1、异步电动机直接转矩控制技术第四章2022年8月4日22时21分内容概要l 异步电机直接转矩控制原理；l 异步电机DSC直接转矩控制系统；l 异步电机DTC直接转矩控制系统l 无速度传感器直接转矩控制系统；l 直接转矩控制仿真研究。本章讲述：2022年8月4日22时21分 4.1.1通过异步电动机定子数学模型来了解直接转矩控制的基本思想4.1异步电动机直接转矩控制原理1.异步电动机定子轴系的数学模型j2/3j4/3ssasbscss2/3(+)uu eu eujuu（4-1）2022年8月4日22时21分式中ssasbsc211()322uuuussbsc22uuu异步电动机的动态特性可由下述方
2、程描述：ssmssmrrr(j)(j)0RpLL ppLRpL iui（4-2）sssmrrmsrrLLLLiiii （4-3）2022年8月4日22时21分将实部和虚部分离可得ssssssssrrrrrrrr00uR ipuR ipR ipR ip （4-4）依据式（4-4）定子磁链可确定为sss ssss sssdddsuR ituR itRtui（4-5）2022年8月4日22时21分忽略定子电阻压降Rsi，有sdtu（4-6）转矩方程为eipms rr s()Tn Li ii ieipms rr spsssspssmpsrsrsr()()()sinTn Li ii in iinLnL
3、Li（4-7）2022年8月4日22时21分 以上式中，黑体字（u、i；、）表示矢量；、分别表示定、转子磁链矢量的幅值；称为转矩角，是矢量 、之间的夹角。如图4-1所示。s r s r s r 图图4-1 异步电动机的磁链空间矢量异步电动机的磁链空间矢量2022年8月4日22时21分 若 =const、=const，由式（4-7）可以看出 对转矩的调节和控制作用是明显的。2.由定子轴系的数学模型分析直接转矩控制的基本思想srsrs sr 只要通过控制保持的 幅值不变，就可以通过调节 来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的实质。2022年8月4日22时21分 4.1.2 异步电动机定子磁链和电
4、磁转矩控制原理 本小节具体阐述如何利用逆变器输出的离散电压直接控制定子磁链幅值和幅角，从而实现异步电动机直接转矩控制。2022年8月4日22时21分1.逆变器的开关状态和逆变器输出的电压状态 两电平电压型逆变器（见图4-2）由三组、6个开关（、）组成。ASASBSBSCSCS图图4-2 电压源型理想逆变器电压源型理想逆变器2022年8月4日22时21分 由于成对的开关一个接通，另一个断开，所以三组开关有 种可能的开关组合。则8种可能的开关组合状态见表4-1。3282022年8月4日22时21分2022年8月4日22时21分状态01234567SA01010101SB00110011SC0000
5、1111表表4-1 逆变器的逆变器的8种开关状态组合种开关状态组合8种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种所谓的工作状态，即表4-1中的“1”“6”，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，如表4-1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上去。2022年8月4日22时21分 当三相负载都与“+”极接通时，得到的状态是“111”，三相都有相同的正电位，所得到的负载电压为零。当三相负载都与“”极接通时，得到的状态是“000”，负载电压也是零。2022年8月4日22时21分 表4-1中的开关顺序与编号只是一种数学上的排列顺序，实际工作的
6、开关顺序列于表4-2中，这样的编排正符合直接转矩控制的工作情况。2022年8月4日22时21分状态 工作状态零状态12345678 开关组SA00111001SB10001101SC11100001表表4-2 逆变器的开关状态逆变器的开关状态下面分析逆变器的电压状态：对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态也分成两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“l”“6”，分别称为逆变器的电压状态“l”“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”（见表4-2），由于对外部来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态“7
7、”。2022年8月4日22时21分 如果用符号 表示逆变器输出电压状态的空间矢量，那么逆变器的开关状态可以用下式来表示。s()tu2022年8月4日22时21分逆变器的电压状态的表示与开关的对照关系如表4-3所示。2022年8月4日22时21分状态工作状态零状态12345678SABC开关状态011001101100110010000111 电压状态表示一us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)us(000)us(111)表示二us1us2us3us4us5us6us7 表示三1234567 表表4-3 逆变器的电压状态与开关状态的对照关系逆变器的电
8、压状态与开关状态的对照关系 电压型逆变器在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，其输出的6种工作电压状态的电压波形如图4-3所示。图4-3表示逆变器的相电压波形、幅值及开关 状态和电压状态的对应关系。2022年8月4日22时21分图图4-3 无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态2022年8月4日22时21分 以上分析了逆变器的电压状态及其相电压波形。如果把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间的概念，理解起来一目了然。下面直接给出了电压空间矢量的空间顺序，如图4-4所示。2022
9、年8月4日22时21分图图4-4 用电压空间矢量表示的用电压空间矢量表示的7个离散的电压状态个离散的电压状态2022年8月4日22时21分 图4-4中有7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔 ，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量的顺序正是从状态“1”到状态“6”逆时针旋转，所对应的开关状态是011-001-101-100-110-010。对应的电压空间矢量是602022年8月4日22时21分2.电压空间矢量 对异步电动机进行分析和控制时，若引入Park矢量变换会带来很多的方便。如果三相异步电动机中对称的三相物理量如图4-5所示。选三相定子坐标系的 轴
10、与Park矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量 、的Park矢量 为A()X tB()X tC()X t2ABC2(t)(t)(t)(t)3XXXXj2/3e式中，为复系数，称为旋转因子，。2022年8月4日22时21分图图4-5 空间矢量分量的定义空间矢量分量的定义2022年8月4日22时21分 对图4-2所示的逆变器来说，若其A、B、C三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢量 的Park矢量变换表达式应为：j2/3j4/3sABC2()ee3tuuuu（4-9）把图4-5与图4-4合并在一张图上，构成图4-6，各电压状态空间矢量的离散位置如图4-6所示。2022年8月4日22时2
11、1分图图4-6 电压空间矢量在坐标系中的离散位置电压空间矢量在坐标系中的离散位置2022年8月4日22时21分 根据式（4-9）对电压空间矢量在坐标系中的离散位置举例说明如下：对于状态“1”，=011，由图4-3可知A B CSAd2/34/3uuEBCd/3 2/3uuuE代入式（4-9）得j2/3j4/3sj2422(011)ee333324213213)(j)(j)33322322242)33344e33EEEEEEEEEE （）u2022年8月4日22时21分 对照图4-6可知，位于 轴的负方向上。s(011)u 依次计算各开关状态的电压空间矢量，可以得到本节所直接给出的有关电压空间矢
12、量的结论如下：2022年8月4日22时21分1）逆变器6个工作电压状态给出了6个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差 。2）电压空间矢量的幅值不变，都等于 。3）六个电压空间矢量的顺序是：604/3E2022年8月4日22时21分3.电压空间矢量对定子磁链的控制作用 首先，定子磁链 与定子电压 之间的关系为ssss()()()dttt Rtui（4-10）忽略定子电阻压降的影响，则ss()()dtttu（4-11）2022年8月4日22时21分 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。该关系如图4-7所示。图图4-7 电压空间矢量与磁链空间矢量的
13、关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系2022年8月4日22时21分由图可以得到如下结论：1）定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹（以后简称为定子磁链的运动方向和轨迹，或 的运动方向和轨迹），对应于相应的电压空间矢量的作用方向，的运动轨迹平行于 指示的方向。s()ts()ts()tu2022年8月4日22时21分2）在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量2022年8月4日22时21分3）正六边形的6条边代表着磁链空间矢量 一个周期的运动轨迹。每条边代表一个周期磁链轨迹的1/6，称之为一个区段。6条边分别称为磁链轨迹的区段 、区段 区段。1S2S2022年8月4日22时21分 直接利用逆变器的六种工
14、作开关状态，简单地得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这种方法是直接转矩控制的基本思路。2022年8月4日22时21分2022年8月4日22时21分4.电压空间矢量对电动机转矩的控制作用 在直接转矩控制技术中，其控制机理是通过电压空间矢量 来控制定子磁链的旋转速度，实现改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。为了便于弄清电压空间矢量 与异步电动机电磁转矩之间的关系，明确电压空间矢量 对电动机转矩的控制作用，用定、转子磁链矢量的矢量积来表达异步电动机的电磁转矩，即s()tus()tus()tueimsrmsrsrmsrsr()()sin(),()sinTKttKttK （4-12
15、）2022年8月4日22时21分式中，、分别为定、转子磁链矢量 、的模值，为 与 之间的夹角，称为转矩角。srs()t r()t rss()t r()t 在实际运行中，保持定子磁链矢量的幅值为额定值，以充分利用电动机铁芯；转子磁链矢量的幅值由负载决定。要改变电动机转矩 的大小，可以通过改变转矩角 的大小来实现。如图4-8所示。时刻的定子磁链 和转子磁链 及 转矩角 的位置如图4-8所示。从 时刻考察到 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量 ，则定子磁链矢量由 的位置旋转到 的位置，其运动轨迹 如图4-8所示，沿着区段 ，与 的指向平行。srt1ts1()t 1tr1()t sr1t2tss()(
16、110)tuus1()ts2()t s()t 5Ss(1 1 0)u2022年8月4日22时21分这个期间转子磁链的旋转情况，受该期间定子频率的平均值 的影响。因此在时刻 到时刻 这段时间里，定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度，转矩角 加大，由 变为 ，相应转矩增大。s1t2t rst sr1t sr2t图图4-8 电压空间矢量对电动机转矩的电压空间矢量对电动机转矩的控制作用控制作用2022年8月4日22时21分 如果在 时刻，给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量 保持在 时刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以 的速度旋转，则转矩角减小，从而使转矩减小。通过转矩两点式调节来控制电压
17、空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度 的大小,通过这样的瞬态调节就能获得高动态响应的转矩特性。2ts2()t s2ts2022年8月4日22时21分 以上分析了直接转矩控制的基本原理，但是，必须注意实际应用的直接转矩控制系统由于磁链控制方式不同，异步电动机直接转矩控制系统分为磁链直接自控制直接转矩控制系统DSC（Direct Self Control，直接自控制。定子磁链为六边形是DSC系统的基本特征。）和直接转矩控制系统DTC（Direct Torque Control，直接转矩控制。定子磁链为圆形是DTC系统的基本特征）。至今，许多书籍、刊物及论文中经
18、常把DSC系统误认为是DTC系统，造成概念上的混淆。实际上DSC系统与DTC系统是有些区别的，为此，本书分别介绍DSC系统和DTC系统。为了以后讲述方便将两类直接转矩控制系统分别称为DSC直接转矩控制系统和DTC直接转矩控制系统。2022年8月4日22时21分4.2异步电动机磁链直接自控制直接转矩控制系统（DSC）4.2.1 异步电动机直接自控制直接转矩控制（DSC）系统的基本结构1.直接自控制概念 当初直接自控制（DSC）系统是为具有电压源逆变器的大功率变频调速系统而提出的。在这样的逆变器中，使磁链矢量沿六边形磁链轨迹运动，一般要求低开关频率。因此，在DSC中，逆变器运行在类似于矩形波逆变器
19、模式，如图4-9所示。2022年8月4日22时21分图图4-9 矩形波模式电压源逆变器输出矩形波模式电压源逆变器输出电压波形电压波形2022年8月4日22时21分 直接自控制思想：注意到虽然电压源逆变器中输出电压波形是不连续的，但这些波形的时间积分是连续的，并且接近正弦波。可以证明，采用这种积分和反馈方案中滞环继电器，在没有外部信号下，可以自行实施逆变器的矩形波运行（这就有了“自”的概念）。这样运行的逆变器的输出频率fs。正比于 ，这里，为逆变器的直流输入电压，而 为定子磁链的设定值。明确地说，当用逆变器的输出线电压时间积分计算定子磁链时，有ds/UdUsdss14 3Uf（4-13）且当积分
20、相电压时有dss16Uf（4-14）2022年8月4日22时21分自控制方案如图4-10所示，而滞环继电器特性如图4-11所示。图图4-10 逆变器的磁链自控制方案逆变器的磁链自控制方案2022年8月4日22时21分图图4-11 逆变器自控制方案中滞环继电器特性逆变器自控制方案中滞环继电器特性2022年8月4日22时21分2.异步电动机DSC直接转矩控制系统的基本结构 前面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中，采用空间矢量分析方法，直接计算和控制电动机的电磁转矩。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
21、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Bang-Bang控制切换电压矢量的工作状态，可使磁链轨迹按六边形（或近似圆形）运动。如果要改变定子磁链矢量 的旋转速度，引入零电压矢量，在零状态下，电压矢量等于零，磁链停止旋转不动。s()t 2022年8月4日22时21分 利用转矩的Bang-Bang控制交替使用工作状态和零状态，使磁链走走停停，从而改变了磁链平均旋转速度 的大小，也就改变了转矩角 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。根据以上所述内容，可以构成DSC直接转矩控制系统的基本结构图，如图4-12
22、a所示。ssr()t2022年8月4日22时21分图图4-12-a DSC的基本结构原理框图的基本结构原理框图2022年8月4日22时21分 如图所示，“磁链自控制”单元DMC的输入量是定子磁链在 三相坐标系上的三相分量 、。DMC的参考比较信号是磁链设定值，通过DMC内的三个施密特触发器分别把三个磁链分量与 相比较，在DMC输出端得到三个磁链开关信号：、和 。三相磁链开关信号通过开关S换相，得到三相电压开关信号：、。其中开关S的换相原则就是第4.1.2节中介绍过的原则：、。图4-12a中的电压开关信号 、和 ，经反相后变成电压状态信号 、（图中未画出），就可直接去控制逆变器UI，输出相应的电
23、压空间矢量，去控制产生所需的六边形磁链。ABCsgASBSCSASUBSUCSUACSSUBASSUCBSSUASUBSUCSUCSUASUBSU2022年8月4日22时21分 磁链分量 、可通过坐标变换单元UCT的坐标变换得到。UCT的输入量是定子磁链在 坐标系上的分量 和 。UCT的输出量是3个 磁链分量。定子磁链在 坐标系上的分量 、可以由磁链模型单元AMM得到。ABCssss2022年8月4日22时21分 下面再来分析转矩调节部分。4.1.2节中已经介绍过，转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制。要改变定子磁链沿轨迹运动的平均速度，就要引入零电压空间矢量来进行控制，零状态选
24、择单元（AZS）提供零状态电压信号，它的给出时间由开关S来控制。开关S又由转矩调节器（ATR）的输出信号“TQ”来控制。转矩调节器的输入信号是转矩给定值 和转矩反馈值 的差值。eigTeifT2022年8月4日22时21分 ATR是与磁链比较器一样的施密特触发器，它的容差是 。它对转矩实行离散式的两点式调节（或称为双位式调节）：当转矩实际值和转矩给定值的差值小于 时，即 时，ATR的输出信号“TQ”变为“l”态，控制开关S接通“磁链自控制”单元DMC输出的磁链开关信号 ，把工作电压空间矢量加到电动机上，使定子磁链旋转，转矩角 加大，转矩加大；mmeifeigm()TT ABCSsr2022年8
25、月4日22时21分 当转矩实际值和转矩给定值的差值大于 时，即 时，ATR的输出信号“TQ”变为“0”态，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，该过程即是所谓的“转矩直接自调节”过程。通过直接自调节作用，使电压空间矢量的工作状态与零状态交替接通，控制定子磁链走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的 （容差）的范围内，如此就控制了转矩。meifeigm()TTsrm2022年8月4日22时21分 “转矩调节器”又称为“转矩两点式调节器”或“转矩双位式调节器”。转矩实际值 由转矩计算单元AMC根据式（4-7）计算得到
26、。AMC的输入量是AMM的输出量 和 以及被测量 和 。磁链模型单元AMM和转矩计算单元AMC都是通过异步电动机定子轴系数学模型得到的。eifTsssisi2022年8月4日22时21分3.、转矩计算单元（转矩观测模型）和定子磁链模型单元（定子磁链观测模型）（1）转矩计算单元根据式（4-7）可构成转矩观测模型（转矩计算单元），如图4-13所示。图图4-13 异步电动机转矩观测模型框图异步电动机转矩观测模型框图2022年8月4日22时21分（2）磁链的电压模型法（定子磁链观测模型）用式（4-5）来确定异步电动机定子磁链的方法有一个优点，就是在计算过程中唯一需要了解的电动机参数，是易于确定的定子电
27、阻。式中的定子电压us和定子电流is同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（4-7），就可以计算出电动机的转矩。2022年8月4日22时21分 用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法叫电动机的磁链电压模型法，简称为u-i模型，其结构如图4-14所示。磁链电压模型法主要优点是，运算量小，容易实现，因此应用较多。图图4-14 定子磁链的定子磁链的u-i模型模型2022年8月4日22时21分 但是，由式（4-5）可知，用积分器便可计算电动机磁链，但实现起来存在下列问题：1）在运算过程中，需要使用纯积分环节，造成电压模型法运算
28、精度受电压和电流信号中的直流分量和初始误差的影响较大，特别在低频时，这种影响更是严重。2）随着电动机转速和频率的降低和us的模值减小，由isRs项补偿不准确带来的误差就越大。3）电动机不转时es=0，无法按式（4-5）计算磁链，也无法建立初始磁链。针对磁链电压模型法存在的问题，在实际工程应用中做了必要的改进，例如：低通滤波器法、交叉校正法、级联低通滤波器法等。2022年8月4日22时21分（3）磁链的电流模型法 电动机的电流模型（简称i-n模型）可以解决上述问题，电流模型用定子电流计算磁链，精度与转速有关，也受电动机参数，特别是转子时间常数的影响，在高速时不如电压模型，但低速时比电压模型准确，
29、因此两模型必须配合使用，高速时用电压模型，低速时用电流模型。如何实现两模型的过渡呢？简单地切换不行，由于两模型计算结果不可能一样，简单切换又会在切换点附近造成冲击和振荡。采用图4-15所示的模型既解决了两模型的过渡，又解决了电压模型积分器漂移问题。2022年8月4日22时21分 电流模型算出的磁链值为 ，电压模型算出的磁链值为 。若两模型均准确，则两磁链值相等，为零，积分器反馈通道不起作用，无积分误差；但当积分器漂移时，中无信号抵消它，反馈通道起作用，抑制漂移。实际上，两模型计算结果不可能完全相等，反馈通道对积分仍有一些影响，但比无电流模型小得多，图4-15所示框图可表示为sssssss0ss
30、s11ep（4-15）2022年8月4日22时21分式中，的大小与转速有关；与转速呈比例，低速时 0.5 ，以电压模型为主；值决定过渡点，通常=10，以10%额定速度过渡。ssesesses图图4-15两模型的切换两模型的切换2022年8月4日22时21分电动机的电流模型表示为rrrmd srrrrrrmd srrrddddTL iTtTL iTt（4-16）式中，为转子时间常数；为转子角速度；、可表示为rrdr/TLRrrrsr ssr sL iL i（4-17）式中，。rsLLL2022年8月4日22时21分 由式（4-16）、式（4-17）得电流模型（i-n模型），如图4-16所示。图图
31、4-16i-n模型框图模型框图2022年8月4日22时21分（4）磁链的全速度模型 实验证明，u-i模型与i-n模型相互切换使用是可行的。但是，由于u-i模型向i-n模型进行快速平滑切换的困难仍未得到解决，而且实际上两模型计算结果不可能完全相等，所以当 0时，反馈通道对积分仍有一些影响，磁链计算结果仍存在一定的误差，只不过比无电流模型时小得多而已，取而代之的是在全速范围内都使用的高精度磁链模型，称为u-n模型，也叫电动机模型。s2022年8月4日22时21分 u-n模型由定子电压和转速来获得定子磁链，它综合了u-i模型和i-n模型的特点。为表达清楚，重列u-n模型所用到的数学方程式如下：rrr
32、md srrrrrrmd srrrddddTL iTtTL iTt（4-18）sss ssss sdduR ituR it（4-19）sr ssr sL iL i（4-20）2022年8月4日22时21分根据上面三组方程构成的u-n模型，如图4-17所示。图图4-17定子磁链的定子磁链的u-n动态模型（电动动态模型（电动机模型）机模型）2022年8月4日22时21分 电动机模型综合了u-i模型和i-n模型的优点，又很自然地解决了切换问题。高速时，电动机模型实际工作再u-i模型下，磁链实际上只是由定子电压和定子电流计算得到。由定子电阻误差、转速测量误差及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围
33、内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。须知，上述转矩观测模型和定子磁链观测模型也完全可以用在DTC系统中。2022年8月4日22时21分4.电压空间矢量选择（单元）正确选择电压空间矢量，可以形成六边形磁链。所谓正确选择，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。在控制时，将电动机内的电角度空间均匀分为6个扇区，每个扇区60。控制 的幅值和转矩 都由空间电压矢量来完成。但优选空间电压矢量时，和t时刻的 在哪一个扇区和转向有关。因此，必须确定 所在的扇区。同一个扇区内，在直接转矩控制中，对空间电压矢量的最优选择都是一样的。s sTs s 202
34、2年8月4日22时21分 由扇区 、和 三个信息，综合选择最优空间电压矢量。这步综合优选工作离线进行。优选好最优空间电压矢量后，将它们制成表格，存储在计算机中，实时控制时，只要查表执行即可。Ns eiT2022年8月4日22时21分 定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于定子电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢量的选择又取决于定子磁链空间矢量的运动轨迹。要想得到六边形磁链，就要对六边形磁链进行分析，为此观察六边形轨迹的定子旋转磁链空间矢量在 三相坐标系 、和 轴上的投影（坐标系如图4-18所示），则可以得到三个相差 相位的梯形波，它们分别被称为定子磁链的 、和 分量。图4-19a是这三个定子磁链分量
35、的时序图。ABCABC2022年8月4日22时21分图图4-18 六边形磁链及六边形磁链及三相坐标系三相坐标系A、B和和C轴轴2022年8月4日22时21分图图4-19 直接转矩控制开关信号及电压直接转矩控制开关信号及电压空间矢量的正确选择空间矢量的正确选择a)定子磁链的三个定子磁链的三个分量分量 b)磁链开关信号磁链开关信号 c)电压开关信号电压开关信号 d)电压状态信号电压状态信号2022年8月4日22时21分 如图4-20所示，施密特触发器的容差是 。作为磁链给定值，它等于图4-8中的 。通过三个施密特触发器，用磁链给定值 ，分别与三个磁链分量 、进行比较，得到图4-19b所示的磁链开关
36、信号 、和 。对照图4-10a和b可见，当 上升达到正的磁链给定值 时，施密特触发器输出低电平信号，为低电平；当 下降达到负的磁链给定值 时，为高电平。由此得到磁链开关信号 的时序图，同理可得到 和 的时序图，如图4-19b所示。sgsgs0sgABCASBSCSAsgASAsgASASBSCS2022年8月4日22时21分图图4-20 用作磁链比较器的施密特触发器用作磁链比较器的施密特触发器2022年8月4日22时21分磁链开关信号 、和 可以很方便地构成电压开关信号 、和 。其关系是ASBSCSASUBSUCSUACSSUBASSUCBSSU电压开关信号 、和 的时序图如图4-19c所示。
37、电压开关信号与磁链开关信号的关系可对比图4-19b和4-19c。ASUBSUCSU2022年8月4日22时21分 把电压开关信号 、和 反相，便直接得到电压状态信号 、和 ，如图4-19d所示。对比图4-19a和d可以清楚地看到，由以上分析已经得到了电压开关状态顺序的正确选择。所得到的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：，这个顺序与第4.1.2小节中分析的顺序是一致的。按顺序依次给出电压空间矢量 -就可以得到按逆时针方向旋转的正六边形磁链轨迹，其相对应的顺序是，这是第4.1.2小节中所分析的问题。两者的分析完全一致。ASUBSUC
38、SUASUBSUCSUs(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)u123456SSSSSS2022年8月4日22时21分 对比图4-19ad还可以清楚地看到：通过以上分析，解决了所选电压空间矢量的给出时刻问题，这个时刻就是各 磁链分量 、到达磁链给定值 的时刻。通过磁链给定值比较器得到相应的磁链开关信号 、和 ，再通过电压开关信号、和 得到电压状态信号SU（、和 ），也就得到了电压空间矢量 。在这里磁链给定值 是一个很重要的参考值。它决定电压空间矢量的切换时间。当磁链的 分量变化达到 值时，电压状态信号发生变化，进行切换。磁链给定值 的几何概念是六边形磁
39、链的边到中心的距离，它就是图4-8中的 。ABCsgASBSCSASUBSUCSUASUBSUCSUs()tusgsgsgs02022年8月4日22时21分 为了获得定子磁链的 分量，必须对定子磁链进行检测。由检测出的定子磁链，向 三相坐标系投影得到磁链的 分量，通过施密特触发器与磁链给定值比较，得到正确的电压状态信号，以控制逆变器的输出电压，并产生所期望的六边形磁链。根据4.3.1-2节提出的直接转矩控制的基本结构（见图4-12a），经过扩充和完善，可以得到一个比较完整的异步电动机DSC直接转矩控制系统，如图4-12b所示。2022年8月4日22时21分4.2.2 在低速范围内DSC系统的转
40、矩控制与调节方法1.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3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，这对于将直接转矩控制系统应用于实际工业生产中是很重要的。高速范围是指从30100额定转速之间的转速范围。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上做相应的考虑。2022年8月4日22时21分低速范围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。
41、在4.2.1节已经分析过，电动机模型适用于整个转速范围。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）六边形磁链轨迹：六边形磁链轨迹用于(1530)范围；7）每个区段上，有4个工作电压状态和2个零电压状态的使用与选择。内容包括：区段电压状态的选择；转矩调节器和磁链控制在低速范围内的协调；电压的应用。sNn1202022年8月4日22时21分2.区段的电压状态选择 本节进一步分析各种电压状态所能起的更多的作用。图4-2所示的逆变器的6个可能的工作电压状态输出6个工作电压空间矢量
42、，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6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。2022年8月4日22时21分 六边形磁链轨迹的调节方案，使得调节结构很简单，在每个区段只需要两种电压状态：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，配合以转矩调节器、磁链调节器、P/N调节器、磁链自控制单元等，提供以相应的电压开关信号，通过电压空间矢量的不同组
43、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。2022年8月4日22时21分 图4-1所示逆变器，对定子磁链运动轨迹的每个区段，可以利用的电压空间矢量有4个，代表着定子磁链4个有意义的方向。本节进一步分析这4个电压状态的特点和作用，以便在DSC控制中更好地利用这4个电压状态。图4-21画出了区段 中定子磁链的4个有意义的变化方向和电压状态。4S图图4-21 一个区段内的一个区段内的4种电压状态种电压状态2022年8月4日22时21分 图4-2
44、1中，定于磁链空间矢量 的顶点位于区段 ，4个虚线的箭头代表着 运行的4个方向：方向、方向、方向和方向。方向沿着区段 的边，向着磁链旋转的正向，因此称为 0方向。方向比方向超前 60，称为+60方向。方向比方向落后 60，称为-60方向。方向比方向落后 120，称为-120方向s 4Ss 4S2022年8月4日22时21分2022年8月4日22时21分 图4-22表示在六边形磁链轨迹情况下，4种电压空间矢量如何影响定子磁链的大小、方向和角度。在图4-22中，除了画出理想的磁链轨迹外，还画出了磁链的两条容差线。图图4-22 六边形磁链轨迹中电压状态的作用六边形磁链轨迹中电压状态的作用2022年8
45、月4日22时21分3.低速范围内转矩与磁链调节的协调 在转速很低时，由于六边形磁链畸变得比较厉害，因此采用圆形磁链轨迹的控制方案。此外，在转矩调节器与磁链调节器的协调方式上也有所不同。下面分析这种情况。转矩调节器包括转矩调节器和P/N调节器两部分。磁链调节器却不一样，其结构如图4-23所示。图图4-23 带有计算切换的三点式磁链调节器带有计算切换的三点式磁链调节器2022年8月4日22时21分 图4-23带有六边形磁链和圆形磁链切换功能。当开关S在位置2，执行六边形磁链调节，此时磁链给定值 与六边形磁链的模 相比较。当S开关 在位置1时，执行圆形磁链调节方案。此时磁链给定值平方的 倍 与圆形磁
46、链模的 平方相比较，系数 的值为sgsABC()/2 k2sgk222sss()k226 31.10873k（4-21）2022年8月4日22时21分 开关S的切换值为15 ，即小于15 时执行圆形磁链轨迹调节；大于15 时执行六边形磁链轨迹调节。磁链调节器为三点式调节器，这与第4.1.2节所述的基本方案中的磁链调节器不同。调节器的输出是磁链量开关信号Q，Q有3个值：+1、-1 和0。当 时，也就是磁链实际值比给定值大 时，Q=1，当 时，也就是磁链实际值回到给定值时，Q=0；当 时，即磁链实际值比给定值小 时，Q=1；当磁链实际值再次回到给定值时，Q又为零。sNnsNnsNn()t()0t(
47、)t 2022年8月4日22时21分磁链开关信号Q与所需的电压状态的关系如下：Q=1时，接通-60电压；Q=1时，接通+60电压；Q=0时，不需要电压。转矩调节器和磁链调节器的协调控制关系如下：由转矩调节器决定应接通的是工作电压还是零状态电压，在应接通工作电压的时间内，再来选择应接通 0电压，或-60电压，或 60电压。2022年8月4日22时21分 图4-24表示以 0电压和60 电压的配合为例的调节过程。在 时刻，由于转矩实际值减小到转矩容差的下限，因此转矩调节器改变输出状态，TQ变为“1”态，要求接通工作电压。这时应该接通哪一个工作电压，有3种可能的选择，如果这时磁链调节器没有电压要求，
48、即Q=0，则接通相应区段的0电压来增加转矩，这种情况与以前所分析过的相同，图中未画出这种情况的转矩波形。如果这时磁链调节器有电压要求，输出“1”信号，那么就应该考虑接通 电压，这里还涉及到 0电压和 60电压的顺序问题，需要进一步选择。1t2022年8月4日22时21分图图4-24转矩调节过程转矩调节过程图4-24指出了两种顺序方案，分别表示在 时刻和 时刻。先看 时刻，设定子磁链位于区段 ，如果这时 ，那么面临 0电压和-60电压的选择。采取先0电压后60电压的顺序。在 时刻接通 0电压(对应)，转矩在 0电压的作用下很快上升，当转矩上升到转矩给定值时，如 时刻，接通60电压，转矩继续上升。
49、到 时刻，磁链已增长到给定值，且Q=0，不要求接通电压，零电压状态()被接通，转矩减小，到了 时刻，转矩又下降到容差的下限，情况又与 时刻 相同，应该改变状态。这次选择的顺序却与 时相反，采取-60磁链在前、0 电压在后的顺序。时刻接通-60电压，转矩和磁链同时上升，当磁链上升到给定值时，即 时刻，Q=0，接通 0电压，转矩迅速上升，直至达到转矩容差的上限，即达到 时刻，TQ变为“0”态，接通零电压()，转矩又下降。1t4t1t4S1Q 1tABC100S2t3tABC111S4t1t1t5t4tABC000S2022年8月4日22时21分 总结以上转矩调节器和磁链调节器协调控制的过程，两种控
50、制顺序有着以下特点：（1）0电压位于-60电压之前时 首先接通0电压，当转矩调节偏差 为零时，0电压结束。-60电压接通。当磁链调节偏差 过零或转矩调节偏差 达到转矩容差的上限时，-60电压结束。（2）0电压位于-60电压之后时 -60电压首先接通，当 过零时，如果这时转矩还没有达到容差的上限，则结束-60电压，接通 0电压，直到转矩达到容差上限，0电压结束。如果接通-60电压就能使转矩达到容差的上限，则不必接通 0电压。ei()Tt()tei()Tt()t2022年8月4日22时21分2022年8月4日22时21分 用转矩两点式调节器和磁链三点式调节器能够很好地实现协调控制，并适应各种要求。
