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1、湘潭大学 硕士学位论文 异步电机直接转矩控制系统低速性能的研究 姓名：蔡斌军 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：刘国荣 20070501 湘潭大学硕士论文 异步电机直接转矩控制系统低速性能的研究 . I 摘 要 摘 要 作为一种新颖的控制方式，直接转矩控制同矢量控制相比，具有转子参数鲁 棒性和结构上的简单性。但是在技术实现上，直接转矩控制系统难以获得如矢量 控制那样宽广的调速范围。其根源主要在于低速转矩特性变差、稳态转矩脉动的 存在及带负载能力的下降。 本论文针对异步电机直接转矩控制系统低速运行时存 在的问题进行了深入研究。 在分析传统 DTC 固有缺陷的基础上， 本论文
2、提出了两种改善直接转矩控制系 统低速性能的控制方法。其一，提出一种能准确观测磁链的控制方法幅值和 相位分离控制的磁链观测方法；即采用低通滤波器代替电压模型中的纯积分环 节，引入闭环幅值补偿方法来消除直流偏置积分误差，并用模糊控制器补偿引入 低通滤波器时造成的定子磁链角的误差，不仅提高了低速时的磁链观测精度，而 且对电机定子电阻变化的影响较小。其二，提出了一种模糊控制和低通滤波器补 偿相结合的控制方法。这种方法在采用低通滤波器代替积分环节的基础上，根据 定子磁链的实际值与给定值之间的关系，推导出磁链的补偿公式，把磁链、转矩 分为多个状态，根据磁链、转矩的不同状态选用最佳的电压状态矢量。仿真结果
3、表明，这两种方法能够提高磁链的观测精度，增强系统的鲁棒性，改善了系统的 动、静态性能，从而大大改善了传统的直接转矩控制系统的低速性能。 最后， 在以 TMS320LF2407A 芯片为核心控制器件的数字模糊直接转矩控制实 验系统上，对本论文提出的控制方法进行了实验验证。即从软件方面着手改善系 统的低速性能。通过实验证实了本论文所提控制方案的有效性。 关键词：直接转矩控制；磁链观测补偿；模糊控制；低速性能； 数字信号处理器（DSP）（DSP） ；异步电动机 湘潭大学硕士论文 异步电机直接转矩控制系统低速性能的研究 . II ABSTRACT As a new control method, Di
4、rect Torque Control method has its advantage because DTC system has robust performance and simple structure comparing to Field-orientation control system. But Direct Torque Control system can hardly have as broad as the speeds range which Field-orientation system can have. It is because that DTC sys
5、tem can not have big load capability and there are torque pulses in it. This paper has made a further research about low-speed problems of the Direct Torque Control system. The defect of the classical DTC is researched deeply, this paper propose two novel methods which can improve DTC system low-spe
6、ed performance. One method is a novel compensation method of stator flux estimating to improve Direct Torque Control Low-speed Performance. Using low-pass filter to replace the integrator, compensate the value of the flux with close-loop feed back and compensates the subsequent error of angle with F
7、uzzy controller, not only improve the estimation of stator flux but also can reduce the effect of stator resistance voltage drop. The other method is a novel method which combines fuzzy control with low-pass filter compensation. According to the relationship between real value and estimated value of
8、 the stator flux. The compensatory formulas of the estimated flux linkage and its principle block diagram were presented. Using this method control converters output. The simulation results showed that proposed two methods give satisfied estimation of stator flux and improve direct torque control sy
9、stem good robust. The performance of low-speed have been improved in direct torque control system, confirming the validity of the method. Finally, we have experimented by digital fuzzy DTC control system based on the TMS320LF2407A chip. That is to say, we can improve the low-speed performance of the
10、 system by modifying software. The experiment results verify the validity of the proposed scheme in this paper. Key Words: Direct Torque Control；The compensation of flux estimating； Fuzzy control；Low-speed performance；Digital Signal Processor(DSP)；Asynchronous Motor 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声
11、明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段
12、保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士论文 异步电机直接转矩控制系统低速性能的研究 第 1 页 共 64 页 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题的提出及意义 随着现代控制理论和电力电子器件、传感技术的发展，整个电力拖动领域进 行着一场革命。围绕矢量控制系统的结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统 性能等问题，国内外学者进行了大量的研究 1。其中，既有基于磁场理论的磁场 轨迹控制法、直接转矩控制法，又有采用微分几何理论的非线性解耦控制，还有 基于现代控制理论的滑模变结构控制、模型参考自适应控制等。这些方
13、法使系统 性能得到了改善，但它们大多建立在对象精确数学模型的基础上，有的需要大量 的观测器，结构复杂，有的还无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。其中直接 转矩控制方法简单，受电机参数变化的影响较小，在其iu 模型中只要能精确估 计出定子电阻 s R 的值，就可以准确计算出定子磁链，其性能优于矢量控制，这 是一种很有前途的控制方法。但是在技术实现上，直接转矩控制往往很难体现出 优越性， 其根源主要在于其低速转矩特性差稳态转矩脉动的存在及负载能力 的下降，制约了直接转矩控制方法进入实用化的进程。 直接转矩控制方法存在的问题主要有以下几个方面 2345： 1）直接转矩系统低速转矩特性差 在全数字化的
14、直接转矩控制系统中，采样周期固定，而转矩的实际波形含有 锯齿波低频分量， 当电机转速较低并且负载较大时， 低频锯齿波分量的频率不高， 幅度却很大，因而造成转速有很大的波动。 2）直接转矩控制中的磁链观测问题 直接转矩控制的首要问题是磁链观测问题，在传统的直接转矩控制方法中， 定子磁链观测值是由iu 模型得到的，这种方法在低速特别是零速时，会引起磁 链产生很大的误差，从而导致低速性能下降。 3）直接转矩控制方案中定子电阻的辨识 任何定子磁链方案都会在低速时遇到定子阻抗电压降影响定子磁链的问题。 理论分析表明，对一个稳定磁链和转矩给定值，由定子阻抗变化引起的定子电流 变化，直接造成了定子磁链观测的
15、不准确，使系统低速性能变差。因此，要使系 统在整个范围内运行，即必须辨识定子电阻，一般使用 PI 调节器、模糊逻辑控 制器或人工智能神经元的方法来校正定子电阻值。 4）直接转矩控制方案中磁链给定值的补偿 电机在很低的开关频率下不能产生足够的转矩， 这是由于定子阻抗电压降使 湘潭大学硕士论文 异步电机直接转矩控制系统低速性能的研究 第 2 页 共 64 页 转子磁链显著下降，因此必须通过补偿定子磁链参考值来降低转子磁链的减少， 才能使电机在低频时产生足够的转矩，从而改善电机运行时的低速性能。 1.2 前人关于直接转矩控制的研究成果 直接转矩控制技术结构简单，控制快捷有效，但也存在很多的缺点：功率
16、开 关器件开关频率不固定， 频率随转矩误差波动加剧而增大； 需要较高的采样频率， 才能保证控制精度；启动及低速弱磁问题；定子磁通在扇区变化时会引起电流与 转矩波形的畸变。目前很多国内外学者对这些问题作了大量的研究工作，下面就 针对直接转矩控制技术的几个主要研究方面进行总结。 1.2.1 定子电阻辨识 在异步电机直接转矩控制方案中，定子电压和电流可以精确测出，只要在线 估算定子电阻，就可算出定子磁链矢量。电机运行时，定子电阻随温度和频率的 变化而变化。高速时，定子电阻压降比较小，可以忽略不计，而在低速时定子电 阻压降较大，不能忽略，否则可能使定子磁链的估算出错，从而给出的电磁转矩 和定子磁链位置也会出错。由于定子电阻的变化具有时变性、非线性、大惯性、 强耦合等特性，原有的电机电阻测量方法不适用于直接转矩控制系统，因而需要 特殊的方法加以处理。 文献6，7提出了一种基于模糊电阻观测器的模糊直接转矩控制系统，采用 模糊逻辑估计定子电阻， 模糊电阻观测器采用定子电流幅值偏差和定子电流幅值 偏差变化率对电阻偏
