交流电机变频调速和应用第三章-直接转矩控制2013
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➢ VC系统强调 Te 与Ψr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； ➢ 但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影
响，降低了系统的鲁棒性。
• DTC系统特点
➢ DTC系统则实行 Te 与Ψs bang-bang控制，避 开了旋转坐标变换，简化了控制结构；
➢ 控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参 数变化的影响；
控制特点
与VC系统一样，它也是分别控制异步电动 机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC 系统与VC系统不同的特点是：
（1）直接转矩控制基于在定子坐标系下建立的 交流电动机数学模型，它不需要等效、模仿直 流电动机的控制，省掉了矢量旋转变换等复杂 的变换与运算，因此，它所需要的信号处理工 作比较简单。
3.5 无速度传感器变频调速系统
➢ 该系统实时检测定子电流和电压，作为转子磁 链观测器的输入信号。
➢ 磁链观测器根据定子电流和电压观测转子磁链， 并估算定子电流转矩分量。
➢ 利用定子电流转矩分量给定值与其估算值的误 差，通过PI自适应调节器获得转速观测值，
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 目前，实际使用的无速度传感器变频调速系 统的主要性能如下：
_
+－
磁链 观测
M
测速
3~
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 在无速度传感器矢量控制变频调速系统中， 在不同速度范围和运行工况下准确地辩识电机的 转速一直是人们研究的重点，科研工作者在这方 面做了大量的工作。目前这方面的方法主要有模 型参考自适应辩识方法（MRAS）、扩展卡尔曼 滤波法（EKF）和齿谐波法等。
2）转矩和磁链的控制采用双位式 bang-bang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，从而避开了将定子电流 分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变 换和电流控制，简化了控制器的结构。
3）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。
u（6 101）
3.4.1 基本思路
❖ 在直接转矩控制系统中，磁 链和转矩都是通过双位调节 器来控制的，其基本思路是 给定一个磁链圆环形误差带， 通过不断选取合适的电压矢 量，强迫 Ψs 的端点不超出 环形误差带，于是就控制了 定子磁链。
3.4.2 直接转矩控制系统的原理
逆变器异 步电动机
图3-19 直接转矩控制系统原理框图
结构特点
ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 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。
转矩和磁链的控制器 用滞环控制器或bang-bang控制器取代通常 的PI调节器。
电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择
在图3-19所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给 定和反馈信号进行bangbang控制，按控制程序查 表选取电压空间矢量的作 用顺序和持续时间。
Ψsα
t
0 (usα Rsisα )dt
t
Ψsβ 0 (usβ Rsisβ )dt
Ψ
* s
Ψ
2 sα
Ψ
2 sβ
4）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的快速
性也是有限的。
DTC系统存在的问题
3.5 无速度传感器变频调速系统
矢量控制和直接转矩控制技术需要通过测速发 电机或测速码盘实现转速闭环。但由此在实际应 用中带来了以下问题： ✓ （1）高精度的速度传感器价格昂贵，增加了系 统的成本； ✓ （2）速度传感器多数由电子电路构成，其抗电 磁干扰的能力较差， ✓ （3）速度传感器存在安装问题。
调速范围
静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂
无
有
不够宽
比较宽
❖ 由于它们各自的特色，在应用领域上各有侧 重。矢量控制系统更适用于宽范围调速系统和伺 服系统，而直接转矩控制则更适用于需要快速转 矩响应的大惯量运动控制系统（如电气机车）。
❖ 鉴于两种控制策略都还有不足之处，目前两 种系统的研究和开发工作都在朝着克服其缺点的 方向发展，对矢量控制系统的进一步研究工作主 要是提高其控制的鲁棒性，对直接转矩控制系统 的进一步研究工作则主要集中在提高其低速性能 上。
原理和性能。
思考题
❖ 1.异步电机的坐标变换是在哪三个坐标系下?各有 何特点?
❖ 2.异步电机矢量控制方程包括哪些?是如何得到的? ❖ 3. 矢量控制与直接转矩控制的性能有何异同? ❖ 4.矢量控制的基本思路是什么？
选择=结果
汇报结束 谢谢观看！ 欢迎提出您的宝贵意见！
1）由于采用bang-bang控制，实际转矩必然在上 下限内脉动，而不是完全恒定的。
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。
这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而 使DTC系统的调速范围受到限制。
❖ 世界上的工业发达国家，如德国、日本、 美国等，都竞相发展此项新技术。如集 团总部位于瑞士苏黎世的ABB公司生产 的ACS600、ACS800系列变频器、 IGCT三电平高压变频器ACS1000。
❖ 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效 果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形， 而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的 概念。
3.4.1 基本思路
❖ 定子电压空间矢量：
B
u
(010)
3
Im
u
(110)
2
u(4 011)
u1(R1e00A)
六边形磁链存在的问题 ▪圆形磁链的实现
u(5 001) C
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.
➢
1985年由德国鲁尔大学Depenbrock
教授提出。
3.4.1 基本思路
❖ 直接转矩控制是基于在定子坐标系下（ 坐标系）建立的交流电动机数学模型，直接控 制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代 替转子磁链定向。它不需要模仿直流电动机的 控制，所需要的信号处理工作比较简单。
❖ 现代交流调速系统
第3章
高动态性能变频调速系统
主讲教师：崔纳新
本章提要
❖ 三相异步电动机的动态数学模型 ❖ 坐标变换和动态数学模型的简化 ❖ 矢量控制的变频调速系统 ❖ 直接转矩控制变频调速系统 ❖ 无速度传感器变频调速系统
3.4 直接转矩控制变频调速系统
❖概 述
➢
直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 无速度传感器变频调速技术是为了 实现与高性能有速度传感器矢量控制或 直接转矩控制相当的转速和转矩控制性 能，用于对转速控制有一定的要求，但 又不适宜安装速度传感器的场合。
*
AS Te*
PI iT*
+_
R
- Te
VR-1
+－
*
磁 链 iM*
2/3
+－
VSI
+
调节
❖ 目前，直接转矩控制技术已成功地应用 在电力机车牵引的大功率交流传动上。
3.4.5 直接转矩控制与矢量控制
DTC系统和VC系统都 是已获实际应用的高性能 交流调速系统。两者都采 用转矩（转速）和磁链分 别控制，这是符合异步电 动机动态数学模型的需要 的。两者在控制性能上各 有千秋。
• 矢量控制系统特点
❖ （1） 速度精度达到0.2%。 ❖ （2）在1：10的速度范围内，转速上升时间
小于100ms。 ❖ （3）系统的调速范围可以达到1：120，少数
可达到1：200。
本章小结
本章学习的重点是基于异步电动机动态数学 模型的高性能变频调速原理。要求学生了解和掌 握的内容有： 掌握异步电动机动态数学模型的性质。 掌握坐标变换的基本思路。 掌握矢量控制基本方程。 了解基于动态模型的变压变频调速系统的工作
➢ 但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差， 调速范围受到限制。
表3-1列出了两种系统的特点与性能的比较。
表3-1 直接转矩控制和矢量控制的特点与性能比较
性能与特点 磁链控制
直接转矩控制系统 定子磁链
矢量控制系统 转子磁链
转矩控制
ห้องสมุดไป่ตู้
bang-bang控制，脉动
连续控制，比较平滑
坐标变换
转子参数变化影 响
➢ 实行连续控制，可获得较宽的调速范围； ➢ 但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影
响，降低了系统的鲁棒性。
• DTC系统特点
➢ DTC系统则实行 Te 与Ψs bang-bang控制，避 开了旋转坐标变换，简化了控制结构；
➢ 控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参 数变化的影响；
控制特点
与VC系统一样，它也是分别控制异步电动 机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC 系统与VC系统不同的特点是：
（1）直接转矩控制基于在定子坐标系下建立的 交流电动机数学模型，它不需要等效、模仿直 流电动机的控制，省掉了矢量旋转变换等复杂 的变换与运算，因此，它所需要的信号处理工 作比较简单。
3.5 无速度传感器变频调速系统
➢ 该系统实时检测定子电流和电压，作为转子磁 链观测器的输入信号。
➢ 磁链观测器根据定子电流和电压观测转子磁链， 并估算定子电流转矩分量。
➢ 利用定子电流转矩分量给定值与其估算值的误 差，通过PI自适应调节器获得转速观测值，
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 目前，实际使用的无速度传感器变频调速系 统的主要性能如下：
_
+－
磁链 观测
M
测速
3~
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 在无速度传感器矢量控制变频调速系统中， 在不同速度范围和运行工况下准确地辩识电机的 转速一直是人们研究的重点，科研工作者在这方 面做了大量的工作。目前这方面的方法主要有模 型参考自适应辩识方法（MRAS）、扩展卡尔曼 滤波法（EKF）和齿谐波法等。
2）转矩和磁链的控制采用双位式 bang-bang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，从而避开了将定子电流 分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变 换和电流控制，简化了控制器的结构。
3）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。
u（6 101）
3.4.1 基本思路
❖ 在直接转矩控制系统中，磁 链和转矩都是通过双位调节 器来控制的，其基本思路是 给定一个磁链圆环形误差带， 通过不断选取合适的电压矢 量，强迫 Ψs 的端点不超出 环形误差带，于是就控制了 定子磁链。
3.4.2 直接转矩控制系统的原理
逆变器异 步电动机
图3-19 直接转矩控制系统原理框图
结构特点
ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 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。
转矩和磁链的控制器 用滞环控制器或bang-bang控制器取代通常 的PI调节器。
电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择
在图3-19所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给 定和反馈信号进行bangbang控制，按控制程序查 表选取电压空间矢量的作 用顺序和持续时间。
Ψsα
t
0 (usα Rsisα )dt
t
Ψsβ 0 (usβ Rsisβ )dt
Ψ
* s
Ψ
2 sα
Ψ
2 sβ
4）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的快速
性也是有限的。
DTC系统存在的问题
3.5 无速度传感器变频调速系统
矢量控制和直接转矩控制技术需要通过测速发 电机或测速码盘实现转速闭环。但由此在实际应 用中带来了以下问题： ✓ （1）高精度的速度传感器价格昂贵，增加了系 统的成本； ✓ （2）速度传感器多数由电子电路构成，其抗电 磁干扰的能力较差， ✓ （3）速度传感器存在安装问题。
调速范围
静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂
无
有
不够宽
比较宽
❖ 由于它们各自的特色，在应用领域上各有侧 重。矢量控制系统更适用于宽范围调速系统和伺 服系统，而直接转矩控制则更适用于需要快速转 矩响应的大惯量运动控制系统（如电气机车）。
❖ 鉴于两种控制策略都还有不足之处，目前两 种系统的研究和开发工作都在朝着克服其缺点的 方向发展，对矢量控制系统的进一步研究工作主 要是提高其控制的鲁棒性，对直接转矩控制系统 的进一步研究工作则主要集中在提高其低速性能 上。
原理和性能。
思考题
❖ 1.异步电机的坐标变换是在哪三个坐标系下?各有 何特点?
❖ 2.异步电机矢量控制方程包括哪些?是如何得到的? ❖ 3. 矢量控制与直接转矩控制的性能有何异同? ❖ 4.矢量控制的基本思路是什么？
选择=结果
汇报结束 谢谢观看！ 欢迎提出您的宝贵意见！
1）由于采用bang-bang控制，实际转矩必然在上 下限内脉动，而不是完全恒定的。
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。
这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而 使DTC系统的调速范围受到限制。
❖ 世界上的工业发达国家，如德国、日本、 美国等，都竞相发展此项新技术。如集 团总部位于瑞士苏黎世的ABB公司生产 的ACS600、ACS800系列变频器、 IGCT三电平高压变频器ACS1000。
❖ 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效 果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形， 而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的 概念。
3.4.1 基本思路
❖ 定子电压空间矢量：
B
u
(010)
3
Im
u
(110)
2
u(4 011)
u1(R1e00A)
六边形磁链存在的问题 ▪圆形磁链的实现
u(5 001) C
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.
➢
1985年由德国鲁尔大学Depenbrock
教授提出。
3.4.1 基本思路
❖ 直接转矩控制是基于在定子坐标系下（ 坐标系）建立的交流电动机数学模型，直接控 制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代 替转子磁链定向。它不需要模仿直流电动机的 控制，所需要的信号处理工作比较简单。
❖ 现代交流调速系统
第3章
高动态性能变频调速系统
主讲教师：崔纳新
本章提要
❖ 三相异步电动机的动态数学模型 ❖ 坐标变换和动态数学模型的简化 ❖ 矢量控制的变频调速系统 ❖ 直接转矩控制变频调速系统 ❖ 无速度传感器变频调速系统
3.4 直接转矩控制变频调速系统
❖概 述
➢
直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 无速度传感器变频调速技术是为了 实现与高性能有速度传感器矢量控制或 直接转矩控制相当的转速和转矩控制性 能，用于对转速控制有一定的要求，但 又不适宜安装速度传感器的场合。
*
AS Te*
PI iT*
+_
R
- Te
VR-1
+－
*
磁 链 iM*
2/3
+－
VSI
+
调节
❖ 目前，直接转矩控制技术已成功地应用 在电力机车牵引的大功率交流传动上。
3.4.5 直接转矩控制与矢量控制
DTC系统和VC系统都 是已获实际应用的高性能 交流调速系统。两者都采 用转矩（转速）和磁链分 别控制，这是符合异步电 动机动态数学模型的需要 的。两者在控制性能上各 有千秋。
• 矢量控制系统特点
❖ （1） 速度精度达到0.2%。 ❖ （2）在1：10的速度范围内，转速上升时间
小于100ms。 ❖ （3）系统的调速范围可以达到1：120，少数
可达到1：200。
本章小结
本章学习的重点是基于异步电动机动态数学 模型的高性能变频调速原理。要求学生了解和掌 握的内容有： 掌握异步电动机动态数学模型的性质。 掌握坐标变换的基本思路。 掌握矢量控制基本方程。 了解基于动态模型的变压变频调速系统的工作
➢ 但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差， 调速范围受到限制。
表3-1列出了两种系统的特点与性能的比较。
表3-1 直接转矩控制和矢量控制的特点与性能比较
性能与特点 磁链控制
直接转矩控制系统 定子磁链
矢量控制系统 转子磁链
转矩控制
ห้องสมุดไป่ตู้
bang-bang控制，脉动
连续控制，比较平滑
坐标变换
转子参数变化影 响