§5.2直接转矩控制技术(DTC)

湖南大学电力电子与电机控制研究所15.2直接转矩控制技术(DTC)•概述•直接转矩控制的基本原理•定子电压矢量与定子磁链•定子电压矢量对磁链和转矩的影响•直接转矩控制系统的介绍•直接转矩控制技术与矢量控制技术的比较湖南大学电力电子与电机控制研究所2一、概述继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的DepenBrock又提出了交流电动机的直接转矩控制方法，其特点是直接采用空间电压矢量，直接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。湖南大学电力电子与电机控制研究所3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。湖南大学电力电子与电机控制研究所4直接转矩控制的特点：•控制思想简单•控制系统简洁明了•动、静态性能优良湖南大学电力电子与电机控制研究所5二、直接转矩控制的基本原理根据异步电机的数学模型，在坐标下空间矢量电压方程及转矩方程为：（2-1）（2-2）sinrsrsKKsssspiRu)(srrsmnemiiiiLPT)()(ssnssssniPiiP其中，均为空间矢量rsssiu、、、湖南大学电力电子与电机控制研究所6在转矩公式中，为定子磁链和转子磁链之间的夹角，称为磁通角。在控制过程中，为了充分利用铁心，应保持定子磁链的幅值为额定值，而转子磁链是由负载决定的，不能突变，因此要改变转矩的大小，可以通过改变磁通角来实现。ttr1图2-1磁链矢量图湖南大学电力电子与电机控制研究所7将定子电压的方程变形为：（2-3）忽略定子电阻后为：（2-4）将方程离散化得：（2-5）dtiRussss)(dtussssudtddtuttttsss2112)()(湖南大学电力电子与电机控制研究所8定子磁链矢量的轨迹将按式（2-5）规律变化。这样，可以通过控制定子电压空间矢量来控制定子磁链的幅值和旋转速度，从而在保持磁通恒定的情况下改变磁通角的大小达到改变转矩的目的。s图2-2定子磁链的轨迹湖南大学电力电子与电机控制研究所9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。sTsT图2-3直接转矩控制原理图湖南大学电力电子与电机控制研究所10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湖南大学电力电子与电机控制研究所11三、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。湖南大学电力电子与电机控制研究所12空间矢量的求法，即从三相静止坐标到两相静止坐标的变换（3φ~2φ变换）cbaTTTTT232302121132其中，为空间矢量在坐标轴上的分量为三相轴线的矢量的模TTcbaTTT湖南大学电力电子与电机控制研究所13用电压型逆变器供电的交流调速系统如下图所示，假设逆变器的功率开关器件用开关SA、SB、SC来代替，并且当上臂开关接通时为1，下臂开关接通时为0。每一个桥臂的上下两个开关是互补动作的，则定子各相电压对中心点分别为或者。dU21dU21图2-4电压型逆变器供电的交流调速系统示意图湖南大学电力电子与电机控制研究所14根据电压空间矢量的定义，用三相开关量表示瞬时空间电压为：（2-6）其中，为绝对变换系数。)(32),,(3432jCjBAdCBAeSeSSUSSSu32湖南大学电力电子与电机控制研究所15逆变器上下臂开关组合共有种状态，逆变器输出瞬时空间电压矢量分别有下列8种电压（2-7）823dUu32)0,0,1(13232)0,1,1(jdeUu32332)0,1,0(jdeUudUu32)1,1,0(434532)1,0,0(jdeUu35632)1,0,1(jdeUu0)1,1,1()0,0,0(70uu湖南大学电力电子与电机控制研究所16由式（2-6）可以看出，空间电压矢量只与三相桥臂的开关状态有关。由式（2-7）可以看出电压型逆变器的基本输出矢量共有8个（），其中0状态和7状态称为零矢量，其余6个为非零基本矢量，称为有效矢量。这6个非零矢量均匀分布在平面上，如右图所示：70~uu图2-5逆变器输出电压矢量湖南大学电力电子与电机控制研究所17四、定子电压矢量对磁链的调节作用将（2-7）代入（2-4）中可得：也就是说，定子磁通的运动方向基本是沿进行的，其运动速度快慢由电压幅值来确定。0siisstudtu)7,,1,0(issusu湖南大学电力电子与电机控制研究所18要保持磁链的幅值不变，可选取电压矢量使跟踪给定的，使其满足下述关系（2-8）s)(,,CBAsSSSUsssssss图2-6恒定圆轨迹控制湖南大学电力电子与电机控制研究所19在直接转矩控制下，电动机的磁通建立过程如右图所示。磁通建立几乎在瞬时完成，在开始阶段逆变器输出会持续输出一种状态较长时间，以便快速建立所需要的定子磁场。图2-9磁通建立过程湖南大学电力电子与电机控制研究所20为了确定各电压矢量作用区间，以轴为起点，沿顺时针方向把整个圆周分为六个扇区，如右图所示。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，对逆时针磁通，如扇区Ⅰ由、形成，扇区Ⅱ由、形成等等。2u6u2u3u图2-7扇区的划分湖南大学电力电子与电机控制研究所21例如，当定子原有磁链位于θ(Ⅱ)区域内，并有的值，如图2-6所示，如果要求逆时针旋转，则分别选择和就能满足式（2-8）的关系。只要定子磁链不出θ(Ⅱ)区，则反复施加和。但是，当进入θ(Ⅲ)区后，则反复选用和才能满足式（2-8）。这种控制叫电压空间矢量PWM控制，也叫磁链跟踪型PWM控制。显然，如果给定允许误差越小，那么一周内电压矢量改换的次数越多，电压矢量构成的多边形的边数越多，其轨迹越接近于半径为指定值的圆。sss2u3u3u3u1u2u湖南大学电力电子与电机控制研究所22如前所述，当忽略定子绕组电阻压降（该值一般很小）时，定子磁链的旋转速度与电压矢量幅值成正比。因此通过改变电压矢量的大小可以改变旋转磁场的速度即控制电机的转矩，进而控制转速。如果某时刻选取的是零电压矢量，则该时刻的磁链矢量的旋转速度近似为零。这样就可以通过选用适当的零电压矢量来降低定子磁链的平均旋转速度。湖南大学电力电子与电机控制研究所23图2-8电压矢量与相电压波形图a)选用非零电压矢量时的波形b)选用零电压矢量时的波形湖南大学电力电子与电机控制研究所24下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选取电压矢量时，磁链矢量的轨迹为一正六边形，而电机定子绕组相电压为一凸字形波如上图a)所示，如果在选用每一个非零电压矢量的期间中间分段两次插入零电压矢量，则原来凸字形相电压被斩波，变为上图所示b)所示的不连续的脉冲，相电压的周期增大，这是因为在选取零电压矢量的期间，磁链矢量的旋转速度为零，因而磁场旋转一周的时间变长，即电机的转速变慢。621,,uuu0u湖南大学电力电子与电机控制研究所25由电压和磁链的矢量图看，零电压矢量对应的是一个点，在该点磁链矢量原地不动，等转换到非零电压矢量后才继续旋转。从磁链的轨迹来看，仍是一个正六边形，只是每条边上多了两个点。然而由于这些点上的停顿，使磁链矢量旋转一周的时间变长，旋转磁场的平均速度减小，电机的转速降低。采用零电压矢量改变电机的电压，实际上是对电机的端电压进行斩波调压，使其幅值减小，从而达到降低磁链矢量旋转速度的目的。湖南大学电力电子与电机控制研究所26五、直接转矩控制系统图2-9直接转矩控制系统图湖南大学电力电子与电机控制研究所27上图为德国Dephenbrock教授提出的直接转矩控制系统，因为具有控制手段直接、结构简单、性能优良等特点而引起了人们的广泛关注。该方法摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁场定向转变为定子磁场定向，由于定子磁通只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大大减小。另外，直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁链偏差来确定电压矢量，不象矢量控制那样进行复杂的坐标转换，计算大大简化。湖南大学电力电子与电机控制研究所28在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在额定转速以下，使它保持常数，超过额定转速时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转矩和定子磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转换，通过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。dtKKTrrIrrpe)()(***湖南大学电力电子与电机控制研究所29开关状态的选择规则如下：=1（增加磁链）=0（减小磁链）=1（增加转矩）=-1（减小转矩）||||*ss||||*ss||||*eeTT||||*eeTTTDTD1D1D开关状态选择（函数）是一个三元函数U=f（，，）1DTD)(N湖南大学电力电子与电机控制研究所30下面以定子磁链在Ⅰ区的控制为例进行说明（设定子磁链逆时针旋转）增大磁链增大转矩：u6减小转矩：u0/u7大幅减小转矩：u5增大转矩：u2减小磁链减小转矩：u0/u7大幅减小转矩：u1湖南大学电力电子与电机控制研究所31开关状态选择表ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuuuu01uuuuuu-1uuuuuu11uuuuuu-1uuuuuu)(N1DTD湖南大学电力电子与电机控制研究所32电磁转矩模型在直接转矩控制中，需要实测电磁转矩作反馈值。直接测量电磁转矩在测量技术上有一定困难。为此，采用间接法求电磁转矩。一般是根据定子电流和定子磁链来计算电磁转矩。电磁转矩的表达式可写为：)(1111iipTe图2-9转矩模型结构湖南大学电力电子与电机控制研究所33定子磁链模型（1）定子电压电流磁链模型法定子磁链可以在坐标下写出如下关系式由此，用下图所示的电压电流模型结构可求得定子磁链。dtiRu)(1111dtiRu)(1111图2-10定子电压电流磁链模型湖南大学电力电子与电机控制研究所34定子电压电流磁链模型法优缺点优点：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。缺点：（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。湖南大学电力电子与电机控制研究所35（2）定子电流转速模型法在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速来正确计算，定子电流、转速磁链模型结构图如下图2-11定子电流转速磁链模型湖南大学电力电子与电机控制研究所36六、直接转矩控制技术与矢量控制技术比较由上表看出，如果能够在现有的直接转矩控制系统和矢量控制系统中取长补短，应该能够构成性能更优越的控制系统，这正是当前国内外的研究方向。湖南大学电力电子与电机控制研究所37本章小结•直接转矩控制是在定子坐标（）系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转变换对异步电动机的数学模型解耦简化，计算简单明了，物理概念清楚。•直接转矩控制仅用到了定子磁链，不用转子回路的参数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响。•直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动