第六章 直接转矩控制
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1、第五章第五章异步电动机直接转矩控制异步电动机直接转矩控制l概概 述述直接转矩控制系统简称直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque DTC ( Direct Torque Control) Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起系统，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来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。直接控制电机的电磁转矩，因而得名。其特点是直接采用空间电压矢量，在定子坐标系其特点是直接采用空间电压矢量，在定子坐标
2、系下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生定向，借助于离散的两点式调节产生PWMPWM（空间矢（空间矢量量SPWMSPWM）直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，）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。以获得转矩的高动态性能。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦解耦的思的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩磁链和转矩，并根
3、据与给定值比较所得差值，实，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的特点：直接转矩控制的特点：l控制思想简单控制思想简单l控制系统简洁明了控制系统简洁明了l动、静态性能优良动、静态性能优良直接转矩控制系统的特点直接转矩控制系统的特点l系统组成按定子磁链控制的直接转矩控制系统按定子磁链控制的直接转矩控制系统 在实际控制过程中，将测得的电机三相在实际控制过程中，将测得的电机三相电压和电流送入计算器，计算出电机的电压和电流送入计算器，计算出电机的定定子磁链子磁链 和和电磁转矩电磁转矩 ，分别与给定，分别与给定值值 和和 相比较，然后选择开关模式，相
4、比较，然后选择开关模式，确定确定PWMPWM逆变器逆变器的输出。的输出。1eT1eT 总的来说，直接转矩控制就是通过对定子总的来说，直接转矩控制就是通过对定子电压空间矢量的控制达到以下两个目的：电压空间矢量的控制达到以下两个目的：（1 1）维持定子）维持定子磁链幅值的恒定磁链幅值的恒定（2 2）控制定子）控制定子磁链旋转速度的大小磁链旋转速度的大小 结构特点结构特点转速双闭环：转速双闭环：l ASR ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化设置转矩控制内环，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对转速子系统的
5、影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。统实现了近似的解耦。转矩和磁链的控制器：转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的用滞环控制器取代通常的PIPI调节器。调节器。 控制特点控制特点 与与VCVC系统一样，它也是分别控制异步电动机系统一样，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，的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTCDTC系系统与统与VCVC系统不同的特点是：系统不同的特点是：1 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰- -砰控制器砰控制器，并，并在在 PWM PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压逆变器中直接用这两个控制信号产生电压
6、的的SVPWM SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩波形，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。控制器的结构。 2 2）选择）选择定子磁链作为被控量定子磁链作为被控量而不象而不象VCVC系统中那样选择系统中那样选择转子磁链转子磁链，这样一，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时
7、复杂，但是，由于采要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰用了砰- -砰控制，这种复杂性对控制器并没有砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。影响。 3 3）由于采用了直接转矩控制，在加减）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，可以获得速或负载变化的动态过程中，可以获得快速快速的转矩响应的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电，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。矩响应的快速性也是有限的。 性能比较性能比较 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)(D
8、TC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)(VC)系统是一致的，都系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。能获得较高的静、动态性能。直接转矩控制系统的原理直接转矩控制系统的原理除转矩和磁链砰除转矩和磁链砰- -砰控制外，砰控制外，DTCDTC系统的系统的核心问题核心问题就是：就是：转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；如何根据两个砰如何根据两个砰- -砰控制器的输出信号来砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；a1a1a1 1ddui rt在在
9、、坐标系中电压的表达式为：坐标系中电压的表达式为：111 1ddui rta11a1 1ui r dt111 1ui r dt由此可以得到定子磁链的观测模型由此可以得到定子磁链的观测模型定子磁链观测模型如下图：定子磁链观测模型如下图：u u1 1u uA Au uB Bu uc ci iA Ai iB Bi ic ci i1 1i i 1 1u u 1 1 1 1 1 1得到得到a a上的磁链分上的磁链分量，则很容易得到定量，则很容易得到定子磁链了。子磁链了。1212()epmTn Li ii i电磁转矩的表达式为：电磁转矩的表达式为：又因为：又因为：112()smL iiL112()smL
10、iiL1111()epTnii根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下i i1 1i i 1 1 1 1 1 1T Te e定子电压电流磁链模型法优缺点定子电压电流磁链模型法优缺点 只需要确定电动机的定子电阻，定子电只需要确定电动机的定子电阻，定子电压和电流也是易于检测的物理量。压和电流也是易于检测的物理量。优点：优点：（1 1）积分器存在漂移问题）积分器存在漂移问题（2 2）电机转速很低时，由于定子电压的减小，）电机转速很低时，由于定子电压的减小，被积分的差值很小，产生积分误差很大。被积分的差值很小，产生积分误差很大。（3 3）电机不转时，定子电压
11、为零，算不出定子）电机不转时，定子电压为零，算不出定子磁链值，此模型无法使用。磁链值，此模型无法使用。缺点：缺点：特点：特点：模型结构简单，只受一个电机参数（模型结构简单，只受一个电机参数（r r1 1） 的影响，易于实现。的影响，易于实现。 在高速范围内（在高速范围内（n30n30%n%ne e），能准确的），能准确的 估计定子磁链估计定子磁链 。缺点：缺点：定子电阻参数随温度的变化会影响观测定子电阻参数随温度的变化会影响观测 精度。特别是低速时，尤其是接近零速精度。特别是低速时，尤其是接近零速 时，影响很大，不能正确观测。时，影响很大，不能正确观测。 采用了纯积分器，带来了直流偏置和初采用
