全数字化交流电机直接转矩控制系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.05.016 第18卷第5期 北京科技大学学报 Vo1.18No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 全数字化交流电机直接转矩控制系统* 孙韶元王俊然李华德 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要分析了直接转矩控制的基本原理，系统采用高低速均适用的磁链混合观测模型.提出一种 改进的磁链和转矩控制器，同时给出了相应的电压矢量选择规则。还提出了开关频率自调整控制 的思想.在此基础上，设计了8098单片机全数字控制系统，用它分别进行了数字仿真和实时控 制，并给出实验结果. 关键词交流电机，直流转矩控制，电压空间矢量 中图分类号TM921.51 1基本原理 直接转矩控制思想是由M Depenbrock提出的，采用离散调节方法，通过两，点式调节 器使被控制变量与给定值实时做滞环比较，将被控制量的波动限制在允许范围内.其控制 效果并不取决于对象模型是否能简化，而是直接根据被控量实际状态来控制. 直接转矩控制，具体地讲，就是采用定子磁场定向，在定子静止坐标系下计算交流电 转矩给定T, 电流 Isa 转矩 转矩滞 △T 观测器 环比较 FT 电压 磁链] 中 区域 基极驱动 检测 转换 U射 观测 器 判别 电路 磁链给 磁徒 定Ψsg 开关频率 延滞互锁 环比△中 Vwia +Wip 自调整 及隔离 FF 电压矢量状态选择表 So~S7 图1DSC控制系统原理框图 机的转矩，借助于Bang-bang控制产生PWM信号，直接对逆变器开关状态进行最佳控制，以 获得转矩的高动态性能 当定子磁链中-const时，有如下转矩关系式2成立： T.=(w,RMP6/ZP)-{(R,MP6/LZ)sin(ω4+a)-(LJ。/L)[L4-LR.(,,=】· 1995-07-31收稿第一作者女52岁副牧授 *国家自然科学基金资助项廿

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 全数字化交流 电机直接转矩控 制系 统 孙韶 元 王俊然 李华德 北京科 技 大学 自动化信息工 程 学 院 ， 北京 摘要 一 分析 了直接转矩控制 的基本原理 系统采用 高低 速均适用 的磁链棍合观测模 型 提 出一种 改进 的磁链和 转矩 控制器 ， 同时给 出了 相 应 的 电压矢量 选择规则 还提 出 了开 关频率 自调 整 控制 的思 想 在 此基 础 上 ， 设计 了 单片机全数字控制 系统 ， 用 它分别进行 了 数字仿真 和 实 时控 制 ， 并 给 出实验结果 关键词 交流 电机 ， 直流转矩控制 ， 电压空 间矢 量 中图分类号 基本原理 直 接 转 矩 控 制思 想 是 由 提 出的 ， 采 用 离散 调 节 方 法 ， 通 过 两 点 式 调 节 器使 被 控 制 变量 与 给定 值 实 时做滞 环 比较 ， 将 被 控 制量 的波 动 限制 在 允许 范 围 内 其 控 制 效果 并 不 取 决 于 对象模 型 是 否 能 简化 ， 而是 直 接 根 据被 控 量 实 际状 态来 控 制 直 接 转 矩 控 制 ， 具 体 地 讲 ， 就 是 采 用 定 子磁 场 定 向 ， 在 定 子 静 止 坐 标 系下 计算 交 流 电 转矩 给定 几 转 矩 观测 器 转矩滞 环 比较 乙 棍… 检电转测流换 李业丛 电压 检 测 转换 磁链 观 测 器 区 域 判 别 基极 驱 动 电路 磁链 给 定劝 磁链 环 比 了劝 。 坤粼 △劝 匕兰二二二二二二兰一」 丝一一厂蔽舀覆丽襄获燕 开 关 频率 自 调 整 延 滞互 锁 及 隔 离 一 图 控制 系统原理框 图 机 的转 矩 ， 借 助于 一 控 制 产 生 信 号 ， 直 接 对逆 变 器 开 关 状态进 行 最 佳控 制 ， 以 获得 转 矩 的高 动态性 能 当定 子磁 链 诃卜 时 ， 有 如下 转矩 关 系式 〔 成 立 。 尸蜡 矛 一 笼 尸蜡 。 ‘ 一 几 一 ‘ 。 · 一 收 稿 第 一 作 者 女 岁 副教授 中 国 家 自然 科 学基 金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．05．016

Vo1.18No.5 孙韶元等：全数字化交流电机直接转矩控制系统 ·469· sinw,t-Lo·Im(,l,=o)·coso,}·exp(-Rt/L) (1) 其中L=(LL,-M2/L;Z=[(R+(@,L)]2;a=tan'(@L/R,):ww-ω为转差 角频率；【。是相对于定子磁链的一个恒定量，为定子磁化电流矢量的幅值. (1)式中第一项和第二项分别为转矩的稳态项和瞬态项.将(1)式对时间求导，可得在0 时转矩的变化率： (dT./d)l=o=(亿o/L){L+-L·R.l,-]w,-R·1m(,4=} (2) 上式表明，在定子磁链幅值保持恒定时，转矩的快速响应能通过调节转差角频率而获 得，从而实现对定子磁链直接控制其原理见图1， 2观测器 在α-B定子静止坐标系中，电机电压方程为： U=R,i +(d/di)w U=R,i+(d/dt) 0=R,i(d dt) (3) 0=R,p(d1d0Ψe-yem,J Waa=Ls iv+Mimg Ψg=L,ig+MiB Vre =L,iva +Mira (4) ΨB=L,g+MBJ 转矩方程为： T。=nwag中ga） (5) 由（⑤）式知，要想得到转矩值，首先必须检测磁链.考虑到低速工况的不同，采用高、低 速均适用的混合型磁链观测器以实现对磁链的准确检测，其结构如图2所示，它兼顾电压、 电流两模型，减少了磁链误差，同时防止了振荡.电流模型参数按低速时整定设置.过渡环 节换频率定为额定转速的10%左右，低速时，TS《1,中a中g主要由电流模型输出中以及 中决定；高速时，TS》1,电压模型起主要作用.两种模型由(3)和(4)式容易推得.在磁 链准确观测基础上，由（⑤）式即可计算转矩观测值. 3控制器 R 1中a 直接转矩控制系统采用电压型逆变器.3 PΨsa TS+1 电流 个桥臂6个开关元件共有8种开关状态组合. 型磁 Ψsal 若规定上桥臂元件导通时状态为1，则得到逆 链观 U 变器输出的8个端电压矢量w1(0,0,0)~u7( 测器Ψ81 1,1,1),在a-B平面被分为6个区域： ☐ 14 T.S+1 2N-3培≤6W≤(2N-1)号 图2混合模型磁链观测器 N=1,2,3,4,5,6

孙韶 元等 全数字化交流 电机直接转矩控制系 统 。 声一 · ‘ 。 ’ 。 声 · 一 其 中 去 乙 弄 一 材 ’ 五 天 矛 。 工 ’ ‘ 一 ‘ 。 声 天 。 二 ， 一 。 为转差 角 频 率 。是 相 对于 定 子磁链 的一个 恒定 量 ， 为定 子磁 化 电流 矢量 的 幅值 式 中第 一项 和 第 二 项分别 为转矩 的稳 态项 和 瞬态项 将 式 对时 间求 导 ， 可 得 在 卜。 时转 矩 的变 化率 ， 。 儿 一 · 。 。 一 · ， 。 上 式 表 明 ， 在 定 子 磁链 幅值保 持恒 定 时 ， 转 矩 的快 速 响应 能通 过 调 节 转差 角 频 率 而 获 得 ， 从 而 实现 对定 子磁链 直 接控 制其 原理 见 图 观测器 在 一 声定 子 静止 坐 标 系 中 ， 电机 电压方 程 为 ， 势。 一 明 劝明 、 劝 一 ， 劝。 劝叨 田 一 劝二 叭 沁明二 劝二 一 ， ‘。 劝， 一 ‘， ‘班 势二 一 ‘。 十 ‘。 劝， 一 转 矩 方程 为 一 、 劝。 协一 劝明 二 由 式 知 ， 要 想 得 到 转 矩值 ， 首先 必 须 检 测 磁链 考 虑 到 低 速 工 况 的不 同 ， 采 用 高 、 低 速 均 适 用 的混合 型 磁链 观 测 器 以 实 现 对磁链 的 准确 检 测 ， 其 结构如 图 所示 它兼顾 电压 、 电流 两模 型 ， 减 少 了 磁链 误 差 ， 同 时 防止 了振 荡 电流模 型 参数 按 低 速 时整 定 设 置 过 渡 环 节换频 率定 为额定 转速 的 左 右 · 低 速 时 ， 们 ， 劝、 劝明主要 由电流模 型 输 出 劝。 以 及 劝卿决定 高速 时 ， 》 ， 电压模 型起 主要 作用 两种模 型 由 和 式容 易 推得 在磁 链 准确 观 测基 础 上 ， 由 式 即 可 计 算 转 矩 观测 值 控 制器 直 接 转 矩 控 制 系 统采 用 电压 型 逆 变器 个桥 臂 个 开 关元 件 共 有 种 开 关状 态组 合 若规定 上 桥 臂元 件 导通 时状 态 为 ， 则 得 到 逆 变器输 出 的 个端 电压 矢 量 ， ， 一 ， ， ， 在 一 月平 面被 分 为 个 区 域 电流 型 磁 链观 测 器 万 一 粤‘ 、的 丛 、 刃 一 、粤 图 混合模型磁链观测器 ， ， ，

·470· 北京科技大学学报 1996年No.5 对应8个开关的α-B坐标系电压矢量为： So:U=0 U8=0 S4:Ua=2/3U U=0 S:U=-1116Us U=-1112Us S:U.=1116Us Ug=-1/2U S3:U=-1116Ua U=1112Ua S:U=1116Us Uo=1112U S,:U=-V213U4Ue=0 S:U=0 U3=0 为适应磁链、转矩控制的快速变化，我们提出一种改进型磁链和转矩控制器，根据磁 链、转矩的给定值中gT与计算值中，T,之差的大小，分别设置了两个滞环环宽εF,eT和 eFeT2,其结构如图3所示. (a) (b) △T △ψ 0 -E Fi 0 -eTw2 ETi -EFu2 EF22 图3改进型控制器(a)磁链(b)转矩 由此，可得到改进型DSC开关状 表1改进型DSC电压矢量选择规则 下选择规则，如表1所示.其特点%123456123456 是，在每一瞬时，会根据转矩和磁链 0U UsUsUs U:U3 0 Us Us U.U:U3 U 的控制要求，从8个矢量中选择符合 0 1 Us U Us Ua Us Uz 2 1 U7 Uo U Uo U Uo 要求的矢量，与以往从两个非零矢量 2 U:Us U Us Us vs 2 Us U2 U:U Us Us 0U:Us UsUs Uz U3 0 Us UsUs U:Us U 和两个零矢量中选择有所不同，它增11心U,G31Uu。 加了调节的及时性和平滑度. 2 U2 Us U Us Us Us 2 Us U:Us U U's Us 从以上规则表中选择开关矢量时，还 需知道磁链矢量在空间的区域位置.其方法是：令K=gπ6·中a,再判断中与K大小和符号 关系，易确定(W.这只需简单的计算和逻辑判断即可. 4开关频率自调整控制 磁链、转矩滞环环宽的选择受器件允许开关频率的限制，不能过窄.但环宽过宽，又造 成转矩控制的平滑性降低.我们引入开关频率自调整控制器，用来调整. 首先，要检测出逆变器开关频率.由DSC控制器可得到开关矢量的选取，也就知道了器 件切换情况.对于数字系统，可更方便地求取某段时间内器件切换的总次数，从而也就确定 了该段时间内的平均开关频率.一般，可选择采样控制周期的整数倍时间作为频率计算时间 段.对于GTR,可选择为50ms或100ms左右. 在控制之前首先需预先给定允许开关频率KFG和允许误差带EKG.开关频率观测值 KFRG与KFG之差，即频率误差EK超过允许误差带上限EKG时，则调整转矩误差带

北 京 科 技 大 学 学 报 年 对应 个 开 关 的 一 声坐 标 系 电压 矢 量 为 气 一 叽 一 今 气 一 行万 叽 一 呱 一 而 认 叽 一 扼 今 叽 一 而 认 蜘 一 扼 认 今 叽 一 而 认 肠 一 行 叽 今 气 一 而 饥 叽 一 存 叽 一 万万 姚 叽 一 叽 一 叽 一 。 为 适 应 磁链 、 转 矩 控 制 的快 速 变 化 ， 我 们 提 出一 种 改 进 型 磁 链 和 转 矩 控 制 器 ， 根 据 磁 链 、 转 矩 的给定 值 势 ， ， 与计 算值 势。 ， 毛 之 差 的大小 ， 分别 设置 了 两 个 滞 环 环 宽 。 ， 。 和 。 ， 。 ， 其 结 构 如 图 所示 一 ￡兀 二 一￡ 图 改进型控制器 磁链 转矩 由此 ， 可 得 到 改 进 型 开 关状 态 选 择 规 则 ， 如 表 所 示 其 特 点 是 ， 在 每 一 瞬 时 ， 会 根 据 转 矩 和 磁 链 的控 制 要 求 ， 从 个 矢量 中选 择符 合 要 求 的矢 量 ， 与 以 往从 两个非 零 矢量 和 两 个 零 矢 量 中选 择有 所 不 同 ， 它增 加 了 调 节 的及 时性 和 平 滑度 从 以 上规则 表 中选 择 开 关 矢量 时 ， 还 表 改进型 电压矢 量选择规则 黯 ‘ ， ‘ ’ 口 二不二一二二不哥 乙 勺 勺 厂 认 认 认 姚 认 认 认 认 姚 姚 伪 ， 认 认 姚 认 认 认 姚 认 认 认 认 姚 认 、 姚 认 认 认 认 姚 认 认 姚 认 认 认 认 认 认 姚 认 姚 认 认 认 认 认 姚 认 需 知道 磁链 矢 量 在 空 间 的 区 域 位置 其 方 法是 令 侧 · 劝 ， 再判 断 势叨与 大 小 和 符 号 关系 ， 易 确 定 班扔 这 只 需 简单 的计算 和 逻辑 判 断 即 可 开关频率 自调 整控 制 磁链 、 转 矩 滞 环 环 宽 的选 择 受 器 件 允许 开 关 频 率 的限制 ， 不 能 过 窄 但 环 宽 过 宽 ， 又 造 成 转矩 控 制 的平 滑性 降低 我 们 引人 开 关 频 率 自调 整控 制器 ， 用来 调 整 首 先 ， 要 检 测 出逆 变 器 开 关频 率 由 控 制器 可 得 到 开 关 矢量 的 选 取 ， 也 就 知道 了器 件 切换 情 况 对于 数 字 系 统 ， 可 更 方 便 地 求 取 某 段 时 间 内器 件 切换 的总 次数 ， 从 而 也 就 确 定 了 该段 时 间 内的平 均 开 关 频 率 一 般 ， 可 选 择采样 控 制 周 期 的整 数倍 时 间作为频 率 计算 时 间 段 对于 ， 可 选 择 为 或 左 右 在 控 制 之 前首 先 需 预 先 给 定 允 许 开 关 频 率 和 允 许 误 差 带 开 关 频 率 观 测 值 ， 与 之 差 ， 即 频 率 误 差 超 过 允 许 误 差 带 上 限 时 ， 则 调 整 转 矩 误 差 带

Vo1.18No.5 孙韶元等：全数字化交流电机直接转矩控制系统 ·471· ETG,使其按控制器字长的最小单位递增；当EK超过允许误差带下限-EKG时，则需使 ETG减少一个最小单位；而当EK控制在允许误差带内时，则转矩误差带可保持不变.开关 频率控制器的输出量为调整后的新的转矩误差带. 5仿真及系统实现 对系统进行了仿真，其结果如图4所示.仿真采用四元四阶龙格库塔算法，步长为20$， DSC控制周期设为60s,仿真时间1.6s,转矩给定TG为10N·m,磁链给定p,=1.电机空 载起动到转矩响应时间为8.5ms.从结果看出，系统转矩响应快，整个仿真过程，除起动时 磁场建立过程外，动静态过程中磁链轨迹始终保持近似圆形.仿真参数：R,=5.7932; R=3.4212;L,-L,-0.386H;M-0.363HN。-2;J-0.02667kg·m2;P.-1.1kW;U。-514V. TL=8N:m T-0 -.0.6- =020.2-02x02t02/s 图4DSC系统仿真结果 系统选用NTEL8098单片机为核心控制器件).输入由8098内部A/D转换，PWM脉k 冲由8255并行接口芯片PA口输出，两路DA实现对磁链观测值的数模转换.系统选用 12MHz晶振，经过不断的程序优化，使直接转矩控制的整个控制程序，包括电流、电压 采样、磁链、转矩的计算与控制，以及开关状态的输出等，执行时间不超过250s.GTR开关频 率大约在1kHz. 实验对象为一台2.2kw笼型交流电机，型号为Y100L1-4.实验结果如图5.电机空载 启动至转速稳态时间大约560ms. 6结论 560ms 以INTEL8098单片微机为控制器的全数字化交 -t/ms 流电机直接转矩控制系统，结构简单、紧凑，编程容 易，其转矩响应快速，控制性能优越.采用开关频 率自调整控制，实现了对转矩控制滞环环宽的自动整 定，自动调整了逆变器开关频率，提高了系统运行 的可靠性，改善了系统性能 图5电机启动过程 参考文献 1 Depenbrock M.IEEE Trans Power Electron,1988(4):420 ~429

孙韶 元等 全数字化交流 电机直接转矩 控制系 统 石无 夜其 按 控 制 器 字 长 的 最 小 单 位 递 增 当 超 过 允 许 误 差 带 下 限 一 时 ， 则 需 使 减 少一 个 最小 单位 而 当 控制在 允许 误差 带 内时 ， 则 转矩 误差 带 可 保持不 变 开 关 频 率 控 制 器 的输 出量 为调 整 后 的新 的转 矩 误差带 仿真及系统 实现 对 系 统进 行 了 仿真 ， 其 结果 如 图 所 示 仿 真 采 用 四 元 四 阶龙 格 库塔 算 法 ， 步 长 为 ， 控制 周期 设为 ， 仿真 时 间 ， 转矩 给定 为 · ， 磁链 给定 议 一 电机 空 载起 动 到 转 矩 响应 时 间为 从结果 看 出 ， 系 统转 矩 响应快 ， 整 个仿真过 程 ， 除起 动 时 磁 场 建 立 过 程 外 ， 动 静 态 过 程 中 磁 链 轨 迹 始 终 保 持 近 似 圆 形 仿 真 参 数 一 口 · 。 凡一 弄 · ‘ ， 一 一 · 一 · 系统仿真结果 系 统选 用 单 片机 为核 心 控 制器 件 输入 由 内部 转 换 ， 脉 冲 由 并 行 接 口 芯 片 口 输 出 ， 两 路 实 现 对 磁 链 观 测 值 的 数 模 转 换 系 统 选 用 晶 振 ， 经 过 不 断 的 程 序 优 化 ， 使 直 接 转 矩 控 制 的 整 个 控 制 程 序 ， 包 括 电 流 、 电压 采 样 、 磁链 、 转 矩 的计算 与控 制 ， 以 及 开 关状态 的输 出等 ， 执行 时 间不 超过 开 关频 率大 约在 实验 对象 为一 台 笼 型交 流 电机 ， 型号 为 一 实验结果 如 图 电机 空 载 启动 至 转 速 稳 态 时 间大 约 结论 以 单 片微 机 为控 制 器 的全 数字 化交 流 电机 直 接 转 矩 控 制 系 统 ， 结 构 简单 、 紧凑 ， 编 程 容 易 ， 其 转 矩 响 应 快 速 ， 控 制 性 能 优 越 采 用 开 关 频 率 自调 整 控 制 ， 实 现 了对转 矩 控 制滞环 环 宽 的 自动整 定 ， 自动 调 整 了 逆 变 器 开 关 频 率 ， 提 高 了 系 统 运 行 的可 靠性 ， 改 善 了 系 统性 能 图 电机启动过程 参 考 文 献 ， 一

*472· 北京科技大学学报 1996年No.5 2 Takahashi I,Noguchi T.IEEE Trans Industry Applications,1986(5):820 ~827 3方建淳.MCS-96系列8098单片机原理及应用技术，天津：天津科学出版社，1990 Fully Digitized Direct Self-Control System of an AC Motor Sun Shaoyuan Wang Junran Li Huade Automation and Information Eegineering College,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The dasic principle of direct self control system is analysed.A mixing type of flux estimator is empolyed at high and low velocities.A kind of improved flux and torque controller is presnted and the corresponding selecting rule of voltage vectors is showed at the same time.It puts forward that the control system by 8098 single chip miciroprocessor is desingned.Simulation and experimental results are showed at the end. KEY WORDS AC motor,direct self control,voltage space vector 水米米米米米米米米米*米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米**米米米*米米米米米米米米米米米米米米米米米米 欢迎订阅《北京科技大学学报》 《北京科技大学学报》是北京科技大学（原北京钢铁学院）主办的学术类科技期刊，中文版 为双月刊，英文版为半年刊.两刊刊登的内容不同.中文版主要刊登本校教师研究的有关冶 金、材料及相关学科的重点科研成果；英文版主要报道博士研究生带有前缘性，开拓性的科研 成果， 《北京科技大学学报》从1997年开始，刊登的内容力求面向经济建设主战场，力求为冶金 科技进步做出自己的贡献， 读者定能从中受益， 《北京科技大学学报》中文版定价36元/年，英文版16元/年.读者可直接来函索取订单. 《北京科技大学学报》编辑部

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