異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制2

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTCDirectTorqueControl)。又稱(chēng)為直接自控制(DSR，DSCDirectSelf-Control)。

是近十年來(lái)繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。31977年，美國(guó)學(xué)者A.B.Plunkett首先在IEEE雜志上發(fā)表提出磁鏈—轉(zhuǎn)矩直接調(diào)節(jié)的思想，但由于需要檢測(cè)磁鏈，未獲得實(shí)際應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景矢量控制（轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制）從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題，其動(dòng)態(tài)性能好，調(diào)速范圍寬。但在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，另外在模擬直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。4鑒于電氣機(jī)車(chē)等具有大慣量負(fù)載的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在起、制動(dòng)時(shí)需要快速瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授研制了直接自控制系統(tǒng)(DSR)，并提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論。該理論采用轉(zhuǎn)矩模型和電壓型磁鏈模型，以及電壓空間矢量控制PWM逆變器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的砰－砰控制(Bang-BangControl)

。這在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算控制復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)影響的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景5

和VC系統(tǒng)一樣，DTC系統(tǒng)分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)速)和磁鏈，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)T*e，在T*e后面設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈系統(tǒng)近似解耦。

因此，從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)和矢量控制系統(tǒng)(VC)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。T*eΨ*sTeΨsω*rωr直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理注：在轉(zhuǎn)速環(huán)里，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名：直接轉(zhuǎn)矩控制。6在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)有所不同，⑴轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用Bang—Bang控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開(kāi)了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)；⑵

選擇定子磁鏈作為被控量，而不像VC系統(tǒng)那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，計(jì)算磁鏈的電壓模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)7⑶由于直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋的Bang—Bang控制，理論上在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也是有限的。⑷直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓空間矢量的概念分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單明了。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)8

綜前所述，直接轉(zhuǎn)矩控制，采用電壓空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助了離散滯環(huán)調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。思想：

直接控制轉(zhuǎn)矩效果：?響應(yīng)快速

?控制精確，快速——無(wú)需靜止旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜坐標(biāo)運(yùn)算

?控制方便——采用電壓空間矢量對(duì)三相PWM

調(diào)制做統(tǒng)一處理

?對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴(lài)性小——只需定子電阻參數(shù)，好測(cè)，好控，好補(bǔ)償

?有靜止/動(dòng)態(tài)性能矛盾隱患

可見(jiàn)：DTC

?控制思想新穎

?動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良

?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔

?已用于參考書(shū)?交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，

蘇彥民李宏編著，

機(jī)械工業(yè)出版社1998年出版?異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，李夙編，機(jī)械工業(yè)出版社1998年出版?交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，周揚(yáng)忠，胡育文，機(jī)械工業(yè)出版社，2010年出版分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制原理(系統(tǒng))3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用1.定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系一、定子電壓空間矢量（定義，約定）

1.電壓型逆變器

三相逆變器輸出相電壓綜合表述—>電壓空間矢量設(shè)有三相靜止a-b-c坐標(biāo)系及二相靜止α-β坐標(biāo)系（圖3）

關(guān)系：離散化－增量關(guān)系若有效電壓矢量順序作用，作用時(shí)間相等則定子磁鏈軌跡為正六邊形。表明：（1）磁鏈線速度變化（角速度相同時(shí)）（2）磁鏈大小變化三、三相定子磁鏈（Ψa,Ψb,Ψc

）波形分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈自控制：（1）定子磁鏈觀測(cè)器（2）2/3

變換（3）磁鏈調(diào)節(jié)器（4）換向邏輯轉(zhuǎn)矩自控制：（1）轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器（2）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)表一、磁鏈自控制

1、定子磁鏈觀測(cè)器

（2）定子磁鏈觀測(cè)器——電壓模型矢量式：標(biāo)量式：（3）磁鏈調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器

Bang-Bang控制輸出邏輯量：輸出邏輯量：（4）換向邏輯作用將邏輯量變換成逆變器開(kāi)關(guān)控制信號(hào)確定有效電壓矢量對(duì)應(yīng)得開(kāi)關(guān)狀態(tài)。二、轉(zhuǎn)矩自控制

1、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸入－輸出關(guān)系3、轉(zhuǎn)矩與定、轉(zhuǎn)子磁鏈

結(jié)論4、調(diào)壓和變頻

(零電壓矢量控制)零矢量一般插入方式優(yōu)化插零（矢量）方法分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制原理(系統(tǒng))3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用

3弱磁控制一、DTC弱磁運(yùn)行特點(diǎn)（1）基頻以上，定子電壓額定不變，

速度調(diào)節(jié)不再使用零電壓矢量，而用改變（減?。?有效電壓矢量作用時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（2）減小有效電壓矢量作用時(shí)間后，①定子磁鏈?zhǔn)噶拷撬俣葹椋翌~定不變；②磁鏈幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小，

使磁鏈軌跡（六邊形）面積減小，實(shí)現(xiàn)弱磁；③電磁轉(zhuǎn)矩隨磁通減小，但是輸出功率

即恒功率運(yùn)行。二、功率控制（弱磁下）弱磁下DTC系統(tǒng)將從轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)入功率控制功率控制系統(tǒng)框圖如右圖所示功率給定功率反饋功率調(diào)節(jié)器

圖2－17圖中功率給定

－速度調(diào)節(jié)器 ASR輸出；功率反饋

－功率觀測(cè)器輸出；功率調(diào)節(jié)器（PI型）－輸出為磁鏈給定值

目的： 使磁鏈調(diào)節(jié)器獲得穩(wěn)定、連續(xù)的容差ε

與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)比，為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（右圖）對(duì)應(yīng)的部分：∴基速以下/以上運(yùn)行時(shí)，

有恒磁通/弱磁控制

切換問(wèn)題圖2－6DTC系統(tǒng)組成三、恒磁通/弱磁控制的切換

1、切換控制原理圖（如右圖所示）目的：恒磁通（轉(zhuǎn)矩）控制 自動(dòng) 切換

弱磁（功率）控制

圖2－18機(jī)構(gòu)：狀態(tài)判別環(huán)節(jié)：控制恒磁

弱磁的切換幅值判別環(huán)節(jié)：控制弱磁

恒磁的切換原理：（1）恒磁

弱磁的切換（狀態(tài)判別器控制）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出

當(dāng)（表明系統(tǒng)該切換至弱磁），

狀態(tài)判別器輸出：，控制 輸出控制關(guān)系：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出功率調(diào)節(jié)器輸出（2）弱磁

恒磁切換（幅值判別器控制）

增大至額定值，判別器輸出：

控制 輸出控制關(guān)系：

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出功率調(diào)節(jié)器輸出2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平滑切換（1）平滑切換原則

保證：轉(zhuǎn)矩閉環(huán)功率閉環(huán)：切換瞬間轉(zhuǎn)矩不突變；功率閉環(huán)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)：切換瞬間功率不突變。（2）轉(zhuǎn)矩當(dāng)量與功率當(dāng)量關(guān)系均為同一速度調(diào)節(jié)器ASR輸出，切換前后大小應(yīng)不變分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制原理(系統(tǒng))3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用4正/反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制一、正/反轉(zhuǎn)運(yùn)行原理

1、機(jī)理：改變有效電壓空間矢量作用順序，控制 定子磁鏈?zhǔn)噶浚ù艌?chǎng)）轉(zhuǎn)向

（1）正轉(zhuǎn)：圖20（a）正轉(zhuǎn)（2）反轉(zhuǎn)：圖20（b）反轉(zhuǎn)2、控制邏輯參照?qǐng)D8（正轉(zhuǎn)磁鏈波形），求出反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)規(guī)律

（1）、磁鏈調(diào)節(jié)器輸入－輸出特性（a相為例）反轉(zhuǎn)：（2）反轉(zhuǎn)邏輯關(guān)系

反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)：圖－19反轉(zhuǎn)磁鏈波形二、正/反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)（1）正轉(zhuǎn)換相邏輯圖8正轉(zhuǎn)磁鏈波形（2）反轉(zhuǎn)換相邏輯

圖－19反轉(zhuǎn)磁鏈波形（3）正/反轉(zhuǎn)控制換相邏輯DTC框圖：“換相邏輯”應(yīng)能適應(yīng)正/反轉(zhuǎn)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)向發(fā)出相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)：正/反轉(zhuǎn)時(shí)換相邏輯

正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)量圖-6DTC系統(tǒng)框圖正/反轉(zhuǎn)時(shí)換相邏輯（合成）

合成實(shí)現(xiàn)圖21正/反轉(zhuǎn)換相邏輯合成分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制原理(系統(tǒng))3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用5圓形磁鏈軌跡控制一、磁鏈軌跡圓化DTC講究轉(zhuǎn)矩響應(yīng)得快速性，采用六個(gè)有效電壓矢量控制，定子磁鏈軌跡為六邊形，致使：轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)（靜、動(dòng)態(tài)特性固有矛盾）定子電流非正弦采用六個(gè)電壓矢量組合（合成），可使磁鏈軌跡圓化（圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）一般：：采用圓形磁鏈軌跡，改善運(yùn)行性能；：采用六邊形磁鏈軌跡，獲得快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 二、磁鏈軌跡圓化的方法1、多段折線逼近法2、主、副（輔）矢量規(guī)律定義：主矢量－作用時(shí)間長(zhǎng)者（如）

副（輔）矢量－作用時(shí)間短者（如）作用規(guī)律不同扇區(qū)，主、輔矢量不同；每種有效電壓用作主或者輔矢量的區(qū)間為（表4見(jiàn)下頁(yè)）主矢量作用的區(qū)間內(nèi)：

前：主矢量使磁鏈幅值減?。ù沛溰壽E向圓內(nèi)收縮）

后：主矢量使磁鏈幅值增大（磁鏈軌跡向圓外擴(kuò)張）前30:主矢量使磁鏈幅值增大（磁鏈軌跡向圓外擴(kuò)張）后30：主矢量使磁鏈幅值增大（磁鏈軌跡向圓外擴(kuò)張）表4：三、磁鏈軌跡圓化控制1、磁鏈閉環(huán)控制電路目的：實(shí)現(xiàn)主、副矢量作用規(guī)律六邊形磁鏈時(shí)，無(wú)磁鏈反饋（即磁鏈開(kāi)環(huán)的控制）

●

磁鏈閉環(huán)控制磁鏈軌跡圖中－磁鏈幅值的給定值－磁鏈反饋（來(lái)自磁鏈觀測(cè)器）磁鏈幅值調(diào)節(jié)器

－－滯環(huán)（兩位）調(diào)節(jié)器，容差

輸入－輸出關(guān)系：圖－27軌跡2、控制過(guò)程時(shí)，向理想圓外運(yùn)動(dòng)

平均值為時(shí)，向理想圓內(nèi)運(yùn)動(dòng)容差ε越小，磁鏈軌跡越圓，但是逆變器開(kāi)關(guān)頻率越高3、圓化后的換相邏輯（開(kāi)關(guān)信號(hào)規(guī)律）正轉(zhuǎn)（圖－8）反轉(zhuǎn)（圖－19）復(fù)雜性必須根據(jù)輸入信號(hào)

決定開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制走向；必須根據(jù)在定子坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)際位置，決定該扇區(qū)所用的主、副電壓空間矢量。圓化換相邏輯為表格形式（表－5）， 采用微機(jī)查表控制表－5表－5（續(xù)）磁鏈圓軌跡圖2－5磁鏈圓軌跡分別講述1定子電壓矢量與定子磁鏈關(guān)系2直接轉(zhuǎn)矩控制原理(系統(tǒng))3弱磁控制4正／反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制5圓形磁鏈軌跡控制6反電壓矢量的應(yīng)用6反電壓矢量的應(yīng)用一、正反向有效電壓矢量及其作用1、概念正向有效電壓矢量：使磁鏈?zhǔn)噶堪错樈o定方向前進(jìn)的有效矢量反向有效電壓矢量：使磁鏈?zhǔn)噶堪茨娼o定方向前進(jìn)的有效矢量不同扇區(qū)有不同的正、反向有效電壓矢量

【例】扇區(qū)

有效電壓矢量 扇區(qū)內(nèi)：主矢量：反矢量：其中滯后 稱(chēng)電壓矢量圖－29正、反向電壓矢量二、

電壓矢量的特殊作用使磁鏈?zhǔn)噶康罐D(zhuǎn)→迅速減小

→加速轉(zhuǎn)矩減小

→一旦,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

→加快制動(dòng)過(guò)程

→快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比零電壓矢量零電壓矢量可停止磁鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速（調(diào)速）；但是不產(chǎn)生磁鏈增矢量： ,

無(wú)法增大磁鏈幅值，故：零矢量作用時(shí)間長(zhǎng)會(huì)使電磁轉(zhuǎn)矩（電機(jī)出力）減小。 電壓矢量在降低磁鏈?zhǔn)噶哭D(zhuǎn)速的同時(shí)，可使

磁鏈幅值增大，防止電機(jī)低速時(shí)的出力減小

電壓矢量能實(shí)現(xiàn)低速下大轉(zhuǎn)矩、直至堵轉(zhuǎn)運(yùn)行堵轉(zhuǎn)運(yùn)行的實(shí)質(zhì)：

當(dāng)有效電壓矢量（如）和與之反 的正向有效電壓矢量（如）作用時(shí)間相等時(shí)，定子磁鏈停止運(yùn)行，但磁鏈幅值不變，實(shí)現(xiàn)了停轉(zhuǎn)，但有轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行－－堵轉(zhuǎn)三、全速度范圍的反向電壓矢量控制1、低速時(shí)電壓矢量的運(yùn)用

（1）原則： ：六邊形磁鏈軌跡 正向有效電壓矢量 及零電壓矢量 ：圓形磁鏈軌跡

極低速及堵轉(zhuǎn)運(yùn)行：插入反向電壓矢量（2）控制部件－－三位式滯環(huán)磁鏈調(diào)節(jié)器輸入

－－輸出關(guān)系:

三位滯環(huán)特性（3）控制規(guī)律定子磁鏈幅值與給定之差

小于容差，磁鏈按二位式控制（主、副有效矢量交替作用，插入零矢量） （零矢量長(zhǎng)時(shí)作用使偏差繼續(xù)增大），切換至三位式磁鏈控制，插入反向電壓矢量如選用 電壓矢量，磁鏈幅值增大、偏差減小達(dá) ，切回至二位磁鏈控制2、高速時(shí)反向電壓矢量的運(yùn)用（1）圓形磁鏈軌跡運(yùn)行時(shí)，采用三位式滯環(huán)磁鏈控制器穩(wěn)態(tài)時(shí)：零矢量作用時(shí)間極短，不會(huì)切換至三位式控制（不用 反電壓矢量）減速時(shí)：速度給定/轉(zhuǎn)矩給定大幅減小→零矢量長(zhǎng)期作用→磁鏈幅值大減→ 增大→切換至三位式控制→加快轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)重新達(dá)穩(wěn)態(tài)：回到二位式控制（2）六邊形磁鏈軌跡運(yùn)行時(shí)，直接采用插入反向電壓矢量的

“反向運(yùn)行控制方式”，使磁鏈反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩獲得快速響應(yīng)按上述控制的原始DTC系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：⑴由于采用Bang-Bang控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定；⑵由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分誤差、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。這兩個(gè)問(wèn)題的影響在低速時(shí)比較嚴(yán)重，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍收到限制。因此抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高低速性能便成為改進(jìn)原始的DTC系統(tǒng)的主要方向。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的改進(jìn)82改進(jìn)方案有：⑴磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Bang—Bang控制以及由其輸出信號(hào)選擇逆變器的電壓矢量這一基本方法不變，著重改進(jìn)具體的控制方法：①對(duì)磁鏈偏差進(jìn)行細(xì)化，使磁鏈軌