21-按定子磁链控制的直接转矩控制

电力拖动自动控制系统—运动控制系统第6章基于动态模型的异步电动机调速系统16.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统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。在转速环内，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。26.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。3稳态时转子磁链与定子磁链相对静止转矩不但与两者幅值有关还与其夹角有关，故改变夹角可达到调节转矩目的sin()eTesrsrTk46.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用以定子电流、定子磁链和转速为状态变量的动态数学模型21111()11()11()ppsqsdsdsqLsdssdsqsdsqssqsdsqsdsrrssdsdsqsdsqsrssrssqsqsrrssqsdsqsdsrssrsnndiiTdtJJdRiudtdRiudtdiRLRLuiidtLTLLLLdiuRLRLiidtLTLLLL(6-72)56.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩(-)epsqsdsdsqTnii使d轴与定子磁链矢量重合0sdssq66.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用异步电动机按定子磁链控制的动态模型2111()1()ppsqsLsssdsdsdsrrssdsdssqsrsrssqsqsrrssqssdsrssnndiTdtJJdRiudtdiLRLRuiidtLLLTLdiuLRLRiidtLLLL(6-95)76.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩定子磁链矢量的旋转角速度ssqpeinTs1ddtsqssqsuRi86.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用图6-36d轴与定子磁链矢量重合96.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用考虑到按定子磁链控制的动态模型1sqsssquRi21111()1111()()()ppsqsLsssdsdsdsrrssdsrrssdsdssqsdsssqsrsrssrsrssqsqsssdsqssssdrsrsnndiTdtJJdRiudtdiLRLRuLRLRuiiiidtLLLTLLLLTLdiiLiiLidtTLTL106.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用转差频率将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压矢量沿dq轴分解。d轴分量决定了定子磁链幅值的增减。q轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定转差频率和电磁转矩。1s116.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用两电平PWM逆变器可输出8个空间电压矢量，6个有效工作矢量，2个零矢量。将期望的定子磁链圆轨迹分为6个扇区。6个有效工作电压空间矢量，将产生不同的磁链增量。126.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用图6-37定子磁链圆轨迹扇区图136.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用图6-38电压矢量分解图a）第I扇区b）第III扇区146.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用当定子磁链矢量位于第I扇区时，2u当定子磁链矢量位于第III扇区时，的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。2u的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都减小。156.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用图6-39定子磁链与电压空间矢量图166.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用176.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用为“+”时，定子磁链幅值加大；为“-”时，定子磁链幅值减小；为“0”时，定子磁链幅值维持不变。d轴分量sdu186.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小。q轴分量squ196.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统图6-40直接转矩控制系统原理结构图206.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统图6-41带有滞环的双位式控制器AΨR和ATR分别为定子磁链调节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器。216.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统输出分别为定子磁链幅值偏差ΔΨs的符号函数Sgn（ΔΨs）和电磁转矩偏差ΔTe的符号函数Sgn（ΔTe）。P/N为给定转矩极性鉴别器，当期望的电磁转矩为正时，P/N=1，当期望的电磁转矩为负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数的控制效果是不同的。226.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统当期望的电磁转矩为正，即P/N=1时，若电磁转矩偏差ΔTe0，其符号函数Sgn（ΔTe）=1，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩加大。若电磁转矩偏差ΔTe0，其符号函数Sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。236.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统当期望的电磁转矩为负，即P/N=0时，若电磁转矩偏差ΔTe0，其符号函数Sgn（ΔTe）=0，应使定子磁场反向旋转，使实际电磁转矩反向增大；若电磁转矩偏差ΔTe0，其符号函数Sgn（ΔTe）=1，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。246.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统256.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链计算模型两相静止坐标系上定子电压方程ssssssssdRiudtdRiudt移项并积分后得()()ssssssssuRidtuRidt266.7.3定子磁链和转矩计算模型图6-42定子磁链计算模型276.7.3定子磁链和转矩计算模型转矩计算模型)i(inTsspss图6-43电磁转矩计算模型两相静止坐标系中电磁转矩286.7.4直接转矩控制系统的特点与存在的问题直接转矩控制系统的特点：（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，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，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。296.7.4直接转矩控制系统的特点与存在的问题（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也是有限的。306.7.4直接转矩控制系统的特点与存在的问题直接转矩控制系统存在的问题：（1）由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动；（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。316.7.5直接转矩控制系统的仿真仿真模型32传动系统模块内部结构图33转速控制器34直接转矩控制内部模块结构35转矩与定子磁链估计36磁链与转矩滞环37磁链区间判断38电压空间矢量选择表39仿真结果406.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较416.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较矢量控制系统通过电流闭环控制，实现定子电流的两个分量的解耦，进一步实现电磁转矩与转子磁链的解耦，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。按转子磁链定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。426.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较直接转矩控制系统采用双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接产生PWM驱动信号，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。43