直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)概述

1、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)概述作者：同濟大學(xué)電氣工程系袁登科陶生桂王志鵬劉洪1引言交流電機傳動系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是基于定子兩相靜止參考坐標(biāo)系，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，另一方面維持定子磁鏈沿著給定軌跡(預(yù)先設(shè)定的軌跡，如六邊形或圓形等)運動，對交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈直接進(jìn)行閉環(huán)控制。最早提出的 經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)是采用 bang-bang控制器對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩實施砰砰控制，分別將 它們的脈動限制在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。bang-bang調(diào)節(jié)器是進(jìn)行比較與量化的環(huán)節(jié)，當(dāng)實際值超過調(diào)節(jié)范圍的上、下限時，它就產(chǎn)生動作，輸出的數(shù)字控制量就會發(fā)生變 化。然后由該控制量直接決定出電壓型逆變器輸出的

2、電壓空間向量。這種經(jīng)典的直接 轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有：(1) 非常簡單的控制結(jié)構(gòu)；(2) 非?？焖俚膭討B(tài)性能；(3) 無需專門的pwm技術(shù)；(4) 把交流電機與逆變器結(jié)合在一起，對電機的控制最為直接，且能最大限度發(fā)揮逆 變器的能力；(5) 前面敘述的實際被控量必須發(fā)生脈動才能產(chǎn)生合適的數(shù)字控制量，所以它不可避免地存在著一種與其特有的pwm技術(shù)密切相關(guān)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。2傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)方案直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)于上世紀(jì)80年代中期提出，當(dāng)時的控制系統(tǒng)有兩種典型的控制結(jié)構(gòu):德國學(xué)者的直接轉(zhuǎn)矩自控制方案與日本學(xué)者的直接轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制方案。兩者都屬 于直接轉(zhuǎn)矩控制的范圍，但仍有著較大的不同

3、。下面對各種方案進(jìn)行介紹與分析。2.1 德國depenbrock教授的直接自控制(dsc)方案1直接自控制方案是針對大功率交流傳動系統(tǒng)電壓型逆變器驅(qū)動感應(yīng)電機提出來的控制 方案。由于當(dāng)時采用大功率gto半導(dǎo)體開關(guān)器件，考慮到器件本身的開通、關(guān)斷比較慢，還有開關(guān)損耗和散熱等實際問題，gto器件的開關(guān)頻率不能太高。當(dāng)時的開關(guān)頻率要小于1khz，通常只有500600hz。而即便到現(xiàn)在，大功率交流傳動應(yīng)用場合中開關(guān) 頻率也只能有幾khz。在較低的開關(guān)頻率下，直接自控制方案采用的是利用兩點式電壓 型逆變器的六個非零電壓矢量，按照預(yù)先給定的定子磁鏈幅值指令順次切換六個矢 量，從而實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的六邊形定子磁鏈

4、軌跡控制。在定子磁鏈自控制單元的基礎(chǔ)上，通過實時地插入零電壓矢量來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩在合適的范圍內(nèi)一這是轉(zhuǎn)矩自控制單元的功能。在插入零矢量時，合適地交替選擇兩個零電壓矢量可以起到減小gto開關(guān)頻率的作用，如圖1所示。Tmuu圖1德國depenbrock提出的直接自控制方案圖2日本takahashi提出的直接轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制方案六邊形定子磁鏈軌跡運行時，定子磁鏈中含有較多的諧波分量。經(jīng)理論分析可以知 道，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間是一階函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)?shù)退偬貏e是大負(fù)載時，此時的轉(zhuǎn) 子磁鏈不再是圓形，含有較多的諧波分量，使轉(zhuǎn)矩的低頻脈動明顯化。對這種方案的 改進(jìn)可以采用下面幾種：(1) 引入多邊形定子磁鏈軌跡

5、的控制(但開關(guān)頻率會增加),例如通過在合適的位置引 入相應(yīng)折角的方案，就可以顯著減小逆變器直流環(huán)路中電流的6的整數(shù)倍數(shù)次諧波分量1。 從根本上來說，引入占空比的控制，以適當(dāng)調(diào)節(jié)定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的平均角速度，那 么就會顯著減小低速時轉(zhuǎn)矩的脈動。引入采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制（svpwm）的間接定子量控制（isr），可以在系統(tǒng)閉環(huán)控制周期較大的情況下仍有較好的靜動態(tài)性能。2.2 日本學(xué)者takahashi 的dtc方案2該方案是現(xiàn)今研究最多的一種dtc方案，它采用了查詢電壓矢量表的方法來對定子磁鏈和電機轉(zhuǎn)矩同時進(jìn)行調(diào)節(jié)（如圖2所示）:根據(jù)定子磁鏈幅值與電機轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)式bang-bang調(diào)節(jié)器、定子磁鏈?zhǔn)?/p>

6、量空間位置形成查表所需的信息，從電壓矢量表中直接 查出應(yīng)施加的電壓矢量對應(yīng)的開關(guān)信號，以此來控制逆變器。這種方案為了向理想的 圓形磁鏈軌跡靠近，采用了準(zhǔn)圓形定子磁鏈軌跡以保證定子磁鏈幅值基本不變。當(dāng)然 這也就使得開關(guān)頻率有較大增加。這種dtc技術(shù)中不同的電壓矢量表會對交流傳動系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能有很大的影 響。例如選用反轉(zhuǎn)的電壓矢量可以大大加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，可以防止定子磁鏈大幅度的減小即防止消磁的出現(xiàn)，但穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩有較大的脈動，同時開關(guān)頻率也較大。而 不采用反轉(zhuǎn)的電壓矢量就會出現(xiàn)消磁；再者，也會減慢轉(zhuǎn)矩減小時的過渡過程，而其開關(guān)頻率則會低一些。另外，采用不同階數(shù)的滯環(huán)調(diào)節(jié)器、設(shè)置不同的滯環(huán)環(huán)

7、差以及不 同的負(fù)載及電機的速度都會影響逆變器實際的開關(guān)頻率，這也是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的 特點之一。下面對電機的電磁轉(zhuǎn)矩在一個閉環(huán)控制周期內(nèi)的增量進(jìn)行分析。文獻(xiàn)3中給出了類似下式的公式：醛=比屮-g十&甜比嚴(yán)雖,（1己幾-兀聲乙（2= 一兀兀*（3）竝；Im仏葉咬丿上式中餉匚=兌臨怡對：是前一時刻的電機轉(zhuǎn)矩，-0都是電機自身參數(shù)決癥的常數(shù)；J則是敷宇控制系統(tǒng)的閉環(huán)控芾惆期：心無電機轉(zhuǎn)千的電命麓度;幾是定干磁旌矢量也上是轉(zhuǎn)磁誌矢量H是定轉(zhuǎn)予磁糙光豈的夾角：而入妞是施加到電機定子上的電壓矢豊上式中的是前一時刻的電機轉(zhuǎn)矩，入、B都是電機自身參數(shù)決定的常數(shù)；ts則是數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制周期；3 r是電機

8、轉(zhuǎn)子的電角速度；是定子磁鏈?zhǔn)噶?；是轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?B是定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角；而是施加到電機定子上的電壓矢量?？梢钥闯觯篠 te由三部分組成的，第一部分是由當(dāng)前轉(zhuǎn)矩決定的一個負(fù)的增量一它還與 電機本身的一些參數(shù)（如漏磁系數(shù)）等及控制周期等有關(guān)，所以在確定的電機以及選定 好的控制周期下，這一部分增量難以控制；第二部分顯然與控制周期、電機當(dāng)前轉(zhuǎn)矩、電機的速度以及當(dāng)前電機的負(fù)載角決定，它可以幫助我們對傳動系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行分析；第三部分則主要是由定子電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縼頉Q定的。這一項非常重要：對于多數(shù)由電壓型逆變器驅(qū)動的感應(yīng)電機來說，控制的關(guān)鍵問題就是電壓空間矢量的合理選擇。欲對電機的轉(zhuǎn)矩有較好的控制，

9、主要任務(wù)就是要在電機定子上施加合適的o從上述公式中可以對直接轉(zhuǎn)矩控制交流傳動系統(tǒng)中的多數(shù)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。例如，電機 高速工況下要比低速時采用零電壓矢量對轉(zhuǎn)矩減小的效果更好（公式（3）中的負(fù)轉(zhuǎn)矩增量較大些）。傳統(tǒng)dtc方案均是直接利用逆變器本身輸出的電壓矢量，并且選中的電壓矢量將作用 整個控制周期，這也是dtc方案特有的pwm技術(shù)。因此dtc技術(shù)中無需使用其它的 pwm單元，但由于所采用的電壓矢量大小、方向均是固定不變的，因此必然導(dǎo)致很大的轉(zhuǎn) 矩脈動。轉(zhuǎn)矩的脈動只能由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)式bang-bang調(diào)節(jié)器來限制，但由于控制系統(tǒng)的慣性，轉(zhuǎn)矩脈動往往是會超出其預(yù)設(shè)范圍的。3改進(jìn)的dtc控制方案345前面已

10、經(jīng)提及傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)雖然具有簡單的控制結(jié)構(gòu)、快速的動態(tài)性能等優(yōu) 點，但它存在著與其特殊的pwm技術(shù)密切相關(guān)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的脈動，并且在低速時，轉(zhuǎn)矩的脈動相當(dāng)大，甚至有時電機的轉(zhuǎn)速也有較大的波動，降低了傳動系統(tǒng) 低速運行時的穩(wěn)定性。上面的分析也已經(jīng)指出，為改善系統(tǒng)的性能，就要在電機定子上施加方向、幅值可調(diào) 的電壓矢量，因此這也就是本文對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的著眼點。電壓矢 量的調(diào)節(jié)方式暫分為以下三類 ：（1）對電壓矢量幅值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，方向仍然為其固有的六個方向；（2）增加一些較多方向且幅值也可有較多選擇的電壓矢量； 電壓矢量可以取任意的方向和任意的幅值。上述三種方案由前到后

11、，系統(tǒng)的性能可以有更好的改善，但系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與控制算 法的復(fù)雜性也增加一些，并且一般情況下，開關(guān)頻率也隨之增加。第一種方案中，可以引入占空比的控制。簡單的說，即是調(diào)節(jié)某一個電壓矢量在整個控制周期內(nèi)作用的時間分額。在考慮占空比時，又有兩種方案可選：一種是穩(wěn)態(tài)占空比著重考慮電機的速度，同時為了改善動態(tài)性能，又必須考慮到定子磁鏈幅值與其給 定值之間的差值以及轉(zhuǎn)矩實際值與給定值之間的差值等；另一種是瞬態(tài)占空比控制一每個控制周期內(nèi)的占空比均須通過實時計算得到，例如計算出以減小轉(zhuǎn)矩脈動為目的而 需施加的電壓矢量的一個分量，進(jìn)而就可算出占空比。前者基本不改變傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)，但卻可以在低速

12、時極大地減小轉(zhuǎn)矩的脈動；并且選擇好適當(dāng)?shù)恼伎毡?，該系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也基本不會變慢。第二種方案是利用 svpwm技術(shù)將兩電平逆變器與三電平逆變器及多電平逆變器聯(lián)系起 來的一種方案。例如，如將兩電平逆變器原有的電壓矢量僅僅作用半個控制周期，就 相當(dāng)于在整個控制周期內(nèi)作用的是具有原先幅值一半的同向的電壓矢量，如圖3(b)所示。圖3(a)為兩點式逆變器輸出的六個非零電壓矢量，圖3(b)中的六個小矢量就是采用上述方法派生出來的，同樣也可以派生出別的幅值。類似的，采用svpwm技術(shù)可以生成一些具有別的方向上的電壓矢量，如圖3(c)所示。本方案的目的是在采用傳統(tǒng)dtc技術(shù)(bang-bang調(diào)節(jié)器以及電壓矢量

13、開關(guān)表 )基礎(chǔ)上，如何能發(fā)掘兩電平逆變器 (和別的較少電平的逆變器)的能力而提出的。通過上述的合成新型電壓矢量的技術(shù)， 可以派生出如圖3(d)所示的(當(dāng)然可以更多)類似三電平逆變器的電壓矢量圖，這樣就 相當(dāng)于大大擴充了電壓矢量表中供選取的電壓矢量數(shù)目。在低速時，小幅值電壓矢量 在滿足控制需求的前提下，可以大幅度地減小轉(zhuǎn)矩的脈動。故該方案可以比前述方案 取得更好的控制效果。圖3電壓矢量的擴充圖第三種方案使用到任意方向、任意幅值(當(dāng)然是在逆變器的輸出能力范圍內(nèi))的電壓矢量，這就需要使用新型的 svpwm-dtc控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)也稱為間接定子量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)仍然是基于定子兩相靜止坐標(biāo)系，與傳統(tǒng)dt

14、c不同的是，它對定子磁鏈與電機轉(zhuǎn)矩都分別采用經(jīng)典的 pi調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，并由其輸出共同合成電壓矢量的指令 值。這里又有基于定子靜止坐標(biāo)系和基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系等不同的方案。雖然這些方 案的控制結(jié)構(gòu)會復(fù)雜一些，當(dāng)由于運用了較成熟的svpw m技術(shù)，可以使逆變器輸出幅值和方向均可調(diào)的電壓矢量，所以傳動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能會更好一些，基本上可以取得 與矢量控制系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅堋?多電平電壓型逆變器在dtc系統(tǒng)中的應(yīng)用 7多電平由于具有管子耐壓低一些、輸出波形更好等優(yōu)點，所以受到越來越多的注視。 但與此同時，它也存在著管子數(shù)量多、控制更復(fù)雜、潛在的管子直通的類型也更多、 可能性也更大，同時還伴有中點電位偏移

15、等問題，所以在控制中要多加注意。dtc技術(shù)中引入多電平逆變器，自然大大增加了電壓矢量的數(shù)目 使系統(tǒng)控制中的靈活 性大大增加。但同時也必須解決隨之而來的一些問題，例如需解決中點電位偏移、各 電壓矢量之間如何安全過渡等問題。一種較為通用的方法是：把多電平逆變器引入到上述的svpwm-dtc系統(tǒng)中。這樣一方面可以結(jié)合已經(jīng)較為成熟的svpwm技術(shù)，另一方面又可以大大改善dtc系統(tǒng)的性能。5 dtc交流傳動系統(tǒng)設(shè)計的考慮dtc交流傳動系統(tǒng)在應(yīng)用中尚沒有成熟，因而在系統(tǒng)設(shè)計中會遇到許多棘手的問題，下 面略作討論。從公式(1)中都可以看出，較小的控制周期ts可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的更精確的控制。但它不可能無限制地減

16、小。數(shù)字控制系統(tǒng)中數(shù)字控制器的控制周期可以減小到多少， 這主要是由其運算速度以及所需完成的任務(wù)量決定的。另外它也會對逆變器的開關(guān)頻 率有影響。至于逆變器的開關(guān)頻率可以達(dá)到多少，一方面要考慮電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的性能，另一方面還要考慮到開關(guān)損耗、系統(tǒng)的散熱條件等因素。另外傳動系統(tǒng)中電機中電流的諧波會影響其性能及使用壽命，所以設(shè)計中也需要考慮到。因此作為一個設(shè)計者，在設(shè)計一個dtc系統(tǒng)時，需要綜合考慮到上面三個較為一般的要求與下面三個對前述幾個指標(biāo)密切相關(guān)的因素。dtc技術(shù)采用不同的電壓矢量開關(guān)表、不同階數(shù)的以及具有不同滯環(huán)環(huán)差的bang-bang調(diào)節(jié)器等各種條件下，系統(tǒng)的性能都不盡相同。例如轉(zhuǎn)矩的

17、滯環(huán)環(huán)差直接影響逆變器 的開關(guān)頻率，而定子磁鏈的環(huán)差則與電流的諧波分量密切相關(guān)。文章的前部分也提到 不同的開關(guān)表對系統(tǒng)的靜動態(tài)性能以及逆變器的開關(guān)頻率都有影響。例如當(dāng)整個系統(tǒng)的硬件設(shè)備都已經(jīng)確定下來時，那么在硬件允許下，控制周期較小 些，有利于提高系統(tǒng)的性能。同時依據(jù)傳動系統(tǒng)對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能要求來選擇合 適的電壓矢量表以及轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈各自的誤差帶。若傳統(tǒng)dtc的某些性能達(dá)不到系統(tǒng)綜合性能的要求，那就可以嘗試設(shè)計文章后半部分提到的改進(jìn)型的dtc系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 m. depe nbrock. direct self-c on trol (dsc) of in verter-fed in d

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