直接转矩控制

第7部分直接转矩控制系统7.2直接转矩控制原理7.3开关模式7.5直接转矩与矢量控制的比较7.6仿真和应用举例7.1直接转矩控制发展7.4直接转矩控制系统•1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。•直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术。•直接转矩控制是直接在定子坐标系下，采用定子磁场定向，直接将电机瞬时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。转矩和定子磁链闭环都采用双位式bang-bang控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置直接选择电压空间矢量的开关状态。•直接转矩着眼于快速的转矩响应，以获得良好的静、动态控制性能。7.1直接转矩的发展•磁链与转矩观测器研究磁链观测的误差关系到电动机的稳定运行和动态性能，甚至导致控制失败。对于直接转矩控制来说，定子磁链的幅值和空间位置是决定电压矢量选择的关键因素。•无速度传感器技术研究直接转矩控制中，低速运行时，如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链，那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制,需要转速反馈进行闭环控制，同样需要知道转速信息。如果采用速度传感器，不仅增加成本，而且使系统的稳定性和可靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速度传感器技术显得突出重要。•先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、神经网络控制、变结构控制。•先进器件与直接转矩控制技术集成研究高频功率器件、高速DSP、FPGA/CPLD等。直接转矩控制技术的研究热点7.2直接转矩控制原理（1）三相感应电动机rsMsrrsMsiniipLiipLTsssrMsSsrM)(iψiiiiipLLppL(7-0-1)式(0-1)表明，电磁转矩可表示为定、转子电流矢量的矢量积(叉积)形式，sr为矢量si至ri的空间电角度。(2)三相同步电动机对于三相凸极同步电动机，还应考虑磁阻转矩。多极电机的电磁转矩矢量方程为ssiψpT(7-0-2)式中，sψ称为定子磁链矢量，其与定子磁场相对应。基本知识：23()23sin()2MrsSRMMsrsrSRpLTLLLpLLLψψψψ（7-1）sψ：以定子A轴为参考的定子磁链空间矢量rψ：以A轴为参考的转子磁链空间矢量RSMLLL21为漏磁链系数采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：结论：异步电机的电磁转矩由sψ、rψ的幅值及两者之间的夹角sr共同决定。0ssssrrrrRPRPjuiψiψψ（7-2）异步电机的电压方程为：结论：定子磁链由定子电压决定转子磁链由负载决定当忽略定子电阻时，式(7-2)定子电压方程可简化为：ssddtψu(7-3)考虑到瞬时变化时，式（7-3）进一步可简化为：sstψu(7-4)结论：sψ与su的方向一致，且sψ轨迹的变化速率等于||su。surs1()srt2()srt1()rtψsψ1()stψ2()stψA2()rtψ定子电压空间矢量控制转矩变化由于u的作用使得定子磁链及定转子磁链之间的夹角都有所增加，可以得到电磁转矩增加的结论。实际运行时，为了充分利用电机铁心通常保持定子磁链的幅值不变（或在很小的范围内变化）即磁链走圆形轨迹转子磁链又完全由负载决定是不可控的。定转子磁链之间的夹角sr，是直接转矩控制的主要参数。基本控制方法就是通过控制定子磁链的运动轨迹，使其走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。7.3开关逻辑直接转矩控制系统采用三相两电平电压型逆变器向交流异步电机供电。根据空间矢量的定义及逆变器的开关模式可得到如右图所示8个静态电压矢量：(000,111)0u(100)1u(110)2u(010)3u(011)4u(001)5u(101)6u1uj1001100100110011010001110u2u3u4u5u6u坐标系的电压矢量分布定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：2/34/32[]3jjabcuueueSu状态空间矢量的位置：①（Sa，Sb，Sc）=100时，u1矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（100）对应位于d轴的正方向上。2/3/3adbcduuuuu221313[()()()()]33322322ddduuujjSu02233jdduueSu②（Sa，Sb，Sc）=110时，u2矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（110）对应位于距离d轴的方向上。/32/3abdcduuuuu221313[()()()]33322322ddduuujjSu/32132[]3223jddujueSu/3③（Sa，Sb，Sc）=010时，u3矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（110）对应位于距离d轴的方向上。/32/3acdbduuuuu221313[()()()()]33322322ddduuujjSu2/32132[]3223jddujueSu2/3④（Sa，Sb，Sc）=011时，u4矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（110）对应位于距离d轴的方向上。2/3/3adbcduuuuu221313[()()()]33322322ddduuujjSu2233jdduueSu⑤（Sa，Sb，Sc）=001时，u5矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（110）对应位于距离d轴的方向上。4/3/32/3abdcduuuuu221313[()()()()]33322322ddduuujjSu4/32132[]3223jddujueSu⑥（Sa，Sb，Sc）=101时，u6矢量aubucuSu将代入的表达式得：从上式可看出（110）对应位于距离d轴的方向上。5/3/32/3acdbduuuuu221313[()()()]33322322ddduuujjSu5/32132[]3223jddujueSu根据逆变器的开关模式，将电压空间矢量的分布划分为六个扇区。1uj100110010011001101000111第Ⅰ扇区第Ⅴ扇区第Ⅲ扇区第Ⅱ扇区第Ⅵ扇区第Ⅳ扇区0u2u3u4u5u6u实线代表电压空间状态矢量，虚线代表磁链轨迹的区间的边界扇区的划分每个扇区内的磁链轨迹可以由该扇区所对应的两个电压矢量来控制，对应的电压矢量称为主电压矢量。如磁链顺时针旋转时，第I扇区由5u、6u控制，磁链逆时针旋转时第I扇区由3u、4u控制。(1)输入非零电压矢量时，定子磁链矢量将沿着输入电压矢量的方向，以正比于输入电压的速度移动。(2)输入零电压矢量时，定子磁链矢量将保持幅值和相角不变。以第Ⅰ扇区为例，设磁链空间矢量逆时针旋转，对转矩和磁链的控制进行分析。①sψ增大和T增大在电压空间矢量2u的作用下，sψ的幅值比sψ的幅值增加，电机的磁通角sr也增加，因此得到电机定子磁链与电机转矩都增加的结论。第I扇区sψ'sψ2u3u5u6u②sψ减小和T增大在电压空间矢量3u的作用下，sψ的幅值比sψ的幅值减小，得到电机定子磁链减小的结论；但电机的磁通角sr增大，并且磁通角sr增加值一定比磁链减小值大，可得到电机转矩增大的结论。第I扇区sψ'sψ2u3u5u6u③sψ增大和T减少在电压空间矢量6u的作用下，sψ的幅值比sψ的幅值增大，得到电机定子磁链增加的结论；但电机的磁通角sr减小，并且磁通角sr减小值一定比磁链增加值大，可得到电机转矩减小的结论。第I扇区sψ'sψ2u3u5u6u④sψ减小和T减小在电压空间矢量5u的作用下，sψ的幅值比sψ的幅值减小，得到电机定子磁链减小的结论；并且电机的磁通角sr也减小，得到电机转矩减小的结论。第I扇区sψ'sψ2u3u5u6u⑤sψ不变和T减小在电压空间矢量0u的作用下，sψ不动，其幅值不变，得到电机定子磁链不变的结论；由于定子磁链空间矢量保持不动，所以电机的磁通角sr有所减小，可得到电机转矩减小的结论。其中，零矢量0u的（000）和（111）的选取是根据“最少开关动作原则”进行的。滞环比较器(1)磁链滞环比较器有两种输出，即1S或1S；(2)转矩滞环比较器有两种输出，即1TS、0TS或1TS；1：要求1或12增加1：要求1或12减小0：代表没有变化：磁链比较器滞环带宽T：转矩比较器滞环带宽10*111110T*TTTSTS1(a)磁链比较器(b)转矩比较器逆时针旋转时，磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出与开关逻辑关系比较器输出扇区STSⅠⅡⅢⅣⅤⅥ+1(110)2u(010)3u(011)4u(001)5u(101)6u(100)1u00(111)u(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u(000)0u+1-1(101)6u(100)1u(110)2u(010)3u(011)4u(001)5u+1(010)3u(011)4u(001)5u(101)6u(100)1u(110)2u0(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u-1-1(001)5u(101)6u(100)1u(110)2u(010)3u(011)4u顺时针旋转时，磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出与开关逻辑关系比较器输出扇区xTxⅠⅡⅢⅣⅤⅥ+1(101)6u(001)5u(011)4u(010)3u(110)2u(100)1u00(111)u(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u(000)0u+1-1(110)2u(100)1u(101)6u(001)5u(011)4u(010)3u+1(001)5u(011)4u(010)3u(110)2u(100)1u(101)6u0(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u(000)0u0(111)u-1-1(010)3u(110)2u(100)1u(101)6u(001)5u(011)4u1u2u3u4u5u6u2u6u3u5usψsψ*sψsΔ|ψ|ⅠⅡⅢⅣⅤⅥAB•由于8个电压空间矢量是离散的，因而不能得到完全为圆形的定子磁链轨迹。•定子磁链的轨迹近似为圆形，应将定子磁链的偏差控制在一定的范围内，以达到高性能的控制要求。1u2u3u4u5u6usψ*sψⅠⅡⅢⅣⅤⅥ1u3u2u2u3u4u3u4u1u2u5u4u5u6u5u6u1u6u逆时针时定子磁链运行轨迹•转矩的脉动大小由滞环的宽度决定•通过减小滞环带宽来减小转矩与磁链的脉动，改善磁链与转矩波形，但相应的需要增加功率元件的开关频率。7.4直接转矩控制系统直接转矩控制系统框图根据滞环比较器的输出，直接选择所需的电压矢量速度调节器转矩控制器开关选择器磁链控制器转矩和磁链观测器电压3/2变换逆变器M-*nn*TTdUss*s-整流器C+-~电流3/2变换-sususisi1.定子磁链计算和控制以电压模型法为例说明定子磁链的计算过程：由异步电动机在两相静止坐标系中的定子电压方程，可得定子磁链为：()()ssssssssuRidtuRidt（7-5）sjejssssψψ(7-6)定子磁链的幅值为：22sssψ(7-7)sarctanss(7-8)根据定子磁链给定值和实