异步电机直接转矩控制系统的研究
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摘要
直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动、静态特性受到了普遍关注并得到了迅速发展。本论文研究的就是基于DSP的全数字化的直接转矩控制系统。论文共分四个部分：
第一部分介绍了交流调速技术的发展，电力牵引技术的发展，分析了异步电机直接转矩控制的基本原理，推导了u-i、i-n两种磁链模型。并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析，然后推导了全速范围都适用的u-n模型。u-n模型的特点是：低速下工作于i-n模型，高速下工作于u-i模型，高低速之间自然过渡，加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿，大大提高了模型的观测精度。
第二部分介绍了直接转矩控制在交-直-交电力机车牵引系统中的应用，并根据电力机车的牵引特性，在不同的转速范围内采取不同的控制策略：
(1)低速区：采用圆形磁链的间接转矩控制；
(2)高速区：采用六边形磁链的直接转矩控制
(3)弱磁区：通过改变磁链给定值来调节转矩，实现恒功率调节。
文中分别介绍了这三种控制方式的基本原理及各自特点，应用MATLAB/SIMULINK软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果。
第三部分介绍了实验系统，该系统是由数字信号处理器TMS320C32为基础的控制电路，和由IPM模块为主的逆变电路所组成，并做了异步电机控制的开环SVPWM实验。
第四部分介绍了无速度传感器的直接转矩控制，推导了基于模型参考自适应(MARS)理论的转子转速的辨识方法，建立了转子转速的辨识模型，并得到了仿真结果，验证了该方法的正确性。
Direct Torque Control (DTC) scheme has been widely studied and used during recent years due to its novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. In this thesis, a direct torque control system of induction motor is studied. The thesis includes four parts.
In the first part, the paper presents the developments of AC speed regulation technology and electric traction. It also analyzes the principle of induction motor direct torque control. The two stator flux observing models of u-i and i-n are derived , and the proper area and features of these two models are analyzed, then a u-n model which is suitable in the range of all speed is derived. The u-n model features: using i-n model in the low speed and u-i model in the high speed range. The transition between low speed and high speed can be smooth, as the current regulator can compensate the observed current, the precision of the observation is raised greatly.
The second part mainly introduce the application of direct torque control in AC electric locomotive system. Based on traction characteristics of electric locomotive, the different torque control strategies are applied in the different ranges of speed:
(1) Indirect torque control with circular stator flux in the low-speed range.
(2) Direct torque control with hexagon stator flux in the high-speed range.
(3) The torque is adjusted by setting different references of the stator flux in weaken flux area. The system power is invariable.
The elementary principles and features of these torque control methods are introduced respectively. The simulation model of DTC is set up by using MATLAB/SIMULINK. And the simulation results are given which proves the feasibility of these control strategies.
In the third part, the experimental system is introduced. The system mainly
includes control circuit based on the digital signal processor (DSP) TMS320C32 and inverter circuit based IPM. The debugging and experimental research of open-loop
SVPWM system have been done.
Finally, the speed sensorless direct torque control is presented. The thesis deduces the identification method of rotor speed based on model reference adaptive system (MARS). The simulation model is set up and the results are also given.
第一部分介绍了交流调速技术的发展，电力牵引技术的发展，分析了异步电机直接转矩控制的基本原理，推导了u-i、i-n两种磁链模型。并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析，然后推导了全速范围都适用的u-n模型。u-n模型的特点是：低速下工作于i-n模型，高速下工作于u-i模型，高低速之间自然过渡，加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿，大大提高了模型的观测精度。
第二部分介绍了直接转矩控制在交-直-交电力机车牵引系统中的应用，并根据电力机车的牵引特性，在不同的转速范围内采取不同的控制策略：
(1)低速区：采用圆形磁链的间接转矩控制；
(2)高速区：采用六边形磁链的直接转矩控制
(3)弱磁区：通过改变磁链给定值来调节转矩，实现恒功率调节。
文中分别介绍了这三种控制方式的基本原理及各自特点，应用MATLAB/SIMULINK软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果。
第三部分介绍了实验系统，该系统是由数字信号处理器TMS320C32为基础的控制电路，和由IPM模块为主的逆变电路所组成，并做了异步电机控制的开环SVPWM实验。
第四部分介绍了无速度传感器的直接转矩控制，推导了基于模型参考自适应(MARS)理论的转子转速的辨识方法，建立了转子转速的辨识模型，并得到了仿真结果，验证了该方法的正确性。
Direct Torque Control (DTC) scheme has been widely studied and used during recent years due to its novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. In this thesis, a direct torque control system of induction motor is studied. The thesis includes four parts.
In the first part, the paper presents the developments of AC speed regulation technology and electric traction. It also analyzes the principle of induction motor direct torque control. The two stator flux observing models of u-i and i-n are derived , and the proper area and features of these two models are analyzed, then a u-n model which is suitable in the range of all speed is derived. The u-n model features: using i-n model in the low speed and u-i model in the high speed range. The transition between low speed and high speed can be smooth, as the current regulator can compensate the observed current, the precision of the observation is raised greatly.
The second part mainly introduce the application of direct torque control in AC electric locomotive system. Based on traction characteristics of electric locomotive, the different torque control strategies are applied in the different ranges of speed:
(1) Indirect torque control with circular stator flux in the low-speed range.
(2) Direct torque control with hexagon stator flux in the high-speed range.
(3) The torque is adjusted by setting different references of the stator flux in weaken flux area. The system power is invariable.
The elementary principles and features of these torque control methods are introduced respectively. The simulation model of DTC is set up by using MATLAB/SIMULINK. And the simulation results are given which proves the feasibility of these control strategies.
In the third part, the experimental system is introduced. The system mainly
includes control circuit based on the digital signal processor (DSP) TMS320C32 and inverter circuit based IPM. The debugging and experimental research of open-loop
SVPWM system have been done.
Finally, the speed sensorless direct torque control is presented. The thesis deduces the identification method of rotor speed based on model reference adaptive system (MARS). The simulation model is set up and the results are also given.
引文
1 李夙．异步电动机直接转矩控制．北京，机械工业出版社，1994
2 沈本荫．现代交流传动及其控制系统．北京，中国铁道出版社，1997
3 陈特放，刘子建．基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机直接转矩控制系统的建模和仿真．机车电传动．1998，No．2
4 齐永龙，冯晓云．关于异步电机直接力矩控制的研究．电气传动自动化．2002，No．4
5 司保军，李永东．无速度传感器的直接转矩控制系统研究．电气传动 1996，4月
6 冯江华．机车交流传动控制系统的发展．机车电传动．2001，No．4
7 肖建．现代控制系统综合与设计．北京，中国铁道出版社．2000
8 陈伯时．电力拖动自动控制系统．第2版．北京，机械工业出版社 1992
9 孙笑辉，韩曾晋．减小感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法．电气传动．2001，No．1
10 王焕钢，徐文立等．感应电机无速度传感器控制的自适应转速估计．电气传动．2002，No，1
11 李磊，胡育文．一种新型的磁链与速度观测器在异步电机直接转矩控制系统中的应用．2001，No．3
12 黎英，时维国等．考虑铁损时异步电动机的数学模型及其仿真研究．电气传动．1998，No．3
13 杨耕，陈伯时．交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述．电气传动．2001，No．3
14 严青，万淑云等．逆变器系统死区效应补偿原理及几种电路实现．电气传动．1996，No．6
15 司宝军，李永东等．无速度传感器的直接转矩控制系统的研究．电气传动．1996，No．4
16 王长江，李发海等．无速度传感器感应电动机矢量控制系统的设计．电气传动．1996，No．1
17 吴峻，潘孟春等．直接转矩控制系统低速性能分析与控制．电气传动．2001，No．5
18 刘国海，戴先中．交流电机转速和转子磁链自适应辨识的一种新方法．电气转动．2001，No．5
19 邵剑文，李永东等．高性能直接转矩控制低速研究．中国第四届交流电机调速传动学术会议．
20 司保军，李永东等．无速度传感器的直接转矩控制系统的研究．电气传动．1996，No．4
21 姬志艳，李永东等．应用异步电机全阶模型的无速度传感器直接转矩控制系统的仿真研究．电气自动化．1997，No．3
22 姬志艳，李永东等．无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．1997，No．4
23 朱涛，贾永乐．基于交流异步电动机矢量控制的高性能主轴驱动系统．电气传动．2001，No．5
24 时巧生，王丽敏．感应电动机调速系统中速度辨识的研究．电气转动．1996，No．2
25 薜向党，李国民等．PWM逆变器的控制参数对死区效应的影响．电气传动．1997，No．6
26 梁兵．转子电阻变化对异步电机直接转矩控制影响的仿真分析．机车电传动．2001，No．1
27 薜峰，谢运祥．感应电机直接转矩控制系统中的转速估算．电气传动．1998，No．6
28 张晓华，朱峰等．电压空间矢量PWM逆变器—异步电机仿真模型的分析．电气传动自动化．2001，No．10
29 李永东，曹江涛等．异步电机直接转矩控制系统低速转矩特性研究及其全数字控制．电气传动．1994，No．6
30 李岩，吴智铭．异步电机滑模直接转矩控制器的设计．电气传动自动化．1999，No．2
31 于宏全，钟彦儒等．基于TMS320X240的交流变频调速装置的设计．电气传动自动化．1999，No．3
32 马宪民，桂佑林．基于DSP的直接转矩控制系统的设计与实现．电子技术应用．2002，No．2
33 张春梅，尔桂花．直接转矩控制研究现状与前景．微电机．2000，No．6
34 桂武鸣，刘子建等．异步电动机直接转矩控制系统的仿真．电力机车技术．2002，5月
35 李永东主编．交流电机数字控制系统．北京，机械工业出版社．2002
36 陈国呈．PWM变频调速及软开关电力变换技术．北京，机械工业出版
社．2002
37 汪传阳等．异步电机全数字化闭环磁通控制方法的研究．电气传动．1996，No．4
38 M.Depenbroke. "direct self control(DSC) of inverter-fed inductionmotor", IEEETrans, Power Electronics, Vol3, No.4, pp420-429,Oct.1998
39 I.Takahashi and T.Noguchi. "a new quick-response and high-efficiency control strategy of induction motor",IEEE Trans, Ind. App, Vol.IA-22, No.5, pp820-827, Sep/Oct, 1986
40 T.G.Habetler, "Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modultaion",IEEE Trans, Ind. App, Vol.28, No.5, Sep/Oct, 1992
41 Uwe Baader. "Direct self control(DSC) of inverter-fed induction machine: A Basis for Speed Control Without Speed Measurement", IEEE Trans, Ind. App, Vol.28, No.3, May/fun, 1992
42 S.M.Elbuluk. "PI and Fuzzy Estimators for Turning the Stator Resistance in Direct Torque Control of Induction Machine", IEEE Trans, Ind. App, Vol.13, No.2, Mar/Apr, 1992
43 T.G.Habetler. "Control Strategies for Direct Torque Control of Using Discrete Pulse Space Modulation",IEEE Trans, Ind. App, Vol.27, No.5, Sep/Oct, 1991
44 Xingyi Xu. "Implementation of Direct Stator Flux Orientation Control on a Versatile asp Based System", IEEE Trans, Ind. App, Vol.27, No.4, July/Aug, 1991
45 M.P.Kazmierkowski. "Improved Direct Torque and Flux Vector Control of PWM Inverter-fed Induction Motor Driver", IEEE Trans, Ind. App, Vol.42, No.4, Aug, 1995
46 Yanhong Xue. "A Stator Flux-Oriented Voltage source Variable-Speed Drive Based on dc Link Measurement", IEEE Trans, Ind. App, Vol.27, No.5, Sep/Oct, 1995
47 F.Bonamno. "An Innovative Direct Self-Control Scheme for Induction Motor Drives", IEEE Trans on Power Electronics, Vol.12 No.5, Sep, 1994
48 H.W.Vander Broeck. "Analysis and Realization of a Pulse Width Modulator Based on Voltage Space Vectors",IEEE-IAS Conf. REC; 1986, pp244-251
49 Abbondanti and M.B.Brennen. "Variable Speed Induction Motor drives Use Electronic Slip Calculator Based on Motor Voltages and Currents," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.IA-11, No.5, pp.483-488, 1975.
50 R.Venkataraman, B.Ramaswami, and J.Hotlz, "Electronic Analog Slip Calculator for Induction Motor Drives," IEEE Trans. on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol.IECI-27, No.2, pp.110-116, 1980.
51 TMS320C3x General-Purpose Applications. pp.4-75. Texas Instruments. 2001
52 TMS320C3x User's Guide. Texas Instruments. 2001
53 薜定宇 控制系统计算辅助设计—MATLAB 语言及应用 清华大学出版社 1996
54 张志涌，刘瑞桢等．掌握和精通MATLAB语言．北京，北京航空航天出版社．1997
55 连级三．电力牵引控制系统．北京，中国铁道出版社，1994
56 冯江华，陈高华等．异步电动机的直接转矩控制．电工技术学报 1996，No．6
57 徐坚翔，余明杨．异步电动机低速及弱磁环节直接转矩控制系统的建模和仿真．电力机车技术．2002，No．3
58 王兆安，杨君．变频调速及应用．中国能源．1998，No．7
59 周炼，谢运祥．交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述．微电机．1999，No．6
60 马洪峰．交流调速智能控制系统的研究，硕士学位论文．江南大学．2001
61 袁寿财，朱长纯．现代交流传动控制技术的回顾与展望．光机电信息．2002，No．6
62 范影乐，杨胜天等，MATLAB仿真应用详解．北京，人民邮电出版社．2001
2 沈本荫．现代交流传动及其控制系统．北京，中国铁道出版社，1997
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4 齐永龙，冯晓云．关于异步电机直接力矩控制的研究．电气传动自动化．2002，No．4
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10 王焕钢，徐文立等．感应电机无速度传感器控制的自适应转速估计．电气传动．2002，No，1
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22 姬志艳，李永东等．无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．1997，No．4
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27 薜峰，谢运祥．感应电机直接转矩控制系统中的转速估算．电气传动．1998，No．6
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29 李永东，曹江涛等．异步电机直接转矩控制系统低速转矩特性研究及其全数字控制．电气传动．1994，No．6
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32 马宪民，桂佑林．基于DSP的直接转矩控制系统的设计与实现．电子技术应用．2002，No．2
33 张春梅，尔桂花．直接转矩控制研究现状与前景．微电机．2000，No．6
34 桂武鸣，刘子建等．异步电动机直接转矩控制系统的仿真．电力机车技术．2002，5月
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40 T.G.Habetler, "Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modultaion",IEEE Trans, Ind. App, Vol.28, No.5, Sep/Oct, 1992
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43 T.G.Habetler. "Control Strategies for Direct Torque Control of Using Discrete Pulse Space Modulation",IEEE Trans, Ind. App, Vol.27, No.5, Sep/Oct, 1991
44 Xingyi Xu. "Implementation of Direct Stator Flux Orientation Control on a Versatile asp Based System", IEEE Trans, Ind. App, Vol.27, No.4, July/Aug, 1991
45 M.P.Kazmierkowski. "Improved Direct Torque and Flux Vector Control of PWM Inverter-fed Induction Motor Driver", IEEE Trans, Ind. App, Vol.42, No.4, Aug, 1995
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55 连级三．电力牵引控制系统．北京，中国铁道出版社，1994
56 冯江华，陈高华等．异步电动机的直接转矩控制．电工技术学报 1996，No．6
57 徐坚翔，余明杨．异步电动机低速及弱磁环节直接转矩控制系统的建模和仿真．电力机车技术．2002，No．3
58 王兆安，杨君．变频调速及应用．中国能源．1998，No．7
59 周炼，谢运祥．交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述．微电机．1999，No．6
60 马洪峰．交流调速智能控制系统的研究，硕士学位论文．江南大学．2001
61 袁寿财，朱长纯．现代交流传动控制技术的回顾与展望．光机电信息．2002，No．6
62 范影乐，杨胜天等，MATLAB仿真应用详解．北京，人民邮电出版社．2001