一文詳解直接轉(zhuǎn)矩控制策略

　　目前幾種比較常見(jiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略中，對(duì)于中小容量而言，控制方案重點(diǎn)在于進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、磁鏈無(wú)差拍控制和提高載波頻率。對(duì)大容量來(lái)說(shuō)，其區(qū)別在于低速時(shí)采用了間接轉(zhuǎn)矩控制，從而達(dá)到低速時(shí)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。本文首先介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是什么，其次闡述了電機(jī)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制策略，最后對(duì)無(wú)差拍空間矢量調(diào)制方法做了詳細(xì)介紹，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

　　一、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)概述

　　相對(duì)于直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、對(duì)環(huán)境要求低以及節(jié)能和提高生產(chǎn)力等方面具有足夠的優(yōu)勢(shì)，使得交流調(diào)速已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防以及日常生活之中。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論的高速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前在高性能的交流調(diào)速領(lǐng)域主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。1968年Darmstader工科大學(xué)的Hasse博士初步提出了磁場(chǎng)定向控制（Field Orientation）理論，之后在1971年由西門(mén)子公司的F.Blaschke對(duì)此理論進(jìn)行了總結(jié)和實(shí)現(xiàn)，并以專(zhuān)利的形式發(fā)表，逐步完善并形成了現(xiàn)在的各種矢量控制方法。

　　對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，一般文獻(xiàn)認(rèn)為它由德國(guó)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(duì)于磁鏈圓形的直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，其基本思想是在準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)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(guò)控制電機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓來(lái)控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來(lái)改變它對(duì)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(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來(lái)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(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　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(lèi)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(guò)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(guò)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(guò)SPWM方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

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

　　二、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(lái)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(guò)檢測(cè)定子兩相電流、直流母線(xiàn)電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速（在無(wú)速度傳感器DTC中不需要測(cè)速）進(jìn)行定子磁鏈觀(guān)測(cè)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(guò)各自的滯環(huán)相比較，輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增、減信號(hào)，把這兩個(gè)信號(hào)輸入優(yōu)化矢量開(kāi)關(guān)表，再加上定子磁鏈所在的扇區(qū)就得到了滿(mǎn)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(jí)，并且其寬度可變，滯環(huán)寬度越小，開(kāi)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(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)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(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)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。針對(duì)于此，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者提出了各種提高開(kāi)關(guān)頻率、固定開(kāi)關(guān)頻率以及減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，本節(jié)將逐一列出分析比較。

　　三、無(wú)差拍空間矢量調(diào)制方法

　　1、T.G.Habetler的空間矢量調(diào)制方法=

　　把無(wú)差拍方法應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制首先是由美國(guó)人T.G.Habetler提出來(lái)的。這種方法的主要思想是在本次采樣周期得到轉(zhuǎn)矩的給定值與反饋值之差。

　　空間電壓矢量的幅值和相位是任意的，可以通過(guò)相鄰的兩個(gè)基本的電壓矢量合成而得。利用計(jì)算出來(lái)的空間電壓矢量可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩和磁鏈無(wú)差拍的目的。

　　利用Habetler的無(wú)差拍方法，從理論上可以完全使磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差為零，從而消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)DTC的Bang-Bang控制的不足，使電機(jī)可以運(yùn)行于極低速下。另外，通過(guò)無(wú)差拍控制得到的空間電壓矢量可以使開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)于單一矢量大幅提高并且使之固定，這對(duì)于減少電壓諧波和電機(jī)噪聲是很有幫助的。

　　但是，空間電壓矢量作用時(shí)間可能會(huì)大于采樣周期，這說(shuō)明不能同時(shí)滿(mǎn)足磁鏈和轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制。因此作者提出了三個(gè)步驟，首先是否轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足無(wú)差拍，如果不滿(mǎn)足再看是否磁鏈滿(mǎn)足無(wú)差拍，如果還不滿(mǎn)足就按照原有直接轉(zhuǎn)矩控制矢量表來(lái)選取下一周期的單一電壓矢量。因此按照Habetler的無(wú)差拍方法最大的計(jì)算量有四個(gè)步驟，這將耗費(fèi)很大的計(jì)算資源，不易實(shí)現(xiàn)，另外在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性比較大，這將降低控制的魯棒性。

　　2、轉(zhuǎn)矩或磁鏈的預(yù)測(cè)控制方法

　　在T？G？Habetler的無(wú)差拍的直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，由于計(jì)算量很大而不易實(shí)現(xiàn)，因此出現(xiàn)了一系列的簡(jiǎn)化的無(wú)差拍直接轉(zhuǎn)矩控制，比較典型的是轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測(cè)方法。在這種方法中，分析了低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的情況，得出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)鋸齒不對(duì)稱(chēng)的結(jié)論。

　　非零電壓矢量和零電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩變化的作用是不同的，前者可以使轉(zhuǎn)矩上升或下降，而后者總是使轉(zhuǎn)矩下降。另外，在不同的速度范圍內(nèi)二者對(duì)轉(zhuǎn)矩作用產(chǎn)生的變化率也在變化。在轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法中，電壓矢量在空間的位置是固定不變的，合成在兩個(gè)單一電壓矢量的中間，但是電壓矢量不是作用整個(gè)采樣周期，而是有一定的占空比，在一個(gè)采樣周期中可以分為非零電壓矢量和零電壓矢量。如果使下一采樣周期非零電壓矢量和零電壓矢量共同作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化等于本周期計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)矩誤差。

　　將消除轉(zhuǎn)矩誤差，達(dá)到轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制的目的。即使出現(xiàn)計(jì)算出來(lái)的電壓矢量作用時(shí)間超出采樣周期，也可以用滿(mǎn)電壓矢量來(lái)代替，因此是非常易于實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的鋸齒基本上對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)已經(jīng)大為減少。上法認(rèn)為磁鏈被準(zhǔn)確控制或變化緩慢，而沒(méi)有考慮磁鏈的無(wú)差拍控制，在文獻(xiàn)中對(duì)磁鏈也進(jìn)行了預(yù)測(cè)控制，在這中方法中，通過(guò)磁鏈的空間矢量和電壓矢量關(guān)系可近似得到：

　　其中ΔΨS是在電壓矢量作用下的磁鏈幅值改變量，θVΨ是二者的空間角度。設(shè)第k采樣周期的磁鏈誤差為ΔΨSO，那么根據(jù)公式（5），可以得到使第k+1周期磁鏈誤差為零的矢量作用時(shí)間為：。以轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)先為原則，根據(jù)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制計(jì)算出來(lái)的矢量作用時(shí)間和磁鏈預(yù)測(cè)控制計(jì)算出來(lái)的作用時(shí)間可以得到綜合的矢量作用時(shí)間。考慮磁鏈的無(wú)差拍控制之后相對(duì)于單純的轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制效果好，既消除了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又不會(huì)產(chǎn)生磁鏈畸變，并且計(jì)算量不會(huì)太大。除了上述的轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制方法，在文獻(xiàn)中也采用了類(lèi)似的方法，最后的電壓矢量計(jì)算作用時(shí)間也基本相同，此處不詳述。同Habetler的無(wú)差拍方法一樣，預(yù)測(cè)方法也要用到比較多的電機(jī)參數(shù)，如果能在線(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)定子電阻和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，將大大提高控制精度。

　　3、基于檢測(cè)反電勢(shì)的離散時(shí)間直接轉(zhuǎn)矩控制（DTDTC）

　　使用離散時(shí)間的方法進(jìn)行異步電機(jī)的控制在文獻(xiàn)中已經(jīng)有了比較詳細(xì)的介紹，在文獻(xiàn)中，首次把這種方法使用于直接轉(zhuǎn)矩控制，其基本方法如下：對(duì)由電機(jī)的基本電路模型得到的電壓方程和磁鏈方程進(jìn)行離散化如下：

　　a，b的定義對(duì)轉(zhuǎn)矩方程也進(jìn)行離散化，并把方程（7）代入其中，同時(shí)也把方程（7）代入到磁鏈的幅值平方表達(dá)式中去，利用離散的轉(zhuǎn)矩方程和離散的磁鏈幅值平方式可以求解出下一周期的的空間電壓矢量的增量ΔVSx和ΔVSy，代入以下方程可以得到轉(zhuǎn)矩和磁鏈無(wú)差拍控制的電壓矢量，并對(duì)其進(jìn)行了限幅：

　　離散時(shí)間直接轉(zhuǎn)矩控制可以通過(guò)差分方程，把k+1周期的所應(yīng)達(dá)到的轉(zhuǎn)矩和磁鏈遞推出來(lái)，因此可以同時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無(wú)差拍控制，從實(shí)現(xiàn)方式上是很適合于數(shù)字化控制的，另外這種方法主要基于定子側(cè)進(jìn)行控制，所需的電機(jī)參數(shù)只有定子電阻和電感，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性比較好，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是比較好的。但是在這種方法中，需要檢測(cè)電機(jī)的相電壓，這增加的系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，另外，計(jì)算量也比較大。