第六章直接转矩控制.ppt

第五章第五章异步电动机直接转矩控制异步电动机直接转矩控制l概概 述述直接转矩控制系统简称直接转矩控制系统简称 DTC(Direct Torque DTC(Direct Torque Control)Control)系统，是继矢量控制系统之后发展起系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。直接控制电机的电磁转矩，因而得名。其特点是直接采用空间电压矢量，在定子坐标系其特点是直接采用空间电压矢量，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定向，借助于离散的两点式调节产生PWMPWM（空间矢（空间矢量量SPWMSPWM）直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，）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。以获得转矩的高动态性能。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦解耦的思的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子想，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磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实，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。现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的特点：直接转矩控制的特点：l控制思想简单控制思想简单l控制系统简洁明了控制系统简洁明了l动、静态性能优良动、静态性能优良直接转矩控制系统的特点直接转矩控制系统的特点l系统组成按定子磁链控制的直接转矩控制系统按定子磁链控制的直接转矩控制系统 在实际控制过程中，将测得的电机三相在实际控制过程中，将测得的电机三相电压和电流送入计算器，计算出电机的电压和电流送入计算器，计算出电机的定定子磁链子磁链 和和电磁转矩电磁转矩 ，分别与给定，分别与给定值值 和和 相比较，然后选择开关模式，相比较，然后选择开关模式，确定确定PWMPWM逆变器逆变器的输出。的输出。总的来说，直接转矩控制就是通过对定子总的来说，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下两个目的：电压空间矢量的控制达到以下两个目的：（1 1）维持定子）维持定子磁链幅值的恒定磁链幅值的恒定（2 2）控制定子）控制定子磁链旋转速度的大小磁链旋转速度的大小 结构特点结构特点转速双闭环：转速双闭环：l ASRASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化设置转矩控制内环，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对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。统实现了近似的解耦。转矩和磁链的控制器：转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的用滞环控制器取代通常的PIPI调节器。调节器。控制特点控制特点 与与VCVC系统一样，它也是分别控制异步电动机的系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，转速和磁链，但在具体控制方法上，DTCDTC系统系统与与VCVC系统不同的特点是：系统不同的特点是：1 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器砰控制器，并，并在在 PWM PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的的SVPWM SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。控制器的结构。2 2）选择）选择定子磁链作为被控量定子磁链作为被控量而不象而不象VCVC系统中那样选择系统中那样选择转子磁链转子磁链，这样一，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。影响。3 3）由于采用了直接转矩控制，在加减）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得速或负载变化的动态过程中，可以获得快速快速的转矩响应的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。矩响应的快速性也是有限的。性能比较性能比较 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)(DTC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)(VC)系统是一致的，都系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。能获得较高的静、动态性能。直接转矩控制系统的原理直接转矩控制系统的原理除转矩和磁链砰除转矩和磁链砰-砰控制外，砰控制外，DTCDTC系统的系统的核心问题核心问题就是：就是：转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；如何根据两个砰如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；在在、坐标系中电压的表达式为：坐标系中电压的表达式为：由此可以得到定子磁链的观测模型由此可以得到定子磁链的观测模型定子磁链观测模型如下图：定子磁链观测模型如下图：u u1 1u uA Au uB Bu uc ci iA Ai iB Bi ic ci i1 1i i 1 1u u 1 1 1 1 1 1得到得到a a上的磁链分上的磁链分量，则很容易得到定量，则很容易得到定子磁链了。子磁链了。电磁转矩的表达式为：电磁转矩的表达式为：又因为：又因为：根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下i i1 1i i 1 1 1 1 1 1T Te e定子电压电流磁链模型法优缺点定子电压电流磁链模型法优缺点 只需要确定电动机的定子电阻，定子电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。压和电流也是易于检测的物理量。优点：优点：（1 1）积分器存在漂移问题）积分器存在漂移问题（2 2）电机转速很低时，由于定子电压的减小，）电机转速很低时，由于定子电压的减小，被积分的差值很小，产生积分误差很大。被积分的差值很小，产生积分误差很大。（3 3）电机不转时，定子电压为零，算不出定子）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。磁链值，此模型无法使用。缺点：缺点：特点：特点：模型结构简单，只受一个电机参数（模型结构简单，只受一个电机参数（r r1 1）的影响，易于实现。的影响，易于实现。在高速范围内（在高速范围内（n n3030%n%ne e），），能准确的能准确的 估计定子磁链估计定子磁链 。缺点：缺点：定子电阻参数随温度的变化会影响观测定子电阻参数随温度的变化会影响观测 精度。特别是低速时，尤其是接近零速精度。特别是低速时，尤其是接近零速 时，影响很大，不能正确观测。时，影响很大，不能正确观测。采用了纯积分器，带来了直流偏置和初采用了纯积分器，带来了直流偏置和初 始值问题。始值问题。如何根据两个砰如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。压空间矢量和逆变器的开关状态。定子电压矢量与定子磁链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：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，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然后把三个矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此倍，此矢量即为矢量即为空间矢量空间矢量。在变压变频调速电路中我们讲述过逆变在变压变频调速电路中我们讲述过逆变器主电路的器主电路的6个开关器件共有个开关器件共有8种开关模种开关模式，各种开关模式在式，各种开关模式在、坐标系下有对坐标系下有对应的电压矢量。应的电压矢量。这六个电压矢量幅值相同，而矢量角度不同。这六个电压矢量幅值相同，而矢量角度不同。它们对应的表达式如下它们对应的表达式如下定子磁链的矢量就是电压矢量的积分定子磁链的矢量就是电压矢量的积分每个扇区内的磁每个扇区内的磁通轨迹由该扇区通轨迹由该扇区所对应的两个电所对应的两个电压矢量来形成压矢量来形成S1S2S3S4S5S6100101110010011001u1u2u3u4u5u6定子电压矢量与转矩定子电压矢量与转矩实际运行中定子磁链的幅值恒定，电磁转矩的实际运行中定子磁链的幅值恒定，电磁转矩的大小由此时的转差角速度大小由此时的转差角速度ws唯一确定唯一确定Ws的值越大电磁转矩的变化率就越大的值越大电磁转矩的变化率就越大而而ws的大小由磁链的旋转角速度唯一确定的大小由磁链的旋转角速度唯一确定磁链的矢量角度增加，电磁转矩增大磁链的矢量角度增加，电磁转矩增大磁链的矢量角度减小，电磁转矩减小磁链的矢量角度减小，电磁转矩减小由此可见非零电压矢量的切换不仅可以调节定由此可见非零电压矢量的切换不仅可以调节定子磁链幅值和转速的大小，还同时影响到转矩子磁链幅值和转速的大小，还同时影响到转矩的大小和变化速度。的大小和变化速度。定子电压定子电压调节作用调节作用U01的幅值自由衰落，的幅值自由衰落，Te下降下降U11的幅值增大，的幅值增大，Te迅速下降迅速下降U21的幅值减小，的幅值减小，Te减小减小U31的幅值影响不大，的幅值影响不大，Te迅速下降迅速下降U41的幅值影响不大，的幅值影响不大，Te迅速增大迅速增大U51的幅值增大，的幅值增大，Te增大增大U61的幅值减小，的幅值减小，Te增大增大空间电压矢量的调节作用表空间电压矢量的调节作用表开关策略是根据所得到的磁链偏差和转矩偏差，开关策略是根据所得到的磁链偏差和转矩偏差，根据偏差来决定采用哪个最合适的非零电压矢量，根据偏差来决定采用哪个最合适的非零电压矢量，从而控制磁链和电磁转矩在相应的范围内。从而控制磁链和电磁转矩在相应的范围内。定子磁链当前状态表定子磁链当前状态表1-0.5 1111在滞环内，呈下降趋势在滞环内，呈下降趋势011在滞环内，呈上升趋势在滞环内，呈上升趋势101-0.5 T T 11 T T 在滞环内，呈下降趋势在滞环内，呈下降趋势01 T T 在滞环内，呈上升趋势在滞环内，呈上升趋势10T T-0.5 T T10电磁转矩当前状态电磁转矩当前状态 21结合当前定子磁链和电磁转矩的状态，再结合当前定子磁链和电磁转矩的状态，再根据空间电压矢量的调节作用，来决定对根据空间电压矢量的调节作用，来决定对应区域的开关策略应区域的开关策略根据定子磁链给定和反馈信号进行砰根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。作用顺序和持续时间。正六边形的磁链轨迹控制正六边形的磁链轨迹控制如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁链偏差较大。链偏差较大。圆形磁链轨迹控制：圆形磁链轨迹控制：如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好*s=f(*)函数发生程序，以确定不同转函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值速时的磁链给定值 DTC系统存在的问题系统存在的问题2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。磁链计算的准确度。1）由于采用砰）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。下限内脉动，而不是完全恒定的。为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。除。这两个问题的影响在低速时都比较显著，这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使因而使DTC系统的调速范围受到限制。系统的调速范围受到限制。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 DTC系统和系统和VC系统都是已获实际应用的高系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。矢量控制系统特点矢量控制系统特点 VCVC系统强调系统强调 T Te e 与与2 2的解耦的解耦，有利于分，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按可获得较宽的调速范围；但按2 定向受电动定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。性。DTC系统特点系统特点 DTC系统则实行系统则实行 Te 与与1 砰砰-砰控制，避开了砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。到限制。两种系统的特点与性能的比较见下表。两种系统的特点与性能的比较见下表。直接转矩控制和矢量控制特点与性能比较直接转矩控制和矢量控制特点与性能比较性能与特点性能与特点直接转矩控制系统直接转矩控制系统矢量控制系统矢量控制系统磁链控制磁链控制定子磁链定子磁链转子磁链转子磁链转矩控制转矩控制砰砰-砰控制，有转矩脉动砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑连续控制，比较平滑坐标变换坐标变换静止坐标变换，较简单静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂旋转坐标变换，较复杂转子参数变转子参数变化影响化影响无无有有调速范围调速范围不够宽不够宽比较宽比较宽 从上表可以看出，如果在现有的从上表可以看出，如果在现有的DTCDTC系统和系统和VCVC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。究方向。有时为了提高调速范围，在低速时改用电有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对流模型计算磁链，则转子参数变化对DTCDTC系系统也有影响。统也有影响。在在额定转速额定转速30%以下以下时，磁链只能根据时，磁链只能根据转速转速来正来正确计算，因此出现确计算，因此出现定子定子电流、转速观测模型电流、转速观测模型第二节：定子磁链观测模型的切换第二节：定子磁链观测模型的切换定子磁链的观测是直接转矩控制的核心，无定子磁链的观测是直接转矩控制的核心，无论是幅值还是相位的不准确，都会使得控制论是幅值还是相位的不准确，都会使得控制性能变差性能变差我们前面介绍的是我们前面介绍的是定子电流电压的磁链观测定子电流电压的磁链观测模型，模型，但是有在但是有在低速时误差大低速时误差大的缺点的缺点定子电流、转速磁链模型表达式及结构图如下定子电流、转速磁链模型表达式及结构图如下其中：其中：其中：其中：+-优点：优点：不受定子电阻参数不受定子电阻参数 的影响的影响缺点：缺点：引入了更多的电机参数，受转子电阻引入了更多的电机参数，受转子电阻 、漏电感漏电感 、主电感、主电感L变化的影响变化的影响 转子角速度转子角速度 的测量误差对结果影响的测量误差对结果影响较较 大，而电流转速观测模型要求有较高的速大，而电流转速观测模型要求有较高的速 度检测精度度检测精度u-nu-n模型：定子电压和转速的定子磁链观测模型模型：定子电压和转速的定子磁链观测模型前面介绍的两种观测模型各自有各自的优缺点，前面介绍的两种观测模型各自有各自的优缺点，很自然就把两种方式结合起来，充分利用他们很自然就把两种方式结合起来，充分利用他们的优点的优点当转速在当转速在30%额定转速以上额定转速以上时采用时采用U-I磁链观测磁链观测模型模型当转速在当转速在30%额定转速以下额定转速以下时采用时采用I-n磁链观测磁链观测模型模型需要两种模型的平滑切换装置需要两种模型的平滑切换装置U-n定子磁链观测模型定子磁链观测模型优点：优点：综合了综合了u-iu-i模型和模型和i-ni-n模型的优点，适合全模型的优点，适合全 速范围速范围 通过电流通过电流PIPI调节器进行补偿（调节器进行补偿（)，以修正以修正 和电流，使观测精度大大提高和电流，使观测精度大大提高缺点：缺点：结构复杂，实现比较困难结构复杂，实现比较困难磁链观测改进方法：磁链观测改进方法：低通滤波补偿法，电阻在线观测低通滤波补偿法，电阻在线观测低速性能的改善低速性能的改善影响定子电阻的因素较多，主要有电流、频率、影响定子电阻的因素较多，主要有电流、频率、运行时间、环境温度等，并且是非线性关系。运行时间、环境温度等，并且是非线性关系。*采用模糊电阻观测器对定子电阻进行在线观测采用模糊电阻观测器对定子电阻进行在线观测*采用神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线观测采用神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线观测*采用模糊神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线采用模糊神经网络电阻观测器对定子电阻进行在线观测观测应用智能控制理论实现的直接转矩控制应用智能控制理论实现的直接转矩控制 基于模糊逻辑的直接转矩控制基于模糊逻辑的直接转矩控制 采用模糊逻辑代替传统直接转矩控制中的开关采用模糊逻辑代替传统直接转矩控制中的开关状态选择器（滞环比较器和优化开关表状态选择器（滞环比较器和优化开关表电压电压矢量表），实现开关状态（电压矢量）的选择。矢量表），实现开关状态（电压矢量）的选择。特点：特点：使系统的响应速度更快，超调小，系统的低使系统的响应速度更快，超调小，系统的低 速性能得到改善。速性能得到改善。特点：特点：结构简单，易于实现结构简单，易于实现 提高了系统的响应速度和抗参数变化的能力提高了系统的响应速度和抗参数变化的能力速度调节器采用自适应模糊控制器速度调节器采用自适应模糊控制器用神经网络代替传统的开关状态选择器用神经网络代替传统的开关状态选择器 基于神经网络的直接转矩控制基于神经网络的直接转矩控制速度速度调节器调节器采用自采用自适应神适应神经网络经网络控制器控制器*神经网络结构简单，具有并行计算能力，可神经网络结构简单，具有并行计算能力，可以大大缩短计算时间，使进一步提高开关频率以大大缩短计算时间，使进一步提高开关频率成为可能。成为可能。特点：特点：*具有容错能力，提高了系统的鲁棒性。具有容错能力，提高了系统的鲁棒性。*通常与定子电阻的辨识和定子磁通的辨识相结合，通常与定子电阻的辨识和定子磁通的辨识相结合，同时采用多个子神经网络实现。同时采用多个子神经网络实现。特点：特点：保留了模糊控制的优点，兼具有自适应、自保留了模糊控制的优点，兼具有自适应、自 学习的能力学习的能力 基于模糊神经网络的直接转矩控制基于模糊神经网络的直接转矩控制用模糊神经网络控制器代替传统的开关状态选择器用模糊神经网络控制器代替传统的开关状态选择器速度调节器采用自适应模糊神经网络控制器速度调节器采用自适应模糊神经网络控制器谢谢 谢谢