直接转矩控制运动控制正文

1、1 直接转矩控制简介直接转矩控制技术是在上世纪 80 年代中期继矢量控制变换技术之后发展起来的一种异步电动机调速技术，直接转矩控制变频调速系统。直接转矩控制思想于1977 年A.B.Piunkett 在IEEE 杂志上首先提出，1985 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克（Depenbrock）教授首先取得了实际应用的成功。接着1987 年把它推广到弱磁调速范围。不同与矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的

2、静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。直接转矩控制系统的主要特点有：（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；即不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学摸型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变化与计算。因此，它所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。（2）直接转矩控制的磁场定向采用的

3、是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。（3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了。（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与著名的矢量控制的方法不同，直接控制转矩步是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容

4、差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制即直接又简单。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制” 。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控制。综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Bang-Bang 控制）产生PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接

5、，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。2 直接转矩控制的理论基础2.1基本思想直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差Te的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩和定子磁链的控制。2.2定子电压分析电压源型逆变器(如图2-1)是由三组、六个开关)组成。由于与、与、与之间互为反向，即一个另一个断开，所以三相开关有=8种可能的开关组合。用表示三相开关、和。若规定：a、b、c三相负载的某一相与“+”极接通时，

6、的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，该相的开关状态为“0”态。8种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种工作状态，即表2-1中的状态“1”到状态“6"，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上；另一类开关状态是零开关状态，如表23中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上。图2-1理想电压源型逆变器结构图 表2-1六个开关器件的八种状态状态0123 456701100 011 0011100 100001111对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态也分为两类：一类是6种工作电压状态，它对应于

7、开关状态“1”至“6”：另一类是零电压状态，它对应于开关状态“0”和“7”，对于外部负载来说，输出的电压都为零，所以统称为零电压状态。用电压空间矢量表示的离散电压状态如图2-2所示。6种工作电压空间矢量两两相隔，其顶点构成正六边形的6个顶点。所对应的开关状态是100-110-010-011-001-101。如果用符号表量，则电压空间矢量的顺序是Us1(100)-Us2(110)-Us3(010)- Us4(011)-Us5(001)-Us6(101)。零电压矢量位于正六变形的中心。图2-2用电压空间矢量表示的离散的电压状态2.3电压空间矢量对定子磁链的影响 逆变器的输出电压直接加到三相异步电动

8、机的定子绕组上，由此得到定子磁链为： 若忽略定子电阻压降的影响，则： 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。图2-3表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量的关系。图2-3定子电压空间矢量与定子磁链空间矢量的关系图2-3中，表示定子电压空间矢量，表示定子磁链空间矢量,S1,S2,S3,S4,S5,S6是正六边形的六条边。当定子磁链空间矢量在图3-9所示位置时(其顶点在边S1上)，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量为(010)，则根据式（3-13)，定子磁链空间矢量轨迹，朝着电压空间矢量(010)所作用的方向运动。当沿着边S到S1与S2的交点时，如果逆变器加到定子上的电压空间矢

9、量是 (011)，则定子磁链空间矢量的顶点将沿着S2的轨迹，朝着电压空间矢量(011)，所作用的方向运动。按同样的方法依次给出(001)、(101) (110)，则磁链空间矢量的顶点将沿着S3、S4、S5、S6的轨迹运动。从以上分析过程可以得出如下结论：(1)定子磁链空间矢量的运动轨迹和相应的定子电压空间矢量对应，定子磁链空间矢量的运动方向平行于相应的定子电压空间矢量的作用方向，只要定子电阻压降比起足够小，那么这种平行就能够得到很好的近似。(2)在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量。则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S1-S2-S3-S4-S5-S6形成了正六边形磁链。(3)正六边形的六条边代表

10、定子磁链空间矢量的一个周期的运动轨迹。对于电压空间矢量与定子磁链幅值的变化关系，有如下结论：(1)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角小于时，定子磁链增大；(2)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于时，定子磁链减小；(3)所加零电压矢量时，定子磁链为零。假设某一时刻定子磁链矢量为，当施加电压矢量，时，定子磁链幅值增加；当施加电压矢量、时，定子磁链幅值减小；当施加零电压矢量时，定子磁链为零。当所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于时，按照上述结论，定子磁链幅值应该减小。但是这不是一个严谨的结论，这种情况依然存在定子磁链幅值不变和增大的情形。2.4电压空间矢量对电磁转矩的影响根据前面分析，当施加电压空间

11、矢量时，如果忽略定子磁链幅值的变化，只考虑定子磁链相位角的变化，由于转子磁链在电压矢量作用过程中变化缓慢，可以近似认为保持不变，因此转矩角发生了变化。转矩的变化趋势，将只取决于转矩角的变化趋势。假设转矩角，此时转矩是转矩角的严格单调增函数。这种情况下，电压空间矢量对电磁转矩的影响，可以得出以下结论：(1)所加电压矢量超前于当前定子磁链时，转矩增大。(2)所加电压矢量滞后于当前定子磁链时，转矩减小。(3)所加零电压矢量时，转矩不变。3直接转矩系统的建模与仿真3.1仿真模型的建立依据异步电机直接转矩控制的分析，在simulink的基础上可以建立其仿真模型，如图4-1所示。 系统原理的实现：三相交流

12、电源依次经三相二极管整流、三相逆变器和电压电流测量模块给异步电机供电；给定转速加于速度控制器，经过磁链查表输出给定磁链；给定速度与速度反馈（实际速度）比较后经过PI调节器输出给定转矩信号，同时速度控制器模块输出控制信号加于电机信号分离器。子系统包括转矩和磁链滞环控制模块、转矩和磁链观测模块、磁链扇区判别模块、电压矢量开关表和开关控制器，给定转矩和磁链分别与实际转矩和磁链取差值，然后分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区sector一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量；电压电流测量模块输出i_ab和V_abc，送入到转矩和磁链观测模块，用于计算磁链。直接转矩控制系统采用6个开关器件组

13、成的桥式三相逆变器有八中开关状态，可以得到六个互差60度得电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链受电压空间矢量Us控制，因此改变逆变器的开关状态可以控制定子磁链的运行轨迹，从而控制交流电动机的运行状态。系统结构主要有七个主要模块组成：三相不控整流器，Braking chopper,三相逆变器，测量单元，异步电动机模块组成系统主电路，转速控制器和直接转矩控制模块。3.2仿真模块的分析 转速控制器转速控制器结构如图所示。转速给定N*经过加减速限制环节使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降斜率，转速反馈N经过低通滤波与N*得到转速偏差（N*-N）。通过PI调节器来调节输出用于符合DTC控制

14、的磁通和转矩的设定值。PI调节器的输入是参考转速与实测转速的差值，输出是电机参考转矩Torque*和参考磁链Flux*。积分器采用模块库中的离散时间积分器构建。Kp与Ki分别为比例增益系数和积分增益系数，调节器输出的转矩由Saturation环节来限定幅值。直接转矩DTC模块直接转矩DTC模块结构如上图所示，转矩给定Torque*,磁通给定Flux*,电流I-ab和电压V-abc输入信号都经过采样开关，还包括转矩和磁通计算（Torque & Flux calculator），滞环控制（Torque & Flux hysteresis）,磁通选择（Flux sector seek

15、er）,开关表（Switching table）,开关控制（Switching control）等单元。DTC模块输出的是三相逆变器开关器件的驱动信号。 转矩和定子磁链计算转矩和定子磁链计算（Torque & Flux calculator）单元结构如图所示，它首先将检测到的异步电动机三相电压V-abc和电流I-ab经模块dq-V-transform和dq-I-transform 变换得到二相坐标系下（）上的电压和电流，dq-V-transform和dq-I-transform的变换模块如下。定子磁链的计算此模块用于估计电机磁通值、电磁转矩以及磁链角，图是其模块结构图。三相坐标系中的电

16、压值和两相坐标系中的电流值经坐标变换，代入异步电机的磁链估计模型，估计出转矩值和磁链值，以及磁链角。该模块中，三相静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换原理如下图所示：变换式为： 两相静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换的变换式为： 模型如图所示定子磁链的模拟和离散计算式为式中，和is为两相坐标系上的定子电压和电流，K为积分系数，Ts为采样时间。磁链采用离散梯形积分，模块phi-d和phi-q分别输出定子磁链的和轴分量s和s，s和s经Real-Imag to Complex模块得到复数形式的定子磁链s并由complex to Magnitude-Angle计算定子磁链的幅值和转角。转矩的计算电动机的转矩

17、计算式为式中，p为电动机的极对数。磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁链都采用滞环控制，磁通和转矩滞环控制器（Torque & Flux 和时，模块dPhi分别输和hysteresis）结构如图所示。转矩控制是三位制环控制方式，在转矩滞环宽度设为dTe时，当转矩偏差 和 ，制环模块和 分别输出“3”和“1”，当制环模块和输出为“0”时，经或非门NOR输出状态“2”。磁链控制制环二位控制方，在磁环制环宽度设为时，当磁链偏差出态“1”和“2”。 图磁链选择器直接转矩控制将磁链空间划分为6个区间，磁链选择模块（Flux sector seeker）根据定子磁链的位置角判断定子磁链运行在哪一个

18、分区。磁链选择器（lux sector seeker）结构图如下表4-1 磁链扇区判别值扇区S123456开关表开关表（Switching table）模块的图见 用于得到三相逆变器的六个开关器件的通断状态，它由两张Lookup Table（2D）表格（Flux=1和Flux=1）和三个多路选择器组成。两张Lookup Table（2D）表格对应的输出见表 表格输出加1后通过选择开关2输出对应的6开关器件的8种开关状态V0V7，其中包括了两种零状态V0和V7。表H phi状态H Te状态磁链选择器状态 Flux sector seeker1234561(表格Flux=1)12345612070

19、70736123452(表格Flux=-1)134561227070703561224开关表中，Magnetisation模块结构如图 所示，其作用是将磁链反馈值（Flux est）（见图 ）与设定值（in_Flux）比较，当反馈值大于设定值时，S-R flip-flop触发器Q端输出“1”，当反馈值小于设定值时，S-R flip-flop触发器Q端输出“0”，从而控制电动机起动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机起动时生产初始磁通。 开关表模块各点状态如图 所示，其中图 为各时间点上磁链所在扇区（Flux sector seeker模块输出），图 为Flux sector seeker模块滞环控制器的输出状态，图 分别是经查表和多路选择开关（Multiport Switch1）后的输出状态，图 分别是在HT4信号控制开关（Multiport Switch2）选择的各时间点上的逆变器6个开关的开关状态。开关控制模块 开关控制模块（Switching control）（见图 ）包含了三个D触发器（D flip-flop），目的是限制逆变