交流調(diào)速中矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的探討

陳鑫 張海濤

摘 要：矢量控制和直接轉(zhuǎn)向控制作為交流電機(jī)的兩種主要變頻方法，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速的早期發(fā)展控制器（或系統(tǒng)控制回路）大多由模擬的電子控制器所構(gòu)成。近年來，由于單片機(jī)的信息處理速度限制，對即時(shí)化和控制精度的要求又相當(dāng)高，使得傳統(tǒng)單片機(jī)控制器一直無法滿足現(xiàn)代交流電機(jī)控制器的需求。根據(jù)一種新的控制理論，用于交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，它大大簡化了交流調(diào)速系統(tǒng)的速度控制系統(tǒng)。將高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)，把國內(nèi)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展推向了一個(gè)新的高度。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制;交流電機(jī)

引言：

于工業(yè)科學(xué)技術(shù)的提高，交換調(diào)制也逐漸代替了直流輸出調(diào)制。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)管理關(guān)鍵技術(shù)也取得了重大突破。正因?yàn)榻涣麟姍C(jī)是一個(gè)多變數(shù)、強(qiáng)連接的非線性時(shí)變控制系統(tǒng)，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制比直流電機(jī)復(fù)雜得多。交流調(diào)速經(jīng)過長期的研究和研究，取得了很大的成就。交流電機(jī)在生產(chǎn)和生活中，已經(jīng)獲得了廣泛的使用。高效率的交流調(diào)速技術(shù)也離不開現(xiàn)代控制的幫助，而目前在交流電機(jī)中最常用的技術(shù)就是矢量控制系統(tǒng)（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）的技術(shù)。矢量控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制，作為交流傳動(dòng)控制策略在實(shí)際中得到了廣泛的使用。而矢量控制器和變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是，利用坐標(biāo)變化重構(gòu)后的發(fā)動(dòng)機(jī)模型可等效于直流電機(jī)，以達(dá)到對直流電機(jī)等扭矩和流量的快速調(diào)控。而矢量控制系統(tǒng)的基本原則，是利用測量和監(jiān)控異步電動(dòng)機(jī)定子的電壓向量，并按照電磁定向原理，相應(yīng)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的加速電流和轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的扭矩。

1.交流調(diào)速技術(shù)的研究發(fā)展

在電力與電子科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)以前，速度控制器的主要應(yīng)用對象是直流電機(jī)。直流電機(jī)的速度很易于控制和調(diào)節(jié)，，經(jīng)過改變電流及調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，即可進(jìn)行無級調(diào)壓，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)也比較簡便。但因?yàn)槭炙r(jià)錢高昂、容易損壞、維修困難度大、對日常工作環(huán)境條件需求較高，且不宜用作易燃、易爆、腐蝕的廢氣。所以，目前直流電機(jī)已很難適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)電氣控制的需要。由于交換發(fā)電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡潔、容易運(yùn)行、價(jià)錢便宜、維修簡便、可在惡劣環(huán)境條件下正常管理工作、容易向高大的功率方面發(fā)展等優(yōu)勢，所以近數(shù)十年來世界各國都在致力于交換發(fā)電機(jī)控制器的研發(fā)。由于交流異步電動(dòng)機(jī)存在強(qiáng)耦合、非線性多變數(shù)系統(tǒng)，其速度和轉(zhuǎn)矩的調(diào)制特性較低。但由于現(xiàn)代變頻調(diào)速理論和電力電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速能力得到了很大的提高。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)最常見的方式有：扭轉(zhuǎn)子異步式發(fā)電機(jī)串級調(diào)壓、變極對數(shù)調(diào)壓、變壓變頻調(diào)制。

在現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。早期的變頻系統(tǒng)是由一個(gè)開環(huán)恒壓恒壓控制的。這種控制策略是基于電機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的。這是從電機(jī)的機(jī)械性能分析和研究電機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和特性。它的控制結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。它具有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向性能差、負(fù)載影響強(qiáng)烈、扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。一九七零年，德國物理學(xué)家在先前提到過的坐標(biāo)系變換的理論基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)矢量變換管理的方案。矢量變換管理方法成功地解決了在交流調(diào)速體系中電磁轉(zhuǎn)矩的有效管理問題。矢量轉(zhuǎn)換控制理論的主要方法是，利用坐標(biāo)系變換理論比較交換發(fā)電機(jī)與直流電機(jī)，在定子繞組中分解系統(tǒng)的交流電流，將之變成交流電動(dòng)機(jī)磁性成分與扭矩成分，交換發(fā)電機(jī)流量與扭矩獨(dú)立受控，并達(dá)到同樣的效果動(dòng)態(tài)速度控制特性，例如直流電機(jī)。但是，在實(shí)際實(shí)踐中，由于轉(zhuǎn)子的流動(dòng)鍵很難測量到，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)很大地影響了控制系統(tǒng)的特性，再加上坐標(biāo)系變換的復(fù)雜性，難用于模擬對直流電機(jī)的操控，使得實(shí)際控制效率上難以達(dá)到理論分析結(jié)果，這也是直觀矢量控制在實(shí)際實(shí)踐中的主要缺點(diǎn)。而身為一項(xiàng)新興技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制目前在中國尚不完善，我國直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平仍有較大差距。

2.矢量控制

1971年，德國研究員f.Blaschke進(jìn)一步闡述了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量轉(zhuǎn)換的控制理論，并運(yùn)用坐標(biāo)變換原理把三相控制系統(tǒng)對應(yīng)于正交二相系統(tǒng)，進(jìn)而利用轉(zhuǎn)子磁場的定向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)變化，獲得了定子電壓的加速度成分與力矩成分間的差值，進(jìn)而相應(yīng)地調(diào)節(jié)了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的流量與電壓。矢量轉(zhuǎn)換控制理論已經(jīng)在交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中獲得了普遍的運(yùn)用，克服了電磁分離和交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制系統(tǒng)的問題。因?yàn)槭噶哭D(zhuǎn)換控制系統(tǒng)相當(dāng)于三相感應(yīng)電機(jī)對直流電機(jī)速度的轉(zhuǎn)換，所以它達(dá)到了和直流電機(jī)速度控制器一樣的優(yōu)良靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，從而在交流速度控制和直流速度控制之間形成了競爭。盡管矢量變換控制器已經(jīng)完成了在電磁定向坐標(biāo)系下電流與壓力的分離，但交換電動(dòng)機(jī)依然要求對定子的三相電壓和電流進(jìn)行控制，所以矢量控制算法也十分復(fù)雜。

該系統(tǒng)計(jì)算不但要對三相交流電機(jī)的壓力和電流指示信號(hào)進(jìn)行變換，以達(dá)到在電磁定向坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)變化檢測到的數(shù)量值外，在交換電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，還可利用反向坐標(biāo)變換把斷開的電流和壓力指示信號(hào)變換為三相電流和壓力指示信號(hào)。同樣，在電磁定向坐標(biāo)系中，對定向電磁的觀察也將采用交換電動(dòng)機(jī)的模型，這將直接對定向電磁觀察結(jié)果的準(zhǔn)確度，進(jìn)而危害系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確度。為進(jìn)一步提高控制精度，應(yīng)引進(jìn)閉環(huán)觀測器模式以及反饋管理策略，以避免系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)、檢測信號(hào)噪聲和外界影響，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制用空間向量的概念分析了三相交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在靜態(tài)坐標(biāo)系下進(jìn)行估計(jì)和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁電流?；陂_關(guān)柜的直接轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩和流量的滯后比較產(chǎn)生PWM信號(hào)。它采用了簡單的二點(diǎn)控制器（bang-bang控制）直接控制逆變器的開關(guān)模式。高動(dòng)態(tài)扭矩。

3.1常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)主要是利用檢索開關(guān)表的方式。在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)中，當(dāng)測量到定子的二相電流之后，即可利用二分之三坐標(biāo)變換得到二相靜態(tài)座標(biāo)系統(tǒng)的總電壓。再根據(jù)所測量到的發(fā)電機(jī)速度，即可在I-n模型下得到定子電壓。所計(jì)算的總電壓，也可用來得到通過定子電流扇區(qū)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，將通過定子電流的電磁轉(zhuǎn)矩與其給定的進(jìn)行對比，又或?qū)⒖疾钆c其滯后值進(jìn)行對比。通過滯環(huán)基準(zhǔn)裝置的輸出和流接口當(dāng)前所在的扇區(qū)，就能夠設(shè)定電流與輸出電壓的矢量開關(guān)模式以調(diào)控發(fā)電機(jī)速度。

3.2采用SVPWM的直接扭矩調(diào)節(jié)。采用SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制器，是采用直接轉(zhuǎn)矩控制器的基本原理。只要輸入電流矢量中有一個(gè)與定子電流平行的分量，定子電流的改變就可以調(diào)整，而只要輸入電流矢量中有一個(gè)與定子電流方向相等的分量，電磁轉(zhuǎn)矩的改變也就可以調(diào)整。而直接轉(zhuǎn)矩控制利用了調(diào)速系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，通過給電動(dòng)機(jī)定子繞組施以與定子電流方向呈相應(yīng)夾角的電源電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩的改變。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，引入了二種滯環(huán)控制。

這種方式主要通過扭矩與流速的正負(fù)偏差來確定輸出矢量，這不可避免地會(huì)產(chǎn)生很大的流速與扭矩波動(dòng)。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制有其優(yōu)勢，但是這種直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的系統(tǒng)采用開關(guān)儀表，通過電流與轉(zhuǎn)矩滯后之比來選擇電流范圍矢量，有二種弊端：一種是開關(guān)頻率不穩(wěn)定，另一種則是，因?yàn)樵诓蓸又芷谥兄徊捎昧艘环N恒定的電流范圍矢量，所以在低速時(shí)候就不可避免地會(huì)產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，目前國外已經(jīng)開展了大量研究。其中一個(gè)方法就是直接轉(zhuǎn)矩預(yù)測，最近的研究重點(diǎn)集中于采用SVPWM作為開關(guān)儀表。研究結(jié)果顯示，該方法可以較好地解決以上缺點(diǎn)。采用了SVPWM直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的基本思路，通過轉(zhuǎn)矩與定子電壓之間的差值，形成二元一次方程組，并求解所用的參考電壓向量，然后再利用空間矢量脈沖（SVPWM）的寬度調(diào)制合成矢量。這個(gè)方式也叫做SVPWM dtc。這個(gè)調(diào)節(jié)方式的好處是，轉(zhuǎn)矩在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)都比較平穩(wěn)。

4.兩種控制的比較

在矢量控制體系中，轉(zhuǎn)子電壓的轉(zhuǎn)動(dòng)空間向量被當(dāng)作基準(zhǔn)坐標(biāo)系，而定子電壓又被分為二個(gè)正交分?jǐn)?shù)，其中一個(gè)與流動(dòng)的方向一致，代表定子電壓加速度分量。另外二個(gè)與流動(dòng)方向成矩形，代表定子電壓的轉(zhuǎn)矩分量，并且單獨(dú)調(diào)節(jié)，以達(dá)到與直流輸出電動(dòng)機(jī)速度一致的良好動(dòng)態(tài)特征。所以，矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。和矢量調(diào)節(jié)方式有所不同，直觀轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式并不要求對交流電機(jī)與直流輸出電動(dòng)機(jī)加以對比、匹配和變換，既不要求通過模擬對直流輸出電動(dòng)機(jī)的控制，也不要求通過簡化對交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模擬而實(shí)現(xiàn)斷開。它只強(qiáng)調(diào)了直接控制電動(dòng)機(jī)扭矩，從而減少了繁瑣的變換和運(yùn)算。所以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為簡便。矢量監(jiān)控的主要方法是將控制量和被控量斷開（特別是電磁耦合，很難控制）。從技術(shù)上來說，電磁系統(tǒng)（定子、轉(zhuǎn)動(dòng)或氣囊電磁）都應(yīng)該被看作是恒定的系統(tǒng)，這就可以利用電動(dòng)機(jī)的雙軸理論正交分散三相坐標(biāo)系，從而能夠通過電力基本原理實(shí)現(xiàn)分離，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)通過交換電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的方向控制。通過二點(diǎn)流量控制器和三點(diǎn)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)完成變頻器的PWM控制系統(tǒng)。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)主要是電流控制系統(tǒng)。而矢量控制系統(tǒng)則通常使用雙轉(zhuǎn)子磁場控制系統(tǒng)，但由于電流關(guān)系復(fù)雜，前提是定子電流與氣流保證恒定，這必須徹底切除維修單元，以提高控制成本。直接扭矩調(diào)整選擇直接可調(diào)量：定子電流。從電動(dòng)機(jī)自身考慮，其參數(shù)也有相應(yīng)的時(shí)間變化規(guī)律。另外，還需要完成復(fù)雜的位置轉(zhuǎn)換，并密切監(jiān)控轉(zhuǎn)子-流體耦合。此外，它在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，因此參數(shù)的變化對其影響很大。在系統(tǒng)參數(shù)變化或不確定因子影響時(shí)，也會(huì)引起穩(wěn)定性的降低。直接和扭矩校正系統(tǒng)對參數(shù)改變并不敏感。這二個(gè)技術(shù)均是為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，只是它的理論依據(jù)有所不同。在固定狀態(tài)下，機(jī)械性能呈直線，但沒有靜止轉(zhuǎn)矩;在動(dòng)態(tài)條件中，將定子電流劃分為二種正交分量：轉(zhuǎn)矩電流和加速電流，并按照相應(yīng)回路和轉(zhuǎn)子二側(cè)回路中的方程加以控制，其轉(zhuǎn)矩靜態(tài)特性和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與直流電機(jī)一致;而直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)則維持了定子電壓的恒定值，其穩(wěn)態(tài)機(jī)械性能也較前一個(gè)狀態(tài)更軟。這也是一條曲線，它有一個(gè)停止的時(shí)刻。但是，由于這種機(jī)械特性的停車扭矩通常很大，且在調(diào)速體系中所采用的只有一條直線段，且傳輸特性與曲線頻率的相差也極小，所以其靜態(tài)特性完全可達(dá)到最高性能的要求;在動(dòng)態(tài)性能方面，DTC并不關(guān)注斷開定子電源。轉(zhuǎn)矩反饋雖然有一定的延時(shí)，但還是能夠做到快速反饋。只有在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)完全正確時(shí)，矢量控制系統(tǒng)才能夠達(dá)到瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反饋。當(dāng)參數(shù)（尤其是轉(zhuǎn)子參數(shù)）改變后，瞬態(tài)條件被打破。大時(shí)間常數(shù)的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，快速反應(yīng)功能減弱;而直接采用恒定定子電壓的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，盡管轉(zhuǎn)子參數(shù)改變了，但其瞬態(tài)項(xiàng)仍迅速分解，反應(yīng)的阻力也很高。

結(jié)語：

向量控制系統(tǒng)方法廣泛應(yīng)用于大范圍的調(diào)速控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，以及大功率電力機(jī)車。而目前的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方法尤其適合于不要求極高速度精度的中高速度控制系統(tǒng)。雖然向量控制方法在低速范圍內(nèi)工作平穩(wěn)，特性優(yōu)異，但速度響應(yīng)卻遠(yuǎn)快于高范圍。但總體而言，其仍擁有良好的穩(wěn)定控制系統(tǒng)特性;直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)不夠平穩(wěn)，在高速范圍內(nèi)響應(yīng)比較緩慢，但負(fù)載跟隨特性卻很好。因此總的來說，它更適應(yīng)于有高動(dòng)態(tài)特性條件下的情況。綜上所述，與直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)比較，向量控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是電磁轉(zhuǎn)矩波小;與矢量控制系統(tǒng)比較，直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的主要優(yōu)勢是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，系統(tǒng)靈敏度低，系統(tǒng)快速響應(yīng)的阻力強(qiáng)。

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