1、第第7 7章章 直接转矩控制直接转矩控制与矢量控制与矢量控制7.1直接转矩控制直接转矩控制 DTC-Direct Torque Controll直接转矩控制方法是基于动态模型的闭环控制。直接转矩控制方法是基于动态模型的闭环控制。l双闭环控制，外环采用转速闭环，控制转速的大双闭环控制，外环采用转速闭环，控制转速的大小；其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，小；其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用滞环比较控制来控制转矩，可以得到转矩并采用滞环比较控制来控制转矩，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。lDTC控制脉冲属于转矩跟踪控制脉
2、冲属于转矩跟踪PWM控制，利用转控制，利用转矩给定矩给定T*与反馈转矩与反馈转矩Tf进行比较产生进行比较产生PWM控制脉控制脉冲。冲。1、直接转矩控制的基础概念：、直接转矩控制的基础概念：Sa、Sb、Sc分别表示逆变器三相的开关状态， Sa=1，表示U相的上桥臂导通， Sa=0，表示U相的下桥臂导通。三个开关量Sa、Sb、Sc共有八种组合，分别是：(Sa、Sb、Sc) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。这八种组合中，组合(000)和(111)状态下，电动机的电压均为零，称为零电压状态，其他六种组合称为有效电压状态
3、。用U0、U1、U2U7分别表示八种开关组合状态下的电压空间矢量 )(323432jcjbaseueuuU Us是由逆变器的开关状态（Sa、Sb、Sc）得到的，六种有效电压状态可以得到六个空间电压矢量。 用上式公式可以计算出六个空间电压矢量的幅值和位置。以（SaSbSc）=（011）为例：)(323432jcjbaseueuuU3432331313232)011(jdcjdcdceUeUUUdcjdcUeU3232343232313132)001(34321dcjdcjdcdcUeUeUUU 同理可以计算出其它电压矢量的幅值和位置。 直接转矩控制是直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩
4、，用空间矢量的分析方法，借助于离散的两点式调节，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。 U1U6将定子空间圆等分为6个扇区S1S6。 3432)001(1dcUU3232)010(2dcUU032)100(4dcUU3532)101(5dcUU332)110(6dcUUaU4(100)bcU3(011)U1(001)U5(101)U6(110)U2(010)U0U7位于坐标原点S1S2S3S4S5S62、定子电压空间矢量与定子磁链的关系、定子电压空间矢量与定子磁链的关系 逆变器的输出电压us(t)直接加到异步电动机的定子绕组上，则定子磁链s(t)与定子电压us(t)之间的关系为： 若忽略定子电阻
5、Rs上压降的影响，则： 公式表示：定子磁链空间矢量 s沿着电压空间矢量Us的方向，以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量 s的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。dtRtitutssss)()()(dttutss)()(nsis r U U4U U6U U2U U3U U1U U5 在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当 s处于扇区S1时，为了控制 s沿顺时针方向旋转，应当选择U6（110）、U2（010）。当磁链幅值达到上限时应选择U2（110），当磁链幅值达到下限时选择U6（0
6、10）。反之，当需要磁链作逆时钟旋转时，对应扇区S1时应选取U5（110）、U1（010）。 3、定子电压空间矢量对转矩的影响、定子电压空间矢量对转矩的影响 电动机的电磁转矩可以表示为定子磁链与转子磁电动机的电磁转矩可以表示为定子磁链与转子磁链的形式：链的形式： sin2323rsrsmprsrsmpeLLLnLLLnT为定转子磁链夹角，Lm为电机互感，Ls为定子自感，Lr为转子自感，np表示感应电机的极对数 ，“”表示矢量积。 rsmLLL21)(23sssspeiinT电磁转矩还可以表示成定子磁链和定子电流形式： 在实际应用中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁芯，转子磁链幅值由
7、负载电流决定。要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁链角(t)的大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量Us来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的旋转速度s的平均值大小，从而改变磁链角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 aU4(100)bcU3(011)U1(001)U5(101)U6(110)U2(010)s(t2)s(t1)r(t1)r(t2)(t1)(t2)结论：结论：当施加超前定子磁链的电压矢量时，使定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁链夹角加大，相应转矩增加。如果施加零矢量或滞后矢量时，相当于定子磁链矢量停滞不前或反转，
8、而转子磁链继续旋转，相应转矩减小。4、定子电压空间矢量的选择、定子电压空间矢量的选择 要正确地选择合适的定子电压矢量，应综合考虑定子磁链偏差、转矩偏差，以及定子磁链矢量 s所处的扇区位置SN 计算出了定子磁链幅值偏差，转矩偏差和扇区号SN，就可以按照磁链和转矩的控制原理，来选择下一个控制周期要施加的电压矢量。一般事先制定一个优化的选择电压矢量的开关表，此开关表的输入为磁链偏差、转矩偏差以及定子磁链所在扇区Sn，通过优化的开关选择表可以选取最优的定子电压矢量，进而将电磁转矩和定子磁链控制在允许的脉动范围内，最终实现对定子磁链和电磁转矩的控制。 、 、Sn123456=0 =-1U6（110） U
9、5(101)U4(100)U3(011) U2(010) U1(001) = 0U7（111） U7(111)U0(000)U7(111) U0(000) U0(000) =+1 U5（101） U3(011)U1(001)U6(110) U4(100) U2(010)=1 =-1U2（010） U4(100)U6(110)U1(001) U3(011) U5(101) = 0U0（000） U0(000)U7(111)U0(000) U7(111)U7(111) =+1 U1（001） U2(010)U3(011)U4(100) U5(101) U6(110)电压矢量优化开关表 优化开关表为
10、一个66矩阵，在实现数字控制时，可以预先将正反向开关表储存在程序存储器中，通过输入的参数、SN查表确定电压矢量的编号Un（n=07），而电压矢量实质上是逆变器的八种开关组合，可以将这八种组合状态转换成逆变器的PWM控制信号。5、直接转矩控制系统、直接转矩控制系统电压的2/3变换电流的3/2变换电磁转矩的计算定子磁链的计算转矩跟踪控制波形磁链跟踪控制波形DTC变频调速系统仿真波形7.2 7.2 交流电机的矢量控制技术交流电机的矢量控制技术 交流电机的矢量控制技术是一门可使交流电动交流电机的矢量控制技术是一门可使交流电动机获得和直流电动机一样的高性能的调速指标。机获得和直流电动机一样的高性能的调速
11、指标。 矢量变换控制是矢量变换控制是7070年代西德年代西德BlaschkeBlaschke等人首先等人首先提出来的。提出来的。 矢量控制的基本思想是把交流电动机模拟成直矢量控制的基本思想是把交流电动机模拟成直流电动机，能象直流电动机一样进行控制。流电动机，能象直流电动机一样进行控制。 矢量控制时按照矢量控制时按照不同情况下的绕组产生同样的不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场旋转磁场，这一等效原则出发的。，这一等效原则出发的。直流它励电动机转矩与电枢电流直流它励电动机转矩与电枢电流 Ia的关系：的关系：7.2.1 7.2.1 交、直流电动机的异同点交、直流电动机的异同点 maMCI 直流电动机的
12、励磁直流电动机的励磁和电枢电流可以分开控制，和电枢电流可以分开控制，一般保持励磁电流不变（一般保持励磁电流不变（不变），转矩不变），转矩M与与Ia成正成正比关系，容易控制。采样转速、电流双闭环调速系比关系，容易控制。采样转速、电流双闭环调速系统可以获得四象限运行的转速特性。统可以获得四象限运行的转速特性。 三相异步电动机转矩与转子电流三相异步电动机转矩与转子电流I2的关系：的关系： M22cosMCI7.1 交、直流电动机的异同点交、直流电动机的异同点 式中气隙磁通式中气隙磁通、转子电流、转子电流I2、转、转子功率因数子功率因数cos2 2都是转差率都是转差率S的的函数，而且都是难以直接控制的
13、。函数，而且都是难以直接控制的。直接控制的是定子电流直接控制的是定子电流I1，而，而I1又又是是I2的折合值与励磁电流的折合值与励磁电流Im的矢量的矢量和，无法通过开展和，无法通过开展I1来准确控制转来准确控制转矩。矩。图图1 1等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组 7.1 交、直流电动机的异同点交、直流电动机的异同点 （1 1）对三相固定对称绕组）对三相固定对称绕组A A、B B、C C通以三相正弦交流通以三相正弦交流电流电流i ia a、i ib b、i ic c，产生转速，产生转速1 1的旋转磁场的旋转磁场。（2 2）对于两相垂直绕组）对于两相垂直绕组
14、、空间位置固定，通以空间位置固定，通以两相平衡电流两相平衡电流i、i（时间上差（时间上差9090），也产生转），也产生转速为速为1 1的旋转磁场。的旋转磁场。（3 3）两个匝数相等，互相垂直的绕组）两个匝数相等，互相垂直的绕组M M和和T T，分别通，分别通以直流以直流iM、iT，产生位置固定的磁通，产生位置固定的磁通。如果使两。如果使两个绕组同时以同步转速旋转，磁通个绕组同时以同步转速旋转，磁通也以也以1旋转旋转起来。起来。7.1 交、直流电动机的异同点交、直流电动机的异同点 所以，三相绕组所以，三相绕组ia、ib、ic，两相绕组，两相绕组i、i，两相旋转绕组两相旋转绕组iM、iT之间存在着
15、确定的关系，之间存在着确定的关系，可以将可以将ia、ib、ic变换成变换成iM、iT，再控制，再控制iM、iT，从而得到和直流电机一样的控制特性。从而得到和直流电机一样的控制特性。 7.1 交、直流电动机的异同点交、直流电动机的异同点 7.2 7.2 矢量变换运算矢量变换运算 矢量控制原理：矢量控制是以矢量矢量控制原理：矢量控制是以矢量变换为工具，将定子电流矢量分解为两变换为工具，将定子电流矢量分解为两个相互垂直的分量：一个相当于直流电个相互垂直的分量：一个相当于直流电动机磁场电流称为励磁电流分量；另一动机磁场电流称为励磁电流分量；另一个相当于电枢电流称为转矩电流分量。个相当于电枢电流称为转矩
16、电流分量。对各自独立的两个电流分量进行控制就对各自独立的两个电流分量进行控制就构成了转矩瞬时值的矢量控制。构成了转矩瞬时值的矢量控制。矢量变换的步骤：矢量变换的步骤：（1 1）将）将A、B、C三相坐标系的交流量变换成三相坐标系的交流量变换成-坐标系的交流量。坐标系的交流量。（2 2）将）将-坐标系的交流量再变换成以转子磁场坐标系的交流量再变换成以转子磁场定向的定向的M-TM-T坐标系的直流量（交流机模型坐标系的直流量（交流机模型直直流机模型）。流机模型）。（3 3）对变换的两相电压、电流和磁通进行分析、）对变换的两相电压、电流和磁通进行分析、计算，完成控制。计算，完成控制。（4 4）将）将M-
17、TM-T系的直流分量还原为三相交流分量，系的直流分量还原为三相交流分量，以控制交流电动机。以控制交流电动机。7.2 矢量变换运算矢量变换运算7.2.1 7.2.1 三相三相/ /两相（两相（3 3/2/2）、两相）、两相/ /三相三相（2 2/3/3）变换）变换 A、B、C三相绕组与三相绕组与-两相绕组的两相绕组的磁势矢量的空间位置，并不表示其大小，磁势矢量的空间位置，并不表示其大小，磁势的大小是随时间变化的。按合成旋磁势的大小是随时间变化的。按合成旋转磁势相同的变换原则。转磁势相同的变换原则。33sin60sin6022bcbcFFFFF11cos60cos6022abcabcFFFFFFF
18、图图2 2 三相和两相绕组三相和两相绕组磁势的空间矢量位置磁势的空间矢量位置 7.2.1 7.2.1 三相三相/ /两相（两相（3 3/2/2）、两相）、两相/ /三相三相（2 2/3/3）变换）变换 设每套绕组等效的匝数相等，则设每套绕组等效的匝数相等，则三相绕组合成的旋转磁势幅值为：三相绕组合成的旋转磁势幅值为：331.35FIw相相两相绕组的合成旋转磁势：两相绕组的合成旋转磁势：220 .9FIw相相要要32FF相相则则230.91.35IwIw相相231 .5II相相 将两相绕组电流的基准值定为三相绕组将两相绕组电流的基准值定为三相绕组电流基准值的电流基准值的1.51.5倍，则倍，则*
19、23II相相*211322233322abcbciiiiiii*111222333022abciiiii 7.2.1 7.2.1 三相三相/ /两相（两相（3 3/2/2）、两相）、两相/ /三相三相（2 2/3/3）变换）变换 两相到三相的变换（两相到三相的变换（2 2/3/3）：将）：将、轴轴上的向量向上的向量向a、b、c轴上投影轴上投影13221322abciiiiiiii 7.2.1 7.2.1 三相三相/ /两相（两相（3 3/2/2）、两相）、两相/ /三相三相（2 2/3/3）变换）变换 7.2.2 7.2.2 矢量旋转变换（矢量旋转变换（VR） 在两相在两相、绕组和直流绕组和直
20、流M、T绕组之间的变绕组之间的变换属于矢量旋转变换换属于矢量旋转变换。图图3 3 旋转变换矢量图旋转变换矢量图 在图中，在图中，F1 1为交流电动机定子旋转磁势的空间为交流电动机定子旋转磁势的空间矢量。矢量。F1 1与与i1 1方向一致。方向一致。为旋转磁通矢量。稳态运为旋转磁通矢量。稳态运行时，行时，和和F1 1都以同步转速都以同步转速1旋转，但有一个空间旋转，但有一个空间相位角相位角1 1。 以以为基准，把为基准，把i1 1分解为与分解为与轴重合和正交的轴重合和正交的两个分量两个分量iM、iT，它们相当于等效直流绕组，它们相当于等效直流绕组M和和T中中电流。电流。iM为励磁分量，为励磁分量
21、，iT为转矩分量。为转矩分量。 两相绕组两相绕组和和在空间上的位置是固定的，在空间上的位置是固定的，与与轴的夹角轴的夹角随时间而变化，随时间而变化，i1 1在在-轴上分量轴上分量i、i也随时间变换。由图可以看出：也随时间变换。由图可以看出：7.2.2 矢量旋转变换（矢量旋转变换（VR） 上式为旋转坐标系的直流量变换到上式为旋转坐标系的直流量变换到静止坐标系的交流量。反之，由静止坐静止坐标系的交流量。反之，由静止坐标系到旋转坐标系的变换为：标系到旋转坐标系的变换为：cossinsincosMTMTiiiiiicossinsincosMTiiii 7.2.2 矢量旋转变换（矢量旋转变换（VR） 定
22、子电流为定子电流为i、i为固定坐标系的交流量，变为固定坐标系的交流量，变换成了旋转坐标系的直流量换成了旋转坐标系的直流量iM、iT，控制，控制iM可可以控制电机磁场，控制以控制电机磁场，控制iT可以控制电机的转矩。可以控制电机的转矩。 由于旋转坐标轴是由磁通矢量方向决定的，所由于旋转坐标轴是由磁通矢量方向决定的，所以旋转坐标以旋转坐标M和和T又叫磁场定向坐标，矢量变又叫磁场定向坐标，矢量变换控制系统又称为磁场定向控制系统。换控制系统又称为磁场定向控制系统。1cossinsincoscossinsincosMTiiii7.2.2 矢量旋转变换（矢量旋转变换（VR）7.2.3 7.2.3 交流电动
23、机磁通的计算交流电动机磁通的计算 矢量变换的关键是将电流和磁通矢量变换到磁场矢量变换的关键是将电流和磁通矢量变换到磁场定向的定向的M-T坐标系上来。因此，能否准确地计算坐标系上来。因此，能否准确地计算磁通磁通，将直接影响到控制系统的精度。，将直接影响到控制系统的精度。（1 1）电压模型法）电压模型法图图4 4 异步电动机等值电路异步电动机等值电路 转子磁通转子磁通 定子磁通定子磁通 111211 1MMLL iL iuri dt 2221211MMMMLL iL iLLLiL 122MMLLLLLL 电压模型计算法只适用于高速运行，在低速电压模型计算法只适用于高速运行，在低速运行时，难以进行精
24、确计算。运行时，难以进行精确计算。 （2 2）电流模型法）电流模型法由交流异步电机的由交流异步电机的等效电路：等效电路： 222/EirS212E转矩电流转矩电流i i1T1T与转子电流与转子电流i i 2 2成正比，有公式：成正比，有公式： 21122/TiK ir7.2.3 交流电动机磁通的计算交流电动机磁通的计算 转子磁通转子磁通2 2与励磁电流与励磁电流i1M成正比，转子成正比，转子电路具有阻碍磁通变化的作用，成为一阶滞后电路具有阻碍磁通变化的作用，成为一阶滞后环节，环节， 2121MMLiT S由上面两式得：由上面两式得： 211212/ 1TMMriKLiT S电流模型的法的磁通计
25、算器电流模型的法的磁通计算器1dt将将1 1积分，可以求出磁通矢量的角度积分，可以求出磁通矢量的角度，图图5 5 电流模型法的磁通运算器电流模型法的磁通运算器 （3 3）磁通观测器）磁通观测器 根据定子电流根据定子电流i、i和信号和信号来计算转子磁链：来计算转子磁链：2122211ML iTT S 2122211ML iTT S 由上式构成的磁通观测器：由上式构成的磁通观测器：图图6 由定子电流和转速信号构成的磁通观测器由定子电流和转速信号构成的磁通观测器 7.3 7.3 交流电动机矢量变换控制系统交流电动机矢量变换控制系统 磁场定向式的矢量变换控制，是利磁场定向式的矢量变换控制，是利用坐标变
26、换把交流电动机的定子电流用坐标变换把交流电动机的定子电流i1分分解为两个分量：解为两个分量：（1 1）以转子磁场定向的定子磁场电流分量）以转子磁场定向的定子磁场电流分量 i1M（2 2）垂直于定向磁场且产生转矩的定子转）垂直于定向磁场且产生转矩的定子转矩电流分量矩电流分量i1T 矢量变换控制系统完全模拟了直流电动机的矢量变换控制系统完全模拟了直流电动机的双闭环调速系统。双闭环调速系统。图图7 矢量变换控制系统框图矢量变换控制系统框图 带带*号的量为给定信号号的量为给定信号 无无*号的量表示实测信号号的量表示实测信号7.3.1 7.3.1 系统的外环是速度环系统的外环是速度环速度调节器速度调节器
27、ASAS*Ti* 磁通调节器磁通调节器A A *Mi*Ti*Mi *1i*1相位给定相位给定 经过极坐标变换经过极坐标变换*11iii电流调节器电流调节器AIAI控制逆变器输控制逆变器输出电流幅值出电流幅值7.3.2 7.3.2 系统的内环是电流环系统的内环是电流环 检测的三相电流检测的三相电流ia、ib、ic，经过，经过3/2变换为变换为i、i，再经旋转变换等效的直流，再经旋转变换等效的直流iM和和iT，再经极坐再经极坐标变换得到实测的电流反馈信号幅值标变换得到实测的电流反馈信号幅值i1。 频率控制信号是将电流给定信号频率控制信号是将电流给定信号iT*和实测的磁和实测的磁通反馈信号通反馈信号经运算器运算后获得转差速度经运算器运算后获得转差速度s， 为同步旋转角度，为同步旋转角度， 与相位给定信号相加，与相位给定信号相加，经电压经电压/ /频率变换（频率变换（V-FV-F）来控制逆变器的频率）来控制逆变器的频率f f。111,sdt 1*1
