第六章 直接转矩控制

第五章异步电动机直接转矩控制概述直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。其特点是直接采用空间电压矢量，在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM（空间矢量SPWM）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。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的特点：控制思想简单控制系统简洁明了动、静态性能优良直接转矩控制系统的特点系统组成按定子磁链控制的直接转矩控制系统在实际控制过程中，将测得的电机三相电压和电流送入计算器，计算出电机的定子磁链和电磁转矩，分别与给定值和相比较，然后选择开关模式，确定PWM逆变器的输出。1eT1eT总的来说，直接转矩控制就是通过对定子电压空间矢量的控制达到以下两个目的：（1）维持定子磁链幅值的恒定（2）控制定子磁链旋转速度的大小结构特点转速双闭环：ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的PI调节器。控制特点与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，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，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。2）选择定子磁链作为被控量而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。3）由于采用了直接转矩控制，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的快速性也是有限的。性能比较从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。直接转矩控制系统的原理除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是：转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；a1a1a11dduirt在α、β坐标系中电压的表达式为：1111dduirta11a11uirdt1111uirdt由此可以得到定子磁链的观测模型定子磁链观测模型如下图：uα13/23/2×r1r1×∫∫uAuBuciAiBiciα1iβ1uβ1Ψβ1Ψα1得到aβ上的磁链分量，则很容易得到定子磁链了。1212()epmTnLiiii电磁转矩的表达式为：又因为：112()smLiiL112()smLiiL1111()epTnii根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下××np×iα1iβ1Ψβ1Ψα1Te定子电压电流磁链模型法优缺点只需要确定电动机的定子电阻，定子电压和电流也是易于检测的物理量。优点：（1）积分器存在漂移问题（2）电机转速很低时，由于定子电压的减小，被积分的差值很小，产生积分误差很大。（3）电机不转时，定子电压为零，算不出定子磁链值，此模型无法使用。缺点：特点：＊模型结构简单，只受一个电机参数（r1）的影响，易于实现。＊在高速范围内（n≥30%ne），能准确的估计定子磁链。缺点：＊定子电阻参数随温度的变化会影响观测精度。特别是低速时，尤其是接近零速时，影响很大，不能正确观测。＊采用了纯积分器，带来了直流偏置和初始值问题。如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。定子电压矢量与定子磁链对三相系统而言，空间矢量是这样定义的：把三个变量看成是三个矢量的模，它们的位置分别处于三相绕组的轴线上，当变量为正时，矢量方向与各自轴线方向相同，反之，则取反方向，然后把三个矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此矢量即为空间矢量。在变压变频调速电路中我们讲述过逆变器主电路的6个开关器件共有8种开关模式，各种开关模式在α、β坐标系下有对应的电压矢量。这六个电压矢量幅值相同，而矢量角度不同。它们对应的表达式如下dUu32)0,0,1(13232)0,1,1(jdeUu32332)0,1,0(jdeUudUu32)1,1,0(434532)1,0,0(jdeUu35632)1,0,1(jdeUu0)1,1,1()0,0,0(70uu111πj()jj21m1m1md(e)jeedtttΨΨΨtu1111()rdtΨuI11dtΨu11ddtΨu定子磁链的矢量就是电压矢量的积分每个扇区内的磁通轨迹由该扇区所对应的两个电压矢量来形成S1S2S3S4S5S6100101110010011001u1u2u3u4u5u6定子电压矢量与转矩实际运行中定子磁链的幅值恒定，电磁转矩的大小由此时的转差角速度ws唯一确定Ws的值越大电磁转矩的变化率就越大而ws的大小由磁链的旋转角速度唯一确定磁链的矢量角度增加，电磁转矩增大磁链的矢量角度减小，电磁转矩减小由此可见非零电压矢量的切换不仅可以调节定子磁链幅值和转速的大小，还同时影响到转矩的大小和变化速度。定子电压调节作用U0Ψ1的幅值自由衰落，Te下降U1Ψ1的幅值增大，Te迅速下降U2Ψ1的幅值减小，Te减小U3Ψ1的幅值影响不大，Te迅速下降U4Ψ1的幅值影响不大，Te迅速增大U5Ψ1的幅值增大，Te增大U6Ψ1的幅值减小，Te增大空间电压矢量的调节作用表开关策略是根据所得到的磁链偏差和转矩偏差，根据偏差来决定采用哪个最合适的非零电压矢量，从而控制磁链和电磁转矩在相应的范围内。定子磁链当前状态表ΔΨ1-0.5ΔΨ111ΔΨ1在滞环内，呈下降趋势01ΔΨ1在滞环内，呈上升趋势10ΔΨ1-0.5ΔΨ110定子磁链当前状态Φ2Φ1电磁转矩当前状态表ΔT-0.5ΔT11ΔT在滞环内，呈下降趋势01ΔT在滞环内，呈上升趋势10ΔT-0.5ΔT10电磁转矩当前状态г2г1结合当前定子磁链和电磁转矩的状态，再根据空间电压矢量的调节作用，来决定对应区域的开关策略根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。正六边形的磁链轨迹控制如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁链偏差较大。圆形磁链轨迹控制：如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好Ψ*s=f(*)函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值DTC系统存在的问题2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。矢量控制系统特点VC系统强调Te与Ψ2的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψ2定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。DTC系统特点DTC系统则实行Te与Ψ1砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。两种系统的特点与性能的比较见下表。直接转矩控制和矢量控制特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无有调速范围不够宽比较宽从上表可以看出，如果在现有的DTC系统和VC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速来正确计算，因此出现定子电流、转速观测模型第二节：定子磁链观测模型的切换定子磁链的观测是直接转矩控制的核心，无论是幅值还是相位的不准确，都会使得控制性能变差我们前面介绍的是定子电流电压的磁链观测模型，但是有在低速时误差大的缺点定子电流、转速磁链模型表达式及结构图如下1121ILL1L22122Lr其中：11L1L12iL+22122Lr其中：××××××××LL2rL2rL11LL11LL1i1i1212+++++++++---优点：＊不受定子电阻参数的影响缺点：＊引入了更多的电机参数，受转子电阻、漏电感、主电感L变化的影响＊转子角速度的测量误差对结果影响较大，而电流转速观测模型要求有较高的速度检测精度2rL21ru-n模型：定子电压和转速的定子磁链观测模型前面介绍的两种观测模型各自有各自的优缺点，很自然就把两种方式结合起来，充分利用他们的优点当转速在30%额定转速以上时采用U-I磁链观测模型当转速在30%额定转速以下时采用I-n磁链观测模型需要两种模型的平滑切换装置Model=1nn1nn2Model=0Model=1采用I-n模型采用I-n模型采用U-I模型YNYYNNU-n定子磁链观测模型sseii优点：＊综合了u-i模型和i-n模型的优点，适合全速范围＊通过电流PI调节器进行补偿（)，以修正和电流，使观测精度大大提高缺点：＊结构复杂，实现比较困难磁链观测改进方法：低通滤波补偿法，电阻在线观测1低速性能的改善影响定子电阻的因素较多，主要有电流、频率、运行时间、环境温度等，并且是非线性关系。*采用模糊电阻观测器对定子电阻进行在线观测*采用神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线观测*采用模糊神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线观测应用智能控制理论实现的直接转矩控制①基于模糊逻辑的直接转矩控制●采用模糊逻辑代替传统直接转矩控制中的开关状态选择器（滞环比较器和优化开关表——电压矢量表），实现开关状态（电压矢量）的选择。特点：使系统的响应速度更快，超调小，系统的低速性能得到改善。特点：结构简单，易于实现提高了系统的响应速度和抗参数变化的能力●速度调节器采用自适应模糊控制器●用神经网络代替传统的开关状态选择器速度调节器转矩估计磁链幅值磁链角磁连估计神经网络控制器逆变器查表M2332参考转矩*eT参考磁链*sdcUTEEabcVabcI转子速度转子参考速度sisisusussseT+-++-②基于神经网络的直接转矩控制●速度调节器采用自适应神经网络控制器*神经网络结构简单，具有并行计算能力，可以大大缩短计算时间，使进一步提高开关频率成为可能。特点：*具有容错能力，提高了系统的鲁棒性。*通常与定子电阻的辨识和定子磁通的辨识相结合，同时采用多个子