《现代交流调速论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代交流调速论文（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电机直接转矩控制的研究及其发展摘要：异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种具有良好的静态与动态性能的交流传动 控制技术。本文在研究了传统的直接转矩控制系统的基础上，介绍一种新型的定子磁链观测器和调节器， 采用新型的电压矢量选择表代替传统的电压矢量选择表，最后叙述了直接转矩控制的发展方向。关键词：异步电机，直接转矩控制，定子磁链观测器Research of Direct Torque Control of Asynchronous MotorYAO Zhiyuan(School of Information Science and Engineering,Central South
2、University ,Hunan Changsha 410083) Abstract： Following the Vector Control (VC) technique, Direct Torque Control (DTC) of asynchronous motor is an AC driving control technique which has high static and dynamic performance. On the basis of the study of the traditional DTC, a new stator flux observer a
3、nd controller is proposed in this paper, and the traditional voltage vector selection table is replaced by a new selection table. The last, this paper describes the direction of development of Direct Torque Control.Key Words: asynchronous motor, DTC, stator flux observer1异步电机调速系统控制策略发展概 况异步电机相对于直流电机
4、在结构简单、 维护容易、对环境要求低以及节能和提咼生 产力等方面具有明显的优势，使它已经广泛 运用于工农业生产、交通运输、国防以及日 常生活之中。早期交流调压调速系统的主回 路基本上都采用SCR开关器件，输出的电 压或电流波形中含有较多的谐波，造成电机 转矩脉动大，功率因数较差。随后发展的滑 差频率速度闭环控制系统基本上解决了异 步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备 了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也 不算太复杂，己能满足许多工业应用的要 求，具有较广泛的应用价值。然而，当生产 机械对调速系统的动静态性能提出更高要 求时，上述系统还是比直流调速系统略差一 些。原因在于，其控制规律是从异步
5、电机稳 态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的 平均值控制，完全不考虑过渡过程，因而在 系统设计时，不得不做出较强的假设，忽略 较多的因素，才能得出一个近似的传递函 数，这就使得设计结果与实际相差较大，系 统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能 尚不能令人满意。1971年，德国学者F.Blaschke提出了交 流电机的磁场定向矢量控制理论1标志着 交流调速理论的重大突破。1985年，德国鲁 尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型 交流调速理论一直接转矩控制。这种方法结 构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由 于坐标变换引起的计算量大，控制结构复 杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点。 直
6、接转矩控制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。它不需要将交流电动机与直流电动机做 比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动 机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动 机的数学模型。直接转矩控制技术采用空间 矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用电子磁场定 向，借助于离散的两点式调节产生PWM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。它省掉了复 杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处 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，该控制系统的转 矩响应迅速，
7、限制在一拍以内无超调，是一 种具有高静动态性能的交流调速方法。2传统的直接转矩控制系统原理传统的直接转矩控制的结构框图如图：2-1所示6。其根据转矩滞环比较器和磁链 滞环比较器输出的开关信号TQ和T ，以 及定子磁链所在的扇区信号sec tor从已知 的定子电压开关信号选择表中选择合适开 关状态，控制逆变器输出空间电压矢量，以 维持转矩和定子磁链的偏差在滞环比较器 的容差范围内，从而实现对转矩和磁链的直 接控制。定子磁链和电磁转矩的反馈值，可 由磁链和转矩计算单元观测得到。之前已经 介绍了电压型逆变器和异步电机的数学模 型，下面再对传统直接转矩控制系统的其他 组成部分得工作原理进行简要说明。图
8、2-1传统的直接转矩控制系统的结构框图2.1磁链和转矩计算单元i直接转矩控制中，定子磁链是不能直接ss图2-2定子磁链的ui模型框图检测的，需要通过定子磁链观测器观测得 到。用定子电压和定子电流来确定定子磁 链的观测器模型叫电压一电流定子磁链模 型，可得定子磁链的u i模型的矢量表达 式：u R idt （2-1）sss s模型框图如图2-2所示。该模型结构简 单，受参数影响小，适用范围在额定转速 30%以上。由于UFr |值较大，测量误ss s差及积分漂移的影响就变得微不足道；采用 此模型能比较准确地观测出定子磁链。但是当电机在低速运行时，U IR的值将变ss s得很小，由于定子电阻R参数变
9、化及测量s所带来的误差会把实际值淹没掉，而且积分 器漂移的影响也变得严重起来，从而就无法 有效使用该模型。因此，当电机转速较低时 定子磁链的观测就不能再采用电压一电流 模型了，而是要采用电流一转速模型，即根 据定子电流和转速来观测定子磁链。30%额定转速以下时, 磁链。由以上得：用定子电流和转速来确定定子磁链的 观测器模型叫电流一转速定子磁链模型，在 能准确比较观测定子2SaSlUd(2-4)S S b 7 v3 dS和直流侧电压U的值计算得到的cdusus定子两相电流i和i通过3/2变换获ss得，再根据三相电流的关系式i i i 0进行化简，得到计算式为:abci isaiiis 3 a 3
10、 b定子磁链幅值计算表达式为v （ 22 ）（2-6）sssL i(2-2)s sj T(2-3)rr dtm sr r电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算3T n （ii）（2-7）e2 P ssss式中n为电机极对数。p2.2磁链调节器式（2-2）（2-3）组合得到定子磁链的i n模 型，模型框图如图2-3所示7。机转速。较ur式较为复杂，计算量也相对增加。Ts 1rL_m_Lr从式（2-2）（2-3）可以看出，在计算过 程中需要用到的电机参数有L、T、L和s r m。需要采集的输入变量为定子电流i和电si模型，i n模型的表达图2-3定子磁链的i n模型框图 计算定子磁链需要的定子两相电压
11、us和U的是根据逆变器开关信号s、S、sab磁链调节器功能是根据定子磁链幅值 实际值和幅值给定值*的偏差确定磁ss链开关信号T 。其工作原理是根据定子电 压和定子磁链的矢量表达式u R i dt（2-8）sss s由于定子电阻通常很小，在分析时若忽略定 子电阻压降的影响，则有u dt（2-9）ss式（2-9） 上式表明定子磁链空间矢量 与定子电压空间矢量之间为积分关系，即增 量关系，定子磁链矢量的变化方向跟随电压 空间矢量的变化方向。因此，如要使定子磁 链轨迹为图2-4所示的半径为*，容差范s围为2的圆形轨迹，磁链调节器可以采用滞环比较器实现，滞环宽度从到 如图2-5所示。图2-4定子磁链圆形
12、轨迹其工作过程如下：当*时，ss说明定子磁链幅值实际值少于幅值给定s值*，并且超出了容差上限，滞环比较s器输出T1，开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以增大 ；当s时，说明定子磁链幅值实际值大于幅值给定值*，并且超出了容差ss下限，此时滞环比较器输出T1,以减少；当*时，定sss子磁链幅值实际值与幅值给定值*之ss差在容差范围2 内，此时滞环比较器输出 保持不变，电压矢量也保持不变。T图2-5磁链调节器2.3开关选择单元开关选择单元的功能是，综合磁链开关 信号T 、转矩开关信号TQ和定子磁链扇 区信号，再根据转矩调节优先的原则，选择 合适的定子电压矢量，以达到控制电机转矩 和磁链的目的。开关
13、选择表如表2-1所示磁链信号T-1-1V2V3V4V5V6V1-1V7V0V7V0V7V0V3V4V5V6V1V2开关选择表输出合适的定子电压空间矢量表2-1 定子电压开关信号选择表（逆时针旋转）转矩信号TQ扇区1 扇区2 扇区3 扇区4 扇区5 扇区63直接转矩控制的改进3.1基于滤波器的定子磁链观测器在电机运行过程中，电机参数随现场工 况变化的影响在一定范围内变化，且这种变 化规律事先难以获取，这将导致定子磁链观 测器的精度降低。在定子磁链和电磁转矩闭磁链信号T转矩信号TQ扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6-1VVVVVV-23456121VVVVVV123456-1VVVVVV-123
14、45611VVVVVV707070-1VVVVVV13456121VVVVVV070707表3-1增加“2”级的定子电压开关信号选择表模型和i n模型各自的特点，可以采用基 于滤波器的定子磁链观测器。高速时定子磁 链u i模型观测精度高；低速时定子磁链 i n模型观测精度相对较高，因此将定子 磁链u i模型和i n模型综合在一起，即 在高速时让u i模型起主要作用，通过低 通滤波器将i n模型的观测值滤除。在低 速时让i n模型起主要作用，通过高通滤 波器将u i模型的观测值滤除。并且使这 两个滤波器的转折频率相同，即可实现模型 之间的平滑过渡。基于滤波器的定子磁链观测器原理框 图如图3-1所示。定子磁链u i模型的观测 值通过高通滤波器，定子磁链i n模s_ ui型的观测值通过低通滤波器，再将这s_ in两个值相加，即为定子磁链的观测值 。sTss_ui 一Ts 11*s
