ABB变频器直接转矩控制

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1、直接转矩控制直 接 转 矩 控 制 （ Direct Torque ControlDTC） ， 国 外 的 原 文 有 的也 称 为 Direct self-controlDSC， 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

2、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 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 （ Direct Torque Control， DTC） 变 频 调 速 ， 是 继 矢 量控 制 技 术 之 后

3、 又 一 新 型 的 高 效 变 频 调 速 技 术 。 20 世 纪 80 年 代 中 期 ， 德 国鲁 尔 大 学 的 M.Depenbrock 教 授 和 日 本 的 I.Takahashi 教 授 分 别 提 出 了 六 边形 直 接 转 矩 控 制 方 案 和 圆 形 直 接 转 矩 控 制 方 案 。 1987 年 ， 直 接 转 矩 控 制 理论 又 被 推 广 到 弱 磁 调 速 范 围 。 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

4、 ， 借 助 于 离 散 的 两 点 式 调 节（ Band-Band） 产 生 PWM 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 。 直 接 转 矩 控 制 也 具 有 明 显的 缺 点 即 ： 转 矩 和 磁 链 脉

5、动 。 针 对 其 不 足 之 处 ， 现 在 的 直 接 转 矩 控 制 技 术 相对 于 早 期 的 直 接 转 矩 控 制 技 术 有 了 很 大 的 改 进 ， 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 ： （ 1） 无 速 度 传 感 器 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 研 究 在 实 际 应 用 中 ， 安 装 速 度 传 感 器 会 增 加 系 统 成 本 ， 增 加 了 系 统 的 复 杂 性 ，降 低 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠 性 ， 此 外 ， 速 度 传 感 器 不 实 用 于 潮 湿 、 粉 尘 等 恶 劣的 环 境 下 。 因 此 ， 无 速 度 传

6、感 器 的 研 究 便 成 了 交 流 传 动 系 统 中 的 一 个 重 要 的研 究 方 向 ， 且 取 得 了 一 定 的 成 果 。 对 转 子 速 度 估 计 的 方 法 有 很 多 ， 常 用 的 有卡 尔 曼 滤 波 器 位 置 估 计 法 、 模 型 参 考 自 适 应 法 、 磁 链 位 置 估 计 法 、 状 态 观 测器 位 置 估 计 法 和 检 测 电 机 相 电 感 变 化 法 等 。 有 的 学 者 从 模 型 参 考 自 适 应 理 论出 发 ， 利 用 转 子 磁 链 方 程 构 造 了 无 速 度 传 感 器 直 接 转 矩 控 制 系 统 ， 只 要 选

7、择适 当 的 参 数 自 适 应 律 ， 速 度 辨 识 器 就 可 以 比 较 准 确 地 辨 识 出 电 机 速 度 。 （ 2） 定 子 电 阻 变 化 的 影 响 直 接 转 矩 最 核 心 的 问 题 之 一 是 定 子 磁 链 观 测 ， 而 定 子 磁 链 的 观 测 要 用 到定 子 电 阻 。 采 用 简 单 的 u-i 磁 链 模 型 ， 在 中 高 速 区 ， 定 子 电 阻 的 变 化 可 以忽 略 不 考 虑 ， 应 用 磁 链 的 u-i 磁 链 模 型 可 以 获 得 令 人 满 意 的 效 果 ； 但 在 低 速 时 定 子 电 阻 的 变 化 将 影 响 磁

8、通 发 生 畸 变 ， 使 系 统 性 能 变 差 。 因此 ， 如 果 能 够 对 定 子 电 阻 进 行 在 线 辨 识 ， 就 可 以 从 根 本 上 消 除 定 子 电 阻 变 化带 来 的 影 响 。 目 前 ， 常 用 的 方 法 有 参 考 模 型 自 适 应 法 、 卡 尔 曼 滤 波 法 、 神 经网 络 以 及 模 糊 理 论 构 造 在 线 观 测 器 的 方 法 对 定 子 电 阻 进 行 补 偿 ， 研 究 结 果 表明 ， 在 线 辨 识 是 一 个 有 效 的 方 法 。 （ 3） 磁 链 和 转 矩 滞 环 的 改 进 传 统 的 直 接 转 矩 控 制 一 般

9、 对 转 矩 和 磁 链 采 用 单 滞 环 控 制 ， 根 据 滞 环 输 出的 结 果 来 确 定 电 压 矢 量 。 因 为 不 同 的 电 压 矢 量 对 转 矩 和 定 子 磁 链 的 调 节 作 用不 相 同 ， 所 以 只 有 根 据 当 前 转 矩 和 磁 链 的 实 时 值 来 合 理 的 选 择 电 压 矢 量 ， 才 能 有 可 能 使 转 矩 和 磁 链 的 调 节 过 程 达 到 比 较 理 想 的 状 态 。显 然 ， 转 矩 和 磁 链 的 偏 差 区 分 的 越 细 ， 电 压 矢 量 的 选 择 就 越 精 确 ， 控 制 性 能也 就 越 好 。 （ 4）

10、死 区 效 应 的 解 决 为 了 避 免 上 下 桥 臂 同 时 导 通 造 成 直 流 侧 短 路 ， 有 必 要 引 入 足 够 大 的 互 锁延 时 ， 结 果 带 来 了 死 区 效 应 。 死 区 效 应 积 累 的 误 差 使 逆 变 器 输 出 电 压 失 真 ，于 是 又 产 生 电 流 失 真 ， 加 剧 转 矩 脉 动 和 系 统 运 行 不 稳 定 等 问 题 ， 在 低 频 低 压时 ， 问 题 更 严 重 ， 还 会 引 起 转 矩 脉 动 。 死 区 效 应 的 校 正 ， 可 由 补 偿 电 路 检 测并 记 录 死 区 时 间 ， 进 行 补 偿 。 这 样

11、既 增 加 了 成 本 ， 又 降 低 了 系 统 的 可 靠 性 。可 用 软 件 实 现 的 方 法 ， 即 计 算 出 所 有 的 失 真 电 压 ， 根 据 电 流 方 向 制 成 补 偿 电压 指 令 表 ， 再 用 前 向 反 馈 的 方 式 补 偿 ， 这 种 新 型 方 案 还 消 除 了 零 电 压 箝 位 现象 。 除 了 以 上 几 种 最 主 要 的 方 面 外 ， 一 些 学 者 还 通 过 其 他 途 径 试 图 提 高 系 统的 性 能 。 直 接 转 矩 控 制 的 特 征 是 控 制 定 子 磁 链 ， 是 直 接 在 定 子 静 止 坐 标 系 下 ， 以空

12、 间 矢 量 概 念 ， 通 过 检 测 到 的 定 子 电 压 、 电 流 ， 直 接 在 定 子 坐 标 系 下 计 算 与控 制 电 动 机 的 磁 链 和 转 矩 ， 获 得 转 矩 的 高 动 态 性 能 。 它 不 需 要 将 交 流 电 动 机化 成 等 效 直 流 电 动 机 ， 因 而 省 去 了 矢 量 变 换 中 的 许 多 复 杂 计 算 ， 它 也 不 需 要模 仿 直 流 电 动 机 的 控 制 ， 从 而 也 不 需 要 为 解 耦 而 简 化 交 流 电 动 机 的 数 学 模 型 ，而 只 需 关 心 电 磁 转 矩 的 大 小 ， 因 此 控 制 上 对 除

13、 定 子 电 阻 外 的 所 有 电 机 参 数 变化 鲁 棒 性 良 好 ， 所 引 入 的 定 子 磁 链 观 测 器 能 很 容 易 得 到 磁 链 模 型 ， 并 方 便 地估 算 出 同 步 速 度 信 息 ， 同 时 也 很 容 易 得 到 转 矩 模 型 ， 磁 链 模 型 和 转 矩 模 型 就构 成 了 完 整 的 电 动 机 模 型 ， 因 而 能 方 便 地 实 现 无 速 度 传 感 器 控 制 ， 如 果 在 系统 中 再 设 置 转 速 调 节 器 ， 即 可 进 一 步 得 到 高 性 能 动 态 转 矩 控 制 了 。 需 要 说 明 的 是 ， 直 接 转 矩

14、 控 制 的 逆 变 器 采 用 不 同 的 开 关 器 件 ， 控 制 方 法也 有 所 不 同 。 Depenbrock 最 初 提 出 的 直 接 自 控 制 理 论 ， 主 要 在 高 压 、 大 功率 且 开 关 频 率 较 低 的 逆 变 器 控 制 中 广 泛 应 用 。 目 前 被 应 用 于 通 用 变 频 器 的 控制 方 法 是 一 种 改 进 的 、 适 合 于 高 开 关 频 率 逆 变 器 的 方 法 。 1995 年 ABB 公 司首 先 推 出 的 ACS600 系 列 直 接 转 矩 控 制 通 用 变 频 器 ， 动 态 转 矩 响 应 速 度 已 达到 2

15、ms， 在 带 速 度 传 感 器 PG 时 的 静 态 速 度 精 度 达 土 0.001%， 在 不 带 速 度传 感 器 PG 的 情 况 下 即 使 受 到 输 入 电 压 的 变 化 或 负 载 突 变 的 影 响 ， 同 样 可 以达 到 0.1%的 速 度 控 制 精 度 。 其 他 公 司 也 以 直 接 转 矩 控 制 为 努 力 目 标 ， 如 富士 公 司 的 FRENIC5000VG7S 系 列 高 性 能 无 速 度 传 感 器 矢 量 控 制 通 用 变 频 器 ，虽 与 直 接 转 矩 控 制 方 式 还 有 差 别 ， 但 它 也 已 做 到 了 速 度 控 制 精 度0.005%， 速 度 响 应 100Hz、 电 流 响 应 800Hz 和 转 矩 控 制 精 度 3%（ 带 PG） 。 其 他 公 司 如 日 本 三 菱 、 日 立 、 芬 兰 VASON 等 最 新 的 系 列 产 品 采 取 了类 似 无 速 度 传 感 器 控 制 的 设 计 ， 性 能 有 了 进 一 步 提 高 。