軌道交通車輛異步牽引電機(jī)的變頻調(diào)速-直接轉(zhuǎn)矩控制

DSC的磁鏈跟蹤控制方法DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述直接轉(zhuǎn)矩控制是將逆變器的控制模式和電機(jī)運(yùn)行性能作為一個(gè)整體來考慮的，它具有兩層含義：保持定子總磁鏈基本恒定；對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。通過逆變器的開關(guān)控制，既能實(shí)現(xiàn)磁鏈的幅值控制，又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，兩者均通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述就磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡而言，DSC分為兩種不同控制方案：1985年德國的Depen-brock教授提出的磁鏈六邊形運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制方案（1987年還將其推廣到弱磁調(diào)速范圍）日本的Takahashi的磁鏈圓形運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制方案。目前，這兩種方案均得到了發(fā)展和應(yīng)用，但采用的場(chǎng)合不同。DSC的磁鏈跟蹤控制方法概述由于異步電機(jī)由三相對(duì)稱正弦波供電時(shí)，電機(jī)氣隙磁勢(shì)為圓形，此時(shí)電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲最小，因此中小功率應(yīng)用場(chǎng)合人們趨于采用圓形磁鏈軌跡方案。六邊形方案僅在某些大功率領(lǐng)域(開關(guān)頻率、開關(guān)損耗都有較大限制)予以考慮。DSC的磁鏈跟蹤控制方法異步電機(jī)定子磁鏈的控制是通過控制電機(jī)的輸入電壓來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)對(duì)稱三相正弦波電壓加于對(duì)稱三相繞組時(shí)，電機(jī)的氣隙中將產(chǎn)生具有恒定幅值和恒定旋轉(zhuǎn)速度的磁通。當(dāng)電機(jī)由一個(gè)三相逆變器供電時(shí)，電機(jī)的輸入電壓完全取決于逆變器的開關(guān)切換模式，而電機(jī)的磁通(幅值與旋轉(zhuǎn)速度)又取決于電壓模式。直接轉(zhuǎn)矩控制中的目標(biāo)之一就是建立磁鏈和逆變器開關(guān)模式之間的關(guān)系，通過逆變器開關(guān)的控制，使電機(jī)獲得一個(gè)準(zhǔn)圓形的氣隙磁場(chǎng)。DSC的磁鏈跟蹤控制方法兩點(diǎn)式逆變器上圖為兩點(diǎn)式三相PWM逆變器供電給異步電機(jī)的原理圖，為了簡單起見，6個(gè)功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號(hào)表示。兩點(diǎn)式PWM逆變器—電動(dòng)機(jī)原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法為使電機(jī)對(duì)稱工作，必須三相同時(shí)供電，即在任一時(shí)刻一定有處于不同橋臂下的3個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，而相應(yīng)橋臂的另3個(gè)功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。兩點(diǎn)式PWM逆變器—電動(dòng)機(jī)原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法這樣從逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，功率器件共有8種工作狀態(tài)，即V6、V1、V2導(dǎo)通，V1、V2、V3導(dǎo)通，V2、V3、V4導(dǎo)通，V3、V4、V5導(dǎo)通，V4、V5、V6導(dǎo)通，V5、V6、V1導(dǎo)通以及VI、V3、V5導(dǎo)通，V2、V4、V6導(dǎo)通。兩點(diǎn)式PWM逆變器—電動(dòng)機(jī)原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法如把上橋臂器件導(dǎo)通用‘l’表示，下橋臂器件導(dǎo)通用“0”表示，并依ABC相序依次排列，則上述8種工作狀態(tài)可相應(yīng)表示為100、110、010、01．1、001、101與111、000共8組數(shù)字。兩點(diǎn)式PWM逆變器—電動(dòng)機(jī)原理圖DSC的磁鏈跟蹤控制方法電壓空間矢量由電壓空間矢量的概念可知，對(duì)于每一個(gè)工作狀態(tài)，三相電壓都可用一個(gè)電壓空間矢量表示。其幅值相等，只是相位不同而已，即式中，SA，SB，SC分別為逆變器的開關(guān)函數(shù)，U＝Ud/2DSC的磁鏈跟蹤控制方法DSC直接在定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算，所需要的信號(hào)處理工作特別簡單。DSC可對(duì)磁鏈進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，易于實(shí)現(xiàn)弱磁控制，調(diào)速范圍寬。DSC的磁鏈跟蹤控制方法如果以(100)、(110)、…、(101)依次表示100、110、…、101等6個(gè)工作狀態(tài)的電壓空間矢量，則它們的相互關(guān)系如下圖所示。電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法設(shè)逆變器原工作周期從100狀態(tài)開始，由

可知，(100)與A軸（及α軸）同方向，且所存在的時(shí)間為π/3；電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法在π/3時(shí)間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110，電機(jī)的電壓空間矢量為

；電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法在2π/3時(shí)間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為010，電機(jī)的電壓空間矢量為

；電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法隨著逆變器工作狀態(tài)的不斷切換，電機(jī)電壓空間矢量的相位跟著作相應(yīng)的變化，到一個(gè)周期結(jié)束，電機(jī)電壓空間矢量

，那么(101)的頂端正好與(100)尾端銜接。因此，一個(gè)周期的6個(gè)空間矢量共轉(zhuǎn)過2π。電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置DSC的磁鏈跟蹤控制方法通過對(duì)各開關(guān)狀態(tài)的電壓空間矢量的分析，可以得出有關(guān)電壓空間矢量的結(jié)論：逆變器的6個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了6個(gè)不同方向的電壓空間矢量，它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰2個(gè)矢量之間相差π／3；DSC的磁鏈跟蹤控制方法電壓空間矢量的幅值不變，都等于4/3U，因此6個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)；6個(gè)電壓空間矢量的順序是(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)。(111)和(000)稱為零狀態(tài)矢量，其幅值為零，無相位，它們位于六邊形的中心點(diǎn)上。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器磁鏈跟蹤控制PWM逆變器依據(jù)DSC系統(tǒng)的基本思想來構(gòu)成六拍逆變器，那么異步電機(jī)在此逆變器供電時(shí)所產(chǎn)生的是正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而不是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。利用電壓空間矢量8個(gè)開關(guān)狀態(tài)的線性組合，構(gòu)成一組等幅不同相的電壓空間矢量，可形成準(zhǔn)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。利用電壓空間矢量8個(gè)開關(guān)狀態(tài)的線性組合，構(gòu)成一組等幅不同相的電壓空間矢量，可形成準(zhǔn)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器這樣，逆變器的輸出電壓將不是六拍階梯波；而是一系列等幅不等寬的脈沖波，這就形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器。由于它間接控制了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以也可稱作磁鏈跟蹤控制的PWM逆變器。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器磁鏈兩點(diǎn)式Band—Band控制磁鏈軌跡準(zhǔn)圓形控制的基本思想是：實(shí)際定子磁鏈空間矢量

的端點(diǎn)軌跡不允許超出以給定磁鏈幅值為中心圓半徑的圓形偏差帶，即應(yīng)滿足不等式磁鏈跟蹤控制PWM逆變器利用磁鏈的Band-Band控制，在每1/6周期中交替使用兩種工作模式(兩種電壓矢量)可使磁鏈的軌跡逼近圓形，如上圖所示。定子圓形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡磁鏈跟蹤控制PWM逆變器通過適當(dāng)選擇電壓矢量下的各段時(shí)間，使磁鏈?zhǔn)噶康姆翟谠试S偏差的范圍內(nèi)變化，其平均值基本保持不變；通過交替使用工作電壓矢量和零電壓的時(shí)間比例進(jìn)行調(diào)速，使磁鏈走走停停，滿足轉(zhuǎn)速的要求。定子圓形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡磁鏈跟蹤控制PWM逆變器與正六邊形軌跡控制相比，圓形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡控制時(shí)，磁鏈幅值近似不變；轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)小，但電流脈動(dòng)；需要實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值和相角，計(jì)算量大；逆變器功率器件的開關(guān)次數(shù)多，開關(guān)損耗大；適用于中、小功率，開關(guān)頻率較高的場(chǎng)合。磁鏈跟蹤控制PWM逆變器轉(zhuǎn)矩二點(diǎn)式Band—Band控制電壓空間矢量在按磁鏈控制的同時(shí)，也接受轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制。以正轉(zhuǎn)的情況()為例，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩低于

的允許偏差下限時(shí)，按磁鏈控制得到相應(yīng)的電壓空間矢量，使定子磁鏈向前旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率s增加，轉(zhuǎn)矩上升；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩達(dá)到了允許偏差上限時(shí)，不論磁鏈如何，立即切換到零電壓矢量，使定子磁鏈靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)矩下降。穩(wěn)態(tài)時(shí)，上述情況不斷重復(fù)，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在允許范圍之內(nèi)。在加速、減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。磁鏈空間矢量磁鏈空間矢量除開關(guān)瞬間外，6個(gè)非零電壓矢量均為恒值，定子空間電壓方程式為式中，

——(100)、…、(101)的廣義表示；——定子電流空間矢量；——定子磁鏈空間矢量。若忽略定子電阻壓降的影響，則上可表示為式中，——

在t0時(shí)的矢量。磁鏈空間矢量當(dāng)輸入電壓為一個(gè)非零電壓空間矢量時(shí)，定子磁鏈的矢量

將沿著輸入電壓空間矢量的方向，以正比于輸入電壓的速度(即該電壓作用時(shí)間)移動(dòng)，其磁鏈變化量

。磁鏈空間矢量例如，當(dāng)電機(jī)上施加的輸入電壓為(010)時(shí)，電機(jī)的定子磁鏈空間矢量的頂端就從開關(guān)切換瞬間的初始位置

逐漸沿著輸入電壓所指的方向移動(dòng)，并改變矢量

的大小和旋轉(zhuǎn)速度，如上圖所示。磁鏈空間矢量頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡磁鏈空間矢量結(jié)論定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡(以后簡稱為定于磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡，或

的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量

的作用方向，

的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于

指示的方向。只要定子電阻壓降與Us的幅值相比足夠小，那么這種平行就能得到很好的近似。磁鏈空間矢量在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依次紿出定子電壓空間矢量

；則定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊S1—S2—S3—S4—S5—S6運(yùn)動(dòng)，形成正六邊形磁鏈。正六邊形的6條邊代表著磁鏈空間矢量

一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡，每條邊代表1個(gè)周期磁鏈軌跡的1/6。若電壓空間矢量為零電壓矢量

(111)或(000)時(shí)，忽略定子電阻影響，磁鏈空間矢量在空間保持不變。磁鏈空間矢量顯然，直接利用逆變器的6種工作開關(guān)狀態(tài)，可以簡單地得到正六邊形的磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)。這種方法就是DSC系統(tǒng)的基本思想。直接轉(zhuǎn)矩控制思想及其特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制思想為了解決矢量控制系統(tǒng)中需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換和控制性能易受參數(shù)變化影響的問題，德國魯爾大學(xué)的Depen-brock教授在1985首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（DSC）理論。直接轉(zhuǎn)矩控制思想直接轉(zhuǎn)矩控制通過快速改變電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差速度，直接控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增長率。它直接在電機(jī)定子側(cè)計(jì)算磁鏈ψ和轉(zhuǎn)矩T，并用二點(diǎn)式調(diào)節(jié)器直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，對(duì)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接自調(diào)整控制。整個(gè)系統(tǒng)不僅能獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且有最佳的開關(guān)頻率和最小的開關(guān)損耗直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用直接反饋的兩點(diǎn)式Band—Band控制，避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量的過程，省去了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。選擇定子磁鏈作為被控制的對(duì)象，由于定子參數(shù)的穩(wěn)定性，控制性能不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)PWM逆變器采用電壓空間矢量控制方式，性能優(yōu)越。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點(diǎn)矢量控制定向在轉(zhuǎn)子磁鏈上，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻和電感。而DSC直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制以得到快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，選擇在定子坐標(biāo)下進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的控制，轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)為非參數(shù)干擾，能夠通過閉環(huán)控制克服，因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的控制性能受參數(shù)變化影響較小。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點(diǎn)DSC直接在定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算，所需要的信號(hào)處理工作特別簡單。DSC可對(duì)磁鏈進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，易于實(shí)現(xiàn)弱磁控制，調(diào)速范圍寬。與矢量控制相比，DSC具有的主要優(yōu)點(diǎn)DSC由逆變器開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩，易于優(yōu)化系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低開關(guān)頻率。DSC結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，便于全數(shù)字化。DSC變頻調(diào)速技術(shù)一誕生，就以其新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能，引起了全世界傳動(dòng)