通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性比较

1、通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性试验比较赵争鸣袁立强张海涛白华孟朔清华大学电机工程与应用电子技术系，100084摘要矢量控制与直接转矩控制作为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方法，在实际中得到广泛的应用。本文是以矢量控制与直接转矩控制策略比较为核心，在对两者进行了理论分析的基础上，在变频器异步电机试验平台上进行了试验对比，给出两种控制策略下异步电机电磁转矩稳态和动态响应性能试验结果。关键词：矢量控制直接转矩控制动态响应纹波系数ThecomparisonexperimentsofGeneralinvertersbasedonVectorControlandDirectTorqueCon

2、trolZhaoZhengming,YuanLiqiang,ZhangHaitao,BaiHua,MengshuoTheDepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniv.100084Abstract:VectorControlandDirectTorqueControlarewidelyusedintheadjustablespeeddrivesystems.Basedonthetheoreticalanalysisofbothstrategies,theyarecomparedinanadvancedinverter-feedinductionmo

3、torexperimentplatforminthispaper.Theresultsforsteady-stateanddynamicresponseperformancearegiven.Keywords:VectorControl;DirectTorqueControl;Dynamicresponse;Rippleratio明如下：一、试验目的1)此次试验将给出相应的特性曲线，以及简单的8矢量控制（VC）与直接转矩控制（DTC）作为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方法，在实际中得到广泛的应用。但对两者的优缺点以及应用的局限性有不同的认识。为更好地澄清一些对两者认识上的模糊不清问题，

4、拟定从试验的角度比较矢量控制与直接转矩控制各自的特点及其优缺点。二、试验条件说明对于矢量控制和直接转矩控制这两种控制方法，可以从许多方面进行比较，比如控制理论、控制软硬件实现、主电路以及外围电路要求等。鉴于实现样机方式的多样性，两种控制方法的试验比较具有一定的困难性。特此对本次试验的试验条件说试验结果描述。2 ）选定A公司的矢量控制通用变频器（15kW，称为“VC变频器”）和B公司的直接转矩控制通用变频器（15kW，称为“DTC变频器”）作为本次试验样机。此试验仅以此两台样机作为控制方法载体来考察控制方法，样机样本选取问题不在此试验中讨论。3 ）虽然两个变频器是被考察控制方法的主要载体，但在此

5、试验中，主要的试验数据都是从同一台异步电机（3kW）上测取，选择的试验比较指标（比如，电压电流畸变率、电磁转矩等）都是从该电机的输入端测取。4 ）在试验原始数据测取的过程中，充分考虑了试验环境和条件的相同性（比如，环境温度、电机起有电阻负载。始温度、录波仪采样率等)5)由于某些指标的特殊性和试验条件限制，这些指标不是一次测取量，是经过其它一次测取的原始数据计算得到。在计算这些指标时，对于两种控制方法，采用完全相同的计算公式和流程，而且该计算程序完全对外公开。对计算程序中的某些数据处四、试验原理分析在此次试验中，主要通过异步电机的机端测量来获取电机性能的参数，以此来得到两台变频器样机的控制特性。

6、4.1异步电机坐标变换理方法可能会有不同意见，可对计算程序的准确性进行充分的讨论。25kW异步电机3.1所示,三、试验设备与连线此次比较试验是在我室已有的：试验平台上完成，系统结构示意图如图为了使试验分析的数学模型简化，由三相坐标到两相坐标的变化是必需的。在此次试验的分析中，采用的是静止两相坐标系(Qp坐标)，以避开旋转变换。变换矩阵为1该平台是专门针对变频器一一异步电机系统而设计的。C3/2-1/2-1/2,3/2-J13/2(4.1)AC220V调压器整流桥电阻箱利用线电压与相电压的关系和公式(4.1)可以得到Qp坐标下异步电机的定子电压和电流如下:测速码盘专用协议交流电源调压器3AC38

7、0V变频器十电机V直流电源电机u：1=.2/3(UabUcb/2)u1=、.-2/3(0-、.3ucb/2)(4.2)(4.3)计算机Ftp录波仪i=.2/3(3ia/2)11=品/3(-3ia/2-.3ic)(4.4)(4.5)图3.1对比试验测试系统结构示意图4.2异步电机定子磁链计算对于此次试验来说，试验系统的主要设备有：VC和DTC变频器样机各一台(15kW)、3kW三相绕线式异步电机一台、3kW直流发电机一台、功率电阻箱一个、可变直流电压源二套、录波仪一台和配套电压电流探头若干。三相工频380V电源通过调压器为变频器供电，变频器输出接3kW绕线式异步电机，此电机与一等容量的直流发电机

8、同轴连接。在试验测试阶段，通过计算机上的适配软件对变频器状态进行实时控制与监视，而试验所需要的几组重要的数据(Uab、Ucb、Ia、Ic以及变频器几个模拟口输出量)则通过DL750录波仪从电机机端和变频器输出端子直接测取和记录。这些原始数据通过FTP协议从录波仪下载计算机，并转化为文本数据文件。最终使用这些文本数据文件在Matlab下计算出相应的结果。在实现机组低速运行时，大负载转矩是通过在直流发电机机端顺接直流电源来实现的。工频220V电源通过调压器接不控整流桥，整流桥输出并联电容产生可调直流电源，该电源通过断路器的切合来加减机组的负载。直流电源与电流电机机端之间串由Park方程可以推出异步

9、电机定子磁链的表达式如下1:-1-(u-1-R1i-1)dt'''(4.6)'二1=(u1-R1i1)dt(4.7)其中，Ri为定子相电阻。4.3 异步电机电磁转矩计算在定子磁链计算的基础上，可以得到异步电机的电磁转矩表达式如下1:Te=pn。日甲Mi/嘲色)«8)其中，Pn是电机极对数。4.4 异步电机输入功率计算对于异步电机，有效输入功率P1的计算式为1E-(uabiaucbic)d,二t(4.9)2.4.5 异步电机功率因数和系统效率计算对于异步电机来说，电机的输入视在功率为S,3UrmsIrms则功率因数为(4.10)P1cosq(4.11)S

10、对于直流电机来说，当其电枢输出端只接电阻负载Rl时，其输出功率为2P2=Udc(4.12)Rl则异步电机一直流电机系统的效率为P2二(4.13)P4.6 异步电机输入电压电流畸变率计算.上.2士2ITHD=Ik/I1Uthd三Uk/U1kNk=2(4.14)其中，Ui和I1是基波电压电流有效值，Uk和Ik(k=2,3是各电压电流谐波有效值3。4.7直流发电机特性分析对于直流发电机来说，有以下公式成立3:Ea=Cen：(4.15)TCm'r'Ia(4.16)中=f(If/a)(4.17)其中，Ia为发电机电枢电流，Ea为电枢感应电动势，If为励磁电流，T为直流电机电磁转矩。当直流

11、发电机电枢输出接电阻负载时有Ea=Ia(RLRa)(4.18)其中，RL为负载电阻，Ra为电枢内阻。当系统转速比较低的时候，为得到较大的转矩，直流电机电枢连接电阻加直流电压源负载，此时有Ea=CMRlRa)(4.19)此时，电枢电流由感应电动势Ea和外接直流电源VC共同建立，电流增加，则转矩也增加，因为T=Cm：1a=Cm中VR(4.20)RL此时，直流电机的输出功率为：_VRP=VOIa=(VRVC)(4.21)oarcRL其中VO为直流电机电枢两端的电压。当进行低速负载试验时，由于直流电机负载的特殊性，系统的启动和停机操作规程如下：1) 在系统启动时，保持整流桥与电阻箱之间的断路器断开，合

12、直流励磁电路；2) 启动电机至期望频率，测量电流电机机端电压VO以及整流桥输出VC,保证VC和VO在合理范围内时，合断路器；3) 通过调压器调节电容电压直至负载电流达到一定值，当系统达到稳定时，记录电容电压和电阻两端的电压；4) 当系统停机时，首先降低电容电压约等于直流电机开路电压，断开断路器，异步电机停机，直流电容放电。5) 8低速时异步电机定子磁链观测的数值分析在交流电机变频调速传动控制中，低速时异步电机的磁链观测是一个难题。在本次试验中，通过设计具有线性相位的有限冲击响应数字滤波器(FIRDF)较好地实现了异步电机低速运行时定子磁链观测。1)有线性相位的FIRDF:假定一个离散的时间系统

13、其幅频响应为1,而相频响应具有线性相位如下：argH(ejw)=-kw(k为常数)(4.22)则该系统的相移与频率成正比。当一个信号x(n)通过此系统时，其输出y(n)的频率特性如下：Y(ejw)=H(ejw)X(ejw)=e-jkwX(ejw)=|(x(ejw)|e-jkw+argX(ejw)(4.23)所以y(n)=x(n-k)。这样，输出y(n)等于输入在时间上的移位，从而达到了各频率段的信号无失真传输。具有线性相位的理想低通数字滤波器，其频域形式为|_|0)=*'0C)(4.24)00W(Ec,冗)h(n)=sin(n-k)wc)/(n-k)二(4.25)这是一个无限长且非因果

14、的系统，物理上不可实现，需要进行合理的截断2)窗函数的选取信号处理中的数据截断，就是一个窗函数的选择问题。而窗函数的引入对信号在时域和频域都有影响。窗函数的选取总是要求其频谱的主瓣尽量的窄，边瓣峰值尽量的小。而在几种常用的窗函数中，Hamming窗和Hanning窗具有比较小的边瓣和较大的衰减速度。在此选用Hamming窗。3)本试验滤波器设计首先设计数字低通滤波器，然后利用相减的方法得到高通滤波器，保证在低速时能较好地滤掉磁链和电流的直流分量，以利于准确的磁链观测和最终的转矩计算。五、试验内容和数据处理流程5.1 稳态试验稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率时异步电机的稳态运行性能，主要以

15、异步电机电磁转矩纹波系数为考察性能指标，变频器的频率设定分别为1Hz、5Hz和50Hz,速度反馈分带码盘和不带码盘两种情况。在变频器设定频率为50Hz时，直流电机负载只使用电阻负载；而在5Hz和1Hz时，直流电机负载为电阻加直流源负载，以提高低速时负载大小。在变频器设定频率为50Hz时，同时考察电机输入侧的电流波形和电压畸变率、异步电机的功率因数以及异步电机一一直流电机系统的效率。5.2 转矩动态响应试验异步电机分别在两个变频器的驱动下，通过变频器设定，对给定转矩施加阶跃变化，测取异步电机的电磁转矩动态响应特性。在试验过程中，变频器的设定频率不受人为控制，直流电机负载只使用电阻箱即可。转矩阶跃

16、值分别为20%40%,20%60%,20%80%,20%100%（100%代表异步电机额定转矩），考察和量测带码盘和不带码盘两种情况下异步电机电磁转矩的变化时间。5.3 鲁棒性试验在异步电机转子中串入原阻值50%左右的电阻（0.5。，按照稳态特性试验重新量测相关波形和参数。5.4 数据处理流程为了处理数据的统一和方便，在此次试验绝大部分数据测取过程中，都统一采用录波仪记录以下六个测量量，即：异步电机机端的Uab、Ucb、Ia、Ic、变频器模拟输出端子AO1、AO2（各自代表实际转矩、转矩设定值或者电机转速）。此次试验的数据处理分成几个步骤，简单描述如下：1） 将录波仪记录的原始数据*.HDR和

17、*.WVF通过ftp协议从录波仪下载到计算机，并转化为文本数据文件*.CSV,为提高计算速度，将其转化为*.MAT文件，形成原始数据库，每个数据对应的试验情况和采样率等信息被记录在清单文件中。2） 根据试验原理中描述的公式对试验数据进行计算，得到各个试验中的异步电机电磁转矩曲线。绝大部分试验数据采用同一程序进行计算，该程序的流程图如图5.1所示。3） 计算结果后处理，主要将各不同试验得到的曲线进行比较。此次对比试验共有47个试验内容，详细见附录5。图5.1计算程序流程图六、试验结果和分析6.1 稳态试验稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率时异步电机的稳态运行性能，主要以异步电机电磁转矩纹波系

18、数为考察性能指标，变频器的频率设定分别为1Hz、5Hz和50Hz,速度反馈分带码盘和不带码盘两种情况。在变频器设定频率为50Hz时，直流电机负载只使用电阻负载；而在5Hz和1Hz时，直流电机负载为电阻加直流源负载，以提高低速时负载大小。在变频器设定频率为50Hz时，同时考察电机输入侧的电流波形和电压畸变率、异步电机的功率因数以及异步电机一一直流电机系统的效率。在详细考察高性能的异步电机矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）控制策略时，转速的闭环控制环节是必不可少的。此次试验采用的是欧姆龙公司的NPN集电极开路输出，E6c2-CWZ6c型速度码盘，每转脉冲数2000,安装时有较高的同轴度，图6

19、.1不同频率电磁转矩稳态纹波系数（带码盘）图6.2不同频率下VC电磁转矩稳态纹波系数图6.4带码盘时50Hz稳态性能可以看出，带码盘时，DTC的效率和VC相差无几，DTC电压畸变率偏高，但DTC比VC功率因数要稍好，电流的畸变率稍低。总体来说，这几个性能指标在一个数量级上，基本上没有大的差别。6.2 转矩动态响应试验异步电机分别在两个变频器的驱动下，通过变频器设定，对给定转矩施加阶跃变化，测取异步电机的电磁转矩动态响应特性。在试验过程中，变频器的设定频率不受人为控制，直流电机负载只使用电阻箱即可。转矩阶跃值分别为20%40%,20%60%,20%80%,20%100%（100%代表异步电机额定

20、转矩），考察和量测带码盘和不带码盘两种情况下异步电机电磁转矩的变化时间。计算出的各种情况的电磁转矩曲线如图6.5所示，转矩响图6.3不同频率下DTC电磁转矩稳态纹波系数（带码盘vs不带码盘）试验说明，无论VC还是DTC,不带码盘相比 较带码盘，尤其在低速的情况下，转速性能都会出 现不同程度的恶化，尤其在低于5Hz后，两者对码 盘的依赖性急剧增加。VC表现的对码盘的依赖性 更突出一些。因此，单就 A和B这两种型号的产 品来讲，其无速度传感器的调速性能还不能够和带 码盘时的性能相媲美，尤其在极低速的情况下。同时，在实验中考察了 A、B两个变频器在 50Hz正常运行下的一系列性能指标（功率因数、 效

21、率、电压畸变率、电流畸变率），以带码盘为例， 如图6.4。（a）矢量控制转矩动态响应曲线（b）直接转矩控制转矩动态响应曲线图6.5转矩动态响应试验电磁转矩波形应时间结果如图6.5-6.8所示。图6.10带码盘时不同频率下鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数图6.11不同频率下VC鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数（带码盘vs不带码盘）图6.8DTC转矩响应时间（带码盘vs不带码盘）从试验结果中可以看出，稳态运行时，不同频率运行的矢量控制系统的电磁转矩脉动系数要比直接转矩控制系统小；而在转矩动态响应试验中，直接转矩控制系统的电磁转矩响应时间要比矢量控制系统的小，基本上后者是前者的4-6倍，

22、此试验结果符合理论分析。码盘对于VC和DTC的转矩响应试验有一定的影响，但规律不太明显。6.3 鲁棒性试验在异步电机转子中串入原阻值50%左右的电阻（0.5。，按照稳态特性试验重新量测相关波形和参数。试验过程中，同样考察带码盘和不带码盘两种情况。图6.9为带码盘时50Hz鲁棒性试验的稳态性能图6.9带码盘时50Hz鲁棒性试验的稳态性能图6.12不同频率下DTC鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数（带码盘vs不带码盘）|VC州曲ens幽巾ncnder)图6.13不同频率下VC鲁棒性试验中异步机转速纹波系数比较（带码盘 vs不带码盘）100£印图6.14不同频率下DTC鲁棒性试验中异步机转速纹波系数比较（带码盘vs不带码盘）从鲁棒性试验来看，总体上，DTC受转子侧参数影响不大，而VC在转子参数变化时表现出了较大的转矩（转速）波动，VC在不带码盘的鲁棒性试验中，当频率降到1Hz时甚至不能平滑运行。这也说明了VC对转子侧参数依赖性较强，其鲁棒性相比DTC为弱。七、结论虽然本文试验是针对交流电机变频调速传动控制中的两种控制策略进行比较，但是就试验的准备、设计、实施和后处理而言，此次的试验涉及了