本期擂台——谈谈你对DTC的认识和看法
直接转矩控制(Direct Torque Control——DTC),国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC,直译为直接自控制,这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制。
关于DTC和矢量控制的区别我在这里就不再详述,总之到处可见对它的赞扬和夸奖。但就我个人所接触的项目而言,几乎全用VF控制和矢量控制,从来没涉及过直接转矩控制。
烦请有用过DTC控制的朋友,以您的项目为依据,谈谈你对直接转矩控制的认识和看法。对于特别优秀者,可以考虑给予50MP的奖励。
希望各位擂友各抒己见,我们支持原创,更支持理论推导。
本期擂台的最晚结贴时间为:2013年8月15日。
奖项设置:特等50MP 1名 一等10MP 1名 二等5MP 2名 鼓励奖若干 各50积分
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直接转矩控制的思想以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是,它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量控制,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的。这种方法不需要复杂的坐标变换,而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小,并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。
直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩,采用定子磁场定向,借助于离散的两点式调节(Band-Band)产生PWM 波信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理,没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即:转矩和磁链脉动。针对其不足之处,现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进,主要体现在以下几个方面:
(1)无速度传感器直接转矩控制系统的研究
在实际应用中,安装速度传感器会增加系统成本,增加了系统的复杂性,降低系统的稳定性和可靠性,此外,速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此,无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向,且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多,常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发,利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统,只要选择适当的参数自适应律,速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。
(2)定子电阻变化的影响
直接转矩最核心的问题之一是定子磁链观测,而定子磁链的观测要用到定子电阻。采用简单的u-i 磁链模型,在中高速区,定子电阻的变化可以忽略不考虑,应用磁链的u-i 磁链模型可以获得令人满意的效果;
但在低速时定子电阻的变化将影响磁通发生畸变,使系统性能变差。因此,如果能够对定子电阻进行在线辨识,就可以从根本上消除定子电阻变化带来的影响。目前,常用的方法有参考模型自适应法、卡尔曼滤波法、神经网络以及模糊理论构造在线观测器的方法对定子电阻进行补偿,研究结果表明,在线辨识是一个有效的方法。
(3)磁链和转矩滞环的改进
传统的直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制,根据滞环输出的结果来确定电压矢量。因为不同的电压矢量对转矩和定子磁链的调节作用不相同,所以只有根据当前转矩和磁链的实时值来合理的选择
电压矢量,才能有可能使转矩和磁链的调节过程达到比较理想的状态。显然,转矩和磁链的偏差区分的越细,电压矢量的选择就越精确,控制性能也就越好。
(4)死区效应的解决
为了避免上下桥臂同时导通造成直流侧短路,有必要引入足够大的互锁延时,结果带来了死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真,于是又产生电流失真,加剧转矩脉动和系统运行不稳定等问题,在低频低压时,问题更严重,还会引起转矩脉动。死区效应的校正,可由补偿电路检测并记录死区时间,进行补偿。这样既增加了成本,又降低了系统的可靠性。可用软件实现的方法,即计算出所有的失真电压,根据电流方向制成补偿电压指令表,再用前向反馈的方式补偿,这种新型方案还消除了零电压箝位现象。除了以上几种最主要的方面外,一些学者还通过其他途径试图提高系统的性能。
直接转矩控制的特征是控制定子磁链,是直接在定子静止坐标系下,以空间矢量概念,通过检测到的定子电压、电流,直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩,获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量变换中的许多复杂计算,它也不需要模仿直流电动机的控制,从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型,而只需关心电磁转矩的大小,因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好,所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型,并方便地估算出同步速度信息,同时也很容易得到转矩模型,磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型,因而能方便地实现无速度传感器控制,如果在系统中再设置转速调节器,即可进一步得到高性能动态转矩控制了。
关于DTC和矢量控制的区别我在这里就不再详述,总之到处可见对它的赞扬和夸奖。但就我个人所接触的项目而言,几乎全用VF控制和矢量控制,从来没涉及过直接转矩控制。
烦请有用过DTC控制的朋友,以您的项目为依据,谈谈你对直接转矩控制的认识和看法。
既然楼主已经这样说了,咱就在这里不过多介绍DTC的控制基本理念、方法,说实话往深了说自己还真不行,像什么求坐标系的磁链,计算反正切函数求得磁链位置,还有分为6个扇区,俺可不是研究生,整不了这么深,只知道个概况
最初接触直接转矩控制时,也有很多疑惑,到底能比矢量控制强多少,不过至今理解也只是建立在理解上,因为个人实在没有实力去做这个实验
对于DTC控制,个人理解有那么几点
1、由于控制理念、方法与传统不同,系统响应快,
2、无速度传感器的测量,但是对于转速和扭矩控制同样很精确
这个矢量控制如果不测速,开环情况下,恐怕精度上会打折扣,但是许多的场合不方便装!
3、在低频、低速的情况下扭矩强劲 如果失量控制低频这块扭矩肯定一般
目前接触的是ABB变频器ACS800,主要是控制高压氧泵,简单介绍一下:
液氧泵是空分装置的关键设备,其特点是低温、高压,在正常工作条件下的操作温约-183℃ 度约-183℃,压缩状态下的最高输出压力 高达16.5兆帕,压缩介质的理化特征具有易高达16.5兆帕,压缩介质的理化特征具有易燃易爆的危险性,液氧泵的安全稳定运行直接关系到企业的生产安全和经济效益。
对于工艺要求:
煤浆设备送出的煤浆经高压煤浆泵加压后, 与高压管道的氧气(纯度不低于99.6%)混合 与空分来的氧气(纯度不低于99.6%)混合进入气化炉,在气化炉内完成高温高压的气化反应过程,生成合成气(主要成分是 CO和H2),送往后续系统。在此工艺中,CO和H2,送往后续系统。在此工艺中, 高压煤浆泵是新型水煤浆加压气化炉工艺系统的关键设备,电机的正常运行,是系统的关键,同时电机运行可靠性直接影响整个气化工艺系统的长周期稳定运行。
简单的说电机不稳定会导致本身空分系统瘫痪,气化炉停产!
ACS800 ABB变频器
现在就是DTC模式运行,如下图
变频器参数
手册
简单介绍一下应用过程
首次运行,除了正常的输入参数还要进行电机辨识,辨识过程是自动的
电机辨识
直接转矩控制需基于在电机启动期间所建立的精确的电机模型。
在首次启动电机时,
会自动进行电机辨识励磁。期间,称为ID MAGN,电机在零速时励磁数秒钟以建立
电机模型。这种辨识方法适用于大多数应用情况。在要求严格的应用场合,还要执行
一次单独的辨识运行。
在电机辨识期间,速度控制器进行自动调节。当然,也可以手动整定控制器的增益、积分时间和微分时间,或让传动单元单独执行一次速度控制器自动整定运行。在自动整定运行中,速度控制器根据负载和电机与机械的转动惯量进行调节。下图显示了在施加阶跃速度给定信号(典型值为1 ~ 20%)时的速度响应。
下图是简化的控制器方框图。该控制器的输出作为转矩控制器的给定信号。
前面已经说过,直接转矩控制无速度传感器,但是同样精确
下表给出了在使用直接转矩控制时的典型的速度控制性能指标。
即使不使用任何来自电机轴上的速度反馈,传动单元也能进行精确的转矩控制。下表
显示了在使用直接转矩控制时的典型的转矩控制性能指标
可能有一些地方理解不到位或错误,欢迎指正!
在直接转矩控制中,电机定子磁链的幅值通过上述电压的矢量控制而保持为额定值,要改变转矩大小,可以通过控制定、转子磁链之间的夹角来实现。而夹角可以通过电压空间矢量的控制来调节。由于转子磁链的转动速度保持不变,因此夹角的调节可以通过调节定子磁链的瞬时转动速度来实现。
假定电机转子逆时针方向旋转,如果实际转矩小于给定值,则选择使定子磁链逆时针方向旋转的电压矢量,这样角度增加,实际转矩增加,一旦实际转矩高与给定值,则选择电压矢量使定子磁链反方向旋转。从而导致角度降低。通过这种方式选择电压矢量,定子磁链一直旋转,且其旋转方向由转矩滞环控制器决定。
直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。滞环比较器的运行原理为:当前值与给定值的误差在滞环比较器的容差范围内时,比较器的输出保持不变,一旦超过这个范围,滞环比较器便给出相应的值。
直接转矩控制原理,给定转速与估计转速相比较,得到给定转矩;经转矩调节器将转矩差做滞环处理得到转矩控制信号;将磁链估计值跟给定磁链相比,经滞环比较器得到磁链控制信号;根据计算的得到的转子位移,划分区段;根据区段,以及转矩和磁链控制信号,结合查找表得出空间矢量,生成PWM波;输出给逆变器,给电机供电。
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