1、 毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编
2、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保存和汇编本毕业论文（设计） 。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日摘 要直接转矩控制是一种控制思想新颖、系统结构简明、动静态特性优良的新型高性能交流调速传动控制技术，但是存在一些不足之处。空间矢量调制技术可以使逆变器的开关频率固定，减小转矩脉动；无差拍控制可以在一个采样周期内消除磁链和转矩的误差。因此，空间矢量调制技术和无差拍控制的结合是一种很有希望提高直接转矩控制性能的方法。基于这两方面的
3、内容，本文针对直接转矩控制系统进行了分析和研究。介绍了空间矢量调制技术的原理，对采用空间矢量调制的直接转矩控制系统与传统直接转矩控制系统进行了比较。研究了一种新的无差拍直接转矩控制算法，该算法计算简单、物理意义明确、不用求解二次方程。仿真结果表明控制效果比较好，对定子电流干扰和电机参数变化有一定的鲁棒性。分析了几种磁链观测方法，研究了电机参数变化和电流测量误差对其影响。无速度传感器技术可以提高交流传动控制系统的可靠性。本文分析了扩展卡尔曼滤波器转速估计算法，建立了转速估计模型，研究了系统对干扰的适应能力。对本文所研究的无差拍直接转矩控制系统进行了实验研究，采用了新的磁链观测方法，运用汇编语言编
4、程，在 DSP 实验平台上初步验证了系统设计的可行性。关键词：直接转矩控制 空间矢量调制 磁链观测 无差拍控制 无速度传感器AbstractDirect torque control (DTC), is a new high performance AC drive system with novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. But the classic DTC also have some shortages. Switching frequency
5、of inverter will be stable and torque ripple will be reduced by using space vector modulation. The errors of stator flux and torque can be eliminated by using deadbeat controller in a sampling period. So combining space vector modulation with deadbeat control is a hopeful method to improve the perfo
6、rmance of DTC. According to these, DTC is analyzed and researched in this thesis.The principle of space vector modulation is introduced, and space vector modulation DTC and classic DTC are compared. A new method of deadbeat DTC with simple calculation, explicitly meaning and without saluting equatio
7、n is researched. The simulating results show that its effect is good and the robustness to interference with currents and motor parameters is high.Some methods of stator flux observation are analyzed. The influence of variance of motor parameters and current error is researched.To improve reliabilit
8、y of system, speed sensorless technique is implemented. The method of speed estimation by extended kalman filter is analyzed. The simulation model is set up to confirm this method. Ability to adapt interference is researched.The deadbeat DTC researched in thesis is confirmed in the DSP test-bed for
9、experimentation by DSP assembly language with a new flux observer.Key words: direct torque control；space vector modulation；flux observation；deadbeat；speed sensorless目 录1 绪论 .11.1 交流调速技术的发展和现状 .11.2 直接转矩控制技术的产生背景及研究现状 .21.2.1 直接转矩控制技术的产生背景 .21.2.2 直接转矩控制技术的研究现状 .31.3 本论文的研究内容 .6 直接转矩控制 .82.1 异步电机数学模型
10、 .82.2 逆变器数学模型 .102.3 直接转矩控制系统 .11 采用空间矢量调制的直接转矩控制系统 .173.1 空间矢量调制原理 .173.2 空间矢量调制直接转矩控制系统 .203.3 SVM-DTC 仿真 .21 无差拍直接转矩控制系统 .254.1 无差拍直接转矩控制 .254.2 无差拍控制算法改进 .284.3 无差拍直接转矩控制系统 .304.4 无差拍直接转矩控制系统仿真 .31 磁链观测和速度估计 .365.1 磁链观测 .365.1.1 饱和反馈法 .365.1.2 幅值补偿法 .395.1.3 自适应补偿法 .405.2 速度估计 .435.2.1 扩展卡尔曼滤波器
11、 .445.2.2 速度估计滤波器算法 .465.2.3 速度估计仿真 .50 直接转矩控制系统的数字化实现 .546.1 控制系统的硬件构成 .546.2 无差拍直接转矩控制软件设计 .566.3 实验结果 .59结 论 .65参考文献 .671 绪论1.1 交流调速技术的发展和现状能源和环境始终是当今全球经济发展的两条相互交织的主线。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题，节能降耗已经成为世界各国普遍采取的措施。而电机（以下均称电机）是把电能转换为机械能最主要的手段，具备高效率和变频调速的电机可以大大提升节能的效果。电力电子技术、微电子技术、现代
12、控制理论的不断完善和发展，为交流调速的发展创造了有利条件，使交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等技术性能，完全可与直流调速系统相媲美，从而开辟了交流调速的新纪元 1。电力电子技术的迅猛发展为交流调速技术奠定了物质基础 2。20 世纪 50 年代出现的晶闸管使交流调速摆脱了笨重的旋转变频机组，标志着电力电子的诞生。70 年代第一代电力电子器件晶闸管的出现形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品。随后又出现了 GTR、GTO 和功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，使得高频化的 PWM
13、 技术成为可能。从 90 年代到现在电力电子器件正朝着大功率化、高速化、模块化、智能化的方向发展。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。从电力电子器件的发展历史来看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命，而每一场电力电子技术的革命都预示着新一代交流调速系统的产生。现代控制理论的不断完善为交流调速技术提供了理论依据。在变频技术日新月异发展的同时，交流调速系统控制技术取得了突破性进展。VVVF 控制电路简单、通用性强、经济性好，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。但是其系统控制是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果不理想。20 世纪 70 年代提出
14、得矢量控制理论较好地解决了交流电机的转矩控制问题，应用三相到两相的坐标变换方法以及转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和转矩分别控制的目的，获得了与直流调速系统同样优良的动静态性能，开创了交流调速的新时代。直接转矩控制是 80 年代中期提出的又一种转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型 PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。随着现代控制理论的发
15、展，交流调速系统控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，进一步推动交流调速技术的发展。微电子技术的发展为交流调速技术的数字化实现提供了可能。微处理器的引入，促进了交流调速技术由模拟化向数字化的转变。数字化技术使得复杂的控制算法得以实现，而电路的简化、成本的降低、控制精度的提高以及控制系统可靠性的增强等则为交流调速的发展带来了新的契机。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机（如凌阳科技的 SPMC 系列） 、数字信号处理器（如德州仪器的TMS320F 系列） 、专用集成电路（Application Specific
16、Integrated CurrentASIC）等。对于高性能的交流调速系统来说，由于控制系统复杂，需要微处理器采用高速缓冲储存器、多总线、流水线和多核的结构。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流调速系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高、成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。1.2 直接转矩控制技术的产生背景及研究现状1.2.1 直接转矩控制技术的产生背景随着工业技术的不断发展，对电气传动的调速精度、调速范围、动静态响应和转矩脉动等方而提出了更高要求。基于稳态模型的标量控制方式，如转速
17、开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控制等控制策略，己经不能满足高精度的工艺要求。20 世纪 70 年代，西门子公司的 F.Blaschke 等人提出了磁场定向控制，奠定了矢量控制的基础。该方法模仿直流电机控制，以转子磁场定向，运用矢量变换的方法实现了电机定子电流的励磁分量与转矩分量的完全解耦，将异步电机等效成直流电机。矢量控制的提出具有划时代的重要意义，其静态精度和动态响应并不亚于直流控制系统 3。然而，矢量控制采用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转子电阻和电感，因此，容易受到电机转子侧参数的影响。此外，矢量控制需要复杂的矢量旋转变换与计算。在总结前人研究成果的基础上，1985 年，德国
18、鲁尔大学的M.Depenbrock 教授和日本的 I.Takahashi 教授分别提出了直接转矩控制的理论 45。与矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了矢量控制的解耦思想和复杂的坐标变换，通过简单地检测定子电压和电流，以空间矢量的分析方法，直接在定子静止坐标系下计算电机的磁链和转矩，利用双位模拟调节器产生 PWM,直接控制逆变器的开关状态，从而获得转矩的高动态性能。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，优良的动静态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展 6。目前该技术己经成功地应用在电力机车牵引及提升机的大功率交流传动上，如 ABB 的 ACS6000 就是成功应用直接转
19、矩控制的变频器，最大功率可达 27 兆瓦。1.2.2 直接转矩控制技术的研究现状直接转矩控制在理论和技术上有许多优点，但是作为新兴的技术，还存在诸多不完善的地方，而这些问题恰恰成了目前直接转矩控制技术的研究热点，吸引了该领域广大专家学者进行研究。1.2.2.1 磁链和转矩观测器的研究磁链和转矩观测器归根结底是对磁链的观测，因为只要观测出定子磁链，根据采样得到的定子电流就容易计算出转矩的大小。对于传统的直接转矩控制来说，定子磁链的幅值和相角是决定电压矢量选择的关键因素。因此，合理地构建磁链模型，对定子磁链进行准确地观测，对于直接转矩控制来说非常重要。传统的直接转矩控制常用的磁链模型有三种：电压模
20、型、电流模型和基于电压电流模型切换的混合模型 3。电压模型采用定子电压和定子电流来确定磁链，由于该模型优点是所需参数定子电压、定子电流和定子电阻容易确定，方法简单。缺点是存在纯积分环节，必然带来直流偏移和初始值问题，导致低速时误差较大，且定子电阻易受温度影响。因此，该方法适合于 额定转速以上的情况。电流10%模型不受定子电阻变化的影响，低速性能较好。但是受到转子电阻、漏电感和主电感变化的影响，并且要求精确地测量角速度 。混合模型综合了电压模型和电流模型的优点，在电机运行在高速时采用电压模型，运行在低速时采用电流模型，因此存在模型切换的问题。国内外在磁链的准确观测方面的研究很多。针对电压模型低速
21、时易受定子电阻影响的问题，文献7提出了一种新型的定子磁链观测模型,采用一阶低通滤波器替换电压模型中的纯积分环节,并引入 PI 闭环校正环节来补偿磁链观测的直流偏移误差。实验表明,该磁链观测器精度高,对电机参数的鲁棒性好,并能够有效地解决直流偏移误差问题。文献8分析了磁链观测存在的问题,在定子磁链定向的同步坐标系下,以位置角为反馈量,采用闭环双积分结构,分别估计了定子磁链的幅值和相位。这种结构理论上可以从根本上解决电压模型的初始值不准确和积分零漂的问题。但是该方案受到位置角估计精度的影响较大。文献9提出了一种利用扩展卡尔曼滤波器估计定子磁链的方法，使用这种方法可以同时估计定子磁链矢量和其他状态变
22、量，但是这种方法在实际应用中还存在估计精度低，收敛速度慢等问题。1.2.2.2 无速度传感器技术鉴于安装速度传感器会使控制系统的成本增加，可靠性变差。因此，无速度传感器技术显得十分重要，已经成为电机传动领域研究的热点。无速度传感器技术常用的速度估计方法包括:模型参考自适应法（MRAS） 、扩展卡尔曼滤波法（EKF） 、高频信号注入法、滑模观测法、基于神经网络的估计方法等。模型参考自适应法（MRAS，Model Reference Adaptive System）是将不含未知数的方程作为参考模型，将含有待估计参数的模型作为可调模型，两个模型具有相同的物理意义，通过对两个模型输出的偏差根据一定的自
23、适应率不断调节可调模型的参数，直到两个模型输出相同 10。文献11提出了一种以电机的瞬时无功作为辅助变量的 MRAS 方法估计转速，避免了积分环节，对电机参数鲁棒性较好，计算量小，收敛速度决，速度估计精确较高。文献12提出了一种在静止坐标系下实现的 MRAS 系统。该方法的参考模型和可调模型分别由电机定子侧和转子侧的方程构成。参考模型中不含定子电阻，避免了纯积分运算。为了避免对定子电流的纯微分，该文应用微分跟踪器以提取高质量的微分信号，仿真和实验效果较好。扩展卡尔曼滤波法（EKF，Extended Kalman Filter）是将定子电流、定子或者转子磁链和转速作为状态变量，构成电机状态方程，
24、根据预测值和测量值之间的偏差来调整系统状态，从而达到估计转速的目的 13。文献14提出了扩展卡尔曼滤波法。该方法在定子静止坐标系下以定子电流、定子磁链和转速作为状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计时都重新将模型在该运行点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行转速估计。扩展卡尔曼滤波法提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量值的微分计算，可有效抑止噪声干扰，提高转速估计的准确度。但是，缺点是计算量大和初始值整定复杂，数字化实现难度较大。文献11利用 EKF 算法,通过测量电机的端电压和流过定子线圈的电流在线估计电机转子的位置和速度，利用模糊自适应机构替代常规自适应机构,
25、构成一个模型参考模糊自适应系统。该系统具有较强自适应和抗干扰能力，但是，由于同时采用 EKF 算法、模型参考自适应算法和模糊控制，系统过于复杂，难以数字化实现。高频信号注入法是向电机端部注入三相旋转高频信号（250Hz） ，使转子凸极呈现一定的效应，通过检测转子凸极的位置，就可以获得转子的位置和速度。由于该方法是基于电机非理想模型，因此对电机参数的变化具有鲁棒性。缺点是谐波的注入影响了电流波形，增加了电机损耗，且只适合低速，高速时信号滤波分离困难 1516。滑模观测法采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，是控制系统的状态最终稳定在设计好的滑模超平面上。文献17针对交流电机的时变、非线性、多变量、
26、强耦合的特性，运用滑模变结构控制理论,设计了一种滑模变结构控制器,并对常规滑模控制器存在的抖动问题提出一种改善方法,即在滑模控制器后加一个模糊比例积分环节。该方法构成的系统十分复杂，同时计算量也不小。文献18采用人工神经网络理论对电机转速进行了实时估计，算法中基本上消除了纯积分和定子电阻对控制系统的影响，获得了较宽的调速范围，但是系统过于复杂。1.2.2.3 现代控制理论的应用自上世纪 60 年代以来，基于状态空间和状态方程的现代控制理论已经成熟和完善，在解决具有不确定性和无法精确描述的系统控制问题上发挥了经典控制理论难以奏效的作用。自适应控制是现代控制理论的一个分支。自适应控制的控制器具备自
27、适应的能力，自动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
