畢業(yè)設(shè)計(jì)-三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頂點(diǎn)將沿著邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá) 和 的交點(diǎn)時(shí)，這時(shí)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(diǎn)會(huì)按照與 (001)平行的方向，沿著邊 的軌跡運(yùn)動(dòng)。到達(dá) 和 的交點(diǎn)時(shí)，若給逆變器加上電壓空間矢量 (101)，則定子磁鏈空間矢量 頂點(diǎn)會(huì)按照與 (101)平行的方向，沿著邊 的軌跡運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)。 10 U s 3 （ 0 0 1 ） U s 2 （ 0 1 1 ）U s 4 （ 1 0 1 ）U s 1 （ 0 1 0 ）U s 5 （ 1 0 0 ）U s 6 （ 1 1 0 ）s 6s 1s 5s 4s 3s 2βΨ s 圖 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關(guān)系 至此可以得到如下結(jié)論 : 頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量 的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對(duì)較小， 的運(yùn)動(dòng)軌跡近似平行 指示 的方向 。 ，比如在圖 ，依次給出定子電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6，則定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊 ，形成正六邊形定子磁鏈軌跡 。 ，母殺邊代表看一個(gè)周期定子磁鏈軌跡的 1/6 ，稱之為一個(gè)區(qū)段。 直接利用逆變器的六種工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)，簡(jiǎn)單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用 于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即直接自控制方案的基本思 11 想。 轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的性能，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定，要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)改變磁通角 來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過(guò)電壓空間矢量 來(lái)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響如圖 。在 時(shí)刻，磁通角為 ( )，此時(shí)施加電壓空間矢量(110)，定子磁鏈 將從 ( )旋轉(zhuǎn)到 ( )，運(yùn)動(dòng)軌跡為 (t)，平行于 (110)。而轉(zhuǎn)子磁鏈 不直接跟隨定子磁鏈，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角由 ( )增加到 ( )，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。如果在 時(shí)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(dòng)或反向旋轉(zhuǎn)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。 U s 6 （ 1 1 0 ）αβΨ s ( t 2 )? Ψ s ( t )Ψ s ( t 1 )Ψ r ( t 2 )Ψ r ( t 1 )θ ( t 2 )θ ( t 1 )ω s 圖 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 狀態(tài)和電壓狀態(tài) 一臺(tái)電壓型逆變器如圖 。由三組、六個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成。 12 MEE++u αV 1V 2V 3V 4V 5V 6u bu c 圖 電壓型逆變器原理圖 由于同一相上下橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件一個(gè)導(dǎo)通，則另一個(gè)關(guān)斷，所以三組開(kāi)關(guān)器件有八種可能的開(kāi)關(guān)組合。分別用 、 、 來(lái)表示三相上橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以 相為例，當(dāng) 相上橋臂導(dǎo)通時(shí)，記作 Sa = 0。當(dāng) 相上橋臂關(guān) 斷時(shí)，記作 Sa = 0。這樣，八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表 。 表 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以分成兩類 :一 類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài)“ 1”到“ 6”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去 。另一類開(kāi)關(guān)狀態(tài)是零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“ 7”和狀態(tài)“ 8”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。對(duì)于逆變器的八種開(kāi)關(guān)狀態(tài) ，對(duì)外部負(fù)載來(lái)說(shuō)，逆變器輸出七種不同的電壓狀態(tài)。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類 :一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)狀態(tài)“ 1”至“ 6”；分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“ 1”至“ 6” 。另一類是零電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于零開(kāi)關(guān)狀態(tài)“ 7” 和“ 8”。 空間矢量 理想交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等都是在空間位置上互差 120度的三維物 13 理量，可以把它們定義為空間矢量。以定子電壓空間矢量為例。為了將三維物理量轉(zhuǎn)換成二維物理量，以便合成空間矢量，這里引入 Park矢量變換。取三相定子坐標(biāo)系的“軸與 Park矢量復(fù)平 面的實(shí)鐘“重合，則電壓空間矢量 的 Park矢量變換為 : (26) 式中 —— 三相定子繞組的相電壓（ V） 對(duì)于圖 ，可以得到電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置，如圖 。其中開(kāi)關(guān)狀態(tài) (000) (111)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。電壓空間矢量的幅值不變，都等于 4E/3。空間矢量的順序從狀態(tài)“ 1”到狀態(tài)“ 6”逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是010011001101100110，所對(duì)應(yīng)的逆變器電壓狀態(tài)，即電壓空間矢量是u1u2u3u4u5u6。零電壓矢量位于六邊形的中心點(diǎn)。 12345 6U s 3 （ 0 0 1 ） U s 2 （ 0 1 1 ）U s 4 （ 1 0 1 ）U s 1 （ 0 1 0 ）U s 5 （ 1 0 0 ）U s 6 （ 1 1 0 ）t （ 切 向 ）n （ 徑 向 ）U s 2 （ ψ + ， t + ）U s 6 （ ψ + ， t ）U s 3 （ ψ ， t + ）U s 5 （ ψ ， t + ） 圖 電壓空間矢量 14 逆變器六個(gè)可能的工作電壓狀態(tài)輸出六個(gè)工作電壓空間矢量。由于定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)方向由電壓空間矢量的方向確定，所以定子磁鏈只能在這六個(gè)方向上運(yùn)行。定子磁鏈的任何其他方向的運(yùn)行，都只能通過(guò)六個(gè)電壓空間矢量的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。用六 個(gè)電壓空間矢量的組合的方法，就可以實(shí)現(xiàn)近似圓形定子磁鏈軌跡的運(yùn)行方式，如圖 。只要每個(gè)區(qū)段中的施加的 電壓空間矢量的數(shù)目足夠多，圓形定子磁鏈軌跡就能夠得到很好地近似。這要求配合轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器等控制單元，提供相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)。 圖 圓形定子磁鏈軌跡的實(shí)現(xiàn) 綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)定子電壓空間矢量的適當(dāng)選擇，使定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡近似圓形，運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 當(dāng)定子磁鏈空間矢量位于不同區(qū)間時(shí)，都要解決一個(gè) 既要考慮轉(zhuǎn)矩偏差又要兼顧磁鏈偏差，如何合理優(yōu)選開(kāi)關(guān)電壓矢量的問(wèn)題。 圖 給出了定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在區(qū)間 ① 的情形，在此區(qū)間內(nèi)選擇 和 是不合適的，因?yàn)闀?huì)使 復(fù)制急劇變化，而難以將其控制在滯環(huán)帶寬內(nèi)。可供選擇的電壓矢量有 、 、 、 以及 、 。由每個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量在定 子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)軌跡徑向和切向方向的投影，可以判斷出該開(kāi)關(guān)電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩所起的作用。前四個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用分別用 、 和 、 來(lái)表示，下標(biāo)“ +”號(hào)表示增加，下標(biāo)“ ”號(hào)表示減小。于是可根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)來(lái)合理選擇其中 15 的開(kāi)關(guān)電壓矢量。對(duì)于其他區(qū)間可做出同樣的合理選擇， 表 給出了六個(gè)區(qū)間的開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢表，表中用 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 來(lái)表示區(qū)間。 表 開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢表 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 1 1 0 1 1 1 0 1 表 中， ψΔ 的正負(fù)是根據(jù)滯環(huán)比較器的數(shù)字輸出來(lái)確定的 ，即 有 ： 若 sref ss Δ≤ ψψψ ，則輸出為 1， ψΔ 取 1。 若 sref ss Δ+≥ ψψψ ，則輸出為 0， ψΔ 取 1。 表 中， TΔ 的符號(hào)由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的三個(gè)輸出信號(hào) 來(lái)確定，當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚯靶D(zhuǎn)時(shí)，既有 若 eref ee Δ≤ TTT ， 則輸出為 1， TΔ 取 1。 若 ref ee ≥TT ，則輸出為 0， TΔ 取 0。 當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚝笮D(zhuǎn)時(shí)，既有 若 eref ee Δ+ ≥ TTT ，則輸出為 1， TΔ 取 1。 若 ref ee ≤TT ，則輸出為 0， TΔ 取 0。 同定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂撇煌氖牵姶呸D(zhuǎn)矩控制中采用了零電壓矢量 7su 和 8su ，主要是為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖 表示當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)際值達(dá)到滯環(huán)比較器下限值后，即 16 eref ee Δ≤ TTT ，選擇合適的開(kāi)關(guān)電壓矢量向前快速旋轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，當(dāng)轉(zhuǎn)矩由圖 中 A 點(diǎn)升高到 ref e=TTe 時(shí)候，開(kāi)始采用零電壓矢量，此時(shí)轉(zhuǎn)矩不會(huì)立刻停止變化，當(dāng) ref e≥TTe 時(shí)，零電壓矢量依然起作用，在其作用下，可以使轉(zhuǎn)矩的變化放緩慢。與此相反，電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限值之后，即 eref ee Δ+ ≥ TTT ，在選擇合適的開(kāi)關(guān)電壓矢量博士轉(zhuǎn)矩下降的過(guò)程中，也采用了零電壓矢量。可以由此看出，零電壓矢量能夠使得電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化變的緩和。通過(guò)利用零電壓矢量的這種作用，來(lái)進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)電壓矢量選擇進(jìn)行優(yōu)化，由此來(lái)減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。 00ABeTΔ+ref eT eΔ T 圖 采用零電壓矢量 對(duì)應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，電壓空間矢量 開(kāi)關(guān)信號(hào)的選擇也有兩種形式。 一種是通過(guò)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)信號(hào)和定子磁鏈所在區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表，最后通過(guò)所選電壓空間矢量輸出開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考電壓空間矢量的兩個(gè)分量，合成所需要施加的參考電壓空間矢量。但是，此時(shí)的電壓空間矢量是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標(biāo)系下的電壓空 間矢量，最后通過(guò) SVPWM方式輸出開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)給逆變器。 本章 介紹了三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 。闡述了直接轉(zhuǎn)矩控 制涉及到的基本概念，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，并 對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓空間矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)的選擇等問(wèn)題 做出了相應(yīng)的解釋和分析。 17 3 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 策略 圖 。途中 VSI表示電壓源逆變器，它能提供 8個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量。將定子磁鏈?zhǔn)噶繉?shí)際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器，同時(shí)將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與給定值比較厚的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出，由表 22給出的開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢表，可以確定開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇。但是 ，在查詢前，需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔ⅰD 31中的 ψS 表示的是區(qū)間順序號(hào) 。 圖 直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 18 定子磁鏈空間矢量可以用 DQ軸系統(tǒng)表示。 QDρjs ψjψe s +=Ψ=Ψ s （ 31） DQs ψψnrctρ aa= （ 32） sDs ψrcρ Ψco sa= （ 33） sQsψrcρΨsina= （ 34） 式中 22 +=Ψ QDs ψψ （ 35） 這樣。可以通過(guò)估計(jì)定子磁鏈交，直軸分量值 Dψ 和 Qψ 確定 sΨ