三相永磁同步电机的直接转矩控制(DTC)

本帖最后由 1142781302 于 2020-5-19 21:42 编辑

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1、直接转矩控制的定义
该控制方法的英文名称 Direct Torque Control（简写 DTC），是上世纪 80 年代德国学者 M.Depenbroke 与日本学者 I.Takahashi 提出，主要针对当时的异步电机，DTC 本质是对转矩的直接自控制，随着越来越多学者的进一步研究，大胆提出PMSM用负载角来代替异步电动机的转差，正式开启了 PMSM-DTC 控制理论的研究。DTC 的基本思想：选取定子磁链和电磁转矩为出发点进行双闭环控制，通过实时监测磁链的位置，经滞环比较器确定逆变器的开关状态，对电压输出信号的控制，达到转矩直接控制的目的。
2、DTC控制与FOC控制的比较

FOC和DTC从理论上是相通的, 具有共同的数学模型和理论基础。如果在DTC中能使定子磁链能够连续变化, 则DTC与FOC的控制性能是一样的。而实际的DTC系统中,对定子磁链的控制是通过选择有限的几个离散电压空间矢量来实现的, 这样就难以保证对转矩的精确控制。在FOC中, 正是由于能够保证定子电流矢量的准确和连续变化, 因此定子磁链可以做到连续控制, 因此对转矩的控制是一种连续精确的控制；但是在FOC中, 为了控制定子电流矢量要进行定子电流的坐标变换, 这就增加了FOC实现的复杂性;同时要实现磁场定向, 这也给FOC的实现带来了困难;FOC中转矩调节器的时间常数使得FOC系统速度响较DTC系统慢 。相对FOC系统而言, DTC系统对转矩的控制是通过从离线建立的电压空间矢量表里选择合适的逆变器开关电压矢量来直接控制的, 不需要坐标变换和磁场定向, 转矩调节器采用滞环比较器, 使转矩的控制更为直接, 提高了系统的快速响应能力,但是这些优点是以牺牲转矩控制精度为代价的。
3、永磁同步电机DTC控制的基本原理

在参考文献中杜雪研究生毕业论文中第三章的式(3-5)是永磁同步电机的电磁转矩表达式，从式中可以看出电磁转矩受到定子磁链幅值和转矩角两者的共同影响，然而在实际的情况中，由于机械时间常数远大于电机时间常数，通常在保持定子磁链幅值恒定的条件下通过改变转矩角的大小来控制转矩。对于隐极式永磁同步电机而言，由于有Ld=Lq，其电磁转矩表达式不包含磁阻转矩，转矩角在-90°~90°范围内与电磁转矩呈正比关系，所以可以改变转矩角的大小来控制转矩，而对于凸极式永磁同步电机而言，其电磁转矩表达式包含磁阻转矩部分，为了使电磁转矩与转矩角呈正比关系其给定的定子磁链幅值需满足式(3-10)关系式。以下仅以隐极式永磁同步电机做讨论。
DTC控制的流程：DTC首先对输出电压和输出电流进行检测，计算得到定子磁链，再将其与所得电流值结合计算出电机的瞬时转矩，根据alpha与beta轴定子磁链判断其所在扇区theta，再由速度检测器检测当前速度并进行反馈，经速度环控制器后得到转矩给定值，将转矩给定值与反馈转矩做差后通过滞环比较器得到转矩的控制信号T，定子磁链给定值与磁链的反馈值做差后经滞环比较器后得到相应的控制信号F，最后获得的三个控制信号T,F和theta经过开关表得到合适的开关状态，从而选出合适的空间电压矢量，进而实现控制逆变器驱动永磁同步电机。

4、永磁同步电机DTC控制系统的各个模块
4.1 逆变器模块
逆变器还是传统的三相电压逆变器，一共有六个开关管，三个桥臂；其开关状态可以用Sa，Sb，Sc三个组合表示，Sx=1表示x桥臂的上半部分导通，下半部分关断。
4.2 定子磁链与瞬时转矩计算模块
定子磁链分量与输入电压分量的关系如参考文献中杜雪研究生毕业论文中第三章的式(3-17)，(3-18)所示，可以将输出电流和电压经过坐标变换后得到alpha轴和beta轴的分量后，再由两式计算得到定子磁链，而瞬时转矩可以由Te=1.5*Pn(flux.alpha*I.beta-flux.beta*I.alpha)计算得
4.3 定子磁链扇区的判断
定子磁链的扇区的判断可以通过alpha和beta两轴的分量来判断，杜雪毕业论文中采用的是直接判断定子磁链的夹角来判断，而叶康丰毕业论文中还采用了一种查表的方法来判断磁链的扇区位置，其表为文章的表3-1.
4.4 直接转矩控制开关表的选择
传统的不包含零电压矢量的开关表如杜雪毕业论文中的表3-3，通过T，F和theta三者的组合来选择合适的开关量，其中U1=(100),U2=(110),U3=(010),U4=(011),U5=(001),U6=(101),U7=(000),Us=(111);前六个为非零电压矢量，之间夹角互差60°
4.5 滞环比较器
设置一定的容差值，根据实际值和期望值的差值控制输出，当输入的差值在容差值范围内时，其输出沿用上一次的输出，若输入的差值超过最大容差值时，其输出信号0；若输入的差值小于最小容差值时，其输出信号为1.具体数学函数描述可以见叶康丰毕业论文式(3.5)与(3.6)

5、仿真文件的说明
表贴式PMSM的直接转矩控制(DTC),直接使用滞环控制对转矩和磁链进行控制，相对于传统的FOC控制而言，其不需要进行解耦变换，在此次的仿真实验中有以下几点需要注意：