基于在线搜索控制器的感应电机效率优化-毕业论文(编辑修改稿)

基于在线搜索控制器的感应电机效率优化-毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

在满足上述理想电机假设条件下，经推导可得 感应 电机在静止坐标系下的数学模型。 对于分析直接转矩控制系统，采用矢量的数学模型分析方法，以定子磁链定向，建立在静止 dq 正交定子坐标系下，图 21（ a）是异步电机的等效电路。 [5] 图 （ a）异步电机空间矢量等效电路图 电磁转矩可 为： ssne iPT   （ ） 式中， s 是定子磁链空间矢量； si 是定子电流空间矢量。 两者都是以定子三相轴系表示的矢量。 同样，在定子三相轴系中定子磁链和转子磁链空间矢量都可表示为： s s s m rL i L i  （ ） 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 r m s r rL i L i  （ ） 由式（ ）可 得： 1 ()r r m sri L iL  （ ） 将式（ ）代入（ ），可将定子电流空间矢量表示为： smsrs r sLi L L L  （ ） 式中， sL 为定子瞬态电感， 2mssrLLLL 。 将（ ）代入（ ）可得：| || | sin ( ) | || | sinm m me n r s n s r s r n s r s rs r s r s rL L LT P P PL L L L L L              （ ） 式中， s 和 r 分别是定子磁链和转子磁链矢量相对与 A轴的空间电角度； sr 是两者间的空间电角度， sr s r  ，称其为负载角。 式（ ）表明 ，电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的矢量积，即决定于两者幅值和期间的空间电角度。 若 ||s 和 ||r 保持不变则由式（ ）可得： | || | c osemn s r srsr srdt LPd LL      通常，在稳态情况下， sr 的值较小，显然 sr 对电磁转矩的调节和控制作用是明显的。 在动态控制中，只要控制的响应时间 比较子时间常数快得多，那么在这短暂的过程中就可以认为转子磁链矢量是不变的，进而只要保持定子磁链的幅值不变，通过改变 sr 就可以迅速地改变和控制电磁转矩这就是感应电机直接转矩。 [2] 定子电压矢量的作用与定子磁链 轨迹 当存在定子电压矢量作用下，定子磁链矢量的幅值和相位放生变化，如果第二章 直接转矩控制的基本原理 8 忽略定子电阻的影响，则两者具有微分关系。 如果逆变器开关顺序按 001， 110， „ 101 的状态一次变化，每次变化的间隔时间相同，就可得到如图 22（ a）所示的六个以步进形式输出的电 压矢量 1su ， 2su … . 6su ，这六个电压矢量的一次作用下，定子磁链矢量的变化轨迹为一正六边形如图 21（ b）。 图中的虚线轨迹表示计及了定子电阻影响后，定子磁链矢量的实际轨迹。 图 22（ a）逆变器开关电压矢量 假如定子磁链矢量的初始值 s OM  ,那么在定子 电压矢量 1su （ 100）作用下，定子磁链矢量 s 一定沿着 MN 的轨迹变化，因为 s 的方向要与 1su 一致，变化的速率则等于 1||su ，当 s 运动到 N 的位置时， 1su （ 100）转化为 2su （ 110），在 2su （ 110）作用下， s 将沿着 NP 的轨迹变化，一次下去，便得到 s 正六边形的运动轨迹 MNPQRS。 [13] 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 图 22（ b）定子磁 链轨迹 但是，由图 22（ b）可以看出，定子磁链矢量 s 的幅值不是恒定的，七仔正六边形的拐点处达到最大值，当运动到与正六边形某条边垂直的位置时幅值最小。 由矢量 s 在三相绕组 ABC 轴线上的投影可得到链过每相绕组的磁链值。 显然，每相绕组的磁链值不会是时间的正弦函数。 由定子每相磁链变化可知，定子每相电流波形将是非正弦的。 [13] 式（ ）表明希望 s 的幅值能基本 保持恒定，这样将有利于转矩的控制和减小脉动，并是定子每相磁通基本按正弦规律变化。 为此，希望定子磁链矢量的运行轨迹为圆行。 定子磁链空间矢量的运动轨迹决定于定子电压空间矢量的选择。 反之，根据希望或设定的定子磁链矢量的运行轨迹，可以选择合适的定子电压空间矢量来予以实现。 这就需要对定子电压空间矢量进行调制，以获得正弦分布的定子磁场。 在直接转矩控制中，通常设定 s 的参考值（指令值）， sref 的运行轨迹为一圆形，如图 22（ c）然后对 s 采取滞环控制。 第二章 直接转矩控制的基本原理 10 图 22（ c） 圆形轨迹 与矢量控制中对定子电流的滞环控制一样需要始终将 s 的幅值控制在滞环的上下带宽内，滞环的总带宽为 2| |s ，其上限值为 | | | |sref s ，下限值为 | | | |sref s。 然后，将空间复平面分成六个区间，对照图 22（ c）和图22（ a）可以 看出，每个区间的范围是以定子电压矢量空间为中线，各向前后扩展了 30 电角度，因此区间的跨度是 60 电角度，区间的序号 K=1,2,3…… 6 与定子电压空间矢量的序号相同，例如区间（ 1）就是在 1su 所在的区间。 [14] 由图 22（ c）可知，如果定子磁链矢量位于第 K 个区间，那么可以选择定子电压矢量 sku 、 ( 1)sku 、 ( 1)sku 、使其幅值增大，也可以选择 ( 2)sku  ， ( 2)sku  ， ( 3)sku 使其幅值减小，下标括号内“ +”表示往前旋（逆时针），“ ”表示往后旋（顺时针），亦即，若使 s 的幅值增大，应选择 s 所在区间和相邻 两个区间内的定子电压矢量，因为这些电压矢量的作用方向都是转子圆心向外；若使 s 的幅值减小，应选择另外三个电压矢量，因为这些电压矢量的作用方向是由外指向圆心。 例如定子磁链矢量 s 若在区间（ 1）内，可选择 1su ， 6su 和 2su 使其幅值增大，还可选择 3su ， 5su 和 4su 使其幅值减小。 除了六个电压矢量外，还可以选择零电压矢量 7su 和 8su ，当选择零电压矢量时，定子磁链矢量的变化率为零（因南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 定子电阻的影响还要有些变化），以后统一称电压矢量 1 2 6, ....s s su u u 为开关电压矢量。 [6] 开关电压矢量的合理选择 如图 21（ d）给出了定子磁链矢量轨迹在区间（ 1）的情形，在次区间内选择 1su 和 4su 是不合适的，因为会使 s 幅值急剧变化，而难以将其控制在滞环带宽内，可选择的电压矢量有 2 3 5 6, , ,s s s su u u u 以及 78,ssuu。 由每个电压矢量在定子磁链矢量运动轨迹径向和切向方向的投影可以判断出改开关电压矢量对 磁链和转矩所起的作用。 前四个开关电压矢量对磁链和转矩的作用分别用 ,和,tt来表示，下表“ +”号表示增加，“ — ”号表示减小。 于是可根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号来合理选择其中的开关电压矢量。 对于其它区间可做出同样的合理选择。 表 1 给出了六个区间的开关电压矢量查询表，其中（ 1），（ 2） …… （ 6）来表示区间。 开关电压矢量查询表  T 1 2 3 4 5 6 1 1 2su 3su 4su 5su 6su 7su 0 7su 8su 7su 8su 7su 8su 1 6su 5su 4su 3su 2su 1su 1 1 3su 4su 5su 6su 1su 2su 0 8su 7su 8su 7su 8su 7su 1 5su 6su 1,su 2su 3su 4su 表中  的正负是根据滞环比较器的数字输出来确定的，即有： 第二章 直接转矩控制的基本原理 12 若 | | | |s sref s    ，则输出为 1，  取 1。 若 | | | |s sref s    ，则输出为 0，  取 — 1。 表中， T 符号由转矩滞环比较器的三个输出信号来确定，当需要定子磁链矢量向前旋转时，即有： 若 | | | |e eref eT T T  ，则输出为 1， T 取 1。 若 e erefTT ，则输出为 0， T 取 0。 当需要定子磁链矢量向后旋转时，即有： 若 | | | |e eref eT T T  ，则输出为 1 ， T 取 1。 若 ||e erefTT ，则输出为 0， T 取 0。 同定子磁链矢量控制不同的是，电磁转矩控制中采用了零电压矢量 78,ssuu，主要是为了减小转矩脉动。 如图 所示当电磁转矩实际值达到滞环比较器下限值后，即 | | | |e eref eT T T  ，选择合适的开关电压矢量使定子磁链矢量向前快速旋转，电磁转矩随之增大，当转矩由图 中 A 点升高到 ||e erefTT 时，开始采用零电压矢量，此时转矩不会即刻停止变化。 当 ||e erefTT 时，零电压矢量仍要起作用，在它的作用下可使转矩变化放缓。 反之当电磁转矩达到上限值后，即 | | | | | |e eref eT T T  ，在选择合适开关电压矢量迫使转矩下降的过程中也采用了零电压矢量。 可以看出零电压矢量能够“缓和”电磁转矩的急剧变化。 通过利用零电压矢量的这种作用，来进一步对开关电压矢量的选择进行优化，可以次来减小电磁转矩的脉动。 [15] 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 13 C Te Te 图 零电压矢量 直接转矩控制系统 结构 图 图 24 为 感应电机直接转矩系统原理框图。 图中 电压源逆变器能提供 8 个开关电压矢量 ， 将定子磁链实际值与给定值比较后的差值输入磁链滞环比较器，同时将转矩实际值与给定值比较后的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，通过查表，可以选择到合适的开关电压矢量。 但在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息，图中的 S 表示的是扇区顺序号。 [9] 速 度 调 节 器M3~逆 变 器 定 子 磁 链和 电 磁 转 矩估 计转 矩 滞 环 磁 链 滞 环开 关电 压矢 量选 择*rr*eTs*s ST  aScSbSaibieT 图 24感应电机直接转矩系统原理框图 根据定子三相电压和电流的检测值可估计出定子磁链矢量的幅值和相位，第二章 直接转矩控制的基本原理 14 同时给出转矩值。 图中，仅给出了速度控制环节，也可在此基础上构成位置系统。 作为速度控制系统，还可以进行弱磁控制。 滞环控制属于 BangBang 控制，滞环控制器相当于两点式调节器，也可看成是具有高增益的 P 调节器，虽然能使磁链和转矩快速调节，但是磁链和转矩不可避免地会产生脉动，若使脉动减小，可以减小滞 环比较器带宽，但会增大逆变器的开关频率和开关损耗，降低了运行效率，也提高了对电子开关的 技术要求。 本章小结 本章首先介绍了感应电机的数学模型，然后从定子电压矢量的 作用 与定子磁链轨迹、开关电压表的选择等方面介绍直接转矩运行的原理，最后介绍了直接转矩控制 系统原理框图，为下章节作好准备。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 15 第三章 在线搜索 控制效率优化 的方法 单调递减法 在忽略逆变器损耗的前提上，异步电机直接转矩控制系统的输入功率实际上就是电机运行时消耗的功率。 电机的输入功率可以表示为 [i2]： sqsqsdsd iuiuP  () 检 测 当 前 输 入 功 率 为 P 1检 测 当 前 输 入 功 率 为 P 2开 始P 1 P 2Wbs * *1 s TT s t e ps )1( m i n1*  1*  s21 PP  图 31 单调递减搜索法流程图 单调递减搜索法是将给定定子磁链 *s 逐步减小，相应的检测异步电机驱动系统的输入功率，当输入功率呈现上升趋势的时候，停止磁链。