直接轉(zhuǎn)矩控制鉆機(jī)絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

牛 軍商義葉 趙 磊

（1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250103；2.山東天宇建設(shè)機(jī)械股份有限公司 山東 齊河 251100）

直接轉(zhuǎn)矩控制方法是在1985年由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首次提出并取得實(shí)驗(yàn)成功，它相對(duì)于經(jīng)典的矢量控制有如下的特點(diǎn)：

（1）在定子坐標(biāo)系下分析交流機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要與直流機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化等，省去復(fù)雜的計(jì)算；

（2）以定子磁場(chǎng)定向，只需定子參數(shù)，不需隨轉(zhuǎn)速變化的、難以測(cè)定的轉(zhuǎn)子參數(shù)，大大減少了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；

（3）采用電壓矢量和六邊行磁鏈軌跡，直接控制轉(zhuǎn)矩；

（4）對(duì)轉(zhuǎn)矩、磁鏈都采用兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，把誤差限制在容許范圍內(nèi)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能[1]。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理

直接轉(zhuǎn)矩控制的原理仍是采用空間矢量分析的方法，但由于實(shí)時(shí)電壓、電流和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)經(jīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型算出實(shí)際磁鏈位置，根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)矩大小、負(fù)載變化等）的要求，確定逆變器應(yīng)輸出的電壓狀態(tài)，從而完成對(duì)電機(jī)的控制。

直接轉(zhuǎn)矩（DTC）的控制策略：

式中，2HBψ為磁鏈控制器的總滯環(huán)帶寬。給定磁鏈?zhǔn)噶康膱A形軌跡在滯環(huán)內(nèi)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。實(shí)際的定子磁鏈ψs被控制在滯環(huán)帶內(nèi)并以之字形軌跡跟蹤給定磁鏈。轉(zhuǎn)矩控制環(huán)為三電平輸出，如下式：

磁鏈和轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)根據(jù)電機(jī)端電壓和電流信號(hào)計(jì)算得到，信號(hào)計(jì)算模塊還計(jì)算獲得磁鏈?zhǔn)噶喀譻所在的扇區(qū)數(shù)S（k）。共有6個(gè)扇區(qū)（每個(gè)扇區(qū)占 π/3）。 電壓矢量表模塊接受輸入 Hψ、HTe和 S（k），通過查表方式為逆變器產(chǎn)生適應(yīng)的控制電壓矢量（即控制電力器件的開關(guān)狀態(tài)）。逆變器的8個(gè)電壓矢量（6個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量）和典型的ψs矢量。如果忽略定子電阻Rs，可得下式：開始旋轉(zhuǎn)。通過查表1，可以選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶孔饔糜谙到y(tǒng)，其電壓矢量實(shí)際上同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制。磁鏈軌跡段AB、BC、CD和DE對(duì)應(yīng)的電壓矢量分別為V3、V4、V3和V4。由△ψs導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩增量。值得注意的是，在電壓矢量Vs作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶孔兓煤芸?，而由于存在一個(gè)大時(shí)間常數(shù)Tr，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺卻變化得很緩慢。由于ψr相當(dāng)于被濾波，因此它會(huì)以頻率ωe平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，而定子磁鏈ψs的旋轉(zhuǎn)是不平穩(wěn)的。然而，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩者的平均速度是一樣的。表2中歸納了各個(gè)電壓矢量作用下，定子

上式表明，磁鏈?zhǔn)噶喀譻的增量為電壓矢量Vs與時(shí)間增量△t的乘積，也就是說電機(jī)剛上電時(shí)，在零頻（直流）定子電壓作用下，電機(jī)磁鏈沿著徑向軌跡OA逐漸建立起來。當(dāng)額定磁鏈被建立以后，系統(tǒng)發(fā)出給定轉(zhuǎn)矩命令，并且給定磁鏈?zhǔn)噶看沛満娃D(zhuǎn)矩變化量的大小和方向?？梢?，電壓矢量V1、V2和V6的作用會(huì)使磁鏈增加；而當(dāng)V3、V4和V5作用時(shí)，磁鏈會(huì)減少。同樣地，電壓矢量 V2、V3和 V4作用時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)增加；V1、V5和 V6作用時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)減少。零矢量（V0和V7）使電機(jī)終端短路，此時(shí)保持磁鏈和轉(zhuǎn)矩不變，但是由于存在一定的定子電阻（Rs）壓降，轉(zhuǎn)矩和磁鏈在電機(jī)終端短路時(shí)會(huì)略有減小。

表1 逆變器電壓矢量開關(guān)表

表2 電壓矢量引起的磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化（箭頭變化大小和方向）

例如，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在扇區(qū)S（2）的B點(diǎn)，此時(shí)磁鏈過高，轉(zhuǎn)矩過低，即Hψ=-1，HTe=+1，由此查表1，可知下一步電壓矢量V4將作用于逆變器，即產(chǎn)生軌跡BC段。在點(diǎn)C，Hψ=+1，HTe=+1，又查表可知為電壓矢量V3。依此類推，系統(tǒng)很容易在四個(gè)象限中運(yùn)行。

2 基于DSP絞車交流變頻電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制特別適合全數(shù)字化，對(duì)硬件的處理實(shí)時(shí)性和快速性要求很高。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片以其高速及高性能在自動(dòng)控制和電機(jī)控制領(lǐng)域享有盛名，它快速處理各種復(fù)雜控制規(guī)律，并具有故障診斷、監(jiān)控保護(hù)和控制靈活等功能，為系統(tǒng)可靠性、快速性和實(shí)時(shí)性提供了保證。硬件電路設(shè)計(jì)包括強(qiáng)電和弱電兩部分。強(qiáng)電部分包括：具有能量回饋單元的系統(tǒng)主電路及相應(yīng)電路，電壓、電流采樣電路，以及開關(guān)電源等3部分。強(qiáng)電部分為弱電控制板提供電源，并輸出采樣信號(hào)到弱電控制板。弱電部分為該控制系統(tǒng)提供的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及檢測(cè)采樣，由DTC算法產(chǎn)生PWM信號(hào)傳送到逆變器觸發(fā)端。控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。以上功能由控制軟件實(shí)現(xiàn)，軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序在完成系統(tǒng)初始化設(shè)置后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷發(fā)生。中斷服務(wù)程序要完成：電機(jī)定子電流和電壓的采樣和轉(zhuǎn)換；利用DSP處理速度反饋信號(hào)；根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制算法輸出6路PWM信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

3 小結(jié)

采用定子磁通定向矢量控制策略，該控制策略能夠提供大而平穩(wěn)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；能夠提供精確的轉(zhuǎn)矩控制，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間短；能夠提供精確的速度控制，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小；能夠使鉆機(jī)絞車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工作性能。

［1］李華德，等.交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］王妍.基于DSP的電壓空間矢量法PWM的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2000(4)：98-101.

［3］[美]Bimal K.Bose.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：327-331.