（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机直接转矩控制系统低速性能的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金罡王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 势压、 签字日期：刃，p 年，2 月 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠姥虢牵膨 导师始 签字e t 期：矽fo 年月fe t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 专冷物 签字e t 期：矽，睥，z 月j - f 3 电话： 邮编： 异步电动机直接转矩控制系统低速性能的研究 摘要 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的高性能变频调速技 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 研究的基础上，建议了一种采用在线定子电阻辩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动机直接转矩控制系统。借助m a t l a b s i m u i n k 仿 真工具进行了改进系统的建模仿真，仿真结果证实了改进的异步电机直接转矩 控制策略的有效性。 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； r e s e a r c ho nt h el o ws p e e dp e r f o r m a n c eo ft h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o l l e di n d u c t i o nm o t o rs y s t e m a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，d 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 t e c h n o l o g y ，i s an e wh i g h p e r f o r m a n c ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n t e c h n o l o g y i th a sg r e a ta d v a n t a g e so fr a p i dd y n a m i cr e s p o n s e ，i m p l ec o n t r o la n d l i t t l ei n f l u e n c eo ft h e c h a n g eo fm o t o rp a r a m e t e r s ，a n dc a no b t a i n av e r yn i c e d y n a m i cp e r f o r m a n c e i n t h i sp a p e r ，f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r eo fd i r e c tt o r q u e c o n t r o lo fa s y n c h r o n o u sm o t o rw e r ei n t r o d u c e d ，s i m u l a t i o nm o d e lo fe a c hm o d u l e a n dt h ew h o l ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mw e r ec o n s t r u c t e d ，t h ed y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ed e f e c t ，al a r g e rl o w t o r q u er i p p l e ，w a sr e v e a l e di nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u s m o t o r s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ff l u x a n dt o r q u eu n d e rt h e c h a n g eo fs t a t o rr e s i s t a n c e ，a n dt h e na n a l y z e dt h er o l eo ft h ed u r a t i o nv o l t a g e v e c t o ro nt h ee f f e c to ft o r q u er i p p l e o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，p r o p o s e da t o r q u ec o n t r o ls c h e m eo ft h ec o m b i n a t i o no fs t a t o rr e s i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o no n l i n e a n dt o r q u ep r e d i c t i v ec o n t r o l ，c o n s t i t u t e da ni m p r o v e dd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m o f a s y n c h r o n o u sm o t o r ， c o n t r a c t e dt h em o d e la n ds i m u l a t e d t h r o u g h m a t l a b s i m u i n k s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei m p r o v e d d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y 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 ； a s y n c h r o n o u sm o t o r ； c i r c u l a rf l u x ；t o r q u e r i p p l e ；t o r q u ep r e d i c t i v ec o n t r 0 1 v 谢辞 本文是在李教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学位的时间里，李教授 在各方面都给予了我极大的鼓励、帮助和照顾。李教授扎实的专业知识，严谨 的治学态度，一丝不苟的工作作风，让我感触颇深，使我对课题的认识逐渐深 入，每当遇到难关时，李老师总是耐心地讲解，使我一次又一次摆脱难关，最 终顺利完成本次毕业设计，并学到许多以前不曾知道的知识。值此论文完成之 际，谨向尊敬的李教授表示我最诚挚的谢意和最崇高的敬意! 其次要感谢的是 我的同门师兄弟们，很多问题的解决都是受到他们的启发，同时还要对电气工 程教研室以及研究生部的全体老师曾经给予我的帮助表示诚挚的谢意! 作者：韩春宝 2 0 1 0 年1 1 月2 4 日 目习 第l 章引言1 1 1 交流调速技术的发展概况1 1 2 直接转矩控制的产生2 1 3 直接转矩控制的特点2 1 4 直接转矩控制技术的研究现状3 1 5 论文研究内容6 1 6 论文研究意义6 第2 章异步电动机直接转矩控制策略8 2 1 异步电动机动态数学模型8 2 23 2 静止坐标变换1 0 2 3 磁链观测模型：1 1 2 4 逆变器模型1 4 2 5 电压空间矢量1 6 2 5 1 电压空间矢量的概念1 6 2 5 2 电压空间矢量对定子磁链的影响1 7 2 5 3 电压空间矢量对电动机转矩的影响1 8 2 6 直接转矩控制基本原理1 9 2 6 1 六边形磁链直接转矩控制1 9 2 6 2 圆形磁链直接转矩控制2 0 第3 章直接转矩控制低速段脉动性分析与改善2 4 3 1 低速时磁链控制性能分析2 4 3 2 低速时转矩控制性能分析2 5 3 3 转矩预测控制2 7 3 4 定子电阻对磁链控制性能的影响2 9 第4 章直接转矩控制m a t l a b 建模及仿真2 8 4 1 异步电动机数学模型3 3 4 2 磁链幅值及磁链扇区判定3 5 4 3 电压空间矢量选择3 6 4 4 系统仿真结果3 6 第5 章结论与展望3 9 5 1 结论3 9 5 2 展望3 9 参考文献3 5 图表清单 图2 1 三相异步电动机物理模型7 图2 2 异步电动机空间矢量等效电路图8 图2 3 定子磁链的u f 模型l0 图2 4 定子磁链的f 一，l 模型11 图2 5 电压型理想逆变器12 图2 6 相电压波形及所对应的开关状态l3 图2 7 空间电压矢量与电压状态矢量1 4 图2 - 8 电压空间矢量与磁链空间矢量1 5 图2 - 9 电压空间矢量对电动机转矩的影响1 6 图2 1 0 直接转矩控制原理图1 7 图2 - 11 圆形磁链直接转矩控制原理框图l8 图2 - 12 定子磁链区间l8 图2 - 13 转矩两点式调节器19 图2 - 1 4 转速调节器1 9 图2 - i 5 磁链两点式调节器2 0 图2 1 6 逆变器模型2 0 图3 一l 定子磁链与定子电压关系图2 l 图3 - 2 转矩预测控制示意图2 4 图3 3 定子电阻观测器结2 6 图4 - 1 直接转矩控制原理图2 9 图4 - 2 定子电流模块3 0 图4 - 3 电机模型3 0 图4 - 4 磁链幅值及扇区判定3 0 图4 - 5 异步电机d t c 控制系统仿真框图3 2 图4 6 传统直接转矩控制系统低速运行时的磁链和转矩波形3 2 图4 - 7 改进异步电动机直接转矩控制系统低速运行时的磁链和转矩波形3 3 表2 1 逆变器电压状态与开关状态的对照关系1 2 表4 一l 开关表3 1 第1 章引言 1 1 交流调速技术的发展概况 自十九世纪初电机发明以来，电机作为拖动和控制的核心设备，广泛地应 用于机械加工、矿山采掘、印染纺织、化工化学、造纸印刷、交通运输、航天 军工等工农业生产生活的各个领域。电气传动是以电动机的转矩和转速为控制 对象，按生产机械的工艺要求进行电动机转速( 或位置) 控制的自动化系统。 直流电动机的调速性能好、调速范围广，对转速的调节性能和对转矩的控制性 能都比较理想，因此在调速领域中曾一直占主导地位。在此期间，世界范围工 业进步的一个重要因素是工厂自动化先进程度的不断提高。工厂里的生产线包 括一个或多个可变速的电机传动装置，用于大功率传送带、机器手、桥式吊车 及钢材轧制生产线等。5 0 年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动， 尤其是在需要变速运行的高性能传动系统中，直流电机由于控制简单、调速平 滑、性能良好，一直占据主导地位。然而，随着生产技术的不断发展，直流电 机结构上存在的机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如造 价偏高，维护困难，寿命短，单机容量、最高电压、最高转速以及使用环境都 受到限制。由于直流传动本身的这些缺点，促使人们开始转向结构简单、运 行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由 于科学技术的迅速发展为交流调速发展创造了极为有利的技术条件。目前，交 流调速已进入逐步取代直流调速的时代【2 】，开创了交流调速与直流调速相竞争 的时代【3 】。过去的几十年里，随着控制理论、电力半导体器件、脉冲宽度调制、 以微处理机为核心的全数字化控制等关键技术的发展，使得交流电机调速系统 的发展如日中天，交流电动机控制技术取得了突破性进展。从单机传动到多机 协调控制，应用范围几乎遍及各个领域。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【4 】。现代科学技术的高 速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论等为交流电机调速提供 了全新的理论和技术。随着电力电子技术及其器件和新型微处理器的发展，出 现利用工业控制单片机和数字信号处理器( d s p ) 进行电机控制，使该控制不但 高精度、高可靠性，而且控制更加简单、灵活、方便。继矢量控制技术之后， 2 0 世纪8 0 年代中期直接转矩控制技术实际应用取得成功【j 。 1 2 直接转矩控制的产生 直接转矩控制变频调速技术，德语称之为d s r ，英语称为d s c ，是继矢量 控制变频调速技术之后发展起来的一种具有高性能的交流变频调速技术。 19 7 1 年，德国学者f b l a s c h k e 提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论【6 】， 标志着交流调速理论的重大突破。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控 制和转差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是实现矢 量控制的关键，直接关系到矢最控制系统性能的好坏。然而，在实际上由于转 子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电 动机控制过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得矢量控制技术的实际控制效 果难于达到理论分析的结果。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论 【7 1 ，并在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围【引。直接转矩控制理论在很大程度上 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的一些重大问题。直接控制转矩技术一诞生，就以新颖 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并 得到迅速发展。随后日本的t a k a h a s h i 等提出了基于近似圆形磁链轨迹的直接 转矩控制( d t c ) 方法。d t c 采用空间矢量分析方法，通过检测定子电压和电 流，直接在定子坐标系下计算电机的磁链和转矩，并通过滞环比较实现磁链和 转矩的直接控制。此方法省略了电机坐标的旋转变化，使电机数学模型的计算 得以简化，且不需要单独的脉宽调制( p w m ) 调制器。该方法控制结构简单， 控制手段直接，转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。 目前，德国、美国、日本都竞相开发直接转矩控制技术，直接转矩控制技术已 被开发成商用的变频器，并广泛地服务于工业、农业、国防及家电领域。我国 已经把直接转矩控制技术成功地应用到大功率电力机车牵引上，并取得了良好 的效果。然而我国对这项技术的研究与开发工作较晚，技术基础比较薄弱，与 世界先进水平还有很大的差距，伴随着我国机械制造等行业的飞速发展，为直 接转矩控制技术提供了广阔应用空间。 1 3 直接转矩控制的特点 ： 直接转矩控制有以下几个主要特点： ( 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、控制电 动机的磁链和转矩。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型， 只是通过控制p w m 型逆变器的导通和关断来控制电动机的瞬时输入电压，改 变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，在很大程度上解决了矢量控制方法中计算 复杂、调速特性易受电动机参数变化的影响等一些问题。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，其定子磁链轨迹是按正六边 形运动的【9 】【1 0 】，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。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。而矢量控制磁场定向所用的是转予磁链，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。 2 ( 3 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思： 直接控制转矩和对转矩的直接控制。直接控制转矩是指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，它强调的是转矩的直 接控制效果：对转矩的直接控制是采用直接把转矩检测值与转矩给定值作滞环 比较，将转矩波动限制在一定的容差范围内，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状况。 ( 4 ) 直接转矩控制借助瞬时空间矢量理论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【l ，使得直接转矩控制的感应 电动机调速系统不仅线路简单，对电机参数不敏感，在很大程度上解决了矢量 控制中计算控制复杂、实际性能难于达到理论分析结果的一些问题l l 引。 综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标 系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式 调节产生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。控制系统的转矩响应迅速，且无超调，是一种具有 较高的静、动态性能的交流调速方法。 1 4 直接转矩控制技术的研究现状 在以德国和日本为主的一些发达国家，直接转矩控制技术的理论已经比较 成熟，应用范围也在逐步扩大。传统的直接转矩控制采用两点式控制，功率管 的开关由转矩和磁链的计算值和给定值比较确定，因此开关频率随转速和滞环 宽度变化而变化带来了开关噪声，另外产生的转矩脉动也较大。q h a b e t l e 弓i 入 空间矢量调制的概念，将控制过程分为稳态、转矩磁链暂态两部分，针对不同 的过程分别控制。j u n k o ok a n g 提出了一种求转矩变化量最小值的方法【l 引，在 每个采样周期根据转矩误差计算出开关时间，在减小转矩脉动的同时实现恒开 关频率。近年来，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、 神经网络和模糊神经网络的直接转矩控制系统，增强了系统的鲁棒性。 直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步，现代控制理论和智能控 制理论( 以模糊控制和人工神经网络为主) 是人们改进直接转矩控制系统最主要 的理论依据。一些先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态 运行性能问题对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生 成给定的空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的 各自优点；高性能的数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和众多新型电 力电子器出现，则为改进直接转矩控制系统提供了强大的物质基础。由于高性 能传动系统大多要求在多个电机和传动装置之间协调并精确运动，因此导致现 在的运动控制技术越来越复杂。使用d s p 最明显的优点在于提高了系统的可靠 性，并降低了整个系统的成本，另外，利用诸如d s p 能直接产生p w m 的软件技 术，可明显降低由电磁干扰引起的噪声。就目前来说，众多国内外学者一般选 择t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为电机控制系统的核心，现在许多学者又将智能 控制技术运用到基于d s p 的电机控制系统中，极大地提高了控制系统的性能指 标。 目前，人们对直接转矩控制系统的研究往往还是从改善系统某些性能出发， 对所用的理论思想进行部分的改进。也就是说，整个领域的研究还基本停留在 一个完善的水平上，而没有达到全面提高的层次。近几年来，许多学者把智能 控制原理和直接转矩控制相结合，提出了许多基于模糊控制【l4 1 、自适应模糊控 制【1 5 】以及神经网络控制 1 6 】等控制系统，提高了系统的控制性能。文献 17 】、 1 8 】 着重研究了如何建立最优开关选择表。文献【19 改进了转矩调节器和磁链调节 器的结构，细化了磁链和转矩的调节，提供了更加精细的电压空间矢量选择。 文献 2 0 、 2 1 、 2 2 提出了使开关频率保持恒定且转矩脉动最小的控制技术。 文献 2 3 将模型参考自适应控制的方法应用于d t c 控制系统，利用m r a s 方法 实现d t c 控制系统中的速度辨识，文献 2 4 、 2 5 、 2 6 、 2 7 结合空间矢量 的方法在一个周期发多个电压矢量来逼近目标电压矢量，减小力矩的波动。如 将直接转矩控制和矢量控制这两种方法取长补短相互融合以构成更加优良的控 制系统，将是未来的发展方向。 由于近期研究成果的大量涌现，人们对直接转矩控制的认识更加深刻，对 各种局部性能的改善也有了多种选择方案。通过改进系统各组成环节的内部结 构来提高系统性能，其效果是非常有限的。因此追求整体性能最优将成为今后 直接转矩控制的主要研究方向。直接转矩控制将向以下几个方向发展： ( 1 ) 现代控制技术的实用化 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。对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的 空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点， 如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与 鲁棒性，尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改 善控制性能。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，如最近研究十分活跃的模糊控制【2 8 j 【2 9 1 、 神经网络控制【30 1 、模糊神经网络控制 3 、非线性控制等。 ( 2 ) 无速度传感器的控制系统 无速度传感器【3 2 】【3 3 】用于矢量控制、直接转矩控制已有产品，如a b b 公司 的a c s 6 0 系列、三菱公司的s a m c 0 1 系列、日立公司的s j 3 0 系列，但这些产品 调速范围较小，性能有待于进一步改善。针对已有的速度估计方法精度差、超 4 低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及适用于超低 速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。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 得更高的调速范围。 ( 3 ) 低速稳定性问题 磁链与转矩估计精度直接影响直接转矩控制系统控制性能的好坏，甚至会 导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时， 尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效。为此，解决低速时的磁链与转矩 估计问题具有重要意义，也成为当前d t c 研究的一个热点问题。反映在两方面： 其一是低速时因定子电阻的变化而引起的一系列问题。具体表现在定子电流和 磁链的畸变非常严重。其二是低速时的转矩脉动加大、死区效应明显、开关频 率不稳等问题。 ( 4 ) 控制手段的全数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于全数字化，对处理的实时性、快速性要 求很高，d s p 正是能满足这种需求的芯片，它快速高效地实现复杂的控制规律， 同时便于故障监视、诊断和保护，增强系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 ( 5 ) 应用于同步电机的控制 直接转矩控制的传统领域是异步电机的交流调速，现在人们也尝试将其应 用在直流无刷电机和永磁同步电机的调速中。 总之，随着现代控制理论和智能控制理论不断的深入发展，以及高性能的 数字处理器d s p 和众多新型器件的产生，为人们改进直接转矩控制系统提供了 坚实的理论依据和强大的物质基础。因此，追求整体性能最优将成为今后直接 转矩控制研究的主要方向。 1 5 论文研究内容 直接转矩控制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，摒弃了矢量控制中坐标变换复杂以及对电机参数依赖等缺点，控制思想新 颖，控制系统简洁明了，动、静态性能优良，得到越来越广泛的应用。但由于 直接转矩控制技术自身控制特性所导致的一些弊端，如转矩脉动较大、电流谐 波较为严重、开关频率低、开关频率不固定，低速域调速性能不够完善等。为 此，本论文的主要内容如下： 第1 章在文献资料阅读的基础上，阐述直接转矩控制技术的产生背景与发 展，直接转矩控制技术的主要特点。 第2 章从理论上分析了直接转矩控制的原理及特点，并对所用到的坐标变 化原理进行简单介绍，给出了论文中直接转矩控制系统设计方案的理论依据， 并对系统的各部分结构和功能进行详细论述。 第3 章详细分析了直接转矩控制系统低速时磁链和转距的脉动原因，给出 了d t c 系统的改善方案，包括采用定子电阻辩识【3 4 】及转矩预测控制等，较好 地降低了转矩、电流和磁链的脉动，改善了系统的调速性能和转矩动态响应。 第4 章利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块搭建系统模型，针对系统的各 个组成环节分别创建其仿真模型，并予以封装和系统仿真测试，且讨论了滞环 宽度以及给定值对系统运行性能的影响。 1 6 论文研究意义 自1 8 8 5 年交流异步电机问世以来，由于其结构简单、运行可靠、维护方便 等优点受到广泛关注。但是交流异步电动机是个多变量、非线性、强耦合的 复杂系统，控制起来较困难。因此在传统控制领域，直流调速一直占主导地位。 直到二十世纪七十年代矢量控制理论提出后，交流调速技术得到长足发展。 但是，尽管矢量控制从理论上可以使交流传动系统的动态特性得到改善，但是 在矢量解耦时需要用到电机参数，然而在实际运行中电机参数却是变化的，并 且由于矢量旋转变化的复杂性使得其实际控制效果很难达到理论分析的结果。 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种高性能的交流变频调速技 术，它无论是在控制手段、响应速度，还是在静、动态调速性能方面，都较其 它交流调速控制策略有着明显的优势。目前德国、日本和美国已成功将其应用 于电力牵引中的大功率交流传动系统，从理论研究到产品开发，都已取得了丰 富的成果，并带来了巨大的经济效益。而直接转矩控制技术作为新兴的技术， 还存在许多不成熟、不完善的问题，如低速运行时，受电机的参数变化影响严 重，低速区域的调速性能不够完善，如稳态运行时转矩脉动大，电流谐波较为 严重，定子磁链观测不够准确，这些都大大限制了直接转矩控制技术的应用范 围。 我国在交流调速传动方面，无论是从调速理论研究的深度方面，还是从理 论应用于实际方面，与国外相比都有很大的差距，尤其在高性能的交流传动领 域，国内基本上还没有形成批量生产能力。而随着对交流调速和变频节能认识 的不断加深，国内对高性能变频调速装置的需求量会越来越大，同时对性能的 要求也会越来越高。目前国产的变频调速装置还不能满足性能要求，致使大量 国外品牌的产品占有绝大部分市场份额量。近几年，国内广大科研工作者和工 程技术人员积极投身于对直接转矩控制技术的研究，但大多都停留在理论优化 和仿真研究基础上，缺乏对真正技术应用的研究。在科技快速发展的今天，控 制领域也在进行一场革命，各种先进的控制理论陆续诞生，但是当务之急是如 何将这些先进的控制理论运用在传统的控制领域，研究高精度的交流传动控制 方案和控制系统是符合工业现代化的发展趋势，对于发展我国经济具有重要意 义。 6 第2 章异步电动机直接转矩控制策略 直接转矩控制技术采用空间电压矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计 算和控制交流电动机的磁链和转矩，借助于离散的两点式调节产生p w m 信号 直接对逆变器开关状态进行最佳控制，维持定子磁链沿着给定轨迹( 六边形或 近似圆形) 运动，以获得转矩的高动态性能。 2 1 异步电动机动态数学模型 为实现高动态性能的交流调速系统，无论是仿真还是控制都必须建立起交 流电机合适的数学模型，这种模型不仅要能精确体现交流电机运行于各种工况 下的情况如电机磁链、电流的变化，而且要简单、实用以利于工程设计。三相 异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都 有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变频装置中的滞 后因素，至少也是七阶系统。由此看来，异步电机的数学模型是高阶、非线性、 强耦合的多变量系统【3 5 】f 36 1 ，为了抽象出理想的电机模型，常作如下假设： ( 1 ) 电机的定、转子三相绕组空间对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正 弦规律分布； ( 2 ) 气隙均匀； ( 3 ) 忽略铁芯损耗； ( 4 ) 磁路线性； ( 5 ) 忽略电机参数变化【3 7 】。 无论电机转子是绕线型还是鼠笼型的，都可以将它等效成绕线转子，并折 算到定子侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就等效成图 2 - 1 所示的三相异步电机物理模型。 0 图2 - 1 三相异步电动机物理模型 图中：定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为参考坐标轴，u 一、 u 暑、u c 、i c 分别为定子三相电压和电流，转子绕组轴线a 、b 、c 随转 7 子旋转，比。、蚝、”c 、i a 、i b 、t 分别表示转子三相电压和电流，转子a 轴和 定子a 轴间的夹角眈为空间角位移变量。此时，由三相异步电机的物理模型可 获得异步电动机的空间矢量等效电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2 异步电动机空间矢量等效电路图 c o v ， 图2 - 2 是在固定于定子的口一坐标系下来描述异步电动机的，由下列方程 表示： “，= r ，i s + y 。 ( 2 1 ) 0 = 灭，f ，一y ，+ y ， ( 2 2 ) 虬= l i ( 2 - - 3 ) y ，= y 。- l 口f ， ( 2 - - 4 ) = 号j 吵。j 眵，j s i n 铭 ( 2 5 ) d d 式中：玑、t 分别表示定子电压和定子电流空间矢量，y 。、y ，分别为定子和转 子磁链空间矢量，r ，为定子电阻，为定子电感，三，为转子电感，三口为转子漏 感，目，为定子磁链与转子磁链之间的磁通角。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；而转子磁链幅值由负载决定。由式( 2 - 5 ) 可知，如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变定子与转子之间的磁通角 0 。，来实现。转子磁链可以根据式( 2 2 ) 通过改变转子电流来实现，定子磁链 根据式( 2 - 1 ) 与定子电压的积分值呈一定的比例关系，可通过改变定子电压积 分值来改变定子磁链。 2 2 3 2 静止坐标变换 由异步电动机原理可知，异步电动机三相定子绕组电流在空间产生一个角 速度为以的旋转磁场。由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感将是定、转子 相对位置的函数，使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了 解除定、转子间这种非线性的耦合关系，需要对其进行变量的坐标变换，建立 起口一参考坐标系内的异步电机数学模型。 矢量变化控制中涉及到的坐标变化有静止三相与静止两相，以及静止两相 与旋转两相间的变化及其逆变化。抽象成坐标系间的关系就是变量从静止 傩一撕一甜坐标系向静止口一声坐标系的变化，以及变量从静止口一坐标系向同 步速旋转m r 坐标系的变化。如设任意速d 一9 坐标系的旋转速度功= 0 ，则可 以得到a s 一抽一劣坐标系与静止口一坐标系间的坐标变化与逆变化关系。即 厂跏l = 丁( 0 ) 厂幽l ( 2 6 ) 以及 乒k l = r ( 0 ) 叫。筇l ( 2 - 7 ) 这里采用了变量符号“厂广义地代表“”、“f ”等变量。在实际应 用中，由于交流调速系统多为三线制对称结法( 即不带中线】，接) ，不存在i t 轴 分量，故可从坐标变化矩阵中削去它。为此，三相异步电动机三相绕组的作用 完全可以用两个相互垂直静止的两相绕组口、所代替。在口、两相绕组中 通以两相平衡电流时，也会产生一个旋转磁场，当这个旋转磁场的大小和转向 与三相合成旋转磁场都相同时，则口、两相绕组与三相绕组等效。本文所研 究的电机模型就是基于口、两相坐标系的。根据合成旋转磁通势相同的原则， 两种绕组瞬时磁通势在口、轴上的投影相等。 阱 三弱1 _ _ ii圈ff彳 8 ， 2 3 磁链观测模型 直接转矩控制是对磁链和转矩的直接控制且转矩反馈值也是通过磁链计算 得到的，保持定子磁链恒定是直接转矩控制的基本要求之一。在直接转矩控制 中，无论是按圆形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要己知定子磁链。采 用直接检测的方法获得定子磁链，存在各方面的条件限制，在实际系统中使用 较少。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它物理量 ( 如定子电压、定子电流和转速等) ，建立定子磁链的观测模型【3 引，在控制中实 时地推算出定子磁链的幅值和相位。定子磁链的观测准确性直接影响系统的性 能，为此可以说，直接转矩控制技术实现的关键就是看能否准确估算定子磁链 的幅值和相位，也将直接影响直接转矩控制效果和电机运行性能。 异步电机的磁链模型共有三种：“一l 模型，f 一，l 模型，”一万模型，根据电 机转速的不同可选用不同的磁链模型。 1 “一f 模型 用定子电压和电流来确定定子磁链的方法叫“一f 模型法，定子磁链可由式 y 。( t ) = l ( 甜，( f ) 一( t ) r ，) 班 ( 2 9 ) 确定，该式确定异步电动机的定子磁链，在计算过程中唯一所需知道的电动机 参数，是易于确定的定子电阻r 。，定子电压和电流能以足够的精度检测出来， 结构如图2 3 所示。 9 该模型只有在被积分的差值，也就是u ，( f ) 一f ，( t ) r ，的值较大时才能提供正确 的结果，其误差是由定子电阻足的存在引起的。由于这个原因，“f 模型只有 在10 额定转速以上特别是3 0 额定转速以上时才能准确的算出定子磁链，而且 结构简单，鲁棒性强。在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链 观测的准确性有较大的影响。当定子频率接近零时，用这种方法来确定定子磁 硅是不可能的，因为用做积分的定子电压和定子电阻压降之间的差值消失了， 以致在稳定情况下只有误差被积分，因此在3 0 额定转速以上的范围采用“- i 模型，该方法结构简单，精度高，优于其他方法。 图2 - 3 定子磁链的u i 模型 2 f 一，z 模型 在3 0 额定转速以下范围内磁链只能根据转速来正确计算，采用定子电流 与转速来确定定子磁链的方法即f n 模型法，在该模型中定子磁链由定子电流 与转速确定。由式( 2 - 2 ) 式( 2 - 4 ) 得： 眠口2 志纯乒a 岬一) ( 2 - 1o ) y ，口= 鲁( y 。a 一杪旭) 一c o y 印 ( 2 1 1 ) l 口 y 妒2 赢纯 岬妒) 他。2 ) v r p ：争( y 妒一y 咿) + c o v ，口 ( 2 1 3 ) - 口 图2 - - 4 所示为定子磁链的i 一咒模型。 与u i 模型相比，f n 模型中不会出现定子电阻尺，即不受定子电阻影响。 但是它受转子电阻r ，、漏电感三一主电感三变化的影响，它还要求精确的测量 角速度，角速度的测量误差对i 一以模型的结果影响很大，因为在f n 模型中， 角速度的测量误差首先会引起转子磁链的误差，再由转子磁链误差引起定子磁 链误差，最终引起转矩误差，所以使用f 一，l 模型时要求对转速有比较精确的测 量。 对于u f 模型和f 一刀模型的应用必须采用合理的安排，应该对于不同的转 速范围采取不同的磁链模型。一般来说，高速时采用“一i 模型，因为u - i 模型 1 0 简单，精度高，受参数影响小( 只受置的影响) 。而低速时采用f 一靠模型，这 是因为低速时由于只。的影响，“一i 模型已不能正确地工作，因此应采用i - n 模 型。尽管f 一，z 模型有一定的误差，但它能正确地工作，并可以采取措施，减小 误差。一般将3 0 的额定转速定为切换点，高于3 0 额定转速时用“一i 模型， 低于3 0 额定转速时用f n 模型。 图2 - 4 定子磁链的f n 模型 3 u 一万模型 从上面可知，中高速时采用u i 模型最佳，低速时采用f 一，z 模型较好，这 样在全速范围内就会有一个模型的切换过程，由于瞬间切换相当于变结构，对 整个系统的动态性能会造成较大的影响。为避免这种情况，可采用在全速范围 内都实用的u 一以磁链模型。 该模型由以下数学方程式得到： 舻告( ”巾y ， v h = t ls i s r s y 。= l i y r 2 y 一l 口l r 一 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) “一以模型的输入信号是定子电压和转速信号，从而得到定子磁链，并由此 可以获得电动机的其他各量，也称电动机模型，它综合了u f 模型和f 一刀模型 的特点。引入电流p i 调节器，使得电动机模型的仿真精度大大提高。它结合了 前两种模型的优点，又很自然地解决了高低速的切换问题，高速时电动机模型 实际工作在u f 模型下，低速时电动机模型实际工作在i 一以模型下。但“一疗模 型实现起来比较复杂，目前用得较少。 2 4 逆变器模型 在交流调速系统中，选择正确的逆变器是很重要的。逆变电路根据直流测 电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧 是电流源的称为电流型逆变电路。由于直接转矩控制需要用电压输出来直接控 制磁链和转矩，因此，在直接转矩控制系统中常选用电压型逆变器，如图2 5 所示为电压型逆变器简图，其主要特点： 1 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无 脉动，直流回路呈现低阻抗。 2 由于直流电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负 载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 e 上 e j 图2 5 电压型理想逆变器 由上图可知，电压型逆变电路由一个内阻近似为零的恒压源和三个桥臂、 六个开关组成，其中每个桥臂的上下开关互为反向，即一个接通一个就断开。 若定义最= l 代表a 相上桥臂导通、下桥臂关断，s 。= 0 代表a 相上桥臂关断、 下桥臂导通的状态，其余两相定义方法相同，所以兰组开关共有2 3 = 8 种可能 的开关组合。8 种可能的开关状态可以分成两类：一类是6 种所谓的工作状态， 它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类是零开关状态，特 点是三相负载都被接到相同的电位上去。当三相负载都与“+ 极接通时，得 到的状态是“l11 ，三相都有相同的正电位，所得到的负载电压为零。当三相 负载都与“一极接通时，得到的状态是“0 0 0 ，负载电压也是零。对应于逆 变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电压状态，如 下表2 1 所示。 表2 一l 逆变器电压状态与开关状态的对照关系 工作状态零状态 状态 l2345678 开关状态 0 1 l0 0 11 0 l1 0 01 1 00 1 00 0 011 l 表示一 “j, j“，u ，“ju ，“ju j , ，( f ) ( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0