直接转矩控制与矢量控制.ppt

第四节基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 本节提要坐标变换的基本思路矢量控制系统的基本思路按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用转子磁链模型转速 磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统 直流电机的物理模型 直流电机的数学模型比较简单 先分析一下直流电机的磁链关系 图5 1中绘出了二极直流电机的物理模型 图中F为励磁绕组 A为电枢绕组 C为补偿绕组 F和C都在定子上 只有A是在转子上 把F的轴线称作直轴或d轴 directaxis 主磁通 的方向就是沿着d轴的 A和C的轴线则称为交轴或q轴 quadratureaxis 一 坐标变换的基本思路 主极磁场在空间固定不动 由于换向器作用 电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上 其效果好象一个在q轴上静止的绕组一样 但它实际上是旋转的 会切割d轴的磁通而产生旋转电动势 这又和真正静止的绕组不同 通常把这种等效的静止绕组称作 伪静止绕组 pseudo stationarycoils 虽然电枢本身是旋转的 但其绕组通过换向器电刷接到端接板上 电刷将闭合的电枢绕组分成两条支路 当一条支路中的导线经过正电刷归入另一条支路中时 在负电刷下又有一根导线补回来 分析结果 电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消 或者由于其作用方向与d轴垂直而对主磁通影响甚微 所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定 这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因 交流电机的物理模型 如果能将交流电机的物理模型 见下图 等效地变换成类似直流电机的模式 分析和控制就可以大大简化 坐标变换正是按照这条思路进行的 在这里 不同电机模型彼此等效的原则是 在不同坐标下所产生的磁动势完全一致 众所周知 交流电机三相对称的静止绕组A B C 通以三相平衡的正弦电流时 所产生的合成磁动势是旋转磁动势F 它在空间呈正弦分布 以同步转速 s 即电流的角频率 顺着A B C的相序旋转 这样的物理模型绘于下图5 2a中 1 交流电机绕组的等效物理模型 图5 2a三相交流绕组 旋转磁动势的产生 然而 旋转磁动势并不一定非要三相不可 除单相以外 二相 三相 四相 等任意对称的多相绕组 通以平衡的多相电流 都能产生旋转磁动势 当然以两相最为简单 2 等效的两相交流电机绕组 图5 2b中绘出了两相静止绕组 和 它们在空间互差90 通以时间上互差90 的两相平衡交流电流 也产生旋转磁动势F 当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速都相等时 即认为图5 2b的两相绕组与图5 2a的三相绕组等效 3 旋转的直流绕组与等效直流电机模型 图5 2c旋转的直流绕组 再看图5 2c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组d和q 其中分别通以直流电流id和iq 产生合成磁动势F 其位置相对于绕组来说是固定的 如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转 则磁动势F自然也随之旋转起来 成为旋转磁动势 把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图a和图b中的磁动势一样 那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时 在他看来 d和q是两个通以直流而相互垂直的静止绕组 如果控制磁通的位置在d轴上 就和直流电机物理模型没有本质上的区别了 这时 绕组d相当于励磁绕组 q相当于伪静止的电枢绕组 等效的概念 由此可见 以产生同样的旋转磁动势为准则 图5 2a的三相交流绕组 图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效 或者说 在三相坐标系下的iA iB iC 在两相坐标系下的i i 和在旋转两相坐标系下的直流id iq是等效的 它们能产生相同的旋转磁动势 有意思的是 就图5 2c的d q两个绕组而言 当观察者站在地面看上去 它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组 如果跳到旋转着的铁心上看 它们就的的确确是一个直流电机模型了 这样 通过坐标系的变换 可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型 现在的问题是 如何求出iA iB iC与i i 和id iq之间准确的等效关系 这就是坐标变换的任务 2 三相 两相变换 3 2变换 现在先考虑上述的第一种坐标变换 在三相静止绕组A B C和两相静止绕组 之间的变换 或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换 简称3 2变换 图5 3中绘出了A B C和 两个坐标系 为方便起见 取A轴和 轴重合 设三相绕组每相有效匝数为N3 两相绕组每相有效匝数为N2 各相磁动势为有效匝数与电流的乘积 其空间矢量均位于有关相的坐标轴上 由于交流磁动势的大小随时间在变化着 图中磁动势矢量的长度是随意的 C 图5 3三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 设磁动势波形是正弦分布的 当三相总磁动势与二相总磁动势相等时 两套绕组瞬时磁动势在 轴上的投影都应相等 写成矩阵形式 得 5 1 考虑变换前后总功率不变 在此前提下 可以证明 见p96 匝数比应为 5 2 代入式 5 1 得 5 3 令C3 2表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵 则 5 4 5 5 三相 两相坐标系的变换矩阵 如果三相绕组是Y形联结不带零线 则有iA iB iC 0 或iC iA iB 代入式 5 4 和 5 5 并整理后得 5 6 5 7 按照所采用的条件 电流变换阵也就是电压变换阵 同时还可证明 它们也是磁链的变换阵 3 两相 两相旋转变换 2s 2r变换 从图5 2等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型的图b和图c中从两相静止坐标系到两相旋转坐标系d q变换称作两相 两相旋转变换 简称2s 2r变换 其中s表示静止 r表示旋转 把两个坐标系画在一起 即得图5 4 图5 4两相静止和旋转坐标系与磁动势 电流 空间矢量 图5 4中 两相交流电流i i 和两个直流电流id iq产生同样的以同步转速 s旋转的合成磁动势Fs 由于各绕组匝数都相等 可以消去磁动势中的匝数 直接用电流表示 例如Fs可以直接标成is 但必须注意 这里的电流都是空间矢量 而不是时间相量 d q轴和矢量Fs is 都以转速 s旋转 分量id iq的长短不变 相当于d q绕组的直流磁动势 但 轴是静止的 轴与d轴的夹角 随时间而变化 因此is在 轴上的分量的长短也随时间变化 相当于绕组交流磁动势的瞬时值 由图5 4可见 i i 和id iq之间存在下列关系 2s 2r变换公式 写成矩阵形式 得 5 8 5 9 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵 式中 两相旋转 两相静止坐标系的变换矩阵 对式 5 8 两边都左乘以变换阵的逆矩阵 即得 5 10 5 11 则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是 电压和磁链的旋转变换阵也与电流 磁动势 旋转变换阵相同 两相静止 两相旋转坐标系的变换矩阵 令矢量is和d轴的夹角为 s 已知id iq 求is和 s 就是直角坐标 极坐标变换 简称K P变换 图5 5 4 直角坐标 极坐标变换 K P变换 图5 5K P变换空间矢量 显然 其变换式应为 5 12 5 13 当 s在0 90 之间变化时 tan s的变化范围是0 这个变化幅度太大 很难在实际变换器中实现 因此常改用下列方式来表示 s值 5 14 式 5 14 可用来代替式 5 13 作为 s的变换式 这样 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 前已指出 异步电机的数学模型比较复杂 坐标变换的目的就是要简化数学模型 异步电机数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的 如果把它变换到两相坐标系上 由于两相坐标轴互相垂直 两相绕组之间没有磁的耦合 仅此一点 就会使数学模型简单了许多 异步电机在两相任意旋转坐标系 dq坐标系 上的数学模型 两相坐标系可以是静止的 也可以是旋转的 其中以任意转速旋转的坐标系为最一般的情况 有了这种情况下的数学模型 要求出某一具体两相坐标系上的模型就比较容易了 变换关系 设两相坐标d轴与三相坐标A轴的夹角为 s 而p s dqs为dq坐标系相对于定子的角转速 dqr为dq坐标系相对于转子的角转速 图5 6任意两相坐标变换空间矢量 要把三相静止坐标系上的电压方程 磁链方程和转矩方程 p94 都变换到两相旋转坐标系上来 可以先利用3 2变换将方程式中定子和转子的电压 电流 磁链和转矩都变换到两相静止坐标系 上 然后再用旋转变换阵C2s 2r将这些变量变换到两相旋转坐标系dq上 变换过程 具体的变换运算比较复杂 此处从略 需要时可参看相关参考文献 ABC坐标系 坐标系 dq坐标系 3 2变换 C2s 2r 矢量控制思想的引入 异步电机的动态数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 通过坐标变换 可以使之降阶并化简 但并没有改变其非线性 多变量的本质 需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计 但要完成这一任务并非易事 经过多年的潜心研究和实践 有几种控制方案已经获得了成功的应用 目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统 直流电机交流电机表达式一表达式二 图5 7异步电机矢量图 二 矢量控制系统的基本思路 在坐标变换章节中已经阐明 以产生同样的旋转磁动势为准则 在三相坐标系上的定子交流电流iA iB iC 通过三相 两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i i 再通过同步旋转变换 可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流id和iq 如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转 他所看到的便是一台直流电机 可以控制使交流电机的转子总磁通 r就是等效直流电机的磁通 如果把d轴定位于的方向上 称作M Magnetization 轴 把q轴称作T Torque 轴 则M绕组相当于直流电机的励磁绕组 im相当于励磁电流 T绕组相当于伪静止的电枢绕组 it相当于与转矩成正比的电枢电流 把上述等效关系用结构图的形式画出来 便得到图5 8 从整体上看 输入为A B C三相电压 输出为转速 是一台异步电机 从内部看 经过3 2变换和同步旋转变换 变成一台由im和it输入 由 输出的直流电机 图5 8异步电动机的坐标变换结构图3 2 三相 两相变换 VR 同步旋转变换 M轴与 轴 A轴 的夹角 异步电机的坐标变换结构图 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机 那么 模仿直流电机的控制策略 得到直流电机的控制量 经过相应的坐标反变换 就能够控制异步电机了 由于进行坐标变换的是电流 代表磁动势 的空间矢量 所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统 VectorControlSystem 控制系统的原理结构如下图所示 矢量控制系统原理结构图 图5 9矢量控制系统原理结构图 在设计矢量控制系统时 可以认为 在控制器后面引入的反旋转变换器VR 1与电机内部的旋转变换环节VR抵消 2 3变换器与电机内部的3 2变换环节抵消 如果再忽略变频器中可能产生的滞后 则图5 9中虚线框内的部分可以完全删去 剩下的就是直流调速系统了 设计控制器时省略后的部分 图5 10简化控制结构图 可以想象 这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静 动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美 三 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 问题的提出上述只是矢量控制的基本思路 其中的矢量变换包括三相 两相变换和同步旋转变换 在前述动态模型分析中 进行两相同步旋转坐标变换时 只规定了d q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度 并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置 对此是有选择余地的 按转子磁链定向 现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向 并称之为M Magnetization 轴 而q轴再逆时针转90 即垂直于转子总磁链矢量 称之为T Torque 轴 这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为M T坐标系 即按转子磁链定向 FieldOrientation 的坐标系 当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时 应有 5 15 5 16 按转子磁链定向后的系统模型 5 16 代入M T轴系的电压矩阵方程式 5 15 即得磁场定向的电压基本方程 由第三 四行可分别得到 5 17 和 5 18 分别带入 5 16 得 按转子磁链定向的意义 式 5 19 表明 转子磁链仅由定子电流励磁分量产生 与转矩分量无关 从这个意义上看 定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的 式 5 19 还表明 r与ism之间的传递函数是一阶惯性环节 时间常数为转子磁链励磁时间常数 当励磁电流分量ism突变时 r的变化要受到励磁惯性的阻挠 这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的 由式 5 20 和式 5 19 可分别得转差角频率公式 式 5 21 是在任意选取的MT坐标内电磁转矩的表达式 无论对动态还是稳态都是适用的式 5 22 是在已沿转子磁场定向的特定MT坐标内电磁转矩表达式 在转子磁场恒定或者变化时都适用 式 5 23 是在沿磁场定向的特定MT坐标内转子磁场恒定 即电机稳态运行时的电磁转矩表达式 式 5 19 5 24 和 5 22 构成矢量控制基本方程式 按照这些关系可将异步电机的数学模型绘成图5 11中的形式 图中前述的等效直流电机模型 见图5 8 被分解成 和 r两个子系统 可以看出 虽然通过矢量变换 将定子电流解耦成ism和ist两个分量 但是 从 和 r两个子系统来看 由于T同时受到ist和 r的影响 两个子系统仍旧是耦合着的 电流解耦数学模型的结构 图5 11异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型 按照图5 9的矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时 可设置磁链调节器A R和转速调节器ASR分别控制 r和 如图5 12所示 为了使两个子系统完全解耦 除了坐标变换以外 还应设法抵消转子磁链 r对电磁转矩Te的影响 图5 12矢量控制系统原理结构图 比较直观的办法是 把ASR的输出信号除以 r 当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消 且变频器的滞后作用可以忽略时 此处的 r 便可与电机模型中的 r 对消 两个子系统就完全解耦了 这时 带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统 可以采用经典控制理论的单变量线性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调节器A R和ASR 应该注意 在异步电机矢量变换模型中的转子磁链 r和它的定向相位角 都是实际存在的 而用于控制器的这两个量都难以直接检测 只能采用观测值或模型计算值 在图5 12中冠以符号 以示区别 解耦条件 因此 两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立 转子磁链的计算值等于其实际值 r 转子磁场定向角的计算值等于其实际值 忽略电流控制变频器的滞后作用 四 转子磁链模型 要实现按转子磁链定向的矢量控制系统 很关键的因素是要获得转子磁链信号 以供磁链反馈和除法环节的需要 开始提出矢量控制系统时 曾尝试直接检测磁链的方法 一种是在电机槽内埋设探测线圈 另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它磁敏元件 从理论上说 直接检测应该比较准确 但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题 而且由于齿槽影响 使检测信号中含有较大的脉动分量 越到低速时影响越严重 因此 现在实用的系统中 多采用间接计算的方法 即利用容易测得的电压 电流或转速等信号 利用转子磁链模型 实时计算磁链的幅值与相位 利用能够实测的物理量的不同组合 可以获得多种转子磁链模型 具体见书中P106 五 转速 磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统 如前所述 在矢量控制系统中 主要依赖于对转子磁链的检测和观察 不同的磁链观察模型 需要对不同基本量 电压 电流 转速及指令参数等 的检测 因而构成了各种矢量控制系统 电流控制变频器 电流控制变频器可以采用如下两种方式 电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 图5 13a 带电流内环控制的电压源型PWM变频器 图5 13b 带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统 1 电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 图5 13a电流控制变频器 2 带电流内环控制的电压源型PWM变频器 图5 13b电流控制变频器 3 转速磁链闭环微机控制电流滞环型PWM变频调速系统 另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环 如下图5 14所示 图中 作为一个示例 主电路采用了电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 电流滞环型PWM变频器 图5 14带转矩内环的转速 磁链闭环矢量控制系统 工作原理 转速正 反向和弱磁升速 磁链给定信号由函数发生程序获得 转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号 弱磁时它还受到磁链给定信号的控制 在转矩内环中 磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用 因而受到转矩内环的抑制 从而改造了转速子系统 使它少受磁链变化的影响 第6章基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 概述直接转矩控制系统简称DTC DirectTorqueControl 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 一 直接转矩控制系统的原理和特点 系统组成 图6 1按定子磁链控制的直接转矩控制系统 结构特点 转速双闭环 ASR的输出作为电磁转矩的给定信号 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 二 直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型 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 电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择 在图5 62所示的DTC系统中 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 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系统的调速范围受到限制 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 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 r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 r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 s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 下表列出了两种系统的特点与性能的比较 表6 1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较 注 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 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