研究生课件7 异步电动机直接转矩控制系统

转矩控制
n
按定子磁链定向将定子电压分解为两个分 量，usd 控制定子磁链幅值的变化率，usq 控制定子磁链矢量旋转角速度，再通过转 差频率控制定子电流的转矩分量 isq ，最后 控制转矩。
定子电压矢量的控制作用
n
当定子磁链矢量 位于不同扇区 时，同样的有效 工作电压矢量沿 d轴和q轴分解 所得的两个电压 分量不同，对定 子磁链与电磁转 矩的控制作用也 不同。
直接转矩控制系统特点
n
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。如果从数学模型推导 按定子磁链控制的规律，显然要比按转子 磁链定向时复杂，但是，由于采用了非线 性的双位式控制，不受这种复杂性的限制。
直接转矩控制系统特点
n
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。直接 转矩控制系统的电流耦合程度大于矢量控制系 统，一般不采用电流反馈控制，这样就必须注意 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。
（-，-）
（0，0）
定子电压矢量的控制作用分析
n
n
忽略定子电阻压降，当所施加的 u sd 为“+”时， 定子磁链幅值加大，为“0”时，定子磁链幅值维 持不变，为“-”时，定子磁链幅值减小。 当 u sq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“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，当为“-”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。
直接转矩控制系统和矢量控制系 统特点与性能比较
性能与特点 磁链控制 转矩控制 电流控制 坐标变换 磁链定向 直接转矩控制系统 定子磁链闭环控制 双位式控制，有转矩脉动 无闭环控制 静止坐标变换，较简单 需知道定子磁链矢量的位 置， 但无须定向 不够宽 较快 矢量控制系统 转子磁链闭环控制， 间接定向时是开环控制 连续控制，比较平滑 闭环控制 旋转坐标变换，较复杂 按转子磁链定向
异步电动机按定子磁链控制的直 接转矩控制系统
n
直接转矩控制系统简称DTC(Direct Torque Control)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。在它的转 速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的 电磁转矩，因而得名。
异步电动机按定子磁链控制的直 接转矩控制系统
disq
u sq Ls Rr + Lr Rs 1 =− ωψ s − (ω d − ω )isd + isq − σLs Lr σLs σLs dt
电磁转矩、旋转角速度
n
电磁转矩表达式
Te = n p isqψ s
n
定子磁链矢量的旋转角速度
ωd = dθψs dt = u sq − Rs i sq ψs
电磁转矩控制
n
当期望的电磁转矩为正时， P/N=1 ，当 电磁转矩偏差 ∆T = T − T > 0 时，其符号函 数 Sign(∆Te ) = 1 ，使定子磁场正向旋转，实 际转矩加大。 * Sign(∆Te ) = 0 ∆ T = T n 若电磁转矩偏差 e e − Te < 0 ， 一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩 减小。
n
结构特点
直接转矩控制系统原理结构图
ψ s*
ψs
−
Te*
AΨR
P/ N
Sign(∆ψ s )
Sign(Te* )
Sign ( ∆ Te )
sA sB
sC
ω*
−
ASR
ω
−
ATR
~
iA
M
Te
isβ
isα ϕ
ψ sα ψ sβ
isα
isβ
iB
uA
u sα
u sβ
ψs
uB
ω
FBS
直接转矩控制系统原理结构图
基于定子磁链控制的直接转矩控 制系统
n
以上分析了定子电压矢量的控制作用，进 一步的问题是如何根据定子磁链幅值偏差 的符号、电磁转矩偏差的符号，选取电压 空间矢量，以减小定子磁链幅值偏差和电 磁转矩偏差，实现电磁转矩与定子磁链的 控制。
直接转矩控制系统的原理和特点
n
系统组成
逆变器异 步电动机
按定子磁链控制的直接转矩控制系统
定子电压矢量对定子磁链与电磁 转矩的控制作用
n
为了分析电压矢量的控制作用，理解直接 转矩控制系统的基本原理，首先导出按定 子磁链定向的动态数学模型，然后分析电 压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制 作用。
按定子磁链定向的动态数学模型
n
以定子电流、定子磁链和转速为状态变量 的动态数学模型
2 np dω n p = (isqψ sd − isdψ sq ) − TL dt J J dψ sd = − Rs isd + ω1ψ sq + u sd dt dψ sq = − Rs isq − ω1ψ sd + u sq dt disd R L + R r Ls u 1 1 = isd + (ω1 − ω )isq + sd ψ sd + ωψ sq − s r dt σLsTr σLs σLs σLs Lr disq u sq Rs Lr + Rr Ls 1 1 = ψ sq − ωψ sd − isq − (ω1 − ω )isd + dt σLsTr σLs σLs σLs Lr
u3
u4
u2 u1
u5 u 6
u4 u5
ψ s2
d
u3
u2
ψ s1
u6
u1
u 0 , u 7为零矢量
定子磁链与电压空间矢量图
电压空间矢量分量的极性
u0
0 （0，0）
u1
（+，0）
u2
（+，+）
u3
（-，+） （-，+）
u4
（-，0）
u5
（-，-）
u6
（+，-）
u7
（0，0） （0，0）
0~
π 6
（0，0）
=− di sq dt =− =−
L s R r + Lr R s u 1 ψ s + ω s i sq + sd i sd + σLs Lr σLs Tr σLs 1 1 i sq + (ω d − ω )(ψ s − σLs i sd ) σTr σLs 1 1 ω s (ψ s − σLs i sd ) i sq + σTr σLs
n
由于在转速环里面设置了转矩内环，可以 抑制定子磁链对内环控制对象的扰动，从 而实现了转速和磁链子系统之间的近似解 耦，不再追求控制对象的精确解耦。
异步电动机按定子磁链控制的直 接转矩控制系统
n
根据定子磁链幅值偏差的符号和电磁转矩 偏差的符号，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。
异步电机按定子磁链定向的动态 模型
n
将 u sq = ψ sω d + Rs isq代入可得
2 np dω n p = i sqψ s− TL dt J J dψ s = − Rs i sd + u sd dt di sd L R + Lr R s u 1 =− s r ψ s + (ω d − ω )i sq + sd i sd + σLs Lr σLs Tr σLs dt
直接转矩控制系统存在的问题
n
采用双位式控制，实际转矩必然在上下限 内脉动； 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。
n
直接转矩控制系统与矢量控制系 统的比较
n
直接转矩控制系统和矢量控制系统都是已 获实际应用的高性能交流调速系统，两者 都基于异步电动机动态数学模型，采用转 矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异 步电动机高动态性能控制需要的，但两者 在具体控制方法和实际性能上又各有千 秋，表列出了两种系统的特点与性能的比 较。
按定子磁链定向
n
采用按定子磁链定向（仍用dq表示），使 d轴与定子磁链矢量重合，则
ψ s = ψ sd
n
ψ sq = 0
为了保证d轴始终与定子磁链矢量重合， 还应使
dψ sq dt
=0
异步电机按定子磁链定向的动态 模型
2 np dω n p = isqψ s− TL dt J J dψ s = − Rs isd + u sd dt disd Ls Rr + Lr Rs u sd 1 =− ψ s + (ω d − ω )isq + isd + σLs Lr σLsTr σLs dt
带有滞环的双位式控制器
n
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。
Sign(∆Te )
1
Sign(∆ψ s )
0
∆Te ∆ψ s
带有滞环的双位式控制器
给定转矩极性鉴别器
n
P/N为给定转矩极性鉴别器，当 电磁转矩给定值大于零时， P/N=1，反之， P/N=0。
异步电机按定子磁链定向的动态 模型
n n
转差频率 定子磁链幅值
ωs = ωd − ω
ψ s = ∫ (− Rs i sd + u sd )dt
n
交轴电流
Tr / Ls i sq = ω s (ψ s − σLs i sd ) σTr p + 1
转矩控制
n
一般所来 ψ s − σLs isd > 0，因此，当转差频 率 ω s > 0 时，电流增加，转矩也随之加 大；反之 ω s < 0 时，电流与转矩减小。 n 所以，可以通过 u sq 控制定子磁链的旋转 角速度 ω d，进而控制电磁转矩。
u sα
+
Rs
isα
usβ
−
−
1 p 1 ψ sβ p
ψ sα ψ s2α + ψ s2β
ψs
i sβ
+
Rs
tg −1
ψ sβ ψ sα
ϕ
定子磁链计算模型
电磁转矩计算模型
ψ sα
i sβ
ψ sβ
×
+
isα
×
−
np
Te
电磁转矩计算模型
直接转矩控制系统特点
n
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 产生电压的SVPWM波形，省去了旋转变 换和电流控制，简化了控制器的结构。
直接转矩控制系统的原理和特点
n
系统组成（减小转矩脉动）
按定子磁链控制的直接转矩控制系统
n
结构特点
p 转速双闭环
l ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； l 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变
化对转速子系统的影响，从而使转速和 磁链子系统实现了近似的解耦。 p 转矩和磁链的控制器 用滞环控制器取代通常的PI调节器。
III
ψ sIII
usd
电压矢量分解图
a）第I扇区
b）第III扇区
定子电压矢量的控制作用分析
n
现以第I扇区为例进行分析，并假定转 速 ω > 0 ，电动机运行在正向电动状态。 第I扇区的定子磁链与电压空间矢量图， 定子磁链矢量分别位于扇区的前30°和 后30°。
n
定子电压矢量的控制作用分析
n
将8个电压空间矢 量沿定子磁链矢量 方向和垂直方向分 解，分别得到它们 的电压分量和，两 ω 个分量的极性见表。
e * e e
电磁转矩控制
n
当期望的电磁转矩为负时P/N=0，当电 磁转矩偏差 ∆Te = Te* − Te < 0 时，符号函数 Sign(∆Te ) = 0 ，使定子磁场反向旋转，电 磁实际转矩反向增大。 * ∆ T = T Sign(∆Te ) = 1 n 若电磁转矩偏差 e e − Te > 0 ， 一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩反 向减小。
u3 u3
u4
u2
u2
ΙΙΙ
ψ sIII
ΙΙ
u4
u1
u5
u1
Ι
ψ sI
u6
u5
u6
IV
V
VI
定子磁链圆轨迹扇区图
第I扇区
n
当定子磁链矢量位于第I扇区时，施加电压 矢量，将沿的d轴和q轴方向分解得到的两 个分量均大于零，如图所示，这说明其作 用是在增加定子磁链幅值的同时使定子磁 链矢量正向旋转。
第III扇区
电磁转矩偏差关系
∆Te
T
* e
∆Te
Te
Te
Te*
Sign(∆Te )
0
1
P/ N =1
1
Sign(∆Te )
0
P/ N = 0
电磁转矩偏差关系图
定子磁链和转矩计算模型
n
直接转矩控制系统需要转矩和定子磁 链的反馈，而两者的直接检测相当困 难，常用动态数学模型计算定子磁链 和电磁转矩。
定子磁链计算模型
n
当定子磁链矢量位于第III扇区时，同样施 加电压矢量，将沿的d轴和q轴方向分解得 到的两个分量均小于零，如图所示，这说 明的作用是使定子磁链幅值减小，并使其 矢量反向旋转。 忽略定子电阻压降，零矢量和作用时，定 子磁链的幅值和位置均保持不变。
n
电压矢量分解图
u2
usq usd
Ι
ψ sI
u2
usq
（+，-）
（+，+）
（-，+）
（-，-）
（+，-）
π π ~ 6 3
π 3
π 6
（0，0）
（+，-）
（+，+）
（0，+）
（-，+）
（-，-）
（0，-）
（0，0）
（0，0）
（+，-）
（+，+）
（+，+）来自（-，+）（-，-）
（-，-）
（0，0）
（0，0）
（+，-）
（+，+）
（+，+）
（-，+）
（-，-）