交流电机直接转矩控制基本原理和改进方案详解
1 前言
随着现代电力电子、微电子技术和控制理论的发展，交流调速性能日益完善，足以和直流调速媲美，广泛应用于工农业生产、交通、国防和日常生活。高性能的交流调速系统中主要有矢量控制和直接转矩控制两种。直接转矩控制是由德国的Depenbrock教授于1985年提出的。近年来，结合智能控制理论与直接转矩控制理论，提出诸多基于模糊控制和人工工神经网络的直接转矩控制系统，进一步提高其控制性能。目前它已成为各种交流调速方法中研究最多、应用前景最广的交流调速方法之一。
2 直接转矩控制基本原理
直接转矩控制原理是利用测得的电流和电压矢量辨识定子磁链和转矩，并与磁链和转矩给定值相比较，将其差值输入两个滞环比较器，然后根据滞环比较器的输出和磁链位置从开关表中选择合适的电压矢量，进而控制转矩。其原理框图如图1所示。
交流电机的转矩表达式如下：
式中：δ为定、转子磁链夹角，np为极对数。
转子磁链和定子磁链之间存在一个滞后惯性环节，当定子磁链改变时，认为转子磁链不变。因此，从式(1)知道，如果保持定子磁链的幅值恒定，通过选择电压矢量，使定子磁链走走停停，改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变定、转子磁链夹角，就能够实现对转矩的控制。从这里看，直接转矩控制的关键在于如何保持定子磁链恒定和改变磁链夹角。直接转矩控制自提出以来，各国学者对其进行不断改进，完善性能。这些方案虽然方法不同、原理各异，但都是期望选取适当电压矢量来保证磁链的圆形轨迹，从而减小脉动。
3 直接转矩控制改进方案
3．1 改进磁链辨识方法
直接测量定子磁链很麻烦而且成本很高，通常采用一些容易得到的变量(如U、I)来进行估算。常用的模型有U－I，模型、I-n模型和混合U-n模型。U－I模型表达式如下：
它简单易实现，常用在高速场合，但采用纯积分器，因此存在累计积分误差、漂移和饱和等问题，文献[2]给出一种低通滤波器取代纯积分器，并对其进行补偿，取得较好效果。低速时，直接转矩控制系统中磁链、转矩脉动较大。此时，定子电阻压降所占比例增大，不能忽略，经U－I，模型会产生误差，从而导致磁链和转矩脉动。采用精确辨识定子电阻来补偿其压降。当定子电阻压降得到合适的补偿，就能有效建立定子磁链，从而产生电磁转矩。其他还有一些智能技术，如神经网络、模糊技术也用于辨识定子电阻，具有良好效果。磁链辨识不精确，产生磁链转矩误差，从而选择错误的电压矢量，最终导致磁链和转矩脉动。有时未采用识别定子电阻，而是直接对磁链进行补偿以减小误差，这样就能从DTC开关表选择正确的电压矢量来减小转矩和定子磁链的误差，并逐渐减小速度误差到零。这两种方法可谓殊途同归。
3．2 细分滞环比较器容差
Bang－Bang控制是直接转矩控制系统的重要特点之一。通常磁链、转矩滞环比较器由施密特触发器构成，分别采用两层和3层结构。由于滞环控制器固有的特性，导致转矩波动过大，影响其在高精度交流伺服控制系统中的应用。文献[3]提出采用两级容错的滞环比较器结构，它与传统的调节器相比，可多输出8种状态，以开关表包含更多的磁链和转矩状态信息，更加细化了系统的运行特征，从而增强控制效果。文献[4]提出采用三点式转矩调节器，结合两点式磁链调节器，每个区间有4个工作电压矢量和2个零矢量，比传统方案多2个工作电压矢量，以此获得近圆形的磁链。当然也可以用PI取代转矩滞环控制器。其控制原理为：根据给定转矩与电机模型估计出转矩之差，经PI调节后得到电机的转差角速度，结合电机转速计算出一个控制周期内定子磁链的角度增量。由于当前控制周期内的磁链矢量是已知量，从而实现对电机转矩和磁链控制的目的。文献[5]提出注入抖动法，在转矩和磁链滞环内叠加一个高频三角波，其幅值和滞环容差宽度相当，根据反馈值、△ψ和载波比较，根据差值来选择适当的电压矢量。三角波频率增大．开关频率也就得到提高。容差分级没有一个明确的概念，是一个模糊量，因此文献[6]引入模糊控制的概念，用模糊控制器取代滞环比较器和开关表，通过区分不同磁链误差和转矩误差大小，做出不同决策来优化开关状态的选取，从而改善系统性能。而在采用SVM技术的直接转矩控制系统中，由于是根据每个控制周期的磁链和转矩偏差来合成电压空间矢量，因此不再需要滞环比较器和开关表(可抽象看成将容差分为无限细。
3．3 增加逆变器输出状态
在传统的直接转矩控制系统中，通常采用三相两点式逆变器．其结构如图2所示。
通过Sa、Sb、Sc组合操作，共有8种开关模式，对应6个工作电压矢量和2个零矢量。由于工作电压数目有限，要想使磁链轨迹近似圆形，必然要频繁切换和引入大量零矢量，这样会导致开关频率不稳定，增加定子电流的高次谐波。因此，有很多文献都对逆变器进行改进。文献[7]提出一种由普通逆变器和Boost电路组成的多电平逆变器，可产生12个工作电压矢量。这样就可以控制磁链轨迹为十二边形或圆形，从而减小磁链脉动，同时减小逆变器开关频率。文献[8]提出三相IGBT3点式逆变器，能提供19个工作电压矢量。还有文献采用两个并联连接的逆变器产生18个工作电压矢量，但其硬件结构复杂，本文不做介绍。
3．4 最优空间电压矢量调制
改进滞环调节器是通过细分滞环容差来提供更多的选择开关表机会。改进逆变器是通过硬件方式提供更多的空间电压矢量，但都受硬件结构影响，逆变器提供的电压矢量毕竟有限。直接转矩控制采用Bang-bang控制，简化了系统，但滞环比较器使得选择电压矢量时只根据磁链、转矩误差的方向，而并没有准确计算误差大小，也没有足够多的电压矢量以供选择，这是产生磁链、转矩脉动的根本原因。因此，如何构成任意电压矢量以及精确估算磁链、转矩误差，并以此来选择任意所需电压矢量是改善直接转矩控制低速性能的热点之一。
3．4．1 空间矢量调制(SVM)
传统直接转矩控制中，由于采用滞环比较器，只有当磁链和转矩误差达到一定值时，逆变器才有新的工作状态，且逆变器输出电压状态有限，必然产生较大的转矩脉动。SVM技术的基本思想是，在每一个循环控制周期中，通过计算得到一个能够恰好补偿当前定子磁链和转矩误差的电压矢量，该电压矢量可以用两个相邻的基本工作电压矢量和零电压矢量合成得到。很显然，基于SVM技术的直接转矩控制算法可以有效地减小输出转矩的波动。
应该说，引入先进的控制策略都是基于电压空间矢量调制技术。因为只有这样，系统才能提供先进控制策略所需的任意大小和方向的电压矢量。文献[9]提出的无差拍控制，就是通过求解方程组得到下一控制周期的最优电压矢量。但这种方法存在计算时间过长不能保证方程组有解和依赖电机参数的缺点。文献[10]提出的磁链预测控制其实是一种改进的无差拍控制，利用零电压矢量和非零电压矢量对磁链不同作用，预测下一控制周期使磁链误差最小的电压作用时间(非零电压和零电压矢量)。
3．4．2 占空比技术
若设定逆变器开关频率为厂，在整个开关周期内，所选空间电压矢量一直作用于感应电机，磁链、转矩都会朝一个方向变化。在误差较小的情况下，所选的电压矢量在较短的时间内就使转矩达到参考值，而余下的时间没有发生逆变器开关状态转换．所选择电压矢量仍作用于电动机，使转矩继续沿原来方向变化，因而产生较大磁链和转矩脉动。在每个采样周期中，输出电压矢量只作用该周期的一部分时间，而剩余时间选择零电压矢量。如何确定每个采样周期中输出工作电压矢量的作用时间(即占空比)是占空比控制技术的核心问题。从这方面来看，占空比技术是利用所选电压矢量Vk和零矢量来合成所需电压矢量，因此，也是SVM技术的一个特例。针对如何设置占空比，很多文献提出了不同的方案，文献[11]中提出采用模糊控制器确定占空比。
3．4．3 优化开关表
开关表是根据系统预先设置好的一些规则，规则的优化能对改善控制效果起到一定的作用，但毕竟传统直接转矩控制中只有6个工作电压和2个零电压矢量，开关表改进的余地有限。
3．4．4 折角调制
六边形磁链轨迹中，谐波分量较大，有文献提出在正六边形的每个顶点的附近分别产生一个对称的折角(缺口)，使其轨迹向圆心靠拢一些，能够起到了一定的作用。文献[12]提出对六边形磁链峰值进行折角处理，内折边平行于六边形相应的边，形成内陷十八边形磁链轨迹。
4 结论
直接转矩控制自1985年由德国Denprock提出后，各国学者对其进行不断改进，以其获得更好的调速效果。虽然这些改进是基于不同的出发点，但归根到底是对磁链控制的改进。对这些方案进行了大致分类，介绍各种方法的特点与不足。每种方案都使直接转矩控制的性能得到改善，但都增加了系统的复杂程度，使直接转矩控制失去其结构简单的优点。因此，如何改善直接转矩控制性能而又不增加系统的复杂度，是未来学者们重点研究的问题之一。
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