直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速性能研究

1、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速性能研究摘 要直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是既矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的高速變頻調(diào)速技術(shù)具有動態(tài)響應(yīng)迅速?？刂坪唵?、受電機參數(shù)變化影響小的技術(shù)優(yōu)勢，能夠獲得非常好的動態(tài)性能。本文首先介紹了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)，搭建了各個模塊的仿真模型和異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型，對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能的進行分析研究，揭示了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在著低速轉(zhuǎn)矩脈動較大的缺點。接著，論文先分析了定子電阻的變化對異步電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動的影響，進而分析了電壓矢量作用時間的長短對異步電機轉(zhuǎn)矩脈動的影響，在上述分析研究了電壓矢量作用的長短對異步電機轉(zhuǎn)矩脈動的影

2、響，在上述分析研究的基礎(chǔ)上，建議了一種采用在線定子電阻辨識與轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制相結(jié)合的控制方案，構(gòu)成了改進的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；異步電動機；圓形磁鏈；轉(zhuǎn)矩脈動；轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制；第一章 引言1.1 交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是，從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進展緩慢.在相當(dāng)長時期內(nèi)，在變速傳動領(lǐng)域，直流調(diào)速

3、一直以其優(yōu)良的性能領(lǐng)先于交流調(diào)速。60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競爭。目前，交流調(diào)速逐步代替直流調(diào)速的時代已經(jīng)到來。電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀50年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構(gòu)成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交變電壓，取代旋轉(zhuǎn)變頻機組實現(xiàn)了變頻調(diào)速，然而晶閘管屬于半控型器件，可以控制導(dǎo)通，但不能由門極控制關(guān)斷.因此，由普通晶閘管組成的逆變器用于交流調(diào)速必須附加強迫換向電路。70年代后期，以功率晶體管(GTR)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應(yīng)管(Power MOSFET)為代表

4、的全控型器件先后問世，并迅速發(fā)展，通過對這些器件門極(基極、柵極)的控制，既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。它不再需要強迫換向電路，使得逆變器構(gòu)成簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。此外，這些器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開關(guān)速度較高的電路。在80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和GTR通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身，性能十分優(yōu)越，目前是用于中小功率范圍最為流行的器件。與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶體管(MCT)則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性

5、，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率開關(guān)器件。電力電子器件正在向大功率、高頻化、智能化發(fā)展。80年代以后出現(xiàn)的功率集成電路(Power IC-PIC)，集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護電路、接口電路于一體，目前己用于交流調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent Power Module-IPM)采用IGBT作為功率開關(guān)，含有驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護電路，實現(xiàn)了信號處理、故障診斷、自我保護等多種智能功能，既減少了體積、減輕了重量、又提高了可靠性，使用維護都更加方便，是功率器件的發(fā)展方向?，F(xiàn)代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術(shù)是主要使用的變換器控制技術(shù)，常用的PWM控制技術(shù)有：

6、基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制。 基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制。 基于電流環(huán)跟蹤的CHPWM控制。 電壓空間矢量控制SVPWM控制。在以上的4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第4種則以被控電機的算法簡單，因此目前應(yīng)用最廣。由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，與直流電動機相比，轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。上世紀70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別

7、控制的目的。這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制，獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代。直接轉(zhuǎn)矩控制是20世紀80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年由德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授首次提出，接著1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。不同于矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制有著自己的特點。它在很大程度上解決了矢量控制中計算復(fù)雜、特性易受電動機參數(shù)變化的影響、實際性能難以達到理論分析結(jié)果的一些重大問題。其思路是把電機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐

8、標(biāo)系進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩計算，通過磁鏈跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去了矢量控制的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化。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)良的靜動態(tài)性能受到普遍的注意和得到迅速的發(fā)展。近十多年來，各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量，進行速度估算以取代速度傳感器。其關(guān)鍵在于在線獲取速度信息。除了根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算電動機轉(zhuǎn)速外，目前應(yīng)用較多的有模型參考自適應(yīng)法和擴展卡爾曼濾波法。無速度傳感器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護

9、等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計算機功能的不斷提高，使交流變頻調(diào)速系統(tǒng)逐步向全數(shù)字化控制系統(tǒng)發(fā)展。數(shù)字化控制系統(tǒng)不同于模擬控制系統(tǒng)，它的主要任務(wù)是設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器。常用的控制方法有：程序和順序控制、直接數(shù)字控制、PID控制、最優(yōu)控制等。其中，數(shù)字式PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法。PID控制經(jīng)過40多年的應(yīng)用和發(fā)展，從I型發(fā)展到W型，性能不斷提高，積累的經(jīng)驗越來越多，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。微型計算機在PID控制中的應(yīng)用，又使PID控制得到進一步發(fā)展，出現(xiàn)非線性PID控制算法、選擇性PID控制算法、自適應(yīng)PID控制算法和模

10、糊PID控制算法等。所有這些算法都是在基本PID算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動機控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，德語稱為DSR，英語稱之為DTC，是自七十年代發(fā)展起來的繼矢量控制技術(shù)之后又一新型高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。 1977年，A . B . Piunkett研究PWM逆變器感應(yīng)電機傳動系統(tǒng)中就考慮了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制，只是苦于當(dāng)時對瞬時主磁通的測量沒有一個很好的解決方法，使其實現(xiàn)起來頗具困難

11、而未曾引起廣泛的注意。 1981年，日本學(xué)者S . Yamamura在開發(fā)交流電機速度控制系統(tǒng)時提出了磁場加速控制法，關(guān)鍵性地指出如果維持氣隙磁場幅值不變，諸如電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等其他物理量僅為轉(zhuǎn)差的函數(shù)，此時只需通過調(diào)節(jié)氣隙磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，改變其對轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)差頻率就可以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。 1983年，日本學(xué)者Y . Murai等人將瞬時空間電壓矢量理論應(yīng)用于PWM逆變器感應(yīng)電動機傳動系統(tǒng)中，他們把逆變器和電動機看成一個整體，綜合三相電壓進行控制，提出了磁鏈軌跡控制法，基于電壓、磁鏈空間矢量概念，成功地解決了瞬時主磁鏈的計算問題，并且較方便地控制其幅值在整個調(diào)速范圍內(nèi)近似保持不變，使其軌跡接

12、近于圓形。1985 年 ， 德 國 魯 爾 大 學(xué) 的 M . Depenbrock 教授通過對瞬時空間理論的研究，首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著 1987 年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。隨后日本學(xué)者者 I . Takahashi 也提出類似的控制方案，并獲得了令人振奮的控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一經(jīng)誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔的結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到廣泛的關(guān)注，并得到迅速的發(fā)展。目前在德國，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于兆瓦級的電力機車牽引上。日本研制成功的 1.5kw直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速裝置，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)頻率高達 2kHz，沖擊轉(zhuǎn)矩可瞬時達到額定轉(zhuǎn)矩的 20 倍，使電機從 500

13、 500 轉(zhuǎn)/分的 反 轉(zhuǎn) 時間只有4ms。在電氣傳動領(lǐng)域中，這幾項指標(biāo)均居目前世界最高記錄。當(dāng)前，德國、日本、美國等都競相發(fā)展該項技術(shù)，今后的發(fā)展趨勢是采用第四代電力電子器件及數(shù)字化控制元件，向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用推出全數(shù)字化最優(yōu)直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機變頻調(diào)速裝置。1.3直接轉(zhuǎn)矩控制的特點接轉(zhuǎn)矩控制有以下幾個主要特點8：(1)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型、控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型；它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計算。因此，它所需要的信號處理工作特別簡

14、單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。(2)直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動機轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。(3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。(4)直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。1.4直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.5論文研究內(nèi)容1.6論文研究意義第二章異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制策略2.1異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型二、數(shù)學(xué)模型

15、1異步電動機轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型異步電動機的空間矢量等效圖如圖1所示該等效電路是在正交坐標(biāo)系（-坐標(biāo)系）上描述異步電動機的。其中：US（t）-定子電壓空間矢量iS（t）-定子電流空間矢量ir（t）-轉(zhuǎn)子電流空間矢量U（t）-定子磁鏈空間矢量r（t）-轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量-電角速度則異步電動機在定子坐標(biāo)系上各方程可表示如下：電壓方程：（1）（2）磁鏈方程：（3）（4）轉(zhuǎn)矩方程：（5）若用轉(zhuǎn)子磁鏈代替定子電流，轉(zhuǎn)矩方程將變成如下形式：（6）或(7)是磁通角，即定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電動機，而轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負載決定。如果要改變異步電動機的轉(zhuǎn)矩，可

16、通過改變磁通角來實現(xiàn)。2異步電動機磁鏈的數(shù)學(xué)模型目前磁鏈模型主要有三種，分別適用于不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)用。（1）u-i模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上，采用u-i模型，其表達式為：（8）從此式可看出，在計算過程中唯一所需了解的電動機參數(shù)是易于確定的定子電阻。同樣，定子電壓us（t）和轉(zhuǎn)子電流is（t）也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來。計算出定子磁鏈后，再把定子磁鏈和測量所得的定子電流代入式（5）就可計算出電動機的轉(zhuǎn)矩。此模型中關(guān)鍵是要準確確定定子磁鏈，即要求定子電壓和定子電阻壓降之間的差值存在且誤差可忽略，而只有在30%額定轉(zhuǎn)速以上時才能達到這一要求。（2）i-n模型在30%額定轉(zhuǎn)速以下，由

17、于定子頻率很低（僅有幾赫茲），電動機端電壓很小，定子電阻RS的變化導(dǎo)致u-i模型中積分項is（t）RS誤差較大，故采用i-n模型，其表達式為：（9）（10）在30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算。在i-n模型中正是用定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈。該模型在這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是合適的。但要注意在使用i-n模型時要求準確測量角速度，這是因為角速度的測量誤差首先引起轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差，再由轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差引起定子磁鏈的誤差，最終引起轉(zhuǎn)矩誤差，故對轉(zhuǎn)速要求有較高精度的測量。對于u-i模型和i-n模型的應(yīng)用必須有合理的安排，不同的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)采用不同的磁鏈模型。在高速時采用u-i模型，因其模型不僅簡單，

18、而且精度也高，受參數(shù)的影響小；在低速時采用i-n模型，因為低速時受定子電阻的影響u-i模型已不能正確工作。（3）u-n模型由于在由u-i模型向i-n模型切換時，快速平滑切換的困難使得這種解決方案產(chǎn)生問題，而u-n模型是一個在全速范圍都實用的磁鏈模型。u-n模型綜合了u-i模型和i-n模型的特點，由上面所提到的轉(zhuǎn)子方程式（10）和定子方程式（1）及磁鏈方程式（3）、（4）組成。關(guān)鍵在于使用了電流PI調(diào)節(jié)器，強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等，同時精度大大提高，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。通過使用u-n模型，解決了u-i模型向i-n模型快速平滑切換問題，并且使電動機在高速時工作在u-i模型下，低速時工作在i-n模型下。2.4 逆變器模型 逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖電路的具體實現(xiàn)。圖 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路的特點(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(2) 輸出電壓為矩形波，