分類號 密級 U D C 編號 士學(xué)位論文 論文題目 異步電機 統(tǒng) 仿真建模及性能改善研究 學(xué)科、專業(yè) 控制理論與控制工程 研究生姓名 丁 湘 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 桂衛(wèi)華 教授 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要i 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制（繼矢量控制 之后又一高性能交流調(diào)速新方法，它基于定子磁鏈定向，數(shù)學(xué)模型簡單 ，實現(xiàn)了輸入電壓波動時控制的魯棒性、控制對象參數(shù)變化的低敏感性、 完全的轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)控制等高水平的控制特性。近 20 年來，這項技術(shù)得到了很 大的發(fā)展，已在高速列車主傳動等大功率系統(tǒng)中得到了良好的應(yīng)用。 異步電動機在進行理論研究和系統(tǒng)開發(fā)時，控制方案的仿真驗證十分重要。本論文基于 過 潔且運算速 度高的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)，為各種在傳統(tǒng) 論中，由于定子電阻壓降等的影響，控制效果并不十分理想，且六邊形磁鏈帶來的高次諧波 對控制系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響也不容忽視。本文提出在低速域精確建立圓形定子 磁鏈，并結(jié)合一些改進措施，如通過引入壓矢量參與調(diào)節(jié)，并采用先加磁再啟動的方法，提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)動態(tài)性；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用限幅節(jié)，以減小轉(zhuǎn)速超調(diào)等等。高速域采用內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡的新方案以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)六邊形磁鏈軌跡，降低了磁飽和度，削弱了高次諧波，且基本沒有 增加程序的復(fù)雜性與開關(guān)器件的負擔(dān)。同時提出了低、高速域間無擾動的模 型切換方法。通過深入的仿真對比研究，這種控制策略使中大功率系統(tǒng)獲 得了令人滿意的控制效果。 關(guān)鍵詞 異步電動機，直接轉(zhuǎn)矩控制，鏈軌跡 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 is a C It is on a as to of to In 0 in TC is so its to do TC In a TC is It a TC In of is to in 120 I to In 8TC of in t to a is 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 . 創(chuàng) 性 聲 明. .于學(xué)位論文使用授權(quán)說明.摘 要. . 錄. .一章 緒 論. .流調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況 .接轉(zhuǎn)矩控制的基本特點與發(fā)展方向 .題來源及研究意義 .要研究工作及論文安排 .二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論.步電動機數(shù)學(xué)模型及基本方程 . 狀態(tài)空間方程 . 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速方程 . 磁鏈觀測模型 .壓型逆變器開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓狀態(tài) .壓空間矢量對定子磁鏈及電機轉(zhuǎn)矩的影響 . 電壓空間矢量對定子磁鏈的影響及磁鏈調(diào)節(jié) . 電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) .壓空間矢量的選擇 .接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)構(gòu)成及基本結(jié)構(gòu) .三章 基于 真系統(tǒng).模方法的選擇 . 建模方法的對比研究 . .步電動機模塊 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 .鏈空間矢量位置區(qū)段判斷 .壓空間矢量選擇及逆變器電壓輸出模塊 .接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng) .四章 低速區(qū)基于圓形磁鏈軌跡的控制方案 .速區(qū)工作特點及調(diào)節(jié)方案 .段內(nèi)四種工作電壓狀態(tài)對磁鏈、轉(zhuǎn)矩影響的研究 .矩調(diào)節(jié)與磁鏈調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào) . 磁鏈四點式調(diào)節(jié)器 . 逆變器輸出電壓選擇 .速域附加控制單元 . 轉(zhuǎn)矩容差調(diào)節(jié)和頻率控制 . 開關(guān)狀態(tài)變化最少原則 . 啟動控制 .統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真研究 .五章 高速區(qū)基于內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡的控制方案 .速區(qū)工作特點及傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方案 .鏈折角控制諧波分析 .陷十八邊形磁鏈軌跡的實現(xiàn) . 磁鏈軌跡區(qū)段劃分與磁鏈位置判斷 . 逆變器輸出電壓狀態(tài)的選取 . 十八邊形磁鏈軌跡控制中轉(zhuǎn) 矩調(diào)節(jié)與磁鏈調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào) .真研究 .六章 總結(jié)與展望. 56 參考文獻. .錄 本論文中用到的符號和縮寫.a（ b、 c）逆變器 A（B、C）相 逆變器直流側(cè)電壓 .致 謝. .讀學(xué)位期間主要的研究成果.中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論1 第一章 緒 論 流調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況 近十年來，隨著電力電子技術(shù)、自動控制理論、計算機及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動控制面臨著一場歷史性的革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩的控制性能都比較理想，只要改變電樞電流就能方便地、線性且無時滯地控制轉(zhuǎn)矩，因此在大范圍調(diào)速傳動系統(tǒng)中，直流傳動系統(tǒng)一直占據(jù)著統(tǒng)治地位。由于交流電機是多變量、強耦合的非線性對象，定子電流同時包含有轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量，因而對其電磁轉(zhuǎn)矩瞬時值進行控制比較困難。但同直流電動機相比，交流電機特別是鼠籠式異步電動機有著一些明顯的優(yōu)點：制造成本低、重量輕、慣量小、可靠性和運行效率高、免維護、無電刷和換向器，能在較惡劣的環(huán)境中安全的運轉(zhuǎn)。近三十多年來，世界各國都在致力于交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究，并不斷取得突破。交流調(diào)速系統(tǒng)從控制策略、功率器件和控制器三方面來講，其發(fā)展表現(xiàn)為：首先，轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等新的交流調(diào)速理論的誕生，使交流調(diào)速有了新 的理論基礎(chǔ)；其次，使開關(guān)頻率、 功率容量都有了很大的提高，為交流調(diào)速裝置奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；再者，微處理器的飛速發(fā)展，使交流調(diào)速系統(tǒng)的許多復(fù)雜的控制策略能得以實現(xiàn)。 異步電機轉(zhuǎn)速公式1：)1(60)1(10= （1其中：因此調(diào)速方法根據(jù)上式基本可分為兩大類。不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，如轉(zhuǎn)子串電阻；轉(zhuǎn)子斬波調(diào)速；改變定子電壓和改變轉(zhuǎn)子附加電勢等。改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，如改變定子極對數(shù)；改變定子電壓或者電流頻率（即變頻調(diào)速）等。U/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都屬于變頻調(diào)速的方法。 根據(jù)電路理論，明顯第二類方法比第一類方法要節(jié)能。由于改變定子極對數(shù)方法不是連續(xù)調(diào)節(jié)，故應(yīng)用范圍有限，所以變頻調(diào)速是得到大量應(yīng)用的主要的交流調(diào)速方法。并且隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)實踐及人們生活水平的提高對電機調(diào)速系統(tǒng)也不斷地提出更高的要求。諸如：穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)等多項指標。因此，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的研究是現(xiàn)代傳動控制領(lǐng)域的重要研究方向。 電機的機械運動方程1： )(（1其中，是機械慣量；從式（1可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩是改變電 機轉(zhuǎn)速的唯一變量。如果能夠準確地中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論2 控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，就能獲得良好地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。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。U/f 控制和轉(zhuǎn)差頻率控制對轉(zhuǎn)矩控制是建立在電機穩(wěn)態(tài) 運轉(zhuǎn)方程的基礎(chǔ)上（只考慮 機械慣性，而忽略了電磁動態(tài)） ，所以控制性能只能滿足穩(wěn)態(tài)要求，而無 法滿足動態(tài)性能的要求。交流調(diào)速方法中只有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是可以控制動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，且因為交流調(diào)速不存在直流電機的機械電流換相過程和交軸反應(yīng)，因此它們的控制性能可以抗衡甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)。高動態(tài)性能調(diào)速的發(fā)展方向是交流調(diào)速系統(tǒng)逐步替代直流調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制就是高性能交流調(diào)速方案的代表。 1968 年德國 術(shù)大學(xué)的 士 初步提出了磁場定向（ 制理論，之后在 1971 年由西門子公司的 此理論進行了總結(jié)和實現(xiàn)，并以專利的形式發(fā)表，逐步完善并形成了現(xiàn)在的各種矢量控制（Ve 方法6。 矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電 流分量（轉(zhuǎn)矩電流） 分別 加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、 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。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在E、。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由 于矢量控制方式所依據(jù)的是 準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。 采用矢量控制策略，可以獲得優(yōu)異的控制性能，即使在1可以獲得150%的轉(zhuǎn)矩。但同時，矢量控制也存在以下一些缺陷：矢量控制本質(zhì)上屬于磁鏈開環(huán)的控制方式，且依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，因此對電機參數(shù)變化敏感；而轉(zhuǎn)子電阻在運行過程中由于溫升會發(fā)生很大變化，于電機參數(shù)的變化，會使模型的精確度降低，直接影響控制效果；控制規(guī)律復(fù)雜，計算量大。 上世紀八十年代中期提出的直接轉(zhuǎn)矩控制法是繼矢量控制之后交流調(diào)速理論的又一飛躍。直接轉(zhuǎn)矩控制（統(tǒng)是在定子坐標系下計算并中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論3 控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接 跟蹤來實現(xiàn)系統(tǒng)的高動態(tài)性能5。它避開了矢量控制中的兩次坐標變換以及求矢量的模和相角的復(fù)雜計算，而直接在定子坐標系上計算電動機的轉(zhuǎn)矩和磁通，因此引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。下節(jié)將對其特點和發(fā)展進行詳述。 交流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論和應(yīng)用今后將主要沿著下述幾個方向發(fā)展26： 在一般性能的節(jié)能調(diào)速中，過去的大量的所謂不變速交流傳動，如風(fēng)機、水泵等總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動總?cè)萘康囊话?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去交流電機本身不調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而許多電能白白的浪費掉了。如果技術(shù)升級為交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，效益是很可觀的。 許多在工藝上對調(diào)速性能要求高的應(yīng)用場合，過去多用控制策略成熟的直流傳動。但鑒于交流機比直流機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、轉(zhuǎn)動慣量小、效率高，交流傳動顯然是未來的發(fā)展方向。但是，由于交流電機電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速難以像直流電動機那樣直接通過電流施行靈活的即時控制，因此其應(yīng)用受到很大的限制。矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等，形成了一系列在性能上可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，大大擴展了交流電動機的應(yīng)用范圍。 特大容量、高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速中，直流電機換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積約為 106kWr/過這一數(shù)值時，直流電機的設(shè)計和制造就非常的困難了1。但交流電機則不受這個限制。因 此，特大容量的傳動和高轉(zhuǎn)速的傳動，如電力機車牽引等大都以采用交流調(diào)速，其控制策略的研究更加是倍受科技界的重視。 控制科學(xué)的飛速發(fā)展及其與相關(guān)學(xué)科的融合也帶動了其在交流調(diào)速系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究。基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器、某種指標下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆于智能控制思想的控制策略，有模型控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等7。其中，矢量控制作為發(fā)展最早的先進控制 策略，仍然是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的主流控制策略；直接轉(zhuǎn)矩控制則因為其具有計算簡單、易于控制的優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前途。同時，數(shù)字化控制技術(shù)使得這些復(fù)雜的控制算法得以充分實現(xiàn)，且大大簡化了硬件，降低了成本，提高了控制精度；自診斷功能和自調(diào)試功能的實現(xiàn)進一步提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)約了大量時間精力，操作、維修都更加方便。隨著今后微機運算速度及存儲器容量的提高， 數(shù)字化已成為交流傳動控制的方向， 將逐步取代模擬控制系統(tǒng)。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論4 接轉(zhuǎn)矩控制的基本特點與發(fā)展方向 理論界普遍認為直接轉(zhuǎn)矩控制是由德國魯爾（學(xué) 。 其基本思想是把電機和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子兩相靜止坐標系分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型，進行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，因此，無需對定子電流進行解耦，免去矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單。磁鏈軌跡一般有兩種：六邊形和圓形方案。六邊形方案是當時專為大功率牽引電機控制提出的， 可降低功率器件的開關(guān)頻率， 多用于大功率傳動的中高轉(zhuǎn)速場合；當感應(yīng)電動機氣隙磁勢為圓形時，這樣電機損耗、轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲最小，所以在中小功率及低速場合多采用圓形方案。用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（制） ，把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生過跟蹤型接控制異步電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增長率，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出5。它的控制效果不取決于異步電動 機的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學(xué)模型， 沒有通常的以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、 控制信號處理的物理概念明確、 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受到電機參數(shù)影響較大等缺點，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。 直接轉(zhuǎn)矩控制方法與控制性能的主要特點： 1）直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分 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，也不需要為解耦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 制與效果。它包含有兩層意思：直接控制轉(zhuǎn)矩和對轉(zhuǎn)矩的直接控制4。與矢量控制方法不同，是通過控制電流、磁鏈等來中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論5 間接控制轉(zhuǎn)矩， 而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制。 因此它并非力圖獲得理想的正弦波形，也不專門強調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，它強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形或準圓形磁鏈軌跡。同時，其對轉(zhuǎn)矩的直接控制體現(xiàn)在通過滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩誤差限定在一定的容差范圍內(nèi)。因此它的控制效果不取決于電動機的數(shù)學(xué)模型能否簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩控制的實際情況。 5）統(tǒng)在整個調(diào)速范圍（包括弱磁區(qū)）都具有快速的動態(tài)響應(yīng)；與矢量控制技術(shù)相比，對電機參數(shù)不敏感，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，簡單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點；特別適用于開關(guān)頻率較低而動態(tài)性能要求高的大功率傳動系統(tǒng)， 如電力機車主傳動系統(tǒng)； 能補償電網(wǎng)電壓的波動對系統(tǒng)的影響；能充分利用電機的容量，包括瞬態(tài)的過載能力等。 因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問世便受到廣泛的關(guān)注。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍，主要表現(xiàn)在電動機的參數(shù)辯識，定子磁鏈的準確觀測，無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究，以及低速區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能等方面的研究。其目標主要是從理論上解決直接轉(zhuǎn)矩控制在小功率、小慣性、低轉(zhuǎn)速、高調(diào)速性能要求的系統(tǒng)的應(yīng)用問題。在控制方法上，與智能控制等先進控制理論相結(jié)合，這將是在，直接轉(zhuǎn)矩控制己不僅僅應(yīng)用于異步感應(yīng)電機，它也開始應(yīng)用于永磁同步電機，甚至直流電機7。相信在不久的未來，直接轉(zhuǎn)矩 控制必將使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個根本的提高，在各個應(yīng)用場合發(fā)揮更大的作用。 題來源及研究意義 本課題來源于中國南車集團株洲電力機車研究所國家變流技術(shù)工程研究中心與中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院控制工程系的合作研究課題高性能交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略的研究 。株洲電力機車研究所主要從事機車 電傳動技術(shù)及工業(yè)、民用變流技術(shù)的應(yīng)用研究和工程化研究， 是我國在這一領(lǐng)域的龍頭企業(yè)和科研單位。 他們參與研究生產(chǎn)了 “神州” 、 “中原之星” 、 “奧星”等一系列電力牽引機車，尤其是“中華之星”交流傳動電動機車組，創(chuàng)造了每小時 里的中國鐵路最高速度。 “中華之星”交流牽引機車采用的即是直接轉(zhuǎn)矩控制策略，在工程應(yīng)用中取得了很好的效果，但從控制上來講，還存在有一些理論上尚未良好解決的問題，仍有許多有待深入研究和改進的領(lǐng)域。中南大學(xué)控制學(xué)科有著四十余年的發(fā)展 歷程，在先進控制理論及其 工程應(yīng)用方面有著深厚的積累。因此，雙方的合作前景廣闊。我們已建立起了“變流技術(shù)國家工程中心、中南大學(xué)共建現(xiàn)代交流調(diào)速研究實驗室” ，包括交流傳動電氣系統(tǒng)實驗柜（參數(shù)顯示和操作臺） 、主控制柜（主控電路和逆變器）異步電動機（34、直流發(fā)電機及勵磁電源屏、負載電阻屏，其實驗設(shè)備在國內(nèi)高校相近研究領(lǐng)域中處于絕對的領(lǐng)先地位。 總體上我國交流變頻調(diào)速技術(shù)較國際先進水平有著近 10 年的差距。在發(fā)達國家，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論6 在交流變頻調(diào)速技術(shù)的巨大市場需求下，近年來隨著高電壓大電流的 變頻器產(chǎn)品大量應(yīng)用于高電壓大功率場合。高速處理器和專用集成電路的飛速發(fā)展，為先進傳動控制理論的成熟應(yīng)用提供了高性能的硬件平臺。 歐美國家基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)高度發(fā)達， 變頻器及其相關(guān)配套件的生產(chǎn)社會化、專業(yè)化程度很高。相反國內(nèi)交流變頻調(diào)速及其技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況則不很樂觀。雖有很多單位投入了一定的人力物力，但由于沒有形成一定的技術(shù)優(yōu)勢和生產(chǎn)規(guī)模，變頻器和產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白，而且相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)落后，產(chǎn)銷量少、工藝水平不高。我們在交流傳動控制理論研究上還落后于國際水平，尤其是應(yīng)用環(huán)節(jié)，因此產(chǎn)品技術(shù)含量較低。目前，我國自行生產(chǎn)的為數(shù)不多的變頻器產(chǎn)品中，絕大多數(shù)為采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)速和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的通用變頻器，采用矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制策略的高性能變頻器就極為稀少，采用其他先進控制策略的則還只是處在研究階段。因此，努力跟蹤國際最新研究方向，積極研究具有我們自己知識產(chǎn)權(quán)的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略，在此基礎(chǔ)上研發(fā)我們國家自己的高性能變頻器，對整個國家的現(xiàn)代化建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展，都具有重要的意義。 本課題旨在通過調(diào)查國內(nèi)外交流調(diào)速系統(tǒng)的最新研究狀態(tài)，深入研究大功率異步電動機及變頻驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù) 學(xué)模型和現(xiàn)代控制理論、智 能控制理論等先進的控制策略，從現(xiàn)有各種交流調(diào)速系統(tǒng)，特別是矢量控制系統(tǒng)的運行經(jīng)驗和現(xiàn)有理論成果中獲取知識，基于已開發(fā)的高性能交流調(diào)速實驗控制系統(tǒng)開展大功率異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的深入研究，有針對性的解決工程應(yīng)用中提煉的各種問題，并在此研究的基礎(chǔ)上總結(jié)提出高性能的大功率異步牽引機車交流調(diào)速控制策略，進而開發(fā)完成適合我國國情的面向大功率異步電動機的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)控制方案。 要研究工作及論文安排 深入研究分析了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，用展了直接轉(zhuǎn)矩控制策略的仿真研究。 提出了不同轉(zhuǎn)速度區(qū)域的控制方案。 分析了異步電機啟動過程， 提出了先建立磁鏈，再使其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能的啟動方法；低速區(qū)采用圓形磁鏈軌跡控制，并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩容差的大小，提高了開關(guān)器件切換頻率，減小了轉(zhuǎn)矩波動；引入壓參與調(diào)節(jié)，并采用轉(zhuǎn)速限幅調(diào)節(jié)。分析了高速區(qū)六邊形磁鏈軌跡的帶來的定子電流諧波問題，并提出了一種內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡控制在高速域代替六邊形磁鏈軌跡，進行了仿真實驗，提出了低、高速區(qū)的模型無擾動切換，取得了滿意的效果。 論文全文共分六章。緒論和第二章介紹并分析了交流調(diào)速控制策略的發(fā)展情況和直接轉(zhuǎn)矩控制的原理特點。第三章研究了 真建模的不同方法，并建立了 統(tǒng)仿真模型。第四章研究了低速區(qū)基于圓形磁鏈軌跡的控制方案，并進行了仿真實現(xiàn)與中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論7 分析。第五章分析了磁鏈折角控制的諧波問題，研究了高速區(qū)基于內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡的控制方案，并進行了仿真實現(xiàn)與結(jié)果分析。第六章為結(jié)論與展望。 由于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究與分析將用到很多符號和縮寫，為了便于閱讀和查找，本文所涉及的符號和縮寫請見附錄。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論8 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論的分析和研究采用 的是空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法。它是基于靜止定子正交坐標系（標系）和 三相坐標系進行的，它們與 互間的坐標變換矩陣可以根據(jù)幾何關(guān)系得到4。 圖 2析所用到的空間坐標系位置關(guān)系 步電動機數(shù)學(xué)模型及基本方程 為了分析的需要，我們抽象出理想電動機的特點：氣隙均勻、磁路線性、定轉(zhuǎn)子三相繞組對稱且其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布、 忽略磁場諧波 （即假設(shè)磁場正弦分布）3。在靜止定子正交坐標系上建立的異步電動 機的空間矢量等效電路如下圖所示，各物理量的定義請見附錄。 圖 2異步電動機空間矢量等效電路圖 由電路分析，我們可以得到4： &+= （2 += &0 （2定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的計算為： （2中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論9 = （2定子旋轉(zhuǎn)磁場提供的功率為： )(23& += （2且 )( & （2由此得出下面兩個方程： =& （2和 =& （2態(tài)空間方程 綜合以上分析，在正交定子靜止兩相坐標系下，異步電動機的電壓電流模型的狀態(tài)空間方程描述為： +=0000000000000022&（2其中， )/(12= 矩、轉(zhuǎn)速方程 將式（2（2入式（2，得到轉(zhuǎn)矩 )(23= （2如果用轉(zhuǎn)子磁鏈代替定子電流，轉(zhuǎn)矩方程式將變成更簡明的形式。由=和式（2（2得： )(231= （2即轉(zhuǎn)矩是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的交叉乘積，也可以寫成如下形式： = （2上式即為電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩方程，式中 為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角（磁通角） 。 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)子磁鏈幅值由負載決定。如果要改變異步電動機的轉(zhuǎn)矩，可以通過改變磁通角 來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)子磁鏈可以根據(jù)式 （2以定子電壓的積分來改變。 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的計算則是根據(jù)式 （2過對轉(zhuǎn)子磁鏈與磁通角 )(計算來完成。 由電動機力學(xué)分析，其機電運動方程為： )(（2鏈觀測模型 磁鏈觀測的準確性在直接轉(zhuǎn)矩控制中占有很重要的地位，它直接影響逆變器開關(guān)狀中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論10 態(tài)的選擇。由于工藝和技術(shù)上的問題，直接檢 測磁鏈的方法在實際中應(yīng)用極少3，實際系統(tǒng)中都采用間接觀測的方法即檢測電機的定子電壓、定子電流和電機轉(zhuǎn)速等便于測取的物理量，根據(jù)電機的數(shù)學(xué)模型，實時地計算出磁鏈的幅值和相位。定子磁鏈的觀測模型基本有三種： 定子電壓電流（型，它是一種積分模式： = )( （2圖 2子磁鏈 測模型結(jié)構(gòu) 圖中 為定子磁鏈。實現(xiàn)時，利用的是 上的分量計算式。我們可以發(fā)現(xiàn)，型結(jié)構(gòu)簡單，只受定子電阻參數(shù)的影響，魯棒性較高，在中高速區(qū)有較高的精度；但低速時，受定子電阻偏差的影響增大；誤差不收斂，穩(wěn)態(tài)時始終含有定子電阻偏差引起的觀測誤差；電機未啟動時，定子反電勢為零，磁鏈無法按式子（2算，也無法建立初始磁鏈。 因此在低速時，需采用定子電流電機轉(zhuǎn)速（I- n）模型。由異步電動機數(shù)學(xué)方程，消去定子電壓項，得到下面兩組磁鏈分量方程組： =+=)()(11&和 =+=)()(11&（2圖 2子磁鏈 測模型結(jié)構(gòu)圖 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論11 該模型比較適用于低速狀態(tài)，在 30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)是合適的。但它涉及的電機參數(shù)較多，轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化對其觀測結(jié)果有明顯影響。一般來說，高速時采用速時切換到管這樣能達到性能要求，但平滑切換是一個棘手的問題。代之的是一個在全速范圍內(nèi)都實用的磁鏈模型：型4。同樣由電動機的基本方程式（2（2（2（2，得到 型如圖 2示，它同時也是基于第三章將詳細介紹。 型的輸入量是定子電壓和轉(zhuǎn)速信號。以此可以獲得電動機的其它各量，以及電動機的轉(zhuǎn)矩。因此很好的模擬了異步電動機的各個物理量。同時，型附帶了電流調(diào)節(jié)器“強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等，使得電動機模型的仿真精度大大提高。 高速時，型實際工作在 型下，磁鏈實際上只是由定子電壓與定子電流計算得到的。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。低速時，電動機模型實際工作在此很自然的解決了切換問題。 圖 2子磁鏈 測模型結(jié)構(gòu) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論12 壓型逆變器開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓狀態(tài) 理想電壓型逆變器，如圖2三組（六個）開關(guān)器件組成，它們是：由于同一橋臂的兩個元件不能同時導(dǎo)通，否則將導(dǎo)致短路，所以為反向，一通一斷。實際上每組開關(guān)只有一個獨立變量，三組開關(guān)共有 823= 種開關(guān)狀態(tài)組合。 將為 a 相開關(guān)，用示；同樣的 b 相表示為c 相為亦可將三相開關(guān)用示。規(guī)定 a、b、c 三相負載的某一相與直流源正極接通時，該相開關(guān)狀態(tài)為“1”；反之與負極接通為“0”。顯而易見，當狀態(tài)為“000”和“111”時，負載得到的電壓為零；而另六種組合時均有工作電壓加于負載。 想電壓型逆變器 本文給電壓型逆變器開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓狀態(tài)以及表示定義如下： 表 2變器開關(guān)狀態(tài)及其輸出電壓狀態(tài)表示 工作電壓狀態(tài) 零電壓狀態(tài) 開關(guān)狀態(tài) 01 101 100 110 010 000 111 011) 001) 101) 100) 110) 010) 000) 111) (法 2 4 6 7 經(jīng)電路分析可得，六個工作電壓的大小均為2（。其空間分布由空間矢量求得，對應(yīng)于不同的導(dǎo)通方式(有： )(32),(3432 +=v（2圖2個工作電壓在矢量空間構(gòu)成正六邊形，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論13 兩個零電壓矢量位于原點。 圖 2變器輸出電壓在矢量空間的分布 如上圖所示六個工作電壓把空間分為6個區(qū)域（2,，用,2,6表示。每個區(qū)域?qū)?yīng)的磁鏈位置角的范圍是： )1(33+=0)&(k=0)&(k=0)&(k=)|(k=0)&(k=)&(k=)&(a=1; b=1; c=1; a+b+; ; ; b+1) ; ; ; %最少開關(guān)原則 X=u(2)+2; Y=u(1); %,Y)， ,Y) + 1; 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第五章 高速區(qū)基于內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡的控制方案49 %得出逆變器三相開關(guān)狀態(tài) )=(2*E*2/3; )=(E*2/); %由逆變器三相開關(guān)狀態(tài)直接計算其輸出電壓 統(tǒng)結(jié)構(gòu)與調(diào)速策略 圖 5陷十八邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖 十八邊形磁鏈控制主要工作在高速域， 圓形磁鏈工作在低速域。 因此在調(diào)速過程中，需要進行磁鏈軌跡的切換。我們設(shè)定 30%額定轉(zhuǎn)速左右為切換點，為了避免模型在速度切換點的來回波動，采用滯環(huán)比較器輸出切換信號。 在基本轉(zhuǎn)速以內(nèi)，定子磁鏈軌跡中必須插入零電壓，以減緩起運動速度。當定子頻率越來越接近于基本轉(zhuǎn)速即定子電壓越來越接近于滿電壓時，零電壓在每個周期中出現(xiàn)的次數(shù)和持續(xù)的時間都越來越少，最后導(dǎo)致每個周期中僅出現(xiàn)一個最小開關(guān)持續(xù)時間的零電壓。此時，定子電壓的調(diào)節(jié)范圍很小，轉(zhuǎn)矩上升慢，下降快，如不做特殊處理，無論六邊形磁鏈軌跡還是十八邊形磁鏈軌跡，都將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的低頻脈動21。將