变频器控制算法的研究

1、变频器控制算法的研究20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，采用电力电子变频器的交 流传动系统得以实现，高性能交流调速系统应运而生。通过分析交流传动系统的工作原理可知：在各种异步电机调速系统中，效率 最高，性能最好的是变压变频调速系统。其主要控制方式冇：恒压频比方式，转 差频率控制方式，矢量控制方式和直接转矩控制方式。由于直接转矩控制方式采 用定子磁链定向，对屯机参数依赖较小所以具有控制手段直接、结构简单、性能 优良的特点，备受人们关注并不断得到发展和完善。采用模糊神经网络技术选择开关状态。为了弥补了现代直接转矩控制屮使用 了模糊控制技术或神经网络技术的开关选择器和电阻观测器方法的不足。

2、模糊集 合理论是介于逻辑计算和数值计算之间的一种数学工具。它形式上利用规则进行 模糊推理，但其逻辑值可在0和1之间连续变化，采用数值的方法而非符号的方 法进行处理。将模糊集合理论应用于各种控制中形成了模糊控制。它模仿人的控 制经验而不是依赖于控制的模型，实现了人的某些智能。关键词：变频器；直接转矩控制；磁链；模糊控制abstractin the 196(ts-1970's, the exchange transmission system that used the electric power and electric technology was invented along wi

3、th the development of the electric power and electric technology, the high performance exchange velocity modulation system has airised the historic moment.the work principle that passes the analytical exchanges to spread to move the system can know: in an electrical engineering of various difference

4、 adjust soon system, the efficiency is tallest, the function is best is to change to press to change the frequency to adjust soon system. its main control method have: the equilibrium pressure frequency is more the way, turn the bad frequency control method, the vector control method and direct torq

5、ue control the way. its main control method have: the equilibrium pressure frequency is more the way. turn the bad frequency control method, the vector control method and direct torque control the way. because direct torque control the way the adoption settles the son magnetic field chain definite d

6、irection, to the electrical engineering parameter dependence smaller so have the means of control direct, the structure is simple, good characteristics of function, enjoy the people concern and get development continuously and perfect.adopt the misty nerve network technique choice switch appearance.

7、 for making up the modern to turn directly to use in the modern direct torque control using the misty control technique or the nerve networks technical switch selector and electric resistances prognosticates the shortage of the machine method. the faintness gather theories is lie to compute in the l

8、ogic and of the number calculation of a kind of mathematics tool. it makes use of the rule to carry on faintness1 reason logically formally, but its logic value can at 0 and 1 it consecution variety, the method of the adoption number rather than the method of the sign carries on the processing. gath

9、er faintness the theories application in became the misty control in various control.lt copies the person's control experience but is not depend on in the control of model, carried out the person's some intelligence.key words: transducer； direct torque control； stator flux； neuro-fuzzy contr

10、ol第1章绪论11.1概述11.1.1交流调速的发展及应用情况11.2本课题研究的口的与意义2第2章异步电动机传动系统的控制策2.1变频调速42.1.1变频调速原理4 2.1.2变频调速控制原理2.2变频调速控制方式62.2.1恒压频比控制6222转差频率控制62.2.3矢量控制62.2.4直接转矩控制72.3 直接转矩控制原理72.3.1定子电压矢量与定子磁链的关系72.3.2三相磁链时间的变化规律112.3.3磁链控制1213152.3.4转矩控制 2.3.5零欠量的选择2.4弱磁范围内的调节方案的特点18第3章 直接转矩控制数字化方法的实现193数字化积分方法193.2基丁直接转矩控制变

11、频器的数字化实现20第4章 模糊控制器在直接转矩控制中的应用244模糊控制的实现244.2模糊神经网络控制技术发展与分类294.3模糊神经网络在变频控制系统中的应用29第5章matlab仿真315matlab 7.0语言简介315.2模糊逻辑工具箱的图形界面工具315.3 matlab模糊逻辑工具箱与simulink的接口325.4仿真结果32第6章结论34参考文献35致谢36附录37第偉绪论11概述1.1.1交流调速的发展及应用情况1. 交流调速的发展情况直接转矩控制变频调速技术，德语称之为dsr (direkte selbstregelung), 英语称之为dsc (direct self

12、-control),是近十年来继矢量控制变频调速技术 之后发展起來的一种新型的具冇高性能的交流变频调速技术。在1885年，世界上第一台交流电动机问世。交流电动机，特别是笼式异步电 动机，结构简单，坚固耐用，价格便宜，不需要经常维修，应用十分广泛。交流 调速和直流调速是传动领域的两人分支。纵观电力传动的发展过程，交、直流两 种调速方式并存于各个领域。到了 19世纪，由于交流电的出现，解决了三相制交 流电的输送与分配问题，同吋又制成了经济使用的交流鼠笼式异步屯动机，这就 使交流调速在工业中逐步得到了应用和发展，并把电力传动推向一个新的阶段一 交流调速占主要地位。交流调速涉及到包括屯力半导体器件、交

13、流电机原理、逆变技术、控制理论 及电力电子技术在内的许多领域，成为一门跨学科的新技术。交流电动机因为能 够克服直流电动机的维护困难，受运行环境限制，向高电压、高转速、大容量发 展困难等缺点，所以人们一克以来都在探索以交流调速代替直流调速。19世纪30 年代，就冇人提出了冇关理论。到了 60年代，随着电力电子学与电子技术的发展, 交流调速得以迅速发展。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术 的发展，以及现代控制理论的应用，使交流调速传速得以飞速发展。现今，交流传动系统已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应以及 四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲

14、美, 代直流传动。2. 交流调速的应用情况在经济发达国家，交流调速的推广应用速度相当快，已遍布冶金、电力、铁 路、运输、化工、民用等各个领域。据bbc资料，19741988年提供了 129套静止变频器。在我国某电站，有目 前最大的静止变频器，输出功率为60mw,即用于起动，又用于调速。循环变流器 供电的交流传动设备，国内犬约有11套，7套是进口的，2套合作生产，2套是 国产的。从1985年开始，几乎各大钢铁厂都从国外引进了大功率交流调速设备, 用于初轧机和连轧机。口前，世界上最大的gto逆变设备也在我国。西门子公司 生产的50多台交-交变频器，最犬容量12700kw,其中9套用于我国各犬钢厂初

15、 轧机主传动上。国外各大公司在我国几乎都冇中小型功率变频器代销点，可见我 国对变频器的需求量很大。3. 变频器的发展状况及方向分析交流传动系统的工作原理就可知道，在各种异步电动机调速系统中，频 率最高、性能最好的是变压变频调速系统，而变频调速是应用最广的一种高性能 交流调速方式。因此，交流调速系统的发展就更耍依靠于变频调速技术的不断完 善。由于微处理技术的快速发展，交流传动系统的变频控制经历了 8位、16位、 32位微处理器和高速数字信号处理器（dsp）三个发展阶段，已实现了系统的全 数字化控制。使控制电路大大简化，进而改善了系统的可靠性、可用性及可维修 性。而从第一代电力电子器件半控的晶闸管

16、到智能功率集成模块的出现也进一步 促进了交流调速的发展和更新换代。特别是先进的控制理论（例如：恒压频比控 制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、反馈线性化控制、自适应控制等） 与先进的控制算法（例如：模糊控制、神经网络技术等）在新型变频器上的成功 应用，使得交流调速系统的功能史完善、调速性能也进一步提高，加快了交流传 动取代直流传动的步伐。在世界上，以600kw为标准把变频器分为大、屮、小三类。其屮大容量变频 器正朝着多品种、数字化、提高性能指标和扩犬单片机容量方向发展，而且变频 器多采用微机处理器（cup）全数字化控制。多cpu和高速数字信号处理器（dsp） 的应用大大提高运算和处理速度

17、，不但能快速完成多种任务，而且促使诸如状态 观测器、参数估计器、非线性解耦等现代控制和智能控制理论及技术的实用化， 大大提高了系统的控制性能。中小型变频器正朝着小型化、低噪声、智能化、高 性能的方向发展。随着igbt、igct等开关频率的提高（可达几i khz）及专用集 成电路（asic）、现场可编程门列阵器件（fpga）、智能功率模块（ipm）的应用使 变频器的体积大大缩小，用途更广泛。1.1.2本课题研究的目的与意义在交流传动系统的控制策略中，变频调速是最佳的调速方式。变频调速技术 是我国重点推广的十大高新技术之一。目前我国生产变频器的企业已冇近60多 家，有的变频器技术指标已接近或达到国

18、际水平。国产的大功率交流设备的投入 运行，结束了我国犬功率交流调速装置长期依赖进口的历史。但是在我国变频器 市场百分之八十的产品仍为国外厂家产品所占据。因此，冇必要大力推动国产变 频器的研制与开发。在变频器的控制算法研究屮方法很多，其屮最热门的是直接转矩控制和模糊 逻辑。直接转矩控制具有转矩响应快、控制结构简单、对参数依赖性小、性能优 良等特点，模糊逻辑可以进一步改善直接转矩控制系统的动态性能和稳态性能。 直接转矩的控制思想是直接利用逆变器的6种开关状态，简单得到六边形的磁链 轨迹，通过改变磁链角的人小以达到控制的目的。对于变频器控制算法的研究的 成果可以广泛的用于交流调速领域。如：电力机车牵

19、引的大功率交流传动、超高 速压缩机、高压风机等驱动系统上。其在生产活动屮所起的作用以及所带来的生 产效益都是显而易见的。第2章异步电动机传动系统的控制策略木章首先对变频调速原理进行了论述，并介绍了当今广泛使用的交流变频控 制策略。指出直接转矩控制方式是目前最为先进的控制方式，重点论述了直接转 矩控制的原理及优点。2.1变频调速2.1.1变频调速原理目前，在各种异步电机调速系统中。变频调速系统的效率最高，11性能最好。 下面我来介绍变压变频调速原理。异步屯动机的定子绕组在流过屯流吋会产生旋转磁场，并在转子绕组内感应 出电动势，因而产生感应电流。这个电流与定子旋转磁场之间相互作用是产生了 电磁力。

20、即产生了电磁转矩。p对磁极的异步电动机在三相交流电的一个周期内 旋转i/p转，因此旋转磁场的旋转速度即同步速度m与极对数p及fi关系为： nl=60fl/po出于在定子旋转磁场作用下异步电机的转子要产生转矩，因此同步转 速nl与转子速度n不同。则有转差率s = (nl-n)/nl.所以转子速率可表示： n = 60/1(1 -s)/p(2-1)由此式可知，改变转子速度冇三种方式，其中之一就是改变电动机的供电频 率fl,来改变电动机转速的变频调速方法，可以得到基木平行的机械特性。因此, 这种方法具有调速范围宽，平滑性好、效率高的特点，并且有优良的动、静态性 能。所以，变频调速是目前应用最广的一种

21、高性能交流调速方式。2. 1.2变频调速控制原理在进行电机调速吋，通常要考虑一个重要因索：在设计电机吋，为了充分利 用铁心材料，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处。因此调速时希槊保持 电机屮每极磁通量为额定值并保持不变。因为磁通增加将引起铁心过分饱和、励 磁电流急剧增加、导致绕组过分发热、功率因数降低，而磁通减少将使屯动机输 出转矩下降。如果负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过 热，故而希望保持磁通恒定。根据异步电动机定子每相绕组感应电动势：e严 4.44/n 心®“<2-2) 式中：fi定子频率；ni定子每相绕组串联匝数；ku基波绕组系数；皿一每 极气隙

22、磁通量。由上式知，需要保持磁通“恒定，就要求在改变电动机供电频率 f】的同吋改变定子每相绕组感应电动势“。如果忽略定子阻抗压降，则ei"端电 压ui,即：u严 e严 444jnkn®m（2-3）因此根据端电压ui和频率fi的不同比例关系，可以有不同的变频调速方式。1. 基频以下调速由式（2-2）知，要保持n.不变，当频率fi从额定值fnl向下调节时，必须 同吋降电动势难以直接控制，当电动势值较高吋，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗 压降，而认为定子相电压则ui/fi =常值，即采用恒压频比的控制方式。 低频时，u】和ei都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。这吋 可

23、以人为地把电压u）抬高一些，以便近似的补偿定子压降。2. 基频以上调速基频以上调速吋，频率可以从fni往上增高，但电压ui却不能超过额定电压 u1n,最多只能保持ui=uino由式（2-2）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降 低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2.1所示的异步电动机变 压变频调速控制特性。如果电机在不同转速下都能达到额定电流，即都能在升温 允许条件下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照屯气传动原理，在基频以 下，磁通恒定吋转矩也恒定，属于恒转拒调速；而在基频以上，频率升高时转拒 降低，属于恒功率调速。恒转矩调速恒功率调速图2.1异步

24、电动机变压变频调速控制特性2. 2变频调速控制方式随着变频调速方法的不断完善和发展，先后出现了很多的控制方式方法，其 中主耍有：转速开环恒压频比控制（u/f二常数），转差频率控制、矢量控制、直接 转矩控制等。而为了更好的实现这些控制方式，又加入了非线性、自适应、滑模 变结构以及智能控制等技术。然而，这些控制策略又各有优缺点，这就要求我们 在实际应用中根据具体要求作适当选择，以得到最佳效果。2.2. 1恒压频比控制异步电动机定子电压ul,定子电动势el与气隙磁通屮m,有如下关系：u严乙=4.44/冋心比”（2-4）在异步电动机变频调速吋，根据端屯压u和频率的不同比率关系，可以有不 同的变频调速方

25、式，基本以下调速和基本以上调速。在基本以下调速时要求 保持电压和频率的比值为定值。这是因为要保持定子磁链不变，当频率从额定值 向下调节时，电动势必须同吋降低，使e/f-常值，即恒压频比控制。这种方式只 控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高不能使电动机的转速和转 炬得到快速响应。2. 2. 2转差频率控制在电机稳态运行时，转差率s很小，转差角频率as也很小，这样，转矩公 式可近似为：t严k抵沁r?（2-5）式中km是电机的结构常数，甲ni是气隙磁通。式（2-5）表明，在s值很小 并与气隙磁通保持不变时，异步电动机的转矩就近似与转差频率成正比，也就是 说在界步电动机屮控制转差频率就代表

26、控制转矩。这就是控制转差频率的思想。 转差频率控制虽然能够在一定程度上控制屯机转矩，但它依据的稳态模型，并不 能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到理想的动态控制性能。2. 2. 3矢量控制矢量控制技术的提出将交流传动向前推进了一犬步。它的控制思想是把交流 电机模拟成直流电机，然而象控制直流电机那样对交流电机进行控制。基本原理 为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交， 代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制。它虽然能得到像直流电机 一样良好的动态特性。但它需耍进行复杂的坐标变换，并需耍对

27、转子磁链进行准 确观测，而且对电机参数依赖性很大，难以保证解哦耦。此外，过多的计算使矢 量控制难以在一般单片机上实现。2. 2. 4直接转矩控制1985年德国鲁尔人学的德彭布罗克(depenbrock)教授提出了直接转矩控制 理论。它有如下特点：1. 直接转矩控制屯机定子侧的参数，即定子屯压，屯流，磁链，而不受转子 回路参数变化的影响。2. 直接转矩控制运算均在定子静止坐标系屮进行，不需进行坐标变换，简化 信号处理过程，提高控制运算的速度。3. 直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机电磁转矩。4. 直接转矩控制系统既直接控制转矩，又直接控制定子磁链。5. 直接转矩控制利用屯压矢量的概念，综合控

28、制逆变器的6个开关器件的导 通与关断，使得逆变器开关器件开关次数小，开关损耗小。同吋直接转矩控制系统具有结构简单，控制性能优良。控制思路新颖等优点。 下面我们将主要介绍直接转矩控制的原理。2. 3直接转矩控制原理2. 3.1定子电压矢量与定子磁链的关系1. 定子空间电压矢量出电压型逆变器供电的异步电动机变频调速系统的主电路接线如图2.2所示。e/2e/2图2. 2 电压型逆变器为了便于分析，把直流电源e分为二，两部分各为e/2,其中点o为零电压。当逆变器采用双极性调制时，每相上下桥臂的开关器件是互锁的。因而，六个开 关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量，如图2.2屮的jsbsc

29、。 如我们规定开关导通状态用1表示，关断状态用0表示，则逆变器输出电压与开 关状态对应关系为：厂 +e/2, sa=l 、v ao= vj-e/2, s“二0 丿r +e/2, sb=l vb0= j.-e/2, sb=0 +e/2, sc=lj -e/2, sc=0(2-6)三个开关量sn, sb, sc共有八种组合，分别是(sasbsc) =(000), (100), (110), (010), (oil), (001), (101), (111) 上述八种组合中，(000)及(111)状态下，屯动机的线电压均为零，称为无 效组合，其他六种组合称为有效组合，若有效组合依照式(26)次序循环

30、作用， 则逆变器输出电压va。, vb0, vc。和vabvbcvca随吋间变化规律如图2.3所示。avco0vabvbcvca0图2. 3 逆变器输出电压波形在对界步电动机进行分析和控制吋，需对三相绕组分析和控制，从而使用park 矢量公式即：(2-7)其中用vs代表定子三相线屯压vjbvbcvca的合成作用在定子静止坐标系中的 位置，并用v0、vi、v2、v3、v4、v5、v6、v7分别表示八种开关组合状态下 的电压矢量。设。与a轴重合,以开关组合(sjsbsc) = (100)为例,由式(2-6) 可导出电压矢量vi的大小和位置。从图2.2中可知即vl = 2/3e/2 + (-e/2&

31、gt;2;ti/3 +(-e/2)e4yii/3)= 2/3e-e(-l/2-j3/2)=2v3e7,i/6/3(2-8)上式说明组合(100)状态下电压矢量vi的幅值等于2v3e/3，且与a轴重 合，如图2. 3所示。用相同的方法可导出其它矢量的幅值。图24电压空间矢量图从图2.4屮可知，逆变器的六个有效工作状态给出了六个不同的电压空间矢 量。它们在坐标系中位置各差60度，周期性的顺序出现，h电压空间矢量的幅值 不变。因此，六个电压空间矢量的顶点构成一个正六边形。六个电压空间矢量的 顺序是 vi (100), v2 (110), v3 (010), v4 (oil), v5 (001), v

32、6 (101)。它们依次逆吋针方向旋转，两个无效电压状态v0 (000)和v7 (111)位于定子 坐标系的原点。2. 定子电压矢量与定子磁链的关系若略去定子绕组的屯阻和漏感，则定子回路的屯压平衡方程式变为v =ctvidt(2-9)3aa或屮=jv.df = u/ +屮(2-10)sssso式中 ws。定子磁链矢量的初始值。式(2-10)说明：1) 定子磁链矢量ws的增长方向，即ws矢头的运动方向决定于电压矢量vs的 方向。2) 叭矢头的运动速率与vs的幅值vs的大小成正比。3) 若vs=0,则叭的矢头停止运动。4) 若有效电压矢量依照图所示的vi 必> s v v v6 >v7

33、 一的因予交替作用，且作用时间相等，则ws矢头的运动轨迹为一正六边形, 如图2.5所示。图2. 5磁链轨迹图按照上述几点结论，还可以得出以下两点推论：1. 若改变有效屯压矢量的交替作用吋间，即改变ws的旋转速度，由于有效屯 压矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后正六边形的面积将会发生变化。作用时间变短，面积将变小，磁链矢量的幅值叫也将变小。因此用这种方法 可以控制异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。2. 若在有效矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量（v0v7）,使有效矢量 作用时，甲s以最大旋转速度旋转；零矢量作用吋，ws停止不动。由于零矢量的 插入，ws走走停停所以旋转速度变慢了。

34、显然，零矢量作用时间愈长，ws的旋 转速度将愈慢。如果在插入零矢量后仍保持每个有效矢量的作用总吋间不变，不 难想象六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异 步电动机的恒磁通调速，亦即恒转短调速。2. 3. 2三相磁链时间的变化规律利用图2.5可以分析三相磁链随时间的变化规律，现以叽为例，从图2.5 nj 知vi作用时,wa正方向增大;v2作用时，屮&保持不变;v3作用吋,wa正方向减小;v4作用时,wa负方向增大;v5作用时,wa保持不变;v6作用吋,负方向减小。wb与电压矢量的关系是vi作用时，wb保持不变；v2作用吋，wb负方向减小；v3作用时，甲b正方向增

35、大；v4作用时，屮b保持不变；v5作用吋，屮b正方向减小；v6作用时，屮b负方向增大。甲c与电压矢量的关系可用相同的方法分析得出。图2.6也出了三相磁链wa、wb、wc随吋间变化的波形。在图屮同吋也出了 逆变器的输出电压波形和对应的电压矢量的作用吋刻。2. 3. 3磁链控制定子磁链控制采用闭环控制，由磁链观测器、2/3变换、磁链调节器和换相 逻辑等环节组成。（-）定子磁链检测磁链反馈信号甲3、wb、wc是由磁链观测器获得的。磁链的观测采用屯压 模型，根据黄=j（匕&人）力、（2-11）(2-12)屮4 妙厂i0 =厂-1/2v3/21甲丿11/2 - v3/2j式中 ri定子绕组电阻。

36、由式（2-12）计算出屮、屮看，再经2/3变换得(2-13)在实际系统中线电流和线电压只需检测两相就可以了。2. 3. 4转矩控制直接转矩控制简介：在80年代屮期，德国学者depenbrock教授于1985年提 出直接转矩控制，其思路是把屯机和逆变器看成一个整体，采用空间屯压矢量分 析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型pwm逆变器的开关状态直 接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制 结构简单。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定 子坐标系下分析界步电动机的数学模型，计算与控制界步电动机的磁链和转矩， 采用离散的两点式调节

37、器（band-band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比 较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小出频率调节器来控制，并 产生pwm脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能 的转矩输出。它的控制效果不取决于异步屯动机的数学模型是否能够简化，而是 取决于转矩而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作 比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方 式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步屯动机数学模型，没有通常的pwm脉宽 调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统 的转短响应迅速且无超调，是一种具

38、有高静、动态性能的交流调速控制方式。转矩控制也采用闭环控制，ft!转矩观测器和转矩调节器组成。1. 转矩观测由转矩方程式可知，电磁转矩可以用定子电流矢量i及定子磁链矢量的乘积 来表示，即十m（2-14）式中w"、卩険來自磁链观测器，i“、ios直接取自电流检测环节， kt = ktl /lm为一个常数。2. 转矩调节器转矩调节器也是一个滞环调节器，如图2. 7所示。其输入是转矩给定t；与观 测的实际转矩之差at。，即a(2-15)soate£0+ e图2. 7 转矩调节器其中t；即为速度调节器的输出。转矩调节器的输岀为so,容差为e ,输入与 输出关系为so = 5不变,0

39、,at&+ £-e < a tc+ £a + e tc£(2-16)so用以控制零矢量的插入。其关系是s°=l，有效矢量作用，入增大；so=o,零矢量作用，八减小。可见,实际转矩tc是在t；+£与t；-£之间不断变化，其平均值te=t*e，转 矩随吋间的变化过程如图2.7所示。2. 3. 5零矢量的选择在直接转矩控制系统屮，变压和变频都是采用插入零矢量的方法实现的。无零矢量插入吋的逆变器输出相屯压和屯动机相屯压波形如图2. 8所示。pa:叭0v6 ivi ：v2 iv3 ；v4 iv5 iv6 ivi :iiiiiiii

40、(101) (100) (110) (010) ： (oil) (001)(101)100)：图2. 8相电压波形图当转矩调节器的输出so二1时，冇效电压矢量作用；s。二0时，零矢量作用。但 有两种开关组合都产生零电压矢量，即（000）和（111）分别产生零电压矢量v0 和v7。当s。二0时，究竟选择哪一个零矢量呢？所以存在零屯压矢量的正确选择问 题。为了说明如何正确地选择零电压矢量，图2. 9和图2. 10分别画出了全部插入 vo和全部插入v?吋逆变器输出相屯压的波形。为了说明方便，假定每60度角插 入一次零矢量，即一个输出周期内共插入六个零矢量。v6vi : v2 : v3v4 : v5

41、: v6vao:(100)： (110) : (010) : (011) : (001) : (101):(101)图2. 9插入vo时的电压波形vao分析图2. 9和图2.10逆变器输出电压波形可以发现，在有效矢量v6作用的 60度角范围内，如果插入零电压矢量v0,曲于开关组合(101)变为(000),所 以有两相共四个开关器件改变了工作状态。如果在v6作用的60度角范围内，插 入零电压矢量v7,即开关组合(101)变为(111),则只有一相共二个开关元器 件改变了工作状态。显然，后一种插入零矢量的方法更合理一些。同样理由，在 冇效电压矢量vi作用的60度角范围内，插入vo时，开关组合出(1

42、00)变为(000), 一相开关器件改变工作状态；插入v7吋，开关组合由(100)变为(111),两相 开关器件改变工作状态，所以插入v0更合理。2.4弱磁范围内的调节方案的特点弱磁范围的工作特点与基速以下吋有很多不同。首先，弱磁范围内进行的是 恒功率调节，而不是恒转矩调节。其次，弱磁范围是工作在基速以上，全电压工 作，没冇零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中起作用。逆变器的电压 波形与普通电压型逆变器吋一样。由此带来弱磁范围工作的两个特点：一是转速 的提高，即定子频率的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值 的减小，即稳态弱磁。二是转矩的调节，不是靠工作电压和零状态电压交替

43、工作 把转矩限制在容差内的方法，而是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。 转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。弱磁范围内的调节方案冇如下特点：用电动机模型测量、计算磁链和转矩；用磁链自控制环节确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调节器实现恒功率调节；通过改变磁链给定值实现的平均转矩的动态调节；每个区段上用一个工作电压状态。在弱磁范围内，转速调节器的输出由转矩给定值变为功率给定值，借以控制 功率调节器进行弱磁范围的功率调节。功率调节器的输出作为磁链给定值，以控 制磁链自控制单元。通过磁链给定值的调节变化，一方面实现对平均转矩的动态 调节，另一方面实现弱磁升速的恒功率调节。转矩调节

44、器的是输出一直为“1”态, 电压为全工作屯压控制，不出现零屯压状态。磁链自控制单元控制六边形磁链轨 迹。第3章直接转矩控制数字化方法的实现木章介绍了直接转矩控制的数字化方法的实现。从数字化积分方法的选择； 数字化的数学模型；dsr的数字化系统；数字信号的处理；以及计算机系统的输 入输出数据等几方面进行了介绍。3. 1数字化积分方法异步屯动机的数学模型是非线性微分方程，而所对应的数字化数学模型是差 分方程。一般来说，差分方程的解函数的值是通过解函数前一拍时间的值和输入 函数前一扌n吋间的值的线性组合来确定。因而差分方程的形式不仅取决于作为基 础的连续系统的结构，而且取决于所用的数字化积分的求解方

45、法。为了实现直接转矩控制变频调速技术的两点式调节，采用具冇较少计算量和 较快运算速度的近似方法是有意义的。因此在数字化积分方法的选择上，要在计 算精度、计算速度、存储要求、数字计算稳定性等方面进行综合考虑。在此我们介绍两种专门的数字化积分方法。第一种方法是以欧拉(euler)命名的 一阶单步逼近积分法。用*表示在时间点t二kt时刻的解函数值。用仇-表示吋间点 t= (k-l) t时刻的导函数的值，h表示步长。这样欧拉积分法的描述如下：儿=>7-1 +(3t)出t= (k-l)t点的解函数的切线可直接确定解函数的增长率。这种方法只冇 在导函数在时间间隔(k-l) t, kt内保持常数时，才

46、能得到准确的解函数。作 为任意信号的近似值，这种方法只是在很短的步长情况下才是可用的。它的一个 优点是当导函数冇不连续的间断点时，也能提供所需要的解答。第二种方法是近似计算的改善办法。在一般情况下，它是通过下面方法来实 现的。人们除了用fk“值之外，加上再前面一拍吋间的导函数的值fk_2去计算yk因 此称这种方法为多步逼近积分法。其实现的一个简易方法是二阶的阿达姆斯-巴斯 福斯(adams-bashforth)积分法。该方法用下面的差分方程来计算解函数的值:儿=畑+灿3/2 心-1/2匚2(3-2)这种方法很精确，且基本上不增加计算量，因为3的值在前一步计算中已经 得到了。但这种放大在导函数不

47、连续时不可采用。采用定子磁链和转子磁链作为状态变量，下面分析两种积分法的应用情况。由us=rsis+wu可得，定子磁链的导数由定子电压与定子电流计算得到，如下式 所示：(3-3)定子电压空间矢量是一个不连续的屯压量。在采样吋间内，该量保持常数， 因为在这段时间间隔内电压状态不会改变。在这段时间内中间直流电压变化很小, 其变化量可以忽略。与电流成正比的电阻压降对定子磁链构成的影响相对于电压 状态来说非常小。它只是在低频吋对定子磁链的确定影响较犬。在采样吋间内， 定子电流的变化也很小。因而导函数的分段恒定的假设条件得到了满足，所以可 以采用欧拉积分法计算定子磁链。由于导函数的不连续性，因此不能采用

48、多步积 分法来计算定子磁链。转子磁链的导函数是连续的。在一个周期内定子磁链分段连续，而转子磁链 接近正弦波。用阿达姆斯-巴斯福斯积分法确定的转子磁链导函数的近似值，在高 定子频率吋可提供更好的结果。然而在低频范围内，用信号处理实现欧拉积分法, 对确定转子磁链更好。阿达姆斯-巴斯福斯积分法计算时要求冇导函数的中间存 储，以及导函数的系数是1.5和0.5。而用欧拉方法计算时，则不需要有函数值 的中间存储。还冇一点要注意的是，就是在给定积分方法的情况下，状态变量的选择对近 似解的精度和质量有很大的影响。口前所选择的状态变量方案有很多优点。首先 是数字化的定子磁链幅值和转子磁链幅值有同样的阶数，这就减

49、少了差分方程的 阶数。其次是所选状态变量的高次谐波分量小。这使得计算结果好。相反，如果 选择具有强高次谐波的漏磁链屮。或定子电流讥作为状态变量。那么，由于精度的 原因，在整个工作范围内就不能采用简单的积分方法。3.2基于直接转矩控制变频器的数字化实现直接控制转矩变频器的核心是定子磁链和转矩的控制。木文为了克服传统直 接转矩控制中采施密特触发器而产生转矩波动人的不足，设计了集中开关状态选 择器，利用控制芯片实现数字化控制。其具体方法就是：把实际计算出的磁链值 与给定磁链值相比较。其数字化的结果输出与转矩值的数字化输出，产生一个数 字代码。通过这个代码进入eprom的地址，依据开关表选择适当的电压

50、。在ap坐标系中，把磁链空间矢量的角度按式(3-4)分为6个区间。在不 同区间内，根据电机定子磁链，幅值转矩与给定值的差值et, e-及由屮bs和屮 asrfl式(3-4)所确定的角0作为状态选择器的输入。0 = arctg(es/as)(2k-3) n/6< e < (2k-l) n/6(3-4)(3-5)et =t"一7,; e屮=屮*屮式中屮as和屮bs是定子磁链在在a-p坐标系中的分量，t*,屮*为给定值。而k=l, 2, 3,6,为区间号。再通过式(3-6), (3-7)分别对e“ e”进行数字化定义。作为磁链控制器和转矩控制器的输出。(3-6)和et =2,t

51、*-te >toet 二1,0< t*-te< toet二0,et 二_1,-to< t*-te< tet =-2,t*-tc< toe屮=1,il厂一屮0e屮=0,屮* 一屮二0eip =-1,屮*屮0t*-te=o(3-7)式屮厂与u广分别由系统精度及性能要求决定。0.020304 0 5 0 6分别表示磁链的六个区间。开关状态选择器的输出为逆变器的七种开关状态:m二(sasbsc)二(100), r)2二(sashsc)二(110),n3= (sasbsj = (010), n4= (sasbsc) = (oil),n5= (sasbsj = (001

52、), n6= (sasbsc) = (101),n7= (sasbsj = (000)或(lll)o同时输出n取单值。下面我们來制作逆变器开关状态选择规则：根据式(3-8) (3-9)。可知定子磁链矢量屮，及定子电流匚垂直与屮转矩的 分量j顶端，当屮s不变吋j的变化可以反映人的变化。屮=血$(1)力(3-8)t = km i 屮ii 屮sin 0! ftfa如图3. 2,所以可以根据此图来制定控制规则。当定子磁链矢量屮s按'v所示方向旋转时，在弗区，若ee二-1。即屮屮0。 则屮s需要增大时，可取6、1、2方向电压矢量，即开关状态为116、ri|、n2 ;若 eo=0,即m二（000）

53、或（111）；类似情况,若et二-2,需减小几时,n可取2、3、 4,而要大幅度增加人，贝ijn取3合适。综合考虑屮,，化两方面的实际情况，如果 取n二1,可使屮，大幅度增加，而小幅度减小；如果n二2时,可使叭和te都小幅 度增大;如果n二3时,则叭小幅度减小而人大幅度增大;如果n二4时,屮s大幅度 减小而人小幅度增大；如果n二5时，屮川、幅度减小而t。也小幅度减小；如果n二6吋，屮川、幅度增加而大幅度减小。然而当遇到一些特殊情况，不 能同时满足屮$和t两个变化要求吋，要以t。的变化方向为主，选择开关状态。按 照上述方法推理，可确定变频器的逆变器开关状态。如表3.1所示共90条规则。另外值得注

54、意的是当第一次开关状态选择器输出n尸（sasbsq二（000）吋， 那么下一次开关状态选择器输出m二（sasbsq =（lll）o只有这样交替输出才可 以减少逆变器开关同时动作的数0 -这样就完成了逆变器开关状态选择规则的制 定。如表3. 1所示。表3.1逆变器开关状态选择规则o丄e2o丄12o丄12o丄m227662777633755o3373777447662344722477725574557335777366722566744677747336k755777522744第4章模糊控制器在直接转矩控制中的应用对交流电机瞬吋力矩的良好控制，是获得高性能交流传动的关键。继矢量控 制后提出的直

55、接转矩控制，直接着眼于对异步屯机瞬吋力矩的控制，避免了矢量 控制存在一些问题，因而受到人们重视。继80年代德国学者m. depenbrok在此领 域作了大量的开创性工作以来，近十多年内日木和美国的一些学者也开展了许多 理论和实验方面的研究工作。在磁链轨迹方面，日本学者提出圆形磁链轨迹可获 得更好性能。在此，我们仅研究六边形磁链。此外，基于空间矢量分析的pwm方 法也被引入到转矩和磁链的控制策略屮。为了进一步改善异步屯机直接转矩控制系统的动态和稳态性能，我们在直接 转矩控制策略中引入了模糊逻辑。在本章将在介绍引入模糊逻辑的新系统工作原 理基础上，给出模糊控制器的设计，并通过仿真验证所提出设计的有效性。图4.1模糊控制器设计4.1模糊控制的实现引入模糊控制器的异步屯机直接转矩控制系统具有如图（4.1）所示的结构。 图中定子磁通和转矩观测器用于完成定子电流和定子电压和三相至二相坐标变换 及定子磁通和转矩观测，以便从定子电流和定子相电压测量值ia、1b、vb获得定子磁通矢量ws的幅值wsl与位置角0以及电磁转矩te，这里冇1 asv3/20二1 3s1/ j2j2(4-1)厂1-vas j 3/20v ,=vbvps1/ v2 72l丄屮血=j（% jrs）dt(4-2)(4-3)(