本周擂台:直接转矩控制变频器的讨论
1、概述直接转矩控制变频器的概念及相关特点。如果能简述直接转矩控制方式与V/F控制方式、矢量控制方式的异同点最好。
2、举例说明直接转矩控制变频器的典型应用,能阐明有实际应用就行,如果详细点更好。
3、 针对以上要求,进行详细阐述。最好能有图片说明,如果能以某品牌变频器举例说明更佳。列举得最全的、阐述得最详细的、原创最多的,作为一等奖。
变频擂台每周一期,本期擂台的最晚结贴时间为:2011年2月27日。
奖项设置:一等奖1名:50MP,二等奖5名:10MP,三等奖10名:30积分。
MP介绍:gongkongMP即工控币,是中国工控网的用户积分与回馈系统的一个网络虚拟计价单位,类似于大家熟悉的QB,1个MP=1元人民币。
MP有什么用?兑换服务:以1个MP=1元来置换中国工控网的相关服务。 兑换现金:非积分获得的MP可兑换等值现金(满100MP后、用户可通过用户管理后台申请兑换)。
刚才学习了一下,总结如下:
直接转矩控制与V/F控制、矢量控制一样,都是提升转矩的对策之一,相比与其它两种控制方式,直接转矩控制有以下自身特点:
a)、直接转矩控制属于脉冲调速方式。
b)、脉冲的形成由实测转矩与基准转矩比较而得。
c)、以保持磁通恒定作为辅助控制。
d)、优点
(1)动态响应能力强;
(2)只需一个参数(定子绕组电阻),初次通电就能测定。
e)、缺点
(1)转矩有脉动,低频时较显著。
(2)脉冲频率较低,噪音较大。
实际应用现在好像只有ABB ACS 800系列变频器,没用过ABB的这玩意,有用过的兄弟来说说!
___________________________________________________________________________
无意间发现在论坛在07年早已有这方面的比较探讨帖子:变频器和直接转矩控制方式变频器哪种先进?
直接转矩控制技术定义
直接转矩控制变频调速技术,德语称之为DSR (Direkte Selbstregelung),英语称之为DSC(Direct Self-control),是近 10年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。
直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法,直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band—Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制,由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
直接转矩控制的目标是:通过选择适当的定子电压空间矢量,使定子磁链的运动轨迹为圆形,同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制,其基本原理如图1所示。在图1中,定子磁链和电磁转矩分别采用闭环控制,Ψs*、Tei*分别为定子磁链模值和电磁转矩的给定信号,、分别为定子磁链模值和电磁转矩的估计值,作为反馈信号使用。根据误差信号,转矩调节器输出转矩增、减控制信号CT; 磁链调节器输出磁链增、减控制信号CΨ。开关表根据CΨ、CT以及估计器输出的磁链扇区信号,选择正确的定子电压空间矢量,输出控制字SA,B,C给逆变器。
从图中可以看出,和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单,转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动大,其主要原因是:
(1) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器,不可避免地造成了转矩脉动;
(2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低,导致电磁转矩出现较大的脉动;
(3) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小,开关频率越高转矩脉动越小,反之开关频率越低转矩脉动越大。
直接转矩控制的主要特点
直接转矩控制有以下几个主要特点:
(1)直接转矩控制直接定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化:既不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此,它所需要的信号处理工作特别简单,所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够作出直接和明确的判断。
(2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链,观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大地减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。
(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量,使问题变得特别简单明了。
(4)直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思:
①直接控制转矩;
②对转矩的直接控制。
1)直接控制转矩与著名的矢量控制的方法不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量,直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形,也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反,从控制转矩的角度出发,它强调的是转矩的直接控制效果,因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。
2)对转矩的直接控制在接转矩控制技术对转矩,实行直接控制。其控制方式是,通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较,把转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小,由频率调节器来控制.因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制,也用于磁链量的控制和磁链自控制。但以转矩为中心来进行综合控制。
再找一个关于应用的实例,有兴趣的请参考!
主电路采用三菱公司的智能功率模块ASIPM PS1103X系列中的PS11032,控制电路采用德州仪器公司的C23x系列DSP控制器的TMS320C240。这使得系统硬件极大的简化,减轻了系统的设计工作。该系统功能框图如图1所示。
主电路的设计
变频器主要包括主电路和控制电路两部分电路。主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路以及有关辅助电路组成。本系统中主电路采用了三菱电机公司最新出品的智能功率模块PS11032。
由于PS11032内含的驱动电路设置了最佳的IGBT驱动条件,驱动电路与IGBT间的距离很短,输出阻抗很低,因此,不需要加反向偏压。其中最为方便的是PS11032可以直接与CPU相连,不需要通过隔离电路。PS11032的驱动电路的输入脚通过10k的限流电阻和5.1k的上拉电阻,直接连接到CPU的输出脚上。
控制电路设计
控制电路是变频器电路最重要的部分,控制电路的优劣决定变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是由检测电路得到的各种信号,为变频器主电路提供必要的门级驱动信号,并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。控制电路以TMS320C240DSP为核心,并配置了32k字的程序存储器和8k字的数据存储器。
在系统设计中,C240使用20MHz外部晶振,单周期指令使C240运算能力达20MIPS。C240带有4K字的Flash EEPROM,在外部我们又扩展了32k字的SRAM程序空间和 8k字的 SRAM数据空间。系统程序的编制采用了以功能块为基础的程序组件模块化的方法,这种方法便于按功能自由组合,编写调试都比较方便。主程序在上电开始时对系统进行自检,然后将系统程序从EPROM转移至RAM以利用DSP的快速性,初始化系统参数,其主要负责背景任务,如显示的刷新等,流程图如图2所示。
双A/D转换器与检测电路的连接
TMS320C240配置有两个带采/保的各8路 10位的A/D转换器,可并行处理模拟量,模拟量可包括:反馈的速度、位置、温度传感、电压传感和电流传感信号等。为了保证定子电流检测的精度和速度,我们采用了科海公司的KT系列霍尔传感器,其输出为0~5V的信号,经过仪表放大器AD623调整后,直接连到TMS320C240本身配置的A/D转换器上。逆变器直流电压经电压传感器采样后,由仪表放大器AD623调整后,也直接连到TMS320C240本身配置的AID转换器上。
速度检测电路采用光电编码器,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出信号直接连到TMS32OC240本身配置的正交编码脉冲单元上。两路 A/D转换器各负责两路模拟信号,并预留出接口供系统扩展或升级使用。A/D中断响应子程序轮回采样并将结果读入内存,流程如图3所示。
SPI串口和SCI串口与通信电路
TMS32OC240片内外设还包括一个异步串行通讯口(SCI)和一个同步串行通讯口 (SPI )。SCI口即通用异步收发器(DART),用于与 PC机串口等标准器件通信,可采用RS一232/485协议等,最大波特率625kbpse SPI口可用于同步数据通信,最大波特率 2. 5Mbps,典型应用包括外部 I/0或外设扩展,如移位寄存器、显示驱动、A/D转换器等.SPI 1-1共有3根通信线:串行输入数据线SPISOMI,串行输出数据线SPISIMO和同步时钟线SPICLK,另1根控制线SPISTE是从机选通线。
在系统中,利用 TMS320C240的 SPI串行接Cl扩展了一个串行 EEPROM芯片X25045, X25045可提供512字竹的EEPORM {I]于保存系统设置。同时,使用一片ADM233扩展一个RS232接口,能够与计算机通信,交换数据。
人机界面电路
人机界面电路显示采用了液晶显示器(20字符x2行)。在变频器运行之前显示变频器的设定值:在变频器运行时它是监视器,显示电动机的运行状态,实时显示电动机的基本运行数据,如电动机的电流、电压、变频器的输出频率、转速等;在变频器发生故障时,显示故障的种类、故障时的运行状态等,便于分析故障的原因。
一共有 11个按键,包括功能键和设定键两组。功能键是正转键、复位键、反转键和停止键,用于对变频器发出运转指令。设定键是模式键、编程键、增加键、减少键、左移键、右移键、回车键等。其中模式键用于改变监视模式;编程键用于改变功能模式进入或退出编程状态;增加键和减少键改变设定值大小;左移键和右移键移动光标等;回车键用于进入光标指示项目的设定画面,确定选择等。键盘连接到PI0~PI10扩展信号线上,选通地址为OOOOH。所有的键盘信号线同时也连到一个GAL16V8上,GAL16V8上将所有的信号相与后,输出到 INT3中断管脚。这样任一个按键按下时都产生INT3中断。
矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种,区别是控制算法不同,两者都是以实现高性能转矩控制为目的,在相同转矩控制精度下,两者是相同的。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。
V/F多用在负载转矩变化不大,调速范围不大,对机械特性要求不高的场合,而在转矩变化大,调速范围大,机械特性要求比较高的场合,就要选用矢量控制方式。