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1、中北大学 2012 届毕业论文第 1 页 共 38 页1 引言1.1 交流调速技术的发展和现状在工农业生产、科技、国防及日常生活等各个领域，电动机作为主要的动力设备被广泛应用。直流电动机相比于交流电动机，结构复杂、体积大、成本和维护费用高，并且不适于环境恶劣的场合，但凭借控制简单、调速平滑和性能良好等特点在早期电气传动领域中一直占据主导地位 1。从 20 世纪 30 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。特别是 20 世纪 60 年代以后，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能得到很大的提高，在实际应用领域也得到认可和快速的普及。交流调速的发展可以说是硬件和软体的发展过程 3。
2、随着电力电子技术、微处理器技术和自动化控制技术的不断完善和发展，使得交流调速系统的调速范围宽、速度精度高和动态响应快，其技术性能可与直流调速系统相媲美、相竞争，并在工程应用领域中逐渐取代直流调速系统 5 。交流电动机的高效调速方法是变频调速，它不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终高效运行，并保证良好的动态特性，更能降低起动电流、增加起动转矩和改善电机的起动性能。 交流调速控制理论的发展经历了电压-频率控制、矢量控制、直接转矩控制，控制理论的发展使控制系统性能不断提高 2。电压-频率协调控制，即恒压频比控制，是指在基频以下调速时维持输出电压幅
3、值和频率的比值恒定，实现恒转矩调速运行；在基频以上调速时，将输出电压维持在额定值，使磁通与频率成反比下降，实现弱磁恒功率调速运行。其控制系统结构简单，成本低，能满足一般的平滑调速，但动、静态性能有限，适用于风机、水泵等负载对调速系统动态性能要求不高的场合 8。矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器的矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等 12。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。直接转矩控制（Direct Torque Con
4、trolDTC） ，国外的原文有的也称为 Direct self-controlDSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制 20。直接转矩控中北大学 2012 届毕业论文第 2 页 共 38 页制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现 PWM脉宽调制和系统的高动态性能
5、9。 1.2 直接转矩控制技术的发展及现状1971 年，德国西门子公司的 F.Blaschke 等提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”和美国 P.C.Custman 和 A.A.Clark 申请的专利“感应电动机定子电压的坐标变换控制” ，经过不断改进和发展，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统 9。矢量控制的出现使交流调速控制技术步入了一个全新的阶段，其控制思想是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理，经坐标变换将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，分别进行独立控制，从而获得与直流调速系统同样的动态性能。尽管矢量控制从理论上可以使交流调速系统的性能得到显著
6、改善，但在实现时仍有许多技术问题需解决和完善，如复杂的坐标变换、需准确观测转子磁链、对电机的参数依赖性大和难以保证完全解耦等，使实际控制性能难于达到理论分析结果 12。1985 年，德国鲁尔大学的 M.Depenbrock 教授首次提出了异步电动机的直接转矩控制理论（Direct Torque Control，DTC） ，1987 年，又将该理论推广到弱磁调速范围。直接转矩控制是交流调速控制技术的又一次飞跃，与矢量控制技术相比，它是在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，强调对电磁转矩的直接控制，避免了矢量控制中复杂的坐标变换和参数运算 9。直接转矩控制
7、中磁场定向采用定子磁链，仅需定子电阻即可观测得到，大大减小了矢量控制性能易受电机参数影响的问题。直接转矩控制技术以其新颖的控制思想，简洁的系统结构，优良的动静态性能受到研究学者们越来越多的关注。直接转矩控制技术的四个主要特点：1、直接转矩控制直接定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。2、直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。3、直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各中北大学 2012 届毕业论文第 3 页 共 38 页物理量，使问题变得特别简单明了。4、直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有
8、两层意思：直接控制转矩；对转矩的直接控制。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制 。这种“直接自控制 的思想不仅能够用于转矩控制，也适用磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控制 9。目前该技术已被用于电力机车牵引和大功率交流传动上。1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 系列直接转矩控制通用变频器，动态转矩响应速度已达到0 ，U0 且 U/ U0 ， 且 U/ |U| U0 且-U/ U U0 ，U0 ，则 A=1，否则 A=0； 若 U 20 ，则 B=1，否则 B=0；若 U30 ，则 C=
9、1，否则 C=0。可以看出 A，B，C 之间共有八种组合，但由判断扇区的公式可知 A，B ，C 不会同时为 1 或同时为 0，所以实际的组合是六种，A，B，C 组合取不同的值对 应着不同的扇区，并且是一一对应的，因此完全可以由 A，B，C 的组合判断所在的扇区。为区别六种状态，令 N=4*C+2*B+A，则可以通过下表计算参考电压矢量 Uref 所在的扇区。表 3.3 P 值与扇区对应关系N 3 1 5 4 6 2扇区号 采用上述方法，只需经过简单的加减及逻辑运算即可确定所在的扇区，对于提高系统的响应速度和进行仿真都是很有意义的。中北大学 2012 届毕业论文第 20 页 共 38 页4 基于
10、空间矢量脉宽调制的直接转矩控制系统基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制系统（SVM-DTC）是采用 PI 控制器取代滞环调节器来同时考虑转矩、磁链偏差的大小和方向，利用 SVPWM 模块取代开关表来根据二者的偏差实时地推导出任意大小、方向的电压矢量施加在电机的定子绕组上，而不局限于逆变器固定的输出电压矢量，并且实现逆变器开关频率恒定，从而可以大大降低转矩、磁链的脉动 14。(1) 空间矢量脉宽调制技术即空间电压矢量调制技术(SVPWM)是把逆变器和电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标，用逆变器不同的开关模式产生的电压空间矢量来控制磁链轨迹。SVPWM 与正弦 PWM 调制技术（SPWM）相比，具
11、有直流母线电压利用率高、电机转矩波动小、电流畸变小、开关损耗小和数字化实现容易等优点。SVPWM 技术的基本思想是利用六个空间电压矢量把空间等分为 6 个扇区，如图 4.1 所示，控制系统给出所需施加的目标空间电压矢量 Us*，Us *位于某个扇区时便由形成这个扇区的两个非零电压矢量和零矢量等效合成。利用原有的 8 个空间电压矢量可以合成所需的任意的空间电压矢量，从而使电机气隙磁通更好的逼近圆形。中北大学 2012 届毕业论文第 21 页 共 38 页图 4.1 SV PWM 扇区分布Us*所处扇区位置的判断可利用参考电压矢量的分量 us *和 us *，将其变换在a、b、c 三项坐标系下，其
12、变换关系为：（4-1）定义开关函数如下：（4-2）（4-3）根据图 4.1 可得出 S 值与 Us*所处扇区号的对应关系如表 4.1 所示。表 4.1 S 值与扇区号的对应关系S 1 2 3 4 5 6扇区号 在每个扇区内，都可利用两个相邻非零电压矢量和作用时间的不同，来等效来合成所需要的目标电压矢量Us*。假设Us*位于I扇区，两个相邻有效电压矢量U4 、U6和中北大学 2012 届毕业论文第 22 页 共 38 页零电压矢量合成Us*，有下式成立：（4-4）式中，Ts 为一个采样周期，Tx 、Ty 和 T0 为 U 4 、U 6 和零电压矢量的作用时间。SVPWM 的调制载波为等腰三角形，
13、为了使输出的 PWM 波形在一个载波周期Ts 内对称本文采用了如图 4.2（a）的 Us*合成方式，该方法是把每个电压矢量的作用时间都一分为二，同时将零矢量作用时间等分给 U 0 和 U 7。图 4.2（b） 给出了I 扇区中 Us* 的 SVPWM 调制输出波形，一个调制周期内的开关秩序为 U 0 -U 4 -U 6 -U 7 -U 7 -U 6 -U 4 -U 0 这样保证了电压矢量切换时只有一个开关器件动作，降低了开关损耗和逆变器的输出谐波含量。图 4.2 空间电压矢量调制（a) 矢量合成 （b） 开关函数由图 4.2（a ）和式（4-4 ）可得：（4-5）6 个非零电压空间矢量的幅值是
14、相等的，即|U1|=|U2|=2/3Udc 代入上式可得：中北大学 2012 届毕业论文第 23 页 共 38 页（4-6）计算出 Tx 和 Ty 后，可以由 T0 = Ts - Tx - Ty 得到 T0 。同理，其它扇区计算方法同上，分别计算 6 个扇区后，可得到以下规律，令（4-7）对应于不同的扇区，Tx 、Ty 按表 4.2 取值。表 4.2 Tx、Ty 赋值表扇区 Tx -Z Z X -X -Y YTy X Y -Y Z -Z -X定义（4-8）Ta ，Tb ，Tc 是与三角波进行比较以产生 PWM 波形的三个比较值。它们在不同的扇区对应不同矢量的作用时间，从图 4.2（ b）看出各
15、扇区内三相 a, b, c 脉冲的对应延迟时间 Ta ，Tb ，Tc 如表 4.3 所示。表 4.3 a、b、c三相在各扇区的Ta、Tb、Tc扇区号 a 相 Ta Tb Tc Tc Tb Tab 相 Tb Ta Ta Tb Tc Tc中北大学 2012 届毕业论文第 24 页 共 38 页c 相 Tc Tc Tb Ta Ta Tb(2) 基于 SVPWM 直接转矩控制系统在直接转矩控制系统中应用 SVPWM 技术，关键是确定需要调制的控制量。美国学者 Habetler 学者提出的无差拍控制技术是在一个控制周期内根据磁链和转矩的误差计算出能使误差为零的定子电压矢量，并在下一个控制周期中使用 SV
16、PWM 技术将其合成来实现控制 19。无差拍技术能在理论上完美解决 ST-DTC 存在的问题，但实际计算量较大，不易实现。本文采用 PI 调节器获得可以补偿磁链和转矩误差的参考电压量，再由 SVPWM 技术合成目标电压矢量来控制逆变器，其方法直接简单，利于实现。异步电动机在以 W s 旋转的坐标系 d - q 下的定子电压矢量方程式（4-9） ，W s 为定子磁链矢量 s 相对于静止 轴的旋转角速度， d 轴与定子磁链矢量方向一致，s=sd+sq 即 s= sd、sq=0 ，定子电压矢量方程式可以写成式（ 4-10）和（4-11 ）ssssduRijt（4-9）（4-10)(4-11)电磁转矩方程式可以转化为：(4-12)由式（4-11 ）和式（4-12 ）可
