电气类毕业设计外文翻译---直接转矩控制

附录A:英文参考文献及其翻译

Direct torque control

Direct torque control

(DTC) is one method used in variable frequency drives to control the torque (and thus finally the speed) of three-phaseAC electric motors. This involves calculating an estimate of the motor's magnetic flux and torque based on the measured voltage and current of the motor. Method

Statorflux linkage is estimated by integrating the stator voltages. Torque is estimated as a cross product of estimated stator flux linkagevector and measured motor currentvector. The estimated flux magnitude and torque are then compared with their reference values. If either the estimated flux or torque deviates from the reference more than allowed tolerance, the transistors of the variable frequency drive are turned off and on in such a way that the flux and torque will return in their tolerance bands as fast as possible. Thus direct torque control is one form of the hysteresis or bang-bang control.

This control method implies the following properties of the control:

?Torque and flux can be changed very fast by changing the references

?High efficiency & low losses - switching losses are minimized because the transistors are switched only when it is needed to keep torque and flux within their hysteresis

bands

?The step response has no overshoot

?No coordinate transforms are needed, all calculations are done in stationary coordinate system

?No separate modulator is needed, the hysteresis control defines the switch control signals directly

?There are no PI current controllers. Thus no tuning of the control is required

?The switching frequency of the transistors is not constant. However, by controlling the width of the tolerance bands the average switching frequency can be kept roughly at

its reference value. This also keeps the current and torque ripple small. Thus the

torque and current ripple are of the same magnitude than with vector controlled drives with the same switching frequency.

?Due to the hysteresis control the switching process is random by nature. Thus there are no peaks in the current spectrum. This further means that the audible noise of the

machine is low

?The intermediate DC circuit's voltage variation is automatically taken into account in the algorithm (in voltage integration). Thus no problems exist due to dc voltage ripple (aliasing) or dc voltage transients

?Synchronization to rotating machine is straightforward due to the fast control; Just make the torque reference zero and start the inverter. The flux will be identified by the first current pulse

?Digital control equipment has to be very fast in order to be able to prevent the flux and torque from deviating far from the tolerance bands. Typically the control algorithm

has to be performed with 10 - 30 microseconds or shorter intervals. However, the

amount of calculations required is small due to the simplicity of the algorithm ?The current and voltage measuring devices have to be high quality ones without noise and low-pass filtering, because noise and slow response ruins the hysteresis control ?In higher speeds the method is not sensitive to any motor parameters. However, at low speeds the error in stator resistance used in stator flux estimation becomes critical

The direct torque method performs very well even without speed sensors. However, the flux estimation is usually based on the integration of the motor phase voltages. Due to the inevitable errors in the voltage measurement and stator resistance estimate the integrals tend

to become erroneous at low speed. Thus it is not possible to control the motor if the output frequency of the variable frequency drive is zero. However, by careful design of the control system it is possible to have the minimum frequency in the range 0.5 Hz to 1 Hz that is enough to make possible to start an induction motor with full torque from a standstill situation.

A reversal of the rotation direction is possible too if the speed is passing through the zero range rapidly enough to prevent excessive flux estimate deviation.

If continuous operation at low speeds including zero frequency operation is required, a speed or position sensor can be added to the DTC system. With the sensor, high accuracy of the torque and speed control can be maintained in the whole speed range.

History

Direct torque control was patented by Manfred Depenbrock in U.S. Patent 4,678,248 filed originally on October 20, 1984 in Germany. He called it "Direct Self-Control" (DSC). However, Isao Takahashi and Toshihiko Noguchi presented a similar idea only few months later in a Japanese journal. Thus direct torque control is usually credited to all three gentlemen.

The only difference between DTC and DSC is the shape of the path along which the flux vector is controlled to follow. In DTC the path is a circle and in DSC it was a hexagon. Today DTC uses hexagon flux path only when full voltage is required at high speeds.

Since Depenbrock, Takahashi and Noguchi had proposed direct torque control (DTC) for induction machines in the mid 1980s, this new torque control scheme has gained much momentum. From its introduction, the Direct Torque control or Direct Self Control (DSC) principle has been used for Induction Motor (IM) drives with fast dynamics. Despite its simplicity, DTC is able to produce very fast torque and flux control, if the torque and flux are correctly estimated.

Among the others, DTC/DSC was further studied in Ruhr-University in Bochum, Germany at the end of 80's. A very good treatment of the subject 。

DTC has also been applied to three-phasegrid side converter control (U.S. Patent 5,940,286). Grid side converter is identical in structure to the transistorinverter controlling the machine. Thus it can in addition to rectifying AC to DC also feed back energy from the DC to the AC grid. Further, the waveform of the phase currents is very sinusoidal and power factor can be

adjusted as desired. In the grid side converter DTC version the grid is considered to be a big electric machine (which, actually, there are many in the grid!).

In the late 1990s DTC techniques for the Interior Permanent MagnetSynchronous Machine (IPMSM) appeared.

Further, in the beginning of 2000's DTC was applied to doubly fed machine control (U.S. Patent 6,448,735). Doubly fed generators are today commonly used in wind turbine applications.

During 2000's several papers have been published about DTC. Also several modifications such as space vector modulated DTC that has constant switching frequency, has been presented.

直接转矩控制

直接转矩控制

(DTC)是一种在变频驱动器中用于控制力矩(因而控制最终的速度)的三相交流电动机的一种方法。涉及到计算电动机的磁通和转矩,磁通和转矩以测得的电压和电机电流为基础。

方法

通过定子磁通估计与定子电压相结合。转矩为定子磁链估计矢量的叉积和测量电机电流矢量,估计磁通和转矩的大小,然后比较其参考价值。如果不是从参考更多流量或转矩的估计超过允许公差偏离,变频驱动晶体管处于关闭状态,并以这样一种方式,将磁链和磁通的公差带尽可能快的带回到标准值。因此,直接转矩控制是一种滞后或Bang – Bang的控制形式。

这种控制方法意味着控件的下列属性:

?转矩和磁通是可以通过改变参考值而迅速改变

?高效率,低损失- 损失最小化的开关。因为只有当晶体管需要保持在其滞后带转矩和磁通内的滞后阶段的时候才会被改变

?阶跃响应无超调

?没有变换坐标的需要,所有计算都使用固定坐标系

?不需要单独的调制器,滞后直接控制和定义开关的控制信号

?这里没有PI电流控制器。因此必需的控制是不调整

?晶体管的开关频率是不恒定的。但是通过控制公差带的宽度和平均开关频率可维持其在其参考值。这也保持了当前转矩脉动小。因此,转矩和电流脉动比具有相同的向量控制驱动器的开关频率的幅度相同

?由于滞环控制的开关过程是随机的性质。目前的频谱没有波峰,这进一步意味着机器的声响和噪音低

?中间直流电路的电压变化会自动考虑到在电压积分法(在电压一体化)来解决。

因此直流电压纹波(别名)或直流电压瞬变不存在问题

?同步旋转机由于是直接快速控制,就使转矩参考零启动逆变器。因此磁链将首先确定电流脉冲

?数字控制设备的速度是非常快的,以便能够防止公差带偏离远通量和扭矩。通常情况下,控制算法要进行10 - 30微秒或更短的时间间隔。然而,由于该算法简

单所需的计算量小

?由于噪音和反应迟缓废墟的滞后控制,电流和电压测量装置必须是无噪音和低通滤波高品质的

?任何电机的参数在较高速度的运行下变化不敏感。然而成为在定子磁链估计错误使用低速的关键阻力

直接转矩方法执行得很好,即使没有速度传感器。然而,磁通估计通常是基于电机的相电压的作用。由于在电压测量和定子电阻不可避免的错误估计往往成为低速的主要错误。因此,无法控制电机的变频驱动器的输出频率为0。然而,通过精心设计的控制系统是可能在范围内都在0.5赫兹至1赫兹的最低频率是足以让可能从一开始停滞状况的充分磁通感应电动机运行的。如果速度是通过零到足够快的变化,以防止过度的扭矩估计偏差通过,一种旋转方向逆转是有太多可能的。

如果在包括零频率运行速度低,需要连续作业,速度或位置传感器可以被添加到DTC 系统。随着传感器的转矩和速度控制精度的提高,可以在整个范围内将速度保持下去。

历史

直接转矩控制的专利最初是由在德国曼弗雷德德彭布罗克在1984年10月20号向美国专利局提交的第4678248号专利。他称之为“直接自控制”法(DSC)。然而,高桥和野口在几个月后的日本杂志提出了类似的想法。因此,直接转矩控制通常是记住这三个绅士。。

在DTC和DSC之间的唯一区别沿该磁通矢量控制遵循的路径形状。在DTC的路径是一个循环,在DSC这是一个六边形。今天DTC只有在全电压是在高速行驶才有使用六角通量路径的需要。

由于德彭布罗克,高桥和野口在20世纪80年代中期提出的直接转矩控制的理论,这种新的转矩控制方案使感应电机控制(DTC)获得了巨大的发展。自从它的推出,直接转矩控制或直接转矩控制系统(DSC)的理论已被用于异步电动机(IM)的快速动态驱动器。由于它的简单,如果转矩和磁通的正确估计直接转矩控制能够非常快的产生扭矩和磁链的控制。

在其他人看来接受DTC/DSC进一步研究是在鲁尔的波鸿大学。在80年代底德国在研究这个问题的人都会得到很好的待遇。

DTC也适用于三相电网侧变换器的控制(美国专利5940286),电网侧变换器在晶体管逆变器控制的机器的结构上是相同的。因此,除了可以在整顿交直流反馈也从直流到交流电网的能源。此外,可根据需要调整改变该相电流波形是非常正弦和功率因数。在电网侧变换器DTC的版本的网格被认为是一大电机(其中,其实,有许多在电网侧变换器中!)

出现在20世纪90年代末的DTC的永磁同步电机技术(永磁同步电动机)。

此外,在2000年开始DTC的应用于双馈电机控制(美国专利6448735)。成为双馈发电机的风力涡轮机在今天普遍使用的应用程序。

在2000年的数篇论文已发表过关于接受DTC。DTC也有若干修改,如已提交空间矢量调制直接转矩控制具有恒定开关频率.

附录B:参考文献题录及摘要

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003

摘要:本书在内容上包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。编写思路继承了前两版的特色,理论和实际相结合,应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题,以控制规律为主线,由简入繁、由低及高地循序深入,主要论述了系统的静、动态性能,并发展了实用价值很高的工程设计方法。

[2] 陈伯时.电气传动系统的智能控制[J].电气传动1997(1)

摘要:电气传动系统的智能控制是目前的一个研究热点.本文系统地阐述了这一研究方向所属的基本问题。首先指明在电气传动系统中采用智能控制的意义和方法.进而具体介绍了模糊控制与神经元控制这两种最常见的智能控制方法应用于电气传动系统的特点,并提供了相应的实验结果。在此基础上进一步控讨了智能控制电气传动系统的有关理论问题:系统的稳定性和鲁棒性。

[3] 窦汝振,许镇琳.预测控制在异步电动机直接转矩控制系统中的应用研究[J].电气自动化2001(5)

摘要:本文提出一种模型算法控制(MAC)作为异步电动机直接转矩控制系统的转速环控制器,该方法设计简单、易于实现,进一步有效地降低了该系统对定子电阻参数的依赖,系统具有良好的动、静态特性。

[4]关丽敏异步电动机直接转矩控制系统的设计与仿真研究[D] 辽宁工程技术大学硕士论文,2003

摘要:本论文基于传动的控制方案与新技术,提出了一种新的直接转矩控制方法。由于矢量控制技术中出现的运算复杂、特性易受感应电动机参数的影响和实际运行结果难于达到理论分析的结果等缺点,以及传统的直接转矩控制方法的不足之处,设计了新的直接转矩控制方案。这种方案是应用三值调节器来获得快速的转矩控制,并且采用磁链恒定的控制方法以提高异步电动机的调速性能。

[5] 何志国.交流异步电动机直接转矩系统研究与实践[D].大连理工大学硕士论文,2005 摘要:本文将模糊控制技术和电压空间矢量调制技术相结合应用在传统的直接转矩控制中,进一步提高了系统的性能。本文在分析交流电动机数学模型的基础上,首先介绍了直接转矩控制的原理。然后在传统直接转矩控制中应用模糊控制技术以进一步提高系统在起动和负载阶跃变化时的转矩响应。为方便在数字控制系统中使用此方法,首先通过离线计算得到一个模糊控制表,然后运用查表运算来实现开关状态的选择,从而实现模糊直接转矩控制;由于数字控制系统的滞后性,稳态输出的转矩波动往往超过所设定的容差。为此本文提出了在模糊直接转矩控制中使用电压空间矢量调制技术,从而增加可用电压空间矢量的数量,以优化电压空间矢量的选择。

[6] 韩安太,刘峙飞,黄海.DSP 控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

摘要:为了满足高性能运动控制系统的开发需要,结合工程上的实际应用,奉书介绍了数字信号处理器的发展概况和美国德州仪器(TI)等公司生产的DSP芯片的特点,以及运动控制系统的发展概况,并对现有的系统实现方法作了对比:在此基础上,详细介绍了

TI公司生产的TMS320x24x系列DSP控制器的芯片结构、功能外设、指令系统、集成开发环境和系统开发、调试工具等内容:通过对无刷直流电动机控制器、交流伺服电动机控制器等实现方案的设计思路和程序代码的翔实介绍,对利用x24x系列DSP控制器进行系统开发过程中出现的主要问题及其解决办法进行了总结。

[7] 李华德.交流调速控制技术[M].电子工业出版社,2003

摘要:本书全面、系统、深入地阐述了现代交流电动机调速系统的基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计:方法。本书包括电力拖动计算基础、电动机变频调速的原理、变频器的基本功能和合理使用、高性能变频调速、公众电动机的控制方法,以及电动机控制系统的数字仿真等。全书以异步电动机变频调速为主,着重介绍电力拖动与控制的基础知识,同时适当地加入最新的研究成果。

[8] 李冀昆,高仕斌等.异步电动机直接转矩控制的仿真[J].控制工程,2004(5):194~197 摘要:在研究和分析直接转矩控制原理的基础上,利用图形仿真工具Matlab/simulink完成了直接转矩控制系统的六边形磁链控制方法和近似圆形磁链控制方法的仿真实验。结合直接转矩控制的算法,通过改变控制系统中直接影响电机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环调节器的参数,对仿真结果进行了具体分析。验证了直接转矩控制系统方法的可行性和有效性,并且分析了参数的改变对电机运行性能的影响,同时给出了在基速范围内两种控制方法实现平滑切换的仿真结果。

[9] 李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001

摘要:异步电动机直接转矩控制技术是继矢量变换控制技术之后,于本世纪80年代中发展起来的一种新型的高性能的控制技术。其方案新颖,控制简单,对电动机参数变化不敏感,且某些动静态性能更好。它在交流调速传动技术领域里,是一种很

有发展前途的新技术。本书主要介绍异步电动机直接转矩控制的基本原理、基本组成、数学模型、检测方法、在不同转速范围内控制系统的各种调节方案,以及直接转矩控制的数字化方法。

[10]黎英邵,宗凯.基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机建模与仿真[J].电气传动自动化1999(3)

摘要:从异步电动机的数学模型着手介绍了一种基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机仿真模型,该模型封装后可置入SIMULINK的模型库中,使用时只需调用该模型交置入相应的电机参数即可。最后通过仿真实验验证了模型的正确性。

[11] 孙笑辉,韩曾晋.异步电动机直接转矩控制启动方法仿真研究[J].电气传动2000(1)

摘要:针对直接转矩控制的异步电动机的启动方法,本文提出了串行启动法、并行启动法、混合启动法这3种不同的启动控制策略,仿真研究结果表明,利用混合启动法可以获得比较满意的综合性能指标。

[12] 王伟,金新民,童亦斌.基于空间矢量调制的感应电机直接转矩控制[J].电力机车与城轨车辆,2005,28(4):22

摘要:介绍了一种基于空间矢量调制的感应电机直接转矩控制的新方法,即通过定子磁链偏差与转矩偏差计算出下一个控制周期内需要加在电机定子绕组上的电压,采用空间矢量调制方法得到逆变器的开关控制信号。它具有开关频率恒定,转矩和磁链波动小等

特点。仿真结果验证了所述方法的有效性和正确性。

[13] 王树.交流调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005

摘要:本书从一般调速规律入手,介绍了变频器的原理及结构,较详细地讲解了U/F控制、矢量控制和直接转矩控制三大模式,以使读者了解高性能应用的变频调速原理;从共性角度探讨了变频调速系统的设计规律;最后按负载类型和应用特征分类阐述了变频调控的应用。针对风机和泵类、起重机和提升机以及常见反抗性恒转矩负载,本书分类介绍了节能型应用、位能型负载设计要点及常规变频调速应用规律;针对实践中出错较多的多动机同步运行,介绍了同步类型判据和同步控制手段的分类,以便正确选择同步方案。本书提供了一些工程实例,具体体现了书中讲述的规律,以便读者更好地理解和掌握书中所述内容。

[14] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/SIMULINK 的系统仿真技术与应用[M],清华大学出版社,2002

摘要:基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用》首先介绍了SIMULINK语言的程序设计的基本内容,在此基础上系统介绍了系统仿真所必要的数值计算方法及MATLAB实现,并以SIMULINK为主要工具介绍了系统仿真方法与技巧,包括连续系统、离散系统、随机输入系统和复数系统的仿真,由浅入深介绍了模块封装技术、电力系统模块集、非线性系统设计模块集、s-函数编写与应用、Stateflow有限状态机、虚拟现实工具箱等中高级使用方法,最后还介绍了半实物仿真技术与实时控制技术。

[15] 杨祖泉,姚绪梁,舒小芳.异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究[N].电机与控制学报2004(8)

摘要:介绍了异步电动机直接转矩控制系统的基本组成和工作原理。采用异步电动机α-β坐标系下的磁链和转矩观测模型,按照磁链的圆形与六边形控制方法,基于

MATLAB6.5/SIMULINK5.0构建了直接转矩控制调速系统的仿真模型。提出了一种新的判断磁链运行区间的方法,该方法简单可行、计算量小。

[16] 张俊喜.异步电动机直接转矩控制系统研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文,2007 摘要:异步电动机以其结构简单、制造方便、经济耐用的优点,在工、农、国防等诸多领域得到了广泛应用,其总用电量占全国工业用电量的60%以上。直接转矩控制是上世纪80年代继矢量控制之后的又一新型高性能交流电机控制技术,它直接对电机转矩进行控制,解决了矢量控制计算复杂、特性易受电机参数影响等问题。本论文在掌握直接转矩控制理论的基础上,对异步电动机直接转矩控制系统进行了仿真研究,并对系统软、硬件进行了设计。

[17]祝龙记,王汝琳.采用矢量细分的异步电动机直接转矩控制系统[J].微特电机2004,(4) 摘要:介绍了一种采用矢量细分和SVPWM调制的直接转矩控制方法,实现对电机转矩的控制。将该控制方法应用到异步电动机调速系统,通过系统仿真实验验证,该控制方法的输出转矩脉动小、电流谐波低、开关频率固定,调速系统有着良好的动态性能和调速精度。

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