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1、第3章 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统,概 述 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是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。,3.1 直接转矩控制系统的原理和特点,系统组成,图6-62 按定子磁链控制的直接转矩控制系统,逆变器异步电动机,结构特点,转速双闭环 ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 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。 转矩和磁链的控制器 用滞环控制器取代通常的PI调节器。,控制特点
2、,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-砰控制器，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，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，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
3、，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。,性能比较,从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。,3.2 直接转矩控制系统的控制规律和反馈 模型,除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是： 转矩和定子磁链反馈信号的计算模型； 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（
4、7-36）和式（7-37）可知,定子磁链计算公式,移项并积分后得,（9-1）,（9-2）,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。,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（7-38）已知，在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为,又由式（7-37）可知,代入式（7-38）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6-6
5、4。,电磁转矩方程,图6-64 转矩模型结构框图,转矩模型结构,3. 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。 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。,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*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
6、-砰控制。 例如：以正转（T*e 0）的情况为例 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。,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。 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。,4. 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
7、。 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。,5. 主要的改进方案,基本框架不变，改进具体的控制方法 1）对磁链偏差实行细化，接近圆形； 2）对转矩偏差进行细化，减少转矩脉动； 3）对电压空间矢量实行无差拍调制和预测控制； 4）对电压空间矢量实行智能控制。,改砰-砰控制为连续控制 1）线性调节器代替砰-砰控制； PI控制：连续控制，失去了鲁棒性 2）按定子磁链定向的控制系统。,3.3 直接转矩控制系统与矢量控制系统的 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
8、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r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r 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s 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6-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较,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。,