《异步电机直接转矩控制.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《异步电机直接转矩控制.pptx（88页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1 直接转矩控制(DTC Direct Torque Control)。又称为直接自控制(DSR，DSC Direct Self-Control)。是近十年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。第1页/共88页219771977年，美国学者年，美国学者A.B.PlunkettA.B.Plunkett首先在首先在IEEEIEEE杂志上发表提出杂志上发表提出磁链磁链转矩直接调节的思想，但由于需要检测磁链，未获得转矩直接调节的思想，但由于需要检测磁链，未获得实际应用。实际应用。直接转矩控制技术的产生背景直接转矩控制技术的产生背景矢量控制（转子磁场定向控制）从理论上解决
2、了交流调速系统的静、动态性能问题，其动态性能好，调速范围宽。但在实际应用中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，另外在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。第2页/共88页3鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时需鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时需要快速瞬态转矩响应，要快速瞬态转矩响应，19851985年德国鲁尔大学的年德国鲁尔大学的DepenbrockDepenbrock教教授研制了直接自控制系统授研制了直接自控制系统(DSR)(DSR)，并提出了直接转矩控制理论。，并提出了直接转矩控制理论。该
3、理论采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间矢量该理论采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间矢量控制控制PWMPWM逆变器，实现转速和磁链的砰砰控制逆变器，实现转速和磁链的砰砰控制(Bang-Bang(Bang-Bang Control)Control)。这在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受这在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数影响的问题。电动机参数影响的问题。直接转矩控制技术的产生背景直接转矩控制技术的产生背景第3页/共88页4 和和VCVC系统一样，系统一样，DTCDTC系统分别控制异步电动机的转矩系统分别控制异步电动机的转矩(转速转速)和磁链
4、，转速调节器和磁链，转速调节器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T T*e e，在在T T*e e后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速的影后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链变化对转速的影响，从而使转速和磁链系统近似解耦。响，从而使转速和磁链系统近似解耦。因此，从总体控制结构上看，直接转矩控制系统因此，从总体控制结构上看，直接转矩控制系统(DTC)(DTC)和和矢量控制系统矢量控制系统(VC)(VC)是一致的，都能获得较高的静、动态性能。是一致的，都能获得较高的静、动态性能。T*e*sTes*rr直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理注：在转速环里
5、，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，注：在转速环里，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名：因而得名：直接转矩控制直接转矩控制。第4页/共88页5在具体控制方法上，DTCDTC系统和VCVC系统有所不同，转矩和磁链的控制采用BangBangBangBang控制器，并在PWMPWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWMSVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了矢量旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构；选择定子磁链作为被控量，而不像VCVC系统那样选择转子磁链，计算磁链的电压模型不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。直接转矩控制系统主要特点直
6、接转矩控制系统主要特点第5页/共88页6 由于直接采用了转矩反馈的BangBangBangBang控制，理论上在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但实际应用时必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。直接转矩控制采用电压空间矢量的概念分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。直接转矩控制系统主要特点直接转矩控制系统主要特点第6页/共88页7 综前所述，直接转矩控制，采用电压空间矢量的分析方法，综前所述，直接转矩控制，采用电压空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁直接在定子坐标系下
7、计算控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助了离散滞环调节场定向，借助了离散滞环调节(Bang-Bang(Bang-Bang控制控制)产生产生PWMPWM信号，信号，直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态性能。性能。第7页/共88页思想：直接控制转矩第8页/共88页效果：响应快速 控制精确，快速无需静止 旋转的 复杂坐标运算 控制方便采用电压空间矢量对三相PWM 调制做统一处理 对电机参数依赖性小只需定子电阻参 数，好测，好控，好补偿 有静止/动态性能矛盾隐患 第9页/共88页可见：DTC 控制思想新颖 动态性能优良 系统结构
8、简洁 已用于第10页/共88页参考书交流调速系统的控制策略，苏彦民 李宏 编著，机械工业出版社 1998年出版异步电动机直接转矩控制，李夙 编，机械工业出版社 1998年出版交流电动机直接转矩控制，周扬忠，胡育文，机械工业出版社，2010年出版第11页/共88页分别讲述1 定子电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制原理(系统)3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第12页/共88页1.定子电压矢量与定子磁链关系一、定子电压空间矢量 （定义，约定）1.电压型逆变器第13页/共88页第14页/共88页 三相逆变器输出相电压综合表述电压空间矢量设有三相静止a-b-c
9、坐标系及二相静止-坐标系（图3）关系：第15页/共88页第16页/共88页第17页/共88页第18页/共88页离散化增量关系第19页/共88页若有效电压矢量 顺序作用，作用时间 相等 则定子磁链轨迹为正六边形。表明：（1）磁链线速度变化（角速度相同时）（2）磁链大小变化第20页/共88页三、三相定子磁链（a,a,b,b,c c ）波形第21页/共88页分别讲述1 定子电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制系统 3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第22页/共88页2 2 直接转矩控制系统磁链自控制：（1）定子磁链观测器（2）2 /3 变换（3）磁链调节器 （
10、4）换 向逻辑转矩自控制：（1）转矩观测器（2）转矩调节器开关表第23页/共88页一、磁链自控制 1、定子磁链观测器 第24页/共88页（2）定子磁链观测器电压模型 矢量式：标量式：（3）磁链调节器 第25页/共88页调节器 Bang-Bang 控制第26页/共88页输出 逻辑量：第27页/共88页输出 逻辑量：第28页/共88页（4）换向逻辑 作用 将逻辑量 变换成逆变器开关控制信号 确定有效电压矢量对应得开关状态。第29页/共88页二、转矩自控制 1、转矩观测器 第30页/共88页 转矩调节器 输入输出关系第31页/共88页3、转矩与定、转子磁链第32页/共88页 结论4、调压和变频、调压
11、和变频 (零电压矢量控制零电压矢量控制)第33页/共88页零矢量一般插入方式第34页/共88页优化插零（矢量）方法第35页/共88页分别讲述1 定子电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制原理(系统)3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第36页/共88页 3 弱磁控制一、DTC弱磁弱磁运行特点运行特点（1）基频以上基频以上，定子电压额定不变，速度调节不再使用零电压矢量，而用改变（减小）速度调节不再使用零电压矢量，而用改变（减小）有效电压矢量作用时间有效电压矢量作用时间 来实现来实现；（2）减小有效电压矢量作用时间后，定子磁链矢量 角速度为角速度为 ，且额定额定
12、不变；第37页/共88页磁链幅值 随着转速的升高而减小，使磁链轨迹（六边形）面积减小，实现弱磁；电磁转矩随磁通减小，但是输出功率 即恒功率运行。第38页/共88页二、功率控制（弱磁下）弱磁下DTC系统将从转矩控制进入功率控制功率控制系统框图如右图所示l功率给定l功率反馈l功率调节器 图217第39页/共88页图中功率给定 速度调节器 ASR输出；功率反馈 功率 观测器输出；功率调节器（PI型）输出为磁链给定值 目的：使磁链调节器获得稳定、连续的容差 第40页/共88页与转矩控制系统比，为变结构系统（右图）对应的部分：基速基速以下下/以上上运行时，有有恒磁通恒磁通/弱磁控制弱磁控制 切换切换问题
13、图26 DTC系统组成第41页/共88页三、恒磁通/弱磁控制的切换 1、切换控制原理图（如右图 所示）目的：恒磁通（转矩）控制自动切换 弱磁（功率）控制 图218第42页/共88页机构：状态判别环节：控制恒磁 弱磁的切换幅值判别环节：控制弱磁 恒磁的切换原理：（1）恒磁 弱磁的切换（状态判别器控制）转矩调节器输出 第43页/共88页当 （表明系统该切换至弱磁），状态判别器输出：，控制 输出控制关系：转矩调节器输出功率调节器输出第44页/共88页（2）弱磁 恒磁切换（幅值判别器控制）增大至额定值，判别器输出：控制 输出控制关系：转矩调节器输出功率调节器输出第45页/共88页2、系统结构的平滑切换
14、（1）平滑切换原则 保证：转矩闭环 功率闭环：切换瞬间转矩不突变；功率闭环 转矩闭环：切换瞬间功率不突变。（2）转矩当量 与功率当量 关系均为同一速度调节器同一速度调节器ASR输出输出，切换前后大小应不变切换前后大小应不变第46页/共88页分别讲述1 定子电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制原理(系统)3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第47页/共88页4 正/反转运行控制一、正/反转运行原理 1、机理：改变有效电压空间矢量作用顺序，控制 定子磁链矢量（磁场）转向 （1）正转：图20（a）正转第48页/共88页（2）反转：图20（b）反转第49页/共88
15、页2、控制逻辑参照 图8（正转磁链波形），求出反转开关信号规律 （1）、磁链调节器输入输出特性（a相为例）第50页/共88页反转：第51页/共88页（2）反转逻辑关系 反转开关信号：图19反转磁链波形第52页/共88页二、正/反转控制实现（1）正转换相逻辑图8 正转磁链波形第53页/共88页（2）反转换相逻辑 图19反转磁链波形第54页/共88页（3）正/反转控制换相逻辑DTC框图 ：“换相逻辑”应能适应正/反转控制，根据转向发出相应开关信号：正/反转时换相逻辑 正反转开关量图-6 DTC系统框图第55页/共88页正/反转时换相逻辑（合成）合成实现图图21 正正/反转换相逻辑合成反转换相逻辑合
16、成第56页/共88页分别讲述1 定子电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制原理(系统)3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第57页/共88页5圆形磁链轨迹控制一、磁链轨迹圆化DTC讲究转矩响应得快速性，采用六个有效电压矢量控制，定子磁链轨迹为六边形，致使：转矩存在脉动（静、动态特性固有矛盾）定子电流非正弦采用六个电压矢量组合（合成），可使磁链轨迹圆化（圆形旋转磁场）一般：采用圆形磁链轨迹，改善运行性能；：采用六边形磁链轨迹，获得快速转矩响应。第58页/共88页二、磁链轨迹圆化的方法1、多段折线逼近法第59页/共88页2、主、副（辅）矢量规律定义：主矢量作用时
17、间长者（如 ）副（辅）矢量作用时间短者（如 ）作用规律不同扇区，主、辅矢量不同；每种有效电压用作主或者辅矢量的区间为 （表4见下页）主矢量作用的 区间内：前 ：主矢量使磁链幅值减小（磁链轨迹向圆内收缩）后 ：主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）第60页/共88页前 30:主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）后 30 ：主矢量使磁链幅值增大（磁链轨迹向圆外扩张）第61页/共88页表4：第62页/共88页三、磁链轨迹圆化控制1、磁链闭环控制电路目的：实现主、副矢量作用规律六边形磁链时，无磁链反馈 （即磁链开环的控制）第63页/共88页 磁链闭环控制磁链 轨迹 图中 磁链幅值的给定值 磁
18、链反馈（来自磁链观测器）磁链幅值调节器 滞环（两位）调节器，容差 输入输出关系：图27 轨迹第64页/共88页2、控制过程 时，向理想圆外运动 平均值为 时，向理想圆内运动容差越小，磁链轨迹越圆，但是逆变器开关频率越高第65页/共88页3、圆化后的换相逻辑（开关信号规律）正转（图8）反转（图19）复杂性必须根据输入信号 决定开关信号，控制 走向；必须根据 在定子坐标系内实际位置 ，决定该扇区所用的主、副电压空间矢量。第66页/共88页圆化换相逻辑 为表格形式（表5），采用微机查表控制表5第67页/共88页表5（续）第68页/共88页磁链圆轨迹图25 磁链圆轨迹第69页/共88页分别讲述1 定子
19、电压矢量与定子磁链关系 2 直接转矩控制原理(系统)3 弱磁控制4 正反转运行控制5 圆形磁链轨迹控制6 反电压矢量的应用第70页/共88页6反电压矢量的应用一、正反向有效电压矢量及其作用1、概念正向有效电压矢量：使磁链矢量按顺给定方向前进的有效矢量反向有效电压矢量：使磁链矢量按逆给定方向前进的有效矢量不同扇区有不同的正、反向有效电压矢量 【例】扇区第71页/共88页 有效电压矢量有效电压矢量扇区内：主矢量主矢量：反矢量反矢量：其中 滞后滞后 称称 电压矢量电压矢量图图29 正、反向电压矢量正、反向电压矢量第72页/共88页二、电压矢量的特殊作用使磁链矢量倒转迅速减小 加速 转矩减小 一旦 ,
20、产生制动转矩 加快制动过程 快速动态响应第73页/共88页对比零电压矢量零电压矢量可停止磁链转动，降低电机转速（调速）；但是不产生磁链增矢量：,无法增大磁链幅值，故：零矢量作用时间长会使电磁转矩（电机出力）减小。电压矢量在降低磁链矢量转速的同时，可使 磁链幅值增大，防止电机低速时的出力减小第74页/共88页 电压矢量能实现低速下大转矩、直至堵转运行堵转运行的实质：当 有效电压矢量（如 ）和与之反 的正向有效电压矢量（如 ）作用时间相等时，定子磁链停止运行，但磁链幅值不变，实现了停转，但有转矩的运行堵转第75页/共88页三、全速度范围的反向电压矢量控制1、低速时电压矢量的运用 （1）原则：六边形
21、磁链轨迹正向有效电压矢量 及零电压矢量 ：圆形磁链轨迹 极低速及堵转运行：插入反向电压矢量第76页/共88页（2）控制部件三位式滞环 磁链调节器输入 输出 关系:三位滞环特性第77页/共88页（3）控制规律定子磁链幅值 与给定 之差 小于容差 ，磁链按二位式控制（主、副有效矢量交替作用，插入零矢量）（零矢量长时作用使偏差继续增大），切换至三位式磁链控制，插入反向电压矢量如选用 电压矢量，磁链幅值 增大、偏差 减小达 ，切回至二位磁链控制第78页/共88页2、高速时反向电压矢量的运用（1）圆形磁链轨迹运行时，采用三位式滞环磁链控制器稳态时：零矢量作用时间极短，不会切换至三位式控制（不用反电压矢量
22、）减速时：速度给定/转矩给定大幅减小零矢量长期作用磁链幅值大减增大切换至三位式控制加快转矩/转矩响应重新达稳态：回到二位式控制（2）六边形磁链轨迹运行时，直接采用插入反向电压矢量的 “反向运行控制方式”，使磁链反转，转矩获得快速响应第79页/共88页按上述控制的原始DTC系统存在如下问题：由于采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定；由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分误差、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。这两个问题的影响在低速时比较严重，因而使DTC系统的调速范围收到限制。因此抑制转矩脉动、提高低速性能便成为改进原始的DTC系统的主要方
23、向。直接转矩控制系统的改进第80页/共88页81改进方案有：磁链和转矩的BangBang控制以及由其输出信号选择逆变器的电压矢量这一基本方法不变，着重改进具体的控制方法：对磁链偏差进行细化，使磁链轨迹接近圆；对转矩偏差进行细化，直接减小转矩脉动；对电压空间矢量实行无差拍调制或预测控制；对电压空间矢量实行智能控制。第81页/共88页82 改BangBang控制为连续控制：间接自控制(ISR）系统；按定子磁链定向的控制系统。这些改进或多或少牺牲了系统的鲁棒性。第82页/共88页83 DTC系统和VC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)和磁链分别控制，都是基于交流电动机动
24、态数学模型设计的，数学模型的基本结构都是多变量非线性系统，两种系统的控制基础是相同的，都能获得较高的静、动态性能，这是两种系统的基本性质。由于两种系统在具体控制方案上的区别，两者在控制性能上各有特色。一般情况下，DTC可以获得更快的动态转矩响应，而VC则具有更好的低速稳态性能，从而获得更宽的调速范围。因此，VC更适用于宽范围调速系统和伺服系统，而DTC更适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统(如电力机车)。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第83页/共88页841、两者的区别 数学模型的变量选择 VC按转子磁链定向与控制 DTC按定子磁链控制 控制方案
25、和控制性能 VC按转子磁链定向分解定子电流，采用线性调节器控制，有利于提高低速性能。DTC未分解定子电流，采用非线性的砰-砰控制，使转矩得到快速的动态响应，但引起转矩脉动。第84页/共88页852、两者的共同点数学模型同样基于异步电动机的动态数学模型。控制结构同样是转速、磁链分别控制。因而都能获得较高的动态性能。第85页/共88页86DTCDTC控制和控制和VCVC控制的特点和性能比较控制的特点和性能比较特点和性能特点和性能DTC(DSR)DTC(DSR)VCVC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Bang-BangBang-Bang控制，控制，有转矩脉动有转矩脉动连续控制，转矩比连续控制，转矩比较平滑较平滑坐标变换坐标变换静止坐标变换静止坐标变换旋转坐标变换旋转坐标变换转子参数变化影响转子参数变化影响 无无有有调速范围调速范围原始系统不够宽，原始系统不够宽，现已有改进现已有改进较宽较宽第86页/共88页 THE END第87页/共88页感谢您的观看！第88页/共88页