《电机直接转矩控制的研究与发展方向》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机直接转矩控制的研究与发展方向（11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与发展方向 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 MotorAbstract: Following the Vector Control (VC) technique, Direct Torque Co
2、ntrol (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 and controller is proposed in this paper, and the traditional voltage vector selection table is replaced by
3、 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在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高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。交流调速的优越性早在20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，投资大、效率
4、低、体积大而未能推广。50年代中期，晶闸管的研制成功，使交流电机调速技术有了飞跃发展。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。虽然实现了交流电机在一定范围内的调速，但还不能与直流调速系统相媲美，只能应用于一些调速要求不高的场合，如风机、泵类等负载的拖动。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
5、调速系统略差一些。原因在于，其控制规律是从异步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。后来在国内外学者的努力研究下，不断探索新的交流电机控制方案，交流调速的应用日益广泛。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件。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
6、大突破。所谓矢量控制，就是交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解祸，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电机磁链，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现磁链检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、
7、电流、转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变化，就会影响到磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。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，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。直接转矩控制
8、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，限制在一拍以内无超调，是一种具有高静动
9、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3-1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，以及定子磁链所在的扇区信号sector，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3-1 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直
10、接转矩控制中，定子磁链是不能直接检测的，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电流定子磁链模型，由式（2-3）可得定子磁链的模型的矢量表达式：（3-1）图3-2 定子磁链的模型框图模型框图如图3-2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。由于值较大，测量误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，的值将变得很小，由于定子电阻参数变化及测量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
11、能再采用电压一电流模型了，而是要采用电流转速模型，即根据定子电流和转速来观测定子磁链。 用定子电流和转速来确定定子磁链的观测器模型叫电流转速定子磁链模型，在30%额定转速以下时，能准确比较观测定子磁链。由式（2-3）（2-4）得：（3-2）（3-3）式（3-2）（3-3）组合得到定子磁链的模型，模型框图如图3-3所示7。从式（3-2）（3-3）可以看出，在计算过程中需要用到的电机参数有、和。需要采集的输入变量为定子电流和电机转速。较模型，模型的表达式较为复杂，计算量也相对增加。图3-3 定子磁链的模型框图计算定子磁链需要的定子两相电压和的是根据逆变器开关信号、和直流侧电压的值计算得到的，计算式
12、由式（2-15）得到（3-4）定子两相电流和通过3/2变换获得，再根据三相电流的关系式进行化简，得到计算式为：（3-5）定子磁链幅值计算表达式为（3-6）电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算（3-7）式中为电机极对数。2.2磁链调节器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链开关信号。其工作原理是根据定子电压和定子磁链的矢量表达式（3-8）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8（3-9）式（3-9）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3-4
13、所示的半径为，容差范围为的圆形轨迹，磁链调节器可以采用滞环比较器实现，滞环宽度从到，如图3-5所示。图3-4 定子磁链圆形轨迹其工作过程如下：当时，说明定子磁链幅值实际值少于幅值给定值，并且超出了容差上限，滞环比较器输出，开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以增大；当时，说明定子磁链幅值实际值大于幅值给定值，并且超出了容差下限，此时滞环比较器输出，开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以减少；当时，定子磁链幅值实际值与幅值给定值之差在容差范围内，此时滞环比较器输出保持不变，电压矢量也保持不变。图3-5 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、转矩开关信号TQ和定子磁链
14、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。开关选择表如表3-1所示。表3-1 定子电压开关信号选择表（逆时针旋转）磁链信号转矩信号TQ扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6-1-1V2V3V4V5V6V11V7V0V7V0V7V01-1V3V4V5V6V1V21V0V7V0V7V0V73 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环的异步电机直接转矩控制系统中，磁链观测器工作在反馈通道，如果磁
15、链观测器的幅值大于实际值，将导致电动机的弱磁运行；反之，如果磁链观测器的幅值小于实际值，将导致电动机的过励运行。为了弥补电机参数变化导致的定子磁链和电磁转矩观测失准问题，考虑到模型和模型各自的特点，可以采用基于滤波器的定子磁链观测器。高速时定子磁链模型观测精度高；低速时定子磁链模型观测精度相对较高，因此将定子磁链模型和模型综合在一起，即在高速时让模型起主要作用，通过低通滤波器将模型的观测值滤除。在低速时让模型起主要作用，通过高通滤波器将模型的观测值滤除。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4-1所示。定子磁链模型的观测值通过高通滤波器，定子磁链模型的观测值通过低通滤波器，再将这两个值相加，即为定子磁链的观测值。图4-1 基于滤波器的定子磁链观测器电机参数变化导致定子磁链观测器的精度降低，其、和这三个参数的变化对定子磁链观测器的影响较大。通过增加低通和高通滤波器，提高了定子磁链观测器的精度。3.2 改进的磁链调节器和开关选择表电机低速时，工作电压矢量作用时间很短，零电压矢量作用的时间却很
