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直接转矩控制(DirectTorqueControl,DTC)变频调速,是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。
直接转矩控制直接将转矩作为被控量,其实质是用空间矢量的分析方法,以定子磁场定向方式,对定子磁链和电磁转矩进行直接控制。
2.1异步电机空间矢量等效电路
图2.1异步电动机空间矢量等效电路图
在直接转矩控制分析中,一般选用空间矢量的数学分析方法。
在定子参考坐标系下,异步电动机的空间矢量有如下关系式:
(1)
(2)
(3)
由上面的关系式,可以推导出如下的定、转子磁链及电磁转矩的表达式:
(4)
(5)
(6)
式中,
为电机转子时间常数,
;
为转子角速度;
为定子与转子磁链矢量之间的夹角,即磁通角,也叫负载角。
在实际运行中,保持定子磁链的幅值为额定值,以便充分利用电动机铁磁材料;
而转子磁链的幅值由负载决定。
由式(5)可知,定子磁链与转子磁链之间有惯性环节,当定子磁链发生变化时,转子磁链矢量基本上保持不变。
因而只要改变定子磁链矢量的空间位置,就很容易改变定子磁链与转子磁链之间的夹角,根据式(6)就很容易改变电磁转矩。
在定子磁链参考定向下,设
,电磁转矩则有如下关系式:
(7)
为定子电流矢量的交轴分量;
p为电机的极对数。
定子磁链参考坐标系下,电压矢量方程如下:
(8)
相应的直轴和交轴的电压标量方程为:
(9)
(10)
式中:
表示为定子电压矢量,
为定子电阻,
为定子磁链角速度。
综合式(8)~(10),得到电磁转矩关系式为:
(11)
由方程(9)可以看出,定子磁链受定子电压矢量的直轴分量控制。
由方程(11)可知,在给定定子磁链的条件下,电磁转矩受定子电压矢量交轴分量控制。
因而控制定子电压矢量就可以实现直接转矩控制。
2.2定子磁链计算模型
直接转矩控制系统需采用两相静止坐标(
坐标)计算定子磁链,从而避开旋转坐标变换。
坐标系上定子电压方程:
(2.1)
(2.2)
所以定子磁链计算模型如下:
(2.3)
(2.4)
该模型适用于以中、高速运行的系统,在低速时误差较大,甚至无法应用。
必要时,需要切换到电流模型。
定子磁链计算模型结构框图如下图所示:
图2.2定子磁链计算模型
2.3转矩计算模型
在静止两相坐标系中电磁转矩的表达式为:
(2.5)
图2.3转矩计算模型
2.4直接转矩控制系统的组成
传统的方法应用两位式与三位式滞环比较器分别控制定子磁链与转矩,根据滞环比较器输出的逻辑信号以及定子磁链的空间位置,选择合适的定子电压矢量应的逆变器开关序列,控制结构如下图所示:
图2.2直接转矩控制系统原理结构图
3控制方法介绍
对直接转矩控制的研究工作主要集中在提高其低速性能上。
为了降低或消除低速时的转矩脉动,提高转速、转矩控制精度,扩大直接转矩控制系统的调速范围,近年来在基本直接转矩控制方法上提出了许多新的改进思路。
虽然其低速性能还不能达到矢量控制的水平,但是这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能。
为了改善传统直接转矩系统低速性能差的问题,学者们提出了一些新型的直接转矩控制技术。
其控制方法主要有以下几种:
3.1直接转矩无差拍控制
直接转矩的无差拍控制,其控制目标是让转矩和磁链在一个采样周期结束时与给定值经比较后的误差为零。
作者提出了3个步骤:
首先看转矩是否满足无差拍,如果不满足再看磁链是否满足无差拍,如果还不满足就按照原有的直接转矩控制矢量表来选取下一周期的电压矢量。
因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有4个步骤,这将耗费很大的计算资源,不易实现,另外,在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大,将降低对电机参数的鲁棒性。
3.2转矩跟踪预测法
上一小节所介绍的直接转矩无差拍控制计算量很大且不易实现,转矩跟踪预测法则提出了改进简化的转矩跟踪预测法,该方法分析了低速转矩脉动的情况,得出在单一电压矢量下转矩脉动存在锯齿不对称的结论,进一步由基本电机方程得出转矩变化公式,通过求解方程可以获得消除转矩误差的电压矢量作用时间,达到转矩无差拍控制的目的。
与直接转矩无差拍控制一样,跟踪预测方法也要用到比较多的电机参数,如果能在线实时辨识定子电阻和转子时间常数,将大大提高控制精度。
3.3使用PI调节器的直接转矩控制
文献[15]提出了一种使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术,磁链调节器AΨR和转矩调节器ATR都使用PI调节器。
由于定子电压u和转矩T之间不存在线性关系,所以不能使用线性系统理论来确定PI调节器的参数,如果PI调节器的参数设计不当,则会影响控制系统的动、静态性能,这是PI-DTC控制方法存在的主要问题。
3.4电机参数的辨识
电机参数的辨识主要是建立一种基于模糊控制的在线定子电阻观测器。
该观测器把对定子电阻影响较大的三个因素即定子电流、转速和运行时间作为输入量,观测器的输出量为定子电阻变化值
。
同时根据电阻上升和下降的不同规律,设计了不同的电阻观测器。
定子电阻的初始值
和观测器的输出值
相加即可得到控制中所需的定子电阻
该系统在运行方式不断改变的条件下,仍能准确跟踪
的变化,使直接转矩控制系统的低速性能有了很大的改进。
用绕组端部某点的瞬态温度T,及其时间变化率作为模糊定子电阻估计器的输入量,定子电阻R的变化率作为输出,观测出的定子电阻值与工业实验所测结果误差在5%以内。
以电机绕组端部某一点温度变化率
,作为网络的输入,用模糊神经网络来实时在线估测定子电阻
的值。
利用神经网络的自学习功能,提取感应电机定子电阻观测器的有关模糊规则,确定每条规则的前、后件参数,从而提高了系统实时性,具有很高的可靠性。
3.5定子磁链的观测
根据电压磁链方程
,ψ,电动机在30%额定转速以上运行时,由于被积分的差值较大,定子电阻压降可以忽略,采用电压-电流模型(u-i模型)就可以准确地估计定子磁链;
而电动机在30%额定转速以下运行时,定子电阻压降不可忽略,定子磁链受定子电阻的影响显著,磁链发生严重畸变,影响系统性能,此时定子磁链估计不能采用电压-电流模型,只能采用电流-转速模型(i-n模型),定子磁链只能根据转速来计算。
这种方法受转子电阻、漏电感和定子电感变化的影响,系统的鲁棒性较低。
采用电压-转速模型(u-n模型)虽然可以在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链,但是却带来了u-i模型和i-n模型之间的平滑切换的问题。
在异步电动机全速运行范围内准确无误地估计定子磁链,是改善异步电动机直接转矩控制系统动态性能的首要问题,是实现异步电动机直接转矩控制系统高动态性能的前提和保证。
国内外的专家学者针对这个问题,采用了各种不同的解决方法。
如设计定子磁链状态观测器、采用神经网络和遗传算法、采用解析几何手段变换定子坐标系等。
基于模糊控制技术的定子磁链估计方法。
在正常情况条件下,通过定子磁链相角映相的方法,提高了模糊估计算法的反应速度,同时增加了定子磁链的估计精度。
在低速情况下,具有对定子磁链进行简单补偿的功能。
仿真实验结果证明了这种方法能明显地提高定子磁链的估计精度。
3.6减小转矩脉动和保持开关频率恒定
传统直接转矩控制系统使用了一个转矩滞环控制器来控制电机的转矩,使得实际转矩值保持在其给定值的一定范围之内变化,这导致了输出转矩必然存在一定的脉动范围。
由于给定滞环带的大小对转矩脉动的大小有着直接的影响,因此,在一定程度上减小转矩滞环控制器的滞环带可以减小输出转矩脉动。
但是,即使采用零滞环带也不能真正消除转矩脉动。
而且,过小的滞环带将使逆变器开关频率过高,增加了开关损耗。
在实际的数字化控制系统中,输出转矩脉动也受到系统采样周期的影响。
系统采样周期的大小很大程度上决定了转矩脉动的幅值,采样周期越小,输出转矩的脉动越小。
但是,系统的采样周期不能无限减小,它受到硬件性能的限制。
可以通过转矩脉动最小化的方法来减低转矩脉动,这种方法抛弃了传统直接转矩控制系统中转矩滞环控制器的应用。
在转矩脉动的一个周期内,先施加非零电压矢量使转矩增大,然后施加零电压矢量使转矩减小。
该方法没有采用传统的双电平滞环控制器控制逆变器的开关,而采用目标函数和约束条件,通过计算得出非零电压矢量的最优作用时间,同时得到了控制逆变器开关的最佳时刻。
在该方法中,把转矩轴作为纵轴,把时间轴作为横轴,建立平面直角坐标系,用一个采样周期内实际转矩的变化曲线和此坐标系构成的面积来表示转矩脉动的大小,并把这个面积表示成非零电压矢量作用时间的函数,即目标函数,约束条件是此面积取最小值,得到此面积对非零电压矢量作用时间的导数为零。
根据这个约束条件,求出转矩脉动最小时对应的非零电压矢量的作用时间。
在非零电压矢量作用结束时刻,控制逆变器开关,施加零电压矢量使实际转矩降低,等到一个周期结束,重复此过程。
在每一个采样周期实时计算目标函数和约束条件,如此反复,达到减小转矩脉动的目的。
同时,通过设定采样周期为恒定值,可以使逆变器的开关频率保持恒定。
模糊控制的方法被广泛应用于异步电动机直接转矩控制中,运用模糊控制和模糊系统理论,把传统直接转矩控制中的转矩偏差、磁链偏差和定子磁链在空间中的位置角度三个物理量按照模糊控制理论细分,确定各个物理量的隶属度函数,细化电压空间矢量表,达到减小转矩脉动的目的。
3.7神经网络DTC控制
把神经网络用在DTC系统中,它的可行性与优越性在于神经网络具有以下特点:
神经网络主要通过学习所提供的训练样本,找出输入和输出之间的内在联系,从而获取知识。
一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数据的能力。
因此,神经网络能够解决那些由于数学模型或描述规则不确定的控制问题。
神经网络能够处理那些未经训练过的数据,而获得响应于这些数据的合适的解答。
同样它能够处理那些有噪声或不完全的数据,从而显示了很好的鲁棒性。
神经网络具有固有的非线性特性,这源于其近似任意非线性映射能力。
这一特性给非线性控制问题带来新的希望。
神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力,因而能够有较快的总体处理能力,这特别适用于实时控制和动态控制。
神经网络能够适应在线运行,并能同时进行定量和定性操作。
神经网络具有很强的适应和信息融合能力,使得网络可以同时输入大量不同的控制信号,解决输入信息间的互补和冗余问题,并实现信息集成和融合处理。
这些特性特别适合于复杂、大规模和多变量系统的控制。
针对异步电动机直接转矩控制低速时存在的定子磁链观测问题,转矩脉动问题,首先建立定子磁链递归神经网络观测器,然后设计设计了神经网络电压矢量选择器。
DTC中直接选取电压矢量控制逆变器的开关状态,因此电压状态选择策略就直接影响系统的控制效果。
应用传统的电压矢量选择表,在区段变化时磁链变形较严重,引起电流谐波分量增大、转矩脉动增加。
针对这个现象,采用神经网络重构电压矢量选择器,较好的解决了这个问题。
其仿真表明采用神经网络模拟通常DTC的电压矢量选择器,完全可以取代传统的DTC的电压矢量选择器,为DTC系统的研究提供了一种新的方法。
3.8模糊DSVM控制策略
针对传统的异步电机直接转矩控制系统低速转矩脉动大、磁链轨迹内陷、电流畸变严重以及开关频率不固定等缺点,基于离散空间电压矢量调制(DSVM)技术和模糊控制技术提出一种改善异步电动机直接转矩控制系统低速运行性能的控制策略。
将一个控制周期细分为m个时间片,每个时间片输出1个电压矢量,可以合成多个等效的空间电压矢量,供控制策略选择,优化了开关选择表。
采用模糊控制器选择电压工作矢量,取代传统的滞环比较控制器。
仿真结果表明,改进的DSVM控制策略及模糊控制算法的应用,有效改善了直接转矩控制的低速运行性能。
在开关频率恒定的前提下,低速时磁链轨迹趋于圆形,电流谐波分量明显减少,平均转矩脉动降低为3.1%。
3.9改进PID和模糊控制在调速中的应用
针对异步电机DTC在低速及非线性系统参数变化时系统性能较差的问题,提出了一种基于量子遗传算法、神经网络和模糊控制器的新型控制策略,利用量子遗传算法的自适应调整搜索来优化神经网络的权值系数,避免神经网络陷入局部极小化及收敛速度慢的状况。
为了解决滞环控制器中初始值误差对磁链观测造成的影响,提出利用模糊控制器取代传统的滞环控制器,根据磁链误差和转矩误差的大小进行不同的决策控制进而优化开关状态的选择。
根据磁链误差和转矩误差的大小进行不同的决策控制,进而优化开关状态的选择。
该种方法是将量子遗传算法(QGA)与BP神经网络相结合,利用QGA对神经网络初始权值进行自适应搜索,同时将PID调节器的输出及输入误差加入到神经网络的输入中,以对PID调节器的三个基准值进行实时调整,解决了传统PID中超调量大、响应速度慢的问题。
模糊控制器首先对输入变量进行模糊化处理,之后进行模糊分档,最后根据不同的模糊规则选择与其对应的最优开关状态,相比于单纯的滞环控制器,大大地减小了转矩和磁链脉动。
4发展趋势
直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系,可以获得良好的动态性能,控制结构简单,易于实现,很快就得到广泛的推广与应用.而传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题,需要进一步研究.仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情,必须另辟蹊径.现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术,需要各种先进的控制技术作支撑,它已经不是单一的一项技术,而是发展成多种学科交叉的一项综合技术.下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结:
(1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用,改善稳态运行性能问题。
对于现代直接转矩控制来说,空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量,这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点,如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性,尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性,然而控制器可以大大改善控制性能。
(2)磁链与转矩估计问题。
对于直接转矩控制来说,磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏,甚至会导致控制失败,这一点前面已叙述,高速运行时,现有的估计方法可以得到满意的精度,而低速时,尤其接近零速时,很多估计方法往往会失效,解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义。
(3)速度估计问题。
近年来,无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注,针对已有的速度估计方法精度差,超低速及零定子频率运行条件下电动机转速不可观测性,开发高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。
(4)空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题现有的直接转矩控制方案通常按照额定负载条件,把定子磁链设置成恒定值进行磁链开环的控制,而忽略定子磁链对转矩脉动的影响。
电动机在实际运行中,经常在空载或者欠载条件下运行,这样原来给定的定子磁链不再是优化的定子磁链.,优化参考定子磁链,对于削弱转矩脉动、改善控制性能具有重大意义。
德国、美国、日本都竞相开发直接转矩控制技术,直接转矩控制技术已经被开发成商用的变频器,并广泛地服务于工业、农业、国防及家电领域。
我国已经把直接转矩控制技术成功地应用到大功率电力机车牵引上,并取得了良好的效果,然而我国对这项技术的研究与开发工作较晚,技术基础比较薄弱,与世界先进水平还有很大的差距。
我国机械制造等行业的飞速发展,为直接转矩控制技术提供了广阔应用空间。
因此,在消化和吸收国际上所取得的先进成果基础上,研究具有自主知识产权的直接转矩控制技术,是我们当前的主要任务。
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