直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)詳解

　　繼矢量控制之后，1984年德國魯爾大學(xué)的Depen Brock 又提出了交流電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特點是直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標系下計算并控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通; 采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM） 直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。

　　和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單的通過電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制的特點：

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　?、?a target="_blank">控制系統(tǒng)簡潔明了

　　③動、靜態(tài)性能優(yōu)良

? ?直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)詳解

　　針對其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究

　　在實際應(yīng)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(fù)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(zhuǎn)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(yīng)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(xué)者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當?shù)?a target="_blank">參數(shù)自適應(yīng)律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。

　?。?）定子電阻變化的影響

　　直接轉(zhuǎn)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(yīng)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?qū)Χㄗ与娮柽M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(yīng)法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊理論構(gòu)造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結(jié)果表明，在線辨識是一個有效的方法。

　　（3）磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進

　　傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結(jié)果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉(zhuǎn)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。

　?。?）死區(qū)效應(yīng)的解決

　　為了避免上下橋臂同時導(dǎo)通造成直流側(cè)短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結(jié)果帶來了死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動。死區(qū)效應(yīng)的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性?？捎密浖崿F(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(xué)者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。

　　直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)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(fù)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(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)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(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。

　　需要說明的是，直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器采用不同的開關(guān)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(guān)頻率較低的逆變器控制中廣泛應(yīng)用。目前被應(yīng)用于通用變頻器的控制方法是一種改進的、適合于高開關(guān)頻率逆變器的方法。1995年ABB公司首先推出的ACS600系列直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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0.001%，在不帶速度傳感器PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，同樣可以達到±0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標，如富士公司的FRENIC5000VG7S系列高性能無速度傳感器矢量控制通用變頻器，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制方式還有差別，但它也已做到了速度控制精度±0.005%，速度響應(yīng)100Hz、電流響應(yīng)800Hz和轉(zhuǎn)矩控制精度±3%（帶 PG）。其他公司如日本三菱、日立、芬蘭VASON等最新的系列產(chǎn)品采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計，性能有了進一步提高［3］