直接转矩控制

直接转矩控制 1 目录 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系 统 ............................................................................. 4 3 三相异步电机的数学模 型 ........................................................................................................... 8 4 磁链信号和转矩信号产 生 ......................................................................................................... 10 4.1定子磁链的观测控 制 ...................................................................................................... 10 4.2 电磁转矩的有效控 制 ...................................................................................................... 11 总 结................................................................................................................................................. 12 参考文 献 ......................................................................................................................................... 13 2 在直接转矩控 3 制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度 的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 在DTC系统中采用的是两相静止坐标(αβ坐标)，为了简化数学模型，由三相坐标变换成两相是非常重要的，所以可以避开旋转变换。由式(1-1)和式(1-2)可得 us??Rsis??Lspis??Lmpis??Rsis??p?s? (1-1) us??Rsis??Lspis??Lmpis??Rsis??p?s? (1-2) 4 移项并积分后得 ? ???(u?Ri)dt (1-4) ?s??(us??Rsis?)dt (1-3) s?s?ss? 式(1-3)和式(1-4)就是图1-1中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图1-2所示。它适合于中低速时切换到电流模型，这是上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃。 uA?S?uBuC?S?iAiBiC 图1-2 定子磁链模型结构框图 在两相静止坐标系上的电磁转矩表达式为 Te?npLm(is?ir??is?is?) (1-5) 整理可得 Te?np(is?ir??is?is?) (1-6)这就是DTC系统所用的系统模型，结构图如图1-3所示。 5 ?s?e?s? 图1-3 转矩模型结构框图 6 如图所示2-1。其基本原理是将速度传感器检测出的电机实际转速n与电机给定转速n* 比较的值输入PI调节器后得到给定转矩值Te*;由霍尔传感器得到 的异步电机定子电压和电流经过磁链和转矩转矩估计器得到转矩实际值Te，两相定子磁链分量?s?、?s?以及定子磁链幅值s 。定子磁链幅值s与给定的磁链幅 值比较后输入磁链滞环调节器得到磁链信号?Q;给定转矩值Te*与转矩实际值Te经过比较后输入到转矩滞环调节器得到转矩信号TQ;定子磁链在两相静止坐标系下的?、?分量经过区间判断单元得到定子磁链所处扇区信号SN;磁链开关信号?Q、转矩开关信号TQ以及定子磁链扇区信号SN通过查阅开关表得到所要的电压矢量信号Sa、Sb、Sc进而控制异步电机运行状态。 7 3 三相异步电机的数学模型 (1)忽略空间谐波，设电机三相绕组对称分布，在空间互差120?电角度，各项电流所产生的磁动势沿气隙空间正弦规律分布。 (2)忽略磁路饱和，电机定转子表面光滑。 (3)忽略铁心损耗。 (4)忽略频率变化和温度变化对电机绕组电阻的影响。 在上述假设基础上，由于电机的电压和电流测量都处于静止坐标系中，因而若将三相异步电机的在三相静止坐标系下的各个状态方程变换到两相静止坐标系下，会简化数学模型和状态方程，两相静止坐标系一般称为α-β坐标系，如图3中(a)、(b)即分别为三相定子坐标系和两相静止坐标系下的定子电流，三相/两相变换矩阵如式(1-1)。 11?2 C3/2?0?1?2? (1-1 )? 图3坐标变换关系图 8 异步电机数学模型在两相静止坐标系下的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，具体如下: 电压方程: ?us???Rs?pLs?u??0?s?????0??pLm????0???wLm0Rs?pLswLmpLmpLm0R r?pLr?wLr?pLm?? (1-2) wLr??Rr?pLr?0 磁链方程: ??s???Ls?????s????0 ??r???Lm??????r????00Ls0LmLm0Lr00??is???i?Lm???s?? (1-3) 0??ir?????Lr???ir??? 转矩方程: Te?3npLm(is?ir??is?is?) (1-4) 2 运动方程: dwnp?(Te?TL) (1-5) dtJ 其中，us?,us?为两相静止坐标系下定子电压?，?分量，is?,is?为两相静止坐标下的定子电流分量，ir?,ir?为两相静止坐标系下转子电流分量，Rs,Rr为电机定子和转子每相电阻，Ls为定子自感，Lr为转子自感，Lm为定转子互感，p ?s?,?s?为两相静止坐标系下定子磁链分量，?r?,?r?分别为两相代表微分运算。 静止坐标系下转子磁链分量。Te代表电机电磁转矩，TL代表负载转矩，J代表电机的转动惯量，np代表极对数，?为电机角速度。 9 4 磁链信号和转矩信号产生 4.1定子磁链的观测控制 ?s???us?isR?sd t (1-6) 图6 u-i模型结构图 使用u-i模型来确定异步电机定子磁链的优点是在计算过程中唯一需要用到的电机参数只有定子电阻，式(1-6)中的定子电压、定子电流和定 子电阻属于易于测量的物理量，因此该方法是定子磁链观测中最简单的方法。在异步电机高速运行时，定子电阻引起的压降可以忽略不计，利用u-i模型估算法可以得到非常准确的观测结果。但是在低速时，定子电压很小，定子电阻变化引起的影响不能忽略，因此定子电阻参数变化对积分结果影响很大，u-i模型的观测结果会失真，需要随着温度的变化对电阻值进行修正。而且实际检测定子电压和电流时，不可避免的会产生幅值偏差和相位偏差。积分器存在误差积累和直流温漂问题， 10 这些问题在电机处于低速运行时将十分突出。 定子磁链的控制目标是选择定子电压矢量实现定子磁链对给定值的动态跟踪，将定子磁链幅值控制在容差限制的范围内，使定子磁链轨迹接近于圆形。定子磁链的幅值和相位可由式(1-7)求出。 s? ??actan?(s? (1-7) 图7 磁链滞环比较原理 上图中输入信号是计算定子磁链幅值与给定定子幅值的比较值??s，输出信号为 磁链信号ψQ。当??s>??时，磁链信号ψQ=1;当??s<-??时，磁链信号ψQ=-1;当??s???时，磁链信号ψQ不变。 ?/s?i)f(?s?? 0??,?? ? 4.2 电磁转矩的有效控制 11 Te??srsin?2L ? (1-8) 式中，np为异步电机的极对数，θ为定子磁链和转子磁链之间的夹角。可3np 图8 转矩滞环比较器原理 转矩调节采用三点式调节的原因是若采用两点式调节，当转速处于低速或者突然降至低速时会使零电压矢量的作用时间变长，容易引起圆形磁链产生畸变，增加转矩脉动。转矩滞环比较器的输入信号是给定转矩Te*和实际转矩Te的比较值Te，输出为转矩信号?Te，上下限分别为?T和-?T。当 ?Te?+?T时，转矩信号TQ=1;当?Te?+?T时，转矩信号TQ=-1，其他情况转矩信号TQ=0。 总结 12 参考文献 [1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002. [2]邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社,2003. [3]徐月华,汪仁煌.MATLAB在直流调速设计中的应用.广东工业大学,2001. [4]马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,1997. [5]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,2003. [6]Leonhard W. Control of Electrical Drives Springer-Verlag,2001. 13