直接轉(zhuǎn)矩控制課件

第五章異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制第五章異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。其特點(diǎn)是直接采用空間電壓矢量，在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectT和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單的通過(guò)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：控制思想簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)良直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：控制思想簡(jiǎn)單直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)組成按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)組成按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系

在實(shí)際控制過(guò)程中，將測(cè)得的電機(jī)三相電壓和電流送入計(jì)算器，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈

和電磁轉(zhuǎn)矩，分別與給定值和相比較，然后選擇開(kāi)關(guān)模式，確定PWM逆變器的輸出。在實(shí)際控制過(guò)程中，將測(cè)得的電機(jī)三相電壓和電流送入計(jì)算器，計(jì)

總的來(lái)說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò)對(duì)定子電壓空間矢量的控制達(dá)到以下兩個(gè)目的：（1）維持定子磁鏈幅值的恒定（2）控制定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的大小總的來(lái)說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò)對(duì)定子電壓空間矢量的控制達(dá)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)

控制特點(diǎn)

與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開(kāi)了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)。控制特點(diǎn)與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步2）選擇定子磁鏈作為被控量而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來(lái)，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒(méi)有影響。2）選擇定子磁鏈作為被控量而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)

性能比較

從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。性能比較從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(D直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；在α、β坐標(biāo)系中電壓的表達(dá)式為：由此可以得到定子磁鏈的觀測(cè)模型轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；在α、β坐標(biāo)系中電壓的表達(dá)定子磁鏈觀測(cè)模型如下圖：uα1uAuBuciAiBiciα1iβ1uβ1Ψβ1Ψα1得到aβ上的磁鏈分量，則很容易得到定子磁鏈了。定子磁鏈觀測(cè)模型如下圖：uα1uAuBuciAiBiciα1電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：又因?yàn)椋弘姶呸D(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：又因?yàn)椋焊鶕?jù)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以得到觀測(cè)模型如下iα1iβ1Ψβ1Ψα1Te根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以得到觀測(cè)模型如下iα1iβ1Ψβ1定子電壓電流磁鏈模型法優(yōu)缺點(diǎn)

只需要確定電動(dòng)機(jī)的定子電阻，定子電壓和電流也是易于檢測(cè)的物理量。優(yōu)點(diǎn)：（1）積分器存在漂移問(wèn)題（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由于定子電壓的減小，被積分的差值很小，產(chǎn)生積分誤差很大。（3）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，定子電壓為零，算不出定子磁鏈值，此模型無(wú)法使用。缺點(diǎn)：定子電壓電流磁鏈模型法優(yōu)缺點(diǎn)只需要確定電動(dòng)機(jī)的定子電特點(diǎn)：＊模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只受一個(gè)電機(jī)參數(shù)（r1）的影響，易于實(shí)現(xiàn)。

＊在高速范圍內(nèi)（n≥30%ne），能準(zhǔn)確的估計(jì)定子磁鏈。缺點(diǎn)：＊定子電阻參數(shù)隨溫度的變化會(huì)影響觀測(cè)精度。特別是低速時(shí)，尤其是接近零速時(shí)，影響很大，不能正確觀測(cè)。

＊采用了純積分器，帶來(lái)了直流偏置和初始值問(wèn)題。特點(diǎn)：＊模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只受一個(gè)電機(jī)參數(shù)（r1）如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。定子電壓矢量與定子磁鏈

對(duì)三相系統(tǒng)而言，空間矢量是這樣定義的：把三個(gè)變量看成是三個(gè)矢量的模，它們的位置分別處于三相繞組的軸線上，當(dāng)變量為正時(shí)，矢量方向與各自軸線方向相同，反之，則取反方向，然后把三個(gè)矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此矢量即為空間矢量。如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器在變壓變頻調(diào)速電路中我們講述過(guò)逆變器主電路的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件共有8種開(kāi)關(guān)模式，各種開(kāi)關(guān)模式在α、β坐標(biāo)系下有對(duì)應(yīng)的電壓矢量。這六個(gè)電壓矢量幅值相同，而矢量角度不同。它們對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如下在變壓變頻調(diào)速電路中我們講述過(guò)逆變器主電路的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件共有第六章-直接轉(zhuǎn)矩控制課件定子磁鏈的矢量就是電壓矢量的積分定子磁鏈的矢量就是電壓矢量的積分每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來(lái)形成S1S2S3S4S5S6100101110010011001u1u2u3u4u5u6每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來(lái)形成S1S定子電壓矢量與轉(zhuǎn)矩實(shí)際運(yùn)行中定子磁鏈的幅值恒定，電磁轉(zhuǎn)矩的大小由此時(shí)的轉(zhuǎn)差角速度ws唯一確定Ws的值越大電磁轉(zhuǎn)矩的變化率就越大而ws的大小由磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度唯一確定磁鏈的矢量角度增加，電磁轉(zhuǎn)矩增大磁鏈的矢量角度減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小定子電壓矢量與轉(zhuǎn)矩實(shí)際運(yùn)行中定子磁鏈的幅值恒定，電磁轉(zhuǎn)矩的大由此可見(jiàn)非零電壓矢量的切換不僅可以調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速的大小，還同時(shí)影響到轉(zhuǎn)矩的大小和變化速度。定子電壓調(diào)節(jié)作用U0Ψ1的幅值自由衰落，Te下降U1Ψ1的幅值增大，Te迅速下降U2Ψ1的幅值減小，Te減小U3Ψ1的幅值影響不大，Te迅速下降U4Ψ1的幅值影響不大，Te迅速增大U5Ψ1的幅值增大，Te增大U6Ψ1的幅值減小，Te增大空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用表由此可見(jiàn)非零電壓矢量的切換不僅可以調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速的大開(kāi)關(guān)策略是根據(jù)所得到的磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，根據(jù)偏差來(lái)決定采用哪個(gè)最合適的非零電壓矢量，從而控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩在相應(yīng)的范圍內(nèi)。定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)表ΔΨ1>-0.5ΔΨ111ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔΨ1<-0.5ΔΨ110定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)Φ2Φ1開(kāi)關(guān)策略是根據(jù)所得到的磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，根據(jù)偏差來(lái)決定采用電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)表ΔT

>-0.5ΔT

11ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔT<-0.5ΔT10電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)г

2г1電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)表ΔT>-0.5ΔT11ΔT在結(jié)合當(dāng)前定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，再根據(jù)空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用，來(lái)決定對(duì)應(yīng)區(qū)域的開(kāi)關(guān)策略結(jié)合當(dāng)前定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，再根據(jù)空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時(shí)間。正六邊形的磁鏈軌跡控制如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡(jiǎn)單，主電路開(kāi)關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大。根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開(kāi)關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時(shí)要設(shè)計(jì)好Ψ*s=f(*)函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，DTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。1）由于采用砰-砰控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定的。DTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓

為了解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者做過(guò)不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。這兩個(gè)問(wèn)題的影響在低速時(shí)都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。為了解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者做過(guò)不少的研究工作，使它們直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實(shí)際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系

矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)

VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te

與Ψ2的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按Ψ2定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與Ψ2的DTC系統(tǒng)特點(diǎn)DTC系統(tǒng)則實(shí)行Te

與Ψ1

砰-砰控制，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能的比較見(jiàn)下表。DTC系統(tǒng)特點(diǎn)DTC系統(tǒng)則實(shí)行Te與Ψ1直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)連續(xù)控制，比較平滑坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無(wú)有調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系

從上表可以看出，如果在現(xiàn)有的DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成新的控制系統(tǒng)，應(yīng)該能夠獲得更為優(yōu)越的控制性能，這是一個(gè)很有意義的研究方向。有時(shí)為了提高調(diào)速范圍，在低速時(shí)改用電流模型計(jì)算磁鏈，則轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)DTC系統(tǒng)也有影響。從上表可以看出，如果在現(xiàn)有的DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)之間在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，因此出現(xiàn)定子電流、轉(zhuǎn)速觀測(cè)模型第二節(jié)：定子磁鏈觀測(cè)模型的切換定子磁鏈的觀測(cè)是直接轉(zhuǎn)矩控制的核心，無(wú)論是幅值還是相位的不準(zhǔn)確，都會(huì)使得控制性能變差我們前面介紹的是定子電流電壓的磁鏈觀測(cè)模型，但是有在低速時(shí)誤差大的缺點(diǎn)定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型表達(dá)式及結(jié)構(gòu)圖如下在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，因此出現(xiàn)其中：其中：其中：其中：+++++++++---+++++++++---優(yōu)點(diǎn)：

＊不受定子電阻參數(shù)的影響缺點(diǎn)：

＊引入了更多的電機(jī)參數(shù)，受轉(zhuǎn)子電阻、漏電感、主電感L變化的影響

＊轉(zhuǎn)子角速度的測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果影響較大，而電流轉(zhuǎn)速觀測(cè)模型要求有較高的速度檢測(cè)精度優(yōu)點(diǎn)：＊不受定子電阻參數(shù)的影響u-n模型：定子電壓和轉(zhuǎn)速的定子磁鏈觀測(cè)模型前面介紹的兩種觀測(cè)模型各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，很自然就把兩種方式結(jié)合起來(lái)，充分利用他們的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速在30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)采用U-I磁鏈觀測(cè)模型當(dāng)轉(zhuǎn)速在30%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)采用I-n磁鏈觀測(cè)模型需要兩種模型的平滑切換裝置u-n模型：定子電壓和轉(zhuǎn)速的定子磁鏈觀測(cè)模型前面介紹的兩種觀U-n定子磁鏈觀測(cè)模型U-n定子磁鏈觀測(cè)模型優(yōu)點(diǎn)：＊綜合了u-i模型和i-n模型的優(yōu)點(diǎn)，適合全速范圍

＊通過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ)償（)，以修正和電流，使觀測(cè)精度大大提高缺點(diǎn)：

＊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難磁鏈觀測(cè)改進(jìn)方法：低通濾波補(bǔ)償法，電阻在線觀測(cè)優(yōu)點(diǎn)：＊綜合了u-i模型和i-n模型的優(yōu)點(diǎn)，適合全低速性能的改善影響定子電阻的因素較多，主要有電流、頻率、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境溫度等，并且是非線性關(guān)系。*采用模糊電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)*采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)*采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)低速性能的改善影響定子電阻的因素較多，主要有電流、頻率、運(yùn)行

應(yīng)用智能控制理論實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制

①基于模糊邏輯的直接轉(zhuǎn)矩控制

●采用模糊邏輯代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器（滯環(huán)比較器和優(yōu)化開(kāi)關(guān)表——電壓矢量表），實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)（電壓矢量）的選擇。

應(yīng)用智能控制理論實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制

①基于模糊邏輯的直特點(diǎn)：使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)小，系統(tǒng)的低

速性能得到改善。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)

提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的能力

●速度調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)模糊控制器

特點(diǎn)：使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)小，系統(tǒng)的低

●用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器②

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制●速度調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器●用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器②基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)*神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有并行計(jì)算能力，可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，使進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率成為可能。特點(diǎn)：

*具有容錯(cuò)能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性。*通常與定子電阻的辨識(shí)和定子磁通的辨識(shí)相結(jié)合，同時(shí)采用多個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。*神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有并行計(jì)算能力，可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，特點(diǎn)：保留了模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，兼具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力③基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制●用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器●速度調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器特點(diǎn)：保留了模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，兼具有自適應(yīng)、自③基于模糊謝謝謝謝知識(shí)回顧KnowledgeReview祝您成功！知識(shí)回顧KnowledgeReview祝您成功！第五章異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制第五章異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。其特點(diǎn)是直接采用空間電壓矢量，在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectT和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單的通過(guò)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：控制思想簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)良直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：控制思想簡(jiǎn)單直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)組成按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)組成按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系

在實(shí)際控制過(guò)程中，將測(cè)得的電機(jī)三相電壓和電流送入計(jì)算器，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈

和電磁轉(zhuǎn)矩，分別與給定值和相比較，然后選擇開(kāi)關(guān)模式，確定PWM逆變器的輸出。在實(shí)際控制過(guò)程中，將測(cè)得的電機(jī)三相電壓和電流送入計(jì)算器，計(jì)

總的來(lái)說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò)對(duì)定子電壓空間矢量的控制達(dá)到以下兩個(gè)目的：（1）維持定子磁鏈幅值的恒定（2）控制定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的大小總的來(lái)說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò)對(duì)定子電壓空間矢量的控制達(dá)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)

控制特點(diǎn)

與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開(kāi)了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)?？刂铺攸c(diǎn)與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步2）選擇定子磁鏈作為被控量而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來(lái)，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒(méi)有影響。2）選擇定子磁鏈作為被控量而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)

性能比較

從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。性能比較從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(D直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；在α、β坐標(biāo)系中電壓的表達(dá)式為：由此可以得到定子磁鏈的觀測(cè)模型轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；在α、β坐標(biāo)系中電壓的表達(dá)定子磁鏈觀測(cè)模型如下圖：uα1uAuBuciAiBiciα1iβ1uβ1Ψβ1Ψα1得到aβ上的磁鏈分量，則很容易得到定子磁鏈了。定子磁鏈觀測(cè)模型如下圖：uα1uAuBuciAiBiciα1電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：又因?yàn)椋弘姶呸D(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：又因?yàn)椋焊鶕?jù)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以得到觀測(cè)模型如下iα1iβ1Ψβ1Ψα1Te根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以得到觀測(cè)模型如下iα1iβ1Ψβ1定子電壓電流磁鏈模型法優(yōu)缺點(diǎn)

只需要確定電動(dòng)機(jī)的定子電阻，定子電壓和電流也是易于檢測(cè)的物理量。優(yōu)點(diǎn)：（1）積分器存在漂移問(wèn)題（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由于定子電壓的減小，被積分的差值很小，產(chǎn)生積分誤差很大。（3）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，定子電壓為零，算不出定子磁鏈值，此模型無(wú)法使用。缺點(diǎn)：定子電壓電流磁鏈模型法優(yōu)缺點(diǎn)只需要確定電動(dòng)機(jī)的定子電特點(diǎn)：＊模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只受一個(gè)電機(jī)參數(shù)（r1）的影響，易于實(shí)現(xiàn)。

＊在高速范圍內(nèi)（n≥30%ne），能準(zhǔn)確的估計(jì)定子磁鏈。缺點(diǎn)：＊定子電阻參數(shù)隨溫度的變化會(huì)影響觀測(cè)精度。特別是低速時(shí)，尤其是接近零速時(shí)，影響很大，不能正確觀測(cè)。

＊采用了純積分器，帶來(lái)了直流偏置和初始值問(wèn)題。特點(diǎn)：＊模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只受一個(gè)電機(jī)參數(shù)（r1）如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。定子電壓矢量與定子磁鏈

對(duì)三相系統(tǒng)而言，空間矢量是這樣定義的：把三個(gè)變量看成是三個(gè)矢量的模，它們的位置分別處于三相繞組的軸線上，當(dāng)變量為正時(shí)，矢量方向與各自軸線方向相同，反之，則取反方向，然后把三個(gè)矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此矢量即為空間矢量。如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器在變壓變頻調(diào)速電路中我們講述過(guò)逆變器主電路的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件共有8種開(kāi)關(guān)模式，各種開(kāi)關(guān)模式在α、β坐標(biāo)系下有對(duì)應(yīng)的電壓矢量。這六個(gè)電壓矢量幅值相同，而矢量角度不同。它們對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如下在變壓變頻調(diào)速電路中我們講述過(guò)逆變器主電路的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件共有第六章-直接轉(zhuǎn)矩控制課件定子磁鏈的矢量就是電壓矢量的積分定子磁鏈的矢量就是電壓矢量的積分每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來(lái)形成S1S2S3S4S5S6100101110010011001u1u2u3u4u5u6每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來(lái)形成S1S定子電壓矢量與轉(zhuǎn)矩實(shí)際運(yùn)行中定子磁鏈的幅值恒定，電磁轉(zhuǎn)矩的大小由此時(shí)的轉(zhuǎn)差角速度ws唯一確定Ws的值越大電磁轉(zhuǎn)矩的變化率就越大而ws的大小由磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度唯一確定磁鏈的矢量角度增加，電磁轉(zhuǎn)矩增大磁鏈的矢量角度減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小定子電壓矢量與轉(zhuǎn)矩實(shí)際運(yùn)行中定子磁鏈的幅值恒定，電磁轉(zhuǎn)矩的大由此可見(jiàn)非零電壓矢量的切換不僅可以調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速的大小，還同時(shí)影響到轉(zhuǎn)矩的大小和變化速度。定子電壓調(diào)節(jié)作用U0Ψ1的幅值自由衰落，Te下降U1Ψ1的幅值增大，Te迅速下降U2Ψ1的幅值減小，Te減小U3Ψ1的幅值影響不大，Te迅速下降U4Ψ1的幅值影響不大，Te迅速增大U5Ψ1的幅值增大，Te增大U6Ψ1的幅值減小，Te增大空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用表由此可見(jiàn)非零電壓矢量的切換不僅可以調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速的大開(kāi)關(guān)策略是根據(jù)所得到的磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，根據(jù)偏差來(lái)決定采用哪個(gè)最合適的非零電壓矢量，從而控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩在相應(yīng)的范圍內(nèi)。定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)表ΔΨ1>-0.5ΔΨ111ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔΨ1<-0.5ΔΨ110定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)Φ2Φ1開(kāi)關(guān)策略是根據(jù)所得到的磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，根據(jù)偏差來(lái)決定采用電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)表ΔT

>-0.5ΔT

11ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔT<-0.5ΔT10電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)г

2г1電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)表ΔT>-0.5ΔT11ΔT在結(jié)合當(dāng)前定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，再根據(jù)空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用，來(lái)決定對(duì)應(yīng)區(qū)域的開(kāi)關(guān)策略結(jié)合當(dāng)前定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，再根據(jù)空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時(shí)間。正六邊形的磁鏈軌跡控制如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡(jiǎn)單，主電路開(kāi)關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大。根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開(kāi)關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時(shí)要設(shè)計(jì)好Ψ*s=f(*)函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，DTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。1）由于采用砰-砰控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定的。DTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓

為了解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者做過(guò)不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。這兩個(gè)問(wèn)題的影響在低速時(shí)都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。為了解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者做過(guò)不少的研究工作，使它們直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實(shí)際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系

矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)

VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te

與Ψ2的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按Ψ2定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與Ψ2的DTC系統(tǒng)特點(diǎn)DTC系統(tǒng)則實(shí)行Te

與Ψ1

砰-砰控制，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能的比較見(jiàn)下表。DTC系統(tǒng)特點(diǎn)DTC系統(tǒng)則實(shí)行Te與Ψ1直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)連續(xù)控制，比較平滑坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無(wú)有調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系

從上表可以看出，如果在現(xiàn)有的DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成新的控制系統(tǒng)，應(yīng)該能夠獲得更為優(yōu)越的控制性能，這是一個(gè)很有意義的研究方向。有時(shí)為了提高調(diào)速范圍，在低速時(shí)改用電流模型計(jì)算磁鏈，則轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)DTC系統(tǒng)也有影響。從上表可以看出，如果在現(xiàn)有的DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)之間在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，因此出現(xiàn)定子電流、轉(zhuǎn)速觀測(cè)模型第二節(jié)：定子磁鏈觀測(cè)模型的切換定子磁鏈的觀測(cè)是直接轉(zhuǎn)矩控制的核心，無(wú)論是幅值還是相位的不準(zhǔn)確，都會(huì)使得控制性能變差我們前面介紹的是定子電流電壓的磁鏈觀測(cè)模型，但是有在低速時(shí)誤差大的缺點(diǎn)定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型表達(dá)式及結(jié)構(gòu)圖如下在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，因此出現(xiàn)其中：其中：其中：其中：+++++++++---+++++++++---優(yōu)點(diǎn)：

＊不受定子電阻參數(shù)的影響缺點(diǎn)：

＊引入了更多的電機(jī)參數(shù)，受轉(zhuǎn)子電阻、漏電感、主電感L變化的影響