第六章 直接转矩控制课件.ppt

第五章异步电动机直接转矩控制 l概 述直 接 转 矩 控 制 系 统 简 称 DTC ( Direct Torque Control) 系 统 ， 是 继 矢 量 控 制 系 统 之 后 发 展 起来 的 另 一 种 高 动 态 性 能 的 交 流 电 动 机 变 压 变 频调 速 系 统 。 在 它 的 转 速 环 里 面 ， 利 用 转 矩 反 馈直 接 控 制 电 机 的 电 磁 转 矩 ， 因 而 得 名 。其 特 点 是 直 接 采 用 空 间 电 压 矢 量 ， 在 定 子 坐 标 系下 计 算 并 控 制 电 机 的 转 矩 和 磁 通 ； 采 用 定 子 磁 场定 向 ， 借 助 于 离 散 的 两 点 式 调 节 产 生 PWM（ 空 间 矢量 SPWM） 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 。 和 矢 量 控 制 不 同 ， 直 接 转 矩 控 制 摒 弃 了 解 耦 的 思想 ， 取 消 了 旋 转 坐 标 变 换 ， 简 单 的 通 过 电 机 定 子电 压 和 电 流 ， 借 助 瞬 时 空 间 矢 量 理 论 计 算 电 机 的磁 链 和 转 矩 ， 并 根 据 与 给 定 值 比 较 所 得 差 值 ， 实现 磁 链 和 转 矩 的 直 接 控 制 。 直接转矩控制的特点：l 控 制 思 想 简 单l 控 制 系 统 简 洁 明 了l 动 、 静 态 性 能 优 良 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 特 点l系 统 组 成 按 定 子 磁 链 控 制 的 直 接 转 矩 控 制 系 统 在 实 际 控 制 过 程 中 ， 将 测 得 的 电 机 三 相电 压 和 电 流 送 入 计 算 器 ， 计 算 出 电 机 的 定子 磁 链 和 电 磁 转 矩 ， 分 别 与 给 定值 和 相 比 较 ， 然 后 选 择 开 关 模 式 ，确 定 PWM逆 变 器 的 输 出 。1 eT1 eT 总 的 来 说 ， 直 接 转 矩 控 制 就 是 通 过 对 定 子电 压 空 间 矢 量 的 控 制 达 到 以 下 两 个 目 的 ：（ 1） 维 持 定 子 磁 链 幅 值 的 恒 定（ 2） 控 制 定 子 磁 链 旋 转 速 度 的 大 小 结 构 特 点转 速 双 闭 环 ：l ASR的 输 出 作 为 电 磁 转 矩 的 给 定 信 号 ；l 设 置 转 矩 控 制 内 环 ， 它 可 以 抑 制 磁 链 变 化对 转 速 子 系 统 的 影 响 ， 从 而 使 转 速 和 磁 链 子 系统 实 现 了 近 似 的 解 耦 。转 矩 和 磁 链 的 控 制 器 ： 用 滞 环 控 制 器 取 代 通 常 的 PI调 节 器 。 控 制 特 点 与 VC系 统 一 样 ， 它 也 是 分 别 控 制 异 步 电 动 机的 转 速 和 磁 链 ， 但 在 具 体 控 制 方 法 上 ， DTC系统 与 VC系 统 不 同 的 特 点 是 ：1） 转 矩 和 磁 链 的 控 制 采 用 双 位 式 砰 -砰 控 制 器 ， 并在 PWM 逆 变 器 中 直 接 用 这 两 个 控 制 信 号 产 生 电 压的 SVPWM 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 旋 转 变 换 和 电 流 控 制 ， 简 化 了控 制 器 的 结 构 。 2） 选 择 定 子 磁 链 作 为 被 控 量而 不 象 VC系 统 中 那 样 选 择 转 子 磁 链 ， 这 样 一来 ， 计 算 磁 链 的 模 型 可 以 不 受 转 子 参 数 变 化的 影 响 ， 提 高 了 控 制 系 统 的 鲁 棒 性 。 如 果 从数 学 模 型 推 导 按 定 子 磁 链 控 制 的 规 律 ， 显 然要 比 按 转 子 磁 链 定 向 时 复 杂 ， 但 是 ， 由 于 采用 了 砰 -砰 控 制 ， 这 种 复 杂 性 对 控 制 器 并 没 有影 响 。 3） 由 于 采 用 了 直 接 转 矩 控 制 ， 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 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 的 快 速 性 也 是 有 限 的 。 性 能 比 较 从 总 体 控 制 结 构 上 看 ， 直 接 转 矩 控 制(DTC)系 统 和 矢 量 控 制 (VC)系 统 是 一 致 的 ， 都能 获 得 较 高 的 静 、 动 态 性 能 。 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 原 理除 转 矩 和 磁 链 砰 -砰 控 制 外 ， DTC系 统 的 核 心 问 题就 是 ： 转 矩 和 定 子 磁 链 反 馈 信 号 的 计 算 模 型 ；如 何 根 据 两 个 砰 -砰 控 制 器 的 输 出 信 号 来选 择 电 压 空 间 矢 量 和 逆 变 器 的 开 关 状 态 。 转 矩 和 定 子 磁 链 反 馈 信 号 的 计 算 模 型 ；a1a1 a1 1 ddu i r t 在 、 坐 标 系 中 电 压 的 表 达 式 为 ： 11 1 1 ddu i r t a1 1 a1 1u i r dt 1 1 1 1u i r dt 由 此 可 以 得 到 定 子 磁 链 的 观 测 模 型 定 子 磁 链 观 测 模 型 如 下 图 ：u 1uAuBuciAi Bic i 1i1u1 1 1得 到 a 上 的 磁 链 分量 ， 则 很 容 易 得 到 定子 磁 链 了 。 1 2 1 2( )e p mT n L i i i i 电 磁 转 矩 的 表 达 式 为 ：又 因 为 ： 1 12 ( )smL ii L 1 1 2 ( )smL ii L 1 1 1 1( )e pT n i i 根 据 电 磁 转 矩 的 表 达 式 ， 可 以 得 到 观 测 模 型 如 下i 1i1 1 1 Te 定 子 电 压 电 流 磁 链 模 型 法 优 缺 点 只 需 要 确 定 电 动 机 的 定 子 电 阻 ， 定 子 电压 和 电 流 也 是 易 于 检 测 的 物 理 量 。优 点 ：（ 1） 积 分 器 存 在 漂 移 问 题（ 2） 电 机 转 速 很 低 时 ， 由 于 定 子 电 压 的 减 小 ，被 积 分 的 差 值 很 小 ， 产 生 积 分 误 差 很 大 。（ 3） 电 机 不 转 时 ， 定 子 电 压 为 零 ， 算 不 出 定 子磁 链 值 ， 此 模 型 无 法 使 用 。缺 点 ： 特 点 ： 模 型 结 构 简 单 ， 只 受 一 个 电 机 参 数 （ r1） 的 影 响 ， 易 于 实 现 。 在 高 速 范 围 内 （ n 30%ne） ， 能 准 确 的 估 计 定 子 磁 链 。缺 点 ： 定 子 电 阻 参 数 随 温 度 的 变 化 会 影 响 观 测 精 度 。 特 别 是 低 速 时 ， 尤 其 是 接 近 零 速 时 ， 影 响 很 大 ， 不 能 正 确 观 测 。 采 用 了 纯 积 分 器 ， 带 来 了 直 流 偏 置 和 初 始 值 问 题 。 如 何 根 据 两 个 砰 -砰 控 制 器 的 输 出 信 号 来 选 择 电压 空 间 矢 量 和 逆 变 器 的 开 关 状 态 。定 子 电 压 矢 量 与 定 子 磁 链 对 三 相 系 统 而 言 ， 空 间 矢 量 是 这 样 定 义 的 ：把 三 个 变 量 看 成 是 三 个 矢 量 的 模 ， 它 们 的 位 置 分别 处 于 三 相 绕 组 的 轴 线 上 ， 当 变 量 为 正 时 ， 矢 量方 向 与 各 自 轴 线 方 向 相 同 ， 反 之 ， 则 取 反 方 向 ，然 后 把 三 个 矢 量 相 加 并 取 合 成 矢 量 的 2/3倍 ， 此矢 量 即 为 空 间 矢 量 。 在 变 压 变 频 调 速 电 路 中 我 们 讲 述 过 逆 变器 主 电 路 的 6个 开 关 器 件 共 有 8种 开 关 模式 ， 各 种 开 关 模 式 在 、 坐 标 系 下 有 对应 的 电 压 矢 量 。这 六 个 电 压 矢 量 幅 值 相 同 ， 而 矢 量 角 度 不 同 。它 们 对 应 的 表 达 式 如 下 dUu 32)0,0,1(1 32 32)0,1,1( jdeUu 323 32)0,1,0( jdeUu dUu 32)1,1,0(4 345 32)1,0,0( jdeUu 356 32)1,0,1( jdeUu 0)1,1,1()0,0,0( 70 uu 11 1 j( )j j 21 m 1 m 1 md ( e ) j e ed tt t t u 1 1 1 1( )r dt u I1 1dt u 11 ddt u定 子 磁 链 的 矢 量 就 是 电 压 矢 量 的 积 分 每 个 扇 区 内 的 磁通 轨 迹 由 该 扇 区所 对 应 的 两 个 电压 矢 量 来 形 成S1S2S3 S4S5S6100 101110010 011 001u1u2 u3u4 u5u6 定 子 电 压 矢 量 与 转 矩实 际 运 行 中 定 子 磁 链 的 幅 值 恒 定 ， 电 磁 转 矩 的大 小 由 此 时 的 转 差 角 速 度 ws唯 一 确 定Ws的 值 越 大 电 磁 转 矩 的 变 化 率 就 越 大而 ws的 大 小 由 磁 链 的 旋 转 角 速 度 唯 一 确 定磁 链 的 矢 量 角 度 增 加 ， 电 磁 转 矩 增 大磁 链 的 矢 量 角 度 减 小 ， 电 磁 转 矩 减 小 由 此 可 见 非 零 电 压 矢 量 的 切 换 不 仅 可 以 调 节 定子 磁 链 幅 值 和 转 速 的 大 小 ， 还 同 时 影 响 到 转 矩的 大 小 和 变 化 速 度 。定 子 电 压 调 节 作 用U0 1的 幅 值 自 由 衰 落 ， Te下 降U1 1的 幅 值 增 大 ， Te迅 速 下 降U 2 1的 幅 值 减 小 ， Te减 小U3 1的 幅 值 影 响 不 大 ， Te迅 速 下 降U4 1的 幅 值 影 响 不 大 ， Te迅 速 增 大U5 1的 幅 值 增 大 ， Te增 大U6 1的 幅 值 减 小 ， Te增 大空 间 电 压 矢 量 的 调 节 作 用 表 开 关 策 略 是 根 据 所 得 到 的 磁 链 偏 差 和 转 矩 偏 差 ，根 据 偏 差 来 决 定 采 用 哪 个 最 合 适 的 非 零 电 压 矢 量 ，从 而 控 制 磁 链 和 电 磁 转 矩 在 相 应 的 范 围 内 。定 子 磁 链 当 前 状 态 表 1-0.5 111 1在 滞 环 内 ， 呈 下 降 趋 势01 1在 滞 环 内 ， 呈 上 升 趋 势10 1-0.5 T 11 T 在 滞 环 内 ， 呈 下 降 趋 势01 T 在 滞 环 内 ， 呈 上 升 趋 势10 T-0.5 T10 电 磁 转 矩 当 前 状 态 21 结 合 当 前 定 子 磁 链 和 电 磁 转 矩 的 状 态 ， 再根 据 空 间 电 压 矢 量 的 调 节 作 用 ， 来 决 定 对应 区 域 的 开 关 策 略 根 据 定 子 磁 链 给 定 和 反 馈 信 号 进 行 砰 -砰控 制 ， 按 控 制 程 序 选 取 电 压 空 间 矢 量 的作 用 顺 序 和 持 续 时 间 。正 六 边 形 的 磁 链 轨 迹 控 制如 果 只 要 求 正 六 边 形 的 磁 链 轨 迹 ， 则 逆 变 器 的控 制 程 序 简 单 ， 主 电 路 开 关 频 率 低 ， 但 定 子 磁链 偏 差 较 大 。 圆 形 磁 链 轨 迹 控 制 ：如 果 要 逼 近 圆 形 磁 链 轨 迹 ， 则 控 制 程 序 较 复杂 ， 主 电 路 开 关 频 率 高 ， 定 子 磁 链 接 近 恒 定 。该 系 统 也 可 用 于 弱 磁 升 速 ， 这 时 要 设 计 好*s = f (*) 函 数 发 生 程 序 ， 以 确 定 不 同 转速 时 的 磁 链 给 定 值 DTC系 统 存 在 的 问 题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 。 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 。 为 了 解 决 这 些 问 题 ， 许 多 学 者 做 过 不 少 的 研 究 工作 ， 使 它 们 得 到 一 定 程 度 的 改 善 ， 但 并 不 能 完 全 消除 。 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 到 限 制 。 直 接 转 矩 控 制 系 统 与 矢 量 控 制 系 统 的 比 较 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 ， 这 是 符 合 异 步 电 动 机 动 态 数 学 模型 的 需 要 的 。 但 两 者 在 控 制 性 能 上 却 各 有 千 秋 。 矢 量 控 制 系 统 特 点 VC系 统 强 调 Te 与 2的 解 耦 ， 有 利 于 分别 设 计 转 速 与 磁 链 调 节 器 ； 实 行 连 续 控 制 ，可 获 得 较 宽 的 调 速 范 围 ； 但 按 2 定 向 受 电 动机 转 子 参 数 变 化 的 影 响 ， 降 低 了 系 统 的 鲁 棒性 。 DTC系 统 特 点 DTC系 统 则 实 行 Te 与 1 砰 -砰 控 制 ， 避 开 了旋 转 坐 标 变 换 ， 简 化 了 控 制 结 构 ； 控 制 定 子 磁 链 而不 是 转 子 磁 链 ， 不 受 转 子 参 数 变 化 的 影 响 ； 但 不 可避 免 地 产 生 转 矩 脉 动 ， 低 速 性 能 较 差 ， 调 速 范 围 受到 限 制 。 两 种 系 统 的 特 点 与 性 能 的 比 较 见 下 表 。 直 接 转 矩 控 制 和 矢 量 控 制 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 从 上 表 可 以 看 出 ， 如 果 在 现 有 的 DTC系 统 和 VC系 统 之 间 取 长 补 短 ， 构 成 新 的 控 制 系 统 ， 应 该 能 够获 得 更 为 优 越 的 控 制 性 能 ， 这 是 一 个 很 有 意 义 的 研究 方 向 。 有 时 为 了 提 高 调 速 范 围 ， 在 低 速 时 改 用 电流 模 型 计 算 磁 链 ， 则 转 子 参 数 变 化 对 DTC系统 也 有 影 响 。 在 额 定 转 速 30%以 下 时 ， 磁 链 只 能 根 据 转 速 来 正确 计 算 ， 因 此 出 现 定 子 电 流 、 转 速 观 测 模 型第 二 节 ： 定 子 磁 链 观 测 模 型 的 切 换定 子 磁 链 的 观 测 是 直 接 转 矩 控 制 的 核 心 ， 无论 是 幅 值 还 是 相 位 的 不 准 确 ， 都 会 使 得 控 制性 能 变 差我 们 前 面 介 绍 的 是 定 子 电 流 电 压 的 磁 链 观 测 模 型 ，但 是 有 在 低 速 时 误 差 大 的 缺 点定 子 电 流 、 转 速 磁 链 模 型 表 达 式 及 结 构 图 如 下 1 1 21 I LL1 L 22 1 2 2Lr 其 中 ： 1 1L1 L 1 2i L + 22 1 2 2Lr 其 中 ： LL 2rL 2rL 11 L L 11 L L1 i 1i 12 12 + + - 优 点 ： 不 受 定 子 电 阻 参 数 的 影 响缺 点 ： 引 入 了 更 多 的 电 机 参 数 ， 受 转 子 电 阻 、 漏 电 感 、 主 电 感 L变 化 的 影 响 转 子 角 速 度 的 测 量 误 差 对 结 果 影 响 较 大 ， 而 电 流 转 速 观 测 模 型 要 求 有 较 高 的速 度 检 测 精 度 2rL 2 1r u-n模 型 ： 定 子 电 压 和 转 速 的 定 子 磁 链 观 测 模 型前 面 介 绍 的 两 种 观 测 模 型 各 自 有 各 自 的 优 缺点 ， 很 自 然 就 把 两 种 方 式 结 合 起 来 ， 充 分 利用 他 们 的 优 点当 转 速 在 30%额 定 转 速 以 上 时 采 用 U-I磁 链 观 测 模 型当 转 速 在 30%额 定 转 速 以 下 时 采 用 I-n磁 链 观 测 模 型需 要 两 种 模 型 的 平 滑 切 换 装 置 U-n定 子 磁 链 观 测 模 型 s se i i 优 点 ： 综 合 了 u-i模 型 和 i-n模 型 的 优 点 ， 适 合 全 速 范 围 通 过 电 流 PI调 节 器 进 行 补 偿 （ )， 以 修 正 和 电 流 ， 使 观 测 精 度 大 大 提 高缺 点 ： 结 构 复 杂 ， 实 现 比 较 困 难磁 链 观 测 改 进 方 法 ： 低 通 滤 波 补 偿 法 ， 电 阻 在 线 观 测1 低 速 性 能 的 改 善影 响 定 子 电 阻 的 因 素 较 多 ， 主 要 有 电 流 、 频 率 、运 行 时 间 、 环 境 温 度 等 ， 并 且 是 非 线 性 关 系 。* 采 用 模 糊 电 阻 观 测 器 对 定 子 电 阻 进 行 在 线 观 测* 采 用 神 经 网 络 电 阻 观 测 器 对 定 子 电 阻 进 行 在 线 观 测* 采 用 模 糊 神 经 网 络 电 阻 观 测 器 对 定 子 电 阻 进 行 在 线观 测 应 用 智 能 控 制 理 论 实 现 的 直 接 转 矩 控 制 基 于 模 糊 逻 辑 的 直 接 转 矩 控 制 采 用 模 糊 逻 辑 代 替 传 统 直 接 转 矩 控 制 中 的 开 关状 态 选 择 器 （ 滞 环 比 较 器 和 优 化 开 关 表 电 压矢 量 表 ） ， 实 现 开 关 状 态 （ 电 压 矢 量 ） 的 选 择 。 特 点 ： 使 系 统 的 响 应 速 度 更 快 ， 超 调 小 ， 系 统 的 低 速 性 能 得 到 改 善 。特 点 ： 结 构 简 单 ， 易 于 实 现 提 高 了 系 统 的 响 应 速 度 和 抗 参 数 变 化 的 能 力 速 度 调 节 器 采 用 自 适 应 模 糊 控 制 器 用 神 经 网 络 代 替 传 统 的 开 关 状 态 选 择 器 基 于 神 经 网 络 的 直 接 转 矩 控 制 速 度调 节 器采 用 自适 应 神经 网 络控 制 器 *神 经 网 络 结 构 简 单 ， 具 有 并 行 计 算 能 力 ， 可以 大 大 缩 短 计 算 时 间 ， 使 进 一 步 提 高 开 关 频 率成 为 可 能 。特 点 ： *具 有 容 错 能 力 ， 提 高 了 系 统 的 鲁 棒 性 。*通 常 与 定 子 电 阻 的 辨 识 和 定 子 磁 通 的 辨 识 相 结 合 ， 同 时 采 用 多 个 子 神 经 网 络 实 现 。 特 点 ： 保 留 了 模 糊 控 制 的 优 点 ， 兼 具 有 自 适 应 、 自 学 习 的 能 力 基 于 模 糊 神 经 网 络 的 直 接 转 矩 控 制 用 模 糊 神 经 网 络 控 制 器 代 替 传 统 的 开 关 状 态 选 择 器 速 度 调 节 器 采 用 自 适 应 模 糊 神 经 网 络 控 制 器 谢 谢