直接轉(zhuǎn)矩控制與

（優(yōu)選）直接轉(zhuǎn)矩控制與當(dāng)前1頁(yè)，總共42頁(yè)。交流同步電動(dòng)機(jī)交流同步電動(dòng)機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動(dòng)態(tài)模型出發(fā)，分析交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案。以永磁式同步電機(jī)（PMSM）為例研究和分析交流同步電機(jī)的調(diào)速方案。永磁式同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行速度，運(yùn)行性能更穩(wěn)定，位置控制能力更強(qiáng)。永磁式同步電動(dòng)機(jī)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、小巧的體積、良好的功率因素、較高的效率和易于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。當(dāng)前2頁(yè)，總共42頁(yè)。一.PMSM的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的空間矢量圖如右圖所示。圖中:θr為轉(zhuǎn)子的位置角;β為定子電流矢量is為在d-q坐標(biāo)系中的相位角;δs為定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻在D-Q坐標(biāo)系中的相位角;δsm為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角,又稱之為負(fù)載角。PMSM的矢量圖當(dāng)前3頁(yè)，總共42頁(yè)。PMSM的數(shù)學(xué)模型由圖可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩角的表達(dá)式為：式中：、

：定子磁鏈在d、q坐標(biāo)系下的分量（Wb）；

：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈（Wb）；id、iq：定子電流

is在d、q坐標(biāo)系下的分量（A）；Lq：定子電感

的d軸分量，即交軸電感（H）；Ld：定子電感

的q軸分量，即直軸電感（H）。當(dāng)前4頁(yè)，總共42頁(yè)。PMSM的兩種調(diào)速策略矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是兩種基于動(dòng)態(tài)模型的高性能的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，利用解耦思想將電機(jī)電流分解為轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，并分別加以控制，從而獲得高性能的控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制基于定子磁場(chǎng)定向，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，利用滯環(huán)控制器和開(kāi)關(guān)選擇表控制逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出合理的電壓矢量,達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制的目的。當(dāng)前5頁(yè)，總共42頁(yè)。二.矢量控制技術(shù)1971年德國(guó)西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于交流電機(jī)坐標(biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制（VC）原理，由此交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。矢量控制借助于坐標(biāo)變換，將實(shí)際的定子三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的解耦控制，把交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，控制概念明確。當(dāng)前6頁(yè)，總共42頁(yè)。矢量變換運(yùn)算矢量控制原理：矢量控制是以矢量變換為工具，將定子電流矢量分解為兩個(gè)相互垂直的分量：一個(gè)相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)電流稱為勵(lì)磁電流分量；另一個(gè)相當(dāng)于電樞電流稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。對(duì)各自獨(dú)立的兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制就構(gòu)成了轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值的矢量控制。當(dāng)前7頁(yè)，總共42頁(yè)。矢量控制的數(shù)學(xué)模型Clarke變換將定子電流iA、iB、iC通過(guò)三相／二相坐標(biāo)變換(Clarke變換)等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流isα、isβ，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)變換(Park變換)，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流ism、ist，如式（1）和（2）。當(dāng)前8頁(yè)，總共42頁(yè)。矢量控制的數(shù)學(xué)模型空間坐標(biāo)變換Park變換當(dāng)前9頁(yè)，總共42頁(yè)。矢量控制的數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)變換等效結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變化從而得到等效成直流電動(dòng)機(jī)模型，可以采用控制直流電動(dòng)機(jī)方法控制交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制，獲得良好的調(diào)速性能。當(dāng)前10頁(yè)，總共42頁(yè)。磁通的計(jì)算矢量變換的關(guān)鍵是將電流和磁通矢量變換到磁場(chǎng)定向的M-T坐標(biāo)系上來(lái)。因此，能否準(zhǔn)確地計(jì)算磁通Ф，將直接影響到控制系統(tǒng)的精度。（1）電壓模型法磁通計(jì)算公式：電壓模型計(jì)算法只適用于高速運(yùn)行，在低速運(yùn)行時(shí)，難以進(jìn)行精確計(jì)算。當(dāng)前11頁(yè)，總共42頁(yè)。磁通的計(jì)算（2）電流模型法轉(zhuǎn)子磁通Ф2與勵(lì)磁電流i1M成正比，轉(zhuǎn)子電路具有阻礙磁通變化的作用，成為一階滯后環(huán)節(jié)：電流模型法的磁通運(yùn)算器當(dāng)前12頁(yè)，總共42頁(yè)?；赟VPWM的矢量控制SVPWM控制也稱作磁鏈跟蹤控制，著眼于逆變器和電機(jī)構(gòu)成的整體，目的是使交流電機(jī)通入三相對(duì)稱正弦電流后在電機(jī)的定子內(nèi)圓形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩?？刂葡到y(tǒng)原理圖如下圖所示，共由速度環(huán)PID控制和速度檢測(cè)模塊、電流環(huán)與磁鏈模塊、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊和逆變器模塊五部分組成當(dāng)前13頁(yè)，總共42頁(yè)?；赟VPWM的矢量控制系統(tǒng)基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)前14頁(yè)，總共42頁(yè)。矢量控制的特點(diǎn)及存在問(wèn)題特點(diǎn)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦。采用連續(xù)PID控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)。存在問(wèn)題電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)（特別是電阻）受環(huán)境溫度影響較大，干擾磁鏈定向的準(zhǔn)確性。需要矢量變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算量大。當(dāng)前15頁(yè)，總共42頁(yè)。三.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)1985年德國(guó)魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出了不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理——直接轉(zhuǎn)矩控制（即DTC）。DTC技術(shù)采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的雙位式調(diào)節(jié)器（砰-砰控制器）對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，其控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。當(dāng)前16頁(yè)，總共42頁(yè)。直接轉(zhuǎn)矩控制的核心問(wèn)題除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的準(zhǔn)確獲得。如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)前17頁(yè)，總共42頁(yè)。電壓空間矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)控制電機(jī)的端電壓來(lái)加以控制的。下圖是電壓型逆變器供電的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路。電壓型逆變器當(dāng)前18頁(yè)，總共42頁(yè)。電壓空間矢量SA、SB、SC分別表示逆變器三相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，SA=1，表示U相的上橋臂導(dǎo)通，SA=0，表示U相的下橋臂導(dǎo)通。三個(gè)開(kāi)關(guān)量SA、SB、SC共有八種組合，分別是：(SA、SB、SC)=(000),(101),(100),(110),(010),(011),(001),(111)。這八種組合中，組合(000)和(111)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的電壓均為零，稱為零電壓狀態(tài)，其他六種組當(dāng)前19頁(yè)，總共42頁(yè)。電壓空間矢量Us是由逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)（SA、SB、SC）得到的，六種有效電壓狀態(tài)可以得到六個(gè)空間電壓矢量。用下式可以計(jì)算出U1、U2……U6六個(gè)空間電壓矢量的幅值和位置。當(dāng)前20頁(yè)，總共42頁(yè)。根據(jù)計(jì)算出其它電壓矢量的幅值和位置。

由U1、U2……U6將定子空間圓等分為6個(gè)扇區(qū)，如右圖所示。電壓空間矢量電壓空間矢量當(dāng)前21頁(yè)，總共42頁(yè)。定子電壓空間矢量與磁鏈的關(guān)系定子磁鏈s(t)與定子電壓us(t)之間的關(guān)系為：公式表示：忽略定子電阻Rs上壓降，定子磁鏈空間矢量s沿著電壓空間矢量Us的方向，以正比于輸入電壓的速度移動(dòng)，通過(guò)逐步合理地選擇電壓矢量，可以使定子磁鏈?zhǔn)噶縮的運(yùn)動(dòng)軌跡納入一定的范圍，沿著預(yù)定的軌跡移動(dòng)。當(dāng)前22頁(yè)，總共42頁(yè)。在磁鏈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在每一個(gè)階段施加什么電壓矢量，不但要依據(jù)磁鏈偏差的大小，而且還要考慮磁鏈?zhǔn)噶康姆较?。例如?dāng)s處于扇區(qū)U6時(shí)，為了控制s沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)選擇U4（100）、U5（101）。當(dāng)磁鏈幅值達(dá)到上限時(shí)應(yīng)選擇U5（101），當(dāng)磁鏈幅值達(dá)到下限時(shí)選擇U4（100）。反之，當(dāng)需要磁鏈作逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)扇區(qū)U6時(shí)應(yīng)選取U2（010）、U3（011）。定子電壓空間矢量與磁鏈的關(guān)系當(dāng)前23頁(yè)，總共42頁(yè)。定子電壓空間矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響當(dāng)施加超前定子磁鏈的電壓矢量時(shí)，使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁鏈夾角加大，相應(yīng)轉(zhuǎn)矩增加。如果施加零矢量或滯后矢量時(shí)，相當(dāng)于定子磁鏈?zhǔn)噶客磺盎蚍崔D(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁鏈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)轉(zhuǎn)矩減小。當(dāng)前24頁(yè)，總共42頁(yè)。轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制控制直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制要通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用砰-砰控制。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)的控制原理如圖所示。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器磁鏈滯環(huán)比較器當(dāng)前25頁(yè)，總共42頁(yè)。規(guī)則如下：=1（增加磁鏈）

=0（減小磁鏈）=1（增加轉(zhuǎn)矩）=-1（減小轉(zhuǎn)矩）開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇（函數(shù)）是一個(gè)三元函數(shù)U=f（，，）開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇當(dāng)前26頁(yè)，總共42頁(yè)。電壓矢量的選擇下面以定子磁鏈逆時(shí)針在Ⅰ區(qū)的控制為例進(jìn)行說(shuō)明（設(shè)定子磁鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）增大磁鏈：增大轉(zhuǎn)矩：u6減小轉(zhuǎn)矩：u0/u7大幅減小轉(zhuǎn)矩：u5減小磁鏈：增大轉(zhuǎn)矩：u2減小轉(zhuǎn)矩：u0/u7大幅減小轉(zhuǎn)矩：u1電壓空間矢量分布圖當(dāng)前27頁(yè)，總共42頁(yè)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuuuu01uuuuuu-1uuuuuu11uuuuuu-1uuuuuu當(dāng)前28頁(yè)，總共42頁(yè)。電磁轉(zhuǎn)矩模型在直接轉(zhuǎn)矩控制中，需要實(shí)測(cè)電磁轉(zhuǎn)矩作反饋值。直接測(cè)量電磁轉(zhuǎn)矩在測(cè)量技術(shù)上有一定困難。為此，采用間接法求電磁轉(zhuǎn)矩。一般是根據(jù)定子電流和定子磁鏈來(lái)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可寫(xiě)為：轉(zhuǎn)矩模型結(jié)構(gòu)當(dāng)前29頁(yè)，總共42頁(yè)。定子磁鏈模型（1）定子電壓模型法定子磁鏈可以在坐標(biāo)下寫(xiě)出如下關(guān)系式：

；由此，用下圖所示的電壓模型結(jié)構(gòu)可求得定子磁鏈。定子電壓磁鏈模型框圖當(dāng)前30頁(yè)，總共42頁(yè)。定子磁鏈模型（2）電流模型法在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型結(jié)構(gòu)圖如下：電流磁鏈模型電路框圖當(dāng)前31頁(yè)，總共42頁(yè)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖當(dāng)前32頁(yè)，總共42頁(yè)。直接轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系實(shí)行Te與Ψs砰-砰控制，簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)。選擇定子磁鏈做被控量，計(jì)算磁鏈模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。采用直接轉(zhuǎn)矩控制，能獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。當(dāng)前33頁(yè)，總共42頁(yè)。直接轉(zhuǎn)矩存在問(wèn)題由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用砰-砰控制，開(kāi)關(guān)頻率不確定，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定的。由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)的定子磁鏈的軌跡是正六邊形，因而定子電流含有高次諧渡分量，其中五次和七次諧波對(duì)控制系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響最為嚴(yán)重。在低速運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率越低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，影響系統(tǒng)調(diào)速性能。當(dāng)前34頁(yè)，總共42頁(yè)。四.矢量控制與DTC特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)矢量控制DTC磁鏈控制轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)控制定子磁鏈閉環(huán)控制轉(zhuǎn)矩控制連續(xù)控制，比較平滑砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電流控制閉環(huán)控制無(wú)閉環(huán)控制坐標(biāo)變換旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單磁鏈定向按轉(zhuǎn)子磁鏈定向需知道定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢茫珶o(wú)需定向調(diào)速范圍比較寬不夠?qū)掁D(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快較快當(dāng)前35頁(yè)，總共42頁(yè)。五.PWM控制的基本原理PWM控制技術(shù)重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖當(dāng)前36頁(yè)，總共42頁(yè)。三相SPWM逆變電路三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d′U、d′

V和d′W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，利用下式：

可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算當(dāng)前37頁(yè)，總共42頁(yè)。三相SPWM逆變電路分析應(yīng)用較多的公用載波信號(hào)時(shí)的情況，在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為：式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…時(shí)，不含低次諧波載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是c±2r和2c±r。當(dāng)前38頁(yè)，總共42頁(yè)。PWM逆變電路諧波的分析使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一。三相和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。當(dāng)前39頁(yè)，總共42頁(yè)。PWM諧波電流影響采用PWM技術(shù)后，由于三相電壓為一系列方波信號(hào)，因此在