异步电动机的直接转矩控制系统.docx

1、异步电动机的直接转矩控制系统异步电动机直接转矩控制系统1直接转矩控制简介直接转 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 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。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

2、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。直接转矩控制系统的主要特点有：（1） 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的 磁链和转矩。（2） 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观 测出来。（3） 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物 理量，使问题变得简单明了。（4） 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（ Band-Band）产生PWM

3、波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的 PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统 前，先从直接转矩控制的基本物理概念讲起。2直接转矩控制的基本物理概念2.1直接转矩控制中磁通和转矩的测量在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（ DTC ）占有很重要的地位。 DTC将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内， 这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范围内。图23.61 （a）

4、三相感应电机的单相等效电路图； （b）定子电压和电流的相量图在解释DTC技术前，先要搞清楚磁通和转矩将如何测量。图 23.61a所示的电路为一个三相感应电机的单相等效电路，该等效电路接了一个正弦交流电源。由图 23.61a可见定子电阻ri、定子漏磁通 ！、气隙磁通 、转子漏磁通 2、电阻%，其中电阻忆吸收了 传输到转子的有功功率 Pr。定子全磁通 S等于1和 之和，也就是 S 1 。推广到三相，转矩Tm可以表达为Tm 55 3 （ 13.9）在点4和点N之间吸收的有功功率 Pr E4NI2 o Pr和流入定子点2和点N的有功功率相等，这是因为无功元件 X1、Xm、X2并不消耗有功功率。因此可得

5、Pr E2NI1 COS s （23.6）其中：Pr为提供给转子的有功功率（ W ）； E2N为定子全磁通 s感应电压（V ）； I1为定子电流（A ）； s为E2N与I1的相位差。E2N不可测量，但是可以通过测量 E1N然后减去1洛得到。 s的大小正比于 E2N的大小，S滞后E2N 90 o图23.61b所示的相量图表示了定子电流、 定子电压以及定子电阻 r,两端电压三者之间的关系。 当知道E2N , I1以及s时，根据式13.9和式23.6可以计算出转矩。知道E2N便可以得到 s。在接下来的内容中，将忽略定子电阻 A。2.2通过滞环来控制磁通和转矩图23.62为感应电机供电的三相机械变流器

6、图23.62所示，一个三相感应电机由机械变流器供电。该机械变流器由三个双刀开关组Ed。开关的闭合和断开按照一成，可以提供六个开关状态。变流器连接到一个直流电压源个特殊的程序来执行。 和PWM技术不同的是，这个开关频率不是固定， 而是根据转矩Tm和定子磁通 S的瞬时值决定的。期望的 s可以是上限 A和下限 B之间的任意值。带宽越窄，磁通控制越准确。这种控制方法常被称作砰砰控制或滞环控制。当磁通下降到 B时，一个逻辑信号去切换变流器的开关状态以增大磁通。同样地，当磁通上升到 A时，一个逻辑信号去切换变流器的开关状态以减小磁通。假设转矩为期望值，当 s在滞环宽度内，开关状态不变。按照上述方法，S将在

7、 A和 B之间不断波动。相同的分析也可以用在转矩 Tm上，Tm必须保持在Ta 和TB之间，如图23.62所示。S的额定值对应于 A和 B两者的平均值。然而当电机运行在轻微过载的情况下，磁通并不需要运行在额定状态，此时可以减小 s以减少铁损。为了做到这点，可以在不改变滞环宽度的前提下减小 A和B。2.3转速控制转速的调节是通过控制转矩来实现的。当转速低于期望值时，控制系统提高 Ta和Tb，这样导致电机的转矩低于 Tb，此时系统将增大转矩，电机加速。当转速达到期望值时，转 矩Tm将在新的Ta和Tb的设定值内波动。同时，相同的开关状态使 s在 a和 b内。2.4两相电机中磁场的生成如图23.62,当

8、直流电压源Ed接到变流器时，电机是如何产生一个旋转磁场的呢？为了易于说明，可用两相电机来代替三相电机。 进一步将通过例题让读者更容易理解。 用相互垂 直的X绕组、Y绕组来代替定子三相绕组，如图 23.63所示。每极有10匝绕组，因此 捲和x2之间有总共20匝绕组。y和 y之间也是一样。X绕组和Y绕组分别产生磁通 x和 y，假设每极磁通为 25mWb。X绕组和Y绕组通过一个由4个开关组成的变流器连接到 200V直流电压源Ed上，如 图23.64所示。就X绕组而言，有四种连接到Ed “ +” “ -”的方式。X,和x2两端分别是（+-）、（-+ ）、（+）（-、。当两端极性相同时，两端明显是短路。

9、因此这四种方式就只有三种不同的连接方式。注意到 X绕组不能开路，流过 X绕组的电流I X在开关换流过程中不会断流。26.63标示可以得出Ex为正。当电压源“ + ”和“-”两极连接到X,端和X?端， x将是向右增大的。根据法拉第定律可以得到X 旦 （2.24）t N这里EX Ed 200V , N 20。因此可得 X 200 10Wb/s ,也就是等于 t 2010mWb/ms（因为开关周期特别短， 时间单位常采用毫秒）。当Ex为零（也就是短路），x 也就不变化，保持原值。相同的分析也可以用在 Y绕组。当Ed连接到Y绕组使得Ey 200V , y端为正，y端为负，这就使得 Y的变化率为 10m

10、Wb/ ms，方向向上。当 Ed连接到 Y绕组使得Ey 200V , y!端为负，y端为正，这就使得磁通 丫的变化率为 10mWb/ ms，方向向下。例23-7在某个时刻，假设 x为15mWb，正号（+、表明 x的方向向右。同时假设为8mWb，负号（-）表明 Y的方向向下。绕组 X和Y与Ed的连接方式突然变为如图23.65所示的那样。图23.65例23-7中使用的图请问a定子磁通 s的初始大小及其方向b 2.2ms后定子磁通 S的大小及其方向解a因为绕组X与绕组Y互差90，定子磁通 s的初始方向如图23.66所示。2 2S ，-, X Y152 ( 8)217mWb图23.66 （ a） s的

11、初始位置；（b） s的最终位置（见例 23-7）b如图23.65所示，由于X1相对于X2为负，可知Ex 200V ， x的变化率为10mWb/ms，方向向左。然而由于EY 0， Y并不改变，保持为 8mWb/ms。2.2ms中 x的变化量为2.2ms 10mWb/ms 22mWb ,可得2.2ms后 X为15mWb 22mWb 7mWb。在这2.2ms中，x先由15mWb降到0，然后反向变为7mWb，负号表示 x的方向向左。S I X Y(7)2 ( 8)210.6mWb可以看出，在2.2ms中S的方向角由 28o变为131,也就是顺时针旋转了 103，证明了可以通过开关的合适开通和关断可以生

12、成一个旋转的磁场。通过上述分析可见， 欲改变绕组中的磁通， 不是靠改变绕组中的电流， 而是靠改变接入绕组的直流电压源电压大小和持续时间的乘积，即伏秒特性。如直流电压源电压是固定的， 则接入时间愈长，则磁通愈大。2.5旋转磁场的生成现在来说明图23.63中的两相电机如何生成旋转磁场。为了把这个问题说清楚，将运用 六步开关方式来进行分析。 x和Y的额定值为25mWb。第一步(0 t 2.5ms)： Ex 200V ； EY 0Ex 200V和Ey 0。 x将以10mWb/ ms的变化率向右增大，并在 2.5ms后达到额定值25mWb。为了使得 x不超过额定值，在第一步结束的时候将 x-i和x2之间

13、短路。第二步(2.5ms t 5ms)： Ex 0 ； EY 200V当X1和X2之间仍保持短路的情况下，调整开关状态使得 Ey 200V。本来初始为零的 Y将立即方向向上增大。保持Ey 200V的情况下 Y增大到25mWb的时间t 25mWb/(10mWb/ms) 2.5ms。由于 Y不能超过25mWb，所以在第二步结束的时候要将y1和y2之间短路，得的 Ey 0。第三步(5ms t 10ms)： Ex 200V ； Ey 0这一步在x绕组上加负电压。 x将以10mWb/ ms的变化率向左增大。 由于 x的初始值为 25mWb,X将在2.5ms后变为零。如果保持 Ex200V ,x将继续向左

14、反向增大，在2.5ms后变为 25mWb。此时将x1和x2之间短路。25mWb，第四步(10ms t 15ms)： Ex 0 ； EY 200VEy 200V， y将以10mWb/ms的变化率向下反向增大。5ms后此时将y1和y2之间短路。第五步(15ms t 20ms)： Ex 200v ； EY 0x向右增大。当 x达到25mWb时，此时将X1和X2之间短路。第六部(20ms t 22.5ms): Ex 0 ； EY 200V25mWb，所以y将以10mWb/ ms的变化率向上正向增大。由于 丫的初始值为2.5ms后 Y变为零。通过上述分析，可以看到 S正好旋转一周。ms22$图23.67

15、在不同时刻时磁通s的幅值和方向Ex、ey、 x、形波。图23.67对于观察Y 25mWb，则图23.68 EX、Ey、 x、 y的瞬时值Y的瞬时值如图23.68所示，Ex和Ey为矩形波,S的空间方向特别有用处。例如,在t 6ms时，xx和 y为梯15mWb ,(15)2 (25)229.1mWb59Y 25S arcta n arcta nx 15S旋转一周的时间为20ms，也就是说转速为每秒 50转或3000r / min。从图23.67的正方形图中，可以看到 4个角的 S可达到35mWb，大于额定值（25mWb） 40%，这种情况必须被校正。2.6磁通的控制通过为 s设置上下限，通过开关状

16、态的配合切换可以获得一个更加接近圆形的磁通。例如要把磁通限制在 1 pu （额定值）与1.12 pu之间，可以以这两个值为半径做两个同心圆， 选择适当的开关方式， 使 S限制在25mWb和28mWb之间变化。图23.69中S 一周开关 切换20次，而图23.67中每周只有4次，但前者 s的精度保持在26.5 6%。图23.69 s的运动轨迹图23.70 EX、Ey、 x、 y的瞬时值开关每秒钟需要切换的次数为 44/20ms=2200次/s。可见如果想获得高精度的 S，就需要提高开关的切换频率。2.7旋转速度的控制注意到换流次数的增加并不影响旋转一周需要的时间是非常关键的。 一旦 s的最小值定

17、为25mWb，则旋转一周通常需要 20ms，平均旋转速度为3000r/min。旋转速度nR为(23.37)kEd nRS式中nR为 s的旋转速度，单位r / min ； Ed为直流电压源的电压值，单位 V ； s为每极 的额定磁通，单位 Wb ； k为与电机结构有关的常数，如每极绕组的匝数从式23.7可知，有两个方法可以改变 S的旋转速度：1、改变Ed ； 2、改变 S。降低 s可增加旋转速度。若 s不变，则用于控制 s的伏秒值也不变。增加 Ed ,可相应减 小时间t。若Ed由200V增加到300V，贝U s的旋转速度由3000r / min增加到 4500r/min。实际上，Ed是固定的。此

18、外，第三种方法就是引入“零矢量” ，即将X、Y绕组短接。处在“零矢量”时,在此期间保持不动，这样就增加了旋转一周所需的时间。 如增加“零矢量” 40个，每个2ms,则旋转一周所需的时间由 20ms增加到20 40 2 100ms。2.8开关切换逻辑想使磁通和转矩保持各自的滞环内 （磁通在25mWb和28mWb之间，转矩在TA和TB之 间），那该如何确定开关切换逻辑呢?V(+) foteT旧图23.71五个开关状态对 S的作用图23.72五个开关状态对 Tm的作用旋转。另外假设电机转子以 600r/min的速度逆时针方向旋转。 由于 S1小于25mWb，必须通过开关切换使得 S 回到滞环内。可供

19、选择开关状态共有五种，它们分别是1让 EX 200V ，使磁通向右。2让 EX 200V ，使磁通向左。3让 EY 200V ，使磁通向上。4让 EY 200V ，使磁通向下。5让 EX 0V 、 EY 0V ，也就是将 X 绕组、 Y 绕组短路。要使图 23.71 所示的 S1 回到滞环内，显然第 2、第 4 两种开关状态要被排除。第 5 种 开关状态因为只能使得 S1 原地不动，故也被排除。仅第 1、第 3 两种开关状态可以选择。 到底选择第 1、第 3中哪一个，还要看 TM 的情况。由图23.72可见，当Tm Ta时可选择第1种开关状态， si顺时针方向旋转变为 sia， 与转子旋转方向

20、相反，此时对转子制动。当 Tm TB时可选择第3种开关状态， Si逆时针 方向旋转变为 Sib，与转子旋转方向相同，对转子加速。改变开关状态可使 s和Tm在所要求的范围内运行。下面来分析 S2的情况。因为 S2大于25mWb，就必须调整开关状态使得 S2回到 滞环内。第2、第3两种开关状态使得 S2更加远离滞环，因此被排除。第 5种开关状态因 为只能使得 S2原地不动，故也被排除。这样就只剩下第 1、第4两种开关状态可以选择。由图23.72可见，当Tm Ta时可选择第1种开关状态，S2顺时针方向旋转变为 S2a， 与转子旋转方向相反，此时对转子制动。当 Tm TB时可选择第4种开关状态， S2

21、逆时针 方向旋转变为 S2b，与转子旋转方向相同，对转子加速。改变开关状态可使 s和Tm在所要求的范围内运行。下面只剩下最后一种情况： S3已在滞环内，此时有五种开关状态可供选择。如果S3a 。如果Tm Tb，可以选择第 1种开关状态使 Tm增大。 S3逆时针方向旋转变为Tm Ta，可以选择第2种开关状态使Tm增大。S3顺时针方向旋转变为 S3b。由于 s以3000 600 3600r/min的速度切割转子绕组， 故而产生了一个巨大的制动转矩。 当然也可以选择第5种开关状态。在这种情况下， S将保持不动，转子按照 600r/min的速度旋转，这样可以产生制动转矩。 采用第5种开关状态因为减小了

22、每秒钟的换流次数而比采用第 2种好。通过上面的分析，可以发现开关切换逻辑的确定完全取决于 S和Tm的瞬时值以及它们各自滞环的上下限。2.9瞬时转差与转矩的产生为了更好的理解Tm，假设一个两相电机通过变流器接到 200V的直流电压源上， s在A和B之间。除了 X、Y绕组短路的情况以外， S以3000r/min的速度逆时针方向旋转。假设转子以600r / min的速度逆时针方向旋转。图23.73 （a）转子电压和电流；（b） TmS切割转子绕组的速度为 3000 600 2400r/min，由图23.73a可见，此时转子上感应出很高的电压 Er。Er在转子绕组中产生电流 Ir。Ir的变化率取决与

23、Er和定子转子 绕组的漏感。上升的Ir在定子磁场内将将生成不断增大的 Tm。在经历t1时间后，当Tm上升到TA，短接X、Y绕组， S保持不变。 S停止转动，但转子由于惯性仍以 600r / min转动，转差为0 600 600r /min，此时转子中感应出的电压值为 ER/4，转子电流和转矩将减小。由图23.73b可知，经历t1时间后，Tm下降到Tb。改变开关状态，使 s的速度重新恢复到3000r/min，转差仍为2400r / min，电流、转矩增加，重复上述过程。2.10三相电机的控制位置图23.74a三相电机绕组与电源的不同连接方式及其对应的前面分析了两极两相电机的开关切换逻辑。 这个开

24、关切换逻辑如何与两极三相电机进行对比分析呢？两极三相电机的绕组为星型连接， 空间上相差120。如果使用如图23.62所示的6脉冲变流器，则有 7种开关组合方式向绕组供电，如图 23.74a所示。这些开关组合方式将直流电压源的正极、负极接到 A、B、C绕组上，如图23.74a所示。对于A（ +）这个开关组合方式，就是将绕组 A接到正极而绕组 B、绕组C接到负极，这样生成一个方向向右的 s。对于A（-）这个开关组合方式，就是将绕组 A接到负极而绕组 B、绕组C接到正极，这样生成一个方向向左的 s。同理，对于B（-）这个开关组合方式，就是将绕组 B接到负极而绕组 A、绕组C接到正极，其生成的 S在A

25、（ +）生成的逆时针60的方向上。图23.74b s的六边形轨迹假设三相电机的定子磁通在虚线圆内，如图 23.74b所示。A （ + ）、A （-）、B （ +）、B（-）、C（ + ）、C（-）各自生成磁通在图 23.74b的中心位置标出。要完成一周的旋转，变流 器的开关状态至少需要切换六次。s将沿着12路径前进。到达2例如，矢量0 1表示初始 S。通过使用C （ +）， 点后，改用A（-），使得 s沿着2 3路径前进。到达3点后，改用B（ +）,使得 s沿着3 4路径前进。依次可使 s到达4、5、6点。可见三相电动机的 s是沿着六边形路径前S最大值与最小值之比为进，而两相电机的 S沿着正方

26、形路径前进。三相电动机的2 / . 3 1.155。其带宽为 0.155 pu。如同两相电机一样， 如果带宽减小，则旋转一周需要切换开关的次数就会增加。 例如将带宽减小到0.1 pu，则开关切换的次数将变为 18次，如图23.75所示。如果选择一周的时间为15ms,则开关频率为18/ 0.015 1200Hz。图23.75 s的运动情况从不足微秒到数微秒不等。 在60和180之间大量的黑点表明这段路径中磁链的旋转速度特 别低。在180和300之间，磁链旋转的快些。在 300和420之间，磁链旋转的最快。正如两相电机那样，磁链停止的次数取决于转矩的情况。当 Tm Ta，通过加入“零矢量”让磁链停

27、止。显然当电机运行在低速的时候，加入“零矢量”的数量将增加。图23.76七种开关状态对 S的作用为了理解开关切换逻辑，图 23.76中标示出七种不同的开关状态。假设 si b，A（+）生成的磁通向右，C（ +）生成的磁通在120的方向上，“零矢量”是的磁通原地不动。运用分析两相电机时的方法， A （ -）、B （ + ）、“零矢量”被排除，A （ + ）、B （ -）、C （ +）、C（-）可采用。具体用哪个还要看转矩的情况。 如果Tm Tb，则选择C（ +）。然而如果Tm Ta， 则选择A（ + ）。如果Tm介于Ta和Tb之间，选择B（-）而不选择A（ +），这是因为B（-） 在增大磁通的同

28、时还可以在转子旋转方向生成一个小的加速转矩。3系统结构异步电动机直接转矩控制系统结构如图 1所示。Te转矩计算选择速度检测（速度传感器）图1异步电动机直接转矩控制系统4磁链控制对于恒转矩控制的变频调速系统，在变频调速时要保证电动机的定子合成磁链 s恒定。比较理想的方法是采用磁链跟踪技术，即通常讲的电压空间矢量 PWM控制技术。4.1空间矢量的概念图2 电压空间矢量交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的。如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在图 2中，A、B、C分别表示在空间静止的电动2机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差 ，三相定子相电压 uAO、UBO、U

29、CO分别加在30时,三相绕组上。可以定义三个定子电压空间矢量 uAO、uBO、UCO，如图2所示。当UAOUao与A轴同向，Uao 0 时，Uao与A轴反向，B、C两相也同样如此。U AOkUAOUBOkuBoej(1)Uco. j2kUco2其中， ,k为待定系数。3三相合成矢量Us UaoUBO UCOkuAo ku Boej kucoej2(2)图2为某一时刻uAO 0、UBO0、uCO 0时的合成矢量。与定子电压空间矢量相仿，量表达式为2 . 4 -cos( 1t) UmCOS( 1t )ej UmCOS( 1t )ej2 ( 10)3 3Us是一个以电源角频率为恒速旋转的空间矢量，它

30、的幅值是相电压幅值的某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us就落在该项的轴线上。在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量 is和叽的幅值恒定，以电源角频率1为电气角速度在空间作恒速旋转。4.2电压与磁链空间矢量的关系三相交流电压Uao、Ubo、Uco可以合成一个相应的旋转电压空间矢量 Us。合成空间矢量表示的定子电压方程式为Us Rsis 业(11)dt式中 Us -定子三相电压合成空间矢量is 定子三相电流合成空间矢量S定子磁链空间矢量忽略定子电阻，可得Usd叭dtusdt (12)叽以恒速旋转,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，定子磁链值恒定，其空间矢量 磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形。用极坐标表示为j it叽叽e1 (13)式中 叽一叽的幅值i 旋转角速度由式(12)、( 13)得式(14)表明，当 叽一定时，us的大小与1成正比，其方向与 叽正交，即磁链圆的切线方向。如图32所示。因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就转化成电压空