（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）異步感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速技術(shù)的數(shù)學(xué)建模和數(shù)字實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)被譽(yù)為2 0 世紀(jì)后期人類社會(huì)重大技術(shù)進(jìn)步之一，在電機(jī)電 氣傳動(dòng)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。進(jìn)入2 1 世紀(jì)，交流調(diào)速技術(shù)繼續(xù)作為電氣傳 動(dòng)系統(tǒng)的主要研究課題之一。變頻調(diào)速則是當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)研究范疇中最好的 一種交流調(diào)速技術(shù)。對(duì)變頻調(diào)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(chǎng)定向控制( f o c ) 、直接轉(zhuǎn)矩控制( d t c ) 、空問(wèn)矢量p w m 控制 ( s v p l v m ) ，它們的共同目標(biāo)是力求實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制特性達(dá)到或接近線性效果。 論文以變頻調(diào)速技術(shù)的數(shù)字化工程應(yīng)用為研究目標(biāo)。首先對(duì)當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究的 直接轉(zhuǎn)矩控制( d t c ) 技術(shù)進(jìn)行了理論的解讀和分析；并且，基于理論解讀研究的 所得，進(jìn)行d t c 的應(yīng)用工程的數(shù)學(xué)建模；進(jìn)而，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，搭建設(shè)計(jì)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(duì)三相異步感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行調(diào) 速控制運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行了電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)、控制周期、電機(jī)震蕩等方面的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn) 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(shí)針對(duì)d t c 系統(tǒng)在提高電機(jī)低速性能和定子電阻補(bǔ)償方面、縮短控制 周期方面、設(shè)備數(shù)字化方面的一小部分現(xiàn)有技術(shù)理論，進(jìn)行了優(yōu)化研究和改進(jìn)嘗 試，并體現(xiàn)在數(shù)學(xué)建模和數(shù)字化過(guò)程中：因?yàn)樵跀?shù)學(xué)模型和數(shù)字系統(tǒng)中，都有極 小部分技術(shù)理論作了改進(jìn)嘗試：所以，對(duì)數(shù)學(xué)建模中所搭建的系統(tǒng)模型方案，進(jìn) 行了交流電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，以論證方案可行性；對(duì)d t c 的數(shù)字系統(tǒng)， 進(jìn)行了m a t l a b 電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)( 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(duì)d t c 數(shù)字系統(tǒng)，進(jìn) 行了三相異步電機(jī)調(diào)速控制運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，證明在改善電機(jī)低速和 震蕩性能、縮短轉(zhuǎn)矩環(huán)控制周期等方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到要求的較好效果。 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)學(xué)建模數(shù)字實(shí)現(xiàn)異步感應(yīng)電機(jī) 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(biāo) 因?yàn)槲覀儧](méi)有以往對(duì)電氣傳動(dòng)做系統(tǒng)研究和積累的基礎(chǔ)，所以，我們做r 巳氣 領(lǐng)域的異步感應(yīng)電機(jī)調(diào)速技術(shù)研究，并不是如同電氣領(lǐng)域的學(xué)者一樣，要在電機(jī) 調(diào)速理論方面做出明顯成就，而是希望在電機(jī)蛹速技術(shù)上引入我們具有專業(yè)優(yōu)勢(shì) 的電子技術(shù)，在電機(jī)調(diào)速技術(shù)的數(shù)字化和工程應(yīng)用t ，施展我們的專長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。 所以我們的目標(biāo)就著眼在應(yīng)用工程上， 1 第一點(diǎn)是設(shè)計(jì)出當(dāng)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(jī)調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)于交叉在我們知識(shí)經(jīng)驗(yàn)范圍 內(nèi)、有可能改進(jìn)的一叫、部分技術(shù)理論進(jìn)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)的計(jì)劃研究流程 1 2 1 選定研究對(duì)象為直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)( d t c ，d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 日標(biāo)既已確定，論文的研究對(duì)象就很重要。研究工作首先以大視角來(lái)分析電 機(jī)變頻調(diào)速的三種主流技術(shù)，視角關(guān)注點(diǎn)在于： 1 三種技術(shù)的主要控制特征，在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中達(dá)到的效果； 2 目前的研究前景，以及業(yè)內(nèi)對(duì)研究方向的參與和需求程度； 3 三種技術(shù)的應(yīng)用范圍，當(dāng)前用電力電子器件進(jìn)行可行性數(shù)字化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 條件和技術(shù)難度。 根據(jù)上述三方面，選擇直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為數(shù)學(xué)建模和數(shù)字電路研究對(duì)象。 1 2 2 在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)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(yīng)用工程目的，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)當(dāng)前理論作解讀和分析； 2 根據(jù)理論解讀的研究所得，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；根據(jù)數(shù)學(xué)模型，搭建出一套 d t c 數(shù)字化系統(tǒng)：并對(duì)電機(jī)低速性能方面、縮短控制周期方面、沒(méi)備數(shù)字 化方面，作一點(diǎn)改進(jìn)的思考和設(shè)計(jì)嘗試； 3 針對(duì)所搭建的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字系統(tǒng)，因?yàn)橛? - d , 部分嘗試的改進(jìn)成分， 所以對(duì)數(shù)學(xué)建模構(gòu)成的系統(tǒng)方案進(jìn)行了電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，以 論證可行性；對(duì)d t c 數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行了m a t l a b 電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)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(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的低速運(yùn)轉(zhuǎn)、控制周期、 電機(jī)震蕩等方面的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)征阿d t c 數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行效果以及系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。 第一章交流調(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 第章論文研究的背景交流調(diào)速技術(shù)歷程、現(xiàn)狀與趨向 序言 因?yàn)檎撐牡难芯磕繕?biāo)是：透析直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)理論，并用r “子器件來(lái)沒(méi)汁 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。所以本章將從直接轉(zhuǎn)矩控制的背景角度，綜 述本論文所關(guān)聯(lián)的三個(gè)方面：交流調(diào)速技術(shù)；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?jī)?nèi)容在當(dāng)前、眥界所處的 地位。 1 1 交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的淵源 直流電機(jī)雖然具有比較理想的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制性能，但由于結(jié)構(gòu)上的原因， 因此存在不少缺點(diǎn)。如電刷、整流予的原因，使得電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)體積等。交 流電機(jī)能夠克服以上缺點(diǎn)，但控制特性卻沒(méi)有直流的好。因此人們一直研究如何 提高改善異步電機(jī)系統(tǒng)控制特性，希望交流調(diào)速系統(tǒng)能替代直流調(diào)速系統(tǒng)。到目 前為止，人們已提出許多種交流調(diào)速系統(tǒng)的原理和方法，如變壓調(diào)速、交轉(zhuǎn)差率 調(diào)速、變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。 交頻調(diào)速作為其中最好的一種控制方法，在本世紀(jì)三十年代就開(kāi)始有人從事 研究。但是因?yàn)榭刂萍夹g(shù)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(lái)，普通晶閘管、大功率品體管出現(xiàn)與普及，交流電機(jī)的控制技術(shù)、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(diào)速技術(shù)有了很大的發(fā)展。l “ 1 。2 電力電子器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨向 與交流調(diào)速控制技術(shù)密切相關(guān)的電力電子技術(shù)在功率丌關(guān)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(guò)了以晶閘管為代表的第吖e 半控型器件，第二代的單一機(jī)制的全控型器件( g t o 、g t r 等) ，目前的產(chǎn)品是以復(fù) 合型為標(biāo)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?cè)谌萘考翱焖?性方耐有了極大提高。目前的發(fā)展趨勢(shì)為功率器件的模塊化、智能化，通過(guò)將微 電子技術(shù)與電力電子技術(shù)結(jié)合，融合驅(qū)動(dòng)、自檢測(cè)、自保護(hù)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(wèn)世，它是在i p m 的基礎(chǔ)上再增加了整流電路 和電流檢測(cè)電路，使用時(shí)僅需提供一路驅(qū)動(dòng)電源，日驅(qū)動(dòng)信號(hào)不需隔離，使得控 制電路更簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)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(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 拋開(kāi)復(fù)雜的輔助換流措施，投入精力改進(jìn)電路的結(jié)構(gòu)。隨著開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、轉(zhuǎn)換效率商，因 而被廣泛應(yīng)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(kāi)關(guān)應(yīng)力和產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，制約著開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)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(diào)速領(lǐng)域的熱點(diǎn)，出現(xiàn)了許多種 結(jié)構(gòu)。如三點(diǎn)式p w m 逆變器，其輸出電壓空間矢量達(dá)2 7 種，可阻在開(kāi)關(guān)頻率比常 規(guī)兩點(diǎn)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(guò)程中 僅為兩點(diǎn)式的一半，有利于降低開(kāi)關(guān)損耗，此外由于軟丌關(guān)技術(shù)的引入，出現(xiàn)了 諧振式逆變器，實(shí)現(xiàn)功率器件在零電壓或零電流f 開(kāi)關(guān)，大大減少了器件的丌關(guān) 損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，開(kāi)關(guān)頻率得到提高。 斟此電力電了技術(shù)發(fā)展方向?qū)⑹前l(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(diào)速的三種主流技術(shù)相互比較 1 3 1 三種主要的交流調(diào)速控制技術(shù)的歷程 從1 9 6 4 年德國(guó)的a s h o n u n g 把通訊系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，產(chǎn)生 了正弦脈寬調(diào)制( s p w m ) 變壓調(diào)頻的思想以來(lái)，因?yàn)樗朔纳屏讼嗫卦淼乃?有弊端，滿足了高于性能的交流調(diào)速系統(tǒng)的要求，曰前仍然是交流調(diào)速領(lǐng)域的一 個(gè)研究熱點(diǎn)l 引。 1 9 7 1 年，德國(guó)f ，b l a s c h k e 提出了異步電機(jī)的矢量變換控制技術(shù)使得交流電 機(jī)的調(diào)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(lì)磁兩方面的參數(shù)，通過(guò)分別控制力矩、勵(lì)磁分量，接近達(dá)到 直流電機(jī)的控制特性，目前此方而的技術(shù)已相列完善，許多產(chǎn)品上均采用該項(xiàng)技 術(shù)。 矢量變換控制技術(shù)從理論上講可以明顯改善交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制特性，但需 要進(jìn)行繁復(fù)的坐標(biāo)變換，計(jì)算較為復(fù)雜，而且對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性大，不能完全 實(shí)現(xiàn)參數(shù)的解禍。因此工程實(shí)現(xiàn)還是較為麻煩，達(dá)不到應(yīng)有的控制效果，因此人 們又在尋找一種有效的簡(jiǎn)單的控制技術(shù)。 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(zhuǎn)矩控制的基本思想，在8 0 年代， 瞬時(shí)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(xué)者 r 一 i t a k a h a s h il l b j 在理論和實(shí)驗(yàn)中取得了進(jìn)一步的研究，以及s i e m e n s 和a b b 公司 進(jìn)行了大量的工程化實(shí)踐。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不需要解耦電機(jī)的模型，直接對(duì)電 機(jī)的最終輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，抓住電機(jī)的根本特性，在許多方面克服了矢量變換 第一章交流調(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 控制的缺點(diǎn)。它的控制思路新穎、簡(jiǎn)潔明了，受到了人們的普遍關(guān)注，成為目前 的電機(jī)控制研究的潮流。 現(xiàn)今交流電機(jī)的控制研究主要是在基于宅間矢量的概念下的磁場(chǎng)定向控制 ( f o c ) 、直接轉(zhuǎn)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(kāi)的，它們 的共同點(diǎn)就是力求實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制特性接近或達(dá)到線性效糶。 1 3 2 三種交流調(diào)速技術(shù)的主要特征 磁場(chǎng)定向控制( f o c ) l 1 5j l l 引，即矢量變換控制技術(shù)，足交流調(diào)速技術(shù)史上 的一大突破，它通過(guò)坐標(biāo)變換和計(jì)算，將電機(jī)的電流解耦為轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁分量分別 進(jìn)行控制，從理論上講，實(shí)現(xiàn)了線性的控制特性，能夠明顯改善交流電機(jī)的輸出 特性l 1 8 j ，因?yàn)榘l(fā)展得較早，技術(shù)上較為成熟，目前許多交流駙動(dòng)產(chǎn)品上都采用 此技術(shù)e g j ，f o c 對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高，早期的f o g 實(shí) 現(xiàn)多數(shù)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)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?yàn)閐 s p 技術(shù)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(yīng)用比較多的方式是通常采用反饋量少、硬件簡(jiǎn)單的滑差矢量控制方法l 兒塒j 。 存在缺點(diǎn)是繁復(fù)的坐標(biāo)變換、復(fù)雜的計(jì)算、非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能， 不能實(shí)現(xiàn)完全的參數(shù)解耦，工程實(shí)現(xiàn)上達(dá)不到應(yīng)有的效果l i u j 。矢量變換控制中 一個(gè)重要的問(wèn)題是磁鏈的定位，不管是定子磁鏈定位還是轉(zhuǎn)子磁鏈定位，磁鏈觀 測(cè)結(jié)果將直接影響到控制量的解耦。為此，提出了智能觀測(cè)器、自適應(yīng)觀測(cè)器以 及混合型的磁鏈觀測(cè)器l l z 兒 j ，針對(duì)電機(jī)高速、低速時(shí)的1 ：同特性，使用不同 的模型( 電壓電流模型和電流轉(zhuǎn)速模型1 ) ，考慮到電機(jī)參數(shù)的時(shí)變性，將自適 應(yīng)理論應(yīng)用于電機(jī)控制，設(shè)計(jì)全階觀測(cè)器，主要用于觀測(cè)轉(zhuǎn)予磁鏈和轉(zhuǎn)速l l j 。 因?yàn)槎ㄗ与娏髟谵D(zhuǎn)子定向的坐標(biāo)系中分解的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的表達(dá)式簡(jiǎn)單， 物理意義與直流電機(jī)相仿，所以大多數(shù)的研究都是在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式下進(jìn)行的， 因?yàn)閒 o c 研究進(jìn)行得比較早，目前研究的重點(diǎn)和方向主要集中在磁鏈觀測(cè)器的設(shè) 計(jì)以及與智能控制的融合，工程應(yīng)用上的簡(jiǎn)化控制方法以及無(wú)速度傳感器方法的 研究是該方向的熱點(diǎn)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(jī)輸出特性， 直接控制輸出轉(zhuǎn)矩，控制思路新穎、簡(jiǎn)潔明了，克服了矢量變換控制的復(fù)雜運(yùn)算 缺點(diǎn)，是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)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(yùn)行軌跡控制為正六邊形，實(shí)現(xiàn)直接自控制( d i r e c ts e l fc o n t r 0 1 ) ， 響應(yīng)快，計(jì)算簡(jiǎn)單，但電流的畸變不訓(xùn)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(shù)的發(fā)展，磁鏈軌跡的控制針對(duì)高低轉(zhuǎn)速，可以 分別實(shí)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(zhuǎn) 矩控制技術(shù)的變頻產(chǎn)品出售。直接轉(zhuǎn)矩控制利用定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器， 通過(guò)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(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩的直 第一章交流調(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 接控制，凼為所有計(jì)算只是在定了的靜止兩相坐標(biāo)系中進(jìn)行，所以較矢量變換控 制簡(jiǎn)單，因?yàn)樗捎玫腷 a n g b a n g 控制，實(shí)際上是種最短時(shí)間的控制，所以它 的響應(yīng)快也是它的一個(gè)特點(diǎn)l b 兒j 。同樣跟矢量變換控制一樣，直接轉(zhuǎn)矩控制需 要解決的一個(gè)重要方面電是定予磁鏈的觀測(cè)，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(zhuǎn)矩觀測(cè)器的設(shè)計(jì)是d t c 研究的一個(gè)方向。因?yàn)殡?機(jī)的低速磁鏈模型受影響的因素比較多，所以d t c 下電機(jī)特性控制也是一個(gè)方向。 文獻(xiàn)l 甜j 著重分析了d t c 系統(tǒng)低速特性，認(rèn)為低速時(shí)定子電阻對(duì)磁鏈的估計(jì)影響 較明昆，低速時(shí)宜使用轉(zhuǎn)速電流模型估計(jì)轉(zhuǎn)了磁鏈，而后定位定子磁鏈。同時(shí)也 有研究l z z j 著重分析研究逆變器的死區(qū)效應(yīng)是影響d t c 調(diào)速系統(tǒng)低速轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)性 能差的重要因素，死區(qū)效應(yīng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)影響的原因是因?yàn)殡妷旱臋z測(cè)被另外種 方式替代，即通過(guò)直流母線電壓和瞬時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算得到。文獻(xiàn)l 叫j 分析了死 區(qū)電壓存在的必然以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響，尤其對(duì)系統(tǒng)在低速輕載的情況影i 響更 顯著。針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速的負(fù)載特性較差，文獻(xiàn)l i g j 應(yīng)用存線的模糊 觀測(cè)器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測(cè)定了電阻的變化，改善了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的 低速性能。在工程實(shí)現(xiàn)上，d t c 下的無(wú)速度傳感器方法的研究也成為了一個(gè)研究方 向。因?yàn)椴捎胾 i 模型的d t c 表現(xiàn)出對(duì)電機(jī)參數(shù)的不敏感性，所以在工程應(yīng)用上 人們?cè)噲D通過(guò)對(duì)u i 模型的定子電阻進(jìn)行的補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高d 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(gè)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(guān)于d t c 方式下的效率控制也在同步進(jìn)行l(wèi) l 兒m p w m 技術(shù)主要有電壓p w m 、電流p w m 、空問(wèn)矢量p w m 兒種，目前研究的熱點(diǎn)是 空間矢量p 1 v m ，它與前面兩種方法不同，它是在引進(jìn)了矢量控制的概念之后，考慮 到如何控制電機(jī)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(diǎn)為先保證磁通軌跡，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特別適 合計(jì)算機(jī)控制，開(kāi)關(guān)頻率低、效率高，今后是發(fā)展應(yīng)用主流之一。 基于空間矢量的概念，近年來(lái)又發(fā)展了s v p w m 技術(shù)，它不同于s p w m 控制思想， 它是在引進(jìn)了矢量控制的概念之后，考慮利用i 相橋臂開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特別適合數(shù) 字化實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率低、效率高。實(shí)際上，它只是變頻調(diào)速的一種底層實(shí)現(xiàn)方式， 但是電機(jī)的控制效果仍很大程度上取決于它的方式，所以人們?cè)谘芯克牟煌?式對(duì)電機(jī)輸出效果的影響是s v p w m 的研究重點(diǎn)l 引。文獻(xiàn)j 對(duì)常規(guī)的s p w m 和空問(wèn) 矢量p w m 進(jìn)行比較，認(rèn)為后一種技術(shù)在減少電機(jī)電流諧波損耗、提高母線電壓利 用率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為只有同時(shí)控制定子磁鏈的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)速度， 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)才可減少，擴(kuò)大系統(tǒng)調(diào)速范同，改善控制性能，而且其中磁鏈的瞬時(shí)速 度誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響比瞬時(shí)幅值誤差剝輸出轉(zhuǎn)矩的影響大得多。文獻(xiàn)l 4 j 闡述 了如何在開(kāi)環(huán)條件下利用空間p w m 技術(shù)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、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(dòng)，實(shí)現(xiàn)了平滑、穩(wěn) 定的轉(zhuǎn)矩特性。w a l c z y n a 等人融入了自適應(yīng)控制技術(shù)，硬件上實(shí)現(xiàn)了三電平p w m 4 第一章交流調(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 逆變器，使得定子磁鏈的瞬時(shí)速度誤差減少，電流畸變諧波減少，使用在大功率、 高頻場(chǎng)合，減少了電機(jī)參數(shù)的變化剝電機(jī)電流輸出的影響。文獻(xiàn) 8 針對(duì)s v p w m 方 式下的過(guò)調(diào)制以及電壓的利用率與常規(guī)的s p w m 進(jìn)行了比較。在丁程產(chǎn)品上，目前 國(guó)內(nèi)已有利用此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)完成的p e r | 15 0 g 3 4 a 1 5 0 k f f 大容量變頻調(diào)速裝置。 1 3 3 三種交流調(diào)速技術(shù)的關(guān)聯(lián) 上面三種控制技術(shù)從本質(zhì)一卜講是相互統(tǒng)一的。形式上看空問(wèn)矢量f l w m 技術(shù)與 真接轉(zhuǎn)矩控制都是在定子的兩相坐標(biāo)系q 1 進(jìn)行分析。s v p w m 最早是由德國(guó)r j q r 大 學(xué)的d e p e n b r o c k 教授在實(shí)現(xiàn)d t c 時(shí)引入的，實(shí)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(zhuǎn)矩比較環(huán)節(jié)產(chǎn)生，并沒(méi)有一個(gè)合成矢量的概念，但是 s v ! ，w m 著重強(qiáng)調(diào)8 個(gè)丌關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的7 神電壓矢量進(jìn)行的矢量合成，實(shí)際上它還是 屬于變頻調(diào)速的底層，它并沒(méi)有直接與轉(zhuǎn)矩輸出構(gòu)成聯(lián)系。從所處的地位來(lái)講， 它與s p w m 處于同一層次，屬于交流驅(qū)動(dòng)的底層，只是它易于數(shù)字化實(shí)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(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，提高控制特性怕j 。因?yàn)閒 o c 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出控制量的有效調(diào)節(jié)， d t c 可以簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，并且減少對(duì)參數(shù)的依賴性，交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最后的發(fā)展方 向是將這三種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，揚(yáng)氏避短，真j f 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的線性控制特性。( 這 也是本論文研究的內(nèi)容和目標(biāo)之。) 1 3 4 業(yè)內(nèi)當(dāng)前代表性的研究改進(jìn)方向 交流電機(jī)控制技術(shù)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(jī)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(chǔ)上，人們采取了許多改進(jìn)方法，提高控制效果，如采用加入前潰補(bǔ) 償法去除轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流之間電機(jī)內(nèi)部壓降造成的耦合l l b j ；采用自適應(yīng)理 論解決運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化帶來(lái)的影響；另外專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也被應(yīng)用于交流調(diào)速領(lǐng)域，目前多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)用的例子較少。 1 4 磁鏈觀測(cè)的發(fā)展 1 4 1 磁鏈觀測(cè)在交流調(diào)速研究中的重要意義 前面提到的控制方法的個(gè)重要的研究方向就是磁鏈的j l ! l l 測(cè)，磁鏈觀測(cè)在電 機(jī)的控制中非常重要，它是交流驅(qū)動(dòng)能否實(shí)現(xiàn)線性控制的關(guān)鍵。因?yàn)殡姍C(jī)的磁鏈 一般需要間接觀測(cè)，在通常采用的f o c 、d t c 和s v p w m 技術(shù)中，f o c 常應(yīng)用到轉(zhuǎn)子 磁鏈定向，d t c 和s v p 吼因?yàn)槎紤?yīng)用了靜止兩相坐標(biāo)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(shí)際上與磁鏈的觀測(cè)結(jié)果有明顯的依賴 性，f o c 很明顯它需要磁鏈的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行定向，而后對(duì)控制量進(jìn)行解耦，因此磁 鏈觀測(cè)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(jié)果有明顯的關(guān)系， 通常在f o c 中采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)，因?yàn)樗軌蛴行У貙⒔涣鞣至哭D(zhuǎn)換為類似 第一章交流調(diào)速技術(shù)的歷程、研究現(xiàn)狀與趨向 直流電機(jī)控制中的勵(lì)磁利轉(zhuǎn)矩分量。在d t c 和s v p w m 中因?yàn)槎即嬖谝粋€(gè)選擇電壓 矢量的問(wèn)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(cè)在這兩種 控制方式中同樣很重要。 1 4 2 磁鏈觀測(cè)的主要研究類型 磁鏈的觀測(cè)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(jī)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(biāo)系中與磁鏈進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，然后在此基礎(chǔ)上 進(jìn)行控制特性的分析，因此所謂d t c 對(duì)電機(jī)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(duì)此許多研究已經(jīng)表明了這一點(diǎn) 1 6 7 1 6 17 | 。磁鏈觀測(cè)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(jī)的參數(shù)比較多，對(duì)其觀測(cè)結(jié)果有明顯影響的是轉(zhuǎn)子的參數(shù)， 而轉(zhuǎn)予的參數(shù)比較難確定，尤其是感應(yīng)電機(jī)。 也正是磁鏈低速觀測(cè)不確定性的原因，所以電機(jī)在低速時(shí)控制的特性比較差， 因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)涉及的參數(shù)相對(duì)多，而且由于電機(jī)的參數(shù)會(huì)出現(xiàn)變化，而且易引進(jìn) 死區(qū)效應(yīng)，當(dāng)電機(jī)承受的負(fù)載比較大時(shí)，很容易出現(xiàn)因?yàn)殡姍C(jī)的磁鏈觀測(cè)不準(zhǔn)確 而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)振蕩，這也是電機(jī)控制領(lǐng)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(rèn)為低速時(shí)定子電阻對(duì)磁鏈的觀測(cè)影 響較明顯1 2 ：3 j ，需要定時(shí)更新轉(zhuǎn)子定子電阻，定子磁鏈可以精確控制，文獻(xiàn)l 州j 應(yīng)用在線的模糊觀測(cè)器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測(cè)定子電阻的變化，提高了 磁鏈觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，改善了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的低速性能，文獻(xiàn)l 豹j 針對(duì)低速時(shí) 定予線圈電阻隨溫度的變化量造成控制特性變差提出應(yīng)用p i 訓(xùn)節(jié)和模糊控制的策 略根據(jù)定子電流的變化估計(jì)電阻的變化，從而提高控制特性。 1 4 3 磁鏈觀測(cè)方面進(jìn)行的代表性研究工作 目前磁鏈觀測(cè)方面進(jìn)行的代表性研究工作有： 將現(xiàn)有的兩種模型進(jìn)行混合使用，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使磁鏈的模型對(duì)應(yīng)的側(cè)重 點(diǎn)在低速時(shí)為i n 模型，高速時(shí)為u i 模型，這樣可以充分利用兩種模型的優(yōu)點(diǎn)， 通常采用的是滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，即并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由j 二這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中存在響應(yīng)速度 慢，容易存在靜態(tài)偏差，因此改換它的并聯(lián)結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(yīng)方法，構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)予磁鏈觀測(cè)器，能夠有效 提高觀測(cè)的準(zhǔn)確性，并且能夠提高系統(tǒng)的魯棒性，這是在磁鏈觀測(cè)中通常采用的 另一種方法，但是因?yàn)榭刂平Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正， 這種方式可以有效簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算量，適合用于工程實(shí)踐； 仍采用i n 模型，只是另步l - np i 調(diào)節(jié)器，利用模型輸出的電流與實(shí)際輸出電 流的差值調(diào)節(jié)磁鏈的觀測(cè)結(jié)果； 第一章交流調(diào)速技術(shù)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(cè)與轉(zhuǎn)速的控制解耦，減少觀測(cè)的復(fù)雜 性，但是同時(shí)還需要加凋節(jié)器進(jìn)行修正； 利用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，減少控制方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響，但是使控制結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，不容易工程化。 1 5 變頻器件的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化、實(shí)用 化，能夠?qū)?fù)雜的控制方法編制軟件實(shí)時(shí)摔制電機(jī)系統(tǒng)，快速響應(yīng)控制指令，及 時(shí)處理各種狀態(tài)信號(hào)，目前流行采用單片機(jī)來(lái)構(gòu)成全數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)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(fù)雜，一般的單片機(jī)無(wú)法承受，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)控制的要求?？焖偬幚硇?片的出現(xiàn)，( 如變頻調(diào)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(shí)用控 制系統(tǒng)中采用復(fù)雜的控制算法來(lái)達(dá)到較好的控制效果。并且許多實(shí)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(shí)現(xiàn)p w m 技術(shù)是今后的發(fā)展趨勢(shì)利研 究方向。 第二章直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)韻研究解析和數(shù)字實(shí)現(xiàn) 第二章直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論解析和數(shù)學(xué)建模 序言 本章首先對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)理論進(jìn)行研究剖析，給出一套對(duì)理論的個(gè)人解 讀。從而在理論解讀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，提出了一套數(shù)字化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。 本章同時(shí)對(duì)“電壓空問(wèn)矢量p w m 技術(shù)”也進(jìn)行解讀和建模研究，是因?yàn)椤半?壓空間矢量”在“直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)”和“電壓空間矢量p w m 技術(shù)”中都占有很重分 量。也因而“直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)”和“電壓空間矢量p w m 技術(shù)”在控制機(jī)理和實(shí) 現(xiàn)方式上非常相近，關(guān)聯(lián)緊密。但兩技術(shù)具有本質(zhì)區(qū)別，j 捆此本章通過(guò)對(duì)比的研 究方式，得出本論文選擇直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作研究對(duì)象的優(yōu)劣理由； 以數(shù)字化應(yīng)用該理啥技術(shù)并稍作優(yōu)化為首要原則，圍繞數(shù)學(xué)建模的出發(fā)點(diǎn)， 一些理論會(huì)解讀得比較淺顯。 2 ，1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的根源、常規(guī)方案、現(xiàn)狀和方向 2 1 1 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論根源 直接轉(zhuǎn)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(dāng)時(shí)由于對(duì)定予磁通的檢測(cè)沒(méi)有好的方法， 所以實(shí)現(xiàn)較為困難。1 9 8 3 年y m u r a i 等人將瞬時(shí)的空間矢量理論應(yīng)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(wèn)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(zhuǎn)差角速度，就 能改變電機(jī)系統(tǒng)中的其它電參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)輸出特性可控，這就是轉(zhuǎn)( 力) 矩自 控制的理論基礎(chǔ)。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(diǎn)提出了直接轉(zhuǎn) ( 力) 矩控制的理論，在維持定子磁通幅值不變的情況下，通過(guò)插入零矢量使得 磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度變化，改變定轉(zhuǎn)予之問(wèn)的轉(zhuǎn)差角速度，達(dá)到控制瞬時(shí)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(jī)獨(dú)立開(kāi)來(lái)， 通過(guò)連續(xù)的方法刑電機(jī)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，因?yàn)槟孀兤魇请x散的，兩者統(tǒng)一聯(lián)系起 來(lái)比較困難，而直接力矩控制對(duì)電機(jī)與逆變器合二為一進(jìn)行控制，用空間矢量理 論統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行離散控制，方法更簡(jiǎn)單。矢量控制更多程度上依賴于電機(jī)的模型 參數(shù)，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)的變化對(duì)控制效果影響極大，而直接力矩控制主要針 對(duì)電機(jī)的最后輸出特性進(jìn)行控制，依賴電機(jī)模型參數(shù)的程度小，受電機(jī)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(dòng)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。 2 1 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的各種方案 1 直接轉(zhuǎn)矩控制被提出以來(lái)，各國(guó)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(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的“磁通觀測(cè)模型”、“磁 第二章直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究解析和數(shù)字實(shí)王見(jiàn) 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(cè)模型上的各種方案： 異步電機(jī)采用三種磁通觀測(cè)模型：u i 模型、i n 模型、u n 模型的不同 組合來(lái)獲得定子的磁通。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，考慮到在中高速時(shí)【卜一i 模型能夠 獲得較為精確的磁通值，而在低速時(shí)則采用i n 模型計(jì)算磁通大小，克服ui 模型低速時(shí)的不少缺點(diǎn)，此種方法的難點(diǎn)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(diǎn)，因此還需肘定子電阻進(jìn)行辨識(shí)及誤差補(bǔ)償： 采用u - n 模型，算法比較復(fù)雜，在世界上目前只有德國(guó)用的比較多。l ，j 2 1 2 2 磁通的控制方式方面： 1 開(kāi)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(shè)計(jì)好六個(gè)空 間非零矢量、零矢量的順序和作用時(shí)間長(zhǎng)度的表格，運(yùn)行過(guò)程中直接查詢表格， 這種控制方式簡(jiǎn)單，但是沒(méi)有形成反饋控制，沒(méi)有考慮定子參數(shù)的變化對(duì)實(shí)際磁 通的影響，因此低速時(shí)輸出特性比較差，出現(xiàn)較大的力矩脈動(dòng)。 2 閉環(huán)控制：l j 對(duì)實(shí)際磁通進(jìn)行反饋控制，控制輸出效果取決于通觀測(cè)的 結(jié)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(shí)在硬件上 增加了電壓傳感器、電流傳感器，增加計(jì)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(guò)當(dāng)前的電 壓矢量計(jì)算得到，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，但是此種方式在低速運(yùn)行情況下受開(kāi)關(guān)元件 的死區(qū)時(shí)間影響較大。目前較多采用此種方案，再加上一些補(bǔ)償算法，就可達(dá)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(guò)采i e j 正多邊形來(lái)替代圓形軌跡，此 種方式多在空問(wèn)矢量p w m 控制中采用，結(jié)構(gòu)方法要相對(duì)簡(jiǎn)單一些，開(kāi)關(guān)頻率低； 另一種是實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)要好一些，但是控制方案要復(fù)雜些，開(kāi)關(guān)頻率高。 2 1 2 4p w m 開(kāi)關(guān)方式 直接轉(zhuǎn)矩控制的中心是磁通自控制利轉(zhuǎn)矩自控制，它的開(kāi)關(guān)方式本質(zhì)上屬于 磁通s p w m ，只是在此基礎(chǔ)卜增加了轉(zhuǎn)( 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(cè)值與指令值、誤差范圍進(jìn)行 比較，同時(shí)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(diào)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(dá)到良好控制性能，此種方法要求控制周期小，對(duì)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(cè)結(jié)果直接 決定開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使得系統(tǒng)變得更簡(jiǎn)單，減少了計(jì)算量，可以降低控制周期，但是 第二章直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究解析和數(shù)宇實(shí)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(shí)，難以達(dá)到良好 的控制性能。 3 預(yù)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(wú)差拍控制 的基礎(chǔ)上由當(dāng)前的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度汁算出下一個(gè)時(shí)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(guān)周期恒定，實(shí)驗(yàn)證 明在控制周期取為2 5 0 u s 時(shí)，仍u(píng) 得到較好的控制性能。缺點(diǎn)在于計(jì)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(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用上的研究現(xiàn)狀與方向 直接轉(zhuǎn)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(guó)、日本、 美國(guó)竟相開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)，使得有了長(zhǎng)足進(jìn)步。 德國(guó)作為直接轉(zhuǎn)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(jìn)行應(yīng)用研究，己成功將直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)片j 于大功率電力機(jī)車和提7 1 。機(jī)的控 制上，功率開(kāi)關(guān)器件采用g t o 、g 1 1 r ，正在嘗試使用i g b t ，使開(kāi)關(guān)頻率達(dá)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(cè)重于中小功 率的應(yīng)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(jī)構(gòu)成 的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)獲得了創(chuàng)世界記錄的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)頻率達(dá) 到了2 k h z 以上，空載轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)達(dá)到5 0 0 一+ 5 0 0 r p m 4 m s ，在超低速領(lǐng)域 可以做到1 轉(zhuǎn)小時(shí)。l ，j 在美國(guó)，進(jìn)行直接轉(zhuǎn)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(xiàng) 技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車中，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)有效控制轉(zhuǎn)矩的大小。1 9 8 9 年，他們 將直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時(shí)采用一直流側(cè)電流傳感器估算三相電流，開(kāi)關(guān)頻率可到2 7 k h zl l 。j 。 1 9 9 2 年提出無(wú)差拍控制思想，指出為了加快轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)，直接選取使得轉(zhuǎn)矩變化 最快的電壓矢量l 1 bj 。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)時(shí)磁通值出現(xiàn)小的偏差，而轉(zhuǎn) 矩響應(yīng)加快了。 直接轉(zhuǎn)矩控制的提出與研究時(shí)間不長(zhǎng)，理論與實(shí)踐上存在不成熟之處，如低 速性能等，目前實(shí)現(xiàn)方式多采用數(shù)字化，由于計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性要求高，多采用 快速處理芯片d s p 來(lái)實(shí)現(xiàn)較短的控制周期，如何改進(jìn)控制性能，使其簡(jiǎn)單可靠、 成本低，加速直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器商品化是今后的一個(gè)研究方向。 2 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理解析 第二章直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究解析和數(shù)字實(shí)現(xiàn) 2 2 1 異步感應(yīng)電機(jī)和定子磁鏈的數(shù)學(xué)模型 2 ，2 。l 。1 異步