为间接测量的方法，即通过测量的 定子电压、定子电流和转速等建立定子磁链的观测模型，在控制中实时地准确 算出定子磁链的幅值和相位，本节介绍三种常用的磁链观测模型：基于定子电 压和电流的磁链观测模型( u f 模型) ，基于定子电流和转速的磁链观测模型 ( f n 模型) 和基于定子电压和转速的磁链观测模型( “一n 模型) 。 1 基于定子电压和电流的磁链观测模型( u f 模型) 根据定子电压方程有： 誓飞一r t ( 2 2 4 ) 以z 积分后写成口一轴上的分量形式即为： 卜2 肛r m ( 2 - 2 5 ) l 妒= j 阻够一i , p r , d t 、7 则根据式( 2 2 5 ) 就可以确定定子磁链，将其表示为结构图形式如图2 5 所 示，称为“一f 模型。 图2 - 5 定子磁链“一i 模型 f i g 2 - 5 “一im o d l eo fs t a t o rf l u xl i n k a g e 1 4 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 由图和式( 2 2 5 ) 可知，用两个积分器便可计算出定子磁链，结构很简单， 但是实现起来存在如下问题： ( 1 ) 积分器存在漂移，为抑制漂移需引入反馈通道，反馈通道使输出信号 幅值和相移减小，随着电机转速和频率的降低，积分误差增大。 ( 2 ) 随着电机转速和频率的降低，的模值减小，由f ，r ，项补偿不准确带 来的误差就越大。 ( 3 ) 电机不转时e s = 0 ，无法计算磁链，也无法建立初始磁链。 一般在3 0 额定转速以上范围内，采用u f 模型法，该方法结构简单，精 度高，优于其他方法。 2 基于定子电流和转速的磁链观测模型( f n 模型) 由异步电机磁链方程和电压方程变换得： r1 r 帝 口竹 ( 2 - 2 6 ) i 啊= ( 。f ，。一z r 缈少，。) l z ，p 十1 上式中：r ，为转子时间常数，f ，= l ，r ，；缈是转子角速度，式( 2 2 6 ) 即为电 机的电流模型，另外，由电机的磁链方程得式( 2 2 7 ) ，如下： 够a + ( k + l o r ) i i a ( 2 - 2 7 ) l 沙，声缈，口+ ( l 四十l 。) f ，卢 将式( 2 2 6 ) 与( 2 2 7 ) 相结合即可得到电机磁链观测的f n 模型，表示为结构 图形式如图2 - 6 所示，称为f n 模型。 图2 - 6 定子磁链i 一刀模型 f i g 2 - 6 i 一以m o d l eo fs t a t o rf l u xl i n k a g e 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 该模型结构较为复杂，而且此法对电动机的参数依赖性较大，如模型中用 到了电机的定转子电感和互感，以及转子电阻等参数，转子电阻和电感是很难 测到的。故应用这种方法时，最好结合电机参数的在线辨识，如果能够解决电 机参数变化带来的影响，这种方法还是可以精确的观测出定子磁链的，所以可 以在3 0 额定转速下采用该模型。 为了更好地实现控制性能，可将u f 模型和i n 模型配合使用，高速时使 用u f 模型，低速时使用f n 模型，这种组合的切换模型设计方案如图2 7 所 示，这样可以解决u f 模型的积分漂移问题，但实际中简单的将两种模型连接 起来，其平滑切换困难仍未得到解决。 电j 模型 图2 7 定子磁链的切换模型 f i g 2 - 7s w i t c h o v e rm o d e lo fs t a t o rf l u xl i n k a g e 3 基于定子电流和转速的磁链观测模型( “一n 模型) 一般来说，在高速段可采用u f 模型法，因为u f 模型简单、精度高，且 只受定子电阻影响，而在低速段采用i n 模型，因为此时u f 模型己不能j 下常 工作，尽管f n 模型有一定误差，但可以正常工作，并可采取措施，减小误 差。但是，要实现两个模型间快速平滑的切换是比较困难的，为了解决这一问 题，可将两种模型的算法综合在一起，这就是电压一转速( u n ) 模型法。 将式( 2 2 5 ) ，式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 合并，变换成电压与转速的关系，便可得 到如图2 8 所示的u 一，z 模型的结构框图，该模型综合了u f 模型和f n 模型 的优点，高速时工作在u f ，低速时工作在f n ，如图中以口通道为例，利用 模型内的电流调节器“p i ”强迫模型计算电流乙紧紧跟随实际电动机的电流 f 。，使其达到很高的观测精度，如果模型得到的电流t 与实际测量到的电机 电流f 。不相等，就会产生一个差值a i = f 。一乙送入到电流调节器的输入端， 电