（电力电子与电力传动专业论文）电力推进中永磁同步电机直接转矩控制的研究.pdf

s t u d yo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ra p p l i e di ne l e c t r i cp r o p u l s i o n a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，v a r i o u sa d v a n c e d 擎o n r 0 1s a e 西e s a n dm i c r o c o n r 0 1 1 e ，a l c r e a t i n gc u r r e n t ( a c ) d r i v et e c h n o l o g yp l a y s t h ed o m i n a n tr o l ei nt h e s h i p e l e c t r i c a l p r o p u l s i o ns y s t e m s c o n t r o l l i n g t h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ed i r e c t l yi nt h ea cs p e e ds y s t e m ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e m h a st h ee x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e a n d t h e d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 巾s p ) p r o v i d e s t h es t a b l em a t e r i a lf o u n d a t i o nf o ra d v a n c e dc o n t r o l l i n g m e t h o d s t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es t u d ya b o u tt h ed t c s y s t e mo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a p p l i e di ne l e c t r i cp r o p u l s i o nb a s e d f i r s t l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fp m s mi nd i f f e r e n tr e f e r e n c e f r a m e sa n de l a b o r a t e st h ed t ct h e o r yf o rp m s m s e c o n d l y ，b a s e do nt h er e s e a r c ho n t h et r a d i t i o n a ld t c s y s t e m ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e dd t c m e t h o d w h i c ha d o p t sv o l t a g es p a c ev e c t o r ss u b d i v i s i o na n dt h em u l t i p l er e l a yc o n t r o l l e r s b y m a l 【i n gu s eo fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h i ss y s t e mc a nr e m a i n t h es w i t c h i n g f r e q u e n c yc o n s t a n t a n dt h es i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kw a s c a r r i e do u tt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ei n t r o d u c t i o no fi m p r o v e dd t cs y s t e mi sc a p a b l eo fe f f e c t i v e l y i m p r o v i n gt h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ea n dk e e p i n gt h ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h ep m s md t cs y s t e ms i m u l t a n e o u s l y t h es i m u l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to fd t c o fp m s m a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s i so ft h ep m s m d t cs y s t e m ，t h eh a r d w a r eo ft h es p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n dt h es o f t w a r e w a sc o m p i l e d i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs t u d i e dd t co fp m s ma p p l i e di ne l e c t r i cp r o p u l s i o n b a s e do nd s pa n dc o m b i n e dt h ec o n t r o lt h e o r ya n dt h er e a lc h a r a c t e ro ft h em o t o rt o b u i l du pt h ev a l u a b l ec o n t r 0 1s y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i cp r o p u l s i o n ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 本人郑重声明：本论文 胖写成博士硕士学位论文 原创性声明 沦文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：槲) p 羼孑月v 后 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：砑导 f = = | 期：a 卯z年月厮 第1 章绪论 1 1 研究背景 船舶电力推进系统是船舶动力的一种重要类型。传统的船舶推进方式是利用 汽轮机、柴油机等原动机直接推进；而电力推进是将原动机的机械能转变为电能， 并以电动机驱动螺旋桨推进器的一种推进方式。采用电力推进系统船舶的螺旋桨 吸收功率来自推进电机，推进电机成为了电力推进系统船舶的“主机”。因此采 用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，过渡过程延时短，制动快， 正反车速度切换快，可极大地提升船舶的操纵性；并且由于电动机本身的转速易 于调节，还具有紧急停船时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点【1 1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力半导体技术、交流调速理论和微机控制技 术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟。这也使得船舶电力推进系统 在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展。在近十几 年的时间里，电力推进形式从直流电力推进发展到了采用p w m 技术的交流电力推 进。系统中采用的电力半导体器件也经历了从半控型器件( 如s c r ) 到全控型器 件( 如g t o 、i g b t ) 的发展历程。舰船电力推进迎来了一个蓬勃发展的新时期， 客轮、破冰船、工程船等民用船舶越来越多的采用了电力推进。据统计，8 0 年代 后期以来，新建的客轮、破冰船、渡轮约有3 0 采用了电力推进，且成流行趋势。 发达国家正在大力研制采用电力推进的下一代新型战舰并取得了重大进展。另外 也出现了电力推进方案及推进电动机的多样化和大功率化及变频调速等新特征。 在己有的电力推进装置中异步电机和同步电机都在使用。异步电动机转子结 构简单、可靠，但是功率因数低、效率也受影响。同步电动机的一些优越性如： 功率因数高、效率高，使得它在船舶上也得到了广泛的应用，逐渐成为主流。但 是电励磁的同步电动机转子结构复杂，可靠性不高，维修不方便。而永磁同步电 动机是用永磁材料产生励磁磁场，代替电励磁。永磁同步电动机永磁体产生的励 磁磁场与定子绕组中的电流产生的电磁耦合作用，使电动机转动。永磁材料的磁 性能和物理性能与永磁同步电动机的性能密切相关。近年来，永磁体的容量提高 得很快，材料的价格也下降了很多，大功率永磁同步电动机的优势逐渐被显现出 来。永磁同步电动机最显著的性能特点是： 1 结构简单运行可靠。因为永磁同步电机转子不需要励磁，省去线圈或鼠笼， 简化了结构，实现了无刷，减少了故障，维修更加方便简单，维修复杂系数大大 降低。 2 永磁同步电机的转速和电源的基波频率之间保持着同步关系。只要精确地 控制变频器的输出频率就能精确地控制电机的转速，也就能精确地控制螺旋桨的 转速。 3 永磁同步电动机较异步电动机对转矩的扰动具有较强的承受能力。在同步 电机中，只要电动机的功角作适当变化，而转速始终维持在原来同步转速不变， 转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的变化做出快速响应。 4 从转速调节范围来看，永磁同步电动机转子有励磁，即使在很低的频率下 也能运行，调速范围比较宽；而异步电动机的转子电流靠电磁感应产生，频率很 低时，转子中就难以产生必要的地流，调速范围比较低。 5 从节能方面和成本上考虑，永磁同步电动机也是优于异步电动机的i “】。 因此永磁同步电动机及其高性能控制方式的研究已成为当今电力推进中的研 究热点。 在舰船的交流电力推进系统中，基本上都采用了变频调速，变频器主要是中 压大功率的交一交或交一直一交变频器。其控制方式也是多种多样。永磁同步电 动机的控制策略主要分为三类，分别为变压变频控制( v v v f ) ，磁场定向矢量控 制( v c ) 和直接转矩控制( d t c ) 。 变压变频控制控制策略的控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制 系统将参考电压和频率输入到实现变压变频控制的调制器中，最后由逆变器产生 一个交变的正弦电压旖加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频 率下。这种控制方法无需从电机端部引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号， 属于开环控制。由于系统中不引入速度、位置或其它任何反馈信号，因此无法时 时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩。又由于仅使用一个调节器实现对 输入电压和磁链的调制，因此导致输入电压、频率信号和电机最终的转矩、速度 反应之间通讯速度降低，使电机的响应变慢。这种驱动系统仅适用于无需精确控 制的场合。 2 矢量控制的基本思想是模仿直流电机的控制方式，即模仿其磁场定向过程， 将电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位差9 0 。的转矩电流和 励磁电流分别进行控制，从而改善了电动机的动态控制性能。为了实现矢量控制 的目的，需要将电动机三相电流经过坐标变换成两相电流，在两相坐标系上确定 电动机的转矩电流和励磁电流的大小，并分别进行控制。再将两相电流设定值变 换成三相电流设定值，然后才用电流闭环控制。在矢量控制中电动机的转矩和定 子电流的转矩分量成比例，只要控制定子转矩电流分量就可以控制电动机的转矩， 且转矩的相应速度和电流响应速度相等。无论是交流传动还是直流传动，无论电 机是动态还是稳态，传动系统的根本问题是转矩的控制。矢量控制的着眼点是电 流控制。对于交流电机来讲，要想获得快速的转矩响应，在磁链不变的条件下， 就要求电流的快速变化，而电流的变化是由电压的快速变化引起的。矢量控制系 统的输出电压是由电流调节器的输出产生的，这就存在电流调节的时间滞后。而 且目前在永磁同步电机普遍采用的矢量控制中，由于磁体位置的偏移、磁性材料 的分布不均匀、电流传感器非线性化和电流调节器的局限等因素，以及非优化的 参考电流等导致电机转矩的脉动和电机的铜耗增大，矢量控制并不能实现转矩的 直接控制。最主要的是采用矢量控制，需要进行较为复杂的矢量变换的运算，虽 然目前在一些进行辅助运算的芯片，但整个运算工作量还是很大的。因此，人们 试图寻找一种新的思路来摆脱矢量控制所面临的困境1 5 。7 】。 一种高性能的控制方案直接转矩控制。直接转矩技术是1 9 8 5 年由德国鲁 尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出的，其首先应用在异步电动机上。直接转矩技术的 基本思想是在维持定子磁链幅值恒定的前提下，应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 矩的高动态性甜8 】。由于直接转矩控制系统是由电机的定子电压和电流计算出定子 磁链和转矩，采用砰砰( b a n g b a n g ) 控制来实现变频器的p w m 控制，直接转矩 控制系统没有电流控制环路，整个控制系统的着眼点是电压，而不是电流，因此， 这种方法具有动态响应好的特点。直接转矩控制不需要将交流电机与直流电机作 比较、等效及转化，省掉了矢量旋转转变等复杂的变换与计算。因此它所需要的信 号处理工作比较简单，所用的控制信号可使观察者对交流电动机的物理过程能够做 出直接和明确的判断。直接转矩磁场定向采用的是定子磁链，只要知道定子电阻就 可以把它观测出来，大大简化了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问 题。由于直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受 电动机转子参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析的结果。德国、同本、 美国都竞相发展此项技术，a b b 公司在电力推进方面已有专利产品销售，而我国 在这方面的产品尚未见报道。 数字信号处理器( d s p ) 是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来 的一种高速专用微处理器，有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地 处理以运算为主的不允许时延的实时信号，有独具一格的寻址方式，能高效地进行 快速傅立叶变换运算，它采用内存映射方式管理f o ，能灵活方便地扩充外围电路。 d s p 芯片在制作上采用超大规模集成电路生产技术，将中央处理器( c p u ) 、程序 寄存器、数据寄存器和硬件乘法器、累加器、移位器、地址发生器集成在同一芯 片上。d s p 的程序存储器和数据存储器是完全隔离的，解决了总线拥挤的问题， 确保提高运算速度和系统的灵活性，在指令处理上，采用了流水线操作方法。由于 具有双地址发生器、独立的乘法器和累加器、多总线( c p u 总线和d m a 总线) 结构和流水线处理指令方法，使d s p 具有一般微处理器所不具备的并行处理指令 的能力，芯片特有的先进技术还有数据指针的逆寻址功能、指令的熏叠、运行无 消耗循环控制等等。因此，它具有体积小、功能强、功耗低、一致性好、速度快、 性能价格比高等优点。自1 9 8 0 年以来，随着大规模集成电路工艺的进步，d s p 芯片 得到了突飞猛进的发展，占市场份额最大的公司从1 9 8 2 年推出的t m s 3 2 0 c 1 0 第一代产品开始，到目前已发展到第六代产品，在本次课题中我们采用了t i 公司 的最新产品t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 因此，本课题就是在基于以上背景下提出的。 1 2 研究目的 通过本课题的研究应该达到以下目的： 1 掌握永磁同步电动机的结构特点、数学模型以及运动规律。 2 深入研究分析直接转矩控制系统的基本原理。 4 3 采用矢量细分及多滞环转矩调节器的直接转矩控制系统，以减小转矩和磁 链脉动。 4 采用m a t l a b 仿真工具对系统进行建模，进一步理解直接转矩控制方法。 对交流永磁同步电动机的直接转矩控制进行系统仿真，验证控制方法的可 行性。 5 初步设计交流永磁同步电动机直接转矩控制调速系统。 1 3 研究的主要内容 本文在第二章首先简要叙述了电机空间矢量理论。然后详细阐述了交流永磁 同步电动机的数学模型，为实现系统的直接转矩控制提供理论基础。 第三章在上一章论述的基础上，阐述了直接转矩控制下交流永磁同步电动机 磁链和转矩的控制原理，给出了直接转矩控制系统的控制原理方框图，并就各个 部分进行了详细论述，最后制定出直接转矩控制矢量选择表，为交流永磁同步电 动机直接转矩控制系统的实现提供依据。 第四章以上一章为基础指出了传统直接转矩控制的不足，并提出了一种空间 矢量细分和多滞环转矩调节器的直接转矩控制新方案，详细论述了空间矢量细分 和多滞环转矩调节器的设计方法。 第五章利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，验证了直接转矩控制系统中的磁链 和转矩公式的正确性。利用m a t l a b 中的交流永磁同步电动机模型，在前面论述 的基础上，自行建立了逆变器、开关电压矢量表等模块，构造出直接转矩控制系 统的仿真模型，对其进行了仿真，验证了所构造模型的正确性，并进一步理解控 制过程。最后从仿真波形中验证了控制算法的正确性与可行性 第六章首先介绍了系统的基本构成和部分硬件电路，给出了系统实现的流程 图。最后，在理论和仿真模型的指导下，给出了实现交流永磁同步电动机直接转 矩控制的系统软件流程图。 第2 章永磁同步电动机的数学模型 为了对高性能交流电机控制策略直接转矩控制( d t c ) 做深入透彻的理解， 首先需要介绍电机空l l 白j 矢量理论。直接转矩控制是在定子坐标系中实现的，为透 彻理解高性能永磁同步电机( p m s m ) 直接转矩控制思想，必须熟悉永磁同步电动 机在各个参考坐标系中的数学模型。因此本章中对此进行详细介绍。 21 空间矢量的概念 空间矢量的原理是匈牙利学者为多相的交流电机的研究提出的，十九世纪八 十年代第一次在德国发表。空间矢量理论使电机的多相变量可以在各个参考坐标 系中合成为一个单个的矢量，构成了高性能电机控制理论的发展的基础。 三相电动机的电压、电流、磁动势、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p a r k 矢量变换。 p a r k 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v a t ) 、圪( f ) 、k o ) 分别表示三相电磁量在三相坐标系中的瞬时幅值函数， 用矿( r ) 表示合成作用矢量，则p a r k 矢量变换关系为： ，i 堑塑 v ( t ) = 詈( k ( t ) + v b ( t ) e o + k ( r ) e o ) ( 2 1 ) j 矢量矿( f ) 称为p a r k 矢量，它在某一时刻值代表三相电磁量合成作用在坐标系 中的空间位景，所以称为空间矢量。 对于三相永磁同步电动机来说，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。 永磁同步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，首先对所讨论 的三相电机作以下几点假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所产生的磁 势沿匀隙圆周按正弦分布，永磁同步电动机具有正弦波反电势；( 2 ) 忽略磁路饱 和；( 3 ) 忽略铁心损耗；( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 2 2 电机的数学模型 永磁同步电动机的数学模型包括磁链方程、电压方程和转矩方程三部分。 图2 1 给出了永磁同步电动机的各种坐标系及有关矢量图，其中a b c 为定 子三相静止坐标系，选定a 轴方向与定子a 相绕组轴线一致；a 一卢坐标系为定子 两相静止坐标系，其中a 轴与定子三相坐标系中的a 方向一致；d q 坐标系是固 定在转子上的旋转坐标系，其中转子磁链的轴向为d 轴的正向，d 轴与a 轴的夹角 为o r ；x y 坐标系是跟随定子磁链同步旋转的旋转坐标系，定子磁链的方向为x 轴 的正向，x 轴与d 轴的夹角为力矩角6 。在恒定负载的情况下该夹角为恒定值，瞬 态时，力矩角随着定、转子磁链旋转速度的不同而不断改变。饥和妒，分别为电机 定子、转子磁链。 玑 a ( a ) 图2 1 永磁同步电动机备坐标系及有关矢量图 f i g 2 1d e f i n i t i o n so ft h r e er e f e r e n c e 丘a m e sa n dv e c t o r sf o rp m s m 7 221 永磁同步电动机的电压和磁链数学模型 电压和磁链方程是永磁同步电动机数学模型的主要方程。首先考虑简化的永 磁同步电动机数学模型，永磁同步电动机定子电压可表示成： “：一小警 ( 2 2 ) 该方程包括一个定子电阻r 的压降部分和一个定子磁链妒，的变化部分。下标 s 表示定子参考坐标系。 电机定子磁链不仅包括由定予电流产生的磁链，同时也包含由永磁转子产生 的磁链。而且由永磁转子产生的磁链大小取决于转子和参考坐标系之间的空间位 置角伊，故定子磁链应表示成： 妒，= 地+ 妒，e 博 ( 2 3 ) 其中，l ；是定子电感；妒r 为转子永磁磁链。 将式2 3 带入式2 2 中得到 “，吨+ 掣憎咿博 ( 2 4 ) 在转子同步旋转坐标系中，定子电压空间矢量匝和定子电流空间矢量i 可以定 义为： 匠；“，e 一博 ( 2 5 ) t = ，诅 ( 2 6 ) 将式2 6 带入式2 4 定子电压公式转换为： 驴r + 掣巾他t ) ( 2 7 ) 在d c l 轴转子参考坐标系中，电压、电流矢量可分解为： 瓦；“；d 十j u 。 ( 2 8 ) i ；i ；。+ 儿 ( 2 9 ) 将式2 8 和式2 9 带入式2 7 中，分离式中的实轴和虚轴部分可得永磁同步电 动机的电压与磁链方程为： 渺d = i s i s d + 妒， 枷。；工：o 吨。+ 警一哪。 v r k + 警+ 呲 = r k + 产+ q 妒“ f 2 1 0 ) f 2 1 1 ) 2 2 2 永磁同步电动机的转矩数学模型 如果仅考虑定子的基波磁动势，电机的电磁转矩t 可以表为： t = 三只妒。( 2 1 2 ) 其中，p 是电机的极对数。如果电机的磁链和电流都表示为两相定子坐标系 口一卢中的分量：= i s 。+ 几口和妒。= 妒。+ 即邛。 则在口一口两相定子坐标系中电机的电磁转矩可表示成： t = 詈只 ，。i s p 一妒，。) ( 2 1 3 ) 根据坐标变换原理，定予电压、磁链等量可以在各坐标系之1 4 相互变换，因 此可以得到永磁同步电动机电磁转矩在转子同步旋转坐标系及定子同步旋转坐标 系中的计算公式。将口一卢两相定子坐标系中的物理量变换到d q 转子同步旋转坐 标系上，可利用变换公式： 川- 哪s i n 印啡姗s i no r t 只f # 其中f 可代表电压、电流和磁链各量。 在d q 转子同步旋转坐标系中，转矩公式变成： t = 吾只 。一妒。如) = ，3 _ e 。p ，l s q + ( k l , q ) i 一】 ( 2 1 5 ) 将d 一日坐标系中物理量转换到定子x y 坐标系上，可利用变换公式： 笔 2 【一c 。o ；s n 6 。s 。i n 。6 。 j 【 f d c 2 1 6 ， 在x y 定子同步旋转坐标系中，转矩公式变成： t 2 ，3 以p 一( i “s i n 6 + 岛c o s 6 ) 一妒。k c o s 6 一。s j n 凸) t 寻以妒。 ( 2 1 7 ) 定子磁链妒，在x y 轴上表示为： 阱卜c o 砌s 6 c s o m s 6 。j 够抖s q c 咖o s6 。驯妒，1 憾l 5 ac o s k 2 3 + ls i n 2 6 - k - 乏豪獭a l1sin6cos l s q c o s 也嘲。1 砷 【( k k2 d + ks i n 2 6 r ，f s i n 6f 丝剖! 孥：鱼! ：! 鱼二生! 竺丝】鱼 【k k ) s i n 2 6 ( 2 1 9 ) 岛2 五笔 却，ks i n d 一舾。j ( k k ) s i n 2 6 】 ( 2 2 0 ) 综合上面的公式可最终写出在定子旋转七一y 坐标系下永磁同步电动机的电磁 转矩方程为： l 2 瓦3 忑p n 舾，却，ks i i l 6 一p ，j ( k l ) s j i l 2 6 ( 2 2 1 ) 此外，电动机运动方程式为： 砉等母五蚴 其中，吐为转子旋转的电角速度；霉为负载转矩；j 为转动惯量。 由式2 1 1 、式2 2 1 和式2 2 2 就组成了永磁同步电动机的数学模型，即为： = r + 警一嘁。 t r + 墼a t + 啪。 _ q t 2 主笺陋s i 却，ts i n a - i 讥 ( k k ) s 如z d 】 i ji d z t 一巧 第3 章永磁同步电动机直接转矩控制 直接转矩控制技术( d t c ) 是1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出 的继矢量变换控制之后在交流调速领域里出现的一种新型变频调速技术。直接转 矩技术是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。 本章首先在数学模型上说明永磁同步电动机直接转矩控制的理论基础，然后 再对永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理进行分析，最后得出直接转矩控制 的整体实现方法。 3 1 永磁同步电动机直接转矩控制的理论基础 永磁同步电动机具有正弦的反电动势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。 假设电动机是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，且转 子无阻尼绕组，那么由上一章分析所得的永磁同步电动机的数学模型知道，永磁 同步电动机在定子旋转x y 坐标系下永磁同步电动机的电磁转矩方程为： 正2 瓦3 p n 阿s l 却，ks i n 6 一陋s l ( k k ) s i n 2 6 ( 3 1 ) 由于永磁同步电动机转子磁场恒定，所以转子磁链幅值恒定，如果当定子磁 链幅值保持恒定的时候，转矩变化的表达式为： 幔2 瓦3 p n 陋s l 却，工wc 。s 6 2 陋，l ( k k ) c o s 2 6 】d 6 ( 3 2 ) 由上式可知，当定子磁链幅值保持恒定为一适当的值时，电机的电磁转矩变 化正比于定、转予磁链夹角的变化。在恒定负载、稳态运行时，定、转子磁链都 以同步速旋转，此时转矩角6 为恒定值；瞬态时，6 则因定、转子旋转速度的不同 而不断改变。一般情况下，电机的电气时间常数远远小于机械时间常数，与转子 磁链旋转速度相比，定子磁链的旋转速度更易改变。因此通过对逆变器开关状态 的适当选择，保持定子磁链幅值近似恒定，控制定子磁链空间矢量旋转速度，即 快速改变定、转子间的磁链夹角，就能控制永磁同步电动机的输出转矩。这就是 永磁同步电动机直接转矩控制的最基本的理论基础即基本思想【9 i 。 1 1 3 2 永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理 永磁同步电动机直接转矩控制系统如图3 1 所示，它由逆变器、永磁同步电动 机、磁链估算环节、转矩估算环节、转子位置估算环节、开关表和速度调节器等 组成。控制系统将电机给定转速和实际转速的误差，经调节器输出给定转矩信号： 同时系统根据检测的电机三相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别计算 出电机的磁链和转矩大小、转子的位置、给定磁链和转矩与实际的误差，然后根 据开关表选择逆变器的开关矢量，使电动机能够按照控制要求调节输出转矩，达 到调速的目的【”1 。 图3 1 永磁同步电动机直接转矩控制原理图 f i g 3 1c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo ft h ed t cs y s t e mf o rp m s m 下面对直接转矩控制系统中的各部分进行详细介绍 3 2 1 坐标变换 在直接转矩控制中，需要采样电动机的三相电压、电流值，进行坐标变换以 便于计算。坐标变换公式为： 阶信 1 一三一三 22 o 鱼一鱼 22 ( 3 3 ) 乏 。【一c 。o j s n 0 b , s i n 。0 b , 【 x d p 印 式中，。口、工，表示a 一卢坐标系的变量( 可以是电压、电流及磁链) ：、如t 表示n b c 坐标系变量；孙吒表示d q 坐标系的变量。 3 2 2 磁链转矩估算 根据电机统一方程，交流电机在两相定子坐标系中定子电压方程为 u ，= 足t + d 妒出，因此定子磁链矢量可以表示为： 织2 j ( 蚝一r , i ) a t( 3 5 ) 在a 一卢坐标系下，电机定子磁链的估算模型为： 妒；。2 厂( “，。一n , i , o ) d t( 3 6 ) 2 厂( 一r ，i s a ) d t0 7 ) 于是，定子磁链识可以得到为： 陋，i = 扣三+ 妒品 ( 3 8 ) 由公式1 1 3 可知在a 一卢坐标系下的电机转矩的估算模型为： i 5 号只 ，。如一妒；口。)( 3 9 ) 3 2 3 定子磁链所在区段判断模型 定子磁链矢量所在的区段我们可以根据磁链在a 一卢坐标上的分量进行判断。 由妒；。的正负确定定子磁链矢量的象限，再由a r c t a l l 邛妒。) 决定定子磁链矢量的 具体位置。具体公式为： 嘞叫篆) ( 3 1 0 ) 3 2 4 空间电压矢量 由电压源型逆变器供电时，永磁同步电动机绕组与逆变器开关器件连接如图 3 2 所示。电压源型逆变器一般为1 8 0 。导通型，这样将逆变器的开关状态定义为 两态变量，设逆变器桥臂上管导通时开关状态为1 ，下管导通时开关状态为0 。则 三相桥臂上的开关s 。、& 、s 。共有8 种状态组合，其中包含6 个非零电压矢量 k ( 0 1 1 ) v 2 ( 0 0 1 ) k ( 1 0 1 ) i 4 ( 1 0 0 ) v s ( 1 1 0 ) k ( 0 1 0 ) 以及两个零电压矢量v o ( 0 0 0 ) 和 坞( 1 1 1 ) 。和分别表示a b c 三相下桥臂或上桥臂同时导通，这相当于把电 机三相绕组短接，故称零矢量。 e ，2 e 2 图3 2 三相电压型逆变器模型 f i g 3 2t h em o d e lo ft h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 设电机彳相相电压“。单独作用时形成的电压空间矢量位于定子三相坐标系n 轴上，则由式2 1 可知，不同开关状态下逆变器输出电压空间矢量可作如下表示： k = 詈( “。+ “。e ，扣+ “。e 扣) ( 3 ，1 ) 式中t 为电压空间矢量；、h 。表示不同开关状态是的三相电压；2 3 为 合成系数。由此可以得出用开关状态表示的逆变器输出电压空间矢量图( 各电压 1 4 空间矢量的空间分布如图3 3 所示) ，其中六个有效矢量k k 在空间互差6 0 。电 角度，两个零矢量、嵋位于中心位置。 k ( 0 1 1 ) 圪( 0 1 0 ) 卢k ( 1 1 0 ) v 2 ( 0 0 1 ) v 3 ( 1 0 1 ) 图3 3 电压空间矢量和区段划分 f i g 3 3v o l t a g ev e c - 。t o sa n dz o n e s k ( 1 0 0 ) 由上面的电机统一理论可知，定子磁链矢量可以表示为： 妒。= “，f r 。r f ，d t ( 3 1 2 ) 如果忽略定子电阻r ，那么定子磁链妒，可以直接用电压空间矢量的积分表 示： 妒，= 一。d t( 3 1 3 ) 此式说明磁链矢量矢头的运动方向与给定电压矢量的方向一致，也就是定子 磁链妒，的变化方向是沿“，进行的。因此可阻通过合理的选择空间电压矢量k 来控 制定子磁链的幅值、运动方向与速度，使磁链变化轨迹近似为圆形。 当施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角小于9 0 。时，该矢量作用的结 果将使磁链幅值增加；当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角大于9 0 。 时，该矢量作用的结果使磁链幅值减小。 为方便电压空间矢量的选择，可以将矢量平面分为如图3 3 所示的六个区域。 如图3 4 ，以定子磁链运行在区域1 中并按照逆时针方向旋转为例，可选择电压空 间矢量圪以增加磁链的幅值，选k 来减小磁链的幅值。如定子磁链顺时针运转， 则可以选择巧增加磁链幅值，选择巧减小磁链幅值。通过这种方式，可选择适当 的空间矢量来控制永磁同步电动机定子磁链幅值，使其保持恒定。 k ( 0 1 1 ) 图3 4 电压空间矢量对磁链的控制 f i g 3 4c o n t r o lo ft h es t a t o rf l u xt h r o u g ht h ev o l t a g e 如前所述，在永磁同步电动机的直接转矩控制中，电动机的电磁转矩可通过 保持定子磁链的幅值不变而控制其旋转速度而得到有效控制，而定子磁链的幅值 和旋转速度都是通过正确选择空间电压矢量来实现。当电动机实际电磁转矩小于 给定时，应选择使磁链沿原方向旋转的电压矢量，由于电机的机电时间常数远大 于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变得比转子转速大，造成定转子磁链之 间夹角瞬时增加，转矩迅速增大；反之亦然。这样在永磁同步电动机直接转矩控 制中，通过空间电压矢量选择，使得定子磁链不停地进进退退，瞬时改变功率角， 使转矩得到快速动态控制。仍以磁链矢量运行于区域1 并逆时针运转为例，如果 要求磁链增加，可选k 和k ，若同时要求转矩减小，可选择k 和k ，综合考虑时， 发现满足增大磁链并减小转矩以实现逆时针运行的电压空间矢量k ，根据这种方 法就能得出下面介绍的空间矢量选择规律。 32 5 空间矢量选择规律 在控制系统中，实际磁链、转矩与其给定值之差经滞环控制器可得到两值0 、 1 控制信号，分别减小或增加磁链及转矩值。为使系统达到最优控制性能，必须综 合考虑当前磁链幅值与转矩的要求。也就是根据磁链、转矩调节器的输出合理选 择空间电压矢量。 磁链调节器的原理如图3 5 所示： 爿二卫 一气 图3 5 磁链调节器 f i g 3 5t h ec o n t r o l l e ro ft h ef l u xl m k a g e 磁链调节器采用的两点式调节，容差为2 气。定义输入信号误差厶妒一妒：一饥， 调节器输出为： 妒忙笏二 转矩调节器的原理如图3 6 所示： 图3 6 转矩调节器 f i g 3 6t h ec o n t r o l l e ro ft h et o r q u e 定义输入信号误差r = 乇一乙，调节器输出为 2 ：扒a t 嘞e r 1 7 f 3 1 5 ) 将磁链和转矩两个调节器结合起来，共同控制逆变器的输出，既能保证电机 的磁链在给定值附近，也能保证电机输出转矩快速跟随指令。图3 7 就展示了当定 子磁链逆时针方向旋转时，定子磁链在滞环控制原则下的运动轨迹。 下面给出具体的电压矢量选择方法，见表3 1 。其中妒。和乙表示磁链与转矩 滞环控制器输出值，1 - 5 表示当前磁链所在的区域，k 表示所选择的电压矢量。这 就是永磁同步电动机直接转矩控制的控制规律【1 2 】。 图3 7 定子磁链的控制图 f i g 3 7c o n t r o ld i a g r a mo fs t a t o rf l u xl i n k a g ev e c t o r 表3 1 逆变器开关表 t a b 3 1s w i t c h i n gt a b l e 区域 妒q 12 3 4 56 1 圪kk屹 巧 1 ok k以kkk 1 圪k屹 屹k蚝 0 o 吃 匕kkkk 第4 章采用矢量细分及多滞环转矩调节器的改进型直接转矩控制 作为高性能交流调速控制策略之一的直接转矩控制具有很多优异性能，并得 到了广泛的关注。由上章论述可知传统的直接转矩控制系统结构简单、转矩能直 接控制、转矩动态响应快速以及对电机参数表现出强的鲁棒性等优点。但也存在 一些不足，在数字系统的一个采样周期内，只有有限且不连续的空间电压矢量的 选择，会使转矩急剧增加或减小，导致转矩的脉动远远超过设定的滞环宽度，使 电机产生不希望的噪声和振动。另一方面，逆变器的开关频率是不固定的，滞环 比较器的幅值大小影响着开关频率，在数字化的直接转矩控制系统中，由于数字 计算的系统滞后、传感器的灵敏度及a d 转换时间等影响，也使在当前采样周期 和下一个采样周期之间产生的滞后可能是误差超过滞环宽度，造成磁链和转矩的 脉动增大。因此要实现对直接转矩控制系统改进，应该以减小转矩脉动和使开关 频率固定化为目的。 本章介绍一种空间矢量细分和多滞环转矩调节器的直接转矩控制新方案。将6 个基本空间矢量细分为1 2 个空间矢量，并采用多滞环结构转矩调节器，对1 2 个 空间矢量重新优化组合，得到直接转矩控制优化开关表。1 2 个空间矢量的形成是 由空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 的方法实现的，通过细分的转矩偏差信号得到的 开关表，并不是直接的指示逆变器的下一个开关状态，而是采用空间矢量脉宽调 制的方法得到固定频率的开关信号【1 2 l 。 4 1 空间矢量细分 由上章所述，三相电压型逆变器在工作时只能产生8 种组合的开关状态，分 别是： ( s 。、s b 、s 。) = ( 0 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 1 0 ) ，( 0 1 0 ) ，( 1 0 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 0 0 1 ) ，( 1 1 1 ) ( 4 1 ) 这8 种开关状态通过p a r k 矢量变换得到8 种空间电压矢量，6 个有效电压矢 量和2 个零电压矢量。直接转矩控制就是利用在不同的控制周期选用不同的电压 矢量来实现磁链和转矩控制。为了提高系统的控制性能，可以使用空间矢量脉宽 调制( s v p w m ) 的方法，使用两个矢量来合成需要方向、需要幅值的电压矢量。 4 1 1 电压空间矢量调制原理 8 0 年代b r o e c k 博士提出了一种新的脉宽调制方法空间矢量p w m 调制， 将空间矢量引入到脉宽调制中。空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 策略的君标是利用 逆变器固有的基本空间电压矢量合成所需要的电压空间矢量。其主要思想是在一 个控制周期中选择相邻非零电压矢量和零矢量，计算每个矢量的作用时间，从而 合成所需的电压空间矢量【1 3 14 1 。 空间电压矢量合成原理如图4 1 所示，k 是期望的电压矢量，k 、e 是相邻矢 量，f ，、t ：分另q 是在一个采样周期t 中k 、k 的作用时间，其余时间t 。施加零矢量 ，妒是期望电压矢量k 和首先施加的电压矢量之间的角度，且0 = 妒= 6 0 。 孚k 丁 1 图4 1 电压空间矢量线形组合 f i g 4 1v o l t a g es p a c ev e c t o r s 再来看看f 1 和f ：的确定方法。如上所述，所期望的线形时间组合的电压空间矢 量k 是争倍的k 与争倍的k 的矢量和，即 k = 争k + 争+ 争碥 ( 4 _ 2 ) 由图4 1 ，根据三角形的正弦定理有： 嵩：志 s ， 2 0 墨：志 (4。)sin07sin s in 1 2 0 0 一7 由式4 3 和式4 4 解得： 科。科。s i o ( 6