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異步電動機的直接轉矩控制策略

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-7-2 打印本頁

摘 要:磁場定向控制已廣泛應用于異步電動機、同步電動機的控制等,直接轉矩控制方法(DTC,即Direct Torque Control)是另一種更有前途的電動機控制方法,ABB公司首次將其用于ACS600系列無速度傳感器異步電動機DTC工業產品中,本文結合有關資料介紹了無速度傳感器異步電動機DTC一些實現方法。 
關鍵詞:直接轉矩控制(DTC) 無速度傳感器 實現方法 
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 
[中圖分類號] TM921 [文獻標識碼] A 文章編號 1561-0330(2002)03-0030-03 


1 引言 
  交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的被控對象,難以控制。70年代初出現了矢量控制技術[1],實現了轉矩和電流分量的解耦控制。矢量控制系統性能雖然較好,但需要兩次矢量旋轉變換,計算量大,系統也很復雜。 
  八十年代中期日本的學者Takahashi、Noguchi(1984、1985年)和德國魯爾大學的Depenbrock教授[2](1985年)相繼提出了異步電動機的直接自控制(Direct Self Control ,DSC),也稱為直接轉矩控制(Direct Torque Control DTC),這種方法不需要矢量旋轉變換,直接在定子坐標系上計算轉矩和磁鏈,系統具有良好的轉矩響應特性。省去了矢量旋轉變換,系統結構非常簡單。 
1996年ABB公司在世界上首次實現了無速度傳感器DTC控制的異步電動機的工業應用[3 4 5],產品系列為ACS600,而后又將無速度傳感器DTC控制技術移植到ACS1000系列中壓三電平變頻器中。ACS600產品系列靜態速度控制誤差在±0.1%~±0.5%,轉矩響應時間2ms,而后其它一些變頻器廠家也相繼采用了DTC技術,預計DTC技術會在新的世紀會超過矢量控制技術。本文根據有關資料介紹異步電動機的直接轉矩控制實現方法。 

2 控制系統方案 
  直接轉矩控制通過控制定子磁鏈和電磁轉矩,間接控制定子電流和電壓,定子磁通和定子電流波形接近正弦,削弱了轉矩振蕩,轉矩響應好,逆變器開關頻率取決于轉矩和磁鏈滯環寬度,ABB公司選擇IGBT逆變器開關頻率[3]一般在1.5kHz~3.5kHz,GTO逆變器為了避免過窄的觸發脈沖,開關頻率較低,為800Hz。 
異步電動機DTC控制方框圖如圖1所示, 控制系統中包括一個估計器,用于估計定子磁鏈空間矢量和估計電磁轉矩te,如果系統有速度環,那么速度控制器的輸出就是電磁轉矩的參考值。 
異步電動機由電壓源逆變器供電,通過選擇最優開關矢量來控制定子磁鏈和定子轉矩,從而獲得最快的轉矩響應。電磁轉矩誤差和定子磁鏈誤差分別輸出至轉矩和磁鏈滯環比較器,磁鏈滯環比較器是二位比較器,輸出為;電磁轉矩滯環比較器是一個三位滯環比較器,輸出為dte,滯環比較器的離散輸出值和dte是最優開關矢量表的輸入,定子磁鏈空間矢量的位置信號(區域號)也是查表的輸入值。如圖2所示六個開關矢量和六個分區,這六個開關矢量分別占據六個區a(1),a(2),a(6),每個區域占據600電角度,從-300到+300。 
如果需要增加定子磁鏈,則記作+1,反之若需要減少定子磁鏈,則記作=-1。同理,如果需要增加電磁轉矩,則記作dte=-1,如果需要減少電磁轉矩,則記作=0,若不需要增減電磁轉矩,則記作dte=0,表示如下: 
若則 
若則 
逆時針轉動(正轉)時 
若 則 
若則 
順時針轉動(反轉)時 
若則 
若則 
根據上述原則, 由圖2可以得出構成控制所需的最優電壓開關矢量表,如表1所示 
表1 最優電壓開關矢量表 

3 定子電壓、定子電流與定子磁鏈的求取
3.1 定子電壓與定子電流 
考慮到和Udu通過檢測兩個定子線電壓 就可得和,通過檢測兩個定子線電流就可得和,因而 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
3.2 定子磁鏈的求取
 
定子磁鏈需要估計基于兩個原因,一是最優開關矢量表中要用到磁鏈矢量,二是估計電磁轉矩要用定子磁鏈。由定子坐標系中的電壓方程可以推得: 
(5) 
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 


4 磁鏈轉矩與轉速的估計 
4.1 定子磁鏈位置的確定 
(10) 
(11) 
(12) 
通過磁鏈分量的符號來判斷磁鏈空間矢量所在的位置(即區號) 

4.2 定子轉子磁鏈與電磁轉矩的估計 
定子磁鏈需要估計基于兩個原因,一是最優開關矢量表中要用到磁鏈矢量,二是估計電磁轉矩要用磁鏈。 
轉子磁鏈可由定子電流和定子磁鏈求: 
(13) 
(14) 
定子磁鏈空間矢量第K次的估計值如下式: 
(15) 

上式中,為采樣時間(即磁通控制周期),為定子電流空間矢量,求解式(15)可得定子磁鏈空間矢量的實部和虛部。 
電磁轉矩可由下式估計求得: 
(16) 
4.3 轉速的估計 
轉子速度可以表示如下: 
(17) 
這里是轉子磁通相對于定子的速度,, 是轉差頻率, 
(18) 
(19) 
是轉子磁鏈空間矢量相對于轉子的速度,靜止坐標系中的轉子磁鏈空間矢量可以表示為: 
(20) 
(21) 
由以上兩式可以推出, 
(22) 
由式(17)、(19)和式(22)得: 
(23) 
(24) 
式(23)、(24)速度估計器的精度取決于所用電動機的參數, 速度估計器需要用到下列參數:和,數字系統實現時可以采用下列離散形式

5 結論 
直接轉矩控制具有許多優點:省去了坐標變換(各種矢量控制方案都需要);省去了三相各自的電壓調制計算(矢量控制方案需要);省去了電壓解耦電路(電壓源逆變器供電的矢量控制系統則需要);減少了控制器的數目(如果驅動方案含有速度環,則只需要一個速度控制器);不需要精確測量磁鏈矢量的位置,而只需要確定磁鏈矢量所在的區域。 
直接轉矩控制同時實現困難,控制復雜,需要磁鏈和電磁轉矩估計器(矢量控制中也存在這一問題),起動和低速運行時存在問題。DTC的實現不僅要考慮參數的辨識,還要考慮電機溫度模型、元件壓降和許多補償問題。 
在異步電動機轉矩控制獲得進展的同時,不少學者也開始關注同步電動機的轉矩控制問題[6],針對永磁同步電動機、開關磁阻同步電動機以及電勵磁同步電動機直接轉矩控制提出了許多方案,事實上作為一種電動機控制思想直接轉矩控制可以拓展到各種類型的交流電動機。 

6 參考文獻 
(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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