【正文】 e space vectors is realized in MATLAB/Simulink. Keywords： asynchronous motor。 DTC。 space vetor。 flax linkage observer。 simulation 3 1 前 言 統(tǒng)計(jì)表明，在我國電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率極低，與國外平均 水平相比要低 20％，存在非常嚴(yán)重的電能浪費(fèi)情況，這對(duì)我國本來就十分嚴(yán)峻的用電現(xiàn)狀可以說更加不利。因此，為了滿足不斷發(fā)展的實(shí)際需求，同時(shí)減小能源損耗，延長電機(jī)壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)。這不僅關(guān)乎我們當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更重要的，因?yàn)樗c能源開發(fā)和節(jié)約息息相關(guān)，還對(duì)我們 未來的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。 隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，有了長足的進(jìn)步。特別是 20世紀(jì) 70年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和 80年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能可以與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。而交流電機(jī)尤其是鼠籠異步電動(dòng)機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的優(yōu)點(diǎn)，使得交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢高于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。因此，交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的市場占有率不斷擴(kuò)大，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防等領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。 交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與展望 交流 電機(jī)控制技 術(shù)的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和控制策略的 展。 電力電子技術(shù)對(duì)電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的影響電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件制造工藝的提高、產(chǎn)品的更新密不可分 .早在 19世紀(jì)末，交流電機(jī)便己面世。但是其調(diào)速困難，調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性都趕不上直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，因此在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中多采用直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。上世紀(jì) 20年代，人們開始意識(shí)到變頻調(diào)速是一種較理想的交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)，然而其 所需設(shè)備龐大，可靠性差的缺點(diǎn)限制了它的發(fā)展。直到 20世紀(jì) 80年代第一代電力電子器件 SCR (Silicon Controlled Rectifier)的出現(xiàn)，才使交流調(diào)速技術(shù)有了新的轉(zhuǎn)機(jī)。之后電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使了電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高o SCR作為最早的電力電子元件，以其高電壓、大電流的特性，至今仍在大功率直流驅(qū)動(dòng)和大功率高電壓的交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中占有不可動(dòng)搖的地位。自第二代以 GTR (Giant Transistor), GTO(GateTurnThyristor)、 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field 4 Effect Transistor)至第三代以 IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor)為代表的電力電子器件的發(fā)展中，除了自關(guān)斷能力外，元件的開關(guān)頻率不斷提高，元件通態(tài)壓降不斷降低，在電機(jī)控制中應(yīng)用的結(jié)果是使電機(jī)控制性能有了很大的提高。例如采用了 GTR做成的通用型變頻器， GTR的開關(guān)頻率約為 2 kHz左右，變頻器輸出的最低工作頻率約為 3 Hz，最高頻率 120 Hz左右。而采用 IGBT做成的通用型變頻器 ， IGBT的開關(guān)頻率約達(dá) 20 kHz左右，變頻器的最低輸出頻率可達(dá) Hz，最高工作頻率可達(dá) 400500 Hz。用它控制電機(jī)運(yùn)行，則噪聲更小，運(yùn)行更平穩(wěn)。高開關(guān)性能元件的問世是現(xiàn)代矢量變換控制應(yīng)用于中小功率、高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的保證。第四代電力電子器件 IPM(Intelligent Power Module)和 PIC (Power Integrated Circuit)的出現(xiàn)，大幅度降低了開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。它們不但可以提供一定的功率輸出能力，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和 自診斷等功能。其內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)過流、短路、欠壓和過壓等保護(hù)，還可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生制動(dòng)。外界只需提供 PWM (Pulse Width Modulation)信號(hào)給 IPM，就可以實(shí)現(xiàn)以往復(fù)雜的主電路及其外圍電路的功能?？傊娏﹄娮蛹夹g(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 數(shù)字控制技術(shù)對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的影響最初的電機(jī)控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，基礎(chǔ)電路甚至電機(jī)控制專用集成電路被大量在電機(jī)控制中引用，這些電路大多為模擬、數(shù)字混合電路，在很大程度上提高了電機(jī)控制器的 可靠性、抗干擾能力，又縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費(fèi)用，因而發(fā)展很快。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，在電機(jī)控制中開始引入數(shù)字芯片作為控制器。市場上較通用的變頻器大多采用了單片機(jī)來控制。但單片機(jī)的處理能力有限，對(duì)采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性和精度要求高，單片機(jī)往往不能滿足要求。之后 DSP (Digital Signal Processor)被應(yīng)用到電機(jī)控制中，改善了電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和運(yùn)算精度。為了在廣闊的電機(jī)控制市場搶占份額，各大 DSP生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的內(nèi)嵌式DSP電機(jī)控制專用集成電 路。如占 DSP市場份額 45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實(shí)力，推出了電機(jī)控制器專用 DSPTMS320C 24x。電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的多樣化、復(fù)雜化，使其對(duì)電機(jī)控制電路的要求更加苛刻，這樣自己開發(fā)電機(jī)專用的控制芯片顯得非常必要。 CPLD (Complex Programmable Logic Device)和 FPGA (FieldProgrammable Gate Array)是一種很好的解決方案。作為開發(fā)器件 ， CPLD或 FPGA具有用戶可編程的特性。 5 利用 CPLD或 FPGA，工程師可以在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)出專 用的電機(jī)控制集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)、上市的時(shí)間，降低了開發(fā)成本。一片 CPLD或 FPGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。數(shù)字控制技術(shù)對(duì)電機(jī)控制的影響是深遠(yuǎn)的，它大大推動(dòng)了電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和電機(jī)控制行業(yè)的繁榮。 近年來，隨著電力電子技術(shù)、各種傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速的研究進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的階段，涌現(xiàn)出了很多卓有成效的調(diào)速控制算法。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。 (1)基于恒壓頻比的標(biāo)量控制技術(shù) 。 (2)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦的矢量控制技術(shù)，也稱矢量控制。 (3)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的矢量控制技術(shù)，也稱直接轉(zhuǎn)矩控制。 在這些方法中，尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢，而且其缺點(diǎn)可以隨著新的控制技術(shù)以及高性能的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展被不斷克服，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究成為目前交流調(diào)速研究領(lǐng)域最大的熱點(diǎn)。目前，國外的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)己經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。 鑒于以上所述，對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制的研究以及盡早地產(chǎn)品化具有非常重要的實(shí)際意義和良好的經(jīng)濟(jì)前景?？梢灶A(yù)見，具備寬調(diào)速 范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。因此，研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制算法是大勢所趨，非常必要。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼Ⅵ控制和矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國教授 Depenbrock和日本學(xué)者 Takahashi提出的。它的主要思想是利用滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，結(jié)合扇區(qū)信息，通過一個(gè)開關(guān)表有選擇地輸出基本空間電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈按要求快速變化。相比于開環(huán)的Ⅵ控 制，采取閉環(huán)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制具有不可比擬的控制精度，具有更好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標(biāo)系，摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦過程，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也更好。 6 直接轉(zhuǎn)矩控制之所以從誕生到現(xiàn)在一直受到人們的普遍關(guān)注，是因?yàn)槠渚哂衅渌刂撇呗圆豢杀葦M的優(yōu)點(diǎn) : （ 1） 直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，所需要的信號(hào)處理工作簡單。 （ 2） 直接轉(zhuǎn)矩控制所需電機(jī)參數(shù)只有定子電阻，使其性能受電機(jī)參數(shù)變化的影響很小。 （ 3） 直接轉(zhuǎn)矩控制使用空間矢 量的概念分析交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和控制機(jī)理，使其控制理論通俗易懂。 （ 4） 直接轉(zhuǎn)矩控制直接對(duì)交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的控制效果，并不關(guān)心電流、電壓等間接物理量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制是一種針對(duì)交流電機(jī)自身特點(diǎn)，提出的適用于交流調(diào)速的高性能控制策略。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀及 發(fā)展 趨勢 1985年，由德國魯爾大學(xué)的 M. Depenbrock教授和日本的 I. Takahashi教授分別提出了各自的直接轉(zhuǎn)矩控制理論 ， 英文稱為 DTC (Direct Torque Control) 。 1987年 ， 直接轉(zhuǎn)矩控制被推廣到弱磁調(diào)速技術(shù)范圍 ]5]。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不需要將異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效和轉(zhuǎn)化 :既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算，因此它所需要的信號(hào)處理工作簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注，得到迅速發(fā)展。在國外以德國和日本為主，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論已經(jīng)比較成熟，美國、法國等國家緊隨其后，使直接轉(zhuǎn)矩控制的推廣逐步擴(kuò)大 .現(xiàn)在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 已經(jīng)成功應(yīng)用于電力機(jī)車牽引系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等大功率調(diào)速應(yīng)用場合。市場應(yīng)用方面， ABB公司于 1995年推出了其直接轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)品 ACS600，隨后的 ACS800, ACS1000也都應(yīng)用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。 目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究的主要側(cè)重方面有 :低速性能的改善 :轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的削弱 。與智能控制相結(jié)合 。與無速度傳感器技術(shù)結(jié)合 。變結(jié)構(gòu)方案。 7 可以預(yù)見，未來的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面將逐步推廣開來，各種產(chǎn)品也將陸續(xù)出現(xiàn)。在理論研究方面，針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的缺陷，結(jié)合各種交叉控制技術(shù)，一些改善直接轉(zhuǎn)矩控制性能的新方 法將被不斷提出。 8 2 三相異步電機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制 基本原理 三相 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電路圖如圖 u sΨ s Ψ ri sR sL σ i s 圖 將旋轉(zhuǎn)空間矢量在 α 軸上的投影稱為 α 分量，在正交的 β 軸上的投影稱為 β 分量 ，則有電壓公式 : (21) 其中，下標(biāo) α ,β 分別表示對(duì)應(yīng)空間 α 矢量和 β 分量和分量。移項(xiàng)并積分可得定子磁鏈公式 : (22) 轉(zhuǎn)矩公式： (23) 9 式中 —— 電磁轉(zhuǎn)矩（ N ） —— 電機(jī)極對(duì)數(shù) —— 磁通角（ rad） 電機(jī)運(yùn)動(dòng)公式 (24) 式中 —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ N ） J —— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg ） 對(duì)于式 (23)，若忽略定子電阻壓降的影響，則有 : (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系，該關(guān)系見圖 。 圖 ， (x=1～ 6)表示電壓空間矢量， 表示定子磁鏈空間矢量， 、 、 、 、 表示正六邊形的六條邊，也表示等分的六個(gè)區(qū)間。當(dāng)定子磁鏈空間矢量 ，在圖 24所示位置時(shí)，其頂點(diǎn)在邊 上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011)，根據(jù)式 (25)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關(guān)系，定子磁鏈空間矢量的