5.2 直接转矩控制ppt课件

电动汽车驱动技术 5 2直接转矩控制 5 2直接转矩控制 学习内容 5 2 3异步电动机的直接转矩控制 5 2 2直接转矩控制的基本原理 5 2 1概述 5 2 1概述 直接转矩控制技术的发展 直接转矩控制的主要特点 一 直接转矩控制技术的发展 直接转矩控制技术 简称DSC Directself control 是在本世纪80年代中期继矢量变换控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术 自从70年代矢量控制技术发展以来 交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静 动态性能上与直流传动相媲美的问题 一 直接转矩控制技术的发展 矢量控制技术模仿直流电动机的控制 以转子磁场定向 用矢量变换的方法 实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦 然而 在实际上由于转子磁链难以准确观测 并且系统特性受电动机参数的影响较大 以及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 使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果 这是矢量控制技术在实践上的不足之处 一 直接转矩控制技术的发展 不同于矢量控制技术 直接转矩控制有着自己的特点 它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂 特性容易受电动机参数变化的影响 实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题 以自己新颖的控制思想 简洁明了的系统结构 优良的静 动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展 一 直接转矩控制技术的发展 交变频控制技术的发展 第1代 V f恒定和正弦脉宽调制 SPWM 控制 第2代 电压空间矢量控制 又称SVPWM 第3代 矢量控制 第4代 直接转矩控制 DSC 二 直接转矩控制的主要特点 1 直接转矩控制是直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型 控制电动机的磁链和转矩 不需要与直流电机进行比较 等效 转化 所以不需要为解耦而简化交流电动机模型 省掉了坐标变换 2 采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量 使问题变的简单明了 二 直接转矩控制的主要特点 3 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果 其控制方式是 通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较 把转矩波动限制在一定的容差范围内 容差大小由频率调节器来控制 因此 他的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能简化 而是取决于转矩的实际状况 二 直接转矩控制的主要特点 总之 直接转矩控制技术 用空间矢量的分析方法 直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩 采用定子磁场定向 借助离散的两点式调节产生PWM信号 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 二 直接转矩控制的主要特点 直接转矩控制和矢量控制的比较 5 2 2直接转矩控制的基本原理 定子轴系的数学模型 电压空间矢量开关状态选择 一 定子轴系的数学模型 1 电磁转矩模型 直接转矩控制采用静止两相坐标系 由此构成的转矩观测模型 以定子磁链矢量为基准的优越性是在定子坐标系中计算定子磁链 受电机参数影响最小 只受定子电阻的影响 而且定子电流可以直接测取 一 定子轴系的数学模型 2 磁链模型 优点 在计算过程唯一用到的参数是定子电阻 而定子电流和端电压都是容易确定的物理量 能以较高的精度被检测出来 计算出定子磁链后 再带入转矩模型 就可以计算出电动机的转矩 一 定子轴系的数学模型 2 磁链模型 电压模型 电流模型 电流模型用定子电流计算磁链 但精度与转速有关 也受电机参数 在高速时不如电压模型 两个模型必须配合使用 高速时用电压模型 低速时用电流模型 二 电压空间矢量开关状态选择 1 逆变器的开关状态 一台电压型逆变器如图 由三组六个开关组成 一组桥臂上下开关反向 即一个接通一个断开 所以三组开关有8种开关组合 二 电压空间矢量开关状态选择 1 逆变器的开关状态 若规定ABC三相负载的某一相与 接通时 该相开关状态为 1 反之 与 接通时 为 0 态 则八种可能的开关状态如表 二 电压空间矢量开关状态选择 1 逆变器的开关状态 这八种开关状态可分为两大类 一类是工作状态 三相负载并不都接相同的电位 一类是零开关状态 三相负载接相同的电位 负载电压为0 二 电压空间矢量开关状态选择 2 电压空间矢量的概念 若定子绕组接成星型 其电压空间矢量表达式应为 三相绕组空间分布 这样就可以用电压空间矢量表示逆变器三相输出电压的各种状态 二 电压空间矢量开关状态选择 2 电压空间矢量的概念 定子电压空间矢量与逆变器开关状态关系为 Udc为直流电源电压 二 电压空间矢量开关状态选择 2 电压空间矢量的概念 与逆变器的开关状态相对应 电压空间矢量分为2种 一种是三相绕组不接相同电压 电压空间矢量的幅值都等于直流电源电压的2 3 空间均匀分布 二 电压空间矢量开关状态选择 2 电压空间矢量的概念 共六个状态 100 110 010 011 001 101 称为工作电压空间矢量 二 电压空间矢量开关状态选择 2 电压空间矢量的概念 另一种是三相绕组接相同电压 电压空间矢量的幅值都等于0 共两个状态 000 111 称为零电压空间矢量 二 电压空间矢量开关状态选择 3 磁链空间矢量的概念 定子磁链与定子电压的关系为 若忽略定子电压降的影响 则 表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系 二 电压空间矢量开关状态选择 磁链空间矢量的顶点会按照与电压空间矢量相平行的方向 沿矢量轨迹运动 3 磁链空间矢量的概念 二 电压空间矢量开关状态选择 3 磁链空间矢量的概念 通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度 从而改变定 转子磁链矢量之间的夹角 达到控制电动机转矩的目的 如果在某一时刻 加入零电压空间矢量 则定子磁链空间矢量保持静止不动 而转子磁链空间矢量继续以同步速度旋转 则磁通角减小 从而转矩减小 内容回顾 1 简述直接转矩控制的基本思想 总之 直接转矩控制技术 用空间矢量的分析方法 直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩 采用定子磁场定向 借助离散的两点式调节产生PWM信号 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 内容回顾 2 矢量控制与直接转矩控制的不同 内容回顾 3 逆变器的开关状态 这八种开关状态可分为两大类 一类是工作状态 三相负载并不都接相同的电位 一类是零开关状态 三相负载接相同的电位 负载电压为0 二 电压空间矢量开关状态选择 4 电压空间矢量的开关状态选择 直接转矩控制中电压空间矢量开关状态 即逆变器的开关状态 的选择取决于电磁转矩变化的方向 定子磁链矢量幅值变化的方向以及定子磁链矢量的相位角3个参数 综合考虑这3个参数 得到电压空间矢量开关状态选择表 二 电压空间矢量开关状态选择 4 电压空间矢量的开关状态选择 直接转矩控制逆变器开关状态选择表 逆时针旋转 5 2 3异步电动机的直接转矩控制 直接转矩控制的基本结构 直接转矩控制的调节方案 直接转矩控制的数字化设计 一 直接转矩控制的基本结构 前面我们阐述了直接转矩控制系统的基本概念 基本控制原理 所谓 直接转矩控制 其本质是 在异步电动机定子坐标系中 采用空间矢量的数学分析方法 直接计算和控制电动机的电磁转矩 直接转矩控制系统的组成结构可以用下图表示 一 直接转矩控制的基本结构 信号检测定子磁链模型转矩模型磁链自控单元转矩调节器磁链调节器转速调节器开关状态选择 一 直接转矩控制的基本结构 信号检测被测信号有三个 定子电压 定子电流和转速 一 直接转矩控制的基本结构 定子磁链模型转矩模型被测电压 电流信号经3 2变换和转速一起送定子磁链模型和转矩模型 处理后得到磁链和转矩的反馈值 一 直接转矩控制的基本结构 磁链自控单元识别磁链运动轨迹区段 给出正确的磁链开关信号 一 直接转矩控制的基本结构 转速调节器利用转速给定值和转速反馈信号输出给定转矩 并输入转矩调节器 一 直接转矩控制的基本结构 转矩调节器利用转矩给定值和反馈值输出转矩控制信号给开关状态选择单元 一 直接转矩控制的基本结构 磁链调节器磁链调节部分包括磁链调节器和磁链幅值构成单元 用于维持磁链稳定 利用磁链反馈值和给定值输出磁链控制信号给开关状态选择单元 一 直接转矩控制的基本结构 开关状态选择综合来自磁链自控单元 转矩调节器和磁链调节器输出的控制信号 形成正确的开关信号 控制逆变器 从而控制电动机 一 直接转矩控制的基本结构 信号检测定子磁链模型转矩模型磁链自控单元转矩调节器磁链调节器转速调节器开关状态选择 二 直接转矩控制的调节方案 一般而言 异步电动机转速运行范围不同 其工作特点也不同 因此 在直接转矩控制中按照不同转速范围 可划分为三个区域 低速范围 高速范围 弱磁范围 高速范围指从30 100 额定转速之间的转速范围内 低速范围指30 额定转速以下的转速范围 二 直接转矩控制的调节方案 1 高速范围调节方案 1 用电动机模型检测计算电动机电磁模型 磁链模型采用u i模型 2 用磁链自控制单元来确定区段 3 转矩采用两点式调节 砰 砰控制 4 磁链采用两点式调节 5 六边形磁链轨迹 二 直接转矩控制的调节方案 2 低速范围调节方案 1 用电动机模型检测计算电动机电磁模型 磁链模型采用i n模型 2 转矩调节器和磁链调节器协调工作 3 转矩采用两点式调节 砰 砰控制 4 为改善转矩动态性能 磁链空间要实现正反向变化控制 采用三点式调节 1 0 1 二 直接转矩控制的调节方案 2 低速范围调节方案 六边形磁链轨迹调节方案在每个区段值需要两种电压状态 工作电压状态和零电压状态 如果要在区段内改变定子磁链的方向 则必须增加区段内所需的电压状态的数目 若每个区段中的电压状态的数目足够多 可获得近似圆形磁链轨迹 在低速调节范围可以采用0 60 60 120 电压矢量协调控制 三 直接转矩控制的数字化设计 1 一般设计内容 直接转矩控制系统模型设计 直接转矩控制系统硬件设计 直接转矩控制系统软件设计 三 直接转矩控制的数字化设计 2 直接转矩控制系统硬件设计 1 DSP控制器以DSP芯片为系统的控制核心 其运行速度快 实时处理能力强 片上外设接口丰富 功耗低 三 直接转矩控制的数字化设计 2 直接转矩控制系统硬件设计 2 检测电路模块转速检测 采用增量式光电编码器 将转速信号变为脉冲信号 经整形电路送入DSP控制器 三 直接转矩控制的数字化设计 2 直接转矩控制系统硬件设计 2 检测电路模块定子电压 电流检测 采用霍尔电流传感器 电压 电流经滤波送入DSP控制器的A D转换器 三 直接转矩控制的数字化设计 2 直接转矩控制系统硬件设计 3 主电路主电路采用交 直 交电压源型变频电路 目前可直接选用智能模块 三 直接转矩控制的数字化设计 2 直接转矩控制系统硬件设计 4 外围电路输入输出设备 如键盘和显示电路 通信电路 如CAN总线 三 直接转矩控制的数字化设计 3 直接转矩控制系统软件设计 主程序主要完成芯片初始化 变量定义及其初始化 各种特