交流电力牵引系统5(直接转矩控制)2016.

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1、城市轨道车辆电力牵引与控制城市轨道车辆电力牵引与控制 交流牵引电机暂态控制交流牵引电机暂态控制城市轨道交通学院城市轨道交通学院主要内容主要内容三相交流异步电机暂态数学模型三相交流异步电机暂态数学模型按转子磁场定向的矢量控制按转子磁场定向的矢量控制按定子磁场定向的直接转矩控制按定子磁场定向的直接转矩控制1234交流传动主回路交流传动主回路 不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性容易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。它以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的

2、发展。直接转矩控制技术的诞生与发展3 直接直接转矩控制矩控制 矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。然而，在实际上由于转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。直接转矩控制技术的诞生与发展3 直接直接转矩控制矩控制 实际表明，采用直接转矩控制的异步电动机变频调速，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗小，噪声及温升均比一般的逆变器驱动的电动机小得多。直接转矩控制系统的主要特点有：

3、 直接转矩控制是直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要与直流电机进行比较、等效、转化；所以不需要为解耦而简化交流电动机模型，省掉了坐标变换。 采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变的简单明了。直接转矩控制技术的诞生与发展3 直接直接转矩控制矩控制 强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差大小由频率调节器来控制。因此，他的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能简化，而是取决于转矩的实际状况。 总之，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方

4、法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助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。直接转矩控制技术的诞生与发展3 直接直接转矩控制矩控制1、异步电动机的电磁转矩模型 在DSC中，采用空间矢量的数学分析方法，在电机的定子坐标系上描述异步电动机，这使问题变得特别简单、清晰。 由此构成的转矩观测模型。以定子磁链矢量为基准的优越性是，在定子坐标系中计算定子磁链，受电机参数影响最小（只受定子电阻的影响），而且定子电流可以直接测取。3 直接直接转矩控制矩控制2、异步电动机的磁链模型异步电动机的定子磁链可以根据下式来确定： 优

5、点:在计算过程唯一用到的参数是定子电阻。而定子电流和端电压都是容易确定的物理量，能以满足的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再带入转矩模型，就可以计算出电动机的转矩。3 直接直接转矩控制矩控制 由磁链模型可知，用两个积分器便可计算电机磁链，但实现起来存在下列问题： （1）积分器存在漂移，为抑制漂移需引入反馈通道，反馈通道使输出信号幅值和相移减小，随电机转速和频率的降低，积分器误差增大。 （2）随电机转速和频率的降低，端电压模值减小，由定子压降项补偿不准确带来的误差就越大。 （3）电机不转时，端电压为0，无法通过上式进行磁链，也无法建立初始磁链。 借助于电机的电流模型可以解决上述问题。 3 直接

6、直接转矩控制矩控制电压模型：电流模型： 两个模型必须配合使用，高速时用电压模型，低速时用电流模型。 电流模型用定子电流计算磁链，但精度与转速有关，也受电机参数，特别是转子时间常数的影响，在高速时不如电压模型。3 直接直接转矩控制矩控制 电压模型和电流模型进行快速平滑切换的困难仍未得到解决，取而代之的是在全速范围内都实用的高精度磁链模型，称为u-n模型，也叫电动机模型。u-n模型由定子电压和转速来获取定子磁链。它综合了电压模型和电流模型的特点。3 直接直接转矩控制矩控制逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程 一台电压性逆变器如图，由三组六个开关组成，一组桥臂上下开关反向，即一个接通一个断开，所以

7、三组开关有8种开关组合。 若规定ABC三相负载的某一相与“+”接通时，该相开关状态为“1”，反之，与“-”接通时，为“0”态。则八种可能的开关状态如表。3 直接直接转矩控制矩控制逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程3 直接直接转矩控制矩控制逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程3 直接直接转矩控制矩控制电压空间矢量与磁链空间矢量的关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系定子磁链与定子电压之间的关系为：若忽略定子电阻压降的影响，则 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。3 直接直接转矩控制矩控制 磁链空间矢量的顶点会按照与电压空间矢量相平行的方向，沿矢量轨迹运动。 定子电阻压降比端

8、电压足够小，那么这种平行就能得到很好的近似。在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量电压空间矢量与磁链空间矢量的关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系3 直接直接转矩控制矩控制电压空间矢量对电动机转矩的影响电压空间矢量对电动机转矩的影响转矩=定子磁势气隙磁势 通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。 如果在某一时刻，加入零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量保持静止不动，而转子磁链空间矢量继续以同步速度旋转，则磁通角减小，从而转矩减小。3 直接直接转矩控制矩控制电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择 正确选择电压可以形成六边形磁链。所

9、谓正确选择，包括两个含义：一是电压空间矢量顺序的选择；二是各电压空间矢量给出时刻的选择。 区段S1分别向三相坐标系三轴投影，得到该区段内三个磁链分量。其中，在整个区段内， 保持正的最大值， 从负的最大值变到0， 从零变到负的最大值。C123456S1S2S3S4S5S6AB电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择 施密特触发器的容差为 ,作为磁链给定值，通过三个施密发器用磁链给定值分别与三个磁链分量进行比较。当 上升到正的磁链给定时，施密特触发器输出低电平， 为低电平。反之， 输出高电平。 得到磁链开关信号 的时序图，同理可以得到 时序图。 磁链开关信号可以很方便地构成电压开关信号，其关系

10、为：电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择 由以上分析得到了电压开关状态顺序的正确选择。所得电压开关状态的顺序是011-001-101-100-110-010，正好对应于六边形磁链的六个区段：S1-S2-S3-S4-S5-S6。换句话说，按顺序依次给出电压空间矢量 就可以得到按逆时针旋转的正六边形磁链轨迹。 同时解决了所选用空间矢量给出时刻的问题。这个时刻就是磁链分量达到磁链给定值的时刻。电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择 前面我们阐述了直接转矩控制系统的基本概念、基本控制原理。所谓“直接转矩控制” ，其本质是：在异步电动机定子坐标系

11、中，采用空间矢量的数学分析方法，直接计算和控制电动机的电磁转矩。3 直接直接转矩控制矩控制 一台电压型逆变器处于某一工作状态时，定子磁链轨迹沿着该状态所对应的定子电压矢量方向运动，速度正比于电压矢量的幅值。利用磁链的棒棒控制切换电压矢量工作状态可使磁链轨迹按照六边形运动。如果要改变定子磁链矢量的旋转速，可引入零电压矢量。在两状态下，电压矢量等于0，磁链停止旋转不同。利用转矩的棒棒控制交替使用工作状态和零状态，使磁链走走停停，从而改变磁链个平均旋转速度的大小，也就改变了磁通角的大小，达到控制电动机转矩的目的。转矩、磁链闭环控制所需要的反馈控制量由电动机定子侧转矩、磁链观测模型计算给出。3 直接直

12、接转矩控制矩控制2/312/32/3UTIMAZSAMMUCTDMCAMCTQ3 直接直接转矩控制矩控制1、直接转矩控制的基本结构DMC：磁链自控制单元。输入量是定子磁链在 三相坐标系上的三相分量 。其参考信号是磁链给定值 。通过三个施密特触发器得到磁链开关信号，再经过关系转换、反向后变成电压状态信号直接去控制逆变器UI，输出相应的电压空间矢量。3 直接直接转矩控制矩控制UCT：坐标变换单元。输入量是定子磁链在 坐标系上的分量。输出是三个 磁链分量。 （2S/3S)123456S1S2S3S4S5S6AB3 直接直接转矩控制矩控制AMM：磁链模型单元。输入量是定子电动势在 坐标系上的分量，输出

13、量为磁链在 坐标系上的分量。3 直接直接转矩控制矩控制AZS:零状态选择单元。 转矩调节器ATR的输出信号TQ控制开关S接通零状态选择单元AZS提供的零电压信号，把零电压加到电动机上，使定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。3 直接直接转矩控制矩控制AMC：转矩计算单元。输入量为AMM的输出量 以及被测量3 直接直接转矩控制矩控制2、弱磁过程中的转矩特性 如果改变磁链给定值的大小，就可以任意调节电动机定子磁链的幅值，达到弱磁调速的目的。 在弱磁时，根据转矩公式，磁链减小，转矩要减小。如何在弱磁过程中加大转矩保持弱磁过程中的高动态转矩特性？3 直接直接转矩控制矩控制 在“磁链自控制”中采用减小

14、给定值的方法就能自动做到这一点。具体分析： 弱磁前，磁链给定值为 ，定子磁链与转子磁链以相同的平均角速度沿正六边形轨迹逆时针旋转。如果在t1时刻，把磁链给定值减小到 ，则逆变器的开关状态在t1时刻应该这样改变，即使得定子磁链空间矢量的顶点由 点直接向P点移动。此时由于转子不直接受切换的影响，因此仍保持其原正六边形的运动轨迹。定子磁链从t1时刻开始由 拐点直接向P点运动。从 到P点之间的距离比起转子磁链从t1时刻沿原六边形的边运动到P点之间的距离缩短了 距离。因此定子磁链比起转子磁链较早达到P点。这就意味着定子磁链和转子磁链之间建立了一个角度的增量。相应转矩增大，达到了弱磁中增大转矩的目的。3

15、直接直接转矩控制矩控制3、定子电阻压降对定子磁链幅值的影响 定子电阻电压对定子磁链的影响见图。 图中外轨迹图是0.5倍的理想额定控制转速时的六边形磁链的轨迹图形。内轨迹图是0.05倍额定空载转速的轨迹图形。外轨迹是一个近似得很好的正六边形，内轨迹则扭曲得很厉害。事实上，在大于30%额定转速范围内，定子电阻压降对定子磁链的影响很小。而在低速时，其影响会增大。0.05nsN时磁链轨迹（内轨迹图）0.5nsN时磁链轨迹（外轨迹图）3 直接直接转矩控制矩控制 根据上节提出的直接转矩控制的基本结构，经过扩充和完善，可以得到一个比较完整的异步电动机直接转矩控制的变频调速系统。转速检测器转速调节器转矩调节器

16、磁链幅值构成频率调节器2/3磁链自控单元转矩模型定子磁链模型零状态磁链调节器开关信号选择单元IGBT逆变器2/32/3IMASRATRAMRA RATRUI3 直接直接转矩控制矩控制系统组成部分：磁链自控制转矩调节磁链调节开关信号选择开关频率调节异步电动机的数学模型转速调节3 直接直接转矩控制矩控制 1、定子磁链沿六边形轨迹正转和反转时各信号之间的关系磁链自控制磁链自控制 任务：识别磁链运动轨迹的区段，给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转。正转时反转时3 直接直接转矩控制矩控制磁链自控制磁链自控制2、磁链开关信号正确选择的实现 反转时，如果仅根据

17、上面的反转信号之间的关系，直接进行反转，还存在有问题。 比如定子磁链在区段S5开始反转，进入的下个区段是S4,而施密特触发器的当输入信号第一次到达阈值时，输出相应的信号，当输入信号第二次返回同一阈值时，则不起作用。为此必须采取措施，以实现反转功能： 让三个磁链分量倒相，然后改变相序，把 和 互换，就能得到负的坐标系顺时针旋转所应形成的磁链分量。3 直接直接转矩控制矩控制磁链自控制磁链自控制磁链自控制磁链自控制转矩调节 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能： 用转矩两点式调节器直接调节转矩 用P/N调节器，在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向。3 直接

18、直接转矩控制矩控制转矩调节转矩调节1、转矩两点式调节器（1）转矩两点式调节器调节过程 也是采用施密特触发器，其容差为 且可调。当实际值低于下限，输出为“1”，得到相应电压空间矢量，使定子向前旋转，转矩上升。当实际值高于上限，输出为“0”。零电压加到电动机上，定子磁链不动，转矩减小。转矩调节转矩调节（2）定子磁链空间矢量最大的轨迹速度 定子磁链沿六边形运行时，在 轴上的最大变化量是 ，当逆变器的直流电压恒定且等于2E时，其 轴电压分量也恒定，幅值为 4E/3。由磁链与电压之间的积分关系得： T0为定子磁链在空间运行一周的时间理想空载角速度定子磁链最大变化率为转矩调节转矩调节（3）定子磁链空间矢量

19、的平均轨迹速度 如图，如果定子磁链空间矢量以原点“0”为中心，其顶点沿六边形轨迹的水平边旋转。如果角速度恒定。则有定子磁链旋转切速度定子磁链空间矢量模值定子平均轨迹速度：如果固定角速度和定子磁链，那么其波动为 转矩调节转矩调节（4）有转矩调节所决定的逆变器频率的估计转矩调节器的容差决定逆变器开关频率大小。转矩脉动频率，也就是转矩调节决定的逆变器开关频率，转矩调节转矩调节2、P/N调节器转矩调节转矩调节磁链调节器磁链调节器1、磁链调节器 其结构也是施密特触发器。容差为 磁链电压：加大定子磁链幅值的定子电压空间矢量 对磁链电压的选择有两种：磁链调节器磁链调节器2、磁链电压对转矩的影响 磁链 的接通

20、不仅加大了定子磁链空间矢量的模值，而且还使定子磁链空间矢量回转一个角度这种回转随接通的位置不同而不同。且会使得转矩减小。 回转的最大可能是在区段的末端，此时得到转矩的负波动为3.5%。磁链调节器磁链调节器C123456S1S2S3S4S5S6AB3、磁链幅值构成单元 为了进行磁链调节，必须检测磁链量，这由磁链模值构成单元完成。对于六边形磁链由三个对称贝塔分量构成：对于圆形磁链，定子磁链模值为：电压状态的选择电压状态的选择 如何综合磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号以及正反转P/N信号、零状态电压信号，以实现正确的电压选择。 如图，集中表示了正转磁链开关信号的顺序、反转磁链开关信号、与此

21、相对应的电压开关信号、电压状态信号、电压空间矢量和所对应的区段。电压状态的选择电压状态的选择 以定子磁链P转为例。设定子磁链空间矢量位于区段S4，若转矩开关信号TQ=1,即要求增加转矩，则给出电压空间矢量uS4，此时的磁链开关信号为 ，电压开关信号为 。若此时转矩开关信号不要求增加转矩，而磁链开关信号要求增加磁链，即 ，则给出 磁链电压，即电压空间矢量us2 。相应的磁链开关信号 ，电压开关信号 。电压状态的选择电压状态的选择把每个区段的磁链开关信号和电压开关信号列表，则有1) 转矩开关信号要求增加转矩，正转时的顺序表。电压状态的选择电压状态的选择2)转矩开关信号要求增加转矩，反转时的顺序表电

22、压状态的选择电压状态的选择 如果磁链开关信号要求磁链量增加，对于P运转，则磁链开关信号与电压开关信号之间有这样的顺序关系。电压状态的选择电压状态的选择 如果磁链开关信号要求磁链量增加，对于N运转，则磁链开关信号与电压开关信号之间有这样的顺序关系。 综合各种开关信号，开关信号选择单元应这样来工作：由磁链自控制单元给出的磁链开关信号决定正确的区段电压，以使定子磁链沿六边形轨迹旋转。区段电压的接通与否，由转矩开关信号控制。接通时，区段电压成为转矩电压，定子磁链旋转，转矩加大，不接通时，零电压被接通，定子磁链静止，转矩减小。在保证转矩调节的前提下，若磁链量减小了，则磁链量开关信号接通磁链电压，以使磁链

23、量增大，实现在沿六边形轨迹运动的过程中，即调节转矩，又调节磁链量。P/N信号控制正、反转。电压状态的选择电压状态的选择最小开关持续时间最小开关持续时间 逆变器的开关功率器件，在开关状态改变后，都有一个最小持续时间。只有满足这个最小持续时间后，其开关状态才能发生新的变化。最小持续时间会影响到电压状态的切换。检查新的开关信号希望的开关状态可能吗？ 执行当前状态是适当的零状态吗？用适当的零状态代替所希望的开关状态，单次的矛盾得到解决NYNY最小开关持续时间的监视和实现用流程图逆变器的开关频率调节逆变器的开关频率调节 在传统的脉宽调制PWM的控制方式中，逆变器的开关频率都是按照实现给定好的模式确定的。

24、而在直接转矩控制的方法中，开关频率是通过转矩容差的宽度的调节来确定的。容差设定小，对于减小转矩脉动是有利的，但同时增加了逆变器的开关频率。 逆变器的开关频率受到两个因素的影响：1）转矩容差的大小；2）转速的大小。 逆变器的开关频率调节器保证逆变器在给定的开关频率下工作。当开关频率超过给定频率时增大容差。反之，则相反。逆变器的开关频率调节逆变器的开关频率调节 在PI调节器后面有一个限制单元AXZ。它的作用有两个：1）在低速时限制容差的最小值，也就是容差的减小有限度，不得低于其最小值。在这个范围内逆变器的开关频率小于给定的开关频率，则不必加调节和限制，可实行频率开环控制，因为它不会带来害处。2）频

25、率调节作用。对应于拐点以上（施加开关频率达到给定频率），如果再采用最小容差，可能不能满足零矢量电压最小开关持续时间的要求，结果会出现实际转矩低于给定转矩的现象，为了避免这种情况的发生，需要增大容差。在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点 根据直接转矩控制系统工作特点的不同，按转速分为三个区域：低速范围、高速范围、弱磁范围。按照不同的转速范围，划分工作区域，确定相应的控制与调节方法，这对于直接转矩控制应用于实际工业生产中是很重要的。高速范围（指从30%100%额定转速之间的转速范围内）的调节方案与4.3节介绍的DSC的基本组成一致，是典型的DSC控制的范围。

26、为了与低速范围（指30%额定转速以下的转速范围）内DSC系统结构特点进行对比，首先将DSC系统高速范围内的结构做一归纳和总结。在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点1、高速范围的调节方案特点1）用电动机模型检测计算电动机电磁模型。2）用磁链自控制环节内的施密特触发器（即磁链给定值比较器）来确定区段；3）转矩两点式调节；4）磁链两点式调节；5）六边形磁链轨迹。在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点2、低速范围内的结构特点 低速范围内，由于转速低（包括零转速）、定子电阻压降影响大等特点，会产生一些需要解决的问题，如磁链波形

27、畸变、在低定子频率及至零频时保持转矩和磁链基本不变等。为此要求在控制方法做相应考虑。在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点低速范围内的调节方案有如下特点：1）用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。2）为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量要实现正反向变化控制；3）转矩调节器和磁链调节器的多功能协调工作；4）用符号比较器确定区段；5）调节每个区段的磁链量；6）圆形磁链轨迹（15%以下）与六边形磁链轨迹（1530%）：7）每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用和选择 本节将进一步分析各种电压状态所能起的更多的作用。 逆变器的六个可能的工作电压状

28、态输出六个工作电压空间矢量。由于定子磁链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，所以磁链只能在这六个方向上运行。磁链的任何其他方向的运行，都只能通过多个电压空间矢量的组合来实现。区段的电压状态选择区段的电压状态选择 六边形磁链轨迹的调节方案，是的调节结构很简单。在每个区段值需要两种电压状态：区段的工作电压状态和零电压状态。用一个双值输出的调节器分别控制接通“工作电压”或“零电压”就够了。在DSC控制中，这种控制信号由转矩两点式调节器提供。 如果要在区段内改变定子磁链的方向，则必须增加区段内所需的电压状态的数目，配合转矩调节器、磁链调节器、P/N调节器、磁链自控制单元等，提供相应的电压开关信

29、号，通过电压空间矢量的不同组合方式，实现不同的调节目的。用多个电压空间矢量组合的办法，还能实现近似圆形磁链轨迹的运行方式。只要每个区段中的电压状态的数目足够多，圆形磁链轨迹就能得到很好的近似，当然，此时调节器的输出状态也将增加。区段的电压状态选择区段的电压状态选择区段的电压状态选择区段的电压状态选择 对定子运动轨迹的每个区段，可以利用的电压空间矢量有四个，代表这定子磁链四个有意义的方向。 如区段S4中定子磁链的四个有意义的变化方向和电压状态如图：123456S1S2S3S4S5S6区段的电压状态选择 一般情况下不存在只改变转矩，或者只改变此联两的电压状态。但对于六变形磁链轨迹的零度电压状态，则是一个例外。他只增加转矩，而不影响磁链量。而其它电压状态，他们既影响转矩，又影响磁链量。因此，在调节中采取磁链量和转矩彼此分离的调节结构是没有意义的。采用各种电压的组合方案，配合使用零电压状态，同时遵循最小开关持续时间的要求和最少开关次数的原则，就能更好地实现转矩和磁链控制完成DSC控制的要求。3 直接直接转矩控制矩控制