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异步电动机的直接转矩控制策略

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浏览 次【字号 】 发布时间:2012-7-2 打印本页

摘 要:磁场定向控制已广泛应用于异步电动机、同步电动机的控制等,直接转矩控制方法(DTC,即Direct Torque Control)是另一种更有前途的电动机控制方法,ABB公司首次将其用于ACS600系列无速度传感器异步电动机DTC工业产品中,本文结合有关资料介绍了无速度传感器异步电动机DTC一些实现方法。 
关键词:直接转矩控制(DTC) 无速度传感器 实现方法 
Abstract:Field Oriented Control(FOC) has found wide applications in many kinds of motor drives, such as induction motors,
 synchronous motors 
and so on . 
As another more competitive motor control technique presented in 1988, DTC(Direct Torque Control) is applied by ABB in ACS600 product family, the first industrial
 speed sensor-less DTC induction drive. Some implementation techniques of speed sensor-less DTC induction drive scheme is introduced in the paper. 
Keywords:Direct Torque Control(DTC) Speed sensor-less Implementation techniques 
[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)03-0030-03 


1 引言 
  交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象,难以控制。70年代初出现了矢量控制技术[1],实现了转矩和电流分量的解耦控制。矢量控制系统性能虽然较好,但需要两次矢量旋转变换,计算量大,系统也很复杂。 
  八十年代中期日本的学者Takahashi、Noguchi(1984、1985年)和德国鲁尔大学的Depenbrock教授[2](1985年)相继提出了异步电动机的直接自控制(Direct Self Control ,DSC),也称为直接转矩控制(Direct Torque Control DTC),这种方法不需要矢量旋转变换,直接在定子坐标系上计算转矩和磁链,系统具有良好的转矩响应特性。省去了矢量旋转变换,系统结构非常简单。 
1996年ABB公司在世界上首次实现了无速度传感器DTC控制的异步电动机的工业应用[3 4 5],产品系列为ACS600,而后又将无速度传感器DTC控制技术移植到ACS1000系列中压三电平变频器中。ACS600产品系列静态速度控制误差在±0.1%~±0.5%,转矩响应时间2ms,而后其它一些变频器厂家也相继采用了DTC技术,预计DTC技术会在新的世纪会超过矢量控制技术。本文根据有关资料介绍异步电动机的直接转矩控制实现方法。 

2 控制系统方案 
  直接转矩控制通过控制定子磁链和电磁转矩,间接控制定子电流和电压,定子磁通和定子电流波形接近正弦,削弱了转矩振荡,转矩响应好,逆变器开关频率取决于转矩和磁链滞环宽度,ABB公司选择IGBT逆变器开关频率[3]一般在1.5kHz~3.5kHz,GTO逆变器为了避免过窄的触发脉冲,开关频率较低,为800Hz。 
异步电动机DTC控制方框图如图1所示, 控制系统中包括一个估计器,用于估计定子磁链空间矢量和估计电磁转矩te,如果系统有速度环,那么速度控制器的输出就是电磁转矩的参考值。 
异步电动机由电压源逆变器供电,通过选择最优开关矢量来控制定子磁链和定子转矩,从而获得最快的转矩响应。电磁转矩误差和定子磁链误差分别输出至转矩和磁链滞环比较器,磁链滞环比较器是二位比较器,输出为;电磁转矩滞环比较器是一个三位滞环比较器,输出为dte,滞环比较器的离散输出值和dte是最优开关矢量表的输入,定子磁链空间矢量的位置信号(区域号)也是查表的输入值。如图2所示六个开关矢量和六个分区,这六个开关矢量分别占据六个区a(1),a(2),a(6),每个区域占据600电角度,从-300到+300。 
如果需要增加定子磁链,则记作+1,反之若需要减少定子磁链,则记作=-1。同理,如果需要增加电磁转矩,则记作dte=-1,如果需要减少电磁转矩,则记作=0,若不需要增减电磁转矩,则记作dte=0,表示如下: 
若则 
若则 
逆时针转动(正转)时 
若 则 
若则 
顺时针转动(反转)时 
若则 
若则 
根据上述原则, 由图2可以得出构成控制所需的最优电压开关矢量表,如表1所示 
表1 最优电压开关矢量表 

3 定子电压、定子电流与定子磁链的求取
3.1 定子电压与定子电流 
考虑到和Udu通过检测两个定子线电压 就可得和,通过检测两个定子线电流就可得和,因而 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
3.2 定子磁链的求取
 
定子磁链需要估计基于两个原因,一是最优开关矢量表中要用到磁链矢量,二是估计电磁转矩要用定子磁链。由定子坐标系中的电压方程可以推得: 
(5) 
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 


4 磁链转矩与转速的估计 
4.1 定子磁链位置的确定 
(10) 
(11) 
(12) 
通过磁链分量的符号来判断磁链空间矢量所在的位置(即区号) 

4.2 定子转子磁链与电磁转矩的估计 
定子磁链需要估计基于两个原因,一是最优开关矢量表中要用到磁链矢量,二是估计电磁转矩要用磁链。 
转子磁链可由定子电流和定子磁链求: 
(13) 
(14) 
定子磁链空间矢量第K次的估计值如下式: 
(15) 

上式中,为采样时间(即磁通控制周期),为定子电流空间矢量,求解式(15)可得定子磁链空间矢量的实部和虚部。 
电磁转矩可由下式估计求得: 
(16) 
4.3 转速的估计 
转子速度可以表示如下: 
(17) 
这里是转子磁通相对于定子的速度,, 是转差频率, 
(18) 
(19) 
是转子磁链空间矢量相对于转子的速度,静止坐标系中的转子磁链空间矢量可以表示为: 
(20) 
(21) 
由以上两式可以推出, 
(22) 
由式(17)、(19)和式(22)得: 
(23) 
(24) 
式(23)、(24)速度估计器的精度取决于所用电动机的参数, 速度估计器需要用到下列参数:和,数字系统实现时可以采用下列离散形式

5 结论 
直接转矩控制具有许多优点:省去了坐标变换(各种矢量控制方案都需要);省去了三相各自的电压调制计算(矢量控制方案需要);省去了电压解耦电路(电压源逆变器供电的矢量控制系统则需要);减少了控制器的数目(如果驱动方案含有速度环,则只需要一个速度控制器);不需要精确测量磁链矢量的位置,而只需要确定磁链矢量所在的区域。 
直接转矩控制同时实现困难,控制复杂,需要磁链和电磁转矩估计器(矢量控制中也存在这一问题),起动和低速运行时存在问题。DTC的实现不仅要考虑参数的辨识,还要考虑电机温度模型、元件压降和许多补偿问题。 
在异步电动机转矩控制获得进展的同时,不少学者也开始关注同步电动机的转矩控制问题[6],针对永磁同步电动机、开关磁阻同步电动机以及电励磁同步电动机直接转矩控制提出了许多方案,事实上作为一种电动机控制思想直接转矩控制可以拓展到各种类型的交流电动机。 

6 参考文献 
(1) Blaschke.F,“The principle of field orientation as applied to the new Transvector-closed-loop control systems for rotating field machines,”Siemens Review Vol.34,No.5,1972 pp217-220. 
(2) Mlka Aaltonen,“Direct torque control of AC motor drives,” ABB Review,3/1995 pp19-24 
(3) Mauri Peltola,Seppo Perala,“ACS600-a growing family of DTC based products,”ABB Review 6/1997 pp31-39 
(4) Peter Vas,Sensorless Vector and Director Control,OXFORD UNIVERSITY PRESS 1998 
(5) Chris French, Paul Acarnley,“Direct Torque Control of Permanent Magnet drives,”IEEE Transactions on Industry Applications,Vol.32, No.3 ,1990 pp1080-1088
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