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)矩控制是由德國的Depenbrock教授于1985年提出的。近年來，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得的電流和電壓矢量辨識定子磁鏈和轉(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為極對數(shù)。

轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個滯后慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)定子磁鏈改變時，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，各國學(xué)者對其進(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)電壓矢量來保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方案

3．1 改進(jìn)磁鏈辨識方法

直接測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：

它簡單易實(shí)現(xiàn)，常用在高速場合，但采用純積分器，因此存在累計(jì)積分誤差、漂移和飽和等問題，文獻(xiàn)[2]給出一種低通濾波器取代純積分器，并對其進(jìn)行補(bǔ)償，取得較好效果。低速時，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動較大。此時，定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，經(jīng)U－I，模型會產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。采用精確辨識定子電阻來補(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)也用于辨識定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識不精確，產(chǎn)生磁鏈轉(zhuǎn)矩誤差，從而選擇錯誤的電壓矢量，最終導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。有時未采用識別定子電阻，而是直接對磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差，這樣就能從DTC開關(guān)表選擇正確的電壓矢量來減小轉(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)矩波動過大，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]提出采用兩級容錯的滯環(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，每個區(qū)間有4個工作電壓矢量和2個零矢量，比傳統(tǒng)方案多2個工作電壓矢量，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浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的目的。文獻(xiàn)[5]提出注入抖動法，在轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)內(nèi)疊加一個高頻三角波，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)差值來選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶俊Ｈ遣l率增大．開關(guān)頻率也就得到提高。容差分級沒有一個明確的概念，是一個模糊量，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)比較器和開關(guān)表，通過區(qū)分不同磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差大小，做出不同決策來優(yōu)化開關(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)每個控制周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差來合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環(huán)比較器和開關(guān)表(可抽象看成將容差分為無限細(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Sa、Sb、Sc組合操作，共有8種開關(guān)模式，對應(yīng)6個工作電壓矢量和2個零矢量。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，這樣會導(dǎo)致開關(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，同時減小逆變器開關(guān)頻率。文獻(xiàn)[8]提出三相IGBT3點(diǎn)式逆變器，能提供19個工作電壓矢量。還有文獻(xiàn)采用兩個并聯(lián)連接的逆變器產(chǎn)生18個工作電壓矢量，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)器是通過細(xì)分滯環(huán)容差來提供更多的選擇開關(guān)表機(jī)會。改進(jìn)逆變器是通過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，簡化了系統(tǒng)，但滯環(huán)比較器使得選擇電壓矢量時只根據(jù)磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差的方向，而并沒有準(zhǔn)確計(jì)算誤差大小，也沒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，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。SVM技術(shù)的基本思想是，在每一個循環(huán)控制周期中，通過計(jì)算得到一個能夠恰好補(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。

應(yīng)該說，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]提出的無差拍控制，就是通過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)算時間過長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)測控制其實(shí)是一種改進(jìn)的無差拍控制，利用零電壓矢量和非零電壓矢量對磁鏈不同作用，預(yù)測下一控制周期使磁鏈誤差最小的電壓作用時間(非零電壓和零電壓矢量)。

3．4．2 占空比技術(shù)

若設(shè)定逆變器開關(guān)頻率為廠，在整個開關(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)矩都會朝一個方向變化。在誤差較小的情況下，所選的電壓矢量在較短的時間內(nèi)就使轉(zhuǎn)矩達(dá)到參考值，而余下的時間沒有發(fā)生逆變器開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換．所選擇電壓矢量仍作用于電動機(jī)，使轉(zhuǎn)矩繼續(xù)沿原來方向變化，因而產(chǎn)生較大磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。在每個采樣周期中，輸出電壓矢量只作用該周期的一部分時間，而剩余時間選擇零電壓矢量。如何確定每個采樣周期中輸出工作電壓矢量的作用時間(即占空比)是占空比控制技術(shù)的核心問題。從這方面來看，占空比技術(shù)是利用所選電壓矢量Vk和零矢量來合成所需電壓矢量，因此，也是SVM技術(shù)的一個特例。針對如何設(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)化開關(guān)表

開關(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個工作電壓和2個零電壓矢量，開關(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頂點(diǎn)的附近分別產(chǎn)生一個對稱的折角(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Denprock提出后，各國學(xué)者對其進(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)，但歸根到底是對磁鏈控制的改進(jìn)。對這些方案進(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，是未來學(xué)者們重點(diǎn)研究的問題之一。