交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方案

1 前言
    隨著現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速性能日益完善，足以和直流調(diào)速媲美，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、國(guó)防和日常生活。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)中主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。直接轉(zhuǎn)矩控制是由德國(guó)的Depenbrock教授于1985年提出的。近年來(lái)，結(jié)合智能控制理論與直接轉(zhuǎn)矩控制理論，提出諸多基于模糊控制和人工工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高其控制性能。目前它已成為各種交流調(diào)速方法中研究最多、應(yīng)用前景最廣的交流調(diào)速方法之一。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理
    直接轉(zhuǎn)矩控制原理是利用測(cè)得的電流和電壓矢量辨識(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值相比較，將其差值輸入兩個(gè)滯環(huán)比較器，然后根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出和磁鏈位置從開(kāi)關(guān)表中選擇合適的電壓矢量，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)矩。其原理框圖如圖1所示。

    交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：

   

    式中：δ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，np為極對(duì)數(shù)。
    轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個(gè)滯后慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)定子磁鏈改變時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈不變。因此，從式(1)知道，如果保持定子磁鏈的幅值恒定，通過(guò)選擇電壓矢量，使定子磁鏈走走停停，改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。從這里看，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵在于如何保持定子磁鏈恒定和改變磁鏈夾角。直接轉(zhuǎn)矩控制自提出以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行不斷改進(jìn)，完善性能。這些方案雖然方法不同、原理各異，但都是期望選取適當(dāng)電壓矢量來(lái)保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動(dòng)。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方案
3．1 改進(jìn)磁鏈辨識(shí)方法
    直接測(cè)量定子磁鏈很麻煩而且成本很高，通常采用一些容易得到的變量(如U、I)來(lái)進(jìn)行估算。常用的模型有U－I，模型、I-n模型和混合U-n模型。U－I模型表達(dá)式如下：

   
    它簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，常用在高速場(chǎng)合，但采用純積分器，因此存在累計(jì)積分誤差、漂移和飽和等問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]給出一種低通濾波器取代純積分器，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，取得較好效果。低速時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。此時(shí)，定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，經(jīng)U－I，模型會(huì)產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用精確辨識(shí)定子電阻來(lái)補(bǔ)償其壓降。當(dāng)定子電阻壓降得到合適的補(bǔ)償，就能有效建立定子磁鏈，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其他還有一些智能技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)也用于辨識(shí)定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識(shí)不精確，產(chǎn)生磁鏈轉(zhuǎn)矩誤差，從而選擇錯(cuò)誤的電壓矢量，最終導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。有時(shí)未采用識(shí)別定子電阻，而是直接對(duì)磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差，這樣就能從DTC開(kāi)關(guān)表選擇正確的電壓矢量來(lái)減小轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，并逐漸減小速度誤差到零。這兩種方法可謂殊途同歸。
3．2 細(xì)分滯環(huán)比較器容差
    Bang－Bang控制是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一。通常磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器由施密特觸發(fā)器構(gòu)成，分別采用兩層和3層結(jié)構(gòu)。由于滯環(huán)控制器固有的特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大，影響其在高精度交流伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]提出采用兩級(jí)容錯(cuò)的滯環(huán)比較器結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器相比，可多輸出8種狀態(tài)，以開(kāi)關(guān)表包含更多的磁鏈和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)信息，更加細(xì)化了系統(tǒng)的運(yùn)行特征，從而增強(qiáng)控制效果。文獻(xiàn)[4]提出采用三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，結(jié)合兩點(diǎn)式磁鏈調(diào)節(jié)器，每個(gè)區(qū)間有4個(gè)工作電壓矢量和2個(gè)零矢量，比傳統(tǒng)方案多2個(gè)工作電壓矢量，以此獲得近圓形的磁鏈。當(dāng)然也可以用PI取代轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器。其控制原理為：根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與電機(jī)模型估計(jì)出轉(zhuǎn)矩之差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)差角速度，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出一個(gè)控制周期內(nèi)定子磁鏈的角度增量。由于當(dāng)前控制周期內(nèi)的磁鏈?zhǔn)噶渴且阎?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的目的。文獻(xiàn)[5]提出注入抖動(dòng)法，在轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)內(nèi)疊加一個(gè)高頻三角波，其幅值和滯環(huán)容差寬度相當(dāng)，根據(jù)反饋值、△ψ和載波比較，根據(jù)差值來(lái)選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?。三角波頻率增大．開(kāi)關(guān)頻率也就得到提高。容差分級(jí)沒(méi)有一個(gè)明確的概念，是一個(gè)模糊量，因此文獻(xiàn)[6]引入模糊控制的概念，用模糊控制器取代滯環(huán)比較器和開(kāi)關(guān)表，通過(guò)區(qū)分不同磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差大小，做出不同決策來(lái)優(yōu)化開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選取，從而改善系統(tǒng)性能。而在采用SVM技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于是根據(jù)每個(gè)控制周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差來(lái)合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環(huán)比較器和開(kāi)關(guān)表(可抽象看成將容差分為無(wú)限細(xì)。 
3．3 增加逆變器輸出狀態(tài)
    在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通常采用三相兩點(diǎn)式逆變器．其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    通過(guò)Sa、Sb、Sc組合操作，共有8種開(kāi)關(guān)模式，對(duì)應(yīng)6個(gè)工作電壓矢量和2個(gè)零矢量。由于工作電壓數(shù)目有限，要想使磁鏈軌跡近似圓形，必然要頻繁切換和引入大量零矢量，這樣會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定，增加定子電流的高次諧波。因此，有很多文獻(xiàn)都對(duì)逆變器進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]提出一種由普通逆變器和Boost電路組成的多電平逆變器，可產(chǎn)生12個(gè)工作電壓矢量。這樣就可以控制磁鏈軌跡為十二邊形或圓形，從而減小磁鏈脈動(dòng)，同時(shí)減小逆變器開(kāi)關(guān)頻率。文獻(xiàn)[8]提出三相IGBT3點(diǎn)式逆變器，能提供19個(gè)工作電壓矢量。還有文獻(xiàn)采用兩個(gè)并聯(lián)連接的逆變器產(chǎn)生18個(gè)工作電壓矢量，但其硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文不做介紹。
3．4 最優(yōu)空間電壓矢量調(diào)制
    改進(jìn)滯環(huán)調(diào)節(jié)器是通過(guò)細(xì)分滯環(huán)容差來(lái)提供更多的選擇開(kāi)關(guān)表機(jī)會(huì)。改進(jìn)逆變器是通過(guò)硬件方式提供更多的空間電壓矢量，但都受硬件結(jié)構(gòu)影響，逆變器提供的電壓矢量畢竟有限。直接轉(zhuǎn)矩控制采用Bang-bang控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，但滯環(huán)比較器使得選擇電壓矢量時(shí)只根據(jù)磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差的方向，而并沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算誤差大小，也沒(méi)有足夠多的電壓矢量以供選擇，這是產(chǎn)生磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的根本原因。因此，如何構(gòu)成任意電壓矢量以及精確估算磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差，并以此來(lái)選擇任意所需電壓矢量是改善直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能的熱點(diǎn)之一。
3．4．1 空間矢量調(diào)制(SVM)
    傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于采用滯環(huán)比較器，只有當(dāng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差達(dá)到一定值時(shí)，逆變器才有新的工作狀態(tài)，且逆變器輸出電壓狀態(tài)有限，必然產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SVM技術(shù)的基本思想是，在每一個(gè)循環(huán)控制周期中，通過(guò)計(jì)算得到一個(gè)能夠恰好補(bǔ)償當(dāng)前定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量，該電壓矢量可以用兩個(gè)相鄰的基本工作電壓矢量和零電壓矢量合成得到。很顯然，基于SVM技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法可以有效地減小輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。
    應(yīng)該說(shuō)，引入先進(jìn)的控制策略都是基于電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)。因?yàn)橹挥羞@樣，系統(tǒng)才能提供先進(jìn)控制策略所需的任意大小和方向的電壓矢量。文獻(xiàn)[9]提出的無(wú)差拍控制，就是通過(guò)求解方程組得到下一控制周期的最優(yōu)電壓矢量。但這種方法存在計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不能保證方程組有解和依賴電機(jī)參數(shù)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出的磁鏈預(yù)測(cè)控制其實(shí)是一種改進(jìn)的無(wú)差拍控制，利用零電壓矢量和非零電壓矢量對(duì)磁鏈不同作用，預(yù)測(cè)下一控制周期使磁鏈誤差最小的電壓作用時(shí)間(非零電壓和零電壓矢量)。
3．4．2 占空比技術(shù)
    若設(shè)定逆變器開(kāi)關(guān)頻率為廠，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，所選空間電壓矢量一直作用于感應(yīng)電機(jī)，磁鏈、轉(zhuǎn)矩都會(huì)朝一個(gè)方向變化。在誤差較小的情況下，所選的電壓矢量在較短的時(shí)間內(nèi)就使轉(zhuǎn)矩達(dá)到參考值，而余下的時(shí)間沒(méi)有發(fā)生逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換．所選擇電壓矢量仍作用于電動(dòng)機(jī)，使轉(zhuǎn)矩繼續(xù)沿原來(lái)方向變化，因而產(chǎn)生較大磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在每個(gè)采樣周期中，輸出電壓矢量只作用該周期的一部分時(shí)間，而剩余時(shí)間選擇零電壓矢量。如何確定每個(gè)采樣周期中輸出工作電壓矢量的作用時(shí)間(即占空比)是占空比控制技術(shù)的核心問(wèn)題。從這方面來(lái)看，占空比技術(shù)是利用所選電壓矢量Vk和零矢量來(lái)合成所需電壓矢量，因此，也是SVM技術(shù)的一個(gè)特例。針對(duì)如何設(shè)置占空比，很多文獻(xiàn)提出了不同的方案，文獻(xiàn)[11]中提出采用模糊控制器確定占空比。
3．4．3 優(yōu)化開(kāi)關(guān)表
    開(kāi)關(guān)表是根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的一些規(guī)則，規(guī)則的優(yōu)化能對(duì)改善控制效果起到一定的作用，但畢竟傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中只有6個(gè)工作電壓和2個(gè)零電壓矢量，開(kāi)關(guān)表改進(jìn)的余地有限。
3．4．4 折角調(diào)制
    六邊形磁鏈軌跡中，諧波分量較大，有文獻(xiàn)提出在正六邊形的每個(gè)頂點(diǎn)的附近分別產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱的折角(缺口)，使其軌跡向圓心靠攏一些，能夠起到了一定的作用。文獻(xiàn)[12]提出對(duì)六邊形磁鏈峰值進(jìn)行折角處理，內(nèi)折邊平行于六邊形相應(yīng)的邊，形成內(nèi)陷十八邊形磁鏈軌跡。

4 結(jié)論
    直接轉(zhuǎn)矩控制自1985年由德國(guó)Denprock提出后，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行不斷改進(jìn)，以其獲得更好的調(diào)速效果。雖然這些改進(jìn)是基于不同的出發(fā)點(diǎn)，但歸根到底是對(duì)磁鏈控制的改進(jìn)。對(duì)這些方案進(jìn)行了大致分類，介紹各種方法的特點(diǎn)與不足。每種方案都使直接轉(zhuǎn)矩控制的性能得到改善，但都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使直接轉(zhuǎn)矩控制失去其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此，如何改善直接轉(zhuǎn)矩控制性能而又不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，是未來(lái)學(xué)者們重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。