運動控制系統(tǒng)交流調(diào)速

6.7異步電動機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)簡稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，,在定子坐標系下利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。6.7異步電動機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)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的正負符號，再依據(jù)當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用以定子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)速為狀態(tài)變量的動態(tài)數(shù)學模型

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用電磁轉(zhuǎn)矩

使d軸與定子磁鏈矢量重合

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用異步電動機按定子磁鏈控制的動態(tài)模型6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用電磁轉(zhuǎn)矩

定子磁鏈矢量的旋轉(zhuǎn)角速度

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用考慮到

按定子磁鏈控制的動態(tài)模型（非線性仍然明顯）6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-36d軸與定子磁鏈矢量重合6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用如果忽略定子電壓降，則：轉(zhuǎn)差頻率

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用將旋轉(zhuǎn)坐標系dq按定子磁鏈定向，把電壓矢量沿dq軸分解。

d軸分量決定了定子磁鏈幅值的增減。

q軸分量決定定子磁鏈矢量的旋轉(zhuǎn)角速度，從而決定轉(zhuǎn)差頻率和電磁轉(zhuǎn)矩。

定子電壓矢量對電機轉(zhuǎn)矩的控制作用

電機的轉(zhuǎn)矩不僅與定子磁鏈的幅值有關(guān)，還與轉(zhuǎn)差頻率成正比。

利用SVPWM變頻器可以在保持定子磁鏈幅值“恒定”的前提下，動態(tài)調(diào)節(jié)定子磁鏈的轉(zhuǎn)動速度，從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用兩電平PWM逆變器可輸出8個空間電壓矢量，6個有效工作矢量，2個零矢量。將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個扇區(qū)。6個有效工作電壓空間矢量，將產(chǎn)生不同的磁鏈增量。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-37定子磁鏈圓軌跡扇區(qū)圖

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-38電壓矢量分解圖a）第I扇區(qū)b）第III扇區(qū)

6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用當定子磁鏈矢量位于第I扇區(qū)時，當定子磁鏈矢量位于第III扇區(qū)時，的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都增加。

的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都減小。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-39定子磁鏈與電壓空間矢量圖6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時，定子磁鏈幅值加大；

為“-”時，定子磁鏈幅值減?。粸椤?”時，定子磁鏈幅值維持不變。d軸分量6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時，定子磁鏈矢量正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差頻率增大，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩加大；為“-”時，定子磁鏈矢量反向旋轉(zhuǎn)，電流轉(zhuǎn)矩分量急劇變負，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；為“0”時，定子磁鏈矢量停在原地，轉(zhuǎn)差頻率為負，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩減小

。q軸分量6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖6-40直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖6-41帶有滯環(huán)的雙位式控制器AΨR和ATR分別為定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出分別為定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數(shù)Sgn（ΔΨs）和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號函數(shù)Sgn（ΔTe）。P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器，當期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正時，P/N=1，當期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負時，P/N=0，對于不同的電磁轉(zhuǎn)矩期望值，同樣符號函數(shù)的控制效果是不同的。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)當期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正，即P/N=1時， 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe>0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=1，應(yīng)使定子磁場正向旋轉(zhuǎn)，使實際轉(zhuǎn)矩加大。 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe<0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁場停止轉(zhuǎn)動，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。

6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)當期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負，即P/N=0時， 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe<0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=0，應(yīng)使定子磁場反向旋轉(zhuǎn)，使實際電磁轉(zhuǎn)矩反向增大； 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe>0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=1，一般采用定子磁場停止轉(zhuǎn)動，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。

6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型定子磁鏈計算模型

兩相靜止坐標系上定子電壓方程移項并積分后得6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型圖6-42定子磁鏈計算模型6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型轉(zhuǎn)矩計算模型

圖6-43電磁轉(zhuǎn)矩計算模型兩相靜止坐標系中電磁轉(zhuǎn)矩6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點與存在的問題直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點：（1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生輸出電壓，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。（2）選擇定子磁鏈作為被控量，計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。6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點與存在的問題（3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也是有限的。6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點與存在的問題直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問題：（1）由于采用雙位式控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動；（2）由于磁鏈計算采用了帶積分環(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影響磁鏈計算的準確度。6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較矢量控制系統(tǒng)通過電流閉環(huán)控制，實現(xiàn)定子電流的兩個分量的解耦，進一步實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向受電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用雙位式控制，根據(jù)定子磁鏈幅值偏差、電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號以及期望電磁轉(zhuǎn)矩的極性，再依據(jù)當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)。不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。本章小結(jié)

變壓變頻調(diào)速方式是目前交流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，因此是本課程學習的重點。要求學生了解和掌握的內(nèi)容有：掌握3種變壓變頻調(diào)速控制方式及其性能；了解變頻器的結(jié)構(gòu)、原理和特性；掌握基于穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能；掌握基于動態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能。

常見的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；⑤變極對數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。本章小結(jié)從能量從能量轉(zhuǎn)換的角度分：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的角度上看：轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)本章小結(jié)Ps=sPm異步電機的基本公式

異步電機的基本公式恒壓頻比的控制方式：幾種協(xié)調(diào)控制方式的機械特性

補償方式

轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻

調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律系統(tǒng)組成、性能分析

異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型和坐標變換

基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)：

基本思想