直接转矩控制系统的实现毕业设计(编辑修改稿)

直接转矩控制系统的实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

校正其自身的设计参数以保证控制系统的性能不变。 与传统的反馈控制器相比，自适应控制器包含一个自适应机构。 这个反馈回路根据给定的期望值与实际值之间的偏差，修正控制器参数或产生附加控制信号，保证系统性能。 自适应控制这种特点在磁场定向解耦控制中的应用比较广泛，通过自适应控制或校正技术将能够正确决定磁场的位 置和大小，保证磁场与转矩的解耦控制。 此外自适应控制在电机转速估计中也有广泛的应用。 滑模变结构控制是现代控制理论的一个新的研究方向。 滑模变结构控制的思想是设计一个合适的滑动面，使其状态收敛在上面，它的主要特点是降低阶次、实现解耦、抑制干扰和对参数变化不敏感 [10]。 因此，将滑模变结构 控制引入到直接转矩控制中，可以降低磁链和转矩脉动、改善低速性能。 智能控制是 现在控制理论发展过程中 的一个崭新阶段。 它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架 ,不依赖或不完全赖于控制对象的数学模型 ,只按实际效果进行控制； 继承了人脑的非线性思维，能够根据当前状态用变结构的方法改善系统的性能；针对复杂系统具有分层信息处理和决策的功能。 在直接转矩控制中 ,应用较多的是人工神经网络技术和模糊控制技术 ,主要作为控制器和观测器使用。 文献 [19]和文献 [20]应用模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态消 除 了触发器的容差影响，具有系统响应快、超调量小、抗扰动能力强的特点。 但是这种方案也存在一些难于克服的缺点，例如模糊控制算法的应用中，由于人为选取的模糊状态选择器中各变量隶属度具有较大的主观性和盲目性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在， 甚至还会变得更差。 为了 解决这个问题 ， 文献 [21]采用遗传算法来学习转矩误差的隶属度函数分布，以达到进一步提高转矩响应速度与减小转矩脉动的目的。 文献 [22]提出了一种基于模糊控制的在线定子电阻观测器。 本论文的研究内容 本文作者在了解国内外异步电机直接转矩控制研究状况的基础上，分析了传统直接转矩控制的不足，针对直接转矩控制系统做了仿真和实验研究，采取了一些改进传统直接转矩控制的措施，主要工作如下： 对于传统直接转矩控制中逆变器输出电压矢量单一、开关器件利用率低和开关频率不固定等问题，研究了空 间矢量调制直接转矩控制系统 ，并和 传统直接转矩控制 系统 做了 仿真比较。 针对定子磁链电压模型中纯积分环节的局限性， 研究了三种改进的 磁链观测 方法。 第一种改进方法采用具有饱和反馈的积分器，该算法可以 消除直流偏移问题，但是却带来了幅值和相位的误差。 第二种改进方法通过引入定子磁链幅值补偿环节，减小了由第一种改进方法所产生的误差。 第三种是在第二种方法的幅值补偿环节中采用了自适应控制，该方法增强了磁链对定子电阻的鲁棒性，提高了磁链观测的精度。 传统直接转矩控制的磁链和转矩采用滞环控制，低速时转矩脉动较大。 无差拍控制 可以克服滞环控制的不足，其主要思想是在一个采样周期内，根据转矩误差和磁链误差 和 空间电压矢量之间的关系组成方程组，通过解方程组就可以求出下一个采样周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量， 从而达到转矩和磁链的无差拍控制 [23]。 但是已有的无差拍控制方法需要求解二次方程，算法难度较大。 为此，研究了一种新的无差拍控制方法，在定子磁链定向的同步旋转坐标系下分析和计算电压矢量，通过定子磁链和电流的坐标变换求出所需的电压矢量。 对新的无差拍控制系统进行了理论分析，研究了电机参数变化和定子电流干扰对其影响。 通过配置磁链观 测模型，采 用汇编语言在 DSP 实验平台上对其 正确性进行了 初步的实验验证。 无速度传感器技术可以有效地降低系统成本，增加系统的 可靠 性。 本文应用 扩展卡尔曼滤波 算法对电机 转速 进行了 估计，仿真 结果表明，采用 扩展卡尔曼滤波 算法 能够在较低的转速下获得 较好 的估计效果，同时对于定子电流还有 一定 的适应能力。 ２ 直接转矩控制 直接转矩控制 （ DTC， Direct Torque Control） 是在 20 世纪 80 年代中期继矢量控制之后发展起来的一种高性能异步电机变频调速系统 [3]。 直接转矩控制 避免了矢量控制中复杂的坐标变 换，去掉了 PWM 脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制，是基于转矩和磁链误差的滑差控制 [24]。 这种经典的直接转矩控制技术具有如下特点 [23]: （ 1）简单明了的控制结构； （ 2）优良的动静态性能； （ 3）无需专门的 PWM 技术； （ 4）对 转子 参数变化不敏感，鲁棒性 比较 强； （ 5） 把电机与逆变器结合在一起 ,对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能力； （ 6）滞环控制会产生磁链和转矩 脉动，且开关频率不是常数。 20 多年来，直接转矩控制不断得到完善和发展，许多学者从不同角度提出新的见解和方法，使控制性能得到了进一步的改善和提高。 异步电机数学模型 异步电机就其本质而一言，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了便于分析，在建立异步电机的数学模型时，作以下几点假设 [26][27]： （ 1） 电机定、转子三相绕组完全对称。 三 相定子绕组和三相转子绕组在空间对称分布 (在空间互差 120 )，各相电流所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦 规律分布； （ 2）忽略磁路饱和。 各相绕组的自感和互感都是线性的，从而可以使用叠加原理； （ 3） 铁芯的涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计； （ 4）不考虑频率和温度变化对 电机 参数的影响。 在直接转矩控制系统中，电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因此采用静止的定子坐标系较为方便。 异步电机动态数学模型可以由以下方程描述： 0 s s s sr r r ru i R pi R p j      （ 21） s s s m rr m s r rL i L iL i L i   （ 22） 其中 su— 定子电压 si— 定子电压 ri— 转子电流 s— 定子磁链 r— 转子磁链 sL— 定子电感 rL— 转子电感 mL — 互感 — 电角速度 p— 微分算子，即 dtdp 将公式 （ 21）和公式（ 22） 整理并把实部与虚部分离得 rrrrrrrrsssssssspiRpiRpiRupiRu00 （ 23） 电机的电磁转矩可表示为定子电流与定子磁链 的矢量积 ( ) ( )e p s s s s p s sT N i i N i         (24) 此外电磁转矩还可以表示成定子磁链和转子磁链 的矢量积 s i nmme p s r p s rs r s rLLT N NL L L L        (25) 式中 — 定子旋转磁链与转子旋转磁链的夹角，即 磁 通 角。 21 msrLLL ，异步电机漏磁系数。 运动方程为：  eL pJT T F J pN    (26) 式中 LT— 负载转矩 F— 摩擦系数 J— 电机转动惯量 逆变器数学模型 在异步电机变频调速系统中，通常采用图 21 所示的三相电压型 PWM 逆变器 [28]。 利用逆变器 6 个功率开关管的开关状态和顺序组合 ,以及开关时间 的调整 ,可以实现电压空间矢量的圆形运动轨迹。 2Edc2EdcI MaS bS cSUdc 图 21 三相电压型逆变器模型 Model of three phase voltage source inverter 图 21 中， 2dcE 是三相电压型逆变器的桥臂对地电压， aS ， bS ， cS 是两状态的开关量， aS ＝１表示 aS 所对应的上桥臂功率管导通， aS ＝ 0 表示 aS 所对 应 的 下 桥 臂 功 率 管 导 通 ， 其 余 类 推。 定 义 开 关 函 数       2 / 3 4 / 3 , , 1 1 12 jja b cS S e S edcs a b c Eu S S S       ，开关向量  Ta b cS S S 共有328 种开关模式，分别是 000、 00 0 01 100、 10 1 111，对应 8 个电压矢量  0 000U 、  1 100U 、  2 110U 、  3 010U 、  4 011U 、  5 001U 、  6 101U 、  7 111U ,其中  0 000U 和  7 111U 为两个零电压矢量。 根据图 21 可以得到 电机 相电压和开关函数的关系 ，见 公式 27。    1[]31[ ] 31[]3a a a b c dcb b a b c dcc c a b c dcu S S S S Uu S S S S Uu S S S S U             (27) 式中 au， bu ， cu — ,ABC 三相 相电压 dcU — 直流母线电压 电压矢量可以表示为：  2 / 3 4 / 323 jjs a b cu u e u e  u (28) 在两相静止坐标系  平面上，各电压矢量如图 22 所示。  1001U 01 03U  1102U 00 15U 0114U 1016U 1117U  00 00U  图 22 空间电压矢量 Space voltage vector 直接转矩控制系统 控制系统对电机的定子电压和电流进行采样，然后通过 3/2ss变换将三相电压电流信号变换到两相静止坐标系  平面。 3/2ss变换见公式 (29)。 3 / 21112 223 33022ssC (29) 根据变换后得到定子电压电流，通过磁链和转矩观测器求出定子磁链和转矩。 定子磁链可以根据 ui 模型求得，见公式 (210)。  ( ) ( ) ( )ss s st u t R i t dt  (210) 转矩的计算通过公式 (24)进行。 重写公式 (24)如下： ( ) ( )e p s s s s p s sT N i i N i         (24) 将磁链和转矩观测器求得的定子磁链 s 和转矩 eT 分别与给定值 *s 和 *eT 比较，将比较产生的误差信号 s 和 eT 分别送入滞环控制器中。 磁链控制器如图 23a）所示，输出关系见公式 (211)。 sTS10 1SeT10 a）磁链控制器 b）转矩控制器 图 23 控制器特性 Characters of flux and torque controller a) Flux controller。 b) Torque controller 1 , ,0 , ,ss HS H          减 小 磁 链增 大 磁 链 (211) 式中 *s s se     S — 磁链控制器的输出信号 H — 磁链控制器的总滞环带宽 转矩控制器如图 23b）所示，输出关系见公式 (212)。 1 , ,1 , ,0 , ,eTT e TT e TTHS T HH T H          增 加 转 矩减 小 转 矩转 矩 不 变 (212) 式中 *e e eT T T   TS — 转矩 控制器的输出信号 TH — 转矩控制器的总滞环带宽 此外，磁链和转矩观测器还计算定子磁链 s 的相角  ，并确定其所在的扇区。