异步电动机直接转矩控制
发布时间：2024-08-25
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
第 4 章 三相感应电动机直接转矩控制4.1 控制原理与控 制方式 4.2 控制系统 4.3 空间矢量调制 4.4 直接转矩控制 与矢量控制的联系和比较
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应 电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过 控制定子电流励磁分量来控制转子磁场、气隙磁场或者定子磁场，在此 基础上，通过控制定子电流转矩分量来控制电磁转矩。为此，先要进行 磁场定向，然后通过矢量变换，将磁场定向 MT 轴系中的定子电流励磁 分量和转矩分量变换为 ABC 轴系中的三相电流。总之，是通过控制定 子电流来间接控制电磁转矩。在这一过程中，磁场定向、矢量变换和定 子电流控制是必不可少的。 直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将定子磁链和转矩作为控 制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快 速，进一步提高了系统的动态响应能力。 本章分析了直接转矩控制的基本原理，对直接转矩控制和矢量控制 进行了比较性分析，对直接转矩控制尚存在的技术问题做了简要说明。2
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
4.1 控制原理与控制方式4 .1 .1 基 本 原 理 4 .1 .2 定 子 电 压 矢 量 作 用 与 定 子 磁 链 轨 迹 变 化4.1.1 基本原理由矢量控制方程(1-164)已知，电磁转矩可表示为t e pψ s i s
(4-1)
式中， ψ s 是定子磁链矢量， i s 是定子电流矢量，两者都是以定子三相轴系 表示的空间矢量。 在定子三相轴系中，定子磁链和转子磁链矢量可表示为ψ s Ls i s Lm i r
ψ r Lm i s Lr i r
(4-2) (4-3)3
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
由式(4-2)和式(4-3),可得is ψs L m ψr Ls Ls Lr
(4-4)
式中， Ls 为定子瞬态电感， Ls Ls Ls L2 Lr , 1 L2 Ls Lr 。 m m 将式(4-4)代入式(4-1),即有te p p Lm L ψ r ψ s p m ψ s ψ r sin( s r ) Ls Lr Ls Lr Lm ψ s ψ r sin sr Ls Lr
(4-5)
式中， s 和 r 分别是定子磁链和转子磁链矢量相对于 A 轴的空间电角 度； sr 是两者间的空间相位差， sr s r ,称为负载角。
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
式(4-5)表明，电磁转矩决定于 ψ s 和 ψ r 的矢量积，即决定于两者幅值 和其间的空间电角度。若 ψ s 和 ψ r 保持不变，电磁转矩就仅与负载角有 关。由式(4-5)可得dt e L p m ψ s ψ r cos sr d
sr Ls Lr
(4-6)
通常， sr 的值较小，可见 sr 对电磁转矩的调节和控制作用是明显的。于 是，通过调节负载角 sr 可有效控制电磁转矩，这就是直接转矩控制的基 本原理。 由式(4-4),可知 ψ s Ls i s Lm ψr Lr
(4-7)
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
如图 4-1 所示，将转子磁链 矢量Lm ψ r 和磁链矢量 Ls is 合成 Lr
便得到了定子磁链矢量 ψ s 。 在直接转矩控制中， 并没有 人为地去控制转子磁链矢量ψ r 。上面提到的| ψ r |保持不变，
是指当定子磁链矢量 ψ s 快速变 化时，在很短暂的时间内，可以 认为| ψ r |是相对不变的，这一点 可做如下解释。 图 2-1 是以相量表示的三相感应电动机等效电路，若以矢量来表示，则可 得到图 4-2,也就是 T-I 型稳态等效电路。6
图 4-1
直接转矩控制的矢量表示
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
图 4-2 以矢量表示的 T-I 型等效电路
在图 4-2 中，可将式(4-7)表示为Lm L2 ψ s Ls i s ψ r Ls i s m iM Lr Lr
(4-8)
在直接转矩控制中，定子磁链矢量 ψ s 幅值或相位的变化，是依靠改变外加电 压矢量 us us 来实现的。当外加电压矢量突然改变时，在这一瞬变过程的初始阶段， 因为励磁支路 CD 的等效励磁电感 L2 Lr 数值较大，可以认为 iM 是近乎不变的， m 即可认为| ψ r |是近乎不变的。7
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
由式(4-2)和式(4-3),可得1 ir Lr L ψ r m ψs Lr
(4-9)
将式(4-9)代入转子电压矢量方程(2-40),有Tr dψ r 1 L jωr Tr ψ r m ψ s dt Ls
(4-10)
式(4-10)表明，如果定子磁链矢量 ψ s (幅值和相位)发生变化，转子磁链矢量ψ r 的响应一定具有滞后特性， ψ r 的变化总是滞后 ψ s 的变化。
在动态控制中，只要控制的响应时间比转子时间常数 Tr 快得多，在这 短暂的过程中就可以认为 ψ r 近乎不变， 可以实现快速地改变负载角 sf ; 进 而若保持 ψ s 的幅值不变，就可以快速地改变和控制电磁转矩，但是电磁转 矩 te 和负载角 sf 间呈显了非线性关系。8
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
4.1.2 定子电压矢量作用与定子磁链轨迹变化在定子三相轴系中，定子电压矢量方程为us Rs i s dψ s dt
(4-11)
若忽略定子电阻的影响， 则有us dψ s dt
(4-12)
可近似地表示为 ψ s us t
(4-13)
由以上分析可知， 定子磁 链矢量 ψ s 和定子电压矢量 us 间具有积分和微分关系。 us 在 作用的很短时间内，矢量 ψ s图 4-3 定子电压矢量作用与定子磁链矢量
轨迹变化
的增量 ψ s 等于 us 和 t 的乘积， ψ s 的方向与外加电压矢量 us 的方向相同，即 如图 4-3 所示， ψ s 轨迹变化的方向与 us 同向，轨迹的变化速率等于 us 。9
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
图 4-3 中，定子磁链矢量 ψ s 可表示为ψ s ψ s e j s
(4-14)
式中， s ωs dt , ωs 为 ψ s 的旋转速度。 将式(4-14)代入式(4-12),可得us d ψs dt usr usn e j s jωsψ s
(4-15)
式(4-15)右端第一项对应的是变压器电动势，它是保持 ψ s 相位不变，而仅改变其幅 值产生的；第二项对应的是运动电动势，是保持 ψ s 幅值不变，而使其旋转产生的。 变压器和运动电动势分别与 usr 和 usn 相平衡。usr 作用方向与 ψ s 一致或相反， usr 称 为径向分量； usn 与 ψ s 正交，称为切向分量。即有u sr d ψs dt
(4-16) (4-17) 10
usn ωs ψ s
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
通过控制 u sr 可以控制 ψ s 的幅值，通过控制 u sn 可以控制 ψ s 的旋转速 度(方向和大小) 。若使 ψ s 的旋转速度 ωs 大于 ψ r 的旋转速度 ωr ,则会增 大负载角 δ sr ,否则会使其减小。于是，通过控制 u sr 和 u sn 就可以控制 ψ s 和 δ sr ,也就控制了电磁转矩。由式(4-17),可得du sn dωs ψs dt dt
(4-18)
式(4-18)表明，通过控制切向电压 usn 的作用速率，可以改变 ωs 的变化速 率。如果 u ns t 较大，可以加快 sr 的变化，就会使电磁转矩快速变化。 这也是直接转矩控制可使系统具有快速性的重要原因之一。
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
当三相感应电动机由 如图 2-27c 所示的电压源逆 变器馈电时，逆变器仅能提 供六 个非零开 关电压矢量us1 , us2 ,…, us6 ,以及两
个 零 开 关 电 压 矢 量 us7 和us8 ,如图 4-4 所示。
图 4-4
定子磁链矢量与开关电压矢量
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
对 ψ s 运行轨迹的控制，通 常有两种选择， 一种是正六边形 轨迹控制，一种是圆形轨迹控 制。图 4-5 所示是六边形轨迹的 控制。 图中， t 0 时， 当 设定 ψ s 的 轨迹位于 M 点，若此时施加开 关电压矢量 us1 ,则 ψ s 会沿 MN 方向向右移动，当运动到 N 点 时，再施加 us2 , ψ s 便会沿 NP 方向移动。于是，在六个开关电 压矢量的依次作用下， ψ s 的变 化轨迹便为一正六边形。图 4-5 六个非零开关电压矢量作用下的定子磁链轨迹
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
由图 4-5 可以看出，ψ s 的幅值不是恒定的，在正六边形的拐点处达到 最大值，当运动到与正
六边形某一条边垂直的位置时幅值最小。ψ s 的速度 也是变化的，在拐点处的速度最小，在垂直处的速度最大。由矢量 ψ s 在三 相绕组 ABC 轴线上的投影可得到每相绕组的磁链值。显然，每相绕组的 磁链值不是时间的正弦函数。由于 ψ s 的幅值和速度不断变化，不仅使产生 的转矩是脉动的，还会增大电机的损耗，即使在稳态运行时亦这样。尽管 如此，这种控制模式因具有简单快速和逆变频率低的特点，在某些大功率 领域还是获得实际应用。 对于伺服驱动而言，为严格精确地控制电磁转矩，如式(4-5)所示，要* 求控制 ψ s 幅值保持不变，为此应设定参考矢量 ψ s 的运行轨迹为一圆形。
这种控制模式也可保证电机磁路饱和程度处于所设计的额定状态。14
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
4.2 控制系统4.2.1 滞环比较控制 4.2.2 定子磁链和转矩估计4.2.1 滞环比较控制如式(4-5)所示，为控制电磁转矩，必须同时控制定子磁链矢量幅值 ψ s 和 负载角 sr 。若依赖于同一电压矢量来完成，如图 4-3 所示，两项控制之间必然 存在耦合。 而且电磁转矩与负载角 sr 具有非线性关系， 因此确定直接转矩控制 的控制规律是件困难的事。 目前已提出了多种控制方式，其中最基本的控制方式采用的是滞环比较控 制，又称为“Bang-Bang”控制，这种控制方式也常被用于具有耦合的非线性 控制系统。 滞环控制利用两个滞环比较器， 分别控制定子磁链幅值和电磁转矩， 但只能将磁链幅值和转矩偏差限制在一定的容差之内，而不能消除磁链和转矩 闭环控制的输入误差。15
异步电机直接转矩控制介绍,直接转矩控制以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,直接转矩控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,是目前三相异步电机调速最好的控制解决方案
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
1.滞环比较器为使实际 ψ s 的运行轨迹能沿圆形轨迹变化，应设定指令 ψ s* 的幅值ψ s* 为常值。与矢量控制中对定子电流控制一样，也可采用滞环比较控制
方式，始终将 ψ s 与 ψ s* 的幅值偏差 ψ s 控制在滞环的上下带宽内。如图 4-6 所示，滞环的总带宽为 2 ψ s ,其上限值为 ψ s* ψ s ,下限值为ψ s* ψ s 。将空间复平面分成六个扇形区间，每个区间的范围是以定子
开关电压矢量为中线，各向前、后扩展 30° 电角度，扇区的跨度是 60° 电 角度，扇区的序号 k = ①,②,…,⑥,与开关电压矢量的序号相同， 例如扇区①就是 us1 所在的区间。 之所以将 ABC 平面分成六个区间， 是因 为这样能便于对开关电压矢量的合理选择。16
