直接转矩控制

太原科技大学题目：直接转矩控制专业：电气工程班级：研 1403姓名：安顺林学号：S20140232直接转矩控制摘要 直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点， 是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的 方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转 矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，对逆变器的开关状态进行 最佳控制，以获得转矩的高动态性能。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了 异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转 矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现 方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。关键字 直接转矩控制，异步电动机一 直接转矩控制系统介绍1.1 异步电动机调速系统的发展状况在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是 最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的 变频调速方式是采用 v/f 控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机 的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论， 标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流 电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解 藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采 用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制 系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式 会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不 能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。 这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态 重构的方法来观测电动机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检 测的精度，但由于在异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究在状态重构 过程中使用了电动机的参数，如果环境变化引起电动机参数的变化，就会影响到 定子磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识 和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一 一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标 变换引起的计算量大、控制结构复杂、系统性能受电动机参数影响较大等缺点， 系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。因此， 直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究 十分活跃。1.2 直接转矩控制技术传统的交流调速系统通常采用恒压频比的方式，但是由于异步电动机是一种 多变量系统，具有高阶、非线性、强耦合的特点，恒压频比控制这种基于电机的 稳态方程的控制方式的动态响应始终不够理想，调节器参数设置很难达到精度要 求。由于电机控制方法并没有达到让人满意的程度，很多专家和研究人员就开始 在该领域潜心研究。终于在1971 年提出了矢量控制技术，从而使交流调频技术 从理论山解决了以前交流调速系统在静、动态性能上不能与直流传动相媲美的问 题。尽管矢量控制存在诸多优点，但是其存在的问题也不可回避。研究人员指出， 矢量控制中存在特性易受电动机参数变化的影响、计算控制复杂、实际性能难于 达到理论分析结果等重大问题，需要进一步改善或者寻找新的控制策略。于是在 1977年，在IEEE杂志上提出了直接转矩控制思想，1985年德国 鲁尔大学的M.Depenbrock教授将直接转矩控制思想应用于实际情况中，随后日 本学者I.Takahashi也提出了与之类似的控制方案，而且在1987年把它推广到 了弱磁调速范围。直接转矩控制理论一经提出，便得到了交流调速控制领域专家的广泛关注， 并且各国专家都投入了大量的精力去研究和发展该控制技术。总体来说，直接转 矩控制技术具有以下几个特点：1、直接转矩控制技术直接控制电动机的输出转矩，即直接给出转矩给定值，以 输出转矩和磁链作为控制对象，对电动机的控制直接明了。2、直接转矩只需掌握被测电动机的转子的电阻即可解决复杂的定子磁链的观测 问题，在很大程度上解决了矢量控制中定子磁链的观测易受电动机各项参数影响 的问题。3、直接转矩控制是一种动态控制手段，不是稳态控制，其精度远远高于传统的 控制策略。直接转矩控制的总体思想就是采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系 下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进 行施密特调节产生脉冲信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转 矩的高动态性能。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思： (1)直接转矩控制 与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链 等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此，它并 非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转 矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和 六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。(2)对转矩的直接控制 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是， 通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动 限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效 果不取决与电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的 控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。 综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计 算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助与离散的两点式调节产生 PWM信号，直 对逆变器的开关状态进行最佳的控制，以获得转矩的高动态性能。 它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发 生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念 明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高 静动态性能的交流调速方法。但是DTC系统存在的问题是：(1) 由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。(2) 由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、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都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受限制。1.3 与矢量控制系统的比较直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定 子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩， 采用离散的两点式调节器( Band-Band 控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比 较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并 产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性 能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转 矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不 需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为 解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的 PWM 脉宽调制信号发生器，所以 它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超 调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离 散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻 就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需 要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效 果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而 是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。但也存在不足：一个是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题。 主要是定子电流和磁链的畸变非常严重。另外低速时转矩脉动、死区效应、开关频率问题也比较突出。上下桥臂同时导通造成直流侧短路，引入足够大的互锁延 时，带来了死区效应。死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真，于是又产 生电流失真，加剧脉动和系统运行不稳定的问题。如逆变器开关频率不固定、转 矩、电流波动较大、低速性能差和系统调速范围受到限制等。表 1-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制有转矩脉动连续控制比较平滑坐标变换静止坐标变换较简单旋转坐标变换较复杂转子参数变化影响无有调速范围不够宽比较宽直接转矩控制系统2.1.1 异步电动机的数学模型异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。理想状态下（一般这样假设）电机三相（定、转子）均对称，定、转子表面光滑，无齿槽效应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。在固定坐标系下（a , 0 , 0）,用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型（则有u = oru a =0）。基本方程如下:0rse二n帥ipos asco Lrr1)屮 i )二 n L (i i i i )as osp m as oros ar2)Jdon dto=T TL F en3)R 、 L ：定子电阻和自感 ssR 、 L ：转子电阻和自感 rrL ：定子互感m3 :电机转子角速度，即机械角速度u 、u :定子电压（a、P ）分量as卩si 、i n :定子电流（a、R）分量as團u、u :转子电压（a、 R ）分量arRri i :转子电压（a、R ）分量ar RrJ， F 分别为机械转动惯量和机械磨擦系数本文均采用空间矢量分析方法，图 2-1 是异步电机的空间矢量等效图，在正各个物理量定义如下:u （t）定子电压空间矢量si （t）定子电流空间矢量si （t）转子电流空间矢量r屮（t）定子磁链空间矢量s3 电角速度依图 2-1 以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程:U 二 Ri +屮（4）ssss(5)屮二L isu(6)M=M - L irs b r(7)定子旋转磁场输出功率为（下式 表示定子旋转磁场的频率）:sP= T = -REW i * = 3仲 i +M i ) s d 2ss 2(8)并且有屮=j L（i + ji ）sdsP把表达式（9）分解到（d 卩）坐标下得:ss屮 =r Li = 屮sds s卩s s卩M = Li = MsPs sds sd把式( 10)和式( 11)代入式( 8)得转矩表达式3T =一 (屮 i 屮 i )d 2 sd sPsP sd从图1可得:sd s卩s卩sd(9)10)11)12)i二i + i，结合式（6）、式（7）得: ur1313)T =(屮i 屮屮)d L 2节b上式也可以表示成（9为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角）:14)定子磁链的幅值根据式（4）由定子电压积分来计算的，而转子磁链幅值由 负载决定的，它根据式（5）由转子电流决定，而稳态转矩据式（14）则通过计 算磁通角来实现。2.1.2 电压型逆变器的模型逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要部分，本系统采用的是电压型逆变器。如图 2，每个桥臂各有上、下两个开关管（ S 、 S 、 S 、 S 、 S 、 S ）， a b c a b c在同一时刻总有一个开关管断开，另一个闭合。其中S与S , S与Sa a b bS与S均互为反向，也即一个导cc通而另一个断开。 a、b、c 表示异步电机的三相。逆变器总共有 8 种开关状态，如表 1：表 1 逆变器 8 种开关状态从表1 可以看出，开关状态 0、7属于同一状态，其相当于把电机三相 A、B、C同时接到同一电位上，这两种状态称为零状态；而另外状态16则称为工作 状态。所以实际上电压逆变器共有 7 种不同状态。由图 2-2 可知，当电压型逆变 器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对 应关系如图 2-3，图中 u 、u 、u 、u 、u 、u 分别对应状态（011）、（001）、 s1 s2 s3 s 4 s5 s6（101）、（100）、（110）、（010）。24u E3 d 312u E3 d 3w tSabcu (t)s01B001：101：100110：010：123u u usi s 2 s 3图2-3工作状态三相电压波形把逆变器的输出电压用空间矢量来表示，电压空间顺序见图2-4。u (t ) 表示 t电压矢量，则 7 有个离散的电压空间矢量。每个工作电压空间矢量在空间位置相差 60，矢量以逆时针顺序旋转，即顺序为u f u f u f u f u f u 。其中六 s1s 2s3s 4s5s6边形的中心是零电压矢量。对异步电机三相分析，将三维矢量转化为二维矢量，在这用 Park变换。将异步电机三相定子坐标系的轴与Park矢量复平面的实图2-4 六边形电压空间矢量轴a重合，则三相物理量X (t)、aX (t)、X (t)的 Park 矢量 X (t)为: bcX(t)二 2X (t) + p X (t) + p 2 X (t)3 a b c其中 P = e ji20。由图2的接法，其输出电压空间矢量u (t)的Park矢量变换表达式为：su (t) = 2 u + u ej2k/3 + u ej4兀/3 (16)s 3 a b cu 、u 、u 分别是 a、b、c 三相定子负载绕组的相电压。依图 3 给出的 u 、u 、 a b c a bu并代入式(16)可以计算出从16各个状态输出的电压空间矢量u (t)。 cs直接转矩控制是根据定子磁链屮，转矩T的要求，从17状态中选出一个最佳 se控制矢量使电机运行在特定的状态。2.2 磁链控制磁链控制的任务是识别磁链的运动轨迹的区段或位置，给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制六边形轨迹或圆形轨迹正确地旋转。2.2.1 磁链轨迹的控制由式( 4)可得：屮(t) = J (u (t) 一 i (t)R )dt(17)s s s s如果忽略R 则式(17)可表示成s屮(t) f u (t)dt(18)ss由式(18)可以看出电机定子磁链屮的运动方向是依u (t)方向进行的。当电压 ss逆变器开关状态不发生变化时，定子电压矢量不变，此时电机采用非零空间电压 矢量，则屮的运行方向与幅值将发生变化；但当采用零电压矢量时屮的运行将 ss受到抑制。按照状态u f u f u f u f u f u顺序运行一周后，将形成一s1 s5 s 4 s6 s2 s3个六边形磁链轨迹，如图 4。而合适地施加非零矢量顺序和合理的作用时间比例，可以形成一个多边形磁链轨迹，以致近似圆形轨迹。把(一卩)复平面分成6个区域，如图 2-5，假设测得的定子磁链为|，给定磁链为屮,ssref将2 I与屮 之间的偏差进行滞后比较，当误差ssref不在所允许的范围之内时就进行电压切换，以 减小误差。实现这种功能的环节称为磁链调节器 实际上它是一个施密特触发器。图2-6为磁链 调节器的功能图。图中Y为磁链调节器的输出，屮b为磁链误差带宽。屮当 屮 屮I、亠 时，磁链调节器输srefs2出Y =1,即选择电压矢量使2 |增加。屮s当2-2 Ib2时，磁链调节器输出y不变。srefs22图2-5圆形磁链2sref图2-6磁链调节器b当2 2 | 时，磁链调节器输出Y =0,即选择电压矢量使2 |减少。 srefs22s根据以上的控制方法可以使磁链幅值在给定的范围内变化，2 轨迹接近圆形。 s2.2.2 磁链轨迹区段的确定在直接转矩控制中，为了能够选取合适的电压空间矢量，必须确定磁链所 在区段的具体位置。只有这样才能结合磁链与转矩开关信号给出当前所需要接通 的电压矢量。1. 六边形磁链轨迹区段的确定上节指出电机定子磁链2的运动方向是依u (t)方向进行，六种工作状态电ss压形成磁链轨迹六个边。将定子磁链分解成三相(如图 2-7)：b图2-7三相坐标系下六边形磁链轨迹图图2-8（a_p ）坐标下圆形磁链轨迹区域图定子磁链三相分量为、乜、出。、出通过施密特触发器得 磁链开关信号s屮、S屮、S屮，这三个磁链信号与电压开关信号关系为:abcS屮=SU ； Sv = SU ； Sv = SU ,其中 SU、SU、SU 是开关信号 SU、ac ba cba b caSU 、 SU 的反相。定子磁链与六边形区段对应关系如表 2: bc表 2 定子磁链与六边形区段对应关系表(vpa 屮pb vpc)(011)(001)(101)(100)(110)(010)磁链区段S1S 2S 3S 4S 5S 62 圆形磁链轨迹区段的确定圆形磁链轨迹磁链幅为：Vl = v 2 +v 2 , v ，屮为定子磁链在（坐sas 卩sasp标a卩）下的投影。如图8将圆形轨迹分成六个区域，根据v ，v。的正负值sasp可以确定磁链轨迹在哪个区域中。；例如在第一象限,e =30。，在ab弧0 W30, 而在be弧段e $30。通过这种方式可以确定磁链在圆形轨迹的任何一个区域。2.3 转矩控制从式（14）可知，异步电机的转矩由定、转子磁链的幅值、磁通角 e 决定的。而转子磁链幅值由负载决定的。为了充分利用电机铁芯，保持定子磁链为恒量。改变转矩可以通过磁通角来实现，即通过改变电压空间矢量 u (t) 来控制定 s子磁链旋转速度，使其走走停停，以达到改变定子磁链的平均速度3，从而实 s现改变磁通角9，最后达到控制转矩的目的。这个过程可以用图9来解释。t时u (101)s 31刻定子与转子磁链分别为屮(t)、s1屮(t)，磁通角为9 (t )，从t运r 1 1 1行到t时刻，此时对定子所加的2电压空间矢量u (t)为u (101)，ss 3定子磁链从位置屮(t )到位置s1屮(t )所运行的轨迹为A屮，s 2 s轨迹方向与u (101)所指的方向s3图2-9电压空间矢一致，而且沿着S。由式子：0= R i -屮+j屮 量对电机转矩的影响3r r rr可知在此运行期间转子磁链不直接跟随超前于它的定子磁链，实际上在此运行期 间转子磁链变化位置受到定子平均频率3的影响。综上所述，在t时刻到t时s12刻期间，定子磁链旋转速度大于转子旋转速度；磁通角9 (t)(即磁通角由9(t)到19 (t )的夹角)增大，相应地，根据式(14)转矩也增大。而如果在t时刻引入22零电压空间矢量，此时定子磁链屮(t )则保持在t时刻位置不动，而转子磁链空s 22间矢量则继续以歹速度向前运行，必然的，磁通角减小，即转矩减小。转矩控 s制实际上是通过两点式调节来选择电压空间矢量，使其交替于电压空间矢量的工作状态和零状态，由此来控制空间矢量的平均角速度3的大小。两点式调节实s际上就是一个转矩调节器，其工作过程如下：由于对任何电机来说，从转矩到转速均为一个积分时间常数 T ， T 由电机 ss和机械惯性决定而不受控的积分环节。转矩变化率鲁近似与瞬时滑差9 s成正比(当定子磁链” sl为常数)。在直接转矩控制中采用滞后调节器对转矩进行控 制，通过选择合理电压空间矢量，以产生期望的O来控制转矩。转矩与滑差的 关系式如下：Jnpt t-e |= -A LI - l.Re(i 丨)O - R .Im(i I )(20)dt t=0lr 0- t=0 srs t=0上式中：l= (LrLs - Lm2)，Im、Re分别表示取虚、实部；I表示定子磁化电流 L0s矢量幅值；根据定子磁链屮旋转的方向，转矩调节器可以分成两个调节环节。s当屮顺时针旋转时：-贞 T - T 0 ；当屮逆时针旋转时：sref es0 T - T ACS607140120ACS6015690 VABB AutomationAGS6M Single Drive OH 5 (63)Gode:山ACS1000中压变频器用于310-5000KW电机的速度和转矩控制 驱动功率范围 为315至5000千瓦，电压等级为2.3、3.3和4.16kV，对电动机具有卓越的速 度和力矩控制。(1) 流畅的系统集成ACS1OOO系列变频器具有各种灵活的组合以满足各种新建 或改造项目的不同要求。对现有的设备和电网的干扰减到最小。用户友好的软件 工具使调试和长期运行简便易行。(2) 高超的性能 采用ABB专利的直接转矩控制(DirectTorqueControl)技术， ACS1000系列变频器提供精确的过程控制，DTC能为任何电动机控制平台提供最 快速的转矩阶跃响应。在不采用编码器情况下，即使受输入电源变化和负载突变 的影响，同样可保证最佳的控制精度。(3) 极高的可靠性ACS1OOO系列变频器元件数量少，使其内在的可靠性比市场 上其他结构形式的中电压变频器更高。并且，在交货前对每个元件单独测试，每 台变频器都通过负载试验。ACS1000的的核心是DTC-直接转矩控制直接转矩控制(DTC)是交流传动中最 佳的电动机控制方法，可以对电动机所有的关键变量进行直接控制，从而挖掘出 了 AC传动过去未实现的潜力并为各种应用提供益处。无与伦比的电动机速度和 转矩控制ACS1000系列变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控 制的变频器相对应。在ACS1000中，静态速度控制精度通常为正常转速的0.1% 至0.5%，能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可选 用一个脉冲编码器。由于ACS1000开环转矩阶跃上升时间小于10mS，而其它磁 通矢量控制不采用传感器则超过100ms,因此，ACS1000是无可匹敌的。自动起动ACS1000的自动起动性能胜过交流传动中常用的flyings tart和 ramps tar t，由于DTC能在几个毫秒内检测出电动机的状态，在所有的条件下都 能迅速起动。例如，采用DTC，就没有重新起动延时。最大化的起动转矩DTC所持有的精确的转矩控制，使ACS1000具有既可控又平稳的最大的起动转矩。完善 的磁通优化在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了高效率, 并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点。电动机和传动系统 的总体效率提高1%到10%。降低了噪音由于开关状态是分别确定的，ACS1000没 有固定的开关频率，这样，在使用普通PWM技术的交流传动装置中常见的共振所 引起的刺耳的噪音，在ACS1000中是没有的。对电源波动和负载变化反应迅速 ACS1000特有的快速转矩阶跃响应意味着对电网侧和负载侧的变化具有极快的 反应，使得对失电、负载突变和过电压状态易于控制。安静、反应敏捷的操作。 简洁、精确的过程控制输出电压和功率范由电机电fk(kV)空冷型ACS 1000袴却凤机逆变器控制单元正弦滤波器屯抗整流桥弦滤波器电容