异步电机直接转矩控制

异步电机直接转矩控制2

直接转矩控制(DTCDirectTorqueControl)。又称为直接自控制(DSR，DSCDirectSelf-Control)。

是近十年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。31977年，美国学者A.B.Plunkett首先在IEEE杂志上发表提出磁链—转矩直接调节的思想，但由于需要检测磁链，未获得实际应用。直接转矩控制技术的产生背景矢量控制（转子磁场定向控制）从理论上解决了交流调速系统的静、动态性能问题，其动态性能好，调速范围宽。但在实际应用中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，另外在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。4鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时需要快速瞬态转矩响应，1985年德国鲁尔大学的Depenbrock教授研制了直接自控制系统(DSR)，并提出了直接转矩控制理论。该理论采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间矢量控制PWM逆变器，实现转速和磁链的砰－砰控制(Bang-BangControl)

。这在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数影响的问题。直接转矩控制技术的产生背景5

和VC系统一样，DTC系统分别控制异步电动机的转矩(转速)和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号T*e，在T*e后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速的影响，从而使转速和磁链系统近似解耦。

因此，从总体控制结构上看，直接转矩控制系统(DTC)和矢量控制系统(VC)是一致的，都能获得较高的静、动态性能。T*eΨ*sTeΨsω*rωr直接转矩控制的基本原理注：在转速环里，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名：直接转矩控制。6在具体控制方法上，DTC系统和VC系统有所不同，⑴转矩和磁链的控制采用Bang—Bang控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了矢量旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构；⑵

选择定子磁链作为被控量，而不像VC系统那样选择转子磁链，计算磁链的电压模型不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。直接转矩控制系统主要特点7⑶由于直接采用了转矩反馈的Bang—Bang控制，理论上在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但实际应用时必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。⑷直接转矩控制采用电压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。直接转矩控制系统主要特点8

综前所述，直接转矩控制，采用电压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，借助了离散滞环调节(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。思想：

直接控制转矩效果：•响应快速

•控制精确，快速——无需静止旋转的复杂坐标运算

•控制方便——采用电压空间矢量对三相PWM

调制做统一处理

•对电机参数依赖性小——只需定子电阻参数，好测，好控，好补偿

•有静止/动态性能矛盾隐患

可见：DTC

•控制思想新颖

•动态性能优良

•系统结构简洁

•已用于参考书•交流调速系统的控制策略，

苏彦民李宏编著，

机械工业出版社1998年出版•异步电动机直接转矩控制，李夙编，机械工业出版社1998年出版•交流电动机直接转矩控制，周扬忠，胡育文，机械工业出版社，2010年出版分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制原理(系统)3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用1.定子电压矢量与定子磁链关系一、定子电压空间矢量（定义，约定）

1.电压型逆变器

三相逆变器输出相电压综合表述—>电压空间矢量设有三相静止a-b-c坐标系及二相静止α-β坐标系（图3）

关系：离散化－增量关系若有效电压矢量顺序作用，作用时间相等则定子磁链轨迹为正六边形。表明：（1）磁链线速度变化（角速度相同时）（2）磁链大小变化三、三相定子磁链（Ψa,Ψb,Ψc

）波形分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制系统

3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用2直接转矩控制系统磁链自控制：（1）定子磁链观测器（2）2/3

变换（3）磁链调节器（4）换向逻辑转矩自控制：（1）转矩观测器（2）转矩调节器开关表一、磁链自控制

1、定子磁链观测器

（2）定子磁链观测器——电压模型矢量式：标量式：（3）磁链调节器

调节器

Bang-Bang控制输出逻辑量：输出逻辑量：（4）换向逻辑作用将逻辑量变换成逆变器开关控制信号确定有效电压矢量对应得开关状态。二、转矩自控制

1、转矩观测器

转矩调节器输入－输出关系3、转矩与定、转子磁链

结论4、调压和变频

(零电压矢量控制)零矢量一般插入方式优化插零（矢量）方法分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制原理(系统)3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用

3弱磁控制一、DTC弱磁运行特点（1）基频以上，定子电压额定不变，

速度调节不再使用零电压矢量，而用改变（减小） 有效电压矢量作用时间来实现；

（2）减小有效电压矢量作用时间后，①定子磁链矢量角速度为，且额定不变；②磁链幅值随着转速的升高而减小，

使磁链轨迹（六边形）面积减小，实现弱磁；③电磁转矩随磁通减小，但是输出功率

即恒功率运行。二、功率控制（弱磁下）弱磁下DTC系统将从转矩控制进入功率控制功率控制系统框图如右图所示功率给定功率反馈功率调节器

图2－17图中功率给定

－速度调节器 ASR输出；功率反馈

－功率观测器输出；功率调节器（PI型）－输出为磁链给定值

目的： 使磁链调节器获得稳定、连续的容差ε

与转矩控制系统比，为变结构系统（右图）对应的部分：∴基速以下/以上运行时，

有恒磁通/弱磁控制

切换问题图2－6DTC系统组成三、恒磁通/弱磁控制的切换

1、切换控制原理图（如右图所示）目的：恒磁通（转矩）控制 自动 切换

弱磁（功率）控制

图2－18机构：状态判别环节：控制恒磁

弱磁的切换幅值判别环节：控制弱磁

恒磁的切换原理：（1）恒磁

弱磁的切换（状态判别器控制）转矩调节器输出

当（表明系统该切换至弱磁），

状态判别器输出：，控制 输出控制关系：转矩调节器输出功率调节器输出（2）弱磁

恒磁切换（幅值判别器控制）

增大至额定值，判别器输出：

控制 输出控制关系：

转矩调节器输出功率调节器输出2、系统结构的平滑切换（1）平滑切换原则

保证：转矩闭环功率闭环：切换瞬间转矩不突变；功率闭环转矩闭环：切换瞬间功率不突变。（2）转矩当量与功率当量关系均为同一速度调节器ASR输出，切换前后大小应不变分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制原理(系统)3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用4正/反转运行控制一、正/反转运行原理

1、机理：改变有效电压空间矢量作用顺序，控制 定子磁链矢量（磁场）转向

（1）正转：图20（a）正转（2）反转：图20（b）反转2、控制逻辑参照图8（正转磁链波形），求出反转开关信号规律

（1）、磁链调节器输入－输出特性（a相为例）反转：（2）反转逻辑关系

反转开关信号：图－19反转磁链波形二、正/反转控制实现（1）正转换相逻辑图8正转磁链波形（2）反转换相逻辑

图－19反转磁链波形（3）正/反转控制换相逻辑DTC框图：“换相逻辑”应能适应正/反转控制，根据转向发出相应开关信号：正/反转时换相逻辑

正反转开关量图-6DTC系统框图正/反转时换相逻辑（合成）

合成实现图21正/反转换相逻辑合成分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制原理(系统)3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用5圆形磁链轨迹控制一、磁链轨迹圆化DTC讲究转矩响应得快速性，采用六个有效电压矢量控制，定子磁链轨迹为六边形，致使：转矩存在脉动（静、动态特性固有矛盾）定子电流非正弦采用六个电压矢量组合（合成），可使磁链轨迹圆化（圆形旋转磁场）一般：：采用圆形磁链轨迹，改善运行性能；：采用六边形磁链轨迹，获得快速转矩响应。 二、磁链轨迹圆化的方法1、多段折线逼近法2、主、副（辅）矢量规律定义：主矢量－作用时间长者（如）

副（辅）矢量－作用时间短者（如）作用规律不同扇区，主、辅矢量不同；每种有效电压用作主或者辅矢量的区间为（表4见下页）主矢量作用的区间内：

前：主矢量使磁链幅值减小（磁链轨迹向圆内收缩）

后：主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）前30:主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）后30：主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）表4：三、磁链轨迹圆化控制1、磁链闭环控制电路目的：实现主、副矢量作用规律六边形磁链时，无磁链反馈（即磁链开环的控制）

●

磁链闭环控制磁链轨迹图中－磁链幅值的给定值－磁链反馈（来自磁链观测器）磁链幅值调节器

－－滞环（两位）调节器，容差

输入－输出关系：图－27轨迹2、控制过程时，向理想圆外运动

平均值为时，向理想圆内运动容差ε越小，磁链轨迹越圆，但是逆变器开关频率越高3、圆化后的换相逻辑（开关信号规律）正转（图－8）反转（图－19）复杂性必须根据输入信号

决定开关信号，控制走向；必须根据在定子坐标系内实际位置，决定该扇区所用的主、副电压空间矢量。圆化换相逻辑为表格形式（表－5）， 采用微机查表控制表－5表－5（续）磁链圆轨迹图2－5磁链圆轨迹分别讲述1定子电压矢量与定子磁链关系2直接转矩控制原理(系统)3弱磁控制4正／反转运行控制5圆形磁链轨迹控制6反电压矢量的应用6反电压矢量的应用一、正反向有效电压矢量及其作用1、概念正向有效电压矢量：使磁链矢量按顺给定方向前进的有效矢量反向有效电压矢量：使磁链矢量按逆给定方向前进的有效矢量不同扇区有不同的正、反向有效电压矢量

【例】扇区

有效电压矢量 扇区内：主矢量：反矢量：其中滞后 称电压矢量图－29正、反向电压矢量二、

电压矢量的特殊作用使磁链矢量倒转→迅速减小

→加速转矩减小

→一旦,产生制动转矩

→加快制动过程

→快速动态响应对比零电压矢量零电压矢量可停止磁链转动，降低电机转速（调速）；但是不产生磁链增矢量： ,

无法增大磁链幅值，故：零矢量作用时间长会使电磁转矩（电机出力）减小。 电压矢量在降低磁链矢量转速的同时，可使

磁链幅值增大，防止电机低速时的出力减小

电压矢量能实现低速下大转矩、直至堵转运行堵转运行的实质：

当有效电压矢量（如）和与之反 的正向有效电压矢量（如）作用时间相等时，定子磁链停止运行，但磁链幅值不变，实现了停转，但有转矩的运行－－堵转三、全速度范围的反向电压矢量控制1、低速时电压矢量的运用

（1）原则： ：六边形磁链轨迹 正向有效电压矢量 及零电压矢量 ：圆形磁链轨迹

极低速及堵转运行：插入反向电压矢量（2）控制部件－－三位式滞环磁链调节器输入

－－输出关系:

三位滞环特性（3）控制规律定子磁链幅值与给定之差

小于容差，磁链按二位式控制（主、副有效矢量交替作用，插入零矢量） （零矢量长时作用使偏差继续增大），切换至三位式磁链控制，插入反向电压矢量如选用 电压矢量，磁链幅值增大、偏差减小达 ，切回至二位磁链控制2、高速时反向电压矢量的运用（1）圆形磁链轨迹运行时，采用三位式滞环磁链控制器稳态时：零矢量作用时间极短，不会切换至三位式控制（不用 反电压矢量）减速时：速度给定/转矩给定大幅减小→零矢量长期作用→磁链幅值大减→ 增大→切换至三位式控制→加快转矩/转矩响应重新达稳态：回到二位式控制（2）六边形磁链轨迹运行时，直接采用插入反向电压矢量的

“反向运行控制方式”，使磁链反转，转矩获得快速响应按上述控制的原始DTC系统存在如下问题：⑴由于采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定；⑵由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分误差、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。这两个问题的影响在低速时比较严重，因而使DTC系统的调速范围收到限制。因此抑制转矩脉动、提高低速性能便成为改进原始的DTC系统的主要方向。直接转矩控制系统的改进82改进方案有：⑴磁链和转矩的Bang—Bang控制以及由其输出信号选择逆变器的电压矢量这一基本方法不变，着重改进具体的控制方法：①对磁链偏差进行细化，使磁链轨