直接轉(zhuǎn)矩控制與DTC

1、交流同步電機(jī)矢量控制與DTC,系統(tǒng)的原理分析與比較,交流同步電動(dòng)機(jī),交流同步電動(dòng)機(jī)具有非線(xiàn)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)。,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:r為轉(zhuǎn)子的位置角;為定子電流矢量is為 在d-q坐標(biāo)系中的相位角;s

2、為定子磁鏈?zhǔn)噶縮在 D-Q坐標(biāo)系中的相位角;sm為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角 ,又稱(chēng)之為負(fù)載角。,PMSM的矢量圖,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）； L q ：定子電感 的d軸分量，即交軸電感（H）； L d ：定子電感 的q軸分量，即直軸電感（H）。,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

3、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。,二. 矢量控制技術(shù),1971年德國(guó)西門(mén)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。,矢量變換運(yùn)算,矢量控制原理：矢量控制是以矢

4、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(chēng)為勵(lì)磁電流分量；另一個(gè)相當(dāng)于電樞電流稱(chēng)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。,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is、is，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）。,矢量控制的數(shù)學(xué)模型,空間坐標(biāo)變換,Park 變換,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

5、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。,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，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。,磁通的計(jì)算,（2）電流模型法 轉(zhuǎn)子磁通2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,基于SVPWM的矢量控制,SVPWM 控制也稱(chēng)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(chēng)

6、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。 控制系統(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,基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng),基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,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。,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

7、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。,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)。,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

8、。,電壓型逆變器,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(chēng)為零電壓狀態(tài)，其他六種組,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

9、量的幅值和位置。,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,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)。,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)噶康姆较颉＠绠?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

10、（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,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。,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

11、環(huán)比較器,磁鏈滯環(huán)比較器,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,電壓矢量的選擇,下面以定子磁鏈逆時(shí)針在區(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,開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表,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

12、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),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,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,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖,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s 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)

13、矩響應(yīng)。,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。,四. 矢量控制與DTC特點(diǎn)與性能比較,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

14、脈沖,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dU、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,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(xiàn)電壓中，所包含的諧波角頻率為： 式中，n=1,3,5,時(shí)，k=3(2m1)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c2r和2cr。,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

15、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wc2wr和2wcwr。 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。,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PMSM三相電流中將不可避免地產(chǎn)生PWM高頻諧波。 PWM諧波電流分量的存在，使得逆變器的渦流損耗、噪音及電動(dòng)機(jī)的損耗、電磁干擾、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，從而使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，減少了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。 目前，有關(guān)減少或消除PWM諧波的方法有，正弦波PWM技術(shù)（SPWM），選擇諧波消除PWM技術(shù)（SHPWM），PWM自適應(yīng)諧波控制，中性點(diǎn)鉗位型PWM逆變器等。,靜止無(wú)功補(bǔ)償（SVC）技術(shù),根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC 技術(shù)分為：自飽和電抗器型（SSR Selfsaturable Reactor） 、晶閘管相控電抗器型（TCR Thyristor Controlled Reactor）、晶閘管投切電容器型（TSCThyristor Switched Capcitor） 、高阻抗變壓器型（TCT）和勵(lì)磁控制的電抗器型（AR）等。 SVC具有較強(qiáng)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，可以消除沖擊電流和高次諧波，進(jìn)行快速頻繁操作。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功出力，抑制波動(dòng)沖擊負(fù)荷運(yùn)行時(shí)引起的母線(xiàn)電壓變化，有利