异步电机直接转矩控制学习教案

1、会计学1异步电机直接异步电机直接(zhji)转矩控制转矩控制第一页，共88页。2 直接转矩控制(DTC Direct Torque Control) 。又称为直接自控制(DSR，DSC Direct Self-Control)。是近十年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有(jyu)高性能的交流变频调速技术。 第1页/共88页第二页，共88页。319771977年，美国学者年，美国学者(xuzh)A.B.Plunkett(xuzh)A.B.Plunkett首先在首先在IEEEIEEE杂志上发表杂志上发表提出磁链提出磁链转矩直接调节的思想，但由于需要检测磁链，未获得实转矩直接调节的思想，但

2、由于需要检测磁链，未获得实际应用。际应用。直接转矩控制技术的产生直接转矩控制技术的产生(chnshng)(chnshng)背景背景矢量控制（转子磁场定向控制）从理论矢量控制（转子磁场定向控制）从理论(lln)(lln)上解决了上解决了交流调速系统的静、动态性能问题交流调速系统的静、动态性能问题 ，其动态性能好，调速，其动态性能好，调速范围宽。范围宽。但在实际应用中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电但在实际应用中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，另外在模拟直流电动机控制过程中动机参数的影响较大，另外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控制效果难以达到

3、理所用矢量旋转变换的复杂性使得实际控制效果难以达到理论论(lln)(lln)分析的结果。分析的结果。第2页/共88页第三页，共88页。4鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时需要快鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时需要快速速(kui s)(kui s)瞬态转矩响应，瞬态转矩响应，19851985年德国鲁尔大学的年德国鲁尔大学的DepenbrockDepenbrock教教授研制了直接自控制系统授研制了直接自控制系统(DSR)(DSR)，并提出了直接转矩控制理论。，并提出了直接转矩控制理论。该理论采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间矢量控制该理论采用转矩模型和电压

4、型磁链模型，以及电压空间矢量控制PWMPWM逆变器，实现转速和磁链的砰砰控制逆变器，实现转速和磁链的砰砰控制(Bang-Bang Control) (Bang-Bang Control) 。这在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动这在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数影响的问题。机参数影响的问题。直接直接(zhji)(zhji)转矩控制技术的转矩控制技术的产生背景产生背景第3页/共88页第四页，共88页。5 和和VCVC系统一样，系统一样，DTCDTC系统分别控制异步电动机的转矩系统分别控制异步电动机的转矩( (转速转速) )和和磁链，转速调节器磁链，转

5、速调节器ASRASR的输出的输出(shch)(shch)作为电磁转矩的给定信号作为电磁转矩的给定信号T T* *e e，在，在T T* *e e后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速的影响，从而使转速和磁链系统近似解耦。的影响，从而使转速和磁链系统近似解耦。 因此，从总体控制结构上看，直接转矩控制系统因此，从总体控制结构上看，直接转矩控制系统(DTC)(DTC)和矢和矢量控制系统量控制系统(VC)(VC)是一致的，都能获得较高的静、动态性能。是一致的，都能获得较高的静、动态性能。T*e*sTes*rr直接直接(zhji)(zhji)转矩控制的基

6、本原理转矩控制的基本原理注：在转速环里，利用转矩反馈直接控制注：在转速环里，利用转矩反馈直接控制(kngzh)(kngzh)电动机电动机的电磁转矩，因而得名：直接转矩控制的电磁转矩，因而得名：直接转矩控制(kngzh)(kngzh)。第4页/共88页第五页，共88页。6在具体控制方法上，在具体控制方法上，DTCDTC系统和系统和VCVC系统有所不同，系统有所不同， 转矩和磁链的控制采用转矩和磁链的控制采用BangBangBangBang控制器，并在控制器，并在PWMPWM逆变逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWMSVPWM波形，从而波形，从而避开了将

7、定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了矢量避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了矢量(shling)(shling)旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构； 选择定子磁链作为被控量，而不像选择定子磁链作为被控量，而不像VCVC系统那样选择转子系统那样选择转子磁链，计算磁链的电压模型不受转子参数变化的影响，磁链，计算磁链的电压模型不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。提高了控制系统的鲁棒性。直接直接(zhji)(zhji)转矩控制系统主要特点转矩控制系统主要特点第5页/共88页第六页，共88页。7 由于直接采用了转矩反馈的由于直接采用了转矩反馈

8、的BangBangBangBang控制，理论上在加减速控制，理论上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，但实际或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但实际应用时必须应用时必须(bx)(bx)注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开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也是有限的。关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。 直接转矩控制采用电压空间矢量的概念分析三相交流电动机的直接转矩控制采用电压空间矢量的概念分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。直接直接(zhji)(zhj

9、i)转矩控制系统主要特点转矩控制系统主要特点第6页/共88页第七页，共88页。8 综前所述，直接转矩控制，采用电压空间矢量的分析方综前所述，直接转矩控制，采用电压空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用法，直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向定子磁场定向(dn xin)(dn xin)，借助了离散滞环调节，借助了离散滞环调节(Bang-(Bang-BangBang控制控制) )产生产生PWMPWM信号，直接对逆变器开关状态进行最优信号，直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态性能。控制，以获得转矩的高动态性能。第7页/共88页第八页，

10、共88页。定子磁通转矩通过对交流电机的闭环控制间接控制转矩）闭环控制转矩分量励磁分量定子电流矢量变换控制：通过对(Bang-BanPgI（矢量变换控制：分量电流调节器为型连续调节）转矩调节器采用两位控制定子磁通调节器定子磁链控静止坐标制在系内完成第8页/共88页第九页，共88页。dtRu)(111第9页/共88页第十页，共88页。高性能控制中永磁同步电机异步电机第10页/共88页第十一页，共88页。第11页/共88页第十二页，共88页。第12页/共88页第十三页，共88页。(, , )000/2S1V/2S0/2S1V/2S180/2S1V/2S1:0SS0S0:0aaabbbcx x axc

11、cxbcEEEEEE（同相上下元件开关状态互补）定义桥臂开关状态输出电压（上桥臂元件通下桥臂元件通对导通型开关）信号地sV第13页/共88页第十四页，共88页。300000000020,S)8,S S8abcababbcbccacaabcVVVVVVVVVVVV三相可定义对应逆变器对地 ：线线值：组合开关量（种组合开关状态种不同输出电压第14页/共88页第十五页，共88页。2433a-b-c3 / 2 )(1)3 / 2823sjjsabbccaVVjVVVV eV e 电压空间矢量系系坐标变换（按变换关系，可定出逆变器输出 个电压空间矢量的空间位置幅值大小转向重合与重合与线电压aaabV第1

12、5页/共88页第十六页，共88页。abcabbcca436s11S S S100VE2V0VE22 3VV0332 3V :E3.153021jjEEeEe 以开关状态（）为例据图 有：得说明为直幅值倍距 轴流母线电压 的位于处（图 ）第16页/共88页第十七页，共88页。123456078841.1560V 100V 110V 010V 011V 001V 101V 000V 11216E 种开关状态个电压空间矢量（图 ）幅值相等互差（）， （）， （），（）， （）， （）。幅值为零位于零点（个有效电压空间矢量个零电压矢）， （）量位于原点）（图4第17页/共88页第十八页，共88页。ss

13、sss1sssVUUUIVVdtVVIVIVaas abbs bccsssssssssscdRdddtdR idtdR idtdR ittdR 二定子磁链空间矢量 ：电流空、交流电机定子电压方程矢量式：标量式运行频率高，忽略：与关系：间矢量：电压关空矢量与间系0/90st 大小：微 积分关系方向：垂直（互差）第18页/共88页第十九页，共88页。ss1v2v5sssT 说明 ：（）磁链增矢量与电压矢量 同方向，大小正比作用时间（ ）磁链矢量矢头运动方向同 方向，即方向（图 ）073sssVVV （ ） 由于故， 作用运动速度与 正比零矢量停止运动时，（调速作用）ssVT ）（图5第19页/共8

14、8页第二十页，共88页。61 VVT）（图4）（图6第20页/共88页第二十一页，共88页。）（图互差方向减小作用：不变作用：方向增大作用：方向减小作用：不变作用：方向增大作用：7120,)2(0)101()001()0)011()0)010()110()0)100()() 1 (654321cbaaaaaaaaVfVeVdVcVbVat）（图7第21页/共88页第二十二页，共88页。第22页/共88页第二十三页，共88页。开关(kigun)表第23页/共88页第二十四页，共88页。,(1), ,321112233022111223,3022,abbccasassssbcabsbcscaass

15、sbcUUUi i iUUUUUUUiiiiiii 输入量：及输出量：三相线电压输入量：检测出三相线电流：经变换得第24页/共88页第二十五页，共88页。ssssVR Idt ssssssssUR idtUR idt三相分别调节，逆变换得经输入,32,cbass第25页/共88页第二十六页，共88页。aaaaaaasaabc2433abc6aaas10232 332S32jjsjeeea 不变 由定子磁链给定值来确定容差（滞相为例环宽）三相相等第26页/共88页第二十七页，共88页。,0),.( 1SSSabc图）调节器滞环特性（图）定子三相磁链波形（图依据97第27页/共88页第二十八页，共

16、88页。,0),.( 1SSSabc图）调节器滞环特性（图）定子三相磁链波形（图依据97）（图10第28页/共88页第二十九页，共88页。;,cbaSSScbaSSS,( 11)acbacbSSSSSS输入输出特性图aSbS第29页/共88页第三十页，共88页。减小零电压矢量作用，增大有效电压矢量作用，开关量输出转矩观测值转矩给定，输入、转矩调节器转矩系数电磁转矩输出定子电流分量定子磁链分量输入eeeeeeemTTssssTessssLLKKiiKTiiT0T1STTTTT2)(,01第30页/共88页第三十一页，共88页。eeeTTTS010不变eeeeeTTTTT平均值间变化瞬时值在说明实

17、际转矩第31页/共88页第三十二页，共88页。的关系，rss inTs in,TesrsrmTsrmesrKTLKL 大 小 恒 定 时 ，0 ma0 x0r01,0,sseesSSTT 有效电压矢量作用（全电压）增大，增加零电压矢量作用， 以（） 运动， 停止运（零电压）减小平均角速，减少度动，运动第32页/共88页第三十三页，共88页。r(1)( )(2)seT t 走走停停，均速运行，夹角 不断变化，电磁转矩脉动小，转矩脉动小零矢量插入多，逆变器开关转矩频率调节器容差，但高，损耗大。4、调压和变频、调压和变频(bin pn) (零电压矢量控制零电压矢量控制)001s1111(1)0,20

18、,sssUVfTVTfU 保持原位置，运动停滞，故（ ）幅值为零，零电压矢量插入时间控制旋转不改变（），随 变磁场转速磁链幅值恒磁通控制自动调实调磁链压圆现直径、变频。第33页/共88页第三十四页，共88页。)000() 1 (0V全部插)111()2(1V全部插007710(000)101000ac41(101)(111)101111b2(111)2(100)(000)VVVVVV 插， 由 （） （） ， 、 相个 开 关 动 作分 析 ： （ ）区 间 ，插， 由 （） （） ， 仅相个 开 关 动 作插合 理（ ）插合 理按 开 关 次 数 最应少 选 零 矢 量 。方式方式(fngs

19、h)第34页/共88页第三十五页，共88页。180360一般插零方法零矢量集中于，提高载波比，优化插零方法零矢量分布于降低开关频率减少谐波13564627,V V VVV V VV 插规插律第35页/共88页第三十六页，共88页。第36页/共88页第三十七页，共88页。)(11,11NNUUffTs一、DTC弱磁运行特点 （1）基频以上，定子电压额定不变，速度调节(tioji)不再使用零电压矢量，而用改变（减小）有效电压矢量作用时间 来实现； （2）减小有效电压(diny)矢量作用时间后， 定子磁链矢量 角速度为 ，且额定不变；max0)(第37页/共88页第三十八页，共88页。TVss恒定e

20、TP第38页/共88页第三十九页，共88页。图217第39页/共88页第四十页，共88页。PeTPssa866. 0第40页/共88页第四十一页，共88页。控制转矩开关量）转矩调节器功率调节器控制功率(0seSTPTPee基速以下/以上运行时， 有恒(yuhng)磁通/弱磁控制 切换问题图26 DTC系统(xtng)组成第41页/共88页第四十二页，共88页。图218R第42页/共88页第四十三页，共88页。0Ss0S0S.:0:100零电压空间矢量作用有效电压空间矢量作用SS第43页/共88页第四十四页，共88页。10 长时间S0S0S转矩调节器输出功率调节器输出（弱磁运行）0S（无零矢量作

21、用）10S连续变化（弱磁）s（恒磁运行）1S（零矢量作用）010S最大值（恒磁）s功率调节器转矩调节器第44页/共88页第四十五页，共88页。s0RRss转矩调节器输出功率调节器输出（恒磁运行）0R（弱磁运行）1R（无零矢量作用）10S（零矢量作用）010S连续变化（弱磁）s最大值（恒磁）s功率调节器转矩调节器第45页/共88页第四十六页，共88页。TPePPPTTPTNeeeePeT功率调节器输入因转矩调节器输入均为同一(tngy)速度调节器ASR输出，切换前后大小应不变第46页/共88页第四十七页，共88页。第47页/共88页第四十八页，共88页。1654321VVVVVVV图20（a）正

22、转第48页/共88页第四十九页，共88页。1234561VVVVVVV图20（b）反转(fn zhun)第49页/共88页第五十页，共88页。cbSSSa、aaaaaaaS：不变：01a第50页/共88页第五十一页，共88页。1234561VVVVVVV第51页/共88页第五十二页，共88页。ccbbaaSSSSSS图19反转(fn zhun)磁链波形第52页/共88页第五十三页，共88页。bacSSSSSScba图8 正转磁链波形(b xn)第53页/共88页第五十四页，共88页。ccbbaaSSSSSS图19反转(fn zhun)磁链波形第54页/共88页第五十五页，共88页。cbSSSa

23、、反转正转:1:1FZ图-6 DTC系统(xtng)框图第55页/共88页第五十六页，共88页。FSZSSFSZSSFSZSScbcbbbaca 合成(hchng)实现数字模拟图图21 正正/反转换相逻辑反转换相逻辑(lu j)合成合成第56页/共88页第五十七页，共88页。第57页/共88页第五十八页，共88页。Nnn%15Nnn%15第58页/共88页第五十九页，共88页。第59页/共88页第六十页，共88页。3V1V2V60603030第60页/共88页第六十一页，共88页。前 30 :主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹(guj)向圆外扩张）后 30 ：主矢量使磁链幅值增大(zn d)（磁链

24、轨迹向圆外扩张）第61页/共88页第六十二页，共88页。表4：第62页/共88页第六十三页，共88页。s第63页/共88页第六十四页，共88页。sss)0(1sSssss（即：未超出上下限）（即不变：）即：图27 轨迹(guj)s第64页/共88页第六十五页，共88页。1S0Ssss第65页/共88页第六十六页，共88页。xSssccbbaaSSSSSSbacSSSSSScba第66页/共88页第六十七页，共88页。表5第67页/共88页第六十八页，共88页。第68页/共88页第六十九页，共88页。图25 磁链圆轨迹(guj)第69页/共88页第七十页，共88页。第70页/共88页第七十一页，

25、共88页。不同扇区有不同的正、反向有不同扇区有不同的正、反向有效电压矢量效电压矢量【例】【例】扇区扇区3030正向有效电压矢量、321VVV反向有效电压矢量、654VVV第71页/共88页第七十二页，共88页。12030302V 有效电压矢量有效电压矢量(shling)扇扇区内：区内：主矢量主矢量(shling)：反矢量反矢量(shling)：其中其中 滞后滞后 称称 电压矢量电压矢量(shling)654VVV、6V1202V120图图29 正、反向电压正、反向电压(diny)矢量矢量第72页/共88页第七十三页，共88页。120r，ssinrsmTeLKT0第73页/共88页第七十四页，共

26、88页。00TV120第74页/共88页第七十五页，共88页。1206V3V180120第75页/共88页第七十六页，共88页。：圆形磁链轨迹：圆形磁链轨迹极低速及堵转运行：插入反向电极低速及堵转运行：插入反向电压矢量压矢量Nnn%15Nnn%15第76页/共88页第七十七页，共88页。不变不变01222Sss式中：S第77页/共88页第七十八页，共88页。ss*ss120s第78页/共88页第七十九页，共88页。120第79页/共88页第八十页，共88页。按上述控制的原始DTC系统存在如下问题： 由于采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定； 由于磁链计算采用了

27、带积分环节的电压模型，积分误差、累积(lij)误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。 这两个问题的影响在低速时比较严重，因而使DTC系统的调速范围收到限制。因此抑制转矩脉动、提高低速性能便成为改进原始的DTC系统的主要方向。直接转矩控制系统(kn zh x tn)的改进第80页/共88页第八十一页，共88页。82改进方案有： 磁链和转矩的BangBang控制以及由其输出信号选择(xunz)逆变器的电压矢量这一基本方法不变，着重改进具体的控制方法：对磁链偏差进行细化，使磁链轨迹接近圆；对转矩偏差进行细化，直接减小转矩脉动；对电压空间矢量实行无差拍调制或预测控制；对电压空间矢量实行智能控制。第81页/共88页第八十二页，共88页。83 改BangBang控制为连续控制：间接(jin ji)自控制(ISR）系统；按定子磁链定向的控制系统。 这些改进或多或少牺牲了系统的鲁棒性。第82页/共88页第八