异步电动机的直接转矩控制系统吴学智.pptx

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1、直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算；直接转矩控制磁场定向采用的是定子磁链控制，只要知道定子电阻就可以观测出来，而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此大大减轻了控制性能受参数变化影响的问题；直接转矩控制采用空间矢量的概念分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。直接转矩控制系统的特点第1页/共39页直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。直接控制转矩：矢量控制是通过控制电流、磁链等量来间接控制转

2、矩，而直接转矩控制是把转矩直接作为被控量；对转矩的直接控制：通过两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的范围内。其控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而取决于转矩的实际状况。n直接转矩控制采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助了离散两点式调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号，直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态性能。直接转矩控制系统的特点第2页/共39页空间电压矢量如果三相交流电压是正弦波，相电压为：则复平面上的三相电压矢量可写为：直接转矩控制系统的原理第3页/共39页空间电压矢量a

3、、b、c分别表示电机定子三相绕组在空间分布的轴线，空间位置互差120度。三相定子电压UAO、UBO、UCO分别加在三相绕组上，可以定义三个电压矢量UAO、UBO、UCO，方向在各轴轴线上，大小随时间按正弦规律变化，时间相差120度。直接转矩控制系统的原理acbUA0UB0UC0 第4页/共39页空间电压矢量三相正弦电压空间矢量的合成空间矢量Us是一个旋转空间矢量，幅值是每相电压值的3/2倍，以电源角频率1做恒速同步旋转。同样，可以定义电流和磁链的空间矢量 和。直接转矩控制系统的原理UsbacUA0UB0UC01第5页/共39页逆变器供电的空间电压矢量三相电压型逆变器，有六个功率开关，有8种可能

4、的开关组合。规定a、b、c三相负载的某一相与直流母线正极接通时，该相开关状态为“1”态，反之，与负极接通时为“0”态，则八种开关模式得出的八种电压空间矢量直接转矩控制系统的原理abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur第6页/共39页电磁转矩控制原理第7页/共39页电磁转矩与定子磁链和转子磁链以及它们之间的夹角(磁通角)sr有关。实际运行中，一般保持定子磁链的幅值不变(为额定值)，以充分利用电动机的铁芯。若要改变电动机转矩的大小，可以通过改变sr，即改变定子磁链的旋转速度来实现。n如何改变定子磁链的旋转速

5、度？电磁转矩控制原理第8页/共39页直接转矩控制的基本思想是利用电压矢量来控制定子磁链的旋转速度（平均旋转速度s），从而改变磁通角sr的大小，达到控制转矩的目的。定子磁链与定子电压的关系p通过改变定子电压矢量的大小、方向及所作用的时间就能对定子磁链矢量进行调节。定子磁链的控制 第9页/共39页若由三相平衡正弦电压供电，则电机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转。磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场（一般称为磁链圆）。p其中，s是磁链的幅值，s为其旋转角速度。定子磁链的控制 旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系第10页/共39页上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与s(或供电电压频率

6、)成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。定子磁链的控制 旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系第11页/共39页定子磁链的控制 abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur电压型逆变器的输出电压矢量三相电压型逆变器输出的8种电压空间矢量。6个有效矢量，2个零矢量；改变逆变器输出状态可改变输出电压矢量。第12页/共39页定子磁链的控制 电压型逆变器的输出电压矢量为了方便起见，把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3。

7、abr)100(1Ur)110(2Ur)010(3Ur)011(4Ur)001(5U)101(6Ur)000(0Ur)111(7Ur第13页/共39页定子磁链的控制 在/3所对应的时间t内，施加u1的结果是使定子磁链 s产生一个增量，其幅值与|u1|成正比，方向与u1的方向一致：最后得到新的磁链为：在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。第14页/共39页定子磁链的控制 六脉波逆变器的磁链轨迹六边形旋转磁场每/3内输出保持不变，每隔/3切换一次输出状态。电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3。一个周期中6个电压空间矢量，形成一个封闭的正六边形。第

8、15页/共39页定子磁链的控制 直接转矩控制的实现在实际运行中，一般保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，而转子磁链幅值由负载决定；通过改变空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停以改变定子磁链的平均旋转速度，从而控制sr，以达到控制转矩的目的。第16页/共39页定子磁链的控制 磁链轨迹控制原理电压矢量的积分是磁链矢量。合理选择空间电压矢量，控制逆变器的开关持续时间，就可使磁链沿着一定轨迹变化，这就是磁链轨迹控制。如果交流电动机仅由常规的六脉波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得

9、更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。第17页/共39页定子磁链的控制 三相PWM逆变器产生多边形（近似圆形）旋转磁场b44tU r33tU r24tU r13tU rawssYvrYvsYv*2ABCDES(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)为了使定子磁链趋近于圆，对定子磁链矢量采用砰砰控制（Bang-Bang Control）：以s*所表示的圆为指令值，通过控制各电压矢量的作用时间来控制定子磁链在其指令值的边带范围内。第18页/共39页定子磁链的控制 圆形轨迹控制原理从A点到B点的路径有无数条。从A点出发沿顺时针方

10、向前进的矢量可以选择V4、V2、V6从保证电压矢量控制效果考虑选择V2、V6要有效地控制磁链轨迹，必须解决三个问题：u选择电压矢量；确定各电压矢量的作用时间；确定各电压矢量的作用次序。第19页/共39页圆形轨迹控制原理在如图所示的一个采样周期，选择的电压矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持续时间为t1,V6的持续时间为t2,V0的持续时间为t0。若采样周期为T，则有：T=t0+t1+t2积分近似公式有：Vobj=V2t1+V6t2 定子磁链的控制 第20页/共39页电压矢量合成的原理在如图所示的一个采样周期，选择的电压矢量包含V2，V6，V0或V7。V2的持续时间为t1,V6的持续时间为t

11、2,V0的持续时间为t0。若采样周期为T，则有：T=t0+t1+t2积分近似公式有：Vobj=V2t1+V6t2 电压矢量的合成 第21页/共39页由正弦定理得：由此可以推得：调制比为：电压矢量的合成 第22页/共39页从减少与设定磁链轨迹误差的角度考虑可将矢量作用时间分段；从开关次数的角度考虑插入零矢量的选择。电压矢量的合成 第23页/共39页七段式SVPWM开关状态变化图电压矢量的合成 第24页/共39页SVPWM后输出波形空间电压矢量 输出的端电压波形 磁链轨迹波形电压矢量的合成 第25页/共39页定子磁链的估算电压模型法用定子电压和定子电流确定定子磁链。直接转矩控制的实现 n电压模型法

12、模型简单，不受转子参数影响；p在低速时，误差比较大。第26页/共39页定子磁链的估算电流模型法：在两相坐标系下，电动机的电流模型：直接转矩控制的实现 电动机的定子磁链和转子磁链：第27页/共39页定子磁链的估算电流模型法：直接转矩控制的实现 n电动机的定子磁链和转子磁链：电流模型法计算定子磁链，精度不受转速降低的影响，p但受电动机转子参数（Tr）影响，在高速时不如电压模型，但在低速时比电压模型准确。第28页/共39页直接转矩控制的实现 定子磁链的估算u-n模型法：为了提高系统的调速性能，可将两种模型配合使用。第29页/共39页电磁转矩模型直接转矩控制的实现 第30页/共39页20世纪80年代，

13、德国学者提出的直接自控制（DSC,Direct self control）方案。六边形磁链轨迹直接转矩控制第31页/共39页日本学者提出的近似圆形磁链控制方案。圆形磁链轨迹直接转矩控制第32页/共39页直接转矩控制基本原理系统输入指令为转速r*；转速指令经速度调节器得转矩指令Te*；转速指令经函数发生器得定子磁链指令s*；转矩和定子磁链的反馈值由电机的端电压和电流计算得到。第33页/共39页与矢量控制相比，直接转矩控制对于磁场、转矩的控制都是通过对定子磁链的调节实现的，不需要进行旋转坐标变换，也不受转子参数变化的影响，在结构上要简单许多。但直接转矩控制对磁场、转矩采用砰砰控制，而不是连续控制，

14、因此会产生转矩脉动，降低了调速性能。矢量控制和直接转矩控制都可以实现较好的性能，两者各有特点，孰优孰劣，目前并尚无定论。直接转矩控制的特点第34页/共39页DTC控制和VC控制的特点和性能比较特点和性能DTCVC磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制Bang-Bang控制，脉动连续控制，平滑旋转坐标变换不需要需要转子参数影响无有调速范围不够宽较宽DTC与VC的特点比较第35页/共39页数学模型的变量选择VC按转子磁链定向与控制DTC按定子磁链控制控制方案和控制性能VC按转子磁链定向分解定子电流，采用线性调节器控制，有利于提高低速性能。DTC未分解定子电流，采用非线性砰-砰控制，使转矩得到快速的动态响应，但引起转矩脉动。n数学模型同样基于异步电动机的动态数学模型。n控制结构同样是转速、磁链分别控制。p因而都能获得较高的动态性能。DTC与VC的特点比较第36页/共39页直接转矩控制的原理与特点。SVPWM算法的实现原理及计算方法（7段式）。在电动机定子上施加电压矢量对磁链的影响。直接转矩控制的实现本章小结第37页/共39页说明直接转矩控制的特点和基本思想。什么是空间电压矢量？定子磁链与定子电压之间的关系。比较定子磁链的电压模型和电流模型的优缺点。电磁转矩与定转子磁链以及磁通角之间的关系。比较直接转矩控制系统和矢量变换控制系统的特点。思考题第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页