（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）異步感應電機直接轉矩控制調速技術的數(shù)學建模和數(shù)字實現(xiàn).pdf

摘要 現(xiàn)代交流調速技術被譽為2 0 世紀后期人類社會重大技術進步之一，在電機電 氣傳動領域產(chǎn)生了巨大的社會效益。進入2 1 世紀，交流調速技術繼續(xù)作為電氣傳 動系統(tǒng)的主要研究課題之一。變頻調速則是當前交流調速系統(tǒng)研究范疇中最好的 一種交流調速技術。對變頻調速的研究有三種主流的方向，它們均基于空間矢量 概念，分別為：磁場定向控制( f o c ) 、直接轉矩控制( d t c ) 、空問矢量p w m 控制 ( s v p l v m ) ，它們的共同目標是力求實現(xiàn)交流電機的控制特性達到或接近線性效果。 論文以變頻調速技術的數(shù)字化工程應用為研究目標。首先對當前業(yè)內(nèi)研究的 直接轉矩控制( d t c ) 技術進行了理論的解讀和分析；并且，基于理論解讀研究的 所得，進行d t c 的應用工程的數(shù)學建模；進而，根據(jù)數(shù)學模型，搭建設計出一套 d t c 的數(shù)字化工程系統(tǒng)；然后，在該d t c 數(shù)字系統(tǒng)上，對三相異步感應電機進行調 速控制運轉，進行了電機低速運轉、控制周期、電機震蕩等方面的實驗研究，驗 證了該d t c 數(shù)字系統(tǒng)較好的工程控制效果。 論文同時針對d t c 系統(tǒng)在提高電機低速性能和定子電阻補償方面、縮短控制 周期方面、設備數(shù)字化方面的一小部分現(xiàn)有技術理論，進行了優(yōu)化研究和改進嘗 試，并體現(xiàn)在數(shù)學建模和數(shù)字化過程中：因為在數(shù)學模型和數(shù)字系統(tǒng)中，都有極 小部分技術理論作了改進嘗試：所以，對數(shù)學建模中所搭建的系統(tǒng)模型方案，進 行了交流電機控制系統(tǒng)的計算機仿真，以論證方案可行性；對d t c 的數(shù)字系統(tǒng)， 進行了m a t l a b 電氣系統(tǒng)模塊庫( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) 環(huán)境下的控制性能仿 真，以檢查了理想環(huán)境下數(shù)字系統(tǒng)能得到很好的控制效果：對d t c 數(shù)字系統(tǒng)，進 行了三相異步電機調速控制運轉，并進行相應實驗研究，證明在改善電機低速和 震蕩性能、縮短轉矩環(huán)控制周期等方面，優(yōu)化設計達到要求的較好效果。 關鍵詞：變頻調速直接轉矩控制數(shù)學建模數(shù)字實現(xiàn)異步感應電機 a b s t r a c t m o d e ma l t e r n a t i n g - c u r r e n t - g o v e r n o r - t e c h n o l o g yh a sb e e nt h o u g h ta st h e m o m e n t o u st e c h n i c a la d v a n c e m e n to ft h eh u m a nw o r l di nt h ea n a p h a s eo f2 0 山c e n t u r y a n dg r e a tb e n e f i ti nt h es o c i e t yh a sb e e nc o m i n gt ob e i n gb yu s i n gi ti nt h ee l e c t r i c d r i v es y s t e m n o w , i t ss t i l lm a i n t a i n e da so n eo ft h ep r i m a r yr e s e a r c ht a s k si nt h e e l e c t r i cd r i v es y s t e m f o l l o w i n go n ，v v v fi st h eb e s to n ei nt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t g o v e m o rt e c h n o l o g y a n dt h er e s e a r c ho fv v v fi n c l u d e sm a l r d yt h r e ek i n da s p e c t s ， w h i c ha l lb a s e do nt h ei d e ao ft h es p a c ev e c t o r n l ct h r e ek i n da s p e c t sa r ef o c d t c a n ds v p w m a l lo ft h e ma i mt oc o n t r o la c - m o t o ra sc o n t r o l l i n gd c - m o t o rt h a th a s t h el i n e a rc o n t r o ls p e c i a l i t y t h cr e s e a r c hg o a lo ft h ep a p e ri st od e s i g nt h ed i g i u ds y s t e mo ft h ea l t e r n a t i n g c u r r e n tg o v e r n o rt e c h n o l o g yf o rt h ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g 1 1 1 er e s e a r c hs t e po ft h e p a p e ri ss u c ha sf o l l o w s i nt h ef i r s t , t h ep a p e ru n s c r a m b l e st h et h e o r yo fd t c ( d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) i nd e t a i l t h e n ，b u i l d s ak i n do fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gf o rt h e a p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n gb a s i n go nt h er e s e a r c ho f d t c - u n s c r a m b l i n g t h et h i r d d e s i g n s a d i g i t a ls y s t e mf o rt h ea p p l i c a t i o no fd t c ，b a s i n go nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g 。i n t h ee n d r u n st h ev v v fs y s t e mw i t ht h et h r e e - p h a s ea s y n c h r o n i s m - i n d u c t i o n - m o t o r ( a i m ) b yt h ed i g i t a ls y s t e m ，a n dd o e sas e r i e so fe x p e r i m e n t sa b o u ts o m ea s p e c t ss u c h a st h em o t o rp e r f o r m a n c ei nl o wr e v , t h ec y c l eo fc o n t r o l l i n g p r o c e s s ，t h em o t o r c o n c u s s i o n b o t ht h er u r m i n go fv v v fa n dt h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ed i g i t a l s y s t e mo f d t cc a nc o n t r o lt h ea c - m o t o rw e l li n t h ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ro p t i m i z e sal i t t l et h e o r yo fd t co nt h ea s p e c t so ft h e i m p r o v i n gi nl o w r e v , t h ee q u a l i z i n go fs t a t o r - r e s i s t a n c e ，a n dt h es h o r t e n i n gc y c l eo f t h e t o r q u ec o n t r o l l i n g t h e r e f o r e ，t h ep a p e rv a l i d a t e st h eo p t i m i z i n gd e s i g nb yas e r i e so f e m u l a t i n gp r o c e s s e s t h ep r o c e s s e si n c l u d et h r e ep a r t s ：t h ef i r s t ，t h ec o m p u t e re m u l a t o r w i t l lt h ea c m o t o rc o n t r o ls y s t e mr u n st ov a l i d a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a n dt h e s e c o n d ，t h ee m u l a t o ro f t h ep o w e rs y s t e mb l o c k s e ti nt h em a t l a br u n sf o rt h ed i g i t a l s y s t e mo fd t ct oa f f i r mt h a tt h ed i g i t a ls y s t e mw i l lp e r f o r m a n c ew e l li nt h ea p p l i c a t i o n e n g i n e e r i n g t h el a s tb u tm o s ti m p o r t a n tp a r ti st h a t t h ev v v fo ft h r e e - p h r a s ea i m u s i n gt h ed i g i t a ls y s t e mr u n ss t e a d i l ya n dg e t sg o o dp e r f o r m a n c e 。t h u s ，i ti so b v i o u s t h a tt h eo p t i m i z i n gr e s e a r c ha n dd e s i g no b t a i nt h eb e t t e rc o n t r o ls p e c i a l t yf o ra c m o t o r k e yw o r d s ：w v f ，d t c ，m a t h e m a t i c a im o d e ii n g ，d i g i r a id e s i g n a i m 論文的前言 1 1 論文研究工作期待的目標 因為我們沒有以往對電氣傳動做系統(tǒng)研究和積累的基礎，所以，我們做r 巳氣 領域的異步感應電機調速技術研究，并不是如同電氣領域的學者一樣，要在電機 調速理論方面做出明顯成就，而是希望在電機蛹速技術上引入我們具有專業(yè)優(yōu)勢 的電子技術，在電機調速技術的數(shù)字化和工程應用t ，施展我們的專長優(yōu)勢。 所以我們的目標就著眼在應用工程上， 1 第一點是設計出當前主流研究方向的變頻凋速數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品； 2 并且，在深入解析電機調速技術的基礎上，對于交叉在我們知識經(jīng)驗范圍 內(nèi)、有可能改進的一叫、部分技術理論進行可行性思考和優(yōu)化嘗試： 3 再者，為繼續(xù)的研究提供較規(guī)范的研究積累和方向建議。 1 2 實現(xiàn)目標的計劃研究流程 1 2 1 選定研究對象為直接轉矩控制技術( d t c ，d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 日標既已確定，論文的研究對象就很重要。研究工作首先以大視角來分析電 機變頻調速的三種主流技術，視角關注點在于： 1 三種技術的主要控制特征，在電機調速系統(tǒng)中達到的效果； 2 目前的研究前景，以及業(yè)內(nèi)對研究方向的參與和需求程度； 3 三種技術的應用范圍，當前用電力電子器件進行可行性數(shù)字化設計的實現(xiàn) 條件和技術難度。 根據(jù)上述三方面，選擇直接轉矩控制技術作為數(shù)學建模和數(shù)字電路研究對象。 1 2 2 在直接轉矩控制技術方向上的研究流程 主要的研究流程分為四部分： 1 基于數(shù)字化應用工程目的，對直接轉矩控制技術當前理論作解讀和分析； 2 根據(jù)理論解讀的研究所得，進行數(shù)學建模；根據(jù)數(shù)學模型，搭建出一套 d t c 數(shù)字化系統(tǒng)：并對電機低速性能方面、縮短控制周期方面、沒備數(shù)字 化方面，作一點改進的思考和設計嘗試； 3 針對所搭建的數(shù)學模型和數(shù)字系統(tǒng)，因為有- - d , 部分嘗試的改進成分， 所以對數(shù)學建模構成的系統(tǒng)方案進行了電機控制系統(tǒng)的計算機仿真，以 論證可行性；對d t c 數(shù)字系統(tǒng)進行了m a t l a b 電氣系統(tǒng)模塊庫環(huán)境f 控制 性能仿真，以檢查理想環(huán)境下數(shù)字系統(tǒng)的控制效果； 4 在d t c 數(shù)字系統(tǒng)e 進行交流電機調速運轉過程的低速運轉、控制周期、 電機震蕩等方面的實驗研究，以驗征阿d t c 數(shù)字系統(tǒng)的運行效果以及系 統(tǒng)的設計思想。 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 第章論文研究的背景交流調速技術歷程、現(xiàn)狀與趨向 序言 因為論文的研究目標是：透析直接轉矩控制技術理論，并用r “子器件來沒汁 實現(xiàn)數(shù)字化的直接轉矩控制變頻器。所以本章將從直接轉矩控制的背景角度，綜 述本論文所關聯(lián)的三個方面：交流調速技術；電力器件；變頻器件。從而明確在 大背景研究環(huán)境中，本論文所涉及的研究范圍，以及研究內(nèi)容在當前、眥界所處的 地位。 1 1 交流調速技術產(chǎn)生和發(fā)展的淵源 直流電機雖然具有比較理想的轉速、轉矩控制性能，但由于結構上的原因， 因此存在不少缺點。如電刷、整流予的原因，使得電機在高速旋轉下容易打火花、 能量損耗大：電刷需要經(jīng)常更換；要提供大功率輸出則要求大的結構體積等。交 流電機能夠克服以上缺點，但控制特性卻沒有直流的好。因此人們一直研究如何 提高改善異步電機系統(tǒng)控制特性，希望交流調速系統(tǒng)能替代直流調速系統(tǒng)。到目 前為止，人們已提出許多種交流調速系統(tǒng)的原理和方法，如變壓調速、交轉差率 調速、變轉子電阻調速、變頻調速等。 交頻調速作為其中最好的一種控制方法，在本世紀三十年代就開始有人從事 研究。但是因為控制技術及電力電子元件方面的因素制約，因此發(fā)展較緩慢。七 十年代以來，普通晶閘管、大功率品體管出現(xiàn)與普及，交流電機的控制技術、大 規(guī)模集成電路和數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展使得交流調速技術有了很大的發(fā)展。l “ 1 。2 電力電子器件技術發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨向 與交流調速控制技術密切相關的電力電子技術在功率丌關元件、功率變換電 路方面有了很大飛躍。具體表現(xiàn)在： 功率器件已處于發(fā)展的第三、第四階段，即越過了以晶閘管為代表的第吖e 半控型器件，第二代的單一機制的全控型器件( g t o 、g t r 等) ，目前的產(chǎn)品是以復 合型為標志的絕緣柵極晶體管i g b ! 、m o s 控制甜f i ! j 管m c t 等，它們在容量及快速 性方耐有了極大提高。目前的發(fā)展趨勢為功率器件的模塊化、智能化，通過將微 電子技術與電力電子技術結合，融合驅動、自檢測、自保護功能，生產(chǎn)出智能化 的功率模塊i p m ，降低了成本、減小了尺寸、提高了可靠性。目前又有一種a s i p m ( a p p l i e a t i o ns p e c i a li p m ) 模塊問世，它是在i p m 的基礎上再增加了整流電路 和電流檢測電路，使用時僅需提供一路驅動電源，日驅動信號不需隔離，使得控 制電路更簡單、性能更高，已經(jīng)有6 0 0 v 的產(chǎn)品l 川j 。 功率變換電路的結構和控制性能也在改善和提高。全控型器件出現(xiàn)使得人們 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 拋開復雜的輔助換流措施，投入精力改進電路的結構。隨著開關器件的速度提高， 電壓型的p w m 變頻器成為功率變換電路的主要形式。逆變器的輸出波形變?yōu)槎嗝} 沖的p w m 波，減少了諧波成分。洲m 逆變器結構簡單、控制方便、轉換效率商，因 而被廣泛應用。一般p w m 逆變器的功率元件在高電壓、火電流下通斷，器件承受 較大的開關應力和產(chǎn)生較大的開關損耗，制約著開關頻率的進一步提高，影響逆 變器性能的提高，如何提高逆變器性能成為變頻調速領域的熱點，出現(xiàn)了許多種 結構。如三點式p w m 逆變器，其輸出電壓空間矢量達2 7 種，可阻在開關頻率比常 規(guī)兩點式低得多的情況下獲得很好的諧波抑制效果，而且功率器件在通斷過程中 僅為兩點式的一半，有利于降低開關損耗，此外由于軟丌關技術的引入，出現(xiàn)了 諧振式逆變器，實現(xiàn)功率器件在零電壓或零電流f 開關，大大減少了器件的丌關 損耗和開關應力，開關頻率得到提高。 斟此電力電了技術發(fā)展方向將是發(fā)展智能化的集成模塊制造，制作出容量、 頻率、精度、可靠性更高的新一代p w m 集成功率電子裝置。 1 3 交流調速的三種主流技術相互比較 1 3 1 三種主要的交流調速控制技術的歷程 從1 9 6 4 年德國的a s h o n u n g 把通訊系統(tǒng)的調制技術應用到交流傳動中，產(chǎn)生 了正弦脈寬調制( s p w m ) 變壓調頻的思想以來，因為它克服改善了相控原理的所 有弊端，滿足了高于性能的交流調速系統(tǒng)的要求，曰前仍然是交流調速領域的一 個研究熱點l 引。 1 9 7 1 年，德國f ，b l a s c h k e 提出了異步電機的矢量變換控制技術使得交流電 機的調速率控制理論有了很大的飛躍l 化j ，它將原先相互耦合的定子線圈上的電 參數(shù)解耦為力矩、勵磁兩方面的參數(shù)，通過分別控制力矩、勵磁分量，接近達到 直流電機的控制特性，目前此方而的技術已相列完善，許多產(chǎn)品上均采用該項技 術。 矢量變換控制技術從理論上講可以明顯改善交流電機的動態(tài)控制特性，但需 要進行繁復的坐標變換，計算較為復雜，而且對電機的參數(shù)依賴性大，不能完全 實現(xiàn)參數(shù)的解禍。因此工程實現(xiàn)還是較為麻煩，達不到應有的控制效果，因此人 們又在尋找一種有效的簡單的控制技術。 1 9 7 7 年由a b p l u n k e t tl 1 9 j 首先提出直接轉矩控制的基本思想，在8 0 年代， 瞬時空間理論的發(fā)展使之獲得新生，1 9 8 6 年德困人m d e p e n b r o c k 和f = f 本學者 r 一 i t a k a h a s h il l b j 在理論和實驗中取得了進一步的研究，以及s i e m e n s 和a b b 公司 進行了大量的工程化實踐。直接轉矩控制技術不需要解耦電機的模型，直接對電 機的最終輸出轉矩進行控制，抓住電機的根本特性，在許多方面克服了矢量變換 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 控制的缺點。它的控制思路新穎、簡潔明了，受到了人們的普遍關注，成為目前 的電機控制研究的潮流。 現(xiàn)今交流電機的控制研究主要是在基于宅間矢量的概念下的磁場定向控制 ( f o c ) 、直接轉矩控制( d t c ) 、空間矢量p w m 控制( s v p w m ) 等之間展開的，它們 的共同點就是力求實現(xiàn)交流電機的控制特性接近或達到線性效糶。 1 3 2 三種交流調速技術的主要特征 磁場定向控制( f o c ) l 1 5j l l 引，即矢量變換控制技術，足交流調速技術史上 的一大突破，它通過坐標變換和計算，將電機的電流解耦為轉矩、勵磁分量分別 進行控制，從理論上講，實現(xiàn)了線性的控制特性，能夠明顯改善交流電機的輸出 特性l 1 8 j ，因為發(fā)展得較早，技術上較為成熟，目前許多交流駙動產(chǎn)品上都采用 此技術e g j ，f o c 對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高，早期的f o g 實 現(xiàn)多數(shù)采用硬件電路實現(xiàn)坐標變換，或采用雙c p u 方式，底層采用滯環(huán)比較電路”， 現(xiàn)今因為d s p 技術發(fā)展，多數(shù)采用d s p 作為微處理器，不再使用滯環(huán)方式。研究 應用比較多的方式是通常采用反饋量少、硬件簡單的滑差矢量控制方法l 兒塒j 。 存在缺點是繁復的坐標變換、復雜的計算、非線性和電機參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能， 不能實現(xiàn)完全的參數(shù)解耦，工程實現(xiàn)上達不到應有的效果l i u j 。矢量變換控制中 一個重要的問題是磁鏈的定位，不管是定子磁鏈定位還是轉子磁鏈定位，磁鏈觀 測結果將直接影響到控制量的解耦。為此，提出了智能觀測器、自適應觀測器以 及混合型的磁鏈觀測器l l z 兒 j ，針對電機高速、低速時的1 ：同特性，使用不同 的模型( 電壓電流模型和電流轉速模型1 ) ，考慮到電機參數(shù)的時變性，將自適 應理論應用于電機控制，設計全階觀測器，主要用于觀測轉予磁鏈和轉速l l j 。 因為定子電流在轉子定向的坐標系中分解的轉矩分量和勵磁分量的表達式簡單， 物理意義與直流電機相仿，所以大多數(shù)的研究都是在轉子磁場定向方式下進行的， 因為f o c 研究進行得比較早，目前研究的重點和方向主要集中在磁鏈觀測器的設 計以及與智能控制的融合，工程應用上的簡化控制方法以及無速度傳感器方法的 研究是該方向的熱點l 1 z 兒1 4 j 。另外在效率的控制方面，f o c 也同樣有此方面的研 究 1 4 1 5 je 1 7 1 。 d t c 的蓬勃發(fā)展始于8 0 年代后期、g o 年代初期，它直接抓住電機輸出特性， 直接控制輸出轉矩，控制思路新穎、簡潔明了，克服了矢量變換控制的復雜運算 缺點，是現(xiàn)在研究的熱點l 兒1 4 兒l 引。前期由于微處理器和功率器件的原因，定 子磁鏈的運行軌跡控制為正六邊形，實現(xiàn)直接自控制( d i r e c ts e l fc o n t r 0 1 ) ， 響應快，計算簡單，但電流的畸變不訓消除，含有6 倍諧波成分，低速特性較差。 近期由于微處理器和功率器件技術的發(fā)展，磁鏈軌跡的控制針對高低轉速，可以 分別實現(xiàn)磁鏈軌跡圓形、六邊形控制方式l l u 兒1 4 兒1 8 j 。a b b 公司已有采用直接轉 矩控制技術的變頻產(chǎn)品出售。直接轉矩控制利用定子磁鏈和轉矩的兩點調節(jié)器， 通過直接的b a n g b a n g 控制，控制定子磁鏈幅值為恒值，同時實現(xiàn)了對轉矩的直 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 接控制，凼為所有計算只是在定了的靜止兩相坐標系中進行，所以較矢量變換控 制簡單，因為它采用的b a n g b a n g 控制，實際上是種最短時間的控制，所以它 的響應快也是它的一個特點l b 兒j 。同樣跟矢量變換控制一樣，直接轉矩控制需 要解決的一個重要方面電是定予磁鏈的觀測，需要考慮高速、低速的磁鏈模型 l j 兒川。所以d 1 1 c 下的磁鏈和轉矩觀測器的設計是d t c 研究的一個方向。因為電 機的低速磁鏈模型受影響的因素比較多，所以d t c 下電機特性控制也是一個方向。 文獻l 甜j 著重分析了d t c 系統(tǒng)低速特性，認為低速時定子電阻對磁鏈的估計影響 較明昆，低速時宜使用轉速電流模型估計轉了磁鏈，而后定位定子磁鏈。同時也 有研究l z z j 著重分析研究逆變器的死區(qū)效應是影響d t c 調速系統(tǒng)低速轉矩穩(wěn)態(tài)性 能差的重要因素，死區(qū)效應對調速系統(tǒng)影響的原因是因為電壓的檢測被另外種 方式替代，即通過直流母線電壓和瞬時的開關狀態(tài)計算得到。文獻l 叫j 分析了死 區(qū)電壓存在的必然以及對系統(tǒng)性能的影響，尤其對系統(tǒng)在低速輕載的情況影i 響更 顯著。針對直接轉矩控制系統(tǒng)的低速的負載特性較差，文獻l i g j 應用存線的模糊 觀測器，根據(jù)定子電流、同步轉速觀測定了電阻的變化，改善了直接轉矩系統(tǒng)的 低速性能。在工程實現(xiàn)上，d t c 下的無速度傳感器方法的研究也成為了一個研究方 向。因為采用u i 模型的d t c 表現(xiàn)出對電機參數(shù)的不敏感性，所以在工程應用上 人們試圖通過對u i 模型的定子電阻進行的補償?shù)姆绞絹硖岣遜 t c 系統(tǒng)的魯棒性， 因此d t c 的魯棒性的的研究也成為了一個研究方向。d t c 的研究方向某種程度上也 是參照了f o c 的方向，所以關于d t c 方式下的效率控制也在同步進行l(wèi) l 兒m p w m 技術主要有電壓p w m 、電流p w m 、空問矢量p w m 兒種，目前研究的熱點是 空間矢量p 1 v m ，它與前面兩種方法不同，它是在引進了矢量控制的概念之后，考慮 到如何控制電機的磁通成圓形軌跡，利用數(shù)字輸出六種電壓矢量擬合形成一圓形 軌跡，最終輸出p w m 波。它的落腳點為先保證磁通軌跡，因此結構簡單、特別適 合計算機控制，開關頻率低、效率高，今后是發(fā)展應用主流之一。 基于空間矢量的概念，近年來又發(fā)展了s v p w m 技術，它不同于s p w m 控制思想， 它是在引進了矢量控制的概念之后，考慮利用i 相橋臂開關組合成的7 種電壓矢 量合成期望電壓矢量的一種方法，最終表現(xiàn)為p w m 波，它結構簡單、特別適合數(shù) 字化實現(xiàn)，開關頻率低、效率高。實際上，它只是變頻調速的一種底層實現(xiàn)方式， 但是電機的控制效果仍很大程度上取決于它的方式，所以人們在研究它的不同方 式對電機輸出效果的影響是s v p w m 的研究重點l 引。文獻j 對常規(guī)的s p w m 和空問 矢量p w m 進行比較，認為后一種技術在減少電機電流諧波損耗、提高母線電壓利 用率上具有明顯的優(yōu)勢，分析認為只有同時控制定子磁鏈的瞬時幅值和瞬時速度， 轉矩脈動才可減少，擴大系統(tǒng)調速范同，改善控制性能，而且其中磁鏈的瞬時速 度誤差對輸出轉矩的影響比瞬時幅值誤差剝輸出轉矩的影響大得多。文獻l 4 j 闡述 了如何在開環(huán)條件下利用空間p w m 技術實現(xiàn)低轉矩脈動、減少電流畸變的方法。 主要途徑就是采用劈零矢量的控制方式，減少磁鏈頻率的波動，實現(xiàn)了平滑、穩(wěn) 定的轉矩特性。w a l c z y n a 等人融入了自適應控制技術，硬件上實現(xiàn)了三電平p w m 4 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 逆變器，使得定子磁鏈的瞬時速度誤差減少，電流畸變諧波減少，使用在大功率、 高頻場合，減少了電機參數(shù)的變化剝電機電流輸出的影響。文獻 8 針對s v p w m 方 式下的過調制以及電壓的利用率與常規(guī)的s p w m 進行了比較。在丁程產(chǎn)品上，目前 國內(nèi)已有利用此項技術設計完成的p e r | 15 0 g 3 4 a 1 5 0 k f f 大容量變頻調速裝置。 1 3 3 三種交流調速技術的關聯(lián) 上面三種控制技術從本質一卜講是相互統(tǒng)一的。形式上看空問矢量f l w m 技術與 真接轉矩控制都是在定子的兩相坐標系q 1 進行分析。s v p w m 最早是由德國r j q r 大 學的d e p e n b r o c k 教授在實現(xiàn)d t c 時引入的，實際上它與d t c 還是有差別的。d t c 底層的p w m 直接由磁鏈和轉矩比較環(huán)節(jié)產(chǎn)生，并沒有一個合成矢量的概念，但是 s v ! ，w m 著重強調8 個丌關狀態(tài)對應的7 神電壓矢量進行的矢量合成，實際上它還是 屬于變頻調速的底層，它并沒有直接與轉矩輸出構成聯(lián)系。從所處的地位來講， 它與s p w m 處于同一層次，屬于交流驅動的底層，只是它易于數(shù)字化實現(xiàn)，凼此在 現(xiàn)代的f o c 控制中已經(jīng)逐漸將原先的底層的s p l , v m 方式替換為s v p w m 方式，能夠有 效簡化控制結構，提高控制特性怕j 。因為f o c 能夠實現(xiàn)對輸出控制量的有效調節(jié)， d t c 可以簡化控制結構，并且減少對參數(shù)的依賴性，交流驅動技術的最后的發(fā)展方 向是將這三種技術的優(yōu)點進行融合，揚氏避短，真j f 實現(xiàn)電機的線性控制特性。( 這 也是本論文研究的內(nèi)容和目標之。) 1 3 4 業(yè)內(nèi)當前代表性的研究改進方向 交流電機控制技術由于矢量變換控制理論的介入得到大的發(fā)展，但是單純從 電機方面的模型出發(fā)去尋求改善控制性能的方法取得的效果已是比較有限。在矢 量控制的基礎上，人們采取了許多改進方法，提高控制效果，如采用加入前潰補 償法去除轉矩電流和勵磁電流之間電機內(nèi)部壓降造成的耦合l l b j ；采用自適應理 論解決運行過程中的結構參數(shù)變化帶來的影響；另外專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng) 網(wǎng)絡技術也被應用于交流調速領域，目前多數(shù)處于實驗室階段，實用的例子較少。 1 4 磁鏈觀測的發(fā)展 1 4 1 磁鏈觀測在交流調速研究中的重要意義 前面提到的控制方法的個重要的研究方向就是磁鏈的j l ! l l 測，磁鏈觀測在電 機的控制中非常重要，它是交流驅動能否實現(xiàn)線性控制的關鍵。因為電機的磁鏈 一般需要間接觀測，在通常采用的f o c 、d t c 和s v p w m 技術中，f o c 常應用到轉子 磁鏈定向，d t c 和s v p 吼因為都應用了靜止兩相坐標系中的電壓矢量概念，凼此通 常采用的是定子磁鏈定向。三種控制方式實際上與磁鏈的觀測結果有明顯的依賴 性，f o c 很明顯它需要磁鏈的觀測結果進行定向，而后對控制量進行解耦，因此磁 鏈觀測在f o c 中極為重要，系統(tǒng)的控制效果和振蕩與磁鏈的結果有明顯的關系， 通常在f o c 中采用的是轉子磁鏈觀測，因為它能夠有效地將交流分量轉換為類似 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 直流電機控制中的勵磁利轉矩分量。在d t c 和s v p w m 中因為都存在一個選擇電壓 矢量的問題，而正確選擇的前提是明確定子磁鏈的位置，因此磁鏈觀測在這兩種 控制方式中同樣很重要。 1 4 2 磁鏈觀測的主要研究類型 磁鏈的觀測模型主要有兩種l “j i4 j ，一種是卜i 模型，它比較適用于高速 狀態(tài)，它是一種積分模式，涉及的參數(shù)主要是電機的定子電阻，d t c 和$ v p w m 都足 采用了陔模型，使電壓矢量在空間坐標系中與磁鏈進行了對應，然后在此基礎上 進行控制特性的分析，因此所謂d t c 對電機參數(shù)依賴性小是基于u i 模型下的締 論，這還是有一定欠缺之處的，對此許多研究已經(jīng)表明了這一點 1 6 7 1 6 17 | 。磁鏈觀測的另外一種模型是in 模型，它比較適用于低速? 狀 態(tài)，但是它涉及的電機的參數(shù)比較多，對其觀測結果有明顯影響的是轉子的參數(shù)， 而轉予的參數(shù)比較難確定，尤其是感應電機。 也正是磁鏈低速觀測不確定性的原因，所以電機在低速時控制的特性比較差， 因為此時電機涉及的參數(shù)相對多，而且由于電機的參數(shù)會出現(xiàn)變化，而且易引進 死區(qū)效應，當電機承受的負載比較大時，很容易出現(xiàn)因為電機的磁鏈觀測不準確 而導致電機出現(xiàn)振蕩，這也是電機控制領域需要解決的難題之一l j 兒川。除了已 討論的不可避免的死區(qū)電壓影響l 1 3 j 1 8f ，認為低速時定子電阻對磁鏈的觀測影 響較明顯1 2 ：3 j ，需要定時更新轉子定子電阻，定子磁鏈可以精確控制，文獻l 州j 應用在線的模糊觀測器，根據(jù)定子電流、同步轉速觀測定子電阻的變化，提高了 磁鏈觀測結果的準確性，改善了直接轉矩系統(tǒng)的低速性能，文獻l 豹j 針對低速時 定予線圈電阻隨溫度的變化量造成控制特性變差提出應用p i 訓節(jié)和模糊控制的策 略根據(jù)定子電流的變化估計電阻的變化，從而提高控制特性。 1 4 3 磁鏈觀測方面進行的代表性研究工作 目前磁鏈觀測方面進行的代表性研究工作有： 將現(xiàn)有的兩種模型進行混合使用，根據(jù)電機的轉速使磁鏈的模型對應的側重 點在低速時為i n 模型，高速時為u i 模型，這樣可以充分利用兩種模型的優(yōu)點， 通常采用的是滑動結構，即并聯(lián)結構，由j 二這種結構在實際運行中存在響應速度 慢，容易存在靜態(tài)偏差，因此改換它的并聯(lián)結構為串聯(lián)結構，將i n 模型的逆方 式置于u i 前端，綜合使用能夠有效消除前述缺陷l i l fj ； 利用自適應方法，構造李雅普諾夫函數(shù)設計設計轉予磁鏈觀測器，能夠有效 提高觀測的準確性，并且能夠提高系統(tǒng)的魯棒性，這是在磁鏈觀測中通常采用的 另一種方法，但是因為控制結構相對復雜，工程實現(xiàn)相對困難； 仍采用u i 模型，但是在低速段利用v f 為常值的特性對觀測結果進行修正， 這種方式可以有效簡化控制結構，減少計算量，適合用于工程實踐； 仍采用i n 模型，只是另步l - np i 調節(jié)器，利用模型輸出的電流與實際輸出電 流的差值調節(jié)磁鏈的觀測結果； 第一章交流調速技術的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 利用逆系統(tǒng)的控制方式，將磁鏈的觀測與轉速的控制解耦，減少觀測的復雜 性，但是同時還需要加凋節(jié)器進行修正； 利用滑模變結構控制技術，減少控制方法對電機參數(shù)的影響，但是使控制結 構復雜，不容易工程化。 1 5 變頻器件的設計趨向 高性能、高速度的微處理器、微控制器的卅現(xiàn)，使得控制實現(xiàn)數(shù)字化、實用 化，能夠將復雜的控制方法編制軟件實時摔制電機系統(tǒng)，快速響應控制指令，及 時處理各種狀態(tài)信號，目前流行采用單片機來構成全數(shù)字控制系統(tǒng)來降低成本， 許多變頻控制器多采用此種方案。但由于現(xiàn)代控制理論及算法的介入，使得汁算 量較大且復雜，一般的單片機無法承受，無法滿足實時控制的要求?？焖偬幚硇?片的出現(xiàn)，( 如變頻調速用d s p 芯片a d m c 4 0 1 ) 使得這一難題迎刃而解，在實用控 制系統(tǒng)中采用復雜的控制算法來達到較好的控制效果。并且許多實用的產(chǎn)品已得 到證明，如s a n c o 系列的高性能的通用變頻器等。 因此采用高性能的快速微處理器數(shù)字化實現(xiàn)p w m 技術是今后的發(fā)展趨勢利研 究方向。 第二章直接轉矩控制技術韻研究解析和數(shù)字實現(xiàn) 第二章直接轉矩控制技術的理論解析和數(shù)學建模 序言 本章首先對直接轉矩控制技術理論進行研究剖析，給出一套對理論的個人解 讀。從而在理論解讀的基礎上，進行數(shù)學建模，提出了一套數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)方案。 本章同時對“電壓空問矢量p w m 技術”也進行解讀和建模研究，是因為“電 壓空間矢量”在“直接轉矩技術”和“電壓空間矢量p w m 技術”中都占有很重分 量。也因而“直接轉矩控制技術”和“電壓空間矢量p w m 技術”在控制機理和實 現(xiàn)方式上非常相近，關聯(lián)緊密。但兩技術具有本質區(qū)別，j 捆此本章通過對比的研 究方式，得出本論文選擇直接轉矩控制技術作研究對象的優(yōu)劣理由； 以數(shù)字化應用該理啥技術并稍作優(yōu)化為首要原則，圍繞數(shù)學建模的出發(fā)點， 一些理論會解讀得比較淺顯。 2 ，1 直接轉矩控制技術的根源、常規(guī)方案、現(xiàn)狀和方向 2 1 1 直接轉矩控制的理論根源 直接轉矩控制的中心在于“直接自控制( d i f e e ts e l f - c o n t r o l l ) ”，在1 9 7 7 年a b ，p l u n k e t tl i lj 就提出此種想法，當時由于對定予磁通的檢測沒有好的方法， 所以實現(xiàn)較為困難。1 9 8 3 年y m u r a i 等人將瞬時的空間矢量理論應用到p w m 犁的 逆變器，提出了空間矢量p w m 法，解決了“磁通自控制”的問題。1 9 8 1 年s y a m a m u r a 提出磁通加速法( f a m ) ，指出只要維持定子磁通幅值不變，改變轉差角速度，就 能改變電機系統(tǒng)中的其它電參數(shù)，最終實現(xiàn)輸出特性可控，這就是轉( 力) 矩自 控制的理論基礎。1 9 8 5 年，m d e p e n b r o c kl ，j 綜合了上述方法的特點提出了直接轉 ( 力) 矩控制的理論，在維持定子磁通幅值不變的情況下，通過插入零矢量使得 磁場的旋轉速度變化，改變定轉予之問的轉差角速度，達到控制瞬時力矩的目的。 直接力矩控制與矢量控制的不同在于：矢量控制將逆變器與電機獨立開來， 通過連續(xù)的方法刑電機的模型進行簡化，因為逆變器是離散的，兩者統(tǒng)一聯(lián)系起 來比較困難，而直接力矩控制對電機與逆變器合二為一進行控制，用空間矢量理 論統(tǒng)一起來進行離散控制，方法更簡單。矢量控制更多程度上依賴于電機的模型 參數(shù)，電機運行過程中參數(shù)的變化對控制效果影響極大，而直接力矩控制主要針 對電機的最后輸出特性進行控制，依賴電機模型參數(shù)的程度小，受電機的參數(shù)變 化的影響小。因此逐漸被廣泛研究，成為交流傳動領域的新熱點。 2 1 2 直接轉矩控制的各種方案 1 直接轉矩控制被提出以來，各國科技人員做了大量的研究，出現(xiàn)各種具體的 控制方案，各型方案的主要區(qū)別都在直接轉矩控制系統(tǒng)的“磁通觀測模型”、“磁 第二章直接轉矩控制技術的研究解析和數(shù)字實王見 通控制方式”、“磁通軌跡”三方面上。具體闡述蜘i 下： 2 1 2 1 磁通觀測模型上的各種方案： 異步電機采用三種磁通觀測模型：u i 模型、i n 模型、u n 模型的不同 組合來獲得定子的磁通。在滑模變結構控制中，考慮到在中高速時【卜一i 模型能夠 獲得較為精確的磁通值，而在低速時則采用i n 模型計算磁通大小，克服ui 模型低速時的不少缺點，此種方法的難點在于快速平滑切換模型；直接采用u i 模型，需要克服其低速f 的不少缺點，因此還需肘定子電阻進行辨識及誤差補償： 采用u - n 模型，算法比較復雜，在世界上目前只有德國用的比較多。l ，j 2 1 2 2 磁通的控制方式方面： 1 開環(huán)控制：根據(jù)指定的磁通幅值、已確定的電壓矢量的幅值設計好六個空 間非零矢量、零矢量的順序和作用時間長度的表格，運行過程中直接查詢表格， 這種控制方式簡單，但是沒有形成反饋控制，沒有考慮定子參數(shù)的變化對實際磁 通的影響，因此低速時輸出特性比較差，出現(xiàn)較大的力矩脈動。 2 閉環(huán)控制：l j 對實際磁通進行反饋控制，控制輸出效果取決于通觀測的 結果，在此種方式下能夠保證磁通的軌跡為圓形即幅值保持恒定，同時在硬件上 增加了電壓傳感器、電流傳感器，增加計算量。 3 偽閉環(huán)控制：l 均j 它減少了電壓傳感器，定子端電壓的獲取通過當前的電 壓矢量計算得到，簡化了控制結構，但是此種方式在低速運行情況下受開關元件 的死區(qū)時間影響較大。目前較多采用此種方案，再加上一些補償算法，就可達到 較好的控制效果。 2 1 2 3 磁通軌跡方面 控制磁通軌跡的途徑有兩種，一種是通過采i e j 正多邊形來替代圓形軌跡，此 種方式多在空問矢量p w m 控制中采用，結構方法要相對簡單一些，開關頻率低； 另一種是實時檢測磁通，使其最后形成一圓形軌跡，控制效果取決于控制周期， 效果相對要好一些，但是控制方案要復雜些，開關頻率高。 2 1 2 4p w m 開關方式 直接轉矩控制的中心是磁通自控制利轉矩自控制，它的開關方式本質上屬于 磁通s p w m ，只是在此基礎卜增加了轉( 力) 矩控制環(huán)節(jié)，控制策略上多采用以下 三種： 1 滯環(huán)b a n d b a n d 控制：就是將力矩和磁通觀測值與指令值、誤差范圍進行 比較，同時考慮到磁通的位置，優(yōu)先考慮磁通的要求，一旦磁通超出誤差帶范圍， 就調整輸出矢量，控制磁通和力矩。它能夠磁通i 幅值、力矩控制在較小的范圍中， 達到良好控制性能，此種方法要求控制周期小，對器件性能要求高。l j 2 ：直接b a n d b a n d 控制：取消了滯環(huán)，直接根據(jù)力矩和磁通的觀測結果直接 決定開關狀態(tài)，使得系統(tǒng)變得更簡單，減少了計算量，可以降低控制周期，但是 第二章直接轉矩控制技術的研究解析和數(shù)宇實現(xiàn) 它也要求控制周期低，有資料 9 12 | 表明控制周期大于5 0 l - s 時，難以達到良好 的控制性能。 3 預前控制：1 9 9 2 年t g 1 l a b e t l e r l l b j 等人提出在力矩和磁通無差拍控制 的基礎上由當前的電機反電動勢和磁場旋轉速度汁算出下一個時間周期的電壓矢 量，使其誤差最小。該種方法的控制周期可以取得較大，丌關周期恒定，實驗證 明在控制周期取為2 5 0 u s 時，仍u 得到較好的控制性能。缺點在于計算量大，要 求控制c p u 采用快速處理芯片，如d s p 等。 2 1 3 直接轉矩控制在實際應用上的研究現(xiàn)狀與方向 直接轉矩控制從提出到現(xiàn)今已有十余年歷史了，在這十年里，德國、日本、 美國竟相開展這項技術，使得有了長足進步。 德國作為直接轉矩控制的發(fā)源地，采用六邊形磁通軌跡控制方法。在大功率 方面進行應用研究，己成功將直接轉矩控制應片j 于大功率電力機車和提7 1 。機的控 制上，功率開關器件采用g t o 、g 1 1 r ，正在嘗試使用i g b t ，使開關頻率達到5 k h z ， 采用的c p u 是t m s 3 2 0 c 2 5 ，從低速延伸到弱磁范圍。 日本采用直接控制磁通，使磁通軌跡逼近于圓形的方法。他們側重于中小功 率的應用研究。1 9 8 7 年，i t a k a h a s h i 等人用兩組逆變器和1 5 k w 異步電機構成 的直接轉矩調速控制系統(tǒng)，實驗獲得了創(chuàng)世界記錄的性能指標，轉矩響應頻率達 到了2 k h z 以上，空載轉速的階躍響應達到5 0 0 一+ 5 0 0 r p m 4 m s ，在超低速領域 可以做到1 轉小時。l ，j 在美國，進行直接轉矩控制研究的主要有t g h a b e t l e r 等人，主要是將該項 技術應用到電動汽車中，實現(xiàn)在全速范圍內(nèi)有效控制轉矩的大小。1 9 8 9 年，他們 將直接轉矩控制用于直流環(huán)節(jié)諧振逆變器，用反向電壓矢量替代零矢量，加快了 轉矩響應，同時采用一直流側電流傳感器估算三相電流，開關頻率可到2 7 k h zl l 。j 。 1 9 9 2 年提出無差拍控制思想，指出為了加快轉矩的響應，直接選取使得轉矩變化 最快的電壓矢量l 1 bj 。仿真及實驗結果表明，動態(tài)時磁通值出現(xiàn)小的偏差，而轉 矩響應加快了。 直接轉矩控制的提出與研究時間不長，理論與實踐上存在不成熟之處，如低 速性能等，目前實現(xiàn)方式多采用數(shù)字化，由于計算量大，實時性要求高，多采用 快速處理芯片d s p 來實現(xiàn)較短的控制周期，如何改進控制性能，使其簡單可靠、 成本低，加速直接轉矩控制變頻器商品化是今后的一個研究方向。 2 2 直接轉矩控制系統(tǒng)的設計原理解析 第二章直接轉矩控制技術的研究解析和數(shù)字實現(xiàn) 2 2 1 異步感應電機和定子磁鏈的數(shù)學模型 2 ，2 。l 。1 異步