淺析異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

宋曉君 楊海蛟

（哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

0 前言

基于交流調(diào)速具有顯著的優(yōu)越性，以電力電子器件及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展為支撐，20世紀(jì)90年代以來，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前廣泛研究應(yīng)用的調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。相比于其他變頻調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能更好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢。該文就異步電動(dòng)機(jī)的直流轉(zhuǎn)矩控制做了簡要分析。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的應(yīng)用背景及發(fā)展現(xiàn)狀

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期誕生的，美國學(xué)者A．B．Plunkett 1977年在IEEE雜志上首次提出，德國魯爾大學(xué)的德彭伯羅克教授于1985年第一次進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。該技術(shù)的提出較大程度地解決了矢量控制等技術(shù)存在的問題，如計(jì)算量較大、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。但是傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制也存在低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等缺陷，隨著技術(shù)的發(fā)展，新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)技術(shù)存在的問題得以不斷改善。

當(dāng)前，日、美、德等國家都致力于該技術(shù)的開發(fā)，其趨勢不斷向最優(yōu)的全數(shù)字化發(fā)展。如直接轉(zhuǎn)矩控制中引入DSP芯片，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、快速性以及數(shù)字控制功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)視、診斷和保護(hù)等。再如，將現(xiàn)代控制理論的多種控制策略如非線性控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制中，彌補(bǔ)其固有的一些缺陷，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和魯棒性能等。

目前，主要的新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有3種。1）直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制。該技術(shù)是一種離散化的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得出轉(zhuǎn)矩偏差與電動(dòng)機(jī)各物理量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可消除定子磁鏈模值以及電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)、靜態(tài)誤差。從技術(shù)上，該系統(tǒng)逆變器的開關(guān)頻率得以提高并保持穩(wěn)定，無滯環(huán)比較器，電壓諧波減少，電機(jī)的低速性能提高，缺點(diǎn)是該技術(shù)依賴電機(jī)參數(shù)，計(jì)算量較大，算法實(shí)現(xiàn)難度高[1]。2）直接解耦控制（DDC）。有2種方法，一種含有PI調(diào)節(jié)器即PI-DDC，該法消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能力強(qiáng)，動(dòng)、靜態(tài)特性較好，縱使轉(zhuǎn)速極低（5rad/sec），轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也很小，主要問題是計(jì)算量比較大，因?yàn)樵摲ㄐ柰瑫r(shí)估計(jì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈；另一種就是預(yù)測直接解耦控制即P-DDC。3）轉(zhuǎn)矩（磁鏈）跟蹤預(yù)測控制。

該方法依照異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過預(yù)測跟蹤控制方法來控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，忽略對磁鏈模值控制的關(guān)注，控制算法的計(jì)算量沒有變化，卻能很好地消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，磁鏈也不會(huì)畸變。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)框圖

2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制原理

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思路

要想實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，關(guān)鍵是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制是通過改變磁通角來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由電壓空間矢量表、逆變器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、扇區(qū)判斷模塊、電動(dòng)機(jī)等組成。異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制主要通過選用不同的電壓空間矢量來實(shí)現(xiàn)，該矢量的選擇通過綜合磁鏈控制信號、磁鏈所在扇區(qū)號以及轉(zhuǎn)矩控制信號等來獲取。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

定子電動(dòng)勢在α-β坐標(biāo)系上的分量esα、esβ輸入到磁鏈模型單元AMM中，得到定子磁鏈在α-β坐標(biāo)系上的分量ψsα、ψsβ磁鏈模型由下式求得：

式中：

esα—定子電動(dòng)勢在α坐標(biāo)軸上的分量。

esβ—定子電動(dòng)勢在β坐標(biāo)軸上的分量。

usα—定子電動(dòng)勢在α坐標(biāo)軸上的分量。

usβ—定子電動(dòng)勢在β坐標(biāo)軸上的分量。

isα—α-β坐標(biāo)系上的α軸定子電流分量。

isβ— α-β坐標(biāo)系上的β軸定子電流分量。

Rs—電機(jī)的定子電阻。

對三相定子電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換可得到 usα、usβ，isα、isβ可據(jù)同法得到[1]。

對坐標(biāo)變換單元 UCT 坐標(biāo)變換后得到 ψβA、ψβB、ψβC。其輸入與輸出間關(guān)系為：

式中：ψsα—定子磁鏈在α坐標(biāo)軸上的分量。ψsβ—定子磁鏈在β坐標(biāo)軸上的分量。

ψβA、ψβB、ψβC定子磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換單元 UCT 坐標(biāo)變換后的三相分量[2]。

“磁鏈自控制”單元DMC的作用是輸出三相電壓開關(guān)量信號。該信號是通過將三相分量ψβA、ψβB、ψβC與磁鏈給定值ψsg在相比較進(jìn)而得到3個(gè)開關(guān)量信息而生成的。

要想實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，需要控制定子磁鏈平均運(yùn)動(dòng)速度，該速度控制需要零狀態(tài)選擇單元AZS輸出的零狀態(tài)電壓信號來實(shí)現(xiàn)，而該信號由轉(zhuǎn)矩控制器ATR的輸出“TQ”通過控制開關(guān)S來提供的，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，能將容差控制在±εm范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元AMC 的輸入為isα、isβ和AMM 的輸出 ψsα、ψsβ，該單元可通過計(jì)算得出轉(zhuǎn)矩實(shí)際值。

2.3 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本組成

異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要是由異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型（包括磁鏈及轉(zhuǎn)矩模型）、開關(guān)信號選擇（綜合其他環(huán)節(jié)信號，形成電壓開關(guān)信號，以正確選擇電壓空間矢量）、磁鏈自控制（形成六邊形磁鏈）、磁鏈調(diào)節(jié)（控制磁鏈幅值）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)等幾部分組成的，現(xiàn)針對磁鏈自控制器及轉(zhuǎn)矩控制做分析。

2.3.1 磁鏈自控制器

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通過閉環(huán)控制對磁鏈進(jìn)行控制，磁鏈滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)該功能，將定子磁鏈給定值ψsg與定子磁鏈ψs的測量值之差保持在允許誤差Δψs范圍內(nèi)。

將兩相α-β坐標(biāo)系均分為6個(gè)區(qū)域（如圖2所示），選擇相應(yīng)的空間電壓矢量控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向以及速度。如區(qū)間S1中存在定子磁鏈時(shí)，如果想使磁鏈不動(dòng)，則選定零矢量即可。如想使磁鏈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，選us5、us4來改變磁鏈，如相反，則選us1、us2；其他區(qū)間類似。想要控制磁鏈運(yùn)動(dòng)停止，以獲得想要的定子磁鏈平均速度，只要在不同的區(qū)間根據(jù)要求施加不同的電壓矢量即可，調(diào)節(jié)的頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)就越小。

圖2 定子磁鏈圓形軌跡圖

2.3.2 轉(zhuǎn)矩控制

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，使用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，按照閉環(huán)控制的原理進(jìn)行工作，控制器稱為轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Bang-Bang控制器），該調(diào)節(jié)器與磁鏈自控制單元相比，采用不同的容差，其大小是±εm，并且可調(diào)。

該系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，Teig為轉(zhuǎn)矩給定值，Teif為轉(zhuǎn)矩反饋值，二者之差ΔTei進(jìn)入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器進(jìn)行運(yùn)算處理后，輸出開關(guān)量信息。如果-εm＜Teig-Teif＜εm，轉(zhuǎn)矩保持不變；如果Teig-Teif＞εm，開關(guān)量信息是“1”，轉(zhuǎn)矩變大，如果Teig-Teif＜-εm，開關(guān)量信息是“-1”，轉(zhuǎn)矩變小[3]。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)分析

該技術(shù)在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，不需對轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦，信號容易處理。該技術(shù)采用定子磁鏈軸，要完成磁場定向只知定子電阻就可。

通過空間矢量分析方法，控制交流電機(jī)各個(gè)物理量。對轉(zhuǎn)矩的控制是直接控制，它利用轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

4 結(jié)語

該文簡要分析了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、基本原理及控制特點(diǎn)，提出了幾種新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。該系統(tǒng)具有運(yùn)算量小、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也有不容忽視的缺點(diǎn)，如低速范圍內(nèi)該系統(tǒng)性能差，穩(wěn)態(tài)時(shí)存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等缺點(diǎn)，有較大的改進(jìn)空間。