異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能的優(yōu)化

徐志佳

（貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550005）

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在矢量變換技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種具有優(yōu)越性能的新型交流調(diào)速控制技術(shù)，并逐漸取代了矢量變換技術(shù)在各領(lǐng)域上的重要地位，其設(shè)計(jì)思路是在保證定子磁鏈幅度不變的前提條件下，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)來(lái)改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角大小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。最近幾十年隨著研究的不斷深入，技術(shù)也已經(jīng)不斷成熟起來(lái)，應(yīng)用面也越來(lái)越廣泛，大大提高了系統(tǒng)的性能。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)優(yōu)化研究的背景現(xiàn)狀及目的意義

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)水平都有很大的提升。電氣交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，在各個(gè)領(lǐng)域都有重要的作用，是技術(shù)進(jìn)步的中堅(jiān)力量。電氣調(diào)速技術(shù)分為直流和交流兩種，二者相比較而言，轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)更加困難些。矢量控制理論有效地解決了交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量間的解耦，使交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)有了相同優(yōu)良的性能。隨著研究的不斷深入，研究者又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的學(xué)說(shuō)，這種控制方法不需要對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，省去了矢量變換過(guò)程中的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程，更加簡(jiǎn)便快捷，大大節(jié)省了時(shí)間精力，隨著其不斷地發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制法越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的重視。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)作為一種新方法有著其他方法不可替代的優(yōu)越性，但同樣作為一種新生理論也有著缺陷和不完美。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由于其自身特性對(duì)于獲得良好的低速性能并不是很簡(jiǎn)單，同時(shí)其調(diào)速范圍也受到了一定程度上的限制。由于其有著廣闊的發(fā)展前景，所以吸引著專(zhuān)家學(xué)者不斷地努力研究，盡量改進(jìn)其不足之處，使其為技術(shù)的發(fā)展做出最大的貢獻(xiàn)。雖然當(dāng)前有了較多的研究，但是還只是停留在表面和局部的層面上，取得的成果相對(duì)于最終成果來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，許多工作還有待進(jìn)一步進(jìn)行深入開(kāi)展。并且，現(xiàn)在已經(jīng)有背離研究初衷的情況出現(xiàn)，有些學(xué)者過(guò)分追求系統(tǒng)低速性能的提高，采用了復(fù)雜的理論和思路，并且付出了巨大的心血，但是換來(lái)的僅僅是理論上的提高。應(yīng)該是以保證簡(jiǎn)單方便為前提，進(jìn)而通過(guò)改進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的提高。只有在理論上和實(shí)際上都簡(jiǎn)便的方法才算是有效方法，這也是本文的目的之一。本文的主要目的在于通過(guò)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)如何提高系統(tǒng)性能提幾點(diǎn)建議性要求，使人們對(duì)其有更為詳細(xì)的了解，同時(shí)為問(wèn)題的繼續(xù)深入研究指出較為明確的方向，減少?gòu)澛贰?/p>

2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

與其他控制系統(tǒng)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）直接轉(zhuǎn)矩控制以定子坐標(biāo)系為平臺(tái)，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行直接系統(tǒng)的分析，并對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制操作，同時(shí)放棄運(yùn)用矢量控制系統(tǒng)中的解耦思想。與直流電動(dòng)機(jī)相比較，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更加明顯，處理過(guò)程簡(jiǎn)單方便，既不用將其與直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也不用簡(jiǎn)化解耦過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型，更不需要模擬直流電動(dòng)機(jī)的操作控制。在省去矢量換算的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程的同時(shí)也將控制信號(hào)的處理簡(jiǎn)單化，方便觀察者對(duì)結(jié)果做出準(zhǔn)確判斷。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，僅通過(guò)知道定子電阻的大小就能將其測(cè)算出來(lái)，矢量磁場(chǎng)所需要的數(shù)據(jù)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感，并且磁場(chǎng)定向需要的不是定子磁鏈，而是轉(zhuǎn)子磁鏈，二者有本質(zhì)的區(qū)別。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)系統(tǒng)在數(shù)值測(cè)算過(guò)程中更加簡(jiǎn)單，并且由于變量數(shù)量不同，這樣也減少了實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果受到參數(shù)變化的影響，是結(jié)果更加精確。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)使解析過(guò)程更加生動(dòng)形象，解析結(jié)果也更加簡(jiǎn)單明白。

（3）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩的直接控制和控制效果兩層意思。轉(zhuǎn)矩的直接控制運(yùn)用的是近似圓形磁鏈軌跡的概念，對(duì)結(jié)果的要求也不是過(guò)于苛刻，并沒(méi)有極力要求獲得最合適的正弦電流波形。轉(zhuǎn)矩的直接控制過(guò)程并不是借助控制電流磁鏈等變量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，而是直接控制，而且對(duì)控制結(jié)果也比較注重?？刂菩Ч陌盐眨ㄟ^(guò)將轉(zhuǎn)矩的實(shí)際數(shù)值與給定數(shù)值進(jìn)行對(duì)照，使數(shù)值的上下波動(dòng)波動(dòng)幅值保持在一定的范圍之內(nèi)，控制效果的優(yōu)劣與數(shù)學(xué)模型的是否簡(jiǎn)化關(guān)系不大，而與轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況密切相關(guān)。

總之，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用獨(dú)特的思路使用空間矢量分析的方法，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便了操作過(guò)程，是一種實(shí)用性很強(qiáng)性能優(yōu)良的交流調(diào)速方法。

3 影響直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能的主要因素

影響直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能的因素有許多方面，典型的有以下幾個(gè)方面：

（1）定子磁鏈在觀測(cè)過(guò)程中的誤差對(duì)低速性能的影響

定子磁鏈觀測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確與否直接影響到電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的情況。磁場(chǎng)控制的穩(wěn)定是使調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)高性能的基礎(chǔ)，所以要保證電壓的空間矢量的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)定子磁鏈的設(shè)定值高于測(cè)量值時(shí)，選擇能夠使磁鏈幅值增大的電壓矢量；與此相反，則選擇能夠使幅值減小的電壓矢量。由于直接觀測(cè)的方法在技術(shù)上和細(xì)節(jié)上都有著為數(shù)不少的不足之處，測(cè)量誤差與實(shí)際數(shù)值偏差較大，并且直接測(cè)量難度較大，所以目前大多采用檢測(cè)電流、電壓等容易檢測(cè)的間接檢測(cè)的方法，將檢測(cè)出的數(shù)值，代入異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型公式，從而推算出定子磁鏈的幅值和相位。

異步電機(jī)定子磁鏈觀測(cè)數(shù)值直接關(guān)系到技術(shù)的發(fā)展前景，是保證系統(tǒng)正確運(yùn)行的關(guān)鍵，不論是直接轉(zhuǎn)矩控制還是定子磁場(chǎng)定向控制，都與之密不可分，一旦測(cè)得數(shù)值出現(xiàn)了較大誤差，隨之推算出的其余數(shù)值也會(huì)出現(xiàn)較大誤差，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的功能失靈，后果不堪設(shè)想。

（2）定子電阻對(duì)低速性能的影響

當(dāng)電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行的時(shí)候，定子電阻壓降非常小，可以忽略，但在低速運(yùn)行時(shí)，壓降就會(huì)升高，并且會(huì)影響到運(yùn)行情況，所以不可以忽略不計(jì)。隨著設(shè)備不斷運(yùn)行，會(huì)因摩擦產(chǎn)生熱量，而定子電阻的大小會(huì)隨著溫度產(chǎn)生變化，所以會(huì)導(dǎo)致電壓變化，進(jìn)而造成磁鏈數(shù)據(jù)觀測(cè)不準(zhǔn)確，系統(tǒng)可控制性能下降。設(shè)備運(yùn)行速度越低，對(duì)定子電阻的影響越明顯。

（3）開(kāi)關(guān)頻率對(duì)低速性能的影響

設(shè)備開(kāi)關(guān)的作用是由電壓矢量決定的，磁鏈和轉(zhuǎn)矩決定著電壓矢量的作用時(shí)間，開(kāi)關(guān)的頻率與設(shè)備系統(tǒng)的控制有關(guān)，間接地與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。開(kāi)關(guān)頻率的變化會(huì)造成電流波形的不規(guī)則變化。

（4）磁鏈轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)低速性能的影響

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的出現(xiàn)是由于控制電壓受到采樣周期的影響而出現(xiàn)的規(guī)律性動(dòng)態(tài)變化。采樣周期越小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小；當(dāng)周期固定不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的變化則由負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速所決定，即轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，所以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的狀況直接影響到系統(tǒng)的速度特征。

（5）死區(qū)效應(yīng)對(duì)低速性能的影響

死區(qū)效應(yīng)是指為了防止同一橋臂上的兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通而在基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)上所加的死區(qū)時(shí)間。在低速運(yùn)行時(shí)，死區(qū)時(shí)間在一定周期內(nèi)所占的比例增加，電壓的計(jì)算數(shù)值和實(shí)際數(shù)值相比會(huì)有很大偏差，在設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)得到的偏差小，可以忽略不計(jì)。偏差過(guò)大會(huì)造成設(shè)備系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能的優(yōu)化

針對(duì)以上幾種影響低速性能的因素，提出以下幾點(diǎn)相應(yīng)的措施：

（1）要減少觀測(cè)誤差，首先要保證供給電壓的穩(wěn)定平衡。穩(wěn)定的電壓不僅可以保證磁場(chǎng)控制的穩(wěn)定，還能保證設(shè)備的使用壽命。此外，應(yīng)該不斷地完善直接觀測(cè)的方法和技術(shù)，彌補(bǔ)不足之處，在使用間接檢測(cè)法時(shí)也要注意細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如讀數(shù)、計(jì)算等等，將人為因素引起的誤差的發(fā)生率降到最低點(diǎn)。

（2）減少電阻對(duì)低速性能的影響，最關(guān)鍵的是減少溫度對(duì)電阻的影響。對(duì)于設(shè)備，要進(jìn)行定期維護(hù)，減少摩擦，并做好散熱處理。對(duì)于定子電阻的制作材料，除了要符合設(shè)備要求之外，還應(yīng)該選擇電阻變化受溫度影響較小的材料。提高對(duì)定子電阻的辨識(shí)度，有以下幾種方法可供參考：模型參考自適應(yīng)，Kalman濾波器，最小二乘法，諧波注入法，小波網(wǎng)絡(luò)等等，力求提高定子電阻的辨識(shí)度。

（3）要保證開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定，就要保證磁鏈轉(zhuǎn)矩作用時(shí)間的穩(wěn)定，在控制系統(tǒng)中，保證采樣周期較短，就會(huì)使磁鏈波動(dòng)范圍隨之減小，采樣周期也趨于固定。實(shí)驗(yàn)表明，采樣周期縮短，磁鏈波動(dòng)也會(huì)減小。電流諧波也越小，設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也越好。采用模糊開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器是切實(shí)可行的方法之一，此方法可以加快系統(tǒng)響應(yīng)，增強(qiáng)抗干擾能力，大大提高系統(tǒng)的低速性能。除此之外，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器、學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬度函數(shù)分布也十分可行。

（4）磁鏈脈動(dòng)的調(diào)節(jié)主要是依靠調(diào)節(jié)電壓矢量的調(diào)節(jié)，電壓矢量的調(diào)節(jié)有以下幾種方法：第一種，在保證原有矢量方向不變的前提下，對(duì)電壓矢量絕對(duì)值的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二種，擴(kuò)大電壓的選擇范圍，包括數(shù)值和方向；第三種是采用任意矢量電壓，采用多電平逆變器進(jìn)行。針對(duì)任何改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可以采用轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測(cè)法，通過(guò)此法得到的結(jié)論不僅可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還能削弱電流諧波，降低增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（5）在采用間接檢測(cè)方法時(shí)，死區(qū)效應(yīng)時(shí)間往往會(huì)被忽略，死區(qū)效應(yīng)對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有著重要影響，具體補(bǔ)償方法有：針對(duì)定子的電流型直接補(bǔ)償法、電壓反饋型補(bǔ)償法和通過(guò)直接改裝設(shè)備的補(bǔ)償法等等。通過(guò)補(bǔ)償，可以使檢測(cè)結(jié)果更加精確，進(jìn)而有效提高低速性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，前景寬廣，阻礙其發(fā)展的主要原因是其低速性能不高，研究其因素并采取相應(yīng)措施來(lái)完善對(duì)其未來(lái)的發(fā)展非常有益。本文分析其因素，并提出了相應(yīng)的合理的改進(jìn)措施，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)低速性能的優(yōu)化提供理論研究依據(jù)。

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