无刷双馈电机直接转矩控制系统研究

无刷双馈电机直接转矩控制系统研究第一章引言1.1研究背景1.1.1交流调速系统发展概况根据采用的电流制式不同，电机分为直流电机和交流电机两大类，其中交流电机拥有量最多，现今的工业用电大多是通过交流电机加以利用的。为了控制电机的运行，就要为电机配上控制装置。电机＋控制装置＝电力传动自动调速系统，以直流电动机作为控制对象的电力传动自动调速系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动调速系统称之为交流调速系统。由于直流电机易于实现速度调节和转矩控制，因此20世纪30年代起就开始使用直流调速系统，大约在20世纪80年代，采用大功率晶体管组成的脉宽调制电路并实现数字化控制，使直流调速系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，从而使之非常广泛地应用于许多场合。然而，由于直流电动机具有电刷和机械换向器、制造工艺复杂且成本高等缺点，使之维护麻烦，使用环境受到限制(如不能用于易燃易爆场合)，并且很难向高转速、高电压、大容量发展，因而直流调速难以满足现代社会对调速系统的需求。自70年代以后，随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论和电机理论的发展，为交流调速系统的研究开发创造了有利的条件，使得交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，并且实现了交流调速装置的产品系列化，取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。目前，调速系统已经形成直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系统并存的局面。1.1.2无刷双馈电机及其控制技术的发展概况无刷双馈电机结构简单、坚固可靠，是一种异同步通用的电机，在大型调速系统中具有显著的优势，适应于异步电机的控制策略均可应用于无刷双馈电机。直接转矩控制技术是上世纪八十年代中期发展起来的一种新技术，具有控制算法简单、动态响应快，较少电机参数影响不大，继矢量控制技术之后，有超越矢量控制技术之势的一种新型高效的交流调速传动控制技术。1.1.3直接转矩控制技术的发展概况直接转矩控制（DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.akahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。第二章无刷双馈电机的基本理论及数学模型2.1.1双馈调速基本原理双馈感应电动机是由电机本体和交流励磁控制系统组成的一个整体，是一种典型的机电一体化系统。感应电机的双馈调速是利用绕线式异步电机的结构特点，将电能分别馈入电机的定子绕组和转子绕组。馈入定子绕组的电流为固定频率，而转子绕组由变频器供电，其电压的频率、幅值、相位和相序可调，通过改变这些参数可以控制电机的转矩、转速和电机定子侧的无功功率。双馈调速系统的结构图如图2.1所示。图2.1双馈调速系统结构图2.2无刷双馈电机的数学模型2.2.1无刷双馈电机多回路模型无刷双馈电机的多回路数学模型以定子主副绕组各相以及转子绕组各回路电压、电流为变量，根据基尔霍夫定律，可得描述其电压、电流关系的矩阵方程:式中，下标sp和sc分别表示定子p，对极功率绕组(即主绕组)和p。对极控制绕组(即副绕组)相关的变量参数，下标r代表与转子有关的变量参数。sprz、scrz分别代表定子功率绕组、控制绕组与转子绕组之间的互阻抗矩阵。2.2.2无刷双馈电机转子速dp坐标模型通常分析异步电动机的数学模型是建立在静止坐标系或旋转坐标系中，而分析直接转矩控制大多在定子静止坐标中构建算法模型，但在分析及进一步改善运行性能的控制策略中需要站在不同坐标系对问题进行分析求解。直接转矩控制中分析异步电动机常用的坐标系有以下两大类：（1）坐标轴线放在转子上随转子一起旋转的坐标系，如dq0坐标系。（2）坐标轴线放在定子上的静止坐标系，如ABC和0坐标系。第三章BDFM直接转矩控制系统研究3.1直接转矩控制在无刷双馈电机调速系统中的应用开环控制只适应于一般的无刷双馈电机调速系统，其动、静态性能不高，不能适应要求高精度、快响应技术指标的场合。为了使无刷双馈电机调速系统达到更高的性能，必须进行闭环控制。根据磁场感应电机理论，具有高性能的矢量控制完全适用于无刷双馈电机变频调速系统，其主要分为磁场定向控制和直接转矩制。由于电气传动的直接要求是转矩，磁场定向控制是通过调节加在电动机上的电压间接控制电动机转矩，涉及到坐标变换的计算，参数计算复杂。而直接转矩控制是通过控制电机定子磁链来控制转矩，它在很大程度上解决了矢量控制中计算杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能以达到理论分析的问题，是一种具有高动态性能的交流调速方法3.2直接转矩控制的基本概念3.2.1电压空间矢量的概念在对异步电动机进行分析和控制时，运用Park矢量变换对三相电压进行处理，将三个标量(三维)变换为一个矢量(二维)。这种表达关系对于时间函数也适用。如果三相异步电动机中对称的三相物理量如下图4-1所示，选三相定子坐标系的a轴与Park矢量复平面的实轴a重合，则物理量aXt，bXt，cXt的park矢量Xt为式：223abbXtXtXtXt（3-1）图3-1Park矢量变换图3.2.2逆变器的开关状态和电压状态电压型逆变器如图3-2所示:由三组，六个开关（,,aabbccSSSSSS，，，，）组成。由于aS与aS、bS与bS、cS与cS之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有328种可能的开关组合。图3-2电压型逆变器拓扑结构3.2.3直接转矩控制系统的基本结构传统直接转矩控制系统中，磁链和转矩是需要通过计算来获取的值，磁链和转矩的计算公式：ssssttutitRd32pssssTnii在坐标系下，通过3/2变换，可以得到电压和电流的分量si，si和su，su。3.2.4直接转矩控制系统的过程（1）首先，速度的给定值和速度检测单元的检测值做比较，得出速度偏差发给速度控制器；（2）然后，通过计算器得到转矩测量值eT，磁链幅值测量值1，并根据磁链的空间位置判断磁链所在的扇区N；（3）用转矩测量值eT与转矩给定值eT做比较得到转矩偏差eT，用磁链幅值测量值1与磁链给定值1进行比较得到磁链幅值偏差1，由此可得到转矩的数字状态TT和磁链幅值的数字状态F；（4）将,,TFFN发送进开关选择器中，优化选择器将根据这些变量输出定子电压矢量的开关数据abcSS、、S。（5）通过开关数据控制开关状态，得到直接转矩控制效果。3.3无刷双馈电机直接转矩控制图3-3无刷双馈电机直接转矩控制框图如图3-3所示是无刷双馈电机直接转矩控制框图。该系统为传统的无刷双馈电机直接转矩控制系统，他是采用转速、转矩双闭环控制方案。速度调节器采用PI调节，其输出作为转矩给定gT转矩给定值事通过对电机的转速进行测量来获得的。功率绕组和控制绕组的相电流及控制绕组相电压经3/2变化为,分量后作为磁链、转矩观测器的输入。磁链、转矩观测器的输出,scfdT分别进入磁链滞环和转矩滞环，与磁链给定值g与转矩给定值gT进行比较，实现对磁链和转矩的两点式和多点式控制调节。磁链位置角事定子磁链与坐标轴之间的夹角。c与sc可由磁链、转矩观测器得到。最终由磁链误差、转矩误差T和磁链位角s，确定开关状态，产生脉冲系列作用于功率变换器，实现对无刷双馈电机的直接转矩控制。第四章无刷双馈电机直接转矩控制仿真4.1控制系统各单元的仿真模型4.1.1转矩观测器在本文中转矩观测器的估算不同于传统直接转矩控制中的转矩估算，因为无刷双馈电机的电磁转矩是由功率绕组和控制绕组共同产生的，而功率绕组不可控，因此无刷双馈电机的转矩的变化可以由控制绕组电压来估算，也就是通过基于定子控制绕子来估算转矩变量的方法来进行转矩估算[。下式是无刷双馈电机的d-q转子速数学模型。定子各轴磁链分量的表达式如下:电磁转矩的表达式为式为:对求导，得到转矩变化量的表达式如下:式经过变换，可以得到d，q轴的转子电流:对式子求导可得代入，可以得到功率绕组，得到定子磁链的导数如下式:得到转矩变化量的表达式:可以观测转矩的变化量，然后对估算的转矩变化量进行积分，可以得到转矩的观测量。图4-1转矩观测器的仿真模块结论与展望BDFM是近年发展起来的一种新型交流调速电机，它具有无电刷，结构简单坚固，变频器容量小，功率因数可控制，运行可靠等优点，受到国内外学者的广泛关注，并展开了较深入的研究。直接转矩控制技术是继矢量控制技术后，新兴的一项极具发展潜力的交流调速技术，其就以良好的静动态性能、简单明确的控制思想、优良的鲁棒性等优点，得到广泛地关注。本文以无刷双馈电机及其调速控制系统为研究对象，对BDFM的数学模型进行分析和研究，在此基础上建立无刷双馈电机的仿真模型，并对其开环特性进行仿真。又结合传统异步电机直接转矩控制的方法，对无刷双馈电机的直接转矩控制方法进行改进研究，得出了一些具有理论意义和实用价值的研究。现将本文的主要研究内容及研究成果总结如下:1、在现有的无刷双馈电机的理论基础上，对无刷双馈电机的结构、运行原理、能量流向进行了论述、分析，并对无刷双馈电机的数学模型进行研究，尤其是对转子速d一q轴数学模型进行了较为深入的研究，并对无刷双馈电机的各种运行方式进行了仿真研究。仿真结果表明，无刷双馈电机既具有同步电机的特性，又具有异步电机的特性。2、由于无刷双馈电机的定子磁链受定子电阻的影响引起的磁链观测不准确，使调速系统在低速时产生了震荡，本文在分析多种磁链模型的基础上运用了模型参考自适应的磁链观测方法，仿真结果表明，该方法可以较好地解决了上述问题，并且提高系统的抗干扰性能。3、在研究直接转矩控制无刷双馈电机的过程中，本文采用用一种不同于传统转矩估算的方法，即通过估算转矩变化量来估算转矩，建立无刷双馈电机的转矩观测器的仿真模型，并对无刷双馈电机的直接转矩控制进行闭环仿真和分析，验证了该方法的正确性。综上所述，无刷双馈电机直接转矩控制系统是一种很有前途的闭环控制调节方案，由于学术水平、时间以及学习条件的限制，还有不少工作尚未得到进一步地展开和深入，以下的几个方面还有待进一步完善:(l)由于现有的无刷双馈电机依然存在谐波含量大、电机的损耗大、结构复杂等不足，无刷双馈电机的设计和制造还需要进一步的研究，使其电机本体的性能能够满足现代交流调速系统和变速恒频发电系统的需要;(2)在无刷双馈电机直接转矩控制系统中，磁链观测的准确与否，直接影响系统的性能，模型参考自适应的磁链观测方法虽然能较好地解决问题，但仍处于理论研究阶段，将其实用化在直接转矩控制的变频器中，需要研究学者的不断实践。(3)加强BDFM在实际工程中的应用开发研究，使BDFM系统在实际中得以应用，产生直接经济效益。