異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理與展望

異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理與展望

一、引言

電動(dòng)機(jī)調(diào)速是各行各業(yè)中電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的必需環(huán)節(jié)。直流電動(dòng)機(jī)因其磁鏈與轉(zhuǎn)矩電流各自獨(dú)立，不存在耦合關(guān)系，能夠獲得很好的調(diào)速范圍和調(diào)速精度，靜、動(dòng)態(tài)特性均比較好而獲得廣泛應(yīng)用。

交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單卻因其磁鏈與電流強(qiáng)耦合，而且是多變量非線性系統(tǒng)，調(diào)速難度大，長期以來在調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。直到近三十年來，一系列新型的傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)才開始了交流傳動(dòng)的新篇章。

1．交流傳動(dòng)的發(fā)展簡述

首先是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)。由于VVVF系統(tǒng)只是維持電動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁鏈恒定，并沒有解決磁鏈和電流強(qiáng)耦合的問題，其調(diào)速范圍窄，調(diào)速性能也不佳。矢量控制是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法，通過兩次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。但實(shí)際上由于轉(zhuǎn)子磁鏈很難準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響較大，且計(jì)算也比較復(fù)雜。

1985年，德國的和日本的先后提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論。直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下，避開旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，直接控制轉(zhuǎn)子磁鏈，采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈的bang-bang控制，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化而變化的影響，簡化了控制結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對參數(shù)魯棒性好，因而得到廣泛的深入研究和應(yīng)用。

2．矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的簡略對比

控制原理：FOC是在轉(zhuǎn)子磁通坐標(biāo)系中，通過分別控制q軸和d軸定子電流分量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦控制。其實(shí)質(zhì)是通過坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型等效為直流電動(dòng)機(jī)，從而象直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。DTC是在定子坐標(biāo)系下通過檢測電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，采用空間矢量理論計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制。

控制性能：FOC的調(diào)速范圍較寬，調(diào)速精度較高，低速特性連續(xù)，響應(yīng)速度較快，但受參數(shù)變化影響較大，且計(jì)算復(fù)雜，控制相對繁瑣。DTC的調(diào)速范圍較窄，調(diào)速精度也較高，響應(yīng)速度快，低速特性有脈動(dòng)現(xiàn)象，但其不僅計(jì)算簡便，而且控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，動(dòng)靜態(tài)性能均佳，有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電路

直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是在準(zhǔn)確觀測定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過控制電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓來控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來改變它對轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，達(dá)到直接控制電機(jī)輸出的目的。

二、數(shù)學(xué)模型

1．異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型

異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效圖如圖1所示該等效電路是在正交坐標(biāo)系上描述異步電動(dòng)機(jī)的。

其中：US-----定子電壓空間矢量

iS-----定子電流空間矢量

ir-----轉(zhuǎn)子電流空間矢量

ΨU----定子磁鏈空間矢量

Ψr----轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量

ω-----電角速度

則異步電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系上各方程可表示

電壓方程：磁鏈方程：轉(zhuǎn)矩方程：若用轉(zhuǎn)子磁鏈代替定子電流，轉(zhuǎn)矩方程將變成如下形式：或(7)

θ是磁通角，即定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電動(dòng)機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定。如果要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可通過改變磁通角θ來實(shí)現(xiàn)。2．異步電動(dòng)機(jī)磁鏈的數(shù)學(xué)模型目前磁鏈模型主要有三種，分別適用于不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)用。u-i模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上，采用u-i模型，其表達(dá)式為：

從此式可看出，在計(jì)算過程中唯一所需了解的電動(dòng)機(jī)參數(shù)是易于確定的定子電阻。同樣，定子電壓us和轉(zhuǎn)子電流is也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來。計(jì)算出定子磁鏈后，再把定子磁鏈和測量所得的定子電流代入式就可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。此模型中關(guān)鍵是要準(zhǔn)確確定定子磁鏈，即要求定子電壓和定子電阻壓降之間的差值存在且誤差可忽略，而只有在30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)才能達(dá)到這一要求。i-n模型在30%額定轉(zhuǎn)速以下，由于定子頻率很低，電動(dòng)機(jī)端電壓很小，定子電阻RS的變化導(dǎo)致u-i模型中積分項(xiàng)isRS誤差較大，故采用i-n模型，其表達(dá)式為：

在30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計(jì)算。在i-n模型中正是用定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈。該模型在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是合適的。但要注意在使用i-n模型時(shí)要求準(zhǔn)確測量角速度ω，這是因?yàn)榻撬俣鹊臏y量誤差首先引起轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差，再由轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差引起定子磁鏈的誤差，最終引起轉(zhuǎn)矩誤差，故對轉(zhuǎn)速要求有較高精度的測量。

對于u-i模型和i-n模型的應(yīng)用必須有合理的安排，不同的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)采用不同的磁鏈模型。

在高速時(shí)采用u-i模型，因其模型不僅簡單，而且精度也高，受參數(shù)的影響??；在低速時(shí)采用i-n模型，因?yàn)榈退贂r(shí)受定子電阻的影響u-i模型已不能正確工作。

u-n模型

由于在由u-i模型向i-n模型切換時(shí)，快速平滑切換的困難使得這種解決方案產(chǎn)生問題，而u-n模型是一個(gè)在全速范圍都實(shí)用的磁鏈模型。u-n模型綜合了u-i模型和i-n模型的特點(diǎn)，由上面所提到的轉(zhuǎn)子方程式和定子方程式及磁鏈方程式、組成。關(guān)鍵在于使用了電流PI調(diào)節(jié)器，強(qiáng)迫電動(dòng)機(jī)模型電流和實(shí)際的電動(dòng)機(jī)電流相等，同時(shí)精度大大提高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。通過使用u-n模型，解決了u-i模型向i-n模型快速平滑切換問題，并且使電動(dòng)機(jī)在高速時(shí)工作在u-i模型下，低速時(shí)工作在i-n模型下。

圖2直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖

3．直接轉(zhuǎn)矩控制的控制模型及控制原理

綜合上述的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈模型，采用直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思想，可得到直接轉(zhuǎn)矩控制的控制模型。

直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理框圖如下圖所示。

由此圖可看到控制時(shí)需檢測出直流母線電壓和定子電流，再按下式(11)進(jìn)行坐標(biāo)變換到靜止的定子坐標(biāo)系上。

其中：xa，xb，xc是定子相應(yīng)量的瞬時(shí)值，是空間矢量，xα，xβ

是坐標(biāo)系上的兩個(gè)分量。在α，β方向計(jì)算實(shí)際的磁通值和轉(zhuǎn)矩值作為反饋分別與磁通給定構(gòu)成閉環(huán)，同時(shí)還要計(jì)算出磁通所在扇區(qū)位置，最終通過轉(zhuǎn)矩差、磁通差、磁通扇區(qū)，進(jìn)行bang-bang控制，利用逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，通過不斷切換電壓狀態(tài)，即不斷切換電壓空間矢量，使定子磁鏈軌跡接近圓形，并通過零點(diǎn)壓矢量的穿插來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其變化率，從而使異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時(shí)按要求快速變化。

三、直接轉(zhuǎn)矩控制的缺陷及改進(jìn)方案

直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，如計(jì)算簡便，控制結(jié)構(gòu)相對簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，參數(shù)魯棒性好。然而作為一種誕生不久的新理論、新技術(shù)，自然有其不完善不成熟之處，有些問題甚至成為它發(fā)展難以逾越的障礙。

一個(gè)是在低速區(qū)，由于定子電阻的變化帶來了一系列問題。主要是定子電流和磁鏈的畸變非常嚴(yán)重，盡管有前面提到的i-n模型，使其表達(dá)式中不含RS，不受定子電阻的影響，但它受轉(zhuǎn)子電阻Rr、漏電感Lσ、主電感L變化的影響。此外還要求準(zhǔn)確測量ω，ω的測量誤差對i-n模型的影響很大。不過在全速范圍內(nèi)調(diào)速應(yīng)用改進(jìn)方案即u-n模型還是切實(shí)可行的，對此模型前面已有詳細(xì)說明，不再贅敘。

另外低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)頻率問題也比較突出。上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通造成直流側(cè)短路，引入足夠大的互鎖延時(shí)，帶來了死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使得逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇脈動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。改進(jìn)方案主要有三個(gè)使用改進(jìn)的開關(guān)表，改進(jìn)控制參數(shù)與開關(guān)量之間的對應(yīng)關(guān)系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的控制電壓波形。以PWM和SVM技術(shù)實(shí)現(xiàn)DTC固定開關(guān)頻率運(yùn)行方案。引入模糊控制和智能控制，用軟件來解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。磁通軌跡改善。采用矢量細(xì)分法，消除所選矢量在某些區(qū)域的不對稱作用而使磁通的軌跡得到改善，并且在磁通旋轉(zhuǎn)速度上也提高了對稱性，消除了電流的畸變。

四、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)發(fā)展的展望

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應(yīng)用于DTC技術(shù)，為改進(jìn)DTC系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)；同時(shí)高性能的數(shù)字處理器的出現(xiàn)，為改進(jìn)DTC系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。尤其是目前數(shù)字化潮流勢不可擋，各行各業(yè)都向數(shù)字化靠攏。如智能IPM整合了DSP控制器，將電機(jī)控制的大部分電路集成到標(biāo)準(zhǔn)封裝的模塊中，集成了IGBT模塊，IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流反饋、保護(hù)模塊和DSP控制模塊，使得控制結(jié)構(gòu)愈發(fā)簡單，控制性能與控制精度、響應(yīng)速度均得到提高。特別是DSP芯片在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為解決低速區(qū)的問題提供了可能，因?yàn)橹灰獙?shí)現(xiàn)了對定子電阻的準(zhǔn)確辨識，就能從