直接轉(zhuǎn)矩控制策略

　　對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說，一般文獻(xiàn)認(rèn)為它由德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分別提出的。對于磁鏈圓形的直接轉(zhuǎn)矩控制來說，其基本思想是在準(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。在控制思想上與矢量控制不同的是直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。圖1為典型的圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制框圖

　　事實(shí)上，1977年A·B·Plunkett曾經(jīng)在IEEE的工業(yè)應(yīng)用期刊上提出了類似于目前直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)和思想的直接磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方法，在這種方法中，轉(zhuǎn)矩給定與反饋之差通過PI調(diào)節(jié)得到滑差頻率，此滑差頻率加上電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械速度得到逆變器應(yīng)該輸出的電壓定子頻率;定子磁鏈給定與反饋之差通過積分運(yùn)算得到一個(gè)電壓與頻率之比的量，并使之與定子頻率相乘得到逆變器應(yīng)該輸出的電壓，最后通過SPWM方法對電機(jī)進(jìn)行控制。

　　圖2是直接磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的控制框圖，比較圖1和圖2可以看出兩者都是對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行直接控制，本質(zhì)上都是對瞬時(shí)滑差進(jìn)行了控制，所不同的是前者通過Bang-Bang控制的方法獲得電壓矢量，后者通過PI調(diào)節(jié)的方式獲得電機(jī)輸入控制電壓。

　　圖2 直接磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖

　　直接轉(zhuǎn)矩控制提出來將近有20年了，目前在此基礎(chǔ)上已經(jīng)發(fā)展出來了多種控制策略及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案、磁鏈觀測以及速度辨識的方法，本文將對它們進(jìn)行分類，并作分析和比較。

　　容量的直接轉(zhuǎn)矩控制的低速控制策略

　　直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)初在德國提出來是為了解決大容量的機(jī)車控制的問題，其中最重要的一點(diǎn)就是要降低開關(guān)頻率。目前以GTO作為逆變器的功率器件時(shí)，其開關(guān)頻率一般不超過200Hz，使用IGBT時(shí)，一般也不能超過500Hz。因此以上的各節(jié)所描述的直接轉(zhuǎn)矩控制策略將不適用于大容量的直接轉(zhuǎn)矩控制，否則將造成比較高的開關(guān)頻率。

　　在低速下，如果使用直接轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，首先是采樣周期很小，否則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，而且容易過流。其次是要求圓形磁鏈，否則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大;再次是要使用單一電壓矢量，并且占空比為100％，這樣才能減少至少一半的開關(guān)頻率;最后是轉(zhuǎn)矩和磁鏈要有比較大的滯環(huán)，否則開關(guān)頻率也比較高。

　　但是，如果轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)太大，又會(huì)造成比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此在大容量的調(diào)速中不易使用傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制。目前使用的最成熟的方法是間接轉(zhuǎn)矩控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　圖7 間接轉(zhuǎn)矩控制框圖

　　由圖7可以看出，這種控制方法其實(shí)是在A·B·Plunkett的直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)法上的一種改進(jìn)，其中轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出的是動(dòng)態(tài)滑差在一個(gè)采用周期的積分動(dòng)態(tài)增量ΔXd，而穩(wěn)態(tài)滑差由磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來。動(dòng)態(tài)滑差與電機(jī)機(jī)械角速度之和得到同步角速度，對其在一個(gè)采樣周期進(jìn)行積分就可以得到磁鏈在一個(gè)周期內(nèi)的相位穩(wěn)態(tài)增量ΔX0，使之與動(dòng)態(tài)增量相加可得磁鏈在一個(gè)采樣周期總的相位增量ΔX。磁鏈調(diào)節(jié)器輸出幅值增量kψ，利用相位增量和幅值增量以及電壓方程可以得到控制電機(jī)的空間電壓矢量。

　　從以上分析可以看出間接轉(zhuǎn)矩控制的物理概念是很清晰的。通過計(jì)算磁鏈的幅值增量和相位增量來決定空間電壓矢量，不但可以保證磁鏈軌跡為圓形，而且還對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)。另外，可以象矢量控制那樣通過增大采樣周期來減小開關(guān)頻率而不會(huì)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這主要是因?yàn)榇沛湹姆翟隽亢拖辔辉隽吭谝粋€(gè)采樣周期中是可以準(zhǔn)確計(jì)算出來的。因此間接轉(zhuǎn)矩控制具有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，在大容量的調(diào)速中能大大減小低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，增大調(diào)速范圍。

　　電機(jī)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制策略

　　直接轉(zhuǎn)矩控制是基于靜止坐標(biāo)系 下來進(jìn)行控制的，如圖1所示，在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過檢測定子兩相電流、直流母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速（在無速度傳感器DTC中不需要測速）進(jìn)行定子磁鏈觀測和轉(zhuǎn)矩計(jì)算，使二者分別與定子磁鏈給定和轉(zhuǎn)矩給定相減，其差值又分別通過各自的滯環(huán)相比較，輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增、減信號，把這兩個(gè)信號輸入優(yōu)化矢量開關(guān)表，再加上定子磁鏈所在的扇區(qū)就得到了滿足磁鏈為圓形、轉(zhuǎn)矩輸出跟隨轉(zhuǎn)矩給定的電壓矢量。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)可以設(shè)置多級，并且其寬度可變，滯環(huán)寬度越小，開關(guān)頻率越高，控制越精確。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但它卻是建立在單一矢量、轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)的Bang-Bang控制基礎(chǔ)之上的控制方法，不可避免地造成了低速開關(guān)頻率低、開關(guān)頻率不固定以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，限制了直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)的應(yīng)用。