《电机调速技术》项目五5.31

电机调速技术绪论全课导航项目1认识直流调速系统项目2认识调压调速系统

和串级调速系统项目3认识变频调速系统项目4认识矢量控制调速系统项目5认识直接转矩控制调速系统项目6了解电机调速技术的应用项目五认识直接转矩控制调速系统项目导读直接转矩控制调速系统通过控制电动机的定子电压和电流，从而快速、准确地调整电动机的转矩和转速，它是一种比较先进的控制系统。项目导读直接转矩控制调速系统具有响应速度快控制精度高鲁棒性强本项目主要介绍直接转矩控制调速系统的相关知识。广泛应用于工业机器人、数控机床、电梯等领域目标知识目标熟悉直接转矩控制的基本思想和工作原理。熟悉直接转矩控制的基本方法。了解异步电动机的直接转矩控制电路。掌握直接转矩控制调速系统的组成和实现方法。了解直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同。目标技能目标能够正确使用Matlab/Simulink仿真平台构建直接转矩控制调速系统仿真模型。能够验证直接转矩控制调速系统的静、动态性能。素质目标树立追求卓越、勇于拼搏的奋斗精神。树立客观、严谨、细致的工作作风。培养执着专注、精益求精、追求卓越的工匠精神。项目引入直接转矩控制调速系统如同一个魔法棒，能够瞬间调整电动机转矩的大小和方向，从而实现对电动机转速的精确控制，让电动机始终在最佳状态下运行。这个“魔法棒”其实是利用了现代电子技术和先进的控制算法，通过改变电动机的定子电压或电流，从而实现对电动机的直接转矩控制。这种控制系统不仅简单、直观，而且响应速度快，能够满足各种复杂的应用需求。现在就让我们一起学习直接转矩控制调速系统的相关知识。课堂互动想一想，直接转矩控制技术应用在哪些领域中？直接转矩控制技术的应用项目引入知识与技能要求项目内容认识直流调速系统学习程度识记理解应用学习任务直接转矩控制的基本思想

●

直接转矩控制的工作原理

●

直接转矩控制的基本方法●

异步电动机的直接转矩控制电路●

直接转矩控制调速系统的组成和实现方法

●

直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同●实训任务直接转矩控制调速系统仿真

●自我勉励直接转矩控制概述直接转矩控制调速系统项目导航项目实施——直接转矩控制调速系统仿真项目工单—认识直接转矩控制调速系统1．学生分组小组成员及分工情况班级

组号

指导教师

小组成员姓名学号小组分工组长

组员

以3～5人为一组，选出组长并进行分工，填入下表中。2．工作计划工作计划查阅相关资料并预习课本，了解直接转矩控制调速系统的相关知识，并填入下表中。序号工作内容负责人

项目工单—认识直接转矩控制调速系统3．工作准备实施过程中所需的工具和器材等信息将实施过程中所需的工具和器材等信息填入表中。序号名称规格与型号单位数量备注

项目工单—认识直接转矩控制调速系统4．工作实施工作实施过程记录表按照工作计划，将实施步骤、实施内容及遇到的问题、解决办法等记录于表中。序号实施步骤实施内容及遇到的问题解决办法

项目工单—认识直接转矩控制调速系统5.1直接转矩控制概述5.1直接转矩控制概述直接转矩控制以异步电动机输出的电磁转矩为控制量，根据工作需要，通过调节电磁转矩的大小来控制异步电动机的转速。5.1.1直接转矩控制的基本思想直接转矩控制基于在定子坐标系下建立的异步电动机数学模型，其用定子磁链定向代替转子磁链定向，在两相静止正交坐标系上直接控制异步电动机的磁链和转矩，省去了旋转坐标变换。因此，直接转矩控制可以获得良好的动态性能。5.1.1直接转矩控制的基本思想由于直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，它并不强调必须获得理想的正弦波波形，因此引入了电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的概念。5.1.1直接转矩控制的基本思想直接转矩控制的基本思想是直接将异步电动机的瞬时转矩和瞬时磁链作为状态变量进行反馈，分别通过转矩和磁链滞环比较器，将转矩检测值和磁链检测值分别与各自的给定值相比较，由转矩和磁链滞环比较器的输出直接对逆变器开关状态做最佳调节，将转矩和磁链波动限制在一定的误差范围内。因此，直接转矩控制是直接且简单的。课堂互动什么是滞环比较器？滞环比较器属于双位式开关调节器，是一种非线性调节器，当变量偏移达到一定数值后便可立即对其进行调节。滞环比较器常用于一个点到另一个点的直接瞬间过渡。知识链接5.1.2直接转矩控制的工作原理5.1.2直接转矩控制的工作原理由上述两组式子可得：5.1.2直接转矩控制的工作原理则：5.1.2直接转矩控制的工作原理5.1.3直接转矩控制的基本方法5.1.3直接转矩控制的基本方法但磁链是电动机的内部物理量，不方便直接控制，而三相电源电压是产生磁链的基础，是外加的物理量，可以直接控制。因此，控制异步电动机定子电压发生改变，就可以改变磁链，进行直接转矩控制。5.1.3直接转矩控制的基本方法1．定子电压空间矢量与定子磁链空间矢量的关系定子电压空间矢量与定子磁链空间矢量具有一定关系，可用公式表示为：5.1.3直接转矩控制的基本方法2．定子磁链空间矢量的运动轨迹当采用六拍型逆变器供电时，定子磁链空间矢量形成的轨迹是六边形旋转磁场，如图中所示。定子磁链空间矢量形成的轨迹5.1.3直接转矩控制的基本方法2．定子磁链空间矢量的运动轨迹定子磁链空间矢量形成的轨迹5.1.3直接转矩控制的基本方法2．定子磁链空间矢量的运动轨迹定子磁链空间矢量形成的轨迹5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法3．定子磁链空间矢量的滞环工作状态定子磁链空间矢量滞环调节5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法电压空间矢量区间选择表返回上一页5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法（续表）返回上一页5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法制订电压空间矢量区间选择表应当遵循以下原则。1）对磁链滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则2）对转矩滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法1）对磁链滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法1）对磁链滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法1）对磁链滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法2）对转矩滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则课堂互动零电压矢量的工作状态有几种？知识链接电压空间矢量按法向和切向分解知识链接电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法2）对转矩滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法2）对转矩滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则电压空间矢量按法向和切向分解5.1.3直接转矩控制的基本方法4．转矩的具体控制方法2）对转矩滞环推荐的电压空间矢量应当遵循的原则电压空间矢量区间选择表电压空间矢量区间选择表其中，磁链滞环和转矩滞环的调节是相互联系的，有可能一个动作调节后，不用再做第二个动作来补充；如果一个动作不够，则第二个动作可以同向补充；如果一个动作过冲，则第二个动作进行反向调节，纠正过冲。这种使用双环配合来选择电压空间矢量的方法，调速效果较好。直接转矩控制的基本思想是什么？制订电压空间矢量区间选择表应当遵循的原则有哪些？课堂训练直接转矩控制概述直接转矩控制的基本思想直接转矩控制的工作原理直接转矩控制的基本方法课堂小结5.2直接转矩控制调速系统5.2直接转矩控制调速系统直接转矩控制调速系统（即DTC调速系统）是继矢量控制调速系统之后发展起来的另一种高动态性能的异步电动机调速系统。在转速环里面，系统利用转矩反馈直接控制异步电动机的电磁转矩。下面主要介绍其相关知识。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路异步电动机的直接转矩控制电路框图根据直接转矩控制的工作原理，可以组合构成异步电动机的直接转矩控制电路框图。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路1．异步电动机直接转矩控制的主电路异步电动机的直接转矩控制电路框图异步电动机直接转矩控制的主电路采用的是三相电压型逆变器，由一个带滤波电路的整流装置来供电。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路1．异步电动机直接转矩控制的主电路由于它的功率单元由一个专门按照六拍形式设计的开关电压矢量选择器来完成对电压矢量的选择，因此不需要对电压矢量进行解耦，只需要通过对电压矢量的法向或切向分量适当地选择搭配，就可以达到独立控制异步电动机定子磁链的幅值和转速的目的。异步电动机的直接转矩控制电路框图该控制电路较为简单，不需要附加电路，只要根据电压空间矢量区间选择表合理选择电压矢量即可。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路2．异步电动机直接转矩控制的控制电路该控制电路的作用是控制开关电压矢量选择器对电压矢量进行选择，控制电路由以下几个环节组成：（1）定子磁链滞环比较环节（2）电磁转矩滞环比较环节（3）定子磁链和电磁转矩估算环节（4）速度调节环节（5）转速与磁通函数变换环节将这5个环节连接到主电路，便可以构成完整的异步电动机直接转矩控制调速系统。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路2．异步电动机直接转矩控制的控制电路异步电动机的直接转矩控制电路框图5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路2．异步电动机直接转矩控制的控制电路异步电动机的直接转矩控制电路框图5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法定子磁链

的估算方法电流-电压模型法电流-速度模型法电压-速度模型法以下主要介绍电流-电压模型法的相关知识。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法1）定子磁链的估算方法电流-电压模型法较为简单，其传递函数少，且只受定子电阻压降变化的影响，一般在高速段较好。因此，电流-电压模型法适用于调节高速运行的系统。5.2.1异步电动机的直接转矩控制电路3．定子磁链和电磁转矩的估算方法2）电磁转矩的估算方法直接转矩控制调速系统的组成框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法1．直接转矩控制调速系统的组成直接转矩控制调速系统由磁链闭环和转速闭环两部分组成，其组成框图如所示。5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法1．直接转矩控制调速系统的组成直接转矩控制调速系统的组成框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法1．直接转矩控制调速系统的组成直接转矩控制调速系统的组成框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法1．直接转矩控制调速系统的组成根据转矩控制量、磁链控制量和磁链扇区数，通过开关电压矢量选择器查逆变器优化开关表，得到最优电压矢量。通过对电压型逆变器VSI施加电压矢量，可控制异步电动机定子磁链和电磁转矩在磁链滞环内独立调节。直接转矩控制调速系统的组成框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法1．直接转矩控制调速系统的组成直接转矩控制调速系统在转速环内设置有电磁转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现近似解耦。由于转矩和磁链采用滞环比较器控制，因此简化了控制结构，避免了调节器的设计；且滞环比较器为比例调节器，可以使磁链和转矩快速调节，获得比比例积分调节器更快的系统动态响应。但采用滞环比较器控制会产生转矩脉动，特别是低速时的转矩脉动会使系统的调速精度变差，限制其调速范围。5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法目前，直接转矩控制调速系统在发达产业中的应用较为广泛。如图所示，它由速度控制环和转矩控制环组成。ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图2．直接转矩控制调速系统的实现方法5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法以下分别介绍各组成部分的功能。速度控制器是速度控制环的核心单元其为比例积分调节器该系统的控制核心转矩控制环磁链给定控制器转矩给定控制器转矩调节器磁链调节器定子磁链观测器脉冲优化选择器5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法1）速度控制器直接转矩控制调速系统的转速实际来自光电编码器测速环节PG输出的速度反馈信号，速度控制器可将该信号输出给转矩给定控制器。ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法2）磁链给定控制器ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图磁链给定控制器主要用来优化磁链给定曲线，提供磁链制动给定功能。ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法3）转矩给定控制器转矩给定控制器是一个带输出限值的斜坡函数发生器，可以实现内、外给定功能。5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法4）转矩调节器和磁链调节器ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图转矩调节器和磁链调节器的作用是将转矩反馈值和磁链反馈值分别与转矩给定控制器和磁链给定控制器输出的给定值做比较，通过转矩调节器和磁链调节器进行快速调节，从而把转矩和磁链波动限制在一定的误差范围内。5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法5）定子磁链观测器ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图定子磁链观测器是直接转矩控制调速系统的关键单元，其通过检测变频器的电压和电流来估算电动机的实际电磁转矩和定子磁链。ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法6）脉冲优化选择器脉冲优化选择器是一个具有ASIC技术的数字信号处理器，该单元具有很高的处理速度。ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法脉冲优化选择器的作用是选择合适的开关组合状态，既可使转矩和磁链波动限制在一定的误差范围内，又可使功率开关器件的动作频率保持在最低。6）脉冲优化选择器5.2.2直接转矩控制调速系统的组成和实现方法2．直接转矩控制调速系统的实现方法综上所述，ACS600直接转矩控制调速系统的实现方法是：利用电动机在运行中测得的参数建立电动机模型，对实时测得的电动机的电压、电流值进行分析、计算，将计算得到的实际转矩和定子磁链与给定值做比较，利用转矩调节器和磁链调节器进行调节，将它们的误差值限定在一定的误差范围内。6）脉冲优化选择器ACS600系列变频器直接转矩控制调速系统框图课堂互动什么是ASIC技术？知识链接ASIC技术是一种用于特定应用的集成电路，其功能和性能完全根据特定应用的需求而设计。在设计和制造过程中，ASIC技术可对工艺、物理特性和电路结构等因素进行精密的定制，具有功能集成度高、速度快、性能稳定、功耗低等优点。课堂互动直接转矩控制技术与矢量控制调速系统相比有哪些优点和缺点？直接转矩控制技术的改进方法5.2.3直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统这两种调速系统的速度调节部分相同，都可实现转速和磁链的近似解耦控制，都能获得较高的静、动态性能。5.2.3直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同但是，这两种调速系统的控制手段不同，其性能各有特色，具体如表所示。直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的性能比较性能与特点直接转矩控制调速系统矢量控制调速系统坐标变换静坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转矩控制采用滞环比较器控制，运行时有转矩脉动连续控制，运行时较平滑磁链控制定子磁链转子磁链调速范围原来的系统不够大，现在已经改进大受转子参数变化的影响无影响有影响5.2.3直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同由于这两种调速系统各有优缺点，因此对直接转矩控制调速系统的进一步研究主要集中在提高其低速性能上；对矢量控制调速系统的进一步研究则主要集中在提高其控制的鲁棒性。课堂互动鲁棒性指的是什么？鲁棒性是指系统或者算法在不同的情况下，仍能够保持稳定和可靠的能力。具体来说，在面对一些意外或异常情况时，鲁棒性强的系统或算法能够保持其功能和性能，而不会因为这些异常情况而崩溃或失效。知识链接从普载到重载、从常速到高速、从交直传动到交流传动、从进口到出口，短短几十年时间，我国电力机车发生了4次历史性跨越。中国工程院院士刘友梅是我国第一代、第二代电力机车的总体设计师，并主持了第三代、第四代电力机车的研制开发过程，是我国电力机车事业功绩卓著的开拓者。拓展阅读刘友梅：他让中国电力机车奔跑在世界最前面20世纪90年代末到21世纪初，刘友梅和他的团队取得了一系列重大技术突破，书写了中国电力机车技术研发的新篇章。他主持了国家重点科技攻关项目AC4000型交流传动电力机车原型车的研制开发，实现了我国电力牵引动力由交直传动向交流传动里程碑式的飞跃，使我国电力机车成功迈入了第四代。拓展阅读刘友梅：他让中国电力机车奔跑在世界最前面2000年，他主持完成了时速200公里级的交流传动高速列车动力车“蓝箭号”的研制开发，第一批商用旅客列车组在广深线投入运营。2001年，由他主持的我国首台拥有完全自主知识产权、达到国家先进水平的交流传动电力机车“奥星号”问世，它标志着我国电力机车开发进入了高科技领域，实现了中国几代铁路人的夙愿。拓展阅读刘友梅：他让中国电力机车奔跑在世界最前面刘友梅为入世后我国电力机车进一步打入国际市场付出了大量的心血。刘友梅表示，他将继续努力，为轨道交通产业发展培养青年一代领军人才，为产业持续发展注入新动能。拓展阅读刘友梅：他让中国电力机车奔跑在世界最前面课堂互动此案例中，给我们带来了哪些启示？直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同？直接转矩控制调速系统的实现方法是什么？课堂训练直接转矩控制调速系统异步电动机的直接转矩控制电路直接转矩控制调速系统的组成和实现方法直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同课堂小结项目实施直接转矩控制调速系统仿真（1）能够正确使用Matlab/Simulink仿真平台构建直接转矩控制调速系统仿真模型。（2）能够验证直接转矩控制调速系统的静、动态性能。1．实施目标项目实施——直接转矩控制调速系统仿真2．实施器材安装有Matlab软件的电脑一台。项目实施——直接转矩控制调速系统仿