直接转矩控制与DTC.讲述.ppt

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1、交流同步电机矢量控制与DTC系统的原理分析与比较交流同步电动机交流同步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析交流电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能交流电动机的调速方案。以永磁式同步电机（PMSM）为例研究和分析交流同步电机的调速方案。永磁式同步电机控制系统具有更高的运行速度，运行性能更稳定，位置控制能力更强。永磁式同步电动机具有简单的结构、小巧的体积、良好的功率因素、较高的效率和易于维护保养等特点。一.PMSM的数学模型永磁同步电机的空间矢量图如右图所示。图中:θr为转子的位置角;β为定子电流矢量is为在d-q坐标系中的相位角

2、;δs为定子磁链矢量ψs在D-Q坐标系中的相位角;δsm为定子磁链与转子磁链之间的夹角,又称之为负载角。PMSM的矢量图PMSM的数学模型由图可推导出转矩角的表达式为：式中：、：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb）；：转子永磁磁链（Wb）；id、iq：定子电流is在d、q坐标系下的分量（A）；Lq：定子电感的d轴分量，即交轴电感（H）；Ld：定子电感的q轴分量，即直轴电感（H）。PMSM的两种调速策略矢量控制和直接转矩控制（DTC）是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统。矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将电机电流分解为转矩电流和励磁电流，并分别加以控制，从而获得

3、高性能的控制效果。直接转矩控制基于定子磁场定向，以电机转矩为控制对象，通过实时观测电机转矩和定子磁链，利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器功率器件的开关状态，输出合理的电压矢量,达到对转矩和定子磁链控制的目的。二.矢量控制技术1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制（VC）原理，由此交流电机矢量控制得到了广泛地应用。矢量控制借助于坐标变换，将实际的定子三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，把交流电动机模拟成直流电动机，控制概念明确。矢量变换运算矢量控制原理：矢量控制是以矢量变换为工具，将定子电流矢量

4、分解为两个相互垂直的分量：一个相当于直流电动机磁场电流称为励磁电流分量；另一个相当于电枢电流称为转矩电流分量。对各自独立的两个电流分量进行控制就构成了转矩瞬时值的矢量控制。矢量控制的数学模型Clarke变换将定子电流iA、iB、iC通过三相／二相坐标变换(Clarke变换)等效成两相静止坐标系下的交流电流isα、isβ，再通过按转子磁场定向的旋转变换(Park变换)，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流ism、ist，如式（1）和（2）。矢量控制的数学模型空间坐标变换Park变换矢量控制的数学模型坐标变换等效结构图经过坐标变化从而得到等效成直流电动机模型，可以采用控制直流电动机

5、方法控制交流电动机，实现对电机电磁转矩的动态控制，获得良好的调速性能。磁通的计算矢量变换的关键是将电流和磁通矢量变换到磁场定向的M-T坐标系上来。因此，能否准确地计算磁通Ф，将直接影响到控制系统的精度。（1）电压模型法磁通计算公式：电压模型计算法只适用于高速运行，在低速运行时，难以进行精确计算。磁通的计算（2）电流模型法转子磁通Ф2与励磁电流i1M成正比，转子电路具有阻碍磁通变化的作用，成为一阶滞后环节：电流模型法的磁通运算器基于SVPWM的矢量控制SVPWM控制也称作磁链跟踪控制，着眼于逆变器和电机构成的整体，目的是使交流电机通入三相对称正弦电流后在电机的定子内圆形成圆形的旋

6、转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。控制系统原理图如下图所示，共由速度环PID控制和速度检测模块、电流环与磁链模块、坐标变换模块、SVPWM模块和逆变器模块五部分组成基于SVPWM的矢量控制系统基于SVPWM的矢量控制系统结构图矢量控制的特点及存在问题特点转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦。采用连续PID控制，转矩与磁链变化平稳。存在问题电机转子参数（特别是电阻）受环境温度影响较大，干扰磁链定向的准确性。需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。三.直接转矩控制技术1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制

7、原理——直接转矩控制（即DTC）。DTC技术采用定子磁场定向，借助于离散的双位式调节器（砰-砰控制器）对转矩和磁链调节产生PWM，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，其控制简单，转矩响应迅速。直接转矩控制的核心问题除转矩和磁链砰-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准确获得。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。电压空间矢量在直接转矩控制中，电机的定子磁链是通过控制电机的端电压来加以控制的。下图是电压型逆变器供