（电力系统及其自动化专业论文）基于变结构理论的感应电机直接转矩控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n i q u ed e b u t e di nt h ea cd r i v ef i e l di n1 9 8 0 s i ti s an e we f f i c i e n ta cd r i v ec o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hf o l l o w sf i e l d - o r i e n t e dc o n t r o l t e c h n i q u ea n di n t e n d st oe x c e e df i e l d - o r i e n t e dc o n t r o lt e c h n i q u e a f t e ra n a l y s i n ga n d c o m p a r i n gw i t ha d v a n t a g e s a n dd r a w b a c k so fc l a s s i c a ld t c ，an e wc o n t r o l s u a t e g y s v p w m d t cc o m b i n i n gs v p w ma n d v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lw a s p r e s e n t e dt oe n s u r eq u i c ka n da c c u r a t ec o n t r o lo ft h es t a t o rf l u xa n de l e c t r o m a g n e t i c t o r q u eo fi n d u c t i o nm a c h i n e ，i n o r d e rt o i m p r o v eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n d r o b u s t n e s so ft h ew h o l es y s t e m t h ea c c u r a c yo ft h es t a t o rf l u xo b s e r v e ri sc r i t i c a lt os t e a d ya n dt r a n s i e n tb e h a v i o r o ft l l ew h o l ed t c s y s t e m t h ep a p e ri nd e t a i la n a l i e sa d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s o fu s i sm o d e ls t a t o rf l u xo b s e r v e ra n d i l - - 1 m o d e ls t a t o rf l u xo b s e r v e r , a n d a s s e r t e dt h a t 口。一刀m o d e ls t a t o rf l u xo b s e r v e rw a se m p l o y e dt oo b v e r s et h es t a t o r f l u xo ft h ej n d u c t i o nm a c h i n e u pt od a t e ，t h es p e e de s t i m a t i o nw i t h o u ts p e e ds e n s o ri sa n o t h e rp o p u l a rt r e n do f a cd r i v e t h r o u g hw e i g h i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm a n yk i n d ss c h e m eo f s p e e de s t i m a t i o n ，t h ep a p e ra d o p t sam o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l t oi d e n t i f y r o t o ra n g u l a rs p e e d a d d i t i o n a l l y , a sar e s u l to ft h ed r a w b a c k so ft h es p w mv o l t a g e t y p ei n v e r t e r ：t h el o wu t i l i z a t i o nr a t i oo fd cv o l t a g ea n dt h eh a r m o n i co f t h ev o l t a g e o u t p u t t e d ，t h ep a p e ra p p l i e ss v p w m t oc o n t r o lt h ei n v e r t e r f i n a l l y , i n o r d e rt o p r o v e t h a t p r o p o s e ds c h e m e i sv a l i da n df e a s i b l e ，t h e s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sm o d e lo ft h ew h o l es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h ep a p e r c a r r i e so u ts i m u l i n kv e r i f i c a t i o na n d a n a l y s i s k e yw o r d s ：a cd r i v e ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p a t i v ec o n t r o l ；v a r i a b l e - s t r u c t u r e c o n t r o l ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期：w 谐牛f 勺 指导老师签名： 日期：沙裾斗 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 感应电机直接转矩控制系统的定子磁链控制器和电磁转矩控制 器设计，采用变结构控制理论来设计，提高了系统的动态性能和 鲁棒性。 2 应用自适应控制理论来设计无速度传感器，对感应电机直接转 矩控制系统进行速度的观测，同时，该观测器具有感应电机定子 电阻的辨识功能，提高了系统的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 在当前全球经济高速发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和 环境，而能源的紧张严重制约了经济的增长。因此，对能源的有效利用在我国 已经迫在眉睫，尤其是作为能源消耗大户之一的感应电动机，在节能方面大有 潜力可掘。 七十年代以后，基于电力电子技术的交流电机变频调速控制系统取得了很 大的发展【1 , 2 1 。一方面，功率半导体器件的制造技术、基于电力电子电路的电力 变换技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术的发 展，使各种电力电子装置体积缩小、效率提高；另一方面，交流调速具有优良 的调速、起制动性能，较高的效率和功率因素与显著的节能效果等优点，被广 泛应用于工业生产、交通运输( 尤其是轨道运输) 等领域，并且占据了主导地 位【3 4 1 。 1 1交流调速的现状与发展 1 1 1电力电子器件 电力电子器件是电力电子技术发展的基础【5 ，一i 。它主要包括不可控器件、半 控型器件和全控型器件三大类。 1 半控型器件 半控型器件主要包括晶闸管( s c r ) 及其派生器件。1 9 5 8 年，s c r 的问世 标志着电力电子技术的开端。随后，双极型半控器件相继出现，而且其电压、 电流额定值不断地提高，特别是7 0 年代n t d 硅单晶的试制成功，使器件的电 压、电流、频率等额定值达到很高的水平。现在普通晶闸管的电流额定值达 4 0 0 0 a 以上，电压额定值达1 2 k v ，频率也可达4 0 0 h z ，光控晶闸管的额定值为 3 5 0 0 a 8 k v ，快速晶闸管的额定值为8 0 叫2 k v ，最高频率可达2 0 k h z 。目前 晶闸管广泛应用于电气传动以及感应加热和静止无功功率补偿等领域，特别是 在大功率的a c d c 变换装置中，由于s c r 在电流过零时关断不会产生大的关 断损耗，因此s c r 具有较大的优越性。但s c r 不能用门极控制其关断，需要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 繁琐且复杂的辅助关断电路，使得s c r 难以在逆变器中使用。 2 全控型器件 全控型器件主要包括绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、场效应晶体管 ( m o s 肿) 、大功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 等等。 g t o 和g t r 的出现弥补了s c r 难以关断的缺点，同时，g t o 具有s c r 高耐压的优点。从结构上看，g t o 是通过芯片内成百上千个在内部并联的原胞 来实现其高耐压和大电流的，增加这些原胞的数目，就可提高器件的容量。日 本三菱电机公司采用6 英寸的硅片制作出包含7 0 0 0 到9 0 0 0 个原胞的g t o 器件， 其耐压可达6 k v ，工作电流可达6 0 ( ) o a 。g t o 的主要缺点是关断增益低，一般 为4 - 5 ，需要一个十分庞大的关断驱动电路，另外g t o 的通态电阻比s c r 高。 导通时的d i d t 和关断时的d v m 也较高，因此还需要一个庞大的吸收电路，这 些缺点限制了g t o 的推广应用，g t o 主要应用在2 0 0 0 v 以上的地铁、轻轨车 和矿用机车等牵引领域。 g t r 是一种电流控制的双极双结功率半导体器件，与g t o 相比，g t r 的 耐压值低、工作电流小，现有水平为8 0 0 a 1 8 0 0 v ，饱和压降为1 5 - - - 3 v ，存储 时间和电流下降时间分别为1 5 咿和3 眇，比g t o 小，此外g t r 的开关频率比 g t o 高，其最高频率可达1 0 0 k h z 。但是g t r 存在固有的二次击穿，其安全工 作区( s o a ) 受各项参数影响而变化和热容量小，过流能力低。g t r 模块主要 应用在p w m 逆变器、u p s 、以及开关电源中。 由于g t r 、g t o 等双极型全控器件是电流驱动型器件，必须提供较大的门 极控制电流，从而使门极控制电路非常庞大，功率变换系统的体积和重量也相 应增大，效率降低。因此，m o s 型功率器件的开发一开始就倍受重视。经过二 十多年的发展，功率m o s f e t 及以其为基础的新型功率m o s 器件在中小功率 的电力电子装置中获得了广泛应用，并已逐步取代了双极型功率器件。它的显 著特点是用栅极电压来控制漏极电流，所需的驱动功率小、驱动电路简单；又 由于是靠多子导电，没有少子导电所需的存储时间，使得功率器件的开关速度 大为提高，是目前开关速度最高的电力电子器件。虽然m o s f e t 具有驱动方便、 开关速度快等优点，但其导通后呈现电阻性质，其导通电阻随耐压的增高成2 5 次方急剧上升，因此在电流较大时压降也较大，而且器件的容量较小，仅能适 用于小功率装置。 2 0 世纪8 0 年代出现的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 是m o s f e t 与g t r 复合形成的，除具有功率m o s f e t 的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有g t r 饱和压降低和可耐高压和大电流等一系列应用上的优点。在6 0 0 - - 1 8 0 0 v 范围的通态压降与g t r 相当，约为1 5 3 5 v 。i g b t 所具有的2 0 - - 5 0 k h z 的 工作频率，且有宽而稳定的开关安全工作区以及简单的驱动电路等优点，使 i g b t 成为6 0 0 v 以上中等电压范围内的开关电源，交流电机调速和u p s 中的主 流功率器件。但在高压领域内i g b t 还难以和g t o 和s c r 抗衡。 m o s f e t 、i g b t 等均是电压控制型器件，可用一些专用的高压集成电路直 接控制，甚至可以把主器件和控制、保护电路等做在一个芯片或器件中，大大 促进了高压集成电路和智能功率集成电路的发展，使电力电子技术产生了新的 飞跃。 1 1 2 交流电机变频调速控制技术 1 u f = c 控制 u f 控制【7 以1 1 是基于在改变电源频率进行调速的同时，保证电动机的磁通不 变的思想上提出的，其主要目的是为了得到理想的转矩速度特性。根据电机学 理论，交流异步电机定子绕组的感应电动势是转子绕组切割气隙旋转磁场的结 果。电机进行变频调速时，在u 不变的情况下，如果厂下降，将增加，而的 增加会引起磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，电流波形产生畸变，削弱了 电磁转矩，从而影响机械特性；反之，厂上升，爹下降，将会导致带负载能力 下降。因此，为了保持的恒定，应在改变厂的同时改变u 。 u f 控制一般采用开环控制，故不能达到较高的控制性能，而且在低频时， 必须进行转矩补偿，以改善低频转矩特性。此控制方式的特点是调试工作容易、 控制电路结构简单、成本较低、机械特性硬度也较好。 2 磁场定向矢量控制 矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场进 行独立控制f 妣2 】。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获 得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用 中转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流 电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，故使得实际的控制效果难以达到 理想分析的结果。 矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量 控制方式及有速度传感器的矢量控制方式 1 3 , 1 , 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 基于转差频率的矢量控制方式同样是在进行u f 控制的基础上，通过检测 异步电动机的实际速度尢，并得到对应的控制频率厂，然后根据希望得到的转 矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，从而对变频器的输出频率，进 行控制。基于转差频率的矢量控制方式的最大特点是：可以消除动态过程中转 矩电流的波动，。从而提高了系统动态性能。但是这种控制方式属于闭环控制方 式，需要在电动机上安装速度传感器，使其应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理，分别对励磁电流和转矩电流 进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流来辨识转速，以达到 控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式虽然调速范围宽、启动转矩大、 工作可靠及操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算， 因此实时性不是太理想，控制精度也受到计算精度的影响。 3 直接转矩控制( d t c ) 在2 0 世纪8 0 年代中期，德国学者d e p e n b r o c k 教授提出直接转矩控制思想 【4 1 们。其思路是把电动机和逆变器统看作一个整体，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异步电动机的数学模型，计算与控制 异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器( b a n d b a n d 控制) ，将转 矩检测值与转矩给定值做比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内。容差的 大小由频率调节器来控制，并产生p w m 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。它的控制情况不是取决于电动 机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。不需要将交流电动 机与直流电动机做比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制。由于 直接转矩控制省掉了矢量变换方式的坐标变换及为解耦而简化异步电动机数学 模型，没有通常的p w m 脉宽调制信号发生器，控制结构简单、控制信号处理 的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，因此是一种具有高静、动态 性能的交流调速控制方式。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对 参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的b a n g b a n g 控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速下开关频率低、开关频率不 固定以及转矩脉动大等问题，限制了直接转矩控制在低速区的应用。 4 矩阵式交交方式 u f 控制、矢量控制、直接转矩控制等方式的共同缺点是输入功率因数低， 谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频方式应运而生。由于矩阵式交交方 式省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功 率因数为1 ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。矩阵式交 交方式实质不是简洁的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来 实现。目前该技术尚未成熟，仍吸引众多学者深入研究【1 0 1 。 1 2 课题研究的现实意义及其主要工作 鉴于感应电动机直接转矩控制具有优良的工作性能和简洁的控制思想等优 点，它已经成为现代电气传动控制领域交流电机调速的首选控制方案。本文在 深入分析传统直接转矩控制技术的基础之上，针对其不足作了大胆而又富有成 效的改进尝试研究，其主要工作概括如下几点： ( 1 ) 为了改善电机动态工作性能，本文对定子磁链的控制采用圆形磁链轨迹 控制，这样可以减少因为磁链控制精度不高而带来的转矩控制误差。 ( 2 ) 对于电压型逆变器直流侧直流电压利用率低和开关频率不固定等问题。 本文采用空间矢量脉冲宽度调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， s v p w m ) 技术来对逆变器进行控制。 ( 3 ) 根据直接转矩控制系统的原理可知，对感应电动机定子磁链的观测是否 正确，直接影响到对电机转矩控制的好坏，也就是说，如果感应电动机的定子 磁链观测不准确，就不能按照预先确定的控制思想来对电机定子磁链的运动轨 迹进行控制，从而无法正确地给感应电机施加合适的电压空间矢量，最终导致 整个控制系统难以达到预期设计目标。本文采用一种新型的变结构自适应状态 观测器，来对感应电动机的定子磁链进行观测，它可以在感应电动机全速范围 内准确地观测出电机的定子磁链大小及其空间位置，观测器具有很好的动态性 能和鲁棒性。 ( 4 ) 以往电机转速检测装置多采用测速发电机或者是光电码盘，这类有速传 感器的安装不仅增加了感应电动机控制系统的成本，而且还存在安装和维护上 的困难，同时机械上的误差( 如同心度误差) 还会影响到速度检测的精度，此外这 类测速装置不适用于潮湿、电磁噪声干扰较大等影响信号传输的工作环境，以 上原因都会导致整个控制系统工作性能的下降。于是，如何通过控制系统已知 的参数快速而准确地辨识出感应电动机的实际转速，即所谓的无速度传感器技 术，已成为当今研究的又一个热点。本文采用模型参考自适应控制f m o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ，m r a c ) 方法来对感应电机的转速进行在线辨识，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设计的无速度传感器能够很好地跟踪电机实际转速，具有很好的动态和静态性 能。 1 3 本文内容的结构安排 第一章首先对交流调速技术的现状与发展作了概述。其中包括电力电子器 件的发展及应用与交流调速控制技术两大部分，特别是对近几十年来热门的变 频调速控制技术作了较详细地论述，最后对本文内容上的结构安排做了说明。 第二章介绍了d t c 系统理论基础。首先介绍了d t c 系统的基本理论，然 后对d t c 系统的特点和基本结构做了详细地讨论，在本章节的最后，针对空间 矢量脉冲宽度调制d t c 给予重点的论述。以后三个章节就是在空间矢量脉冲宽 度调制d t c 的基础上进行改进研究。 第三章详细讨论了感应电机d t c 系统的观测器设计。首先介绍了感应电动 机定子磁链和转子角速度常用观测模型，并对以上观测器进行了详细地阐述。 其中，对电机转子角速度采用模型参考自适应理论，来进行在线辨识估计做了 详细地阐述，同时，该观测器也可以实现对定子电阻进行在线辨识估计。 第四章对基于变结构理论的感应电机d t c 系统的控制器设计，作了详细地 综述。其中包括变结构控制理论、感应电机变结构d t c 系统的控制器设计，并 对所设计的控制器就其可行性给予了证明。 第五章对无速度传感器感应电机d t c 系统进行了仿真验证，并对仿真结果 进行了分析。最后对全文进行了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章直接转矩控制系统理论基础 根据电机学理论，在三相交流异步电动机的定子绕组上加三相对称交流电 压时，定子绕组将产生一个旋转磁场，该磁场的旋转速度由所加电压的频率决 定。当磁场旋转时，旋转磁场切割转子绕组，并在转子绕组中产生相应的感应 电动势和感应电流，由电磁力定理可知，所得到的感应电流在旋转磁场的作用 下会产生电磁力，促使转子跟随旋转磁场进行旋转。1 9 6 4 年，德国学者 a s c h o n v n g 等率先提出的脉冲宽度调制变频思想，被广泛地应用于交流电机变 频调速系统中【3 9 j ，为交流调速系统开辟了新的发展方向。 本章节中，我们结合感应电机直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 调速原理1 1 引，基于空间矢量调$ 1 j ( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，s v m ) 和脉冲宽度调 $ 1 j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制技术，提出一种改进型的感应电动机直 接转矩控制方案，即空间矢量脉冲宽度调制d t c ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nd t c ，s v p w m d t c ) ，这样把一些控制理论( 如p i 控制、变结构控制 等) 加入到d t c 系统中来，以提高控制系统的工作性能，所以也就避免了传统 d t c 系统无法将现代控制理论应用到系统中，致使感应电机调速性能仍存在不 足。 2 1 直接转矩控制系统的基本理论 2 1 1 直接转矩控制系统的理论依据 按照生产工艺要求，控制和调节电动机的转速是最终的目的。然而转速是通 过转矩来控制的，电动机转速的变化与电动机的转矩有着直接又简单的关系， 转矩的积分就是电动机的转速，只有电动机的转矩影响其转速。可见，控制和 调节电动机转速的关键是如何有效地控制和调节电动机的转矩。 任何电动机，无论是直流电动机还是交流电动机，都由定子和转子两部分组 成。定子产生定子磁链空间矢量1 4 r 。，转子产生转子磁莲空间矢量沙，二者合成 得到合成磁链空间矢量l j r ，。由电机统一理论可知，电动机的电磁转矩r e 是由这 些磁链控制矢量的相互作用而产生的，即等于它们中任何两个矢量的矢量积。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 互= c 埘( 沙，沙，) = c 肘妒秒，s i n 二( 1 6 r ，砂，) 一c 二( 沙，l j r z ) 蠹c ，妒= s i nz ( 沙，沙z ) 一q ( 沙，沙z ) = c 砂：s i n ( 沙，沙：) ( 2 - 1 ) 式中，妒，、妒，和妒z 分别为矢量沙，、沙，和1 6 r z 的模；二( 沙，沙，) 、z ( 虮，矽z ) 和 ( 沙，沙z ) 分别为矢量虮和沙，、沙，和沙z 、沙，和沙z 的夹角；巳为电机转矩系数。 感应电动机的沙、沙，和沙：在空间以同步角速度。旋转，彼此相对静止。 因此，可以通过控制两磁链空间矢量和其夹角，来控制异步电动机的转矩。 但是，同样根据电机学基本原理，可知，电机定子磁链沙。和转子磁链沙，之 间有一个惯性环节，这就使得定子磁链沙。发生变化瞬间，转子磁链沙，基本保持 不变，也就是说，在定子磁链l i r 。发生变化的一定极短时间内，转子磁链涉，没有 变化，定子磁链沙。与转子磁链沙，之间的夹角却发生了改变。于是，我们可以通 过控制定子磁链1 4 r 。与转子磁链沙，之间的夹角，来直接地对电机的电磁转矩进行 控制，这就是直接转矩控制的思想和理论依据。其控制思想不同于磁场定向矢 量控制，后者通过控制电机的定子电流来对电机的电磁转矩进行间接控制。 2 1 2 电压空间矢量的概念。 在对感应电动机进行分析和控制时，若引入p a r k 矢量变换，会带来很多的 方便【1 9 1 。 若三相感应电动机理想供电电压为对称三相正弦波，其表达式如下： 材4 一u mc o s 甜 。c o s ( 耐一争 j “。；u 。c o s ( 耐+ 三兰)( 2 2 ) j 按照p a r k 矢量变换定义，“。、和“。可合成电压空间矢量h ，为 口，一妄( “。+ a “6 + 口2 “。) ( a ；e 7 2 8 3 ) ( 2 3 ) j 电压空间矢量”，某时刻在某相轴( a 、b 和c 轴) 上的投影就是该时刻该相 物理量的瞬时值“。、和“。 典型的电压型逆变器拓扑结构【2 0 ，2 ，如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 + u 图2 - 1 电压型逆变器拓扑结构 若规定：s ( 州。j ，) ) 分别代表逆变器3 个桥臂的开关状态。以a 相为例，当上 桥臂丌关管“开状态时( 此时要求下桥臂丌关管必是“关 状态) ，开关状态 s 。= 1 ；当下桥臂开关管处于“开”状态时( 此时上桥臂开关管必是“关 状态) ， 开关状态= o 。每个桥臂只有“1 ”和“0 ”两种工作状态，因此，可得逆变器 共有八个开关模式，其开关状态墨( 州。 ，) ) 及其对应的电机定子电压空间矢量比， 如表2 1 所示。 表2 - 1 开关状态与相电压在筇坐标系的分量的对应关系 工作状态零状态 状态 123 4 56 7 8 开关 状态 0 1 10 0 11 0 11 0 01 1 00 1 0 姒梵| 1 1 1 电压 口，( o o o ) 空间 h ，( 0 1 1 ) 雎，( 0 0 1 ) ，( 1 0 1 )h ，( 1 0 0 )“，( 1 1 0 )“，( 0 1 0 ) 矢量 比，( 1 1 1 ) 于是可得，逆变器输出的电压空间矢量“，可以表示为图2 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 图2 - 2 逆变器输出的离散电压空间矢量状态 2 1 3 电压空间矢量对磁链空间矢量和电磁转矩的影响 2 1 3 1 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 在直接转矩控制中，定子磁链控制有两种方案：一种是德国学者d e p e n b r o c k 提出的让定子磁链空间矢量沿着六边形轨迹运动，一种是日本学者提出的方案， 使定子磁链空间矢量沿圆形轨迹运动。为了简化分析，这里采用六边形磁链来 讨论电压空间矢量对磁链空间矢量的影响。 逆变器的输出电压空间矢量口直接加到感应电动机的定子绕组上，则定子 电压空间矢量为口。根据电机学基本原理可知，电机定子磁链空间矢量l l r ，与定 子电压空间矢量口之间的关系为 口，= f ，尺，+ d 沙，d t 。( 2 4 ) 式中，f 。定子电流空间矢量。 若忽略定子绕组电阻r 压降，财 比。一d 0 。d t ( 2 5 ) 对u 进行积分可得 由s | l h s d t j 扯| t + 啼s o ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 若电机定子电压空间矢量，依次取为“，( 0 1 1 ) 一比，( 0 0 1 ) - - h ，( 1 0 1 ) 一“，( 1 0 0 ) 一 。( 1 1 0 ) 一口( o l o ) ，即逆时针方向，则可得电机定子磁链六个空间矢量沙，( 0 1 1 ) 一沙，( 0 0 1 广沙，( 1 0 1 广沙，( 1 0 0 ) - - 1 6 r ，( 1 1 0 广沙，( 0 1 0 ) 。若定子磁链空间矢量沙，在 如图2 3 所示的位置，如果逆变器加到电机定子绕组上的电压空间矢量为 口。( 0 1 1 ) ，则根据式( 2 6 ) 可知，定子磁链空间矢量沙。的顶点将沿着s ，向着电压 空间矢量口。( 0 1 1 ) 的方向运动。当运动到s 与是的交点时，如果逆变器输出电压 空间矢量h ( 0 0 1 ) ，那么定子磁链空间矢量沙，的顶点会按照与电压空间矢量 “。( 0 0 1 ) 相平行的方向沿着s ，运动。同理，可以给出定子磁链空间矢量沙，依次 在定子电压空间矢量口，( 1 0 1 ) 、口，( 1 0 0 ) 、口，( 1 1 0 ) 和u s ( 0 1 0 ) 作用下的运动轨 迹。 u , ( 10 1 ) 盛u ( 0 0 1 ) 众屹。 s 5 7 u j a ( 1 0 0 ) 1 蚴 - 0 11 a 心( 110 ) s 1 u ( o l o ) 图2 3 电压空间矢量与磁链空间矢量之间的关系 至此，可以得到以下结论： 定子磁链空间矢量的顶点运动方向与定子电压空间矢量的方向同向。只要 定子绕组的电阻较小，电阻压降与h 。相比可以不计，那么这种平行就能够很好 的成立。依次给出电压空间矢量h ，( 0 1 1 ) - - h ，( 0 0 1 ) - - u ，( 1 0 1 ) - - 口，( 1 0 0 ) - - 口，( 1 1 0 ) 一“。( 0 1 0 ) ，则得到定子磁链空间矢量的运动轨迹，依次沿着s 一是一s s 。一 s 。一s 。做正六边形运动，形成正六边形定子磁链运动轨迹。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 若能够应用恰当的控制技术，对逆变器的开关模式进行控制，就能够实现 以一定速度旋转的多变形磁链轨迹，并可以做到使磁链运功轨迹接近于圆。该 部分的详细内容将于2 3 2 节中，做详细地的讨论和阐述，该部分内容也是本文 的工作重点之一。 2 1 3 2 电压空间矢量对电磁转矩的影响 在直接转矩控制技术中，其控制原理是通过控制电压空间矢量口，来控制定 子磁链空间矢量的旋转速度，以实现改变定、转子磁链空间矢量之间的夹角， 达到控制电机电磁转矩的目的。在2 1 1 节直接转矩控制系统的理论依据中，已 经针对电压空间矢量对电机电磁转矩的影响，做了阐述。 2 2 直接转矩控制系统的特点和基本结构 2 2 1 直接转矩控制系统的特点 直接转矩控制之所以受到国内外学者和工程师的广泛关注，就是因为其简 单明确的控制思想和快速的转矩响应。现在交流调速的很多场合，既要求系统 具有快速的转矩响应，又要具有精确的转矩控制性能，直接转矩控制正好可以 满足这一要求。以下针对直接转矩控制系统本身的特点，概括如下三点： ( 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 机的定子磁链和转矩，信号处理简单。它不同磁场定向矢量控制那样，需要将 交流电机和直流电机做比较、等效和转化。其本身不需要模拟直流电机的控制， 也不需要为解耦而简化交流电机的数学模型，它省去了烦琐的矢量旋转变换， 信号处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 ) 直接转矩控制中的磁链估算所用到的定子磁链，其涉及到电机的参数只 有定子电阻，因此，直接转矩控制大大地减少了控制系统易受电机参数变化影 响的问题。 。 ( 3 ) 直接转矩控制对转矩实现直接控制，其控制方式：通过转矩两点式调节 器把转矩检测值与给定值进行滞环比较，使转矩波动限制在一定的容差范围之 内。因此，它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而是取决于 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 转矩的实际状况，这就是所谓的转矩直接自控制。这一思想不仅用于转矩控制， 也用于磁链控制，但仍需要以转矩控制为中心进行综合控制； 在直接转矩控制中，由于对磁链控制和转矩控制等的不同，目前有多种控 制方案的出现，在2 3 节中，将做详细地阐述。 2 2 2 直接转矩控制系统的基本结构 直接转矩控制系统框图，如图2 - 4 所示。它主要包含以下五部分构成：观 测器( 定子磁链观测器和转矩观测器) 、控制器( 磁链控制器和转矩控制器) 、开关 策略、逆变器和感应电动机等。其中，定子磁链观测器对定子磁链的观测是否 准确，对整个控制系统的控制性能有着举足轻重的影响，而磁链控制器、转矩 控制器和开关策略的合理选择是先进控制算法的核心部分，于是，在传统直接 转矩控制的基础上，根据不同的磁链控制器、转矩控制器和开关策略，可以演 变出很多工作性能更加良好的直接转矩控制方案。 图2 _ 4 直接转矩控制系统框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 空间矢量调制直接转矩控韦i ( s v m d t c ) 技术原理 2 3 1 传统空间矢量调制直接转矩控韦u ( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nd t c ， s v m d t c ) ( 一) 转矩直接自控胄1 ( d i r e c ts e l fc o n t r o l ，d s c ) 转矩直接自控制是在定子参考坐标系分析电机的数学模型，它通过控制定 子磁链的走走停停来控制电机的电磁转矩，定子磁链的运动轨迹是正六边形。 其结构框图，如图2 5 所示。 图2 - 5d s c 系统结构框图 其各部分功能简述如下： ( 1 ) 磁链控制 由于电机定子磁链的调节作用，使得定子磁链沙，空间矢量在旋转过程中， 其幅值始终保持在以给定值沙：为基准，以以为容差的范围内波动。这里磁链 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 给定值沙：为一个重要的参考值，它决定电压空间矢量的切换时间，其几何意义 是六边形磁链的中心到边的距离。当定子磁链沙。的三个卢分量变化达到给定值 沙：时，电压状态信号发生变化，状态之间进行切换。 ( 2 ) 转矩控制 感应电机转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制，其调节过程：当实际 转矩下降到调节器容差的上限时，调节器输出信号尬为1 ，在硷= 1 作用下， 可得电机相应的电压空间矢量，使电机定子磁链逆时针旋转，电机输出转矩上 升：当实际转矩上升到调节器容差下限时，调节器输出信号砸变为0 ，在硷- 0 作用下，插入零矢量，使电机定子磁链停止逆时针旋转，电机输出转矩下降。 ( 3 ) 定子电压空间矢量的选择 正确选择定子电压空间矢量口。，可以形成六边形定子磁链沙。所谓电压空 间矢量口的正确选择，包括两层含义：一是电压空间矢量顺序的选择，二是电 压空间矢量给出时刻的选择。 在2 1 3 1 节中已经讨论，定子磁链空间矢量沙。的运动轨迹取决于定子电压 空间矢量“，。反过来讲，定子电压空间矢量以。的选择又取决于定子磁链空间矢 量沙，的运动轨迹。要想得到六边形定子磁链空间矢量1 5 r 。，就要对六边形磁链沙 进行分析，首先对六边形定子磁链空间矢量l j r ，在卢三相坐标系尾、孱和厦轴 上的投影，则可得到三个互差1 2 0 0 相位梯形波，它们依次被称为定子磁链的沙。、 沙肋和沙卢。分量，其时序图，如图2 - 6 所示。 y ” s 4 7 i 必 f 、 黟 s l 图2 - 6 芦三相坐标系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 其与定子磁链沙，在叩坐标系下的两个分量l f r ，。和缈，卢之间的变换关系，如 下式所示。 附谫0 二冰1 爿 用l l r 肛、沙肪和沙卢。来控制感应电机电压空间矢量的选择：分别采用三个滞 环比较器，其容差为e 九，用磁链给定值沙：分别与电机定子磁链l j r ，在三相坐 标系下的三个分量沙肛、l j r 胪和沙肿进行比较，当沙加上升到正的磁链给定值沙： 时，瓦。为低电平；当沙加下降到负的磁链给定值一沙：时，瓦。为高电平，申此 可得磁链开关信号瓦。的时序图，如图2 - 7 所示。同理可得瓦。和瓦。的时序图。 由以上所得的磁链开关信号瓦。、瓦。和瓦。，就可以方便地确定电机的电压开 关信号l 、置。和瓦。，其关系为 毛。；5 。 & 6 ，s 。 s c1s 曲 ( 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 x ( v 如、i 啪v p o s ls 2s 】 s 4s ，s 6 图2 - 7d s c 系统磁链开关信号及其电压空间矢量的选择 对比图2 3 和图2 4 可以清楚地得出，电压状态信号的顺序是0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 卜1 1 0 - _ 0 1 0 ，正好对应六边形磁链的六个区段，换言之，按顺序依次 给出电压空间矢量口，( 0 1 1 ) - - - u ，( 0 0 1 ) - - ，( 1 0 1 ) - - u ，( 1 0 0 ) - - h ，( 1 1 0 ) - - - h ，( o l o ) ，就 可以得到按逆时针方向旋转的正六边形磁链轨迹，其相对应的顺序是s 一是一 一s 。一s ；一s ；，现在分析的问题正好是逆方向的，从逆时针旋转的六边形磁 链s s s s 。一s ；一曼得到应正确选择的电压状态0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 一1 1 0 - 邗1 0 ，或者说得到了应正确选择的电压空间矢量“，( 0 1 1 ) - - - “，( 0 0 1 ) 一口， ( 1 0 1 ) - - 。( 1 0 0 ) - - - u ( 1 1 0 ) - - 龃。( 0 1 0 ) ，二者的分析完全是一致的。 对比图2 3 和图2 4 ，可以得出：电机定子磁链l j r 。在卢三相坐标系的三个磁 链分量沙加、沙肋和1 6 r 卢。到达磁链给定值沙：的时刻，就是所选电压空间矢量甜，的 给出时刻。通过磁链滞环比较器环节，与磁链给定值l i r ：分别进行比较可得磁链 开关信号瓦。、瓦。和写。，由式( 2 8 ) 可得电压状态信号夏。、一s u 。和瓦。，对电压 状态信号取反，即可求得电压空间矢量的开关信号、毛和，也就得到了 咿 妒 一 一跏 一 一叉 一； 一& 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 感应电机对应的定子电压空间矢量比，( s 。咒s 。) 。 为了得到感应电机定子磁链沙。的三个卢分量，必须对电机定子磁链虮进行 观测，这部分的内容将在本论文的第三章节中做详细地讨论。这里先假设已经 观测出沙，由观测得到的定子磁链，向卢三相坐标系见、反和成轴上投影， 就可以得到定子磁链l i r ，的三个卢分量，即沙鼬、沙肋和沙肛。 ( 二) 开关矢量表直接转矩控锖1 ( s w i t c h v e c t o r t a b l ed t c ，s t d t c ) s t d t c 系统的结构框图，如图2 - 8 所示。其基本思想是在准确观测电机定 子磁链大小和空间位置以及电机实际转矩的情况下，通过对预先确定的矢量开 关表，进行查表( 表2 - 2 所示) ，可得电机所需要的电压空间矢量。 图2 - 8s t d t c 系统结构框图 表2 2 开关矢量表 扇区s s 2s 3 s 4 s 5s 6 旭= 1kk 圪屹圪k 矽q = 1t o = o k 圪 k k 圪 t o = - 1 圪kk。 圪 比 硷= 1 屹 圪 屹圪kk 妒q = 一1t o _ - - 0 儿 k k k t q = 一1 屹圪k匕圪 圪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 在图2 - 8 中，t 表示定子磁链空间矢量的窑间位置，表2 2 开关矢量表的 确定可以参考2 1 ：3 1 节，即电压空间矢量与磁链空间矢量的关系小节。 2 3 2 空间矢量脉冲宽度调制直接转矩控制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h d t c ，s v p w m d t c ) 空间矢量脉冲宽度调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h ，s v p w m ) 技术，从电动机 角度出发，着眼于如何使电机获得恒定的圆形磁链，即正弦磁链。它以三相对 称正弦波电压供电时，电机的理想圆形磁链轨迹为基准，用逆变器在不同开关 状态下产生的实际磁链，去逼近基准磁链，从而达到较高的控制性斛们。由于 s v p w m 具有谐波含量较少、直流母线电压利用率较高、算法易于工