直接转矩控制技术DTC参考文档

1、电力电子与电机控制研究所,1,5.2,直接转矩控制技术,DTC,概述,直接转矩控制的基本原理,定子电压矢量与定子磁链,定子电压矢量对磁链和转矩的影响,直接转矩控制系统的介绍,直接转矩控制技术与矢量控制技术的比较,电力电子与电机控制研究所,2,一、概,述,继矢量控制之后,1984,年德国鲁尔,大学的,Depen Brock,又提出了交流电动,机的直接转矩控制方法，其特点是直接采,用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计,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,电力电子与电机控

2、制研究所,3,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,电力电子与电机控制研究所,4,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,电力电子与电机控制研究所,5,二、直接转矩控制的基本原理,根据异步电机的数学模型，在,坐标下空间矢量电压方程及转矩方程为,2-1,2-2,sin,r,s,r,s,K,K,s,s,s,s,p,i,R,u,s,r,r,s,m,n,em,i,i,i,i,L,P,T,s,s,n,s,s,

3、s,s,n,i,P,i,i,P,其中,均为空间矢量,r,s,s,s,i,u,电力电子与电机控制研究所,6,在转矩公式中,为定,子磁链和转子磁链之间的,夹角，称为磁通角。在控,制过程中，为了充分利用,铁心，应保持定子磁链的,幅值为额定值，而转子磁,链是由负载决定的，不能,突变，因此要改变转矩的,大小，可以通过改变磁通,角来实现,t,t,r,1,图,2-1,磁链矢量图,电力电子与电机控制研究所,7,将定子电压的方程变形为,2-3,忽略定子电阻后为,2-4,将方程离散化得,2-5,dt,i,R,u,s,s,s,s,dt,u,s,s,s,s,u,dt,d,dt,u,t,t,t,t,s,s,s,2,1,

4、1,2,电力电子与电机控制研究所,8,定子磁链矢量,的轨迹将按式,2-5,规律变化。这样，可,以通过控制定子电压,空间矢量来控制定子,磁链的幅值和旋转速,度，从而在保持磁通,恒定的情况下改变磁,通角,的大小达到改,变转矩的目的,s,图,2-2,定子磁链的轨迹,电力电子与电机控制研究所,9,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,s,T,s,T,图,2-3,直接转矩控制原理图,电力电子与电机控制研究所,10,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

5、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,电力电子与电机控制研究所,11,三,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,电力电子与电机控制研究所,12,空间矢量的求法，即从三相静止坐标,到两相静止坐标的变换,32,变换,c,b,a,T,T,T,T,T,2,3,2,3,0,2,1,2,1,1,3,2,其中,为空间矢量在坐标轴上的分量,为三相

6、轴线的矢量的模,T,T,c,b,a,T,T,T,电力电子与电机控制研究所,13,用电压型逆变器供电的交流调速系统如下,图所示，假设逆变器的功率开关器件用开关,SA,SB,SC,来代替，并且当上臂开关接通时为,1,下臂开关接通时为,0,每一个桥臂的上下两个开,关是互补动作的，则定子各相电压对中心点分,别为,或者,d,U,2,1,d,U,2,1,图,2-4,电压型逆变器供电,的交流调速系统示意图,电力电子与电机控制研究所,14,根据电压空间矢量的定义，用三相开关量表,示瞬时空间电压为,2-6,其中,为绝对变换系数,3,2,3,4,3,2,j,C,j,B,A,d,C,B,A,e,S,e,S,S,U,

7、S,S,S,u,3,2,电力电子与电机控制研究所,15,逆变器上下臂开关组合共有,种状态，逆,变器输出瞬时空间电压矢量分别有下列,8,种电,压,2-7,8,2,3,d,U,u,3,2,0,0,1,1,3,2,3,2,0,1,1,j,d,e,U,u,3,2,3,3,2,0,1,0,j,d,e,U,u,d,U,u,3,2,1,1,0,4,3,4,5,3,2,1,0,0,j,d,e,U,u,3,5,6,3,2,1,0,1,j,d,e,U,u,0,1,1,1,0,0,0,7,0,u,u,电力电子与电机控制研究所,16,由式,2-6,可以看出,空间电压矢量只与三相桥,臂的开关状态有关。由式,2-7,可以

8、看出电压型逆,变器的基本输出矢量共有,8,个,，其中,0,状态和,7,状态称为零矢量，其余,6,个,为非零基本矢量，称为有,效矢量。这,6,个非零矢量均,匀分布在,平面上，如右,图所示,7,0,u,u,图,2-5,逆变器输出电压矢量,电力电子与电机控制研究所,17,四、定子电压矢量对磁链的调节作用,将,2-7,代入,2-4,中可得,也就是说，定子磁通,的运动方向基本,是沿,进行的，其运动速度快慢由电压幅,值,来确定,0,s,i,i,s,s,t,u,dt,u,7,1,0,i,s,s,u,s,u,电力电子与电机控制研究所,18,要保持磁链的幅值,不变，可选取电压矢,量,使,跟踪给定的,使其满足下述

9、,关系,2-8,s,C,B,A,s,S,S,S,U,s,s,s,s,s,s,s,图,2-6,恒定圆轨迹控制,电力电子与电机控制研究所,19,在直接转矩控制,下，电动机的磁,通建立过程如右,图所示。磁通建,立几乎在瞬时完,成，在开始阶段,逆变器输出会持,续输出一种状态,较长时间，以便,快速建立所需要,的定子磁场,图,2-9,磁通建立过程,电力电子与电机控制研究所,20,为了确定各电压矢,量作用区间，以,轴为,起点，沿顺时针方向把,整个圆周分为六个扇区,如右图所示。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，对逆时针磁通,如扇区,由,形成,扇区,由,形成等,等,2,u,6,u,2

10、,u,3,u,图,2-7,扇区的划分,电力电子与电机控制研究所,21,例如，当定子原有磁链位于,区域内,并有,的值，如图,2-6,所示，如果要求,逆时针旋转，则分别选择,和,就能满足式,2-8,的关系。只要定子磁链不出,区,则反复施加,和,但是，当进入,区后,则反复选用,和,才能满足式,2-8,。这种控,制叫电压空间矢量,PWM,控制，也叫磁链跟踪,型,PWM,控制,显然，如果给定允许误差越小，那么一周,内电压矢量改换的次数越多，电压矢量构成的,多边形的边数越多，其轨迹越接近于半径为指,定值的圆,s,s,s,2,u,3,u,3,u,3,u,1,u,2,u,电力电子与电机控制研究所,22,如前所

11、述，当忽略定子绕组电阻压降（该,值一般很小）时，定子磁链的旋转速度与电压,矢量幅值成正比。因此通过改变电压矢量的大,小可以改变旋转磁场的速度即控制电机的转矩,进而控制转速,如果某时刻选取的是零电压矢量，则该时,刻的磁链矢量的旋转速度近似为零。这样就可,以通过选用适当的零电压矢量来降低定子磁链,的平均旋转速度,电力电子与电机控制研究所,23,图,2-8,电压矢量与相电压波形图,a,选用非零电压矢量时的波形,b,选用零电压矢量时的波形,电力电子与电机控制研究所,24,下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选,取电压矢量,时，磁链矢量的轨迹为一,正六边形，而电机定子绕组相电压为一凸字形波,如上图,a,

12、所示，如果在选用每一个非零电压矢量,的期间中间分段两次插入零电压矢量,则原来,凸字形相电压被斩波，变为上图所示,b,所示的不,连续的脉冲，相电压的周期增大，这是因为在选,取零电压矢量的期间，磁链矢量的旋转速度为零,因而磁场旋转一周的时间变长，即电机的转速变,慢,6,2,1,u,u,u,0,u,电力电子与电机控制研究所,25,由电压和磁链的矢量图看，零电压矢量对,应的是一个点，在该点磁链矢量原地不动，等,转换到非零电压矢量后才继续旋转。从磁链的,轨迹来看，仍是一个正六边形，只是每条边上,多了两个点。然而由于这些点上的停顿，使磁,链矢量旋转一周的时间变长，旋转磁场的平均,速度减小，电机的转速降低,

13、采用零电压矢量改变电机的电压，实际上,是对电机的端电压进行斩波调压，使其幅值减,小，从而达到降低磁链矢量旋转速度的目的,电力电子与电机控制研究所,26,五、直接转矩控制系统,图,2-9,直接转矩控制系统图,电力电子与电机控制研究所,27,上图为德国,Dephenbrock,教授提出的直接转,矩控制系统，因为具有控制手段直接、结构简,单、性能优良等特点而引起了人们的广泛关注,该方法摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子,磁场定向转变为定子磁场定向，由于定子磁通,只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性,大大减小。另外，直接转矩控制通过转矩偏差,和定子磁链偏差来确定电压矢量，不象矢量控,制那样进行复杂

14、的坐标转换，计算大大简化,电力电子与电机控制研究所,28,在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得,磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在,额定转速以下，使它保持常数，超过额定转速,时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转矩和定子,磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转,换，通过电磁转矩模型和磁链模型计算而得,dt,K,K,T,r,r,I,r,r,p,e,电力电子与电机控制研究所,29,开关状态的选择规则如下,1,增加磁链,0,减小磁链,1,增加转矩,-1,减小转矩,s,s,s,s,e,e,T,T,e,e,T,T,T,D,T,D,1,D,1,D,开关状态选择（函数）是一个三元函数,U=f,1,D,T,D

15、,N,电力电子与电机控制研究所,30,下面以定子磁链在区的控制为例进行说明,设定子磁链逆时针旋转,增大磁链,增大转矩,u6,减小转矩,u0/u7,大幅减小转矩,u5,增大转矩,u2,减小磁链,减小转矩,u0/u7,大幅减小转矩,u1,电力电子与电机控制研究所,31,开关状态选择表,u,u,u,u,u,u,0,1,u,u,u,u,u,u,1,u,u,u,u,u,u,1,1,u,u,u,u,u,u,1,u,u,u,u,u,u,N,1,D,T,D,电力电子与电机控制研究所,32,电磁转矩模型,在直接转矩控制中，需要实测电磁转矩作,反馈值。直接测量电磁转矩在测量技术上有一,定困难。为此，采用间接法求电

16、磁转矩。一般,是根据定子电流和定子磁链来计算电磁转矩,电磁转矩的表达式可写为,1,1,1,1,i,i,p,T,e,图,2-9,转矩模型结构,电力电子与电机控制研究所,33,定子磁链模型,1,定子电压电流磁链模型法,定子磁链可以在,坐标下写出如下关系式,由此，用下图所示的电压电流模型结构可求得,定子磁链,dt,i,R,u,1,1,1,1,dt,i,R,u,1,1,1,1,图,2-10,定子电压电流磁链模型,电力电子与电机控制研究所,34,定子电压电流磁链模型法优缺点,优点,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,缺点,1,积分器存在漂移问题,2,电机转速很低时，由于定子

17、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,电力电子与电机控制研究所,35,2,定子电流转速模型法,在额定转速,30,以下时，磁链只能根据转速来,正确计算，定子电流、转速磁链模型结构图如,下,图,2-11,定子电流转速磁链模型,电力电子与电机控制研究所,36,六、直接转矩控制技术与,矢量控制技术比较,由上表看出，如果能够在现有的直接转矩控制系统和矢,量控制系统中取长补短，应该能够构成性能更优越的,控制系统，这正是当前国内外的研究方向,电力电子与电机控制研究所,37,本章小结,直接转矩控制是在定子坐标,系下分析交流电动,机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不,需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转,变换对异步电动机的,数学模型解耦简化，计算简单明,了，物理概念清楚,直接转矩控制仅用到了定子磁链，不用转子回路的,参,数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响,直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电,动机的数学模型，用离散的电压空间矢量来描述逆变,器对交流电动机的控制，这既合乎实际，又特别简单,明了,电力电子与电机控制研究所,3