【正文】 ........... 31 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 1 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 中文 摘要： 對于三相異步電機來說，直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）是一種高性能的變頻調(diào)速控制方案。三相異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型、高性能變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)全數(shù)字化的特點，得到廣泛應(yīng)用。而直接轉(zhuǎn)矩控制是高性能交流調(diào)速技術(shù)中潛力最大的一種，而且其控制方法本身非常適合全數(shù)字化實現(xiàn)，所以對其進(jìn)行深入的研究具有良好的現(xiàn)實意義。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的 發(fā)展。 本論文研究采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。 第二部分，建立三相異步電機的數(shù)學(xué)模型，明確直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。 第四部分， 用 MATLAB 的 SIMULINK 工具對所設(shè)計的三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 ，并根據(jù)仿真結(jié)果分析系統(tǒng)的動、靜態(tài)控制效果。在能源開采、工業(yè)生產(chǎn)以及交通物流等等領(lǐng)域中，電機傳動設(shè)備更是必不可少的，可以說它與我們的生活息息相關(guān)。交流異步感應(yīng)電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、成本低廉以及維護(hù)簡單的特點，在其中占據(jù)了絕大多數(shù)。而在使用的所有電機中，80％以上為功率在 220KW 以下的中小 型交流感應(yīng)異步電機。目前，我國在相關(guān)技術(shù)的研究和產(chǎn)品化上跟國外先進(jìn)水平還相去甚遠(yuǎn)。 因此，為了滿足不斷發(fā)展的實際需求，同時減小能源損耗，延長電機壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機調(diào)速技 術(shù)。 但是，由于交流感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型具有多變量、高階數(shù)、強耦合以及非線性等等特點，使得對其進(jìn)行高效和精確的調(diào)速控制非常困難。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。 (2)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦的矢量控制技術(shù)，也稱矢量控制。 在這些方法中，尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。它的主要思想是利用滯環(huán)比較器實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，結(jié)合扇區(qū)信息，通過一個開關(guān)表有選擇地輸出基本空間電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈按要求快速變化。相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標(biāo)系，摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦過程，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)也更好。 (1)由于在控制過程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性，而忽略了誤差的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬，從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動，影響實際性能。 (3)在定子磁鏈觀測時采用了 U． I 模型，導(dǎo)致在低速運行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。 目前，國外的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品化，瑞典 的 ABB 公司、Emtron 公司等都有相關(guān)的變頻器問世。但是總體來說，我國針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究目前還停留在理論研究和仿真實驗的階段，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，要想拿出有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)產(chǎn)品，還有很遠(yuǎn)的路要走?？梢灶A(yù)見，具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好技術(shù)性能的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 6 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的種種不足，世界各國的研究者就進(jìn)行了大量的工作，也取得了相當(dāng)多的成果。在控制算法中，電機參數(shù)是必不可少的量。電機參數(shù)的辨識包括啟動前的離線辨識和電機運行過程中的在線辨識，離線辨識用于為控制算法的計算提供原始數(shù)值，在線辨識是為了適應(yīng)實際運行中電機參數(shù)發(fā)生變化的情況，進(jìn)行實時的參數(shù)修正，以保證對電機控制性能的優(yōu)良。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的觀測準(zhǔn)確與否直接決定了控制性能，精度高同時簡單易行的磁鏈觀測方法具有非常重要的意義。在直接轉(zhuǎn)矩控制中需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速這個參數(shù)，通常情況下是采用加裝速度傳感器的方法來獲取速度信息，但是在復(fù)雜的實際情況中，加裝傳感器不僅非 常麻煩，而且會帶來額外的成本，因此，采用一定的算法來估計電機的轉(zhuǎn)速非常有必要。經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制中對磁鏈和轉(zhuǎn)矩采取滯環(huán)比較器進(jìn)行控制，它只考慮了誤差的方向而忽略了大小，會造成很大的脈動，影響系統(tǒng)性能。不論是對于經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，研究的對象都是被控對象的數(shù)學(xué)模型。 異步電動機的空間矢量等效電路圖如圖 u sΨ s Ψ ri sR sL σ i s 圖 異步電動機空間矢量等效電路圖 將旋轉(zhuǎn)空間矢量在 α 軸上的投影稱為 α 分量，在正交的 β 軸上的投影稱為 β 分量，則有電壓公式 ： s s s ss s s su R iu R i????? ? ? ???? ? ??? (21) 其中，下標(biāo) α ,β 分別表示對應(yīng)空間 α 矢量和 β 分量和分量。 電壓空間矢量對定子磁鏈的影響 對于式 (23)，若忽略定 子電阻壓降的影響，則有 : ssssu dtu dt??????????????? (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系，該關(guān)系見圖 。當(dāng)定子磁鏈空間矢量 ，在圖 24所示位置時，其頂點在邊 上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011)，根據(jù)式 (25)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關(guān)系，定子磁鏈空間矢量的頂點將沿著 邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運動，到達(dá) 和的交點時，這時如給逆變器加上電壓空 間矢量 (001)，則定子磁鏈空間矢量 ，頂點會按照與 (001)平行的方向，沿著邊 的軌跡運動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子磁鏈空間矢量 ，將依次沿著 、 、 的軌跡運動。 ，比如在圖 ，依次給出定子電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6，則定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊 ，形成正六邊形定子磁鏈軌跡 。 直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)，簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用于控制電動機的轉(zhuǎn)矩。 電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響 轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 有關(guān)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通 過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角，以達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。在 時刻，磁通角為 ( )，此時施加電壓空間矢量 (110)，定子磁鏈 將從 ( )旋轉(zhuǎn)到 ( )，運動軌跡為 (t)，平行于 (110)。如果在 時刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉(zhuǎn)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。一個電壓型三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)如圖 所示。它主要由六個開關(guān)組成，可以分為三組，每個橋臂上兩個。逆變器的三個橋臂 A、 B 和 C 分別連接到電 機的定子的三相接出端子上，黜代表定子電阻，三相電阻平衡， N 為中心點。 表 逆變器輸出的相電壓和線電壓 對表 所示的定子三相電壓進(jìn)行 3/2 變換可以得到表 ，根據(jù)表 可 以在 а β 坐標(biāo)系上得到 8 個基本電壓空間矢量，如圖 所示。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 12 表 基本空間電壓矢量 3. 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原 理 對電動機的控制歸根結(jié)底是要實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。為此，先要進(jìn)行磁場定向，之后在沿磁場定向的坐標(biāo)系中將定子電流空間矢甚變換為三相軸系的電流變量。 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它是直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)矩作為控制變量， 因此無需進(jìn)行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控 制，無疑更為簡捷和快速，進(jìn) — 步提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。 本章分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，對直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制進(jìn)行了比效性分析。途中 VSI表示電壓源逆變器，它能提供 8個開關(guān)電壓矢量。但是，在查詢前，需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔ⅰ? 圖 直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng) 定子磁鏈空間矢量可以用 DQ軸系統(tǒng)表示?？梢酝ㄟ^估計定子磁鏈交，直軸分量值 Dψ 和 Qψ 確定 sΨ 的空間相位 sρ 和幅值 *sΨ 。因此，可以簡單的利用定子磁鏈兩個分量 Dψ Qψ 的符號信息，不利用三角函數(shù)的計算，只是利用比較器就可以完成了?？梢赃M(jìn)一步利用定子 B相繞組磁鏈 Bψ 的信息。 定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩和扇區(qū)的計算 定子磁鏈估計 要實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，就必須將磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實際值準(zhǔn)確地檢測出來 .實際上，很難采用直接手段檢測出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值，因此一般都是采用間接法，利用定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等直接測量的量，來重構(gòu)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測值。磁鏈觀測模型，共有三種形式 : ui模型、 in模型、 un模型。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 15 圖 定子磁鏈的 ui 模型 在計算過程中唯一所需要了解的電動機參數(shù)是易于確定的定子電阻 .定子電壓 u,和定子電流 i 同樣也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來 .ui 模型只有在被積分的差值較大時才能提供正確的結(jié)果。由于這個原因， ui 模型在 30%額定轉(zhuǎn)速以上時，測量誤差及積分漂移的影響變的微不足道，采用此模型才能比較準(zhǔn)確地觀測出定子磁鏈。 根據(jù)式 (23)，在電機高速運行時，特別是在 30%額定轉(zhuǎn)速以上時，電壓 u 較大，uRi 較大，定子電阻壓降的影響很小，由此引起的誤差較小，此時 ui 模型可以很好地確定定子磁鏈，且結(jié)構(gòu)簡單，精度較高。 由定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的方法稱為 in 模型法。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 16 L σI++Ψ r αLL σ1 +R rL σΨ s αR rL σI+Ψ r βL σ+L1 +L σΨ s β++i s αi s βωΨ r αΨ r β++ 圖 in 模型 與 ui 模型相比 in 模型中不出現(xiàn)定子電阻，也就是說不受定子電阻變化的影響。此外 in 模型還要求精確的測量角速度 。 綜合以上 ui 模型和 in模型的特點，我們可以采用兩種模型相結(jié)合的方法 (即 un模型 )，用定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。電流調(diào)節(jié)器就會輸出補償信號加到積分單元的輸入端，以修正 和電流值，直至 完全等于 為止， 才為零，電流調(diào)節(jié)器才停止調(diào)節(jié)。 電動機模型綜合了 ui 模型和 in 模型的優(yōu)點，又很自然地解決了切換問題。由定子電阻誤差、轉(zhuǎn)速測量誤差以及電動機參數(shù)誤差引起的磁鏈誤差在這個工作范圍內(nèi)將不再有意義。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 18 電磁轉(zhuǎn)矩估計 利用公式 33 可以進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩估計 )(=Ψ= DDnssne iψiψpipT （ 38） 式中 QD ψψ 和 是估計值， DQ ii 和 為實測值。在經(jīng)典 DTC 控制理論中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制都是通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)的。 11S???????不 變 ?????????? ?? ?? ??? ? ? （ ） 101TS???????????不 變不 變 T0T00TTTTTTT??????? ? ???? ? ? ?? ? ? （ ） 其中， *ss?? ? ? ? ?， *eeT T T? ? ? ，即參考值和實際值的差值。 假設(shè)某時刻定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?r? 的位 置如圖 所示 ， s? 處 于扇區(qū) 1 中，兩個半圓弧表示定子磁鏈幅值變化范圍的上下限。此時選擇 U120(010),則 s? 的矢頭會沿著與U120(010)平行的方向移動，直到 s? 的幅值減到下限值； 此時，滯環(huán)比較器輸出變?yōu)閘，再選擇 U60(011)來增大 s? 的幅值。 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 19 再考慮轉(zhuǎn)矩的控制，由前面分析已知，增大夾角 ? ，可以增大電磁轉(zhuǎn)矩，減小 ?則相應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩。至此，通過上面的分析可以得到，當(dāng) s? 處于扇區(qū) l 中時，空間電壓矢量 U120(010)的作用是減小 s? 的幅值，同時增大電磁轉(zhuǎn)矩； U60(011)的作用是增大 s? 的幅值，同時增大電磁轉(zhuǎn)矩； U240(100)的作用是減小 s? 的幅值，同時減小電磁轉(zhuǎn)矩； U300(101)的作用是增大 s? 的幅值，同時減小電磁轉(zhuǎn)矩。 通過上面分析可以得到，在確定了定子磁鏈?zhǔn)噶克幍纳葏^(qū)后，再根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出信號，就 可以根據(jù)表 所示 ，合理地選擇相應(yīng)的空間電壓矢量，控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定值快速變化。當(dāng)差值小于設(shè)定容差時，輸出信號 為“ 0”，說明需要減小定子磁鏈。它是將定子磁鏈幅值和觀測到的定子磁鏈幅值的差值送入 PI 調(diào)節(jié)器，輸出所需要的