永磁無刷直流電機的直接轉矩控制系統(tǒng)

1、永磁無刷直流電機的直接轉矩控制系統(tǒng)本章首先對比分析永磁同步電機直接轉矩控制策略，介紹了永磁無刷直流電機直接轉矩控制的思想、數(shù)學模型和控制系統(tǒng)結構。分析比較兩種電機不同的控制策略，將直接轉矩控制方法應用于永磁無刷直流電機的控制，以期達到抑制轉矩脈動的目的。1 直接轉矩控制的基本思想1985 年，德國魯爾大學教授 Depenbrock 首次提出了直接轉矩控制（ Direct Torque Control，簡稱 DTC）的理論，到 1987 年又推廣到弱磁調速范圍。這種控制方式使定子磁鏈按照正六邊形軌跡運動，由于正六邊形的六條邊分別與 6非零電壓空間矢量相對應，因此可以通過三個施密特觸發(fā)器來簡單切換

2、逆變器的 6個工作狀態(tài)，直接通過6 個非零電壓空間矢量實現(xiàn)磁鏈軌跡跟蹤控制。與其他方式相比，這種控制方式結構簡單，在輸出同頻率時元件開關次數(shù)最少，開關損耗低，因而在要求元件開關頻率不太高的大功率場合得到廣泛的應用。這種技術已成功地應用于兆瓦級交流電氣傳動機車上，如德國的大功率 GTO 電力機車、SIEMENS 公司研制的樣車 EUROSPRINTER 等等。由于在這種方法中定子磁鏈是按照六邊形軌跡運動的，因而電壓、電流波形畸變比較嚴重，低速時轉矩脈動較大，會在一定程度上限制直接轉矩控制的性能發(fā)揮。 直接轉矩的另一種形式是由日本學者 ITakahash 提出的，是一種定子磁鏈運動軌跡近似為圓的控

3、制方案。這種方法通過實現(xiàn)計算電機的轉矩和磁鏈誤差，結合電機定子磁鏈的空間位置來選擇相應的開關矢量。由于磁鏈運動軌跡近似為圓形，因而能在一定程度上減少電壓、電流中的諧波含量，但控制系統(tǒng)顯得更復雜一些，這種控制方式充分發(fā)揮新型電力電子器件（如 IGBT、IPM 等）的開關頻率優(yōu)勢，因此在中小功率場合得到極其廣泛的應用。 和矢量控制思想不同，直接轉矩控制摒棄了解耦思想，取消了旋轉坐標變換，簡單地通過檢測定子電壓和電流，借助瞬時電壓空間矢量調制理論計算電機的轉矩和磁鏈，并根據(jù)與給定值進行比較所得的差值，實現(xiàn)對磁鏈和轉矩的直接控制。因此，該方案一經提出就有很多學者進行了大量的研究論證，并力圖轉為實際應用

4、。直接轉矩控制技術是現(xiàn)代先進的電機控制技術之一，它的優(yōu)異動態(tài)性能以及對電機參數(shù)的魯棒性，引起了國內外電力電子技術界和電機產業(yè)界的熱切關注。 直接轉矩控制方法的基本思路是把電機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系上進行磁鏈、轉矩計算，通過選擇逆變器不同的開關狀態(tài)直接對轉矩進行控制。不同于矢量控制技術，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是直接以轉矩作為被控制量進行控制。因此它并非要極力獲得理想的正弦波波形，也不是專門強調磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉矩角度出發(fā)，強調轉矩的直接控制效果，采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。直接轉矩控制不需要模

5、仿直流電機的控制，也不需要為解禍而簡化交流電機的數(shù)學模型，它只是在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，控制結構簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化。直接轉矩控制中磁場定向采用定子磁鏈，定子磁鏈計算過程中存在的電機參數(shù)只有定子電阻，這是一個比較容易得到的參數(shù);而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，轉子磁鏈計算需要知道電機轉子電阻和電感，而得到這兩個參數(shù)比較復雜、困難。因此，直接轉矩控制對電機參數(shù)的依賴與矢量控制相比要小很多，控制性能，受參數(shù)變化影響也比較小。直接轉矩控制與矢量控制相比，它的主要特點有(1)直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，控制電機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電機和直流電機進

6、行比較、等效和轉化；既不需要模仿直流電機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電機的數(shù)學模型，省掉了復雜的矢量旋轉變換與計算。因此，它所需要的信號處理工作簡單，所用的控制信號易于觀測，能夠對交流電機的物理過程做出直接明確的判斷； (2)直接轉矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，而矢量控制的磁場定向所用的是轉子磁鏈軸（在異步電機中），觀測轉子磁鏈需要知道電機轉子電阻和電感。因此，直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題； (3)直接轉矩控制采用電壓空間矢量的概念來分析三相交流電機的數(shù)學模型和控制各物理量，使得問題更簡單明了； (4)直接轉矩

7、控制強調的是對轉速的直接控制效果，因為無論是直流傳動還是交流傳動，無論電機處于動態(tài)還是穩(wěn)態(tài)，傳動系統(tǒng)的根本問題都是對轉矩的控制。 直接轉矩控制技術經過將近20年的發(fā)展，各方面性能都在不斷提高，并已進入實用階段，國外目前已經成功應用于大功率高速電力機車、地鐵和城市有軌電車的主傳動系統(tǒng)中。例如穿越英吉利海峽的高速列車采用的就是這種控制系統(tǒng)；德國和日本在這方面的研究都居于世界領先地位。當前研究主要側重于以下幾個方面： (1)磁鏈調節(jié)器和轉速調節(jié)器的細化改進；(2)智能開關狀態(tài)選擇器的研究；(3)電壓矢量選擇方式的改進；(4)改善低速性能的研究；(5) 無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)?？傊?，直接轉矩控制

8、的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學技術的進步?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論（如模糊控制和人工神經網(wǎng)絡等）是人們改進 DTC 系統(tǒng)最主要的理論依據(jù)。高性能的數(shù)字處理器 DSP 和眾多新型電力電子器件的出現(xiàn)，則更為改進DTC 系統(tǒng)提供了強大的物質基礎?，F(xiàn)在，人們對 DTC 系統(tǒng)的研究往往還是從改善系統(tǒng)某些性能出發(fā)，對所用的理論思想進行部分的改進，也就是說整個領域的研究還是基本停留在一個局部完善的水平上的，而沒有達到全面提高的層次。因此，追求整體性能最優(yōu)將成為今后直接轉矩控制研究的主要方向。直接轉矩控制（DirectTorqueControlDTC），國外的原文有的也稱為Directself-controlDSC，

9、直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制，其實質是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉矩控制（DirectTorqueControl，DTC）變頻調速，是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。20世紀80年代中期，德國魯爾

10、大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉矩控制方案和圓形直接轉矩控制方案。1987年，直接轉矩控制理論又被推廣到弱磁調速范圍。直接轉矩控制技術用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)（Band-Band）產生PWM波信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電動機的數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉矩控制也具有明顯的缺點即：轉矩和磁鏈脈動。針對其不

11、足之處，現(xiàn)在的直接轉矩控制技術相對于早期的直接轉矩控制技術有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)的研究在實際應用中，安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā)，利用轉子磁鏈方程構造了無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，只要選擇適

12、當?shù)膮?shù)自適應律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。（2）定子電阻變化的影響直接轉矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應用磁鏈的u-i磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠對定子電阻進行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前，常用的方法有參考模型自適應法、卡爾曼濾波法、神經網(wǎng)絡以及模糊理論構造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結果表明，在線辨識是一個有效的方法。（3）磁鏈和轉矩滯環(huán)的改進傳統(tǒng)的直接轉

13、矩控制一般對轉矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉矩和定子磁鏈的調節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉矩和磁鏈的實時值來合理的選擇電壓矢量，才能有可能使轉矩和磁鏈的調節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。（4）死區(qū)效應的解決為了避免上下橋臂同時導通造成直流側短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結果帶來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產生電流失真，加劇轉矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴重，還會引起轉矩脈動。死區(qū)效應的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時

14、間，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性。可用軟件實現(xiàn)的方法，即計算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表，再用前向反饋的方式補償，這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。直接轉矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉矩，獲得轉矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關心電

15、磁轉矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉矩模型，磁鏈模型和轉矩模型就構成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設置轉速調節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉矩控制了。需要說明的是，直接轉矩控制的逆變器采用不同的開關器件，控制方法也有所不同。Depenbrock最初提出的直接自控制理論，主要在高壓、大功率且開關頻率較低的逆變器控制中廣泛應用。目前被應用于通用變頻器的控制方法是一種改進的、適合于高開關頻率逆變器的方法。1995年ABB公司首先推出的ACS600系列直接轉矩控制通用變頻器，動態(tài)轉矩響應速度已達到2ms，在帶速度傳感器PG時的靜態(tài)速度精度達土0.0