（电机与电器专业论文）三电平逆变器异步电机直接转矩控制.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注和致谢的地方外， 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 卫窿生- 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论 文作者签名:签字 日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论文 作 者 完 全 了 解 *$e k主 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， 允许论文被查阅和 借 阅 。 本 人授 权 卫 t处y t 可以 将 学 位 论 文的 全部 或 部 分内 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) 学位 论文作者签名:导师签名: 签字 日期:年月日签字 日期:年月n 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯 地址: 电话: 邮编: 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 目的和意义 随着国民经济的快速发展，各个行业对能源的需求量日益增多，加之我国能源 利用技术比较落后，能源消耗十分惊人，能源危机成为我国，乃至全球鱼待解决的 问题之一。因此，在满足经济发展需要的同时，要实现能源的合理利用，提高能源 利用率，走可持续发展道路。 面临着能源价格的不断上涨，企业的成本压力也明显增大，作为节能降耗的一 个重要手段，变频调速越来越受到广大生产厂家的欢迎。大容量变频调速技术不仅 应用在工业高压大容量电 动机的拖动，而且也广泛应用在电力机车、城市地铁、轻 轨和电动汽车上，以解决环境污染问题。 目 前，虽然出现了很多类型的电机，但是应用最广的还是异步电机。现代交流 电机调速技术的发展一方面要求，降低损耗和成本，另一方面对系统调速性能上也 不断的提出了更高的要求。交流调速系统的发展从最开始的开环 v / f 控制，发展到 后来的转差频率控制、 矢量控制和直接转矩控制。 这些方法在实现电机控制的同时， 都能够起到节能的作用. 作为高性能交流电机控制策略，关键就是要实现对瞬时力矩的控制。矢量控制 是通过控制解祸的电流来控制力矩的， 直接转矩控制不去考虑如何使定子电流解祸， 而是直接着眼于对转矩的控制，因而，和矢量控制相比，直接转矩控制具有结构简 单、转矩响应快速等特点。因此近年来很多学者对此进行了研究，也取得了很大的 进展。直接转矩控制理论的实现已经有了成功的范例，基于直接转矩控制的高性能 变频器已经走向产业化， 如 a b b 公司的 a c s 6 0 0等通用变频器。此外，a b b公 司已 经 把直接 转矩控制 成 功地运用到了电 力机 车 牵引 领域 n 电力电子变换器广泛的应用于电能变换，电力拖动领域，高压大容量系统的出 现，对变换器也提出了更高的要求。早期的高压大容量交流调速主要采用的是晶闸 浙江大学硕士学位论文 管， 开关 频率 低并且不能自 关断， 这就影响了 逆变 器性能的 发挥。 二 十世纪八十 年 代以来，出现了 g t o、 bjt 、 mo sfet 为代表的自 关断器件得到了发展，尤其是以 i g b t 、i g c t为代表的双极型复合器件的发展，使得电力电子器件正沿着大容量、 高频化、易驱动、低损耗和智能化的方向推进。伴随着器件的发展，高压大容量逆 变器技术也发展起来，多电 平逆变器技术也随之发展起来. 在高压大容量系统中，多电平逆变器有着突出的优点:在成本上，电力电子器 件， 如 ig b t ， 其价格并 不是 与 其容量成比 例增 长的， 容量增加 一倍， 其价格有 可 能要高出很多倍，因此用若干个容量比 较低的器件来代替高容量器件，可以降低系 统的成本;利用低电压等级的快速开关器件代替高电压等级的低速开关器件，可以 提高逆变器的开关频率，能够实现能为精确的控制;输出电平数多，谐波含量小。 但是高性能控制的实现是需要更为复杂的控制， 这就对控制方法提出了更高的要求， 因此， 研究多电平逆变器调速系统的控制是十分有必要的。 工业技术发展到今天，很多领域，如水厂、电厂的风机、泵类负载和钢厂轧钢 以及列车的牵引等采用的都是大容量交流电机，这些领域都需要消耗大量的能源， 采用多电平变换器以及先进的控制技术以后，可以实现节约能源，降低成本。因此 研究多电平逆变器异步电机直接转矩控制有着重要的意义。 1 . 2 异步电机直接转矩控制 异步电 机直接 转矩控 制是由 德国 鲁尔大学的 m .de pe nbm ck 教 授和日 本长岗 技 术科技大学的 l l a k a h as hi教授于 1 9 85 年提出的。 其基本思想是通过测量定子电压、 电流以及转速，计算出电 机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器，实现对转矩的直 接控 制1= 。 直接 转矩控制与以 往的 控 制策 略相比具有以 下的 特点s : ( 1)转矩和磁链控制采用简单的砰一砰控制器， 直接利用这两个控制信号控制 逆变器产生相应的空间电 压矢量，不用像矢量控制那样，避免了将定子电流分解成 转矩分量和磁链分量，省去了旋转坐标变换和电流的控制，简化了控制器的结构。 (2) 选择的定子磁链为控制量， 与矢量控制相比计算磁链时可以不受转子参数 浙江大学硕士学位论文 变化的影响，这样就提高了控制系统的鲁棒性。 (3) 由 于 采 用的 是转矩反 馈的 砰一 砰控制， 在加 减速或负 载变化的 动态 过程中， 可以获得快速的转矩响应，但是要注意限制过大的电流冲击，以避免电力电子开关 器件的损坏。 作为一种先进的控制方法， 直接转矩控制结构简单，动态性能优良 ，但是也存 在低速性能差、 转矩脉动大、 逆变器开关频率不固定、 电动机起动电 流较大等问题. 为了解决上述的问题，近年来，人们提出了很多的方法: ( 1)将 直接 转矩控制与空 间 矢量 控制相结 合 (sv m 一 d t c )的 方 法闭 。 该方法利用空间矢量合成技术，在每个采样周期中，求得一个能够恰好补偿当 前定子磁链误差与转矩误差的参考电压矢量， 能够使系统的输出转矩波动大大减小。 同时在矢量合成过程中合理的安排各个矢量发生的顺序， 实现逆变器开关频率恒定， 减小开关损耗。 (2) 采 用无 速度传感器运 行 l旧固刀 . 直接转矩控制需要根据电机的转速反馈进行闭环控制，而传统的直接转矩控制 对于转速的测量都是在电机的转子上安装有测速发电机或者光电码盘，这样不仅增 加了系统的成本与安装的技术要求，测量的结果还会受到环境因素的影响，因此， 无速度传感器的直接转矩控制受到了越来越多学者们的关注。 (3) 磁 链 观 测 器的 改 进 t“，19 ljo . 由于直接转矩控制需要采用滞环控制， 根据系统当前的状态计算出当前的磁链， 并与磁链给定值进行比较，根据滞环控制信号，选择合适的电压矢量，同时，在电 磁转 矩的 计 算 过程中， 也要利 用到 磁链 观测器计 算出 磁链的“、 刀 分量， 可以 看出 ， 磁链观测的好坏，会影响到控制系统的整体性能，因此如何提高磁链观测的准确程 度是直接转矩控制中的一个难点。 ( 4 ) 从逆变器的拓扑结构着手，将多电平技术与直接转矩控制相结合起来。 多电平逆变器较传统的两点平逆变器而言，具有更多的空间电压状态矢量，这 样逆变器的整个空间电压矢量平面就可以进行细分，在很大程度上能够减小转矩波 动与磁链误差.但是在多电平逆变器上实现直接转矩控制比较困难，由于直接转矩 控制是以优化矢量表为基础的，电平数越多，电压矢量数也将急剧增加， 优化矢量 浙 江大 学硕 士 学 位 论 文 表的复杂程度也急剧增加。同时还要考虑和具体拓扑相关的问题，如二极管箱位三 电平逆变器的中点电压平衡问题等.这就给直接转矩控制在多电平电路上的应用带 来 t 很 多 困 难 liij li21l131l11 l151 ( 5 )从控制的性能入手，对直接转矩控制加以改进。 采用转矩 预测 控制， 以 及先进的 控 制方 法， 如模 糊控 制， 神经网 络控制 等le l l ,e j 1 . 3 多电 平逆变器的 拓扑结构 传统的电压源型逆变器直流母线上只为单一的直流源，这就决定了在进行脉宽 调制的过程中， 输出 的p wm波只 有两 种电 平0 和吸 ， 在高 压大容量系 统中，吸 往往都很高， 对于电 机来说， 就会出 现 很高的剑 d t ， 对 绕组构成了严重的 威胁， 同时，在大容量交流调速系统中，开关器件所承受的电压也是很高的，考虑到成本 以及控制性能等因素，近年来，多电 平逆变器技术逐步发展起来，其基本的拓扑结 构分为以下几类:二极管箱位型多电 平逆变器;飞跨电容箱位型多电平逆变器和级 联多电平逆变器。 1 、二极管箱位型多电平逆变器 1 9 8 。 年，日 本的a k i r a n a b a e 等 人提出了中 点箱位 逆 变器的 概念ll n ，经 过几十 年的发展，二极管箱位型多电平逆变器技术已经受到了越来越多的关注，图 1 -1 所示为二极管箱位三电平逆变器. 从结构上可以看出对于m电平的逆变器， 直流侧 需要 ( m-1 ) 个分压电容，这样就能够实现母线电压的m种电平状态，同时每相 p 十 廿口 . + n 亏tb ( -( t rw l “ 代 厂 二 厂下 r - 一一 r勺 厂下 二 ， 土 r 性 i t b 3j 习 布 图 1 一1二极管箱位三电平逆变器原理图 浙江大学硕士学位论文 需要 ( z m一4 ) 个箱位二极管和 (2m 一2) 个开关管。这种结构特点是采用二极管 对相应的开关管进行箱位，保证一相桥臂每次只有一个开关动作，同时，实现多电 平的输出，对于三电平逆变器而言，每个开关管只承受直流母线电压的一半，可以 利用小容量的开关器件得到比较高的系统容量。但是当电 平数较多时，需要的箱位 二极管也较多，所承受的反压也不再相同，同时，中点电容电 压会出现不平衡的现 象 。 2 、飞跨电容箱位型多电平逆变器 由 于二极 管箱位型 多电 平逆变 器存 在 上面所讲的问 题， 法国 的m eyn ard t a和 f oc h 于 1 992 年 提出 了 飞跨电 容箱 位型三 电 平逆变电 路lln 。 图】 一 2 所示为三 相飞跨 电 容箱 位型三电 平逆 变器电 路结构图 ， 其中砚、q和几是飞 跨箱 位电容， 正常工 作时，两端电压为直流母线电压的一半。 其工作原理与二极管箱位电路相似，开关 管所承受的电压为直流母线电压的一半， 输出电压谐波含量较低。 对于m 电平的逆 变 器 ， 每 个电 容 承 受 的 电 压 为几/( m 一 1) ， 每 相 需 要m ( m 一 1 ) / 2 个电 容 和( z m 一 2 ) 个 开关管。该结构引入了大量的电容，特别是电平数更多的情况下，一般高容量系统 中电容的体积更大，使得占地多，成本高，不易进行封装。 albc 图 1 一2 飞跨电容箱位型三电平逆变器 3 、级联型多电平逆变器 这种结构的多电 平逆变电路每相都以单相全桥逆变器为基本单元，对于一个 。 电 平 的 级联型的 逆 变器， 每 相需 要( m 一 1 ) / 2 个基 本单 元 ， 每个 单元可以 输出 浙江大学硕士学位论文 2 v , / ( m - 2 ) , o 和 一v , / ( m - 2 ) 三 种电 平 。 每 相 需 要 ( m - 1) 户个 独 立 直 流电 压 源 和 2 ( m - 1 ) 个 开 关 管 。 图 1 一所 示 为 级 联 型 三 相 三 电 平 逆 变 器 电 路 结 构 ， 每 相 桥 臂 由 一个基本单元构成。 这种结构最大的特点是直流侧采用相互独立的直流电源，避免了电容电压不平 衡的问 题， 而且每一相都是以两电平 h桥为基本单元， 结构简单， 便于控制的实现， 同时 也易 于模 块化集成。 但是需要 大量的 隔离 直 流电 源 i u 7 困 帅几 朴 一 万 小t 丰 -jv -jv一里少 l -1 图 1 -3级联型三电平逆变器 根据上面各种类型的多电平逆变器的特点，本课题采用二极管箱位三电平逆变 器作为研究对象，实现异步电机的直接转矩控制。 1 . 4 二极管箱位三电平逆变器异步电机直接转矩控制 二极管箱位三电平逆变器共有 2 7 种空间电压矢量，与传统的两电平逆变器相 比， 在异步电机直接转矩控制过程中能够产生更多的电压矢量以供选择， 可以对转 矩和磁链带来更加精确的控制。 但是高性能控制的实现也是需要代价的， 在控制过 程 中 要 注 意 到以 下 几 点 4411457 1 .矢量的选择 三电平电 路中共有2 7 个空o 电压矢量， 除去3 个零矢量和 6 个冗余短矢量， 还 有 1 8 个有效矢量， 这就在很大程度上增加了矢量选择的复杂性。 有效矢量的长短不 一 ， 小 矢 量 的 长 度 为 长 矢 量 的 一 半， 中 矢 量 的 长 度 为 长 矢 量的 f 八， 每 一 种 矢 量 对 浙江大学硕士学位论文 磁链和转矩的影响程度都不同;同时，在相邻前后矢量切换时还要避免过高的电压 幅值跳变的问 题，避免相电压在电平 1 和一1 之间直接跳变，否则三电平拓扑就失 去了自己的优势，严重时还会对负载带来损害。 2 .中点电压平衡 二极管中点箱位逆变器直流母线上的电容不仅仅用于滤波，还起支撑作用，对 其基本要求就是在运行过程中要始终保持上下两个电容的电压保持平衡。但是通过 对交流控制系统的分析可以知道，只要逆变器工作在0 状态，就会有相应相的电流 经过两个电容，其结果必然是一个电容的电压上升，另一个电容上的电压下降，这 就产生了中点电位的漂移。特别是在高压大容量系统中，通常负载电流都很大，流 过中点电流也很大，从而导致较大的中点电压的波动，严重时就会影响到系统的安 全，可以使用以下方法解决中点电压平衡问题: ( 1) 在矢量的 选择上， 让能够影响中点电压的小矢量成对出现， 并且让正小矢 量和负小矢量作用时间相同， 这样其对中点电压的影响就可以相互抵消。 但是对于 中矢量， 由于没有与其互补的单独矢量， 因此会带来很大的低频纹波， 固定合成矢 量法就是采用了这种思路。 为了能够更加有效的控制住中点电压， 还可以对中点电 压引入闭环控制， 根据中点电压的偏差和中点电流的方向， 在矢量产生时，刻意的 增 加对中 点电 压 具有 相反 作用的小矢量的 作 用时间 叨侧咖。 ( 2 ) 通过硬件电 路来进行控制。根据中点电压的偏移情况， 通过硬件电路， 适 时的对上下两个电容进行充放电， 以实现两个电容电 压的平衡。 当然这种方法的实 现 也是要 借助于 软件的 支 持的 阁。 5本课题研究的 主要内容 随着大容量交流调速系统应用领域的不断扩大，多电平逆变器与交流调速相结 合的研究也在不断深入，如何实现多电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的数字 化控 制 是十 分具 有实用 价 值 的 课题 .本课 题 主要 研 究的是 构 建基 于 t m s320l f2407a d sp 的三电平逆变器异步电机直接转矩控制试验平台，实现基于 二极管箱位三电平逆变器异步电机直接转矩控制，在实现三电平逆变器功能的前提 浙江大学硕士学位论文 下，对异步电机进行直接转矩控制，实现电机的可靠运行。全文的安排如下: 绪论部分。阐述研究多电平逆变器异步电机直接转矩控制的意义。对异步电机 直接转矩控制的优点及当前研究的热点进行了说明，同时对多电平逆变器的几种典 型的拓扑结构加以讨论，最后针对二极管箱位三电平逆变器异步电机直接转矩控制 中要注意的问题进行了分析。 第二章，介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理，以两电平逆变器为例加以 详细的说明。 第三章，是本文研究的重点。首先，分析了二极管箱位三电平逆变器的工作原 理，推导出二极管箱位三电平逆变器与异步电机的统一模型。对单一矢量法以及合 成矢量法进行了分析，结合二者的优点，采用改进型的固定合成矢量法实现基于三 电平逆变器异步电机直接转矩控制。并对整个控制系统进行仿真分析，验证该方法 的可行性，为接下来的实验研究提供了重要的理论依据。 第四章，是本课题研究花费时间最多的地方。首先对 自己构建的硬件实验平台 进行了详细的说明，然后结合t m s 320 l f 2 4 07a的内部资源，介绍了控制系统的软 件设计以 及相应功能的实现。 第五章，对前文所设计的实际系统进行了实验研究，给出了实验结果，并进行 了相应的分析。 最后，总结了全文所作的工作，在此基础上提出了下一步需要改进的地方，为 以后的研究指明了方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章异步电机直接转矩控制 直接转矩控制是直接在定子静止坐标系上计算磁通与转矩的大小，并通过对磁 通和转矩的跟踪控制， 实现p wm控制和系统的高动态性能. 从转矩的角度出发来看， . 只关心转矩的大小. 磁通的小范围的误差并不会影响转矩的控制性能. 与矢量控制相 比，不用进行解祸，避免了许多复杂的矢量变换与计算。作为一种新型的高性能交 流调速控制技术，受到各国学者的广泛关注。本章介绍了异步电机直接转矩控制的 基本原理，以两电平逆变器为例加以 详细的说明。 2 . 1 异步电机数学模型 2 . 1 . 1 直接转 矩控 制a 一 刀 坐标系 统 图2 -1定子静止两相坐标系统 异步电机直接转矩控制是在定子静止两相坐标系下进行分析计算的，这个过程 需要将电 压与电 流由 三相 a - b - c 坐标 系变换为两相 静止“ 一 刀坐 标系， 从 a - b - c到 “ 一 q的 变换 矩阵 为: p一 1/ 2一 1/2! c 3 . = ”f / 2一 .r /2 1 l 1/ 2 1/ 2 1/ 2 c 2一 1 ) 正常情况下电 机三 相绕组的电 流满 足 10 十 耘 十 礼 = 0 ， 因此电 机的 定子电 流 从 a - b - c 浙江大学硕士学位论文 变换到a 一 刀为 : ( 2一2) + 分 一一 za.份 而对于定子绕组的相电压满足下式: va = 场 一 v z 物 一 / 2 鲡 u ， = 石 户 uax一 石 八 uc ( 2一3 ) 2 ， 1 . 2 异步电动机数学模型 直接转矩控制是在定子坐标系下对交流电机的 数学模型进行分析，因此在 研究直接转矩控制之前，我们有必要对电机的数学模型进行分析。 异步电机数学模型是建立在以下假设基础之上的: ( 1) 电机的定子和转子三相绕组是完全对称的: ( 2 )忽略齿槽效应的影响; ( 3) 磁路是线性的，不考虑铁心的饱和、涡流和磁滞现象，忽略铁耗; ( 4 )气隙磁势在空间按照正弦规律分布。 _ 瓦 _述一， 。 ， 砚 朴/ 卜 嘛 图 2 一2异步电 机的r型等效电路 上图为异步电 机的等效模型，直接转矩控制系统中，参考坐标系是建立在定子 绕组的静止两相坐标系上的。 定子电压方程为: 浙江大学硕士学位论文 二_。 :. d 凡 “ 。= n . ， _ 宁 dt ( 2 一4) 转子电压方程为: 。 = 旅一 零十 ja，.只 口 了 ( 2一5) 定子磁链方程为: 只= l 乙 转子磁链方程为: 认= 凡一 几1. 其中r.、 rr为电 机的 定子电阻 与转 子电 阻 。l 感。 然为电 机转子的电 角 速度。 异步电机的电磁转矩为: ( 2一6) ( 2 一7) 、瓦为电 机的 定 子电 感与 转子电 : = 号 州 、 、 ， 一 蜘 、 ) ( 2一8 ) 根据异步电机的r 型等效电路可以知道 毛=心十1. ( 2一9 ) ( 2 一)和 ( 2 一 7 )可知: 心= ( 2一 1 0 ) ( 2 一 1 1 ) ( 2 一 9 )中，可以得到 式入 由代 l. =丝十 竺 竺 仁 lla ( 2一 1 2 ) 将毛 的 a与夕 分量代入到 : = 号 pn (、 “ ， 一 、 ( 2一 1 3 ) 可以得到 : 浙江大学硕士学位论文 : 一 长 p n w .w . 一 w ,.w ,l ) 一 长p n (w , . w .) 一 亡 号 p n lyi,iiyi,isin o ( 2一 1 4) 式中b 为定转子磁链之间的夹角，在异步电机工作过程中，通常是保持定子磁 链为定值，而转子磁链一般由负载决定，通常也不会有所变化，因此电磁转矩的变 化一般由定转子磁链之间的磁通角夕 来决定。 2 . 2 电压源型逆变器和电压空间矢量 2 . 2 . 1 电压源型逆变器 图2 -3 电压源型p wm逆变器 在交流电机变频调速系统中，对电机的控制主要是通过对逆变器的控制来实现 的。在直接转矩控制系统中， 采用的是电压源型逆变器。三相电压源逆变器示意图 如图2 所示，功率开关器件一般采用 】 8 0 度导通型。这样，在同一时刻每一相都会 有三个管子导通，为三相定子绕组提供三相电压。定义s a , s b , s c 分别表示每一 相的开关状态。以a相为例，s a =1 时，表示a相桥臂上面的开关管闭合，下面 的开关管断开。s a =0 的情况相反。这样，图1 所示的逆变器共有8 种可能的开关 状态。如表2 - 1 所示. 浙江大学硕士学位论文 表2 一1 逆变器的8 种开关状态 状态 0 l234 5 67 sa0l0lol01 sb00ll00ll sc0 00 0l1ll 由于状态 “ 0 00”和 “ 1 1 1 ”作用时，三相绕组都接到同 一极性的直流母线上，三相 具有同样的电位，所得到的负载电压为零。因此称这两种为无效的开关状态。其余 6 种为有效的工作状态。 对于异步电机来说，其中点 n 与电源中点 0 的电位一般不相同.因此电压 u 。护 。 ， 定 子绕组三 相相电 压可以 表 示为: u 一气 0 一 蝙 1 “ ” 一 与一 蝙 t u 翻 =“ 印 一“ 阳 ( 2一 1 5) 而对于异步电机， 通常三相绕组是对称的， 定子绕组的三相相电压有如下关系: 材 朋+ u 朋+ “ 研= 0 结合式 ( 2 一 1 5) 可以推出: ( 2一 1 6) 、 = 蚤 (、 + 一 + uco ) ( 2一 1 7) 根据电压源型逆变器的开关函数定义可 以知道， 当 * 一 1 时 ， 、 。 = 粤 吸， * =0 时 ， 艺 sb 一 1 时 ， 。 bo 一 粤 吸， sb =0 时 ， * 一 ， 时 ， uco 一 告 、 ， “ =0 时 ， 这样定子绕组的相电压可以表示为: 撇sbsc 2一1一1 ( 2一 1 8) 2 2一 - 叽 11，j - 与蝙ucx 浙江大学硕士学位论文 2 . 2 . 2 电压空间矢量 异步电机的电压、电流、磁链等均是三相物理量，在对异步电机进行分析控制 时， 分别需要对每一相都进行分析控制，引入p a r k 变换， 将三维标量变化为一个二 维的矢量，将会使整个过程变得简单起来。对于星形连接的三相绕组，其三相绕组 的 相 电 压 用u a n u b n 、 表 示 ， 那 么 任 意 时 刻 的 空 间 电 压 矢 量u , ( t ) 的 p a r k 矢 量 变换表达式为: ，f 、 2 r a , v) -1 1 u .w j + u b n e j 2 + u c n e y ia ( 2一 1 9) 可 以 看出 电 压 空 间 矢 量u , ( ) 与 电 机 的 中 点电 压%无 关 ， 只 与 三 相 桥 臂 的 开 关 矢量和直流母线电压有关。根据逆变器的8 种开关状态，就可以得到逆变器能够输 出的8 种电 压空间 矢 量u 0 . . u , 。 其中u 0 和u , 为 零矢量， 其余的 六个非 零电 压矢量 均 匀的 分 布在叨 坐标 平面上， 各个 矢 量的幅 值为2 / 3 吸 ， 相 差6 0 0 。 定 子绕组的 相电 压与逆变器的开关状态之间的关系如表2 -2 所示。 表 2 -2 定子电压与逆变器开关状态的关系: s a s b s c0 0 01 0 001 01 1 00 011 0101 11 1 1 u a n02 / 3 u , , 一 1/ 3 叽1 / 3 u , , - 1 / 3 吸1 / 3 吸一 3 u 、 d 71dl ， 、 、 ， d 7 )dt 1, ( 2-3 7) 由式 ( 2 - 1 2 )可知 w , = 先(i,l o 十 当 勺 0， 中 点 电 位 下 降 ， 钻 0 中 点 电 位 上 升 ， 这 一 特 性 对 于 后 面 中 点 电 压 的 控制是十分重要的。 对于每一种长矢量，输出接直流母线的正端和负端，没有与中点相连的情况， 因此，中点电 流为零，对中点电压不会产生影响。而对于中矢量，由于总有一相与 中点相连，中点流过相应相的电流，中点电压发生相应得变化。对于成对出现小的 浙江大学硕士学位论文 图3 - 5 三电 平 逆变 器等效开 关模型 矢 量 ， 以 长 矢 量 ( 1 一 卜1 ) 方 向 相 关 的1 0 0 ) 和 ( 0 - 1 - 1 ) 为 例 来 进 行 说 明 。 小 矢 量 ( 1 0 0 ) 作 用 时 ， 电 机 的 b 相 和 c 相 与中 点q 相 连 ， 此 时 流 过 中 点 c 1 的 电 流钻 = 1b 十 lc r 由 于 三相异步电机 正常 工 作时三相电 流几 十 几 + 1 = 0 ， 此时流过中 点的电 流就 可以 用一 i s 来 表 示 。 小 矢 量 ( 0 - 1 - 1 ) 作 用 时 ， 电 机 的 a 相 与中 点 q 相 连 ， 这 时 电 流iq = is o 可 以 看出，这两个小矢量都会对中点电压产生影响，并且作用是反相的，当一个矢量使 中点电压增加 ( 称为正小矢量) ，另一个必然会使其减小 ( 称为负小矢量) 。对于其 它的电压矢量，用同样的分析方法可以得到。 表3 - 1 电压矢量与中点电流对应表 电压矢量矢量类型中点电流电压矢量矢量类型中点电流 1 1 1 零矢量 0 一 1 0-1 小矢量 l b 0 0 0 零矢量 0一 1 1 0 中矢量 l 1 一 1 一 i 一 1 零矢量 0 一 1 1 1 长矢量 0 1 一 1 一 1 长矢量 001 1 小矢量 i , 1 0 0 小矢量 一 1 , 一 1 0 0 小矢量 一 l a 0- 1 一 i 小矢量 i n 一 1 01 中矢量 l b 1 0- 1 中 矢量 l b 一i 一 1 1长矢量 0 1 1 一 1 长矢量 00 01 小矢量 一r 浙江大学硕士学位论文 1 1 0 小矢量 s 一1 一 1 0小矢量 11 0 0- 1 小矢量 一r l 0 - 1 1 中矢量 la 01 一 1 中矢量 t o 1 一 1 1长矢量 0 一 1 1 一 1 长矢量 00一1 0 小矢量 一 l b 01 0 小矢量 一 l b 1 01 小矢量 b 1 一 1 0 中矢量 i s 从表 3 - 1 可以看出，零矢量和长矢量作用时，中点电流为零，不会对中点电压 产生影响。 成对出现的小矢量对中点电流的 作用是相反的， 在控制中可以利用这一 点来对中点电压进行控制。中矢量会对中点电流产生影响，但是这种影响是不可控 的。 3 . 3三电平逆变器中点电位不平衡问题的研究 3 . 3 . 1 利用短矢量对中点电压的平衡作用控制 通过前面的分析知道短矢量会影响到中点电压，我们可以 利用这一点来控制中 点电压。在矢量选择上，始终让能够影响中点电压的小矢量成对的出现，即根据需 要，让正小矢量和负小矢量的作用时间相同，这样对中点电压的影响就可以相互抵 消。 3 . 3 . 2 通过硬件电路进行控制 在直流侧采 用图3 - 6 所示的 电 路结构 利用d c / d c变换 中的b u c k - b o o s t电 路对电容进行充放电。 该电路可以看成是由b u c k和 b o o s t电路组成， 直流电 源、 t , , l , . c 2 , d .构 成 7 一 个b u c k 电 路 ， c , , l , , 兀、 d 2 和 c ，可以 看 成 是 一 个 b o o s t电 路. 当电 容c ， 的电 压认. 大于电 容c : 的电 压帐 时 ， 戈 管导通， b u c k电 路 开 始 工 作， 电 感l . 储 能 ， 选 择 适当 的 占 空 比 ， 在兀 管 关 断 后 ， l ， 上 的 能 量 为 电 容 c : 充电， 从而使c ， 的电 压u o 升高， 以 减少中点电压的进 一 步偏移。当电 容c z 上 浙江大学硕士学位论文 的电 压飞 大 于vc， 时 ， b oos t 电 路 工 作 ， 毛 管 导 通 ， 电 容 c z 上 的 能 量 通 过l z 、 兀 存 储 在l z 上 ， 毛 关 闭 后， l z 通 过 二 极 管 d z 为 c : 充 电 ， 使认。 升 高 。 这 样 通 过 对 两 个电 容电 压 进 行 检 测 ， 适 时 的 开 通 关 断 不 和几 ， 就 能 够 实 现中 点 电 压 的 均 衡 ， 保 证 逆 变 器 正 常 工 作 网 . 叽 乙 c 生丰 口 朴仪一 q木c z生乡 图3 石 b u c k-b ( 刃st中点 平衡电路 通过硬件电路能够很好的实现中点电位的控制。 同时， 可以减轻软件算法的复 杂度， 在p wm调制的过程中可以不用特意的考虑中点电压的问题， 但是， 硬件方 面的引入带来了 成本的增加， 并且直流侧的开关元件所承受的电压为逆变器桥臂的 2 倍，在实际的三电平电路中应用不是很多。 本课题主要是从软件方面， 通过合理的安排正负小矢量的作用时间的长短， 在 实现直接转矩控制的同时，保证中点电位的平衡。 3 . 4三电 平逆变器异步电 机直接转矩 控制基本方法 两电平d t c控制是以6 00为一个扇区将整个电压矢量空间划分为6 个扇区， 可 供选择的有效开关状态仅为6 个，这样，在一个控制周期中，所选择的开关状态在 使磁链与转矩达到了给定值时，下一个周期还没有到来，该电压矢量继续作用，使 磁链与 转矩 误差加大。 对于 三电 平逆变器来 说， 可以 产生的电 压矢 量种类 较多 ，使 扇区得到进一步的划分，在一定程度上能够减少转矩波动. 多电 平 逆变器在 矢量 控制的 实现上取 得了 很大的 成绩，这 是因 为矢量 控制技术 具有传统的优势，以空间矢量调制或载波调制技术为基础，而这两种技术都是从 浙江大学硕士学位论文 p wm 控制的角度出发的，相对比较容易，在这方面的研究也比较多。而直接转矩 控制是根据磁链与转矩的控制信号，通过查询矢量表选择最为合适的矢量，两电平 逆变器的电压矢量数目较少， 实现起来比较简单，但是，随着电平数的增多，电压 矢量的数目 也会增多，这样就给矢量选择带来了困难，同时，对于二极管箱位型多 电平逆变器来说，在电压矢量选择的同时，还要考虑中点电压平衡问题，而往往所 选的电压矢量不能兼顾所有的 方面，必然带来系统控制性能的下降.目 前对于多电 平逆变器异步电机直接转矩控制的研究主要是以下两种方法:1) 单一矢量法;2) 合成矢量法。 3 . 4 . 1 单一矢量法 单一矢量法，顾名思义， 就是每个控制周期内只产生一种电压矢量，将电压空 间矢量平面划分为 12个扇区， 如图3 一 7 所示， 每3 00为一扇区， 详见表3 一 2 。 根据上 一章对直接转矩控制原理的分析， 可以得到基于三电平逆变器 12个可供选择电压矢 量的 直接转 矩控 制的 矢量控 制表 【 ， ” 【闭 。 如表3 一 3 所 示， 可以 看出， 当定 子磁链 位于 第k扇区时， 对于非零矢量的选择都有两个可供选择的矢量， 这样对于同一种控制 要求，都有两个可供选择的矢量，具有更大的灵活性。 图3 一 7 1 2 扇区的划分 浙江大学硕士学位论文 表3 一定子磁链角与扇区划分的对应关系表 扇区 n0 角大小扇区n 夕 角大小 l 一 1 5 0 5 0 1 5 0 7 1 6 5 0 5 夕 1 9 5 0 2 1 5 0 0 45 0 8 1 9 5 0 感 口 2 2 5 0 3 4 5 0 口 7 5 0 9 2 2 5 0 夕 2 5 5 0 4 7 5 0 0 1 0 5 0 l 0 2 5 5 0 兰 0 2 8 5 0 5 1 0 5 0 501 3 5 0 l l 2 8 5 0 三 夕 3 1 5 0 6 1 3 5 0 三0 -1 0一i - - 4 一i i 一1 峥 01 0-+ 1 1 1 v 60 0 0- )一】 1 0- +0 0 0 v , 1 1 1 - 401 1 - - a-i l l - )一1 0 0 - )一1 1 1 - 4ol l - ) , l l l v s 0 0 0一 )一1 0 1-* 0 0 0 v , 1 1 1 -+ 0 0 1 -+ -i 一i i - *-1 一1 0- +-l 一i i -* 0 01 -+ 1 1 1 v a 0 1 1 0一)0一】 1- 40 0 0 v ,1 1 1 -+ 1 0 1 斗 1 一1 1 -+ 0一1 0 1 一1 1 1 oi - 111 1 v 2 0 0 0- +l 一1 0- +0 0 0 以 长矢量 1 1 - 1 的合成为例来进行说明， i i 1 0 i i 1 0 1 0 - 1 - 1 1 / 2 4 t s 1 / 1 2 t s 7 / 2 4 t s 1 / 1 2 t s 对于连续增/ 减计数模式。 增计数过程中和减计数过程的矢量是一样的， 因此只 对增计数过程进行分析，也就是对半个控制周期进行分析。各种矢量的顺序和作用 的 时 间 如 上图 所 示， 其中 零 矢 量 是 为 了 避免 出 现 过 高 的d u / d l ， 每 一 个 矢 量的 作 用 时间又不能太短，要比死区的时间长，否则将起不到作用。当中点控制有要求时， 增加一个小矢量的作用时间，减小另一个小矢量的作用时间. 浙江大学硕士学位论文 3 . 4 . 4 - 三电平逆变器供电异步电机调速系统数学模型 对于三电平供电异步电 机调速系统，由于电容中点电位是浮动的，其变化与逆 变器的开关状态以及电机的相电 流有关，因此，在对系统进行分析时，不能将逆变 器和电 机分开 分析，而 应该 将二者结 合起来， 进 行整 体分 析 2 1 1 。当 用 1 . 0 ， 一 】 表 示逆变器的三种开关状态时，逆变器输出的电压与三相开关函数s a . s b . s c 和直 流母线电 压u . 之间的 关系 可以 表示为: 。 口 _ sa (sa + 1)u0 2、 一 (sa2一 1) u , u。 sb (sb + 1)u = 2% 一 (sb2一 k . uco _ sc(sc + 1)uc0 2、 一 (scz一 1)u ,o s a ( s a ， 一 1 ) _ 十 u= 2警 、 + (， 一 s a 2 )u ,o sb (sb - 1)2、 二 zb u , + (l一 sbz)u , sc (裂、 = 扒+ (1一 scz)u , ( 3 - 3) 对于 三电 平逆变器 来说， 其两 个电 容的电 压并 不是 一样的， 也就 是说， q点与 假 设 的 电 源 中 点o 的 电 位u 0 不 为 零 ， u w = u v o - u r e = u q - u o ( 3 -4 ) 当逆变器为三相异步电机供电时，异步电机定子绕组三相相电压分别为: u a n = u a o 一 u n o j u b n = u b o 一 u n o t u a v 0 u c o 一 u n o ( 3 - 5) 将上式相加并整理后得: 一蚤 (、 。 + 、 + uc o ) 一 杏 ( 。 ， + 一 + u cn ( 3- 6) 对于 三相对 称负载，蝙 十 u ， 十 u c n = 0 ， 则 、 = 今 (、 + 一 + uco ( 3 - 7) 所 以 浙 江 大学 硕 士 学位 论 文 u， 一 、 。 一 、 = 号 。 口 一 合 (u + 、 ) 2 “ “ = “ ” 一 “ = 了 u ”一 告 (。 + uco ) ( 3 一 8 ) 。 。 一 uco 一 。 二 晋 u。 一 蚤 (、 口 十 uao ) 根据式 ( 3 一 3) 可以得出电机的相电 压与直流母线电压和电容中点电 压之间的关系 、.户少、.了 、 ， = 令 (2 “ 一 sb 一 sc 卜 生( 肠 2 + sc ， 一 2 命 ， 3 u . 。 _ 玉( 2 品 一 sa 一 sc 、 十 丛( sa z 十 sc z 一 2 品 2 “ 6 、声3 、 ( 3 一 9 ) ucx 一 李(zsc一 sb 一 间+ 李(sa 2 、 sa z 一 2* 2 ) 0j 这样，在三电平逆变器供电的异步电机直接转矩控制过程中，根据检测直流母 线电压以 及电 容中点电压和逆变器的开关状态， 就能够实时的知道电机的三相电压。 3 ， 4 . 5控制系统基本结构 亡zci 幅 m3- 豁-sb一sc 沂 捆 沐 定子 电压 矢量 选择 霹翼 鞭嗣j工毓斜 簇 篡 tq一经凡 定子磁链计算 及转 矩 计算 图3 一 ro三电平逆变器异步电机直接转矩控制框图 基于三电 平 逆变器的直接转 矩 控制， 其对于电 机 的 控制原理与两电 平 逆变 器是 一样的，区别在于在扇区的划分与电压矢量选择上，因此，在上一章对两电平直接 浙江大学硕士学位论文 转矩控制进行了详细分析的前提下，基于三电平逆变器的直接转矩控制就变得容易 起来。与两电平直接转矩控制结构类似，基于三电平逆变器的直接转矩控制也是采 用对转矩与磁链进行滞环控制，控制框图如图3 一10所示，所不同的在于扇区的划 分和电压矢量的选择，考虑到需要对中点电压进行控制，还要对中点电压进行不断 的检测。 3 . 5仿真研究 3 . 5 . 1 系统仿真模型 .月 曰 晚 白正 曰j嘿 乒 坏 周 - 撇 图3 一11 三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统仿真模型 利用matlab下的si m ulink对三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统进行了仿 真研究，si m ulink 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。图 3 一 ”为在si m ulink环境下 搭建的 仿 真模型， 根 据三电 平 逆变 器供电 异步电 机调 速系 统的数学模型，用开关函数的形式表示三电平逆变器，这个模型与电机的工作状态 是紧密相连的。整个控制系统的核心是逆变器的开关函数的计算，在仿真中，利用 si m ulink中的m a t l a b f unct i on模块， 根 据控制需要， 编 写开 关函 数的程 序， 浙江大学硕士学位论文 第四章控制系统设计 本文设计的三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统以 t i公司的高性能电机 控制专用芯片 d s p ( t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a)为核心，主要包括硬件设计和软件设计两 部分。硬件设计主要包括三电平逆变器主电路设计、驱动电路设计、电流采样与电 压采样电路设计等几部分; 软件设计采用汇编语言对 d s p 编程， 实现对三电平逆变 器异步电机系统的直接转矩控制。 下面对这两部分分别进行详细说明。 4 . 1 系统硬件设计 4 . 1 . 1 系统硬件整体设计 图 4 - 1为本课题设计的三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的整体框架 图4 1 三电 平逆变器 异步电 机直 接转矩控制硬 件整 体框架图 由图可知，系统硬件由整流模块、 异步电机、二极管箱位三电平逆变器、 d s p . 电流与电压检测电路、和速度反馈电路构成。d s p芯片是整个系统的核心，一方面 需要完成速度、电压、电流的检测，并进行数字滤波;另一方面又要根据系统的运 行情况进行实时计算，适时发送 p wm控制信号来控制逆变器的开通与关断，在充 浙江大学硕士学位论文 分发 挥三电 平逆 变器 性能的基础上，实 现 对 异步电 机的 直接 转矩 控制。 整个调速系统中，异步电动机是主要的控制对象，本文所采用的实验样机的主 要参数如下: ( 1 ) 额定电压 ( y )2 2 0 v ( 2 ) 额定电流0 .5 5 a ( 3 ) 额定转 速1 4 2 0 rp m ( 4 ) 额定功率l oow ( 5 ) 极对数2 4 . 1 . 2 二极管箱位三电平逆变器主电路 图牛 2 为控制系统的二极管箱位三电平逆变器主电路图。 图4 一三电平逆变器主电路图 二极管 箱位 三电 平 逆变器主电 路 设计 时 一定要防止 每个 桥臂在1