西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁(yè) a b s t r a c t n o w a d a y s ，a cs p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lf i e l d s t h e h i g h l yd e v e l o p i n ge c o n o m yr e q u e s t st h a ta cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e ms h o u l dh a v eh i g h e r p r e c i s i o n ，w i d e rs p e e d - r e g u l a t i n gr a n g ea n df a s t e rr e s p o n s e ，w h i c hu r g e sp e o p l et os t u d yt h e a cs p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y c o n t i n u o u s l y a l o n g 、現(xiàn)t t l t h er a p i dd e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , n e wp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n d m i c r o p r o c e s s o rm a k et h ea cs p e e d r e g u l a t i o ns y s t e mm o r ei n t e g r a t e da n di n t e l l i g e n t ；a n dt h eh a r d w a r ei sb e c o m i n gm o r ec o m p a c t a n ds i m p l e t h ea cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd s pa n dp mh a sb e c o m em o r ea n d m o r ed e s i g n e r s p r e f e r r e dc h o i c e t h e r e f o r e ，i no r d e rt ov 耐矽t h en e wa cs p e e dr e g u l a t i o n t e c h n o l o g y , a cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do n1 m s 3 2 0 f 2 81 2a n dp m 5 0 i 遲a 1 2 0h a sb e e n b u i l tu p i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t , c o n t r o lc i r c u i t , p r o t e c t i o nc i r c u i t , a n d d e t e c t i o nc i r c u i ti si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g ni sa l s od i s c u s s e d d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yo fi n d u c t i o nm o t o r , w h i c hf o l l o w st h e f i e l d - o r i e n t e dc o n t r o ls i n c e19 8 0 s ，i san e wc o n t r o lm e t h o df o rm o t o rd r i v e d i f f e r e n tf r o mt h e d e c o u p l i n ga l g o r i t h mo ff i e l d - o r i e n t e dc o n t r o l ，d t cc o n t r o l st h em o t o rt o r q u ed i r e c t l y , t h e r e f o r e , i th a sh i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c e i to n l yn e e d ss i m p l ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n w i t ha nu n c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，i tc a l c u l a t e st h ef l u xa n dt h et o r q u eo fa ce l e e t r o m o t o ru s i n g s t a t o rp a r a m e t e r , s oi t sn o ts e n s i t i v et ot h er o t o rp a r a m e t e r s c o n s e q u e n t l y , d t ch a sab r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s o ，r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t h a sb e c o m eah o ts p o t f o rt h ed t cs y s t e m ，t h em o r ei n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e dw h i c hc a ni m p r o v et h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，w h e nu s i n gt h eh i g h e rs a m p l i n gf r e q u e n c y t h ea d c o n v e r s i o nt i m eo ft m s 3 2 0 f 2 812i so n l ys c o r e sn s ，s oi tc a np r o v i d eah i g h e rs a m p l i n g f i e q u e n e yf o rd t cs y s t e m b u tb e i n gl i m i t e db yt h ei n v e r t e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y , t r a d i t i o n a l d t cs y s t e mw o r k su n d e ral o w s a m p l i n gf r e q u e n c y , a n di t sp e r f o r m a n c ei sr e s t r i c t e ds e r i o u s l y t h i sp a p e rc o m b i n e st h em u l t i r a t ed i g i t a lc o n t r o lt h e o r yw i t hd t cs y s t e m ，d e d u c e san e w m e t h o dt oc a l c u l a t es t a t o rf l u xo ft h ei n d u c t i o nm o t o r t h es a m p l i n gf r e q u e n c yo ft h em o t o r s o u t p u ts t a t ei sa u g m e n t e dm e a n w h i l ee n s u r e dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c ym e e t st h ed e m a n do f i n v e r t e r i nt h i sp a p e r , m a t l a b s i m u l i n km o d e l so ft r a d i t i o n f ld t c s y s t e ma n dd t cs y s t e mb a s e d o nm u l t i r a t ed i g i t a lc o n t r o lt h e o r yh a v eb e e nb u i l tu pt o 謝矽t h e f e a s i b i l i t yo ft h et w ok i n d s o fm e t h o d si nt h e o r e t i c a l l y t h e n , s e l e c t i n gt h e2 2 k wm o t o r 勰t h ec o n t r o l l e do b j e c t s ，a n d 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i i 頁(yè) e x p e r i m e n t i n go i lt h ea cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m t h ed e s i g no fs o t t w a r ea n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r ed e s i g ni s r e a s o n a b l e ；t h ed t cs y s t e mh a sh i g hp r e c i s i o n , s t e a d ys p e e d , a n dg o o dd y n a m i ca n ds m i l e p e r f o r m a n c e t h el l e wa l g o r i t h mb a s e do nm u l t i r a t ed i 。班a lc o n t r o lt h e o r ym e e t st h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t s i ti sf e a s i b l ea n dh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e st os o m ed e g r e e k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 f 2 81 2 ；p m 5 0 r s a l 2 0 ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；m u l t i r a t es a m p l i n g ；f l u x o b s e r v e r ；s i m u l i n k 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向 國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西 南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書； 2 不保密d 使用本授權(quán)書。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打v ”) 學(xué)位論文作者簽名： 訝夠聲 日期：沙f d j 2 多 指導(dǎo)老師簽名： 啉出f e s 、2 ) 西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文主要工作( 貢獻(xiàn)) 聲明 本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻(xiàn)如下： 1 在深入了解交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，搭建了基于智能功率模塊( r a m ) p m 5 0 r s a l 2 0 和數(shù)字信號(hào)處理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的交流調(diào)速系統(tǒng)，并對(duì)硬件設(shè)計(jì)部 分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 2 研究了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理，對(duì)定子磁鏈觀測(cè)方法、電壓空間矢量的作用 效果等做了詳細(xì)的介紹，利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了近似圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 模型，從理論上驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。 3 研究了異步電機(jī)在多采樣率條件下的離散數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用輸出多采樣率控制理 論推導(dǎo)出了定子磁鏈觀測(cè)算法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制，并搭建仿真模型驗(yàn)證 了新算法的可行性。 4 在所搭建的交流調(diào)速系統(tǒng)上，分別完成了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制和基于多采樣率的 直接轉(zhuǎn)矩控制的軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了交流調(diào)速實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的合理性以及兩種控制算法的有效性。 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成果。 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明。本人完全 了解違反上述聲明所引起的一切法律責(zé)任將由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 弘夠聲 日期： 弘。，歲2 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 第1 章緒論 1 1 交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)是2 0 世紀(jì)后期人類社會(huì)的重大進(jìn)步之一，其發(fā)展速度之快，應(yīng) 用覆蓋面之廣均是前所未有的，它使得電機(jī)這一古老的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置得到新的發(fā) 展和廣泛的應(yīng)用，極大地提高了工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，改善了人們的生活質(zhì)量。 長(zhǎng)期以來，由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平有限，鑒于直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)相比具有 優(yōu)越的調(diào)速性能，所以高性能的調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流電動(dòng)機(jī)。但是，直流電動(dòng)機(jī)本 身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷等器件，這給直流調(diào)速系統(tǒng)的容量和應(yīng)用場(chǎng)合帶來 了一系列的限制i l j 。 2 0 世紀(jì)6 0 年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界各國(guó)重視 交流調(diào)速技術(shù)的研究和開發(fā)。尤其是自從2 0 世紀(jì)7 0 年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，使 得交流調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)、靜態(tài)性能上能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，矢量控制的控制思想 給高性能的交流調(diào)速技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。但是，受限于電力電子器件的發(fā)展，當(dāng)時(shí) p w m 逆變器剛剛出現(xiàn)，g t r 和g t o 尚處于開發(fā)初期，矢量控制系統(tǒng)采用的逆變器均 由晶閘管構(gòu)成。這種逆變器不僅體積大、質(zhì)量重，而且無(wú)法適應(yīng)急劇的加速和負(fù)荷沖 擊，大大限制了矢量控制器的應(yīng)用范臥2 1 。 隨著電力電子器件的發(fā)展、新型電路變換器的不斷出現(xiàn)以及微處理器的功能日趨 強(qiáng)大，使得交流調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，幾乎所有新的控 制理論、控制方法都可以在交流調(diào)速裝置上嘗試和應(yīng)用，這使得矢量控制技術(shù)得以在 調(diào)速領(lǐng)域中發(fā)揮其出色的控制性能。受矢量控制技術(shù)的啟迪，又派生出了諸如多變量 解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等方法。繼矢量控制之后交流調(diào)速控制理論的另一大突破 便是由德國(guó)魯爾大學(xué)d e p e n b r o c k 教授提出的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，較之矢量控制，直接 轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以獲得更大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 1 1 1 電力電子技術(shù)及微處理器的發(fā)展 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)， 向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)的發(fā)展與電力 電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，先后經(jīng)歷了晶閘管時(shí)代，逆變時(shí)代及現(xiàn)代電力電子時(shí)代。 電力電子器件的研制始于2 0 世紀(jì)5 0 年代，第一只晶閘管的問世使得整流器可以 高效地把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，因此2 0 世紀(jì)6 0 年代到7 0 年代，晶閘管的開發(fā)和應(yīng)用 得到極大的發(fā)展，可以稱為電力電子技術(shù)的晶閘管時(shí)代。2 0 世紀(jì)7 0 年代到8 0 年代， 由于全控型的器件的出現(xiàn)，伴隨著能源危機(jī)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了變頻調(diào)速的逆變時(shí) 代，g t r 和g t o 成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。2 0 世紀(jì)8 0 年代末期到9 0 年代初期 發(fā)展起來的，以功率m o s f e t 和i g b t 為代表的，集高頻、高壓和大電流于一身的功 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) 率半導(dǎo)體復(fù)合器件使得傳統(tǒng)電力電子時(shí)代向現(xiàn)代電力電子時(shí)代邁進(jìn)【3 1 。將i g b t 與其驅(qū) 動(dòng)和保護(hù)電路集成為緊湊的多芯片結(jié)構(gòu)，對(duì)i g b t 的發(fā)展起著重大作用。例如，三菱 公司的i p m ，作為獨(dú)特的功率集成電路產(chǎn)品，使用了表面貼裝技術(shù)( s m t ) ，將多個(gè)i g b t 及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成在一個(gè)模塊內(nèi)。2 0 世紀(jì)8 0 年代后期p m 已經(jīng)產(chǎn)品化， 在很多應(yīng)用領(lǐng)域得到發(fā)展的同時(shí)，技術(shù)上也在不斷進(jìn)步。 目前，許多國(guó)家都在努力開發(fā)大容量器件，6 0 0 0 v 耐壓的i g b t 已產(chǎn)品化，i e g t 是將i g b t 和g t o 的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的新型器件，性能已達(dá)到1 5 0 0 a 4 5 0 0 v 水平；i g c t 是在g t o 的基礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開通時(shí)相當(dāng)于晶閘管，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于 晶體管，從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達(dá)幾千赫茲，目 前推出的i g c t 可達(dá)4 5 0 0 , 4 5 5 0 0 v ，3 0 0 0 - 4 0 0 0 a 水平【4 j 。 新型器件的發(fā)展使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化大容量方向發(fā)展，為用電設(shè)備的高 效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前， 電力電子技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等、電力 節(jié)能領(lǐng)域，如對(duì)風(fēng)機(jī)水泵等的變頻改造，以及家電行業(yè)當(dāng)中，成為信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)之間的橋梁，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演越來越重要的角色。同時(shí)，電力電子器件的蓬勃發(fā) 展和迅速換代也促進(jìn)了交流調(diào)速控制技術(shù)的迅速發(fā)展和變頻調(diào)速裝置的現(xiàn)代化，為交 流調(diào)速技術(shù)的實(shí)用化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 除此以外，微處理器的迅速發(fā)展也極大地促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。早期的交 流調(diào)速系統(tǒng)由于完全由模擬電子器件構(gòu)成，系統(tǒng)成本高、體積大、可靠性低、調(diào)節(jié)器 參數(shù)調(diào)整困難，因此難于適應(yīng)各種新型的控制策略。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制處理芯片和微處理器的運(yùn)算能力和可靠性得到 了很大的提高。以單片機(jī)為控制核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)不斷地取代傳統(tǒng)的模擬器件 控制系統(tǒng)，例如早期推出的m c s 5 1 系列單片機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域的控制系統(tǒng)之 中。但對(duì)于交流調(diào)速這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，要求存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)并具有快速、實(shí)時(shí)的處理能 力，普通的單片機(jī)難以勝任，通常采用微處理器作為核心控制器，如英特爾公司的8 0 9 6 系列產(chǎn)品。2 0 世紀(jì)8 0 年代初期出現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理器( d s p ) 既增強(qiáng)了微處理器的數(shù)據(jù) 處理能力、提高了精度，又在片內(nèi)集成了大量的外圍接口，這樣，不僅提高了系統(tǒng)的 可靠性和抗干擾能力，還減小了體積，縮短了開發(fā)周期，減少了研發(fā)費(fèi)用，因此被廣 泛地應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。以n 公司推出的3 2 位定點(diǎn)d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 為例，其 頻率高達(dá)1 5 0 m h z ，該芯片基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 x 內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué) 函數(shù)庫(kù)，片內(nèi)集成了優(yōu)化過的事件管理器、可編程通用定時(shí)器、正交編碼電路接口、 a d 轉(zhuǎn)換器等資源，為高性能交流調(diào)速控制技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。 1 1 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，1 9 7 1 年 德國(guó)西門子公司的e b l a s c h k e 等提出了矢量變換控制理論，應(yīng)用坐標(biāo)變換及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 定向?qū)崿F(xiàn)了電機(jī)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，使得其動(dòng)態(tài)性能近似于直流電 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 機(jī)的調(diào)速性能。然而，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測(cè)，并且系統(tǒng)受電機(jī)參數(shù)影響較大， 以及矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，使得矢量控制的實(shí)際控制效果難于達(dá)到理論分析的 結(jié)果，這是矢量控制的不足之處1 5 】。 直接轉(zhuǎn)矩控制思想是1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 雜志上首先提出，1 9 8 5 年 d e p e n b r o c k 教授首次取得實(shí)驗(yàn)應(yīng)用成功。與矢量控制理論不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒 棄了解耦的思想，根據(jù)交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需要，直接選擇合適的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)電 磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。由于直接轉(zhuǎn)矩控制無(wú)需對(duì)定子磁鏈和電流進(jìn)行解耦，因此無(wú)需復(fù) 雜的坐標(biāo)變換，并且定子磁鏈估計(jì)方法只需要知道定子繞組的電阻，無(wú)需知道轉(zhuǎn)子參 數(shù)，很大程度上簡(jiǎn)化了控制算法。因此，直接轉(zhuǎn)矩以其新穎的控制思想，簡(jiǎn)明的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)，良好的動(dòng)、靜態(tài)性能和易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)受到了普遍的關(guān)注和迅速的發(fā)展。 根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想，將逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體，在定子兩相靜止 坐標(biāo)系下根據(jù)電機(jī)輸出的狀態(tài)量，觀測(cè)出定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩，借助于滯環(huán)比較得到 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，結(jié)合定子磁鏈的位置選擇合適的電壓空間矢量，直接對(duì)逆變 器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)控制。綜上，直接轉(zhuǎn)矩的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)： 1 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子兩相靜止坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電 機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，它沒有通過復(fù)雜的解耦控制將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，因此模型 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用中，省去了大量的信號(hào)處理工作。 2 直接轉(zhuǎn)矩控制采取的是定子磁場(chǎng)定向，因此只需定子電阻即可將定子磁鏈觀測(cè) 出來，相比矢量控制中觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要轉(zhuǎn)子參數(shù)而言，這種方法降低了控制系統(tǒng)對(duì) 電機(jī)參數(shù)的依賴。 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機(jī)的數(shù)學(xué)模型，特別是利 用定子電壓矢量計(jì)算和控制磁鏈、轉(zhuǎn)矩等物理量，使問題得到簡(jiǎn)化。 4 直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。首先，相對(duì)于通過控制電流磁鏈來 間接控制轉(zhuǎn)矩的矢量控制來說，直接轉(zhuǎn)矩控制不刻意追求磁鏈軌跡是否為圓形，而是 把轉(zhuǎn)矩作為直接控制的對(duì)象，另外通過對(duì)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定范圍內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的直接控制。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相比矢量控制技術(shù)具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外有公司已經(jīng)研制 出了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器產(chǎn)品，這一技術(shù)也已成功用于兆瓦級(jí)別的電力機(jī)車上。 實(shí)際應(yīng)用表明，應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)具有諧波小、損耗低、噪音及 溫升小等優(yōu)點(diǎn)。但作為相對(duì)較新的技術(shù)，理論上還沒有形成完整的體系，還有很多不 完善的問題需要解決。目前有以下幾方面成為研究熱點(diǎn)： 1 磁鏈的觀測(cè)和估計(jì)方面，常用的三種估計(jì)方法“f 模型、f ”模型和甜力都存 在各自的問題，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此作了大量的工作。目前學(xué)者提出的改進(jìn)方法有， 用低通濾波器代替甜f 模型中的純積分環(huán)節(jié)以解決直流偏移導(dǎo)致積分飽和的問題、用 具有相位和幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)的可編程濾波器使定子磁鏈在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較高的 觀測(cè)精度、利用定子電壓的三次諧波分量計(jì)算氣隙磁鏈，再由氣隙磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差 去控制開關(guān)狀態(tài)的選擇等等，但這些方法都存在一定的問題，因此更加完善的磁鏈觀 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 測(cè)方法依然有待提出。 2 在轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制方面，有學(xué)者提出在普通的逆變器的基礎(chǔ)上增n b o o s t 電 路，組合成三電平逆變電路以獲得更多的電壓空間矢量，有學(xué)者提出了使開關(guān)頻率保 持恒定且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。時(shí)下研究較多的基于s v p w m 的直接轉(zhuǎn)矩 控制方法突破了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制所固有的局限性，可以充分發(fā)揮線性控制與各種非 線性控制方法的各自優(yōu)點(diǎn)，如線性系統(tǒng)的平滑性、變結(jié)構(gòu)控制的快速性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 模糊控制的智能性與魯棒性，因而具有廣闊的發(fā)展空間【6 】。 3 定子參數(shù)辨識(shí)方面，定子磁鏈的觀測(cè)如采用uf 模型控制，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于低速 范圍時(shí)，定子電壓降落于定子電阻上的分量會(huì)很大，因此低速時(shí)引入定子電阻在線辨 識(shí)，進(jìn)行偏差補(bǔ)償對(duì)于改善直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能有著重要的意義。目前的辨識(shí)方 法主要有模糊定子電阻估計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻估計(jì)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻估計(jì)、 最小二乘法定子電阻估計(jì)等。 4 在無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究方面，由于速度傳感器的安裝不僅會(huì)增加成本，而 且會(huì)使系統(tǒng)可靠性變差，目前已有許多技術(shù)被應(yīng)用到電機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)中去，如轉(zhuǎn)差頻 率法、模型參考自適應(yīng)法、高頻信號(hào)注入法、擴(kuò)展卡爾曼濾波及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 5 在空載或者欠載條件下優(yōu)化給定定子磁鏈方面，由于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 通常按照額定負(fù)載條件將定子磁鏈給定設(shè)置成恒定值，忽略了定子磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的 影響。而電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，常在空載或欠載的情況下運(yùn)行，此時(shí)恒定的給定磁鏈已 不是最優(yōu)。因此優(yōu)化給定磁鏈，對(duì)于消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、改善直接轉(zhuǎn)矩控制性能有重大意 義【6 】。 1 2 多采樣率理論的提出及研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加速了數(shù)字控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)模擬電 子技術(shù)控制系統(tǒng)的步伐。同時(shí)，數(shù)字控制理論也得到了快速的發(fā)展。在數(shù)字控制系統(tǒng) 中，采樣周期是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了計(jì)算機(jī)與外部交換信息的 頻繁程度，并對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度提出了要求。 為了便于對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通常假定系統(tǒng)各處的采樣器和保持器都在同 一瞬間進(jìn)行采樣和保持，系統(tǒng)的采樣周期在整個(gè)工作過程中為常數(shù)并滿足香農(nóng)采樣定 理，稱這樣的系統(tǒng)為單采樣率數(shù)字控制系統(tǒng)。然而，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，被控對(duì)象 越來越復(fù)雜，同一系統(tǒng)中各種信號(hào)的變化速率可能相差很大，如果統(tǒng)一采用較短的采 樣周期雖然可以得到較好的控制品質(zhì)，但這將提高控制系統(tǒng)的成本，產(chǎn)生不必要的浪 費(fèi)，因此要求系統(tǒng)各處以相同的采樣周期進(jìn)行采樣是不實(shí)際的。因此就產(chǎn)生了數(shù)字控 制系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)采樣器和保持器以不同的采樣周期進(jìn)行采樣和保持的多采樣率數(shù)字控制 系統(tǒng)。 早在2 0 世紀(jì)5 0 年代人們便開始對(duì)多采樣率控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。1 9 5 7 年，k i r n c 等人就開始了對(duì)多采樣率控制系統(tǒng)的研究，由于當(dāng)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)尚未出現(xiàn)，研究主 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁(yè) 要采用古典采樣控制系統(tǒng)的方法r 7 1 ，他所提出的k r a n c 算子和采樣器分解法等方法至今 仍是分析多采樣率數(shù)字控制系統(tǒng)的有效方法【8 j 。1 9 5 9 年k a l m a n 等提出了用線性時(shí)不變 狀態(tài)空間模型來描述多采樣率控制系統(tǒng)【9 】，但多采樣率的研究一直處于低潮。隨著數(shù)字 控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求越來越高，促進(jìn)了多采樣率數(shù)字控 制系統(tǒng)的快速發(fā)展。隨著多采樣率控制理論研究的不斷深入，多采樣率控制技術(shù)在生 產(chǎn)、生活中應(yīng)用越來越廣泛。雖然多采樣率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比一般的單采樣率控制系 統(tǒng)復(fù)雜，但它在某種意義下是一個(gè)有限維的周期時(shí)變系統(tǒng)，可以用有限個(gè)系數(shù)的差分 方程描述，從而可以用計(jì)算機(jī)最終實(shí)現(xiàn)。并且多采樣率控制系統(tǒng)的周期時(shí)變性使得它 具備很多單采樣率數(shù)字控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)。如今，多采樣率數(shù)字控制系統(tǒng) 已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)及控制工程中，覆蓋了自動(dòng)化制造工廠、電廠、機(jī)器人、 高級(jí)航天航空器、電氣化運(yùn)輸工具、溫室的溫度控制、故障診斷、醫(yī)療事業(yè)等領(lǐng)域【1 0 1 。 但由于對(duì)多采樣率控制理論尚未達(dá)到純連續(xù)系統(tǒng)、純離散系統(tǒng)或單采樣率控制理 論的完善程度，依然存在一些研究的難點(diǎn)有待完善，主要有以下幾方面： 1 輸出采樣數(shù)據(jù)缺失問題，在有些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于計(jì)算機(jī)過載、通信錯(cuò)誤、 傳感器共享或事件驅(qū)動(dòng)傳感器等因素，輸出并不是在每個(gè)規(guī)定的采樣時(shí)刻都能檢測(cè)到 的，因此，如何在部分輸出采樣信號(hào)缺失的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效、穩(wěn)定的控制， 是目前多采樣率控制技術(shù)的一大研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。 2 延時(shí)問題，在多采樣率控制系統(tǒng)中，延時(shí)存在于傳感器、a d 轉(zhuǎn)換、d a 轉(zhuǎn)換、 控制算法的計(jì)算、控制信號(hào)接口器件以及數(shù)字執(zhí)行器的刷新等過程中。如果控制系統(tǒng) 性能要求苛刻或被控過程非?？?，各采樣周期必須很短，此時(shí)，如果設(shè)計(jì)階段不考慮 這些延時(shí)，就會(huì)影響系統(tǒng)的控制性能，甚至使控制性能惡化。 3 模型辨識(shí)問題，多采樣率大多數(shù)控制算法都是假設(shè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的連續(xù)系統(tǒng)參數(shù)或 系統(tǒng)狀態(tài)或?qū)?yīng)的單采樣率模型的參數(shù)是已知的。但實(shí)際中要事先知道系統(tǒng)的狀態(tài)或 參數(shù)幾乎是不可能的，所以需要討論在狀態(tài)不可測(cè)的情況下模型參數(shù)和狀態(tài)估計(jì)的問 題。而由于多采樣率系統(tǒng)的時(shí)變特性，常規(guī)的系統(tǒng)辨識(shí)方法又無(wú)法應(yīng)用。因此，系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)辨識(shí)在多采樣率控制中也是十分重要的一個(gè)問題【l 。 4 采樣點(diǎn)之間系統(tǒng)的響應(yīng)問題，在連續(xù)被控對(duì)象和數(shù)字控制器之間，由一系列采 樣器和保持器作為接口器件。它們工作于不同時(shí)間段，可能為周期性，可能是零星發(fā) 生的，也可能由幅值驅(qū)動(dòng)，它們可能相互獨(dú)立，也可能在時(shí)序或處理上彼此關(guān)聯(lián)且共 用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，如何估計(jì)兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的系統(tǒng)響應(yīng)，也是多采樣率數(shù)字 控制系統(tǒng)面臨的一個(gè)難題【l o j 。 1 3 本論文的研究目的與意義 電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具 有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn) 速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) 的決定影響，而這些又和電動(dòng)機(jī)所采用的控制方式、控制芯片和控制技術(shù)是密不可分 的。而交流調(diào)速控制技術(shù)的不斷完善依賴于推陳出新的控制算法能夠在設(shè)計(jì)合理的交 流調(diào)速系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此搭建個(gè)完善的交流調(diào)速系統(tǒng)具有十分重要的意義。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以其簡(jiǎn)單的控制思想、對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性小、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn) 倍受青睞，在交流調(diào)速控制領(lǐng)域中占據(jù)重要的位置，但由于該技術(shù)相對(duì)較新，對(duì)其控 制特點(diǎn)及性能改善等問題一直成為人們研究的熱點(diǎn)。 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，d s p 在一定的采樣周期時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行測(cè)量采樣、決策和 控制輸出。采樣周期的大小對(duì)其控制效果有較大的影響。隨著計(jì)算技術(shù)特別是d s p 技 術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的采樣測(cè)量和計(jì)算速度得到了很大的提高，但是逆變器功率 器件開關(guān)頻率卻不能做得太高。如果調(diào)速系統(tǒng)的測(cè)量采樣、計(jì)算決策和輸出控制采用 相同的采樣周期，則系統(tǒng)的采樣率一般會(huì)受到較低的開關(guān)頻率的限制。因此，d s p 和 測(cè)量器件并未得到充分的應(yīng)用。引入多采樣率控制技術(shù)，將系統(tǒng)的輸入和輸出控制采 用不同的采樣周期，可以充分發(fā)揮d s p 速度上的優(yōu)勢(shì)。 綜上，本文首先搭建了基于d s p 和m m 的交流調(diào)速系統(tǒng)，繼而研究了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn) 矩控制的原理及性能特點(diǎn)，并將多采樣率引入到直接轉(zhuǎn)矩控制之中，最后將兩種控制 算法分別在所搭建的交流調(diào)速系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具備一定的 參考價(jià)值。 1 4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 本文首先搭建了交流調(diào)速系統(tǒng)，隨后討論了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制和基于多采樣率的 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，分別在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了仿真模型并在所設(shè)計(jì)的交流調(diào)速 系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本論文的具體章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第1 章，緒論。闡述了交流調(diào)速的發(fā)展概況，包括電力電子技術(shù)和微處理器的發(fā) 展、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展以及多采樣率理論的發(fā)展及研究熱點(diǎn)，概括了本 論文的研究意義和主要內(nèi)容。 第2 章，直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究。介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論依據(jù)、結(jié)構(gòu)組成、 電壓空間矢量、磁鏈及轉(zhuǎn)矩的控制、限流啟動(dòng)等，并建立了s i i n u l i n k 仿真模型對(duì)其控 制性能及存在問題進(jìn)行了分析。 第3 章，基于多采樣率的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。介紹了多采樣率理論的基本原理、 類型，重點(diǎn)討論了輸出多采樣率理論下的異步電機(jī)離散數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出了基于輸 出多采樣率理論的定子磁鏈估計(jì)算法，同時(shí)建立了基于多采樣率的直接轉(zhuǎn)矩控制的 s i m u l i n k 仿真模型，對(duì)新算法進(jìn)行了仿真研究。 第4 章，交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了主電路中的整流、逆變及功率驅(qū) 動(dòng)、控制電路中的檢測(cè)、保護(hù)及接口等電路的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)設(shè)計(jì)過程中所采取的抗 干擾措施進(jìn)行了介紹。 第5 章，軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。分別編寫了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn) 矩控制及多采樣率直接轉(zhuǎn)矩控制的驗(yàn)證程序，并對(duì)程序細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁(yè) 了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩種控制方法的有效性。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 第2 章直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究 2 1 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論依據(jù) 通常，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)是電機(jī)控制的最終目的。根據(jù)電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程式： t 哪丟華a t ( 2 - 1 ) 刀 可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有著簡(jiǎn)單而直接的關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn) 矩之差的積分與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響轉(zhuǎn)速?？梢娍刂坪驼{(diào)節(jié)電 機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵是如何有效地控制調(diào)節(jié)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩【1 1 。 由電機(jī)統(tǒng)一理論可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子磁勢(shì)矢量e 、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)矢量只、 定轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)矢量乓相互作用產(chǎn)生的，即等于它們之間任意兩個(gè)磁勢(shì)矢量的矢量積， 因此可以通過控制兩磁勢(shì)矢量的幅值和二者間的夾角來控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)以定 子磁鏈?zhǔn)噶縴 。為基準(zhǔn)時(shí)，可以選取只和乓的矢量積來確定電磁轉(zhuǎn)矩，二者的大小分別 比例于定子電流0 及氣隙磁鏈?zhǔn)噶砍场＃钟捎趕 i n z ( y 。，) = 虬s i n l ( 驢s ，) ，因此可 通過控制和y 。的矢量積來控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。另外，由 于磁鏈的大小和電機(jī)的運(yùn)行性能有密切關(guān)系，在基速以下，為保證電機(jī)的合理利用， 希望電機(jī)的磁鏈保持恒定，所以需要對(duì)磁鏈進(jìn)行控制。因此，通過設(shè)立轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和 磁鏈調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，理論上可獲得與矢量控制系統(tǒng)一樣的動(dòng)、 靜態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1 5 j 。 2 1 1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電機(jī)是一個(gè)高階、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，為了便于對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析 研究，按照慣例在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)對(duì)實(shí)際電機(jī)做以下假設(shè)： 1 三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間均對(duì)稱分布，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正 弦分布，即忽略空間諧波； 2 各相繞組的自感和互感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響； 3 忽略鐵心損耗； 4 不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)電阻的影響。 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，參考坐標(biāo)系是建立在定子兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)上的，因此 這里引入c l a r k e 坐標(biāo)變換。c l a r k e 變換是根據(jù)磁勢(shì)等效原理將三相靜止坐標(biāo)系a 、b 、 c 轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系口、之間的變換。根據(jù)變換前后相幅值不變?cè)瓌t，三相對(duì) 稱正弦交流電流與兩相對(duì)稱正弦交流電流之間存在著以下確定的變換關(guān)系： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 其反變換為： 阡 1 1 1 22 o 巫一巫 22 lo 一1 2 壓2 1 2 一壓2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 根據(jù)以上規(guī)定，得到異步電機(jī)在定子兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，包括電壓方 程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。 1 電壓方程： 2 磁鏈方程： 材w 材s 口 t a r a u r # r s + l s p d l m p q l 審。 嗲s 8 v r 。 q , a d r s + l s p q 厶 厶p 厶0 0 t 厶0 0 厶 乙p d r ，+ l , p q l 0 0 厶 厶0 0 d l m p r l r r r + l r p k l s 8 z m l r 8 z w l s 口 z l r b ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 3 電磁轉(zhuǎn)矩方程： t = 三去爐驢三去州咖目 ( 2 6 ) 4 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： l = 二p 嗥+ 瓦( 2 - 7 ) 式中 “跗、材坩一定子兩相靜止坐標(biāo)系下定子電壓； 0 、乙一定子兩相靜止坐標(biāo)系下定子電流； 0 、k 一定子兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流； 咫、r ，一定子電阻、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻； 少，口、吵卵一定子兩相靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈； 。、y 坩一定子兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈； z 、正一電磁轉(zhuǎn)矩及負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 厶、乙一定子電感、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子間互感； 國(guó)，一轉(zhuǎn)子電角速度； 2 2 ， = 1i- 乙 。l 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁(yè) 一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； r i p 一電機(jī)極對(duì)數(shù)； p 一微分算子 d p 2 一d t 。 仃一漏磁系數(shù) 仃：1 一生。 三。三， 2 1 2 電壓空間矢量及p w m 逆變器模型 當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向交流電機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈空間矢量幅值恒 定且以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)( 磁鏈圓) 。 從式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以得到定子磁鏈?zhǔn)噶康奈⒎直磉_(dá)式，再對(duì)其積分得出定子磁鏈 矢量： 蟣= lf ，虬一足夕出+ 虬o ( 2 8 ) - o 其中，杪。表示在t o 時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶?，也即初始定子磁鏈?zhǔn)噶恐怠?如果忽略定子繞組電阻壓降影響，而且在厶時(shí)刻以后的一段時(shí)間內(nèi)定子電壓空間 矢量恒定不變( 當(dāng)逆變器開關(guān)狀態(tài)不變即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)) ，那么定子磁鏈表達(dá)式( 2 8 ) 可以簡(jiǎn)化為： 一 一 虬= l ( 心一b ) 衍+ y 如甜。o f 0 ) + y 如 ( 2 9 ) _ 0 上式表明在以后定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓耆Q于定子電壓矢量的形式，將( 2 9 ) 寫成增量的形式： y ，= y 。一l f ，o = u s a t ( 2 1 0 ) 其中，a t = f t o 。 由于時(shí)間是標(biāo)量，故缸也是標(biāo)量，因此由( 2 1 0 ) 可知，在不計(jì)定子電阻壓降的情況 下，定子磁鏈的增量方向與電壓空間矢量的方向一致【1 2 1 。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周 時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2 x 弧度，其運(yùn)動(dòng)軌跡與磁鏈圓重合。 這樣電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形狀問題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀問題來討 論。 定子電壓空間矢量由三相逆變器產(chǎn)生，三相電壓型p w m 逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁(yè) o 圖2 - 1p w m 逆變器電路 圖2 1 中的y v 6 是6 個(gè)功率開關(guān)器件，用配，咒，墨分別代表逆變器三個(gè)橋臂 的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)a 橋上橋臂開關(guān)管為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，為1 ，下橋臂開關(guān)管為導(dǎo)通狀態(tài) 時(shí)，疋為o ，以此類推。所以三個(gè)橋臂的狀態(tài)只有“1 ”或“0 兩種情況，為避免上 下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，同一橋臂的開關(guān)狀態(tài)不能相同。由排列組合可知，三個(gè)橋臂的6 個(gè) 開關(guān)器件一共可形成八種開關(guān)模式。逆變器的八種開關(guān)模式分別對(duì)應(yīng)于八個(gè)基本電壓 空間矢量，分別為：u 4 1 0 0 ，砜 1 1 0 ，u 2 【o l o ，【0 1 1 ，阢【0 0 1 ，u 5 【1 0 1 ，u o 【o o o l ， 【1 1 1 】。 若將直流母線電壓記為u d c ，并將電源負(fù)極作為零電壓的參考點(diǎn)，那么每相繞組 端點(diǎn)電壓，分別等于逆變器的開關(guān)狀態(tài)疋，甌，疋與直流母線電壓的 乘積，因此電壓空間矢量可寫成開關(guān)狀態(tài)最，s ，s ，的表達(dá)式： 一 “，( & 墨) = 尋( 最+ 蠅+ 口2 )( 2 - 1 1 ) j 其中：口為旋轉(zhuǎn)因子，a = e 7 2 州3 ，滿足1 + 口+ 口2 = 0 。 由公式( 2 - 11 ) 可以得出，在逆變器八種開關(guān)狀態(tài)中，有六種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于矢量幅 值為2 u 掰3 的非零電壓空間矢量，另外兩種開關(guān)狀態(tài)則對(duì)應(yīng)于矢量幅值為零的零電壓 矢量。表2 - l 給出了開關(guān)狀態(tài)與定子相電壓在筇坐標(biāo)系上的分量以及基本電壓空間矢 量甜。之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表2 1 基本電壓空間矢量和開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 壘：苧： 壘：竺g蘭巨竺。 000000 100 2 3 0 2 u d c 3l l 一 110 u d c 3u d c 32 u d c e j 船3 3 010 塒9 c 3 u d c | q 3列艾e n 屬3 3 0 1 1 2 u k 3 0 2 u k e p 3 0 01 一u 。c 3 刈d c 3 叫e m 圮3 101 u d c 3一u b c 3 2 u d c e j 孫圮3 111000 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 2 頁(yè) 2 1 3 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩的影響 1 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈影響 一 根據(jù)式( 2 - 1 0 ) 可知定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的軌跡同電壓矢量的方向一致，如圖2 2 ，將電壓 空間矢量和定子磁鏈軌跡畫在一張圖上可清楚地看出電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的 關(guān)系。 u 。 1 0 0 】 圖2 2 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系 感應(yīng)電機(jī)采用逆變器供電，電壓矢量按照【0 1 0 】一心 0 1 1 】一“【0 0 1 】一阢【1 0 1 】 一致【l o o 】一璣 1 1 0 依次施加，便形成了一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的正六邊形軌跡。當(dāng)不計(jì)定 子繞組電阻時(shí)，定子磁鏈軌跡則取決于外加的電壓空間矢量。如圖2 2 當(dāng)j 【f ，。處于o - 7 r 3 范圍內(nèi)時(shí)，外加電壓矢量畋【0 1 0 】，定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)沿著六邊形u 2 【0 1 0 1 這條邊逆時(shí) 針運(yùn)動(dòng)，當(dāng)帆相位角達(dá)到x 3 時(shí)，改變電壓矢量，施加以 0 1 1 】，定子磁鏈?zhǔn)噶坷^續(xù)旋 轉(zhuǎn)，但端點(diǎn)軌跡將沿著正六邊形的以【0 1 1 這一條邊運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)x 3 角度整倍數(shù)的時(shí) 刻依次改變電壓空間矢量，則形成定子磁鏈的正六邊形軌跡。由以上分析可知，定子 磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于相應(yīng)的電壓矢量的作用方向。實(shí)際運(yùn)行中，只要是定子電阻壓 降i c 咫l 相比