第八讲异步电动机的直接转矩控制系统

第八讲异步电动机的直接转矩控制系统直接转矩控制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作比较、等效、转化，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算；直接转矩控制磁场定向采用的是定子磁链控制，只要知道定子电阻就可以观测出来，而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此大大减轻了控制性能受参数变化影响的问题；直接转矩控制采用空间矢量的概念分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。直接转矩控制系统的特点直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。直接控制转矩：矢量控制是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而直接转矩控制是把转矩直接作为被控量；对转矩的直接控制：通过两点式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范围内。其控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而取决于转矩的实际状况。直接转矩控制采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助了离散两点式调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号，直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态性能。直接转矩控制系统的特点空间电压矢量如果三相交流电压是正弦波，相电压为：则复平面上的三相电压矢量可写为：直接转矩控制系统的原理空间电压矢量a、b、c分别表示电机定子三相绕组在空间分布的轴线，空间位置互差120度。三相定子电压UAO、UBO、UCO分别加在三相绕组上，可以定义三个电压矢量UAO、UBO、UCO，方向在各轴轴线上，大小随时间按正弦规律变化，时间相差120度。直接转矩控制系统的原理acbUA0UB0UC0

空间电压矢量三相正弦电压空间矢量的合成空间矢量Us是一个旋转空间矢量，幅值是每相电压值的3/2倍，以电源角频率1做恒速同步旋转。同样，可以定义电流和磁链的空间矢量和。直接转矩控制系统的原理UsbacUA0UB0UC01逆变器供电的空间电压矢量三相电压型逆变器，有六个功率开关，有8种可能的开关组合。规定a、b、c三相负载的某一相与直流母线正极接通时，该相开关状态为“1”态，反之，与负极接通时为“0”态，则八种开关模式得出的八种电压空间矢量直接转矩控制系统的原理abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur电磁转矩控制原理电磁转矩与定子磁链和转子磁链以及它们之间的夹角(磁通角)δsr有关。实际运行中，一般保持定子磁链的幅值不变(为额定值)，以充分利用电动机的铁芯。若要改变电动机转矩的大小，可以通过改变δsr，即改变定子磁链的旋转速度来实现。如何改变定子磁链的旋转速度？电磁转矩控制原理直接转矩控制的基本思想是利用电压矢量来控制定子磁链的旋转速度（平均旋转速度s），从而改变磁通角δsr的大小，达到控制转矩的目的。定子磁链与定子电压的关系通过改变定子电压矢量的大小、方向及所作用的时间就能对定子磁链矢量进行调节。定子磁链的控制若由三相平衡正弦电压供电，则电机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转。磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场（一般称为磁链圆）。其中，Ψs是磁链的幅值，s为其旋转角速度。定子磁链的控制旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与s(或供电电压频率)成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。定子磁链的控制旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系定子磁链的控制abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur电压型逆变器的输出电压矢量三相电压型逆变器输出的8种电压空间矢量。6个有效矢量，2个零矢量；改变逆变器输出状态可改变输出电压矢量。定子磁链的控制电压型逆变器的输出电压矢量为了方便起见，把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应的时间均为/3。abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7UrⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁链的控制在/3所对应的时间t内，施加u1的结果是使定子磁链s产生一个增量，其幅值与|u1|成正比，方向与u1的方向一致：最后得到新的磁链为：在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁链的控制六脉波逆变器的磁链轨迹—六边形旋转磁场每/3内输出保持不变，每隔/3切换一次输出状态。电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3。一个周期中6个电压空间矢量，形成一个封闭的正六边形。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁链的控制直接转矩控制的实现在实际运行中，一般保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，而转子磁链幅值由负载决定；通过改变空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停以改变定子磁链的平均旋转速度，从而控制δsr，以达到控制转矩的目的。定子磁链的控制磁链轨迹控制原理电压矢量的积分是磁链矢量。合理选择空间电压矢量，控制逆变器的开关持续时间，就可使磁链沿着一定轨迹变化，这就是磁链轨迹控制。如果交流电动机仅由常规的六脉波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。定子磁链的控制三相PWM逆变器产生多边形（近似圆形）旋转磁场b44tUDr33tUDr24tUDr13tUDrawssYvrYvsYv*2εΨABCDES(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)为了使定子磁链趋近于圆，对定子磁链矢量采用砰－砰控制（Bang-BangControl）：以Ψs*所表示的圆为指令值，通过控制各电压矢量的作用时间来控制定子磁链在其指令值的边带范围内。定子磁链的控制圆形轨迹控制原理从A点到B点的路径有无数条。从A点出发沿顺时针方向前进的矢量可以选择V4、V2、V6从保证电压矢量控制效果考虑选择V2、V6要有效地控制磁链轨迹，必须解决三个问题：选择电压矢量；确定各电压矢量的作用时间；确定各电压矢量的作用次序。圆形轨迹控制原理在如图所示的一个采样周期，选择的电压矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持续时间为t1,V6的持续时间为t2,V0的持续时间为t0。若采样周期为T，则有：T=t0+t1+t2积分近似公式有：Vobj=V2×t1+V6×t2定子磁链的控制电压矢量合成的原理在如图所示的一个采样周期，选择的电压矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持续时间为t1,V6的持续时间为t2,V0的持续时间为t0。若采样周期为T，则有：T=t0+t1+t2积分近似公式有：Vobj=V2×t1+V6×t2电压矢量的合成由正弦定理得：由此可以推得：调制比为：电压矢量的合成从减少与设定磁链轨迹误差的角度考虑可将矢量作用时间分段；从开关次数的角度考虑插入零矢量的选择。电压矢量的合成七段式SVPWM开关状态变化图电压矢量的合成SVPWM后输出波形空间电压矢量输出的端电压波形磁链轨迹波形电压矢量的合成定子磁链的估算电压模型法——用定子电压和定子电流确定定子磁链。直接转矩控制的实现电压模型法模型简单，不受转子参数影响；在低速时，误差比较大。定子磁链的估算电流模型法：在两相坐标系下，电动机的电流模型：直接转矩控制的实现电动机的定子磁链和转子磁链：定子磁链的估算电流模型法：直接转矩控制的实现电动机的定子磁链和转子磁链：电流模型法计算定子磁链，精度不受转速降低的影响，但受电动机转子参数（Tr）影响，在高速时不如电压模型，但在低速时比电压模型准确。直接转矩控制的实现定子磁链的估算u-n模型法：为了提高系统的调速性能，可将两种模型配合使用。电磁转矩模型直接转矩控制的实现20世纪80年代，德国学者提出的直接自控制（DSC,Directselfcontrol）方案。六边形磁链轨迹直接转矩控制日本学者提出的近似圆形磁链控制方案。圆形磁链轨迹直接转矩控制直接转矩控制基本原理系统输入指令为转速ωr*；转速指令经速度调节器得转矩指令Te*；转速指令经函数发生器得定子磁链指令Ψs*；转矩和定子磁链的反馈值由电机的端电压和电流计算得到。与矢量控制相比，直接转矩控制对于磁场、转矩的控制都是通过对定子磁链的调节实现的，不需要进行旋转坐标变换，也不受转子参数变化的影响，在结构上要简单许多。但直接转矩控制对磁场、转矩采用砰－砰控制，而不是连续控制，因此会产生转矩脉动，降低了调速性能。矢量控制和直接转矩控制都可以实现较好的性能，两者各有特点，孰优孰劣，目前并尚无定论。直接转矩控制的特点DTC控制和VC控制的特点和性能比较特点和性能DTCVC磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制Bang-Bang控制，脉动连续控制，平滑旋转坐标变换不需要需要转子参数影响无有调速范围不够宽较宽DTC与VC的特点比较数学模型的变量选择VC按转子磁链定向与控制DTC按定子磁链控制控制方案和控制性