畢業論文-三相異步電機直接轉矩控制研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 為關斷狀態 O。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。 8 種不同的開關狀態組合下，輸出的相電壓和線 電壓如表 所示。 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行 3/2 變換可以得到表 ，根據表 可 以在 а β 坐標系上得到 8 個基本電壓空間矢量，如圖 所示。其中，包括兩 個零矢量和六個非零矢量，非零矢量的幅值都為 2Vdc/3，相角依次相差 60 度。 三相異步電機直接轉矩控制研究 12 表 基本空間電壓矢量 3. 直接轉矩控制的控制原理 對電動機的控制歸根結底是要實現對電磁轉矩的有效控制。在感應電動機矢量控制中，基本的控制思想是將定子電流作為控制變量，通過控制定子電流勵磁分量來控制轉子磁通、定子磁通或者氣隙磁通，在此基礎上，通過控制定子電流轉矩分量使可控制電磁轉矩。為此，先要進行磁場定向，之后在沿磁場定向的坐標系中將定子 電流空間矢甚變換為三相軸系的電流變量。總之，對電動機的控制是通過控制定子電流來間接控制電磁轉矩。 直接轉矩控制與矢量控制不同，它是直接將磁通和電磁轉矩作為控制變量， 因此無需進行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉矩的直接控制，無疑更為簡捷和快速，進 — 步提高了系統的動態響應能力。正因如此，雖然直接轉矩控制從理論提出到實際應用都滯后于矢量控制，但由于該方法本身固有的優勢，使直接轉矩控制的理論研究和技術開發越來越受到重視，進展的步伐也越來越快。 本章分析了直接轉矩控制的基本原理，對直接轉矩控制和矢量控制進行了比效性 分析。 三相異步電機直接轉矩控制研究 13 定子磁鏈矢量空間位置檢測 圖 。途中 VSI表示電壓源逆變器，它能提供 8個開關電壓矢量。將定子磁鏈矢量實際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環比較器，同時將轉矩實際值與給定值比較厚的差值輸入轉矩滯環比較器，根據兩個滯環比較器的輸出，由表 22給出的開關電壓矢量查詢表，可以確定開關電壓矢量的選擇。但是，在查詢前，需要提供定子磁鏈矢量的位置信息。圖 31中的 ψS 表示的是區間順序號。 圖 直接轉矩控制感應電動機 驅動系統 定子磁鏈空間矢量可以用 DQ軸系統表示。 QDρjs ψjψe s +=Ψ=Ψ s （ 31） 三相異步電機直接轉矩控制研究 14 DQs ψψnrctρ aa= （ 32） sDs ψrcρ Ψco sa= （ 33） sQsψrcρΨsina= （ 34） 式中 22 +=Ψ QDs ψψ （ 35） 這樣。可以通過估計定子磁鏈交，直軸分量值 Dψ 和 Qψ 確定 sΨ 的空間相位 sρ 和幅值 *sΨ 。但是，與矢量控制的要求不同，這里并不需要定子磁鏈矢量確切的位置信息，只要知道定子磁鏈矢量處于哪個區間就可以了。因此，可以簡單的利用定 子磁鏈兩個分量 Dψ Qψ 的符號信息，不利用三角函數的計算，只是利用比較器就可以完成了。例如，對于區間 ① ， Dψ 0，但這時可能存在 Qψ 0，也可能存在 Qψ 0這兩種情況。可以進一步利用定子 B相繞組磁鏈 Bψ 的信息。如圖 32所示，當定子磁鏈sΨ 位于 ① 區間時， Bψ 應小于 ，對于其他區間可以采用同樣的方法來確定。 定子磁鏈、轉矩和扇區的計算 定子磁鏈估計 要實現磁鏈和轉矩的閉環控制，就必須將磁鏈和轉矩的實際值準確地檢測出來 .實際上，很難采用直接手段檢測出轉矩和磁鏈的實際值，因此一般都是采用間接法，利用定子電壓、電流、轉速等直接測量的量，來重構轉矩和磁鏈的觀測值。所以定子磁鏈的準確觀測是異步電動機直接轉矩控制系統的重要組成部 分，起著決定性作用。磁鏈觀測模型，共有三種形式 : ui模型、 in模型、 un模型。 電壓 電流模型 ： 定子磁鏈的 ui模型如圖 。 三相異步電機直接轉矩控制研究 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果。其誤差是由定子電阻的存在引起的。由于這個原因， ui 模型在 30%額定轉速以上時，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 較準確地觀測出定子磁鏈。但是當定子頻率接近零時，用這種方法來確定定子磁鏈是不可能的，因為用做積分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失了，以致在穩定情況下只有誤差被積分。 根據式 (23)，在電機高速運行時，特別是在 30%額定轉速以上時，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，且結構簡單，精度較高。 在 30%額定轉速以下范圍內，電壓 u 較小， uRi 較小，定子電阻壓降的影響很大，由此引起的誤差較大，此時磁鏈只能根據轉速來正確計算。由定子電流與轉速來確定定子磁鏈的方法稱為 in 模型法。根據圖 31 可以推導 : (36) (37) 由此可以得到定子磁鏈的 in 模型，如圖 所示。 三相異步電機直接轉矩控制研究 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 模型中不出現定子電阻，也就是說不受定子電阻變化的影響。但是 in 模型受轉子電阻 、漏電感 ,主電感 L 變化的影響。此外 in 模型還要求精確的測量角速度 。 的測量誤差對 in 模型的結果影響很大。 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合的方法 (即 un模型 )，用定子電壓和轉速來獲得定子磁鏈。如圖 所示 : 三相異步電機直接轉矩控制研究 17 R SIIP IR SIIP IR rL σR rL σi s αi s α+? i+’Ψ s αΨ s β++++1L σ1L σ1L1L++Ψ r αΨ r αΨ r βΨ r βΨ s αΨ r α++++++i s β’i s βω 圖 un 模型 圖 29 中，電流調節“ PI”單元的作用是強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等 .如果電動機模型得到的電流 與實際測量到的電動機電流 不相等 .就會產生一個差值 送入到電流調節器的輸入端。電流調節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，電流調節器才停止調節。由此可見，由于引入了電流 調節器，使得電動機模型的仿真精度大大提高了。 電動機模型綜合了 ui 模型和 in 模型的優點，又很自然地解決了切換問題。高速時，電動機模型實際工作在 ui 模型下，磁鏈實際上只是由定子電壓與定子電流計算得到。由定子電阻誤差、轉速測量誤差以及電動機參數誤差引起的磁鏈誤差在這個工作范圍內將不再有意義。低速時，電動機模型實際工作在in 模型下。 三相異步電機直接轉矩控制研究 18 電磁轉矩估計 利用公式 33 可以進行電磁轉矩估計 )(=Ψ= DDnssne iψiψpipT （ 38） 式中 QD ψψ 和 是估計值， DQ ii 和 為實測值。 定子磁鏈和電磁轉矩的控制 在 DTC 控制理論中，核心就是通過選擇合理的電壓空間矢量，控制定子磁鏈的幅值保持在給定值附近，保持圓形的磁鏈軌跡，在此基礎上保持電磁轉矩快速跟隨給定值變化。在經典 DTC 控制理論中，定子磁鏈和電磁轉矩的控制都是通過滯環比較器實現的。其中，對定子磁鏈采取兩點式調節，對電磁轉矩采取三點式的調節，如式 ()和式 ()所示。 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。 ?? 和 T? 分別表示定子磁鏈和電磁轉矩的最大允許偏差。 假設某時刻定子磁鏈矢量 s? 、轉子磁鏈矢量 r? 的位 置如圖 所示 ， s? 處 于扇區 1 中，兩個半圓弧表示定子磁鏈幅值變化范圍的上下限。假設此時 s? 的幅值已經達到了上限，應該減小 s? 的幅值。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，滯環比較器輸出變為l，再選擇 U60(011)來增大 s? 的幅值。以此類推，如圖中虛線箭頭所示，就保證了 s?的幅值一直被限定在希望的范圍內。 三相異步電機直接轉矩控制研究 19 再考慮轉矩的控制，由前面分析已知，增大夾角 ? ，可以增大電磁轉矩，減小 ?則相應減小電磁轉矩。假設此時轉矩滯環比較器輸出 1，表示應該適當增大電磁轉矩，則選擇 U120(010)，使 s? 加速逆時針旋轉，以增大 ? ，從而增大電磁轉矩。至此，通過上面的分析可以得到，當 s? 處于扇區 l 中時，空間電壓矢量 U120(010)的作用是減小 s? 的幅值，同時增大電磁轉矩； U60(011)的作用 是增大 s? 的幅值，同時增大電磁轉矩； U240(100)的作用是減小 s? 的幅值，同時減小電磁轉矩； U300(101)的作用是增大 s? 的幅值，同時減小電磁轉矩。當施加零電壓矢量時，定子磁鏈矢量保持不變。 通過上面分析可以得到，在確定了定子磁鏈矢量所處的扇區后，再根據兩個滯環比較器的輸出信號，就 可以根據表 所示 ，合理地選擇相應的空間電壓矢量，控制定子磁鏈和電磁轉矩跟隨 給定值快速變化。 表 空間電壓矢量選擇表 三相異步電機直接轉矩控制研究 20 磁鏈調節和轉矩調節 磁鏈調節有兩種形式，第一種是施密特兩點式或三點式調節，或稱 BangBang調節，如圖 a) 為給定的定子磁鏈幅值， 為觀測到的定子磁鏈幅值，將兩者做差，得到的差值送入滯回比較器 :當差值大于設定容差時，輸出信號 為“ 1”，說明需要增大定子磁鏈 。當差值小于設定容差時，輸出信號 為“ 0”，說明需要減小定子磁鏈。另一種形式是 PI 調節， 如圖 b)所示。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 調節器，輸出所需要的電壓空間矢量分量，方向與定子磁鏈空間矢量平行，用來調 節定子磁鏈幅值。 圖 磁鏈調節 轉矩調節和磁鏈調節類似，也分為施密特兩點式或三點式調節和 PI 調節，如圖 a),圖 b)所示。調節原理與磁鏈調節相同。轉矩的 PI 調節輸出的是與定子磁鏈空間矢量垂直方向上的所需電壓空間矢量，用以調節定子磁鏈的旋轉速度，進而調節轉矩。 三相異步電機直接轉矩控制研究 21 圖 轉矩調節 起動問題 當電動機開始起動時，即在 t=0 時刻， 控制系統給定定子磁鏈參考值 ref sψ ,然后又在 t = 1t 時刻，給定電磁轉矩指令值 ref eT 。 由于定子歷次需要一個過程，定子磁場是逐步建立起來的，所以定子磁鏈矢量的幅值在 t = 1t 這個時刻之前，甚至過了 1t 時刻可能都還沒有達到參考值。因為如此，在起動初始時刻，若按照表 22 規定的規則選擇定子開關電壓矢量，那么在電磁轉矩達到其指令值之前，就只有一種狀態，即 TΔ 為“ +”號，定子磁鏈的狀態 ψΔ 也為“ +”號。如此，逆變器只能在這個規則下一次選擇非零開關電壓矢量，在這種情況之下，既不能選擇零電壓開關矢量，又沒有辦法實現對定子磁鏈的調制，這樣的結果是定子磁鏈矢量的軌跡呈靈變形，而不是圓形。在六分之一個周期內，定子磁鏈的幅值在拐角處達到最大，而后再減小，在下一個拐角處又一次達到最大 。 解決這一問題的方法是，在起動