1、交流同步電機矢量控制與DTC,系統(tǒng)的原理分析與比較,交流同步電動機,交流同步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動態(tài)模型出發(fā)，分析交流電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能交流電動機的調(diào)速方案。 以永磁式同步電機（PMSM）為例研究和分析交流同步電機的調(diào)速方案。永磁式同步電機控制系統(tǒng)具有更高的運行速度，運行性能更穩(wěn)定，位置控制能力更強。永磁式同步電動機具有簡單的結(jié)構(gòu)、小巧的體積、良好的功率因素、較高的效率和易于維護保養(yǎng)等特點。,一. PMSM的數(shù)學(xué)模型,永磁同步電機的空間矢量圖如右圖所示。圖中:r為轉(zhuǎn)子的位置角;為定子電流矢量is為 在d-q坐標系中的相位角;s

2、為定子磁鏈矢量s在 D-Q坐標系中的相位角;sm為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角 ,又稱之為負載角。,PMSM的矢量圖,PMSM的數(shù)學(xué)模型,由圖可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩角的表達式為： 式中： 、 ：定子磁鏈在d、q坐標系下的分量（Wb）； ：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈（Wb）； id、iq：定子電流 is 在d、q坐標系下的分量（A）； L q ：定子電感 的d軸分量，即交軸電感（H）； L d ：定子電感 的q軸分量，即直軸電感（H）。,PMSM的兩種調(diào)速策略,矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是兩種基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。 矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場定向，利用解耦思想將電機電流分解為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流， 并

3、分別加以控制，從而獲得高性能的控制效果。 直接轉(zhuǎn)矩控制基于定子磁場定向， 以電機轉(zhuǎn)矩為控制對象， 通過實時觀測電機轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈， 利用滯環(huán)控制器和開關(guān)選擇表控制逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)， 輸出合理的電壓矢量,達到對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制的目的。,二. 矢量控制技術(shù),1971年德國西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于交流電機坐標交換的交流電機矢量控制（VC）原理，由此交流電機矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。 矢量控制借助于坐標變換，將實際的定子三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵磁電流分量，以實現(xiàn)電機的解耦控制，把交流電動機模擬成直流電動機，控制概念明確。,矢量變換運算,矢量控制原理：矢量控制是以矢

4、量變換為工具，將定子電流矢量分解為兩個相互垂直的分量：一個相當于直流電動機磁場電流稱為勵磁電流分量；另一個相當于電樞電流稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。對各自獨立的兩個電流分量進行控制就構(gòu)成了轉(zhuǎn)矩瞬時值的矢量控制。,矢量控制的數(shù)學(xué)模型,Clarke變換,將定子電流iA、iB、iC 通過三相二相坐標變換(Clarke 變換)等效成兩相靜止坐標系下的交流電流is、is，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換(Park 變換)，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流ism、ist ，如式（1）和（2）。,矢量控制的數(shù)學(xué)模型,空間坐標變換,Park 變換,矢量控制的數(shù)學(xué)模型,坐標變換等效結(jié)構(gòu)圖,經(jīng)過坐標變化從而得到等效成直流

5、電動機模型，可以采用控制直流電動機方法控制交流電動機，實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制，獲得良好的調(diào)速性能。,磁通的計算,矢量變換的關(guān)鍵是將電流和磁通矢量變換到磁場定向的M-T坐標系上來。因此，能否準確地計算磁通，將直接影響到控制系統(tǒng)的精度。 （1）電壓模型法 磁通計算公式：,電壓模型計算法只適用于高速運行，在低速運行時，難以進行精確計算。,磁通的計算,（2）電流模型法 轉(zhuǎn)子磁通2與勵磁電流i1M成正比，轉(zhuǎn)子電路具有阻礙磁通變化的作用，成為一階滯后環(huán)節(jié)：,電流模型法的磁通運算器,基于SVPWM的矢量控制,SVPWM 控制也稱作磁鏈跟蹤控制，著眼于逆變器和電機構(gòu)成的整體，目的是使交流電機通入三相對稱

6、正弦電流后在電機的定子內(nèi)圓形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示，共由速度環(huán)PID 控制和速度檢測模塊、電流環(huán)與磁鏈模塊、坐標變換模塊、SVPWM 模塊和逆變器模塊五部分組成,基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng),基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,矢量控制的特點及存在問題,特點,轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦。 采用連續(xù)PID控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)。,存在 問題,電機轉(zhuǎn)子參數(shù)（特別是電阻）受環(huán)境溫度影響較大，干擾磁鏈定向的準確性。 需要矢量變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運算量大。,三. 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),1985年德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授

7、提出了不同于坐標變換矢量控制的另外一種交流電機調(diào)速控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制（即DTC）。 DTC技術(shù)采用定子磁場定向，借助于離散的雙位式調(diào)節(jié)器（砰-砰控制器）對轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，其控制簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。,直接轉(zhuǎn)矩控制的核心問題,除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問題就是： 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的準確獲得。 如何根據(jù)兩個砰-砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。,電壓空間矢量,在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機的定子磁鏈是通過控制電機的端電壓來加以控制的。下圖是電壓型逆變器供電的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路

8、。,電壓型逆變器,電壓空間矢量,SA、SB、SC分別表示逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)， SA =1，表示U相的上橋臂導(dǎo)通， SA =0，表示U相的下橋臂導(dǎo)通。 三個開關(guān)量SA、SB、SC共有八種組合，分別是： (SA、SB、SC) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。 這八種組合中，組合(000)和(111)狀態(tài)下，電動機的電壓均為零，稱為零電壓狀態(tài)，其他六種組,電壓空間矢量,Us是由逆變器的開關(guān)狀態(tài)（ SA、SB、SC ）得到的，六種有效電壓狀態(tài)可以得到六個空間電壓矢量。 用下式可以計算出U1 、 U2 U6六個空間電壓矢

9、量的幅值和位置。,根據(jù)計算出其它電壓矢量的幅值和位置。 由U1 、 U2 U6將定子空間圓等分為6個扇區(qū)，如右圖所示。,電壓空間矢量,電壓空間矢量,定子電壓空間矢量與磁鏈的關(guān)系,定子磁鏈s(t)與定子電壓us(t)之間的關(guān)系為： 公式表示：忽略定子電阻Rs上壓降，定子磁鏈空間矢量s沿著電壓空間矢量Us的方向，以正比于輸入電壓的速度移動，通過逐步合理地選擇電壓矢量，可以使定子磁鏈矢量s的運動軌跡納入一定的范圍，沿著預(yù)定的軌跡移動。,在磁鏈旋轉(zhuǎn)過程中，在每一個階段施加什么電壓矢量，不但要依據(jù)磁鏈偏差的大小，而且還要考慮磁鏈矢量的方向。例如當s處于扇區(qū)U6時，為了控制s沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，應(yīng)當選擇U4

10、（100）、U5（101）。當磁鏈幅值達到上限時應(yīng)選擇U5（101），當磁鏈幅值達到下限時選擇U4（100）。反之，當需要磁鏈作逆時鐘旋轉(zhuǎn)時，對應(yīng)扇區(qū)U6時應(yīng)選取U2（010）、U3（011）。,定子電壓空間矢量與磁鏈的關(guān)系,定子電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響,當施加超前定子磁鏈的電壓矢量時，使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁鏈夾角加大，相應(yīng)轉(zhuǎn)矩增加。如果施加零矢量或滯后矢量時，相當于定子磁鏈矢量停滯不前或反轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁鏈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)轉(zhuǎn)矩減小。,轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制控制,直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制要通過滯環(huán)比較器來實現(xiàn)，采用砰-砰控制。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)的控制原理如圖所示。,轉(zhuǎn)矩滯

11、環(huán)比較器,磁鏈滯環(huán)比較器,規(guī)則如下： =1 （增加磁鏈） =0 （減小磁鏈） =1 （增加轉(zhuǎn)矩） =-1 （減小轉(zhuǎn)矩）,開關(guān)狀態(tài)選擇（函數(shù)）是一個三元函數(shù) U=f（ ， ， ）,開關(guān)狀態(tài)的選擇,電壓矢量的選擇,下面以定子磁鏈逆時針在區(qū)的控制為例進行說明（設(shè)定子磁鏈逆時針旋轉(zhuǎn)）,增大磁鏈：,增大轉(zhuǎn)矩：u6,減小轉(zhuǎn)矩：u0/u7,大幅減小轉(zhuǎn)矩：u5,減小磁鏈：,增大轉(zhuǎn)矩：u2,減小轉(zhuǎn)矩： u0/u7,大幅減小轉(zhuǎn)矩：u1,電壓空間矢量分布圖,開關(guān)狀態(tài)選擇表,電磁轉(zhuǎn)矩模型,在直接轉(zhuǎn)矩控制中，需要實測電磁轉(zhuǎn)矩作反饋值。直接測量電磁轉(zhuǎn)矩在測量技術(shù)上有一定困難。為此，采用間接法求電磁轉(zhuǎn)矩。一般是根據(jù)定子電流

12、和定子磁鏈來計算電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的表達式可寫為：,轉(zhuǎn)矩模型結(jié)構(gòu),定子磁鏈模型,（1）定子電壓模型法 定子磁鏈可以在坐標下寫出如下關(guān)系式： ； 由此，用下圖所示的電壓模型結(jié)構(gòu)可求得定子磁鏈。,定子電壓磁鏈模型框圖,定子磁鏈模型,（2）電流模型法 在額定轉(zhuǎn)速30%以下時，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算，定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型結(jié)構(gòu)圖如下：,電流磁鏈模型電路框圖,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖,直接轉(zhuǎn)矩控制特點,不需要旋轉(zhuǎn)坐標變換，有靜止坐標系實行 Te 與s 砰-砰控制，簡化控制結(jié)構(gòu)。 選擇定子磁鏈做被控量，計算磁鏈模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。 采用直接轉(zhuǎn)矩控制，能獲得快速的轉(zhuǎn)

13、矩響應(yīng)。,直接轉(zhuǎn)矩存在問題,由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用砰-砰控制，開關(guān)頻率不確定，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動，而不是完全恒定的。 由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準確度。 系統(tǒng)的定子磁鏈的軌跡是正六邊 形，因而定子電流含有高次諧渡分量，其中五次和七次 諧波對控制系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響最為嚴重。 在低速運行時，開關(guān)頻率越低轉(zhuǎn)矩脈動越大，影響系統(tǒng)調(diào)速性能。,四. 矢量控制與DTC特點與性能比較,五. PWM控制的基本原理,PWM控制技術(shù)重要理論基礎(chǔ)面積等效原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同,形狀不同而沖量相同的各種窄

14、脈沖,三相SPWM逆變電路,三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120 同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為dU、d V和d W，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，利用下式： 可簡化三相SPWM波的計算,三相SPWM逆變電路,分析應(yīng)用較多的公用載波信號時的情況，在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為： 式中，n=1,3,5,時，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時， 不含低次諧波 載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。,PWM逆變電路諧波的分析,使用載波對正弦信號波調(diào)制，會產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。 諧波頻率

15、和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一。 三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc2wr和2wcwr。 SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。,PWM諧波電流影響,采用PWM技術(shù)后，由于三相電壓為一系列方波信號，因此在PMSM三相電流中將不可避免地產(chǎn)生PWM高頻諧波。 PWM諧波電流分量的存在，使得逆變器的渦流損耗、噪音及電動機的損耗、電磁干擾、轉(zhuǎn)矩脈動增大，從而使電動機發(fā)熱，減少了電動機的使用壽命。 目前，有關(guān)減少或消除PWM諧波的方法有，正弦波PWM技術(shù)（SPWM），選擇諧波消除PWM技術(shù)（SHPWM），PWM自適應(yīng)諧波控制，中性點鉗位型PWM逆變器等。,靜止無功補償（SVC）技術(shù),根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC 技術(shù)分為：自飽和電抗器型（SSR Selfsaturable Reactor） 、晶閘管相控電抗器型（TCR Thyristor Controlled Reactor）、晶閘管投切電容器型（TSCThyristor Switched Capcitor） 、高阻抗變壓器型（TCT）和勵磁控制的電抗器型（AR）等。 SVC具有較強的無功調(diào)節(jié)能力，可以消除沖擊電流和高次諧波，進行快速頻繁操作。通過動態(tài)調(diào)節(jié)無功出力，抑制波動沖擊負荷運行時引起的母線電壓變化，有利