軌道交通車輛異步牽引電機的變頻調速-直接轉矩控制

DSC的磁鏈跟蹤控制方法DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述直接轉矩控制是將逆變器的控制模式和電機運行性能作為一個整體來考慮的，它具有兩層含義：保持定子總磁鏈基本恒定；對電機轉矩進行直接控制。通過逆變器的開關控制，既能實現(xiàn)磁鏈的幅值控制，又能實現(xiàn)電機轉矩的控制，兩者均通過閉環(huán)控制實現(xiàn)。DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述就磁鏈運動軌跡而言，DSC分為兩種不同控制方案：1985年德國的Depen-brock教授提出的磁鏈六邊形運動軌跡跟蹤控制方案（1987年還將其推廣到弱磁調速范圍）日本的Takahashi的磁鏈圓形運動軌跡跟蹤控制方案。目前，這兩種方案均得到了發(fā)展和應用，但采用的場合不同。DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述由于異步電機由三相對稱正弦波供電時，電機氣隙磁勢為圓形，此時電機損耗、轉矩脈動及噪聲最小，因此中小功率應用場合人們趨于采用圓形磁鏈軌跡方案。六邊形方案僅在某些大功率領域(開關頻率、開關損耗都有較大限制)予以考慮。DSC的磁鏈跟蹤控制方法異步電機定子磁鏈的控制是通過控制電機的輸入電壓來實現(xiàn)的，當對稱三相正弦波電壓加于對稱三相繞組時，電機的氣隙中將產(chǎn)生具有恒定幅值和恒定旋轉速度的磁通。當電機由一個三相逆變器供電時，電機的輸入電壓完全取決于逆變器的開關切換模式，而電機的磁通(幅值與旋轉速度)又取決于電壓模式。直接轉矩控制中的目標之一就是建立磁鏈和逆變器開關模式之間的關系，通過逆變器開關的控制，使電機獲得一個準圓形的氣隙磁場。DSC的磁鏈跟蹤控制方法兩點式逆變器上圖為兩點式三相PWM逆變器供電給異步電機的原理圖，為了簡單起見，6個功率開關器件都用開關符號表示。兩點式PWM逆變器—電動機原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法為使電機對稱工作，必須三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的3個器件同時導通，而相應橋臂的另3個功率器件則處于關斷狀態(tài)。兩點式PWM逆變器—電動機原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法這樣從逆變器的拓撲結構看，功率器件共有8種工作狀態(tài)，即V6、V1、V2導通，V1、V2、V3導通，V2、V3、V4導通，V3、V4、V5導通，V4、V5、V6導通，V5、V6、V1導通以及VI、V3、V5導通，V2、V4、V6導通。兩點式PWM逆變器—電動機原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法如把上橋臂器件導通用‘l’表示，下橋臂器件導通用“0”表示，并依ABC相序依次排列，則上述8種工作狀態(tài)可相應表示為100、110、010、01．1、001、101與111、000共8組數(shù)字。兩點式PWM逆變器—電動機原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法電壓空間矢量由電壓空間矢量的概念可知，對于每一個工作狀態(tài)，三相電壓都可用一個電壓空間矢量表示。其幅值相等，只是相位不同而已，即式中，SA，SB，SC分別為逆變器的開關函數(shù)，U＝Ud/2DSC的磁鏈跟蹤控制方法DSC直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，控制電機的磁鏈和轉矩，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算，所需要的信號處理工作特別簡單。DSC可對磁鏈進行直接調節(jié)，易于實現(xiàn)弱磁控制，調速范圍寬。DSC的磁鏈跟蹤控制方法如果以(100)、(110)、…、(101)依次表示100、110、…、101等6個工作狀態(tài)的電壓空間矢量，則它們的相互關系如下圖所示。電壓空間矢量在坐標系中的相對位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法設逆變器原工作周期從100狀態(tài)開始，由

可知，(100)與A軸（及α軸）同方向，且所存在的時間為π/3；電壓空間矢量在坐標系中的相對位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法在π/3時間以后，工作狀態(tài)轉為110，電機的電壓空間矢量為

；電壓空間矢量在坐標系中的相對位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法在2π/3時間以后，工作狀態(tài)轉為010，電機的電壓空間矢量為

；電壓空間矢量在坐標系中的相對位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法隨著逆變器工作狀態(tài)的不斷切換，電機電壓空間矢量的相位跟著作相應的變化，到一個周期結束，電機電壓空間矢量

，那么(101)的頂端正好與(100)尾端銜接。因此，一個周期的6個空間矢量共轉過2π。電壓空間矢量在坐標系中的相對位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法通過對各開關狀態(tài)的電壓空間矢量的分析，可以得出有關電壓空間矢量的結論：逆變器的6個工作電壓狀態(tài)給出了6個不同方向的電壓空間矢量，它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰2個矢量之間相差π／3；DSC的磁鏈跟蹤控制方法電壓空間矢量的幅值不變，都等于4/3U，因此6個電壓空間矢量的頂點構成了正六邊形的6個頂點；6個電壓空間矢量的順序是(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)。(111)和(000)稱為零狀態(tài)矢量，其幅值為零，無相位，它們位于六邊形的中心點上。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器磁鏈跟蹤控制PWM逆變器依據(jù)DSC系統(tǒng)的基本思想來構成六拍逆變器，那么異步電機在此逆變器供電時所產(chǎn)生的是正六邊形旋轉磁場，而不是圓形旋轉磁場。利用電壓空間矢量8個開關狀態(tài)的線性組合，構成一組等幅不同相的電壓空間矢量，可形成準圓形的旋轉磁場。利用電壓空間矢量8個開關狀態(tài)的線性組合，構成一組等幅不同相的電壓空間矢量，可形成準圓形的旋轉磁場。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器這樣，逆變器的輸出電壓將不是六拍階梯波；而是一系列等幅不等寬的脈沖波，這就形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器。由于它間接控制了電機的旋轉磁場，所以也可稱作磁鏈跟蹤控制的PWM逆變器。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器磁鏈兩點式Band—Band控制磁鏈軌跡準圓形控制的基本思想是：實際定子磁鏈空間矢量

的端點軌跡不允許超出以給定磁鏈幅值為中心圓半徑的圓形偏差帶，即應滿足不等式磁鏈跟蹤控制PWM逆變器利用磁鏈的Band-Band控制，在每1/6周期中交替使用兩種工作模式(兩種電壓矢量)可使磁鏈的軌跡逼近圓形，如上圖所示。定子圓形磁鏈運動軌跡磁鏈跟蹤控制PWM逆變器通過適當選擇電壓矢量下的各段時間，使磁鏈矢量的幅值在允許偏差的范圍內變化，其平均值基本保持不變；通過交替使用工作電壓矢量和零電壓的時間比例進行調速，使磁鏈走走停停，滿足轉速的要求。定子圓形磁鏈運動軌跡磁鏈跟蹤控制PWM逆變器與正六邊形軌跡控制相比，圓形磁鏈運動軌跡控制時，磁鏈幅值近似不變；轉矩、轉速脈動小，但電流脈動；需要實時計算磁鏈的幅值和相角，計算量大；逆變器功率器件的開關次數(shù)多，開關損耗大；適用于中、小功率，開關頻率較高的場合。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器轉矩二點式Band—Band控制電壓空間矢量在按磁鏈控制的同時，也接受轉矩的Band-Band控制。以正轉的情況()為例，當實際轉矩低于

的允許偏差下限時，按磁鏈控制得到相應的電壓空間矢量，使定子磁鏈向前旋轉，轉差率s增加，轉矩上升；當實際轉矩達到了允許偏差上限時，不論磁鏈如何，立即切換到零電壓矢量，使定子磁鏈靜止不動，轉矩下降。穩(wěn)態(tài)時，上述情況不斷重復，使轉矩波動控制在允許范圍之內。在加速、減速或負載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉矩響應。磁鏈空間矢量磁鏈空間矢量除開關瞬間外，6個非零電壓矢量均為恒值，定子空間電壓方程式為式中，

——(100)、…、(101)的廣義表示；——定子電流空間矢量；——定子磁鏈空間矢量。若忽略定子電阻壓降的影響，則上可表示為式中，——

在t0時的矢量。磁鏈空間矢量當輸入電壓為一個非零電壓空間矢量時，定子磁鏈的矢量

將沿著輸入電壓空間矢量的方向，以正比于輸入電壓的速度(即該電壓作用時間)移動，其磁鏈變化量

。磁鏈空間矢量例如，當電機上施加的輸入電壓為(010)時，電機的定子磁鏈空間矢量的頂端就從開關切換瞬間的初始位置

逐漸沿著輸入電壓所指的方向移動，并改變矢量

的大小和旋轉速度，如上圖所示。磁鏈空間矢量頂端的運動軌跡磁鏈空間矢量結論定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和軌跡(以后簡稱為定于磁鏈的運動方向和軌跡，或

的運動方向和軌跡)對應于相應的電壓空間矢量

的作用方向，

的運動軌跡平行于

指示的方向。只要定子電阻壓降與Us的幅值相比足夠小，那么這種平行就能得到很好的近似。磁鏈空間矢量在適當?shù)臅r刻依次紿出定子電壓空間矢量

；則定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊S1—S2—S3—S4—S5—S6運動，形成正六邊形磁鏈。正六邊形的6條邊代表著磁鏈空間矢量

一個周期的運動軌跡，每條邊代表1個周期磁鏈軌跡的1/6。若電壓空間矢量為零電壓矢量

(111)或(000)時，忽略定子電阻影響，磁鏈空間矢量在空間保持不變。磁鏈空間矢量顯然，直接利用逆變器的6種工作開關狀態(tài)，可以簡單地得到正六邊形的磁鏈軌跡以控制電動機。這種方法就是DSC系統(tǒng)的基本思想。直接轉矩控制思想及其特點直接轉矩控制思想為了解決矢量控制系統(tǒng)中需要復雜的坐標變換和控制性能易受參數(shù)變化影響的問題，德國魯爾大學的Depen-brock教授在1985首次提出了直接轉矩控制（DSC）理論。直接轉矩控制思想直接轉矩控制通過快速改變電機磁場對轉子的瞬時轉差速度，直接控制異步電機的轉矩和轉矩增長率。它直接在電機定子側計算磁鏈ψ和轉矩T，并用二點式調節(jié)器直接控制逆變器的開關狀態(tài)，對電機磁通和轉矩進行直接自調整控制。整個系統(tǒng)不僅能獲得快速的動態(tài)響應，而且有最佳的開關頻率和最小的開關損耗直接轉矩控制的特點轉矩和磁鏈都采用直接反饋的兩點式Band—Band控制，避開了將定子電流分解成轉矩和勵磁分量的過程，省去了旋轉坐標變換，簡化了控制器的結構。選擇定子磁鏈作為被控制的對象，由于定子參數(shù)的穩(wěn)定性，控制性能不受轉子參數(shù)變化的影響。直接轉矩控制的特點PWM逆變器采用電壓空間矢量控制方式，性能優(yōu)越。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點矢量控制定向在轉子磁鏈上，觀測轉子磁鏈需要知道電機的轉子電阻和電感。而DSC直接著眼于轉矩控制以得到快速轉矩響應，選擇在定子坐標下進行磁鏈、轉矩的控制，轉子參數(shù)變化對系統(tǒng)表現(xiàn)為非參數(shù)干擾，能夠通過閉環(huán)控制克服，因此，直接轉矩控制的控制性能受參數(shù)變化影響較小。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點DSC直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，控制電機的磁鏈和轉矩，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算，所需要的信號處理工作特別簡單。DSC可對磁鏈進行直接調節(jié)，易于實現(xiàn)弱磁控制，調速范圍寬。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點DSC由逆變器開關狀態(tài)直接控制轉矩，易于優(yōu)化系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低開關頻率。DSC結構簡單，易于實現(xiàn)，便于全數(shù)字化。DSC變頻調速技術一誕生，就以其新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)性能，引起了全世界傳動