直接转矩控制与DTC讲述

交流同步电机矢量控制与DTC系统的原理分析与比较交流同步电动机交流同步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析交流电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能交流电动机的调速方案。以永磁式同步电机（PMSM）为例研究和分析交流同步电机的调速方案。永磁式同步电机控制系统具有更高的运行速度，运行性能更稳定，位置控制能力更强。永磁式同步电动机具有简单的结构、小巧的体积、良好的功率因素、较高的效率和易于维护保养等特点。一.PMSM的数学模型永磁同步电机的空间矢量图如右图所示。图中:θr为转子的位置角;β为定子电流矢量is为在d-q坐标系中的相位角;δs为定子磁链矢量ψs在D-Q坐标系中的相位角;δsm为定子磁链与转子磁链之间的夹角,又称之为负载角。PMSM的矢量图PMSM的数学模型由图可推导出转矩角的表达式为：式中：、：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb）；：转子永磁磁链（Wb）；id、iq：定子电流is在d、q坐标系下的分量（A）；Lq：定子电感的d轴分量，即交轴电感（H）；Ld：定子电感的q轴分量，即直轴电感（H）。)(tan)/(tan11fddqqsdsqiLiLPMSM的两种调速策略矢量控制和直接转矩控制（DTC）是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统。矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将电机电流分解为转矩电流和励磁电流，并分别加以控制，从而获得高性能的控制效果。直接转矩控制基于定子磁场定向，以电机转矩为控制对象，通过实时观测电机转矩和定子磁链，利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器功率器件的开关状态，输出合理的电压矢量,达到对转矩和定子磁链控制的目的。二.矢量控制技术1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制（VC）原理，由此交流电机矢量控制得到了广泛地应用。矢量控制借助于坐标变换，将实际的定子三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，把交流电动机模拟成直流电动机，控制概念明确。矢量变换运算矢量控制原理：矢量控制是以矢量变换为工具，将定子电流矢量分解为两个相互垂直的分量：一个相当于直流电动机磁场电流称为励磁电流分量；另一个相当于电枢电流称为转矩电流分量。对各自独立的两个电流分量进行控制就构成了转矩瞬时值的矢量控制。矢量控制的数学模型Clarke变换将定子电流iA、iB、iC通过三相／二相坐标变换(Clarke变换)等效成两相静止坐标系下的交流电流isα、isβ，再通过按转子磁场定向的旋转变换(Park变换)，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流ism、ist，如式（1）和（2）。FβFαFaFbFc60°60°矢量控制的数学模型空间坐标变换Park变换βαiTsinφiMcosφiTcosφiMsinφTФ,MiαiMiβi1（F1）φθ1γiTφ矢量控制的数学模型坐标变换等效结构图经过坐标变化从而得到等效成直流电动机模型，可以采用控制直流电动机方法控制交流电动机，实现对电机电磁转矩的动态控制，获得良好的调速性能。磁通的计算矢量变换的关键是将电流和磁通矢量变换到磁场定向的M-T坐标系上来。因此，能否准确地计算磁通Ф，将直接影响到控制系统的精度。（1）电压模型法磁通计算公式：1112111MMLLiLiuridt'2221'211MMMMLLiLiLLLiL电压模型计算法只适用于高速运行，在低速运行时，难以进行精确计算。磁通的计算（2）电流模型法转子磁通Ф2与励磁电流i1M成正比，转子电路具有阻碍磁通变化的作用，成为一阶滞后环节：2121MMLiTSi1Ti1MKr'2ω1-ω2ω2（测速机）两相振荡器sinφcosφФ2LM1+T2Sω1电流模型法的磁通运算器基于SVPWM的矢量控制SVPWM控制也称作磁链跟踪控制，着眼于逆变器和电机构成的整体，目的是使交流电机通入三相对称正弦电流后在电机的定子内圆形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。控制系统原理图如下图所示，共由速度环PID控制和速度检测模块、电流环与磁链模块、坐标变换模块、SVPWM模块和逆变器模块五部分组成基于SVPWM的矢量控制系统基于SVPWM的矢量控制系统结构图矢量控制的特点及存在问题特点•转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦。•采用连续PID控制，转矩与磁链变化平稳。存在问题•电机转子参数（特别是电阻）受环境温度影响较大，干扰磁链定向的准确性。•需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。三.直接转矩控制技术1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理——直接转矩控制（即DTC）。DTC技术采用定子磁场定向，借助于离散的双位式调节器（砰-砰控制器）对转矩和磁链调节产生PWM，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，其控制简单，转矩响应迅速。直接转矩控制的核心问题除转矩和磁链砰-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准确获得。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在直接转矩控制中，电机的定子磁链是通过控制电机的端电压来加以控制的。下图是电压型逆变器供电的永磁同步电机直接转矩控制系统的主电路。PMSMdcU-+ASBSCSAiBiCi电压型逆变器电压空间矢量SA、SB、SC分别表示逆变器三相的开关状态，SA=1，表示U相的上桥臂导通，SA=0，表示U相的下桥臂导通。三个开关量SA、SB、SC共有八种组合，分别是：(SA、SB、SC)=(000),(101),(100),(110),(010),(011),(001),(111)。这八种组合中，组合(000)和(111)状态下，电动机的电压均为零，称为零电压状态，其他六种组电压空间矢量Us是由逆变器的开关状态（SA、SB、SC）得到的，六种有效电压状态可以得到六个空间电压矢量。用下式可以计算出U1、U2……U6六个空间电压矢量的幅值和位置。)(323432jcjbaseueuuU根据计算出其它电压矢量的幅值和位置。由U1、U2……U6将定子空间圆等分为6个扇区，如右图所示。电压空间矢量电压空间矢量θnsisrU4U6U2U3U1U5定子电压空间矢量与磁链的关系定子磁链s(t)与定子电压us(t)之间的关系为：公式表示：忽略定子电阻Rs上压降，定子磁链空间矢量s沿着电压空间矢量Us的方向，以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量s的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。dtRtitutssss))()(()(在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当s处于扇区U6时，为了控制s沿顺时针方向旋转，应当选择U4（100）、U5（101）。当磁链幅值达到上限时应选择U5（101），当磁链幅值达到下限时选择U4（100）。反之，当需要磁链作逆时钟旋转时，对应扇区U6时应选取U2（010）、U3（011）。定子电压空间矢量与磁链的关系定子电压空间矢量对转矩的影响当施加超前定子磁链的电压矢量时，使定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁链夹角加大，相应转矩增加。如果施加零矢量或滞后矢量时，相当于定子磁链矢量停滞不前或反转，而转子磁链继续旋转，相应转矩减小。转矩和磁链砰-砰控制控制直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现，采用砰-砰控制。转矩滞环和磁链滞环的控制原理如图所示。转矩滞环比较器磁链滞环比较器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1D1DTDTD开关状态选择（函数）是一个三元函数U=f（，，）1DTD)(N开关状态的选择电压矢量的选择下面以定子磁链逆时针在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减小磁链：增大转矩：u2减小转矩：u0/u7大幅减小转矩：u1电压空间矢量分布图开关状态选择表ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuuuu01uuuuuu-1uuuuuu11uuuuuu-1uuuuuu)(N1DTD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转矩模型结构定子磁链模型（1）定子电压模型法定子磁链可以在坐标下写出如下关系式：；由此，用下图所示的电压模型结构可求得定子磁链。dtiRu)(1111dtiRu)(1111定子电压磁链模型框图定子磁链模型（2）电流模型法在额定转速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：电流磁链模型电路框图直接转矩控制系统直接转矩控制原理图Ψ×iRsRs逆变器2323EsαEsβψsαψsβ转矩观测Te*Te-+isβisα-+-+usβusαiaibuaucabcM3～ub磁链观测磁链角与磁链幅值计算+-*r速度调节器-+*s)(nsseT优化开关表电压矢量+-UdcPWM控制直接转矩控制特点不需要旋转坐标变换，有静止坐标系实行Te与Ψs砰-砰控制，简化控制结构。选择定子磁链做被控量，计算磁链模型不受转子参数变化的影响，提高系统的鲁棒性。采用直接转矩控制，能获得快速的转矩响应。直接转矩存在问题由于转矩和磁链采用砰-砰控制，开关频率不确定，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。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。系统的定子磁链的轨迹是正六边形，因而定子电流含有高次谐渡分量，其中五次和七次谐波对控制系统和电网的影响最为严重。在低速运行时，开关频率越低转矩脉动越大，影响系统调速性能。四.矢量控制与DTC特点与性能比较性能与特点矢量控制DTC磁链控制转子磁链闭环控制定子磁链闭环控制转矩控制连续控制，比较平滑砰-砰控制，有转矩脉动电流控制闭环控制无闭环控制坐标变换旋转坐标变换，较复杂静止坐标变换，较简单磁链定向按转子磁链定向需知道定子磁链矢量的位置，但无需定向调速范围比较宽不够宽转矩动态响应不够快较快五.PWM控制的基本原理PWM控制技术重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲三相SPWM逆变电路三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d´U、d´V和d´W，同一时刻三相调制波电压之和为零，利用下式：可简化三相SPWM波的计算43'''cWVUT23cWVUT三相SPWM逆变电路分析应用较多的公用载波信号时的情况，在其输出线电压中，所包含的谐波角频率为：式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，不含低次谐波载波角频率c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是c±2r和2c±r。rckn。,2,116,1,016mmmmkPWM逆变电路谐波的分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr