直接转矩控制

1摘要：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外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，因此而得名为直接转矩控制。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。本文对直接转矩控制原理进行了简介，以及目前应用直接转矩控制的产品介绍。关键词：直接转矩控制，异步电机2目录1直接转矩控制的基本原理及特点与规律....................................................................................31.1直接转矩控制系统原理与特点.........................................................................................31.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统.............................................................................42直接转矩控制的基本原理和仿真模型.......................................................................................62.1直接转矩控制的基本原理.................................................................................................62.2直接转矩控制的仿真模型总图........................................................................................73三相异步电机的数学模型...........................................................................................................84磁链信号和转矩信号产生.........................................................................................................104.1定子磁链的观测控制......................................................................................................104.2电磁转矩的有效控制......................................................................................................11总结.................................................................................................................................................12参考文献.........................................................................................................................................1331直接转矩控制的基本原理及特点与规律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外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，因此而得名为直接转矩控制。1.1直接转矩控制系统原理与特点如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，在*T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。图1-1直接转矩控制系统图从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s的幅值保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控4制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间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的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：①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，直接控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。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的转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。③直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统在DTC系统中采用的是两相静止坐标（αβ坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换成两相是非常重要的，所以可以避开旋转变换。由式（1-1）和式（1-2）可得ssssmssssspiRpiLpiLiRu（1-1）ssssmssssspiRpiLpiLiRu（1-2）5移项并积分后得（1-3）（1-4）式（1-3）和式（1-4）就是图1-1中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图1-2所示。它适合于中低速时切换到电流模型，这是上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃。图1-2定子磁链模型结构框图在两相静止坐标系上的电磁转矩表达式为)(ssrsmpeiiiiLnT（1-5）整理可得)(ssrspeiiiinT（1-6）这就是DTC系统所用的系统模型，结构图如图1-3所示。dtiRussss)(dtiRussss)(ssRssRAuBuCuAiBi2/32/3CiSS6图1-3转矩模型结构框图2直接转矩控制的基本原理和仿真模型2.1直接转矩控制的基本原理图2-1直接转矩控制系统的基本原理图sissispneT7如图所示2-1。其基本原理是将速度传感器检测出的电机实际转速n与电机给定转速n*比较的值输入PI调节器后得到给定转矩值*eT；由霍尔传感器得到的异步电机定子电压和电流经过磁链和转矩转矩估计器得到转矩实际值eT，两相定子磁链分量s、s以及定子磁链幅值s。定子磁链幅值s与给定的磁链幅值比较后输入磁链滞环调节器得到磁链信号Q；给定转矩值*eT与转矩实际值eT经过比较后输入到转矩滞环调节器得到转矩信号TQ；定子磁链在两相静止坐标系下的、分量经过区间判断单元得到定子磁链所处扇区信号SN；磁链开关信号Q、转矩开关信号TQ以及定子磁链扇区信号SN通过查阅开关表得到所要的电压矢量信号aS、bS、cS进而控制异步电机运行状态。2.2直接转矩控制的仿真模型总图异步电机直接转矩控制系统主要由以下几个子系统组成：异步电机模型、转速调节器、磁链信号和转矩信号产生模块、定子磁链扇区判断模块、电压矢量选择模块和逆变器模块组成，完整系统模型图如图2-2所示。图2-2异步电机直接转矩控制83三相异步电机的数学模型要想对三相异步电机进行高效控制，其数学模型的准确建立是不可或缺的。如大家所知，三相异步电机本身是一个非线性、强耦合的高阶多变量系统，建立一个系统的、完整的反映异步电机真实性能的数学模型是研究直接转矩控制技术在异步电机中应用的理论基础。为了建立三相异步电机数学模型，一般在异步电机理论基础上进行如下的假设：（1）忽略空间谐波，设电机三相绕组对称分布，在空间互差120°电角度，各项电流所产生的磁动势沿气隙空间正弦规律分布。（2）忽略磁路饱和，电机定转子表面光滑。（3）忽略铁心损耗。（4）忽略频率变化和温度变化对电机绕组电阻的影响。在上述假设基础上，由于电机的电压和电流测量都处于静止坐标系中，因而若将三相异步电机的在三相静止坐标系下的各个状态方程变换到两相静止坐标系下，会简化数学模型和状态方程，两相静止坐标系一般称为α-β坐标系，如图3中（a）、（b）即分别为三相定子坐标系和两相静止坐标系下的定子电流，三相/两相变换矩阵如式（1-1）。3/2111222333022C（1-1）图3坐标变换关系图9异步电机数学模型在两相静止坐标系下的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，具体如下：电压方程：000000ssmsssmsmmrrrmmrrrRpLpLuRpLpLupLwLRpLwLwLpLwLRpL（1-2）磁链方程：00000000sssmsssmrrmrrrmriLLiLLiLLiLL（1-3）转矩方程：3()2epmsrssTnLiiii（1-4）运动方程：()peLndwTTdtJ（1-5）其中，su,su为两相静止坐标系下定子电压，分量，si,si为两相静止坐标下的定子电流分量，ri,ri为两相静止坐标系下转子电流分量，sR,rR为电机定子和转子每相电阻，sL为定子自感，rL为转子自感，mL为定转子互感，p代表微分运算。s,s为两相静止坐标系下定子磁链分量，r,r分别为两相静止坐标系下转子磁链分量。eT代表电机电磁转矩，LT代表负载转矩，J代表电机的转动惯量，pn代表极对数，为电机角速度。104磁链信号和转矩信号产生4.1定子磁链的观测控制定子磁链和电磁转矩的观测控制是直接转矩控制技术中的关键环节，如图6中，定子磁链偏差和电磁转矩偏差各自被限制在滞环比较器的容差范围内。当定子磁链容差设置过大，会使定子磁场产生低次谐波，因此会使定子电流发生较大的畸变；当定子磁链容差设置过小，会导致逆变器的开关频率增大，提高器件损耗。同样，当电磁转矩容差设置过大，会增大电磁转矩脉动；当电磁转矩容差设置过小时，照样会增大逆变器开关频率和提高损耗。为了获得定子磁链偏差值，首先得知道定子磁链实际值。在直接转矩控制技术中，定子磁链实际值是根据定子电压、电流和转速的检测值以及电动机参数通过估计得到的。本文采用的异步电机定子磁链估计模型是u-i模型。ssssuiRdt(1-6)图6u-i模型结构图使用u-i模型来确定异步电机定子磁链的优点是在计算过程中唯一需要用到的电机参数只有定子电阻，式（