第八講異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

第八講異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算；直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向采用的是定子磁鏈控制，只要知道定子電阻就可以觀測(cè)出來(lái)，而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此大大減輕了控制性能受參數(shù)變化影響的問(wèn)題；直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單明了。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。直接控制轉(zhuǎn)矩：矢量控制是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而直接轉(zhuǎn)矩控制是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量；對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制：通過(guò)兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)。其控制效果不取決于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助了離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)空間電壓矢量如果三相交流電壓是正弦波，相電壓為：則復(fù)平面上的三相電壓矢量可寫為：直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理空間電壓矢量a、b、c分別表示電機(jī)定子三相繞組在空間分布的軸線，空間位置互差120度。三相定子電壓UAO、UBO、UCO分別加在三相繞組上，可以定義三個(gè)電壓矢量UAO、UBO、UCO，方向在各軸軸線上，大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，時(shí)間相差120度。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理acbUA0UB0UC0

空間電壓矢量三相正弦電壓空間矢量的合成空間矢量Us是一個(gè)旋轉(zhuǎn)空間矢量，幅值是每相電壓值的3/2倍，以電源角頻率1做恒速同步旋轉(zhuǎn)。同樣，可以定義電流和磁鏈的空間矢量和。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理UsbacUA0UB0UC01逆變器供電的空間電壓矢量三相電壓型逆變器，有六個(gè)功率開(kāi)關(guān)，有8種可能的開(kāi)關(guān)組合。規(guī)定a、b、c三相負(fù)載的某一相與直流母線正極接通時(shí)，該相開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)，反之，與負(fù)極接通時(shí)為“0”態(tài)，則八種開(kāi)關(guān)模式得出的八種電壓空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur電磁轉(zhuǎn)矩控制原理電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以及它們之間的夾角(磁通角)δsr有關(guān)。實(shí)際運(yùn)行中，一般保持定子磁鏈的幅值不變(為額定值)，以充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵芯。若要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過(guò)改變?chǔ)膕r，即改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如何改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度？電磁轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是利用電壓矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度（平均旋轉(zhuǎn)速度s），從而改變磁通角δsr的大小，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。定子磁鏈與定子電壓的關(guān)系通過(guò)改變定子電壓矢量的大小、方向及所作用的時(shí)間就能對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行調(diào)節(jié)。定子磁鏈的控制若由三相平衡正弦電壓供電，則電機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)。磁鏈?zhǔn)噶宽旤c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（一般稱為磁鏈圓）。其中，Ψs是磁鏈的幅值，s為其旋轉(zhuǎn)角速度。定子磁鏈的控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，us的大小與s(或供電電壓頻率)成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向。定子磁鏈的控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系定子磁鏈的控制abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur電壓型逆變器的輸出電壓矢量三相電壓型逆變器輸出的8種電壓空間矢量。6個(gè)有效矢量，2個(gè)零矢量；改變逆變器輸出狀態(tài)可改變輸出電壓矢量。定子磁鏈的控制電壓型逆變器的輸出電壓矢量為了方便起見(jiàn)，把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為/3。abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7UrⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁鏈的控制在/3所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t內(nèi)，施加u1的結(jié)果是使定子磁鏈s產(chǎn)生一個(gè)增量，其幅值與|u1|成正比，方向與u1的方向一致：最后得到新的磁鏈為：在任何時(shí)刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁鏈的控制六脈波逆變器的磁鏈軌跡—六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每/3內(nèi)輸出保持不變，每隔/3切換一次輸出狀態(tài)。電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)/3。一個(gè)周期中6個(gè)電壓空間矢量，形成一個(gè)封閉的正六邊形。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定子磁鏈的控制直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行中，一般保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定；通過(guò)改變空間電壓矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈走走停停以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而控制δsr，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。定子磁鏈的控制磁鏈軌跡控制原理電壓矢量的積分是磁鏈?zhǔn)噶?。合理選擇空間電壓矢量，控制逆變器的開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間，就可使磁鏈沿著一定軌跡變化，這就是磁鏈軌跡控制。如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六脈波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。定子磁鏈的控制三相PWM逆變器產(chǎn)生多邊形（近似圓形）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)b44tUDr33tUDr24tUDr13tUDrawssYvrYvsYv*2εΨABCDES(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)為了使定子磁鏈趨近于圓，對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶坎捎门椋榭刂疲˙ang-BangControl）：以Ψs*所表示的圓為指令值，通過(guò)控制各電壓矢量的作用時(shí)間來(lái)控制定子磁鏈在其指令值的邊帶范圍內(nèi)。定子磁鏈的控制圓形軌跡控制原理從A點(diǎn)到B點(diǎn)的路徑有無(wú)數(shù)條。從A點(diǎn)出發(fā)沿順時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)的矢量可以選擇V4、V2、V6從保證電壓矢量控制效果考慮選擇V2、V6要有效地控制磁鏈軌跡，必須解決三個(gè)問(wèn)題：選擇電壓矢量；確定各電壓矢量的作用時(shí)間；確定各電壓矢量的作用次序。圓形軌跡控制原理在如圖所示的一個(gè)采樣周期，選擇的電壓矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持續(xù)時(shí)間為t1,V6的持續(xù)時(shí)間為t2,V0的持續(xù)時(shí)間為t0。若采樣周期為T，則有：T=t0+t1+t2積分近似公式有：Vobj=V2×t1+V6×t2定子磁鏈的控制電壓矢量合成的原理在如圖所示的一個(gè)采樣周期，選擇的電壓矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持續(xù)時(shí)間為t1,V6的持續(xù)時(shí)間為t2,V0的持續(xù)時(shí)間為t0。若采樣周期為T，則有：T=t0+t1+t2積分近似公式有：Vobj=V2×t1+V6×t2電壓矢量的合成由正弦定理得：由此可以推得：調(diào)制比為：電壓矢量的合成從減少與設(shè)定磁鏈軌跡誤差的角度考慮可將矢量作用時(shí)間分段；從開(kāi)關(guān)次數(shù)的角度考慮插入零矢量的選擇。電壓矢量的合成七段式SVPWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化圖電壓矢量的合成SVPWM后輸出波形空間電壓矢量輸出的端電壓波形磁鏈軌跡波形電壓矢量的合成定子磁鏈的估算電壓模型法——用定子電壓和定子電流確定定子磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)電壓模型法模型簡(jiǎn)單，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響；在低速時(shí)，誤差比較大。定子磁鏈的估算電流模型法：在兩相坐標(biāo)系下，電動(dòng)機(jī)的電流模型：直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈：定子磁鏈的估算電流模型法：直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈：電流模型法計(jì)算定子磁鏈，精度不受轉(zhuǎn)速降低的影響，但受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)（Tr）影響，在高速時(shí)不如電壓模型，但在低速時(shí)比電壓模型準(zhǔn)確。直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)定子磁鏈的估算u-n模型法：為了提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，可將兩種模型配合使用。電磁轉(zhuǎn)矩模型直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)80年代，德國(guó)學(xué)者提出的直接自控制（DSC,Directselfcontrol）方案。六邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制日本學(xué)者提出的近似圓形磁鏈控制方案。圓形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理系統(tǒng)輸入指令為轉(zhuǎn)速ωr*；轉(zhuǎn)速指令經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得轉(zhuǎn)矩指令Te*；轉(zhuǎn)速指令經(jīng)函數(shù)發(fā)生器得定子磁鏈指令Ψs*；轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的反饋值由電機(jī)的端電壓和電流計(jì)算得到。與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)于磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩的控制都是通過(guò)對(duì)定子磁鏈的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，也不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，在結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單許多。但直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩采用砰－砰控制，而不是連續(xù)控制，因此會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低了調(diào)速性能。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都可以實(shí)現(xiàn)較好的性能，兩者各有特點(diǎn)，孰優(yōu)孰劣，目前并尚無(wú)定論。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)DTC控制和VC控制的特點(diǎn)和性能比較特點(diǎn)和性能DTCVC磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制Bang-Bang控制，脈動(dòng)連續(xù)控制，平滑旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換不需要需要轉(zhuǎn)子參數(shù)影響無(wú)有調(diào)速范圍不夠?qū)捿^寬DTC與VC的特點(diǎn)比較數(shù)學(xué)模型的變量選擇VC按轉(zhuǎn)子磁鏈定向與控制DTC按定子磁鏈控制控制方案和控制性