轨道交通车辆异步牵引电机的变频调速-直接转矩控制

DSC的磁链跟踪控制方法DSC的磁链跟踪控制方法概述直接转矩控制是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整体来考虑的，它具有两层含义：保持定子总磁链基本恒定；对电机转矩进行直接控制。通过逆变器的开关控制，既能实现磁链的幅值控制，又能实现电机转矩的控制，两者均通过闭环控制实现。DSC的磁链跟踪控制方法概述就磁链运动轨迹而言，DSC分为两种不同控制方案：1985年德国的Depen-brock教授提出的磁链六边形运动轨迹跟踪控制方案（1987年还将其推广到弱磁调速范围）日本的Takahashi的磁链圆形运动轨迹跟踪控制方案。目前，这两种方案均得到了发展和应用，但采用的场合不同。DSC的磁链跟踪控制方法概述由于异步电机由三相对称正弦波供电时，电机气隙磁势为圆形，此时电机损耗、转矩脉动及噪声最小，因此中小功率应用场合人们趋于采用圆形磁链轨迹方案。六边形方案仅在某些大功率领域(开关频率、开关损耗都有较大限制)予以考虑。DSC的磁链跟踪控制方法异步电机定子磁链的控制是通过控制电机的输入电压来实现的，当对称三相正弦波电压加于对称三相绕组时，电机的气隙中将产生具有恒定幅值和恒定旋转速度的磁通。当电机由一个三相逆变器供电时，电机的输入电压完全取决于逆变器的开关切换模式，而电机的磁通(幅值与旋转速度)又取决于电压模式。直接转矩控制中的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过逆变器开关的控制，使电机获得一个准圆形的气隙磁场。DSC的磁链跟踪控制方法两点式逆变器上图为两点式三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图，为了简单起见，6个功率开关器件都用开关符号表示。两点式PWM逆变器—电动机原理图DSC的磁链跟踪控制方法为使电机对称工作，必须三相同时供电，即在任一时刻一定有处于不同桥臂下的3个器件同时导通，而相应桥臂的另3个功率器件则处于关断状态。两点式PWM逆变器—电动机原理图DSC的磁链跟踪控制方法这样从逆变器的拓扑结构看，功率器件共有8种工作状态，即V6、V1、V2导通，V1、V2、V3导通，V2、V3、V4导通，V3、V4、V5导通，V4、V5、V6导通，V5、V6、V1导通以及VI、V3、V5导通，V2、V4、V6导通。两点式PWM逆变器—电动机原理图DSC的磁链跟踪控制方法如把上桥臂器件导通用‘l’表示，下桥臂器件导通用“0”表示，并依ABC相序依次排列，则上述8种工作状态可相应表示为100、110、010、01．1、001、101与111、000共8组数字。两点式PWM逆变器—电动机原理图DSC的磁链跟踪控制方法电压空间矢量由电压空间矢量的概念可知，对于每一个工作状态，三相电压都可用一个电压空间矢量表示。其幅值相等，只是相位不同而已，即式中，SA，SB，SC分别为逆变器的开关函数，U＝Ud/2DSC的磁链跟踪控制方法DSC直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，所需要的信号处理工作特别简单。DSC可对磁链进行直接调节，易于实现弱磁控制，调速范围宽。DSC的磁链跟踪控制方法如果以(100)、(110)、…、(101)依次表示100、110、…、101等6个工作状态的电压空间矢量，则它们的相互关系如下图所示。电压空间矢量在坐标系中的相对位置DSC的磁链跟踪控制方法设逆变器原工作周期从100状态开始，由

可知，(100)与A轴（及α轴）同方向，且所存在的时间为π/3；电压空间矢量在坐标系中的相对位置DSC的磁链跟踪控制方法在π/3时间以后，工作状态转为110，电机的电压空间矢量为

；电压空间矢量在坐标系中的相对位置DSC的磁链跟踪控制方法在2π/3时间以后，工作状态转为010，电机的电压空间矢量为

；电压空间矢量在坐标系中的相对位置DSC的磁链跟踪控制方法随着逆变器工作状态的不断切换，电机电压空间矢量的相位跟着作相应的变化，到一个周期结束，电机电压空间矢量

，那么(101)的顶端正好与(100)尾端衔接。因此，一个周期的6个空间矢量共转过2π。电压空间矢量在坐标系中的相对位置DSC的磁链跟踪控制方法通过对各开关状态的电压空间矢量的分析，可以得出有关电压空间矢量的结论：逆变器的6个工作电压状态给出了6个不同方向的电压空间矢量，它们周期性地顺序出现，相邻2个矢量之间相差π／3；DSC的磁链跟踪控制方法电压空间矢量的幅值不变，都等于4/3U，因此6个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的6个顶点；6个电压空间矢量的顺序是(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)。(111)和(000)称为零状态矢量，其幅值为零，无相位，它们位于六边形的中心点上。磁链跟踪控制PWM逆变器磁链跟踪控制PWM逆变器依据DSC系统的基本思想来构成六拍逆变器，那么异步电机在此逆变器供电时所产生的是正六边形旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。利用电压空间矢量8个开关状态的线性组合，构成一组等幅不同相的电压空间矢量，可形成准圆形的旋转磁场。利用电压空间矢量8个开关状态的线性组合，构成一组等幅不同相的电压空间矢量，可形成准圆形的旋转磁场。磁链跟踪控制PWM逆变器这样，逆变器的输出电压将不是六拍阶梯波；而是一系列等幅不等宽的脉冲波，这就形成了电压空间矢量控制的PWM逆变器。由于它间接控制了电机的旋转磁场，所以也可称作磁链跟踪控制的PWM逆变器。磁链跟踪控制PWM逆变器磁链两点式Band—Band控制磁链轨迹准圆形控制的基本思想是：实际定子磁链空间矢量

的端点轨迹不允许超出以给定磁链幅值为中心圆半径的圆形偏差带，即应满足不等式磁链跟踪控制PWM逆变器利用磁链的Band-Band控制，在每1/6周期中交替使用两种工作模式(两种电压矢量)可使磁链的轨迹逼近圆形，如上图所示。定子圆形磁链运动轨迹磁链跟踪控制PWM逆变器通过适当选择电压矢量下的各段时间，使磁链矢量的幅值在允许偏差的范围内变化，其平均值基本保持不变；通过交替使用工作电压矢量和零电压的时间比例进行调速，使磁链走走停停，满足转速的要求。定子圆形磁链运动轨迹磁链跟踪控制PWM逆变器与正六边形轨迹控制相比，圆形磁链运动轨迹控制时，磁链幅值近似不变；转矩、转速脉动小，但电流脉动；需要实时计算磁链的幅值和相角，计算量大；逆变器功率器件的开关次数多，开关损耗大；适用于中、小功率，开关频率较高的场合。磁链跟踪控制PWM逆变器转矩二点式Band—Band控制电压空间矢量在按磁链控制的同时，也接受转矩的Band-Band控制。以正转的情况()为例，当实际转矩低于

的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转差率s增加，转矩上升；当实际转矩达到了允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降。稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动控制在允许范围之内。在加速、减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应。磁链空间矢量磁链空间矢量除开关瞬间外，6个非零电压矢量均为恒值，定子空间电压方程式为式中，

——(100)、…、(101)的广义表示；——定子电流空间矢量；——定子磁链空间矢量。若忽略定子电阻压降的影响，则上可表示为式中，——

在t0时的矢量。磁链空间矢量当输入电压为一个非零电压空间矢量时，定子磁链的矢量

将沿着输入电压空间矢量的方向，以正比于输入电压的速度(即该电压作用时间)移动，其磁链变化量

。磁链空间矢量例如，当电机上施加的输入电压为(010)时，电机的定子磁链空间矢量的顶端就从开关切换瞬间的初始位置

逐渐沿着输入电压所指的方向移动，并改变矢量

的大小和旋转速度，如上图所示。磁链空间矢量顶端的运动轨迹磁链空间矢量结论定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹(以后简称为定于磁链的运动方向和轨迹，或

的运动方向和轨迹)对应于相应的电压空间矢量

的作用方向，

的运动轨迹平行于

指示的方向。只要定子电阻压降与Us的幅值相比足够小，那么这种平行就能得到很好的近似。磁链空间矢量在适当的时刻依次绐出定子电压空间矢量

；则定子磁链的运动轨迹依次沿边S1—S2—S3—S4—S5—S6运动，形成正六边形磁链。正六边形的6条边代表着磁链空间矢量

一个周期的运动轨迹，每条边代表1个周期磁链轨迹的1/6。若电压空间矢量为零电压矢量

(111)或(000)时，忽略定子电阻影响，磁链空间矢量在空间保持不变。磁链空间矢量显然，直接利用逆变器的6种工作开关状态，可以简单地得到正六边形的磁链轨迹以控制电动机。这种方法就是DSC系统的基本思想。直接转矩控制思想及其特点直接转矩控制思想为了解决矢量控制系统中需要复杂的坐标变换和控制性能易受参数变化影响的问题，德国鲁尔大学的Depen-brock教授在1985首次提出了直接转矩控制（DSC）理论。直接转矩控制思想直接转矩控制通过快速改变电机磁场对转子的瞬时转差速度，直接控制异步电机的转矩和转矩增长率。它直接在电机定子侧计算磁链ψ和转矩T，并用二点式调节器直接控制逆变器的开关状态，对电机磁通和转矩进行直接自调整控制。整个系统不仅能获得快速的动态响应，而且有最佳的开关频率和最小的开关损耗直接转矩控制的特点转矩和磁链都采用直接反馈的两点式Band—Band控制，避开了将定子电流分解成转矩和励磁分量的过程，省去了旋转坐标变换，简化了控制器的结构。选择定子磁链作为被控制的对象，由于定子参数的稳定性，控制性能不受转子参数变化的影响。直接转矩控制的特点PWM逆变器采用电压空间矢量控制方式，性能优越。与矢量控制相比，DSC具有的主要优点矢量控制定向在转子磁链上，观测转子磁链需要知道电机的转子电阻和电感。而DSC直接着眼于转矩控制以得到快速转矩响应，选择在定子坐标下进行磁链、转矩的控制，转子参数变化对系统表现为非参数干扰，能够通过闭环控制克服，因此，直接转矩控制的控制性能受参数变化影响较小。与矢量控制相比，DSC具有的主要优点DSC直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，所需要的信号处理工作特别简单。DSC可对磁链进行直接调节，易于实现弱磁控制，调速范围宽。与矢量控制相比，DSC具有的主要优点DSC由逆变器开关状态直接控制转矩，易于优化系统工作状态，降低开关频率。DSC结构简单，易于实现，便于全数字化。DSC变频调速技术一诞生，就以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静态与动态性能，引起了全世界传动