矢量控制系统.ppt

6.7 基于动态模型按转子磁链定向的基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统矢量控制系统本节提要本节提要n矢量控制系统的基本思路n按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用n转子磁链模型n转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统n磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统图6-52 异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换; VR——同步旋转变换; ——M轴与轴（A轴）的夹角 3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCit1im1ii异步电动机异步电动机• 异步电机的坐标变换结构图• 矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号 图6-53 矢量控制系统原理结构图• 设计控制器时省略后的部分控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号 n电流解耦数学模型的结构3/2VR×图6-54 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型n 矢量控制系统原理结构图电流控制变频器÷异步电机矢量变换模型• 在两相静止坐标系上的转子磁链模型 LmTrLmTr p+11+++-isisβrrTr p+11图6-56 在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型• 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 3/2VRTr p+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1++r TrLm1p图6-57 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型 （1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图6-59a 电流控制变频器（2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图6-59b 电流控制变频器VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3~TA+++cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机• 系统组成图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 • 转差型矢量控制的交－直－交电压源变频调速系统p1K/PACRURCSIMTG+TA+++++Ld3~ +sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s *si*sisi*sti*sm*r*图6-61 磁链开环转差型矢量控制系统原理图TG6.8 基于动态模型按定子磁链控制的基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统直接转矩控制系统n概 述 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。

在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名6.8.1 直接转矩控制系统的原理和特点直接转矩控制系统的原理和特点n系统组成图6-62 按定子磁链控制的直接转矩控制系统n 结构特点p转速双闭环：lASR的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦p转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器n 控制特点 与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控砰控制器制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构  2）选择定子磁链作为被控量定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。

 3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的n 性能比较 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)系统是一致的，系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能都能获得较高的静、动态性能6.8.2 直接转矩控制系统的控制规律和反馈直接转矩控制系统的控制规律和反馈 模型模型 除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是：n转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；n如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态  1. 定子磁链反馈计算模型 DTC系统采用的是两相静止坐标（ 坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换由式（6-108）和式（6-109）可知 n 定子磁链计算公式移项并积分后得（6-146） （6-147） 上式就是图6-62中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图6-63所示。

n 定子磁链电压模型结构图6-63 定子磁链模型结构框图 上图所示，显然这是一个电压模型它适合于以中、高速运行的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了  2. 转矩反馈计算模型 由式（6-110）已知，在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为 又由式（6-109）可知代入式（6-110）并整理后得（6-148） 这就是DTC系统所用的转矩模型，其结构框图示于图6-64 n 电磁转矩方程图6-64 转矩模型结构框图 n 转矩模型结构4. 电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择 在图6-62所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间n正六边形的磁链轨迹控制： 如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁链偏差较大； n圆形磁链轨迹控制： 如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好Ψ*s = f (*) 函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。

 在电压空间矢量按磁链控制的同时，也接受转矩的砰-砰控制n例如：以正转（T*e > 0）的情况为例l当实际转矩低于T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升；l当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降l稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内5. DTC系统存在的问题1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度  这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制 为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除 6.8.3 直接转矩控制系统与矢量控制系统的直接转矩控制系统与矢量控制系统的 比较比较 DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。

但两者在控制性能上却各有千秋 • 矢量控制系统特点 VC系统强调 Te 与Ψr的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性 • DTC系统特点 DTC系统则实行 Te 与Ψs 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制 表6-1列出了两种系统的特点与性能的比较 表表6-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无[注]有调速范围不够宽比较宽 [注] 有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响 从表6-1可以看出，如果在现有的DTC系统和VC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。

返回目录返回目录本章小结本章小结 变压变频调速方式是目前交流调速系统的主要形式，因此是本课程学习的重点要求学生了解和掌握的内容有：n掌握3种变压变频调速控制方式及其性能；n了解变频器的结构、原理和特性；n掌握基于稳态模型的变压变频调速系统的结构、工作原理和性能；n掌握基于动态模型的变压变频调速系统的结构、工作原理和性能课程开始课程开始附 图ABCuAuBuC1uaubucabc图6-44 三相异步电动机的物理模型。