DTC控制

直接转矩控制(DTC)技术概述1引言交流电机传动系统中的直接转矩控制技术是基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹(预先设定的轨迹，如六边形或圆形等)运动，对交流电机的电磁转矩与定子磁链直接进行闭环控制。最早提出的经典控制结构是采用bang-bang控制器对定子磁链与电磁转矩实施砰砰控制，分别将它们的脉动限制在预先设定的范围内。bang-bang调节器是进行比较与量化的环节，当实际值超过调节范围的上、下限时，它就产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。然后由该控制量直接决定出电压型逆变器输出的电压空间向量。这种经典的直接转矩控制技术具有:(1)非常简单的控制结构;(2)非常快速的动态性能;(3)无需专门的pwm技术;(4)把交流电机与逆变器结合在一起,对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能力;(5)前面叙述的实际被控量必须发生脉动才能产生合适的数字控制量，所以它不可避免地存在着一种与其特有的pwm技术密切相关的定子磁链与电磁转矩的脉动。2传统的直接转矩控制(dtc)方案直接转矩控制技术于上世纪80年代中期提出,当时的控制系统有两种典型的控制结构:德国学者的直接转矩自控制方案与日本学者的直接转矩与磁链控制方案。两者都属于直接转矩控制的范围，但仍有着较大的不同。下面对各种方案进行介绍与分析。2.1德国depenbrock教授的直接自控制(dsc)方案[1]直接自控制方案是针对大功率交流传动系统电压型逆变器驱动感应电机提出来的控制方案。由于当时采用大功率gto半导体开关器件，考虑到器件本身的开通、关断比较慢，还有开关损耗和散热等实际问题，gto器件的开关频率不能太高。当时的开关频率要小于1khz，通常只有500~600hz。而即便到现在，大功率交流传动应用场合中开关频率也只能有几khz。在较低的开关频率下，直接自控制方案采用的是利用两点式电压型逆变器的六个非零电压矢量，按照预先给定的定子磁链幅值指令顺次切换六个矢量，从而实现了预设的六边形定子磁链轨迹控制。在定子磁链自控制单元的基础上，通过实时地插入零电压矢量来调节电机的转矩在合适的范围内—这是转矩自控制单元的功能。在插入零矢量时，合适地交替选择两个零电压矢量可以起到减小gto开关频率的作用，如图1所示。图1德国depenbrock提出的直接自控制方案图2日本takahashi提出的直接转矩与磁链控制方案六边形定子磁链轨迹运行时，定子磁链中含有较多的谐波分量。经理论分析可以知道，定子磁链与转子磁链之间是一阶函数的关系。当低速特别是大负载时，此时的转子磁链不再是圆形，含有较多的谐波分量，使转矩的低频脉动明显化。对这种方案的改进可以采用下面几种:(1)引入多边形定子磁链轨迹的控制(但开关频率会增加),例如通过在合适的位置引入相应折角的方案,就可以显著减小逆变器直流环路中电流的6的整数倍数次谐波分量[1]。(2)从根本上来说，引入占空比的控制，以适当调节定子磁链旋转的平均角速度，那么就会显著减小低速时转矩的脉动。(3)引入采用空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)的间接定子量控制(isr)，可以在系统闭环控制周期较大的情况下仍有较好的静动态性能。2.2日本学者takahashi的dtc方案[2]该方案是现今研究最多的一种dtc方案，它采用了查询电压矢量表的方法来对定子磁链和电机转矩同时进行调节(如图2所示):根据定子磁链幅值与电机转矩的滞环式bang-bang调节器、定子磁链矢量空间位置形成查表所需的信息，从电压矢量表中直接查出应施加的电压矢量对应的开关信号，以此来控制逆变器。这种方案为了向理想的圆形磁链轨迹靠近，采用了准圆形定子磁链轨迹以保证定子磁链幅值基本不变。当然这也就使得开关频率有较大增加。这种dtc技术中不同的电压矢量表会对交流传动系统的静态、动态性能有很大的影响。例如选用反转的电压矢量可以大大加快系统的动态响应,可以防止定子磁链大幅度的减小即防止消磁的出现，但稳态时转矩有较大的脉动，同时开关频率也较大。而不采用反转的电压矢量就会出现消磁;再者，也会减慢转矩减小时的过渡过程，而其开关频率则会低一些。另外，采用不同阶数的滞环调节器、设置不同的滞环环差以及不同的负载及电机的速度都会影响逆变器实际的开关频率，这也是直接转矩控制技术的特点之一。下面对电机的电磁转矩在一个闭环控制周期内的增量进行分析。文献[3]中给出了类似下式的公式:上式中的是前一时刻的电机转矩，λ、β都是电机自身参数决定的常数;ts则是数字控制系统的闭环控制周期;ωr是电机转子的电角速度;是定子磁链矢量;是转子磁链矢量;θ是定转子磁链矢量的夹角;而是施加到电机定子上的电压矢量。可以看出:δte由三部分组成的，第一部分是由当前转矩决定的一个负的增量—它还与电机本身的一些参数(如漏磁系数)等及控制周期等有关，所以在确定的电机以及选定好的控制周期下，这一部分增量难以控制;第二部分显然与控制周期、电机当前转矩、电机的速度以及当前电机的负载角决定，它可以帮助我们对传动系统的响应进行分析;第三部分则主要是由定子电压矢量与转子磁链矢量来决定的。这一项非常重要:对于多数由电压型逆变器驱动的感应电机来说，控制的关键问题就是电压空间矢量的合理选择。欲对电机的转矩有较好的控制，主要任务就是要在电机定子上施加合适的。从上述公式中可以对直接转矩控制交流传动系统中的多数现象进行解释。例如，电机高速工况下要比低速时采用零电压矢量对转矩减小的效果更好(公式(3)中的负转矩增量较大些)。传统dtc方案均是直接利用逆变器本身输出的电压矢量，并且选中的电压矢量将作用整个控制周期，这也是dtc方案特有的pwm技术。因此dtc技术中无需使用其它的pwm单元，但由于所采用的电压矢量大小、方向均是固定不变的，因此必然导致很大的转矩脉动。转矩的脉动只能由转矩滞环式bang-bang调节器来限制，但由于控制系统的惯性，转矩脉动往往是会超出其预设范围的。3改进的dtc控制方案[3][4][5]前面已经提及传统直接转矩控制技术虽然具有简单的控制结构、快速的动态性能等优点，但它存在着与其特殊的pwm技术密切相关的定子磁链与电磁转矩的脉动，并且在低速时，转矩的脉动相当大，甚至有时电机的转速也有较大的波动，降低了传动系统低速运行时的稳定性。上面的分析也已经指出，为改善系统的性能，就要在电机定子上施加方向、幅值可调的电压矢量，因此这也就是本文对传统直接转矩控制技术进行改进的着眼点。电压矢量的调节方式暂分为以下三类:(1)对电压矢量幅值大小进行调节，方向仍然为其固有的六个方向;(2)增加一些较多方向且幅值也可有较多选择的电压矢量;(3)电压矢量可以取任意的方向和任意的幅值。上述三种方案由前到后，系统的性能可以有更好的改善，但系统的控制结构与控制算法的复杂性也增加一些，并且一般情况下，开关频率也随之增加。第一种方案中，可以引入占空比的控制。简单的说，即是调节某一个电压矢量在整个控制周期内作用的时间分额。在考虑占空比时，又有两种方案可选:一种是稳态占空比—着重考虑电机的速度，同时为了改善动态性能，又必须考虑到定子磁链幅值与其给定值之间的差值以及转矩实际值与给定值之间的差值等;另一种是瞬态占空比控制—每个控制周期内的占空比均须通过实时计算得到，例如计算出以减小转矩脉动为目的而需施加的电压矢量的一个分量，进而就可算出占空比。前者基本不改变传统直接转矩控制系统的简单结构，但却可以在低速时极大地减小转矩的脉动;并且选择好适当的占空比，该系统的动态响应也基本不会变慢。第二种方案是利用svpwm技术将两电平逆变器与三电平逆变器及多电平逆变器联系起来的一种方案。例如，如将两电平逆变器原有的电压矢量仅仅作用半个控制周期，就相当于在整个控制周期内作用的是具有原先幅值一半的同向的电压矢量，如图3(b)所示。图3(a)为两点式逆变器输出的六个非零电压矢量，图3(b)中的六个小矢量就是采用上述方法派生出来的，同样也可以派生出别的幅值。类似的，采用svpwm技术可以生成一些具有别的方向上的电压矢量，如图3(c)所示。本方案的目的是在采用传统dtc技术(bang-bang调节器以及电压矢量开关表)基础上，如何能发掘两电平逆变器(和别的较少电平的逆变器)的能力而提出的。通过上述的合成新型电压矢量的技术，可以派生出如图3(d)所示的(当然可以更多)类似三电平逆变器的电压矢量图，这样就相当于大大扩充了电压矢量表中供选取的电压矢量数目。在低速时，小幅值电压矢量在满足控制需求的前提下，可以大幅度地减小转矩的脉动。故该方案可以比前述方案取得更好的控制效果。图3电压矢量的扩充图第三种方案使用到任意方向、任意幅值(当然是在逆变器的输出能力范围内)的电压矢量，这就需要使用新型的svpwm-dtc控制系统。该系统也称为间接定子量控制系统，该系统仍然是基于定子两相静止坐标系，与传统dtc不同的是，它对定子磁链与电机转矩都分别采用经典的pi调节器进行闭环控制，并由其输出共同合成电压矢量的指令值。这里又有基于定子静止坐标系和基于同步旋转坐标系等不同的方案。虽然这些方案的控制结构会复杂一些，当由于运用了较成熟的svpwm技术，可以使逆变器输出幅值和方向均可调的电压矢量，所以传动系统的稳态性能会更好一些，基本上可以取得与矢量控制系统相当的性能。4多电平电压型逆变器在dtc系统中的应用[6][7]多电平由于具有管子耐压低一些、输出波形更好等优点，所以受到越来越多的注视。但与此同时，它也存在着管子数量多、控制更复杂、潜在的管子直通的类型也更多、可能性也更大，同时还伴有中点电位偏移等问题，所以在控制中要多加注意。dtc技术中引入多电平逆变器，自然大大增加了电压矢量的数目，使系统控制中的灵活性大大增加。但同时也必须解决随之而来的一些问题，例如需解决中点电位偏移、各电压矢量之间如何安全过渡等问题。一种较为通用的方法是:把多电平逆变器引入到上述的svpwm-dtc系统中。这样一方面可以结合已经较为成熟的svpwm技术，另一方面又可以大大改善dtc系统的性能。5dtc交流传动系统设计的考虑dtc交流传动系统在应用中尚没有成熟，因而在系统设计中会遇到许多棘手的问题，下面略作讨论。从公式(1)～(4)中都可以看出，较小的控制周期ts可以实现对转矩的更精确的控制。但它不可能无限制地减小。数字控制系统中数字控制器的控制周期可以减小到多少，这主要是由其运算速度以及所需完成的任务量决定的。另外它也会对逆变器的开关频率有影响。至于逆变器的开关频率可以达到多少,一方面要考虑电力半导体开关器件的性能,另一方面还要考虑到开关损耗、系统的散热条件等因素。另外传动系统中电机中电流的谐波会影响其性能及使用寿命,所以设计中也需要考虑到。因此作为一个设计者，在设计一个dtc系统时，需要综合考虑到上面三个较为一般的要求与下面三个对前述几个指标密切相关的因素。dtc技术采用不同的电压矢量开关表、不同阶数的以及具有不同滞环环差的bang-bang调节器等各种条件下，系统的性能都不尽相同。例如转矩的滞环环差直接影响逆变器的开关频率，而定子磁链的环差则与电流的谐波分量密切相关。文章的前部分也提到不同的开关表对系统的静动态性能以及逆变器的开关频率都有影响。例如当整个系统的硬件设备都已经确定下来时，那么在硬件允许下，控制周期较小些，有利于提高系统的性能。同时依据传动系统对系统静态和动态性能要求来选择合适的电压矢量表以及转矩与定子磁链各自的误差带。若传统dtc的某些性能达不到系统综合性能的要求，那就可以尝试设计文章后半部分提到的改进型的dtc系统。