ACS800基本调试步骤

ACS800基本调试步骤
直接转矩控制（Direct Torque Control――DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control――DSC，直译为直接自控制，这种�D直接自控制‖的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。

直接转矩控制与矢量
控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控
量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩
进行直接控制的。

1985年德国鲁尔大学的狄普布洛克（M.Depenbrock）教授首先提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论，他称为Direct self-control――DSC。

这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。

直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获
得转矩的高动态性能。

它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换
中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流
电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机
参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出
同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机
模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一
步得到高性能动态转矩控制了。

需要说明的是，直接转矩控制的逆变器采用不同的开关器件，控制方法也有所不同。

直接转矩控制基本原理
直接转矩控制原理是利用测得的电流和电压矢量辨识定子磁链和转矩，并与磁链和转
矩给定值相比较，将其差值输入两个滞环比较器，然后根据滞环比较器的输出和磁链位置
从开关表中选择合适的电压矢量，进而控制转矩。

其原理框图如图1所示。

交流电机的转矩表达式如下：
式中：δ为定、转子磁链夹角，np为极对数。

转子磁链和定子磁链之间存在一个滞后惯性环节，当定子磁链改变时，认为转子磁链
不变。

因此，从式(1)知道，如果保持定子磁链的幅值恒定，通过选择电压矢量，使定子
磁链走走停停，改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变定、转子磁链夹角，就能够实现
对转矩的控制。

从这里看，直接转矩控制的关键在于如何保持定子磁链恒定和改变磁链夹角。

直接转矩控制自提出以来，各国学者对其进行不断改进，完善性能。

这些方案虽然方
法不同、原
理各异，但都是期望选取适当电压矢量来保证磁链的圆形轨迹，从而减小脉动。

3 直接转矩控制改进方案 3．1 改进磁链辨识方法
直接测量定子磁链很麻烦而且成本很高，通常采用一些容易得到的变量(如U、I)来进行估算。

常用的模型有U－I，模型、I-n模型和混合U-n模型。

U－I模型表达式如下：
它简单易实现，常用在高速场合，但采用纯积分器，因此存在累计积分误差、漂移和
饱和等问题，文献[2]给出一种低通滤波器取代纯积分器，并对其进行补偿，取得较好效果。

低速时，直接转矩控制系统中磁链、转矩脉动较大。

此时，定子电阻压降所占比例增大，不能忽略，经U－I，模型会产生误差，从而导致磁链和转矩脉动。

采用精确辨识定子电阻来补偿其压降。

当定子电阻压降得到合适的补偿，就能有效建立定子磁链，从而产生
电磁转矩。

其他还有一些智能技术，如神经网络、模糊技术也用于辨识定子电阻，具有良
好效果。

磁链辨识不精确，产生磁链转矩误差，从而选择错误的电压矢量，最终导致磁链
和转矩脉动。

有时未采用识别定子电阻，而是直接对磁链进行补偿以减小误差，这样就能
从DTC开关表选择正确的电压矢量来减小转矩和定子磁链的误差，并逐渐减小速度误差到零。

这两种方法可谓殊途同归。

3．2 细分滞环比较器容差
Bang－Bang控制是直接转矩控制系统的重要特点之一。

通常磁链、转矩滞环比较器由施密特触发器构成，分别采用两层和3层结构。

由于滞环控制器固有的特性，导致转矩波
动过大，影响其在高精度交流伺服控制系统中的应用。

文献[3]提出采用两级容错的滞环
比较器结构，它与传统的调节器相比，可多输出8种状态，以开关表包含更多的磁链和转
矩状态信息，更加细化了系统的运行特征，从而增强控制效果。

文献[4]提出采用三点式
转矩调节器，结合两点式磁链调节器，每个区间有4个工作电压矢量和2个零矢量，比传
统方案多2个工作电压矢量，以此获得近圆形的磁链。

当然也可以用PI取代转矩滞环控
制器。

其控制原理为：根据给定转矩与电机模型估计出转矩之差，经PI调节后得到电机
的转差角速度，结合电机转速计算出一个控制周期内定子磁链的角度增量。

由于当前控制
周期内的磁链矢量是已知量，从而实现对电机转矩和磁链控制的目的。

文献[5]提出注入
抖动法，在转矩和磁链滞环内叠加一个高频三角波，其幅值和滞环容差宽度相当，根据反
馈值、△ψ和载波比较，根据差值来选择适当的电压矢量。

三角波频率增大．开关频率也就得到提高。

容差分级没有一个明确的概念，是一个模糊量，因此文献[6]引入模糊控制
的概念，用模糊控制器取代滞环比较器和开关表，通过区分不同磁链误差和转矩误差大小，做出不同决策来优化开关状态的选取，从而改善系统性能。

而在采用SVM技术的直接转矩
控制系统中，由于是根据每个控制周期的磁链和转矩偏差来合成电压空间矢量，因此不再
需要滞环比较器和开关表(可抽象看成将容差分为无限细。

3．3 增加逆变器输出状态
在传统的直接转矩控制系统中，通常采用三相两点式逆变器．其结构如图2所示。

通过Sa、Sb、Sc组合操作，共有8种开关模式，对应6个工作电压矢量和2个零矢量。

由于工作电压数目有限，要想使磁链轨迹近似圆形，必然要频繁切换和引入大量零矢量，这样会导致开关频率不稳定，增加定子电流的高次谐波，对逆变器进行改进。

由普通
逆变器和Boost电路组成的多电平逆变器，可产生12个工作电压矢量。

这样就可以控制
磁链轨迹为十二边形或圆形，从而减小磁链脉动，同时减小逆变器开关频率。

三相IGBT3
点式逆变器，能提供19个工作电压矢量。

还有文献采用两个并联连接的逆变器产生18个
工作电压矢量，但其硬件结构复杂，本文不做介绍。

3．4 最优空间电压矢量调制
改进滞环调节器是通过细分滞环容差来提供更多的选择开关表机会。

改进逆变器是通
过硬件方式提供更多的空间电压矢量，但都受硬件结构影响，逆变器提供的电压矢量毕竟
有限。

直接转矩控制采用Bang-bang控制，简化了系统，但滞环比较器使得选择电压矢量
时只根据磁链、转矩误差的方向，而并没有准确计算误差大小，也没有足够多的电压矢量
以供选择，这是产生磁链、转矩脉动的根本原因。

因此，如何构成任意电压矢量以及精确
估算磁链、转矩误差，并以此来选择任意所需电压矢量是改善直接转矩控制低速性能的热
点之一。

3．4．1 空间矢量调制(SVM)
传统直接转矩控制中，由于采用滞环比较器，只有当磁链和转矩误差达到一定值时，
逆变器才有新的工作状态，且逆变器输出电压状态有限，必然产生较大的转矩脉动。

SVM
技术的基本思想是，在每一个循环控制周期中，通过计算得到一个能够恰好补偿当前定子
磁链和转矩误差的电压矢量，该电压矢量可以用两个相邻的基本工作电压矢量和零电压矢
量合成得到。

很显然，基于SVM技术的直接转矩控制算法可以有效地减小输出转矩的波动。

应该说，引入先进的控制策略都是基于电压空间矢量调制技术。

因为只有这样，系统才能
提供先进控制策略所需的任意大小和方向的电压矢量。

无差拍控制，是通过求解方程组得
到下一控制周期的最优电压矢量。

但这种方法存在计算时间过长不能保证方程组有解和依
赖电机参数的缺点。

磁链预测控制其实是一种改进的无差拍控制，利用零电压矢量和非零
电压矢量对磁链不同作用，预测下一控制周期使磁链误差最小的电压作用时间(非零电压
和零电压矢量)。

3．4．2 占空比技术
若设定逆变器开关频率为厂，在整个开关周期内，所选空间电压矢量一直作用于感应
电机，磁链、转矩都会朝一个方向变化。

在误差较小的情况下，所选的电压矢量在较短的
时间内就使转矩达到参考值，而余下的时间没有发生逆变器开关状态转换．所选择电压矢
量仍作用于电动机，使转矩继续沿原来方向变化，因而产生较大磁链和转矩脉动。

在每个
采样周期中，输出电压矢量只作用该周期的一部分时间，而剩余时间选择零电压矢量。

如
何确定每个采样周期中输出工作电压矢量的作用时间(即占空比)是占空比控制技术的核心
问题。

从这方面来看，占空比技术是利用所选电压矢量Vk和零矢量来合成所需电压矢量，因此，也是SVM技术的一个特例。

3．4．3 优化开关表
开关表是根据系统预先设置好的一些规则，规则的优化能对改善控制效果起到一定的
作
用，但毕竟传统直接转矩控制中只有6个工作电压和2个零电压矢量，开关表改进的
余地有限。

3．4．4 折角调制
六边形磁链轨迹中，谐波分量较大，有文献提出在正六边形的每个顶点的附近分别产
生一个对称的折角(缺口)，使其轨迹向圆心靠拢一些，能够起到了一定的作用。

六边形磁
链峰值进行折角处理，内折边平行于六边形相应的边，形成内陷十八边形磁链轨迹。

ACS800的工作方式：
下图介绍了如何通过PC机控制逆变单元的基本控制结构
PC机MASTER CH0 NDBU CH1 …………CH8 MASTER CH0 NDBU CH1 …………CH8 RMIO （CPU）MASTER APBU CH1…………………CH8
R8i ………………...R8i 整流（逆变）模块单元
NDBU模块作为光纤分配器，上与PC机相连，下面8个通道可与8个RMIO 相连，
（根据需要可在NDBU的CH0口进行扩展）。

RMIO是由控制板（相当于6SE70中的CUVC）
ＲＤＣＵ，带ＤＩ，ＤＯ，ＡＩ，ＡＯ等端口，还可以带一个ＲＰＢＡ，通过ＤＰ与自动
化实现通讯（此时硬件地址拨为０，可在软件中直接定义）。

卷曲电缆规格要求：变压器到传动柜，传动柜到电机全部要求三相均衡带总屏蔽的电缆，由于实际使用普通3+1带屏蔽电缆（A，B，C，N）。

对此情况，进行了电缆铺设改进
方案：将变压器到传动柜变压器侧电缆地线和屏蔽线悬空，做绝缘处理，传动柜到电缆换
接端子箱的端子箱侧接地线和屏蔽悬空，作绝缘处理。

端子箱到电机，电机侧接地线和屏
蔽悬空作绝缘处理。

ACS800基本调试步骤
一送电前检查
● 按照原理图检查柜内、柜间所有接线。

● 外部主线路检查。

● 外部辅助线路设置检查（风机、水等），定子温度传感器、编码器、风机运行反
馈检查。

二送电
●变压器送电
送电时，柜内所以开关处于打开位，电送到进线柜上口（分控制电上口和主电源上口），变压器主电断路器柜子上指示灯亮。

●控制电源送电
按照原理图，合开关从上口到下口合一个检查一个。

●400V的辅助主电送电●整流送电：
1 设置ME保护：I1=0.9+0.05、T1=24s、I3=4、 LnN=50HZ-OFF。

（额定电流1.95倍，延时24s跳闸，额定电流4倍，瞬间跳闸。

）
2 闭合传动单元的主电断路器，启动进线
侧的整流器。

3旋转柜门上的启动开关，从零位到 START 位持续 2 秒钟，然后释放开关并将其置到位 1。

4检查柜内风机是否正常启动三整流柜第一次启动时，进线侧整流器自动匹配供电电网。

用户不需要设置任何电网参数。

在进线侧辨识过程中，电网电压等级预测是基于
直流母线电压的测量。

如果进线电压在允许的限幅值内，辨识程序将检查电网的频率 (50 Hz 或 60 Hz) 和相序。

辨识期间进线侧整流器不可以加载。

修改参数
23.01 DC VOLT REF 640 定义中间直流回路给定值。

（通过修改这个参
数值，直流回路电压能比传统的六脉波二极管整流的输出电压高，从而可以补偿电网
电压偏低的情况。

）
24.01 无功功率（自动计算）电网功率因数过低时，进行补偿 24.04 定义无功
功率给定值
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