（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车异步电机直接转矩控制的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a s y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho r lt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 s y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r f o re l e c t r i cv e h i c l ei si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h eb a s i cm a t h e m a t i c a lf o r m u l ao fd t ci sd e d u c e db a s e do n s p a c e v e c t o r o n t h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ，a l lo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em e t h o di sf e a s i b l e i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fe n v i r o n m e n tp r o b l e ma n de n e r g yc r i s i s ，l o w p o l l u t i o n a n dh i g he f f i c i e n c yv e h i c l e sh a v ep u tm o r ea n dm o r ee y e so i l e l e c t r i cv e h i c l e sa r e p r o p e l l e db y e l e c t r i cm o t o r sw i t h a d v a n t a g e s o fn o e m i s s i o n 1 0 wn o i s ea n dg o o de m c i e n c y , w h i c hh a v eb e e nf o c u s e do na n d s t e p p e di n t om a r k e , t s ，ah i g he f f i c i e n c ya n df a s tr e s p o n s ee l e c t r i cd r i v es y s t e m i sd e m a n d e df o r e v , a n dt h e d t ca p p e a r sa g o o d f u t u r ew i t h r a p i d d e v e l o p m e n t o fc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ec o n s t r u c ta n dt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l l eo f 仃a d i t i o n a ld t ca n dp r e s e n t sas i m u l a t i o l lm e t h o df o ra s y n c h r o n o u sm o t o r c o n t r o l s y s t e mb a s e do nm ，钢a b s i m u l n 岖i t s s i m u l a t i o np r o g r a mi s s i m p l e ，v i s u a la n da c c u r a t e u s i n g t h i sp r o g r a m ，t h ep e r f o r m a n c ee f f e c to ft h e d i r e c tt b r q u ec o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e di nd e t a i l d t ch a ss o m ed r a w b a c k s ， e g t h el a r g et o r q u et i p p l ea n df l u xa b e r r a t i o n sa r eg e n e r a t e d ，i np a r t i c u l a r ，i n al o w s p e e dr a n g e b e c a u s eo ft h es t a t o rr e s i s t a n c e v o l t a g ed r o p o fa n a s y n c h r o n o u s m o t o r am e t h o d n a m e db a n dw i d t ho p t i m i z a t i o n , i si n 2 0 d u c e dt oi m p r o v et h e m a g n e t i cf l u xc i r c l ew h e n t h em o t o rr u n sa tl o ws p e e d 。a t 也es a m et i m e ，t h e m e t h o dc a ni m p r o v et h es t a r c h a r a c t e r i s t i co fd t cc o n t r 0 1 t h em e t h o di s s i m p l et ob ei m p l e m e n t e da n d r o b u s tt ot h ev a r i a t i o no ft h em o t o rp a r a m e t e r t od e m o n s t r a t et h e v a l i d i t y o ft h e m e t h o d ，s o m ee x p e r i m e n t s w i t h s i m l i ，1 n ko f ”汀l a ba r eg i v e n ，a n dc o m p l e xc o n t r o lm e t h o d s a r er e a l i z e d b yu s e r - d e f i n e ds f u n c t i o n t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n sr e v e a l t h a tt h ei n t r o d u c e dm e t h o di sf e a s i b l ea n dm o r es u i t a b l ef o re vd r i v es y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， s i m u l a t i o n ， b a n dw i d t ho p t i m i z a t i o n ，m a l l ，a b 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 电动汽车概述 第1 章绪论 电动汽车是指从车载电源上获得电力，以电机驱动，但同时又满足道路交 通安全法规对汽车的各项要求，著获许在正规道路上行驶的车辆川。 电动汽车并不是新鲜事物，事实上早在1 8 7 3 年，英国人r o b e r td a v i d s o n 首次在马车的基础上制造出一辆电动三轮车，它由铁锌电池( 一次电池) 提供 电力，由电机驱动，它比内燃机为动力的汽车的发明还要早1 3 年。1 8 9 9 年法 国人l aj a m a i sc o n t e c t e 创造的电动汽车时速为1 0 6 k m ，打破了当时的世界汽 车最高车速的记录。1 9 0 0 年美国汽车的产量为4 1 9 5 辆，其中电动汽车为1 5 7 5 辆，蒸汽汽车为1 6 8 4 辆，燃油汽车为9 3 6 辆，电动汽车占汽车产量的3 7 5 ， 列于第一位。从咀上历史可以看出，电动汽车在1 9 世纪末到2 0 世纪初曾有过 一段辉煌的历史。 进入2 0 世纪，由于大量发现油田，石油开采提炼和内燃机技术迅速进步， 电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞 争而逐步被燃油汽车所取代。 本世纪6 0 年代以后，由于汽车的普及( 1 9 9 6 年底全球汽车保有量己达6 4 亿辆) ，燃油汽车年消耗燃油约7 亿吨，排放的有害物质在2 亿吨以上，占空 气污染总量的6 1 ，直接威胁着人类的健康和赖以生存的环境。7 0 年代三次 石油危机又唤起人类对有限石油资源的关注，因此无污染、噪声低的电动汽车 又重新受到重视。7 0 和8 0 年代世界各主要工业发达国家的政府和主要汽车制 造厂商以及电力、环保、交通、机电等部门都投入巨大的人力、物力来研究、 试验、试用电动汽车，9 0 年代更成为“热点”。现代电动汽车决不是百年前陈 旧技术的重复，它是汽车、电力拖动、电子、智能控制、化学能源、计算机、 新能源、新材料工程技术最新成果的集成产物。 面对各发达国家大力开发电动汽车的情况，8 0 年代我国有关方面已提出和 着手发展电动汽车。1 9 8 7 年1 2 月，中国电工技术学会电动车辆研究会成立， 重点抓蓄电池、电机和电控系统的研究与开发。近几年，电动汽车的研究开发 工作已进入了有组织、有领导的全面发展阶段，现在更是将电动汽车发展列为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 国家“十五”期间科技部“8 6 3 计划”重点科研项目。 电动汽车与燃油汽车在外形上并没有什么区别，它们之间的主要区别见表 1 1 。 表l l电动汽车与燃油汽车的差别 名称燃油汽车电动汽车 能源系汽油( 柴油)蓄电池( 燃料电池) 动力系发动机( 内燃机)电动机 速度控制系变速器、离合器调速控制器 由此可见，驱动电机及其控制系统的性能直接影响电动汽车的性能指标， 是电动汽车动力系统中的核心技术。目前适用于电动汽车的驱动电机有传统的 直流电机、交流异步电机、新发展的永磁无刷电机以及开关磁阻电机等。各种 电机性能比较如下。 表1 2 各种电机性能比较 电机直流电机交流异步电机永磁同步电机 性能 寿命( h ) 2 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 功率密度低 由 高 最高转速( r r a i n ) 6 0 0 02 0 0 0 01 0 0 0 0 过载能力2 倍3 5 倍3 倍 电机效率 7 5 - 8 5 8 5 j 9 0 9 2 9 7 坚固性一般很好好 由上表可看出，在目前和今后较长的一段时期内，交流异步电机驱动系统 的性能价格比最高，最值得在电动汽车上推广使用，因此本论文选用异步电机 作为电动汽车的驱动电机。 1 2 异步电机控制发展概述 从外形上，电动汽车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在动力 和驱动系统。电动汽车的结构是使用电动机驱动，行驶时，由蓄电池输出电能， 通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经由传动系统带动车辆行驶。 不同用途的电动汽车对驱动系统的要求各不相同，但是各种类型驱动系统都是 一种转矩控制系统，即车辆在行驶过程中，驾驶员是通过控制电动机的转矩来 实现汽车的起步、加速、减速等一系列的操作，所以快速、准确、可靠的控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 驱动电机的转矩，在电动汽车研制中是至关重要的。 高性能的电动汽车都普遍采用异步电机作为牵引电机，其控制系统对动态 性能和静态性能的要求越来越高。目前对异步电机的调速控制主要有以下几种 方法：恒压频比开环控制( w v f ) 、转差控制、矢量控制( v c ) 以及直接转 矩控制( d t c ) 等等。 恒压频比开环控制实际上只控制了电机磁通而没有控制电机的转矩，采用 这样的控制系统对异步电机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能 要求一般的通用变频器上。 转差控制是根据异步电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机的 转矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电机 的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在异步电机 的稳态数学模型基础上的，它适合于电机转速变化缓慢或者对动态性能要求不 高的场合。 七十年代中期，德国学者fl a s h k e 提出了“异步电机磁场定向的控制原理”， 即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分 析的方法来分析异步电机内部的电磁过程，是建立在异步电机的动态数学模型 基础上的控制方法，从理论上解决了异步电机调速系统动态性能的控制问题。 它完全模仿对直流电机的控制技术，用矢量变换的方法，将异步电机的定子电 流解耦成互相独立的产生激磁的分量和产生转矩的分量，分别控制这两个分量 就可以实现对异步电机的转矩控制和磁链控制的完全解耦，从而达到理想的动 态性能，使交流传动的动、静态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪 元。但矢量控制本身也存在一定的缺陷： 1 转子磁链的准确观测存在一定的难度，转子磁链的计算对电机的参数有 较强的依赖性，因此对参数变化较为敏感，为了克服这一问题，出现了多种参 数辨识方法，但这些方法进一步增加了系统的复杂性； 2 由于需要进行解耦运算，采用了矢量旋转变换，系统实现比较复杂。 1 9 8 5 年德国学者m d e p e n p r o c k 教授首次提出了磁链采用六边形控制方 案的直接转矩控制理论，随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的方案，在 他所提出的方案中，采用了圆形磁链的控制方案。直接转矩控制不需要复杂的 坐标变换，直接在定子坐标系下计算定子磁链，通过定子磁链和定子电流计算 转矩，通过给定转矩和实际转矩相比较实现转矩的直接控制，同时也完成了对 磁链的控制。由于在计算定子磁链中，只涉及到定子电阻，系统对参数的敏感 性大大降低。因此直接转矩控制从诞生，就以其新颖的控制思想，简洁明了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的系统结构，优良的动静态特性受到普遍的关注并得到迅速的发展。 近几年，电机传动的控制方案走入多极化，智能控制开始进入电机控制领 域，专家系统、自适应控制、模糊控制、神经网络控制开始应用于电机的控制 中。 1 2 1 异步电机的矢量控制发展状况 异步电机矢量控制被提出以来，人们已经提出了以直接矢量控制、间接矢 量控制为基本方法的各种实现方案，这些方法各有优缺点： 1 转子磁场定向矢量控制 将参考坐标系放在同步旋转的转子磁通上。这种方法的优点是转子方程大 大简化，通过控制定子磁场电流和转矩电流，可以分别控制转子磁场和电磁转 矩，实现了磁链和转矩的完全解耦。其晟主要的问题在于转子磁链的检测精度 受转子回路时间常数的影响，由于转子时间常数受电机温升和转差频率的变化 影响较大，为了实现高精度的控制，一般需要采用自适应的控制方法，如模型 参考自适应方法、滑模变结构方法自动适应参数的变化，但这样又增加了系统 的复杂性。 2 转差频率矢量控制 转差频率矢量控制是将矢量控制应用于稳态推出的转差频率控制的一种 较为简单的控制方法。其最基本出发点是转矩主要取决于转差频率。在运行状 态突变的动态过程中，由于电机中出现了暂态电流，阻碍了运行状态的突变， 减慢了电机的动态响应。如果在控制中，保持电机的定子磁场、转子磁场、气 隙磁场中的任意一个恒定，那么电机的暂态电流基本不会出现，电机的转矩就 和稳态时一样，主要由转差率决定。按照这一思路，在转予磁场定向的基础上， 考虑转子磁通的稳态方程，通过控制定予电流就实现了转差矢量控制。这种控 制方法比较简单，不需要复杂的磁通检测和坐标变化，可以获得和直流双闭环 同样的控制效果，因此得到了较为广泛的应用，但它的性能同样也受到转子参 数变化的影响。 3 标量解耦控制 针对上述控制系统的缺陷，b k b o s e 提出了一种标量解耦控制方法，不 但不用需要检测转子磁链和进行坐标变换，而且转子参数对它性能的影响也减 少到最低的程度。其基本思想是：异步电机的磁链主要取决于v ，f ，而电机的 转矩在磁通恒定的情况下主要取决于转差。由于电压和转矩、转差和磁通之间 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 存在一定的联系，它们之间的联系可以从电机方程中推导出来，将它们的关系 用传递函数表示出来，则可以得到异步电机的框图，如图1 1 的实线部分所示。 图1 1异步电动机标量解耦控制调速系统框图 在这里g ，岱分别代表了各量之间的传递函数。在控制过程中通常希望 转子磁通保持恒定，通过快速控制转子电流来控制电机的瞬时转矩，以保证系 统具有良好的动态特性。为此应该消除转差频率和转子电流对磁链的影响。为 门 实现解耦，可以在电机外部n - - 解耦回路，g = 一寻，如图虚线所示，使转速 “l 输入信号通过这个标量解耦环节，经由磁链控制通道对转子磁链的影响正好和 电机内部的耦合作用相抵消，达到解耦的目的。 标量解耦方法简单，但该控制方案基于转子磁场保持恒定的假设，使得其 动态性能有所降低。 1 2 2 异步电机的直接转矩控制发展状况 直接转矩控制自出现以来，得到了迅速的发展，直接转矩控制摒弃了矢量 控制的解耦思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测到的定子电压和定子 电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，和给定值相比较实现磁 链和转矩的直接控制。 同矢量控制相比，直接转矩控制具有以下几个特点1 ： 1 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电 机的磁链和转矩，信号处理简单。它不需要将交流电机和直流电机做比较、等 效和转化；既不需要模拟直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动 机的数学模型。它省略掉了矢量控制的复杂的矢量旋转变换以及计算，信号处 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 理工作得到极大的简化，所用的控制信号使观察者对于交流电机的物理过程能 够做出直接和明确的判断。 2 直接转矩控制的磁通估算中所用的是定子磁链，其涉及到的电机参数只 有定子电阻，而矢量控制磁场定向用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道转 子电阻和电感，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术易受参数变化影响 的问题。 3 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点 式调节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环比较，使转矩波动限制在一定的 容差范围内。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而 是取决于转矩的实际状况。对转矩的这种控制也称为“直接自控制”。这种“直 接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链的控制，但需以转矩为中心 进行综合控制。 在直接转矩控制中，由于磁链控制以及磁链、转矩的调整策略不同，目前 有多种控制方案出现。 1 磁链轨迹 磁链控制目前有开环和闭环两种，开环控制根据待跟踪的磁链轨迹，预先 设计好电压空间矢量的作用顺序及持续时间，制成表格储存，在程序运行时直 接查表获得。这种方法简化了直接转矩控制的控制算法，便于实现微机控制， 但对于参数的变化敏感，目前一般采用磁链的闭环控制。闭环控制引入了磁链 反馈环节，根据磁链估算值和给定值的误差决定下一个电压矢量，其控制性能 在很大程度上取决于磁链观测的准确性。闭环控制虽然保证了磁链的控制效 果，但计算量上也增大了，从而增加了实时控制的难度。 磁链的轨迹目前有两种方案，即德国教授d e p e n b r o c k 的六边形方案和日 本的圆形方案，d e p e n b r o c k 提出直接转矩控制是从大功率牵引出发的，因其开 关频率受器件水平的限制，不可能很高，所以磁链选择六边形。感应电机由三 相对称正弦波供电时，气隙磁链为圆形，此时电机损耗、转矩脉动以及噪声最 小，在中小功率中倾向于采用圆形磁链，而在大功率场合，目前也趋向于采用 增加六边形的边数，如1 8 边形，2 4 边形。 2 磁链模型 目前一般有三种磁链模型，“一i 模型，i - n 模型，u - l q 模型。 ”i 模型最为简单和常用，在高速区，由于定子电阻的影响较小，所以精 度较高。在低速区受到定子电殂以及定子电流的测量误差影响，导致误差增大。 i - n 模型主要是为了解决低速区* f 模型不适用的的问题，用到了转子电阻、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 转子漏感、定子电感以及转子速度，这一模型在低速区比较适用，但由于用到 的参数较多，因此误差也较大。 “ 模型结合了* f 模型和i - n 模型的优点，在低速区采用了j 一”模型，而 在高速区则过渡到“一f 模型，但这种模型实现较为复杂，且存在平稳过渡的问 题。 如果采用合适的方法对定子电阻进行辨识或者对磁链偏差进行补偿，那么 可以将“i 模型引用到低速区，这种“i 磁链模型由于简单易于实现，因此采用 带有补偿的“一f 模型也是较有前途的磁链控制方案，目前研究也较多。 在文献 3 5 中，作者提出了一种全新的思路来计算磁链，即通过计算三次 谐波磁场的方法确定出气隙磁场，从而实现转矩、磁链的控制。其最主要的优 点是计算过程与电机的任何参数无关，这样就保证了磁链计算的准确性。 感应电动机在三相正弦交流电供电时产生的三次谐波磁场在定子绕组上 感应出三次谐波电压，三次谐波磁场可通过三次谐波电压积分得出，这一磁场 的幅值和基波磁场有固定的关系。从三次谐波电压可以计算得到三次谐波磁 场的幅值，通过三次谐波磁场的幅值可以计算得到基波磁场的幅值1 3 s ”】，而基 波磁场的相位可以通过三次谐波磁场的相位和气隙磁场的角频率获得。采用这 种方法估计的磁链，在稳态时可以获得相当高的精度，但在动态时，由于磁链 角计算存在一定的误差因而降低了系统的动态响应特性。这种方法的另一个好 处是低速时仍可获得较高的精度。 3 转矩、磁链控制策略 直接转矩控制的中心是“磁链自控制”和“转矩自控制”，因此它的p w m 开关模式本质上仍然属于磁链s p w m ，只不过在此基础上增加了转矩环节。具 体的控制策略现在比较流行的有三种：滞环b a n d b a n d 控制、直接b a n d b a n d 控制以及预前控制。 ( 1 ) 滞环b a n d b a n d 控制 d e p e n b r o c k 和t a k a h a s h i 提出六边形和圆形方案时都采用这种方式，即将 转矩计算值和磁链幅值( 六边形方案为磁链矢量的三个分量) 分别与给定值比 较，根据误差和磁链相位角( 六边形方案无此项) 直接得到开关状态，一旦误差 超过设定的滞环宽度，逆变器开关状态就发生变化，以实现对转矩和磁链的及 时调节。 滞环b a n d b a n d 控制的优点在于能够真正将转矩和磁链幅值限定在给定值 附近较小的范围内，这一点在当初采用模拟方式实现时不会遇到问题，但数字 化时则对采样频率提出了极高要求而存在困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 直接b a n d b a n d 控制 这种方案是针对数字化控制提出来的，它取消了滞环，直接根据转矩和磁 链误差的符号决定逆变器的开关状态，使系统变得更为简单。 直接b a n d b a n d 控制使系统控制更为简单，转矩响应更迅速，但这种控制 方式增高了开关频率。 ( 3 ) 预前控带u i , 2 1 预前控制法由t g h a b e t l e r 等人在1 9 9 2 年提出，它的思路基于转矩和磁通 的无差拍控制，由当前状态下电机的反电势和同步转速预测转矩、磁链误差的 大小，阻误差趋于零为条件在固定周期下计算出下一个周期所需的电压矢量 值，然后在逆变器可阻输出的八个电压矢量中选择相邻的两个非零矢量和一个 零矢量去逼近它。 这种方案不仅具有恒定的开关周期，同时还实现了磁链和转矩的无超调控 制。它的缺点在于必须解一个元二次方程，算法较为复杂。 1 3 课题来源和研究内容 课题来源于湖南株洲电力机车研究所电动汽车项目部的“电动汽车电机及 其控制器的研制”，通过仿真手段研究将直接转矩控制技术应用于电动汽车的 电机控制器中。 电动汽车电机控制系统的方案决定了电动汽车的性能，由于电动汽车电源 功率有限，因此要求有一个高效的驱动系统，这个驱动系统必须满足反应快速、 结构简单等要求，因此采用何种控制技术是十分重要的。目前国际上先进电动 汽车驱动系统多数是采用对交流电机定子电流解耦的转差矢量控制方式e 5 2 , ”) ， 这种控制方式对电机各种参数依赖性很强，需要进行复杂的坐标变换，故实现 起来很困难。直接转矩控制由于直接在电机定子坐标下进行磁链和转矩的计 算，省去了坐标旋转变换的麻烦，而且对电机参数变化不敏感，是较为理想的 电动汽车驱动控制系统。因此本文选择了直接转矩控制技术作为研究方向，对 于传统的直接转矩控制在理论分析的基础上进行了仿真研究，并且针对低速下 电机出现的磁链畸变、转矩脉动现象介绍了改进的控制方法，同时也进行了仿 真研究，并分析了仿真结果。 电气传动控制系统的计算机仿真是应用现代科学技术对其进行科学研究 的手段之一。进入8 0 年代以来，计算机仿真技术得到广泛的应用。通过仿真 可以对照比较各种策略与方案，优化并确定参数，特别是对于新的控制策略和 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 算法的研究，进行系统的仿真更是必不可少的。一般而言，对于控制系统进行 仿真首先是建立系统模型，然后根据模型编制仿真程序，充分利用计算机作为 工具，对其进行数值求解并将结果加以显示。近年来，国外在控制领域推出一 些功能强大的仿真软件，如m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具箱等。这些软件 的出现为系统仿真提供了强有了的支持，极大的推动了仿真工作的发展。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的一种面向工程和科学运算的交互式计 算软件，国际上流行的一种演算纸式的编程语言，它具有强大的矩阵分析与运 算功能，并且是一个开放的环境p o 。其中s i m u l i n k 就是为m a t l a b 开发的 一种优秀的控制系统仿真工具软件1 2 9 】，其主要功能是预先对动态系统进行仿真 和分析，从而在形成实际系统之前，能进行实时的修正，以减少系统反复修改 的时间，实现高效开发系统的目的。s i m u l i n k 可以仿真线性或非线性系统， 并能够建构连续时间或离散时间或是二者混合的系统，甚至支持多采样频率 ( m u l t i r a t e ) 系统，也就是不同的系统以不同的采样频率进行组合，可以仿真 较大较复杂的系统。s i m u l 阱k 提供了丰富的模型库供构建完整的系统使用。 它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程和高度可视化等优点，可大 大提高系统仿真的可靠性。本论文选用m a t l a b 仿真语言和s i m u l i n k 仿 真工具箱对直接转矩控制系统进行仿真。 本论文所研究的整个系统的框图如图1 2 所示，主要做了如下工作： 首先，在本论文的第二章分析了异步电动机的数学模型及在此基础上的直 接转矩控制的基本原理，着重分析了传统的d t c 方法。 在论文的第三章对传统的直接转矩控制方法进行了仿真研究，介绍了各个 部分仿真模块的构成，对传统的直接转矩控制在低速区的运行状态和转速突变 时的动态响应进行了仿真，并分析了仿真结果。 图1 - 2 本文研究的整个系统框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 论文的第四章主要对于直接转矩控制低速控制特性改善以及加快动态响 应介绍了新的控制方式边带预测优化控制，这种控制方法在控制时，仅采 用非零电压矢量，通过动态预测转矩边带，并结合磁链、转矩误差大小来综合 选择电压矢量，从而获得磁链和转矩的快速有效控制，而且这种控制方法只用 到了定子漏感，对电机参数的依赖性较小。 论文的第五章对直接转矩边带预测优化控制方案进行了仿真，其中定子反 电势的计算、转矩误差边带和磁链误差边带的控制算法是利用m a t l a b 中的 s i m u l i n k 环境下的s - f u n c t i o n 来实现的，并对得到的仿真结果同传统的 直接转矩控制的仿真结果进行了比较，比较表明，这种方法可以改善低速条件 下电机的运行状态，加速电机的启动过程，提高系统的动态响应，同时计算较 简单。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 2 1 概述 第2 章直接转矩控制的基本原理 所有电机，无论是直流机还是交流机，都是由定、转子两部分组成，定子 产生定子磁势向量只，转子产生转子磁势向量只，丘和只合成得到合成磁势 向量e ，由它产生磁链向量矿。电机转矩由这些磁势向量相互作用产生，正比 于它们中任两个的矢量积，即转矩 t 只x e = c 只s i n z ( c ，只) ( 2 一1 ) c f o = 只f os i n z ( e ，c ) ( 2 2 ) c f o = f f os i n ( f , ，e ) ( 2 3 ) 在交流调速系统中，通常采用电压或电流型逆变器，因此人们就习惯于按 传统的概念去控制电机的电压电流。而在交流电机电流中含有励磁电流和转矩 电流，它们之间是耦合的，会互相影响。 矢量控制方法，就是借助于矢量旋转交换器，将这两部分电流分开，即解 耦，把交流控制化为直流控制，然后再经矢量旋转变换器，把控制结果变换为 可以实现的定子交流量。这样的系统性能优异，但两次矢量旋转变换增加了计 算量，使系统变得复杂。同时，由于解耦时，用到的电机参数较多，因此在性 能要求较高的系统中，需要采用合适的辨识方法，从而进一步增加了系统的复 杂性。 直接转矩控制不需要矢量旋转变换，它采用空间矢量的分析方法，直接在 定子坐标系下计算和控制电动机的转矩，借助于离散的两点式调节 ( b a n d b a n d ) 将磁链和转矩控制在一定容差范围内，产生p w m 信号，直接 对逆变器的开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态性能。尽管从转矩的 控制角度来看，并不需要控制磁链，但从电机的合理运行来看，仍希望磁链幅 值基本不变，采用磁链的b a n d b a n d 控制即可实现。在控制过程中，只需要知 道定子电阻，因此受参数变化影响较小。 图2 1 给出了在a 坐标系下直接转矩的控制框图，下面将首先介绍一下 异步电动机数学模型和电压空间矢量的概念，然后对直接转矩控制的每一部分 逐一介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 1。卢坐标系下直接转矩控制框图 2 2 异步电动机数学模型的基本方程 异步电动机的数学模型是异步电动机进行控制的理论基础，本节从异步电 动机的基本数学模型出发，介绍了在直接转矩控制分析中所采用的异步电动机 的空间矢量等效电路及其数学模型的基本方程。 为方便进行讨论，对异步电机的数学模型作如下假设： ( 1 ) 忽略铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，各绕组的自感和互感都是 线性的； ( 2 ) 异步电机的定、转子三相绕组在空间对称分布，定、转子表面光滑， 无齿槽效应，电机气隙磁势在空间中正弦分布； ( 3 ) 暂不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，控制电机 的磁链和转矩。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定予电阻，就可以把 它观测出来，电动机的数学模型和各物理量的控制问题采用空间矢量来分析， 使问题变得更加简单明了。 图2 2 是异步电动机的空间矢量的等效电路图，该等效电路是在正交定子 坐标系( a p 坐标系) 上描述异步电动机的。各量的意义如下； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 2 异步电动机的空间矢量等效图 蚶甜定子电压空间矢量； 矗f j ：) 定子电流空间矢量； j ，m 转子电流空间矢量； 纠定子磁链空间矢量； 转子磁链空间矢量； 。电角速度( 机械角速度和极对数的积) 。 并且规定，将旋转空间矢量在口轴上的投影称为。分量，在正交的口轴上 的投影称为卢分量。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示： “，= r 。t + 虹 ( 2 4 ) 0 = r ，f ，一矿，+ i c o n , ， ( 2 5 ) 定子磁链和转子磁链由下式获得： 虬= 工 ( 2 6 ) = 一l j ， ( 2 - 7 ) 定子旋转磁场提供的功率如下： t p = 国。乃= 姜r 。 驴。f 。+ ) ( 2 8 ) 二 式中。r 一定子频率( 定子旋转磁场的频率) 。 考虑到在a 一卢坐标系中存在如下关系： 矿。= 妒蹦+ ，矿柑 ( 2 9 ) = i s a + ，口 ( 2 1 0 ) 故公式( 2 - 8 ) 为： 1 p = 丢( 矿；。+ 沙印) ( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第】4 页 且 矿。= j c o ；l ( i 。+ 。日) ( 2 - 1 2 ) 由此方程可得出下面两个方程式： 妒。= 一国；l i 。口= 一曲；p ( 2 - 1 3 ) 矿 = 珊。l i , , a = 出；p 。 ( 2 - 1 4 ) 将公式( 2 - 1 3 ) 和公式( 2 1 4 ) 代入公式( 2 1 1 ) ，得转矩 疋= 吾( y 。妒一y s p i 。) ( 2 1 5 ) 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变得变为简明的形式。由 = 屯+ i ，( 2 - 1 6 ) 和公式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 可以得到 t = 手一吾( 垆缈坩一v ：。印) ( 2 - 1 7 ) 该公式表达的式定子磁链和转子磁链之间的交叉乘积，也可以写成如下形 式： i 2 i 1i 3 ( 虬2 甾枷( 2 - 1 8 ) 分析各量对转矩的影响，当转矩处于稳态时，对定子磁链的直接控制使其 幅值尽可能保持常量，因此i 虬i 对转矩的变化基本上没有什么影响，转子的时 间常数远远大于定子的时间常数，与定子磁链相比，转子磁链变化比较慢，是 个相对稳定的量。角0 可以通过所选择的电压矢量相对快地变化，因此可以 通过改变角0 控制电磁转矩。在需要增加转矩的情况下，从优化开关选择表中 选择一个非零电压矢量，该电压矢量能在定子磁链的切向上分解一个分量，使 定子磁链相对转子磁链旋转，导致角0 增大，从而转矩增加；当需要减小转矩 时，选择一个零电压矢量，使定子磁链停止，而转子磁链继续缓慢旋转，使角 0 减小，导致转矩减小。所以通过控制逆变器输出的电压矢量，就可控制电机转 矩的大小。即把计算所得的电机实际转矩丁与给定值，比较，当误差p ，大 于允许误差sr 时，让逆变器输出零电压矢量，使电机输出转矩减小，回到误 差限内：反之让其输出非零电压矢量，使转矩增大；当误差在允许范围内时， 逆变器维持原状态不变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 电压空间矢量 直接转矩控制一般采用三相二点式电压型逆变器向异步电动机供电，利用 电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链逼近圆形，并 通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，控制电机的转矩，实现电机的磁 链和转矩同时按要求快速变化。电压型逆变器( 图2 3 ) 由三组，六个开关( s 】、 s 。；s 3 、s 6 ；s 5 、s 2 ) 组成，上下臂互为反向，即一个接通，另一个关断，所 以三组开关有8 种开关组合。根据三组开关的不同导通模式，电动机输入电压 的空间矢量为： 叱0 )u 。 s a + s 一牟十s 。e 1 等 ( 2 1 9 ) 由此式得到逆变器各种开关状态对应的7 个输出电压空间矢量，参见图 2 4 。每一个电压空间矢量记为= ”。( 0 0 0 ) 叫7 ( 1 1 1 上括号中的二进制数表 示三相开关模式，其中“f 为工作电压状态，而砌和u 7 为零电压状态。 + 图2 - 3电压型逆变器一电动机系统 在口鼻平面内，8 种电压矢量可以表示为： u h = 昏鼍。 j 嘲6 =0刀= o ，7 ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 寸 一疗j 妒口j 时阻 0 j 世1 1 ，l ，毽 、i f， 、 ，? l 、 卫o忒厶蕊。印 ! jn q 生 j 7 飞眺! 一 一 ，。 、 “i ，； 街，、 i 酊m q j ， 、“6 印 图2 4 电压空间矢量示意图 电机定子磁链可表示如下 = ( 虬一b ) 出 ( 2 2 1 ) 式中蜥为电机定子电压矢量，可以是中的任意一个。0 为定子电流矢量a 忽略定子电阻造成的影响，公式( 2 2 1 ) 可以表示为： 虬= j “。m ( 2 2 2 ) 当逆变器处于某一工作状态时，虬沿该状态对应的电压矢量蜥方向运动- 。的速度正比于电压矢量的幅值。这意味着当地为非零电压矢量时，帆以 恒定速度旋转；而当地为零电压矢量时，虬停止不动。这样，利用磁链的 b a n d b a n d 控制切换逆变器开关状态( 选择电压矢量) 可使虬轨迹按一定规律 运动。由此，在两个空间非零电压矢量间插入一个或多个空间零电压矢量就可 调节v ，的旋转速度，利用磁链的b a n d - b a n d 控制，切换工作状态，控制逆交 器的开关模式就能实现以一定速度运动的多边形磁链轨迹，井能使该运动轨迹 纳入接近一个圆的范围。 2 4 异步电动机的磁链模型和转矩模型 2 4 1 磁链模型 在这部分中，将详细讨论异步电动机的磁链模型。如第一章绪论中所述， 异步电动机磁链模型目前主要有三种，即“i 模型、i - h 模型和“一n 模型，下面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 逐一进行讨论。 i “一i 模型 根据公式2 - 4 来确定定子磁链的方法叫“一i 模型法，其结构如图2 - 5 虬= f 5 ( “， 图2 - 5 定子磁链的“i 模型 i , r 。) a t + 。o i g , l = 痧而 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 巳= 甜咏三生 ( 2 - 2 5 ) j 。 其优点是简洁：确定定子磁链只需要电动机的定子电阻即可，定子电压蜥 和定子电流同样是易于确定的物理量。 在高速时，由于电流和电阻的乘积在整个积分项中所占比例很小，采用“- i 模型可达到很高的精度。在低速时，由于电动机的反电势很小，电流和电阻的 乘积在整个积分项中所占比例较大，由于电流测量以及电阻发生变化造成的误 差使得磁链计算误差比较大。所以，在3 0 额定转速以上时，采用“一i 模型法， 该方法结构简单，精度高，优于其他方法。 2 i - n 模型 由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为“模型法，它根据以下方 程组和图2 6 建立： 妒。：- 1 - - r - ( f 。l + 。) 妒”1 + 。+ m ) 三 妒。：粤( y 。一。) 一甜坩 k ( 2 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 【f ，s 3 ：- 1 j s l o - + 咿r 冉帆4 2 i 型邯拍l 工 审t ；：鼍r - s ；一甲r 冉一妒r ： k ( 2 2 7 ) 图2 - 6 确定定子磁链的f h 模型 与 f 模型相比，f 叫模型中不出现定子电阻b ，即不受到定子电阻变化的 影响。但是i - n 模型受电机参数，特别是转子时间常数的影响，又要准确测定 转速6 3 ，且u 的误差影响较大，所以i - n 模型在高速时不如弘f 模型准确。 3 u - n 模型 珈m 模型由定子电压和转速来获得定子磁链，它综合了“一i 模型和i - n 模型 的特点，其结构图如图2 7 所示。 妒”模型所用到的数学方程式如下： 转子方程： 妒，：拿( ，一，) + j 珊缈， ( 2 2 8 ) 山。 定子方程： 虬= “。一e ( 2 2 9 ) 磁链方程： 虬= l i , ( 2 - 3 0 ) ”= 虬一l , r i r ( 2 - 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 7 定子磁链的u - f t 模型 u - l l 模型综合了 一i 模型和i - n 模型的优点，由于使用了电流p i 调节器，精 度大大提高，但实现起来复杂。当转速降低时，可由“i 模型切换至i - n 模型， 但又存在平滑切换的问题，因此目前使用的较少。 2 4 2 转矩模型 对电机输出转矩进行直接控制，是控制系统获得高动态性能的关键。在直 接转矩控制中，需要实测电磁转矩疋作为反馈量。直接测量电磁转矩在技术上 存在一定的难度，为此，在控制中一般采用间接法求电磁转矩，一般根据公式 ( 2 1 5 ) 由定子电流0 及定子磁链虬来计算电动机的电磁转矩疋： 1气 t = 丢( 虬。i ，) = 丢( 。白一虬p 0 ) ( 2 1 5 ) 二上 知道了定子磁链和定子电流的。卢分量时，根据公式( 2 1 5 ) 就可以计算 出电动机的电磁转矩疋，将此值作为反馈值参与控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 5 逆变器开关模式选择模型 开关模式选择就是根据磁链角目，以及转矩和磁链观测值与给定值比较后 的结果来选择合适的开关状态。口，代表的是磁链在a 一声坐标系下所在区域， 共分为6 个区域，区域的划分见图2 - 4 。 磁链滞环比较器是把磁链给定值与根据电机模型计算而得的实际磁链信 号进行比较，利用滞环调节器进行调节，把定子磁链限制在预定的误差范围内。 磁链控制的目的是使磁链矢量顶点运动的轨迹呈一个圆，如图2 - 8 所示。 9 ( 习 目( 6 ) 图2 8 磁链控制过程 转矩比较器是把转矩给定值和根