【正文】 電壓矢量，并對其進行了限幅：　　離散時間直接轉(zhuǎn)矩控制可以通過差分方程，把k+1周期的所應(yīng)達到的轉(zhuǎn)矩和磁鏈遞推出來，因此可以同時達到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制，從實現(xiàn)方式上是很適合于數(shù)字化控制的，另外這種方法主要基于定子側(cè)進行控制，所需的電機參數(shù)只有定子電阻和電感，對電機參數(shù)變化的魯棒性比較好，從實驗結(jié)果來看，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能是比較好的。但是在這種方法中，需要檢測電機的相電壓，這增加的系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，另外，計算量也比較大。 、基于幾何圖形的無差拍控制 　　在文獻中，對定子磁鏈方程、轉(zhuǎn)子磁鏈方程以及由定、轉(zhuǎn)子磁鏈表達的轉(zhuǎn)矩方程進行離散化，之后把前兩個方程帶入到轉(zhuǎn)矩方程中去。通過離散的轉(zhuǎn)矩方程分析可以知道施加電壓矢量可以使轉(zhuǎn)矩誤差為零，轉(zhuǎn)矩變化到平面上的一條直線上，這條直線與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量方向平行。采取同樣的方法可以分析知道施加電壓矢量可以使磁鏈誤差為零，磁鏈變化到平面上的一個園上，這個園與與磁鏈園同心。于是利用直線和園的交點就可以得到使轉(zhuǎn)矩和磁鏈無差拍控制的電壓矢量，當然這個電壓矢量受到逆變器所能輸出的電壓大小的限制。 　　把幾何圖形引入到無差拍的控制中來是一個比較好的思路，可以得到最優(yōu)的無差拍控制的電壓矢量，同時也有助于理論上的分析。但是就如何把圖形方式和數(shù)字化控制結(jié)合起來從實現(xiàn)方式上來說還是存在有一定的難度。 、離散空間矢量調(diào)制(DSVM)方法　　無差拍的直接轉(zhuǎn)矩控制從理論上可以最大化地消除轉(zhuǎn)矩和磁鏈的的誤差，克服了BangBang控制不精確性的弱點，但是需要比較大的計算量，并且這些計算都是與電機參數(shù)有關(guān)，容易引起計算上的誤差。因此在文獻中提出了既不需要多少計算，又能提高轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制精度的離散空間矢量調(diào)制方法?！　≡陔x散空間矢量調(diào)制方法中，通過對兩電平逆變器輸出的六個基本電壓矢量中的相鄰電壓矢量和零電壓矢量進行有規(guī)律的合成，如圖3是使用相鄰的單一矢量2和單一矢量3以及零電壓矢量合成出來的空間電壓矢量。從圖3中可以看出其合成方法是把整個采樣周期平均分為3段，每一段由非零電壓矢量或零電壓矢量組成，如空間電壓矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零電壓矢量各作用1/3采樣周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中沒說明)，利用這種有規(guī)律的合成方法一共可以合成出10個電壓矢量。 　　細化的電壓矢量可以對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行更精確的控制，文獻中對磁鏈使用了傳統(tǒng)的2級滯環(huán)BangBang控制，而考慮到轉(zhuǎn) 矩需要動態(tài)響應(yīng)快，對其劃分了5級滯環(huán)BangBang控制，如圖4所示，不同的誤差帶內(nèi)使用不同的電壓矢量表。另外，作者通過推導(dǎo)得到電壓矢量對轉(zhuǎn)矩變化的影響式子如下所示：　　從式(10)中可以看出同一電壓矢量在低速和高速對轉(zhuǎn)矩變化的影響是不同的。因此，在不同的速度范圍使用了不同的電壓矢量，如圖3所示。從另一方面看，低速使用幅值小的電壓矢量以及高速使用幅值大的電壓矢量也是符合V/f=C這一規(guī)律的。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時連續(xù)使用較多的零電壓矢量使開關(guān)頻率很低，轉(zhuǎn)矩脈動大。而按照離散空間矢量調(diào)制的方法由于低速使用幅值小的電壓矢量，因此連續(xù)使用的零電壓矢量少，開關(guān)頻率高，轉(zhuǎn)矩脈動小。另外，由于高速時的電壓矢量比較多，可以劃分12個扇區(qū)，使用兩個電壓矢量表，這樣可以進行更精確的控制。　　從以上分析可以看出，離散的空間矢量調(diào)制方法易于實現(xiàn)，不需要有無差拍控制那樣多的計算，保持了傳統(tǒng)BangBang控制的優(yōu)點，因此魯棒性好，但相對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制又可以提高轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制精度，減小低速轉(zhuǎn)矩脈動。但是控制精度越提高，矢量劃分就越細，電壓矢量控制表就越多越大，這將增加控制的復(fù)雜性。因此，如果能讓離散的空間矢量調(diào)制與無差拍控制結(jié)合起來，將會有助于克服這個缺點。 、由PI調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量的方法　　在直接轉(zhuǎn)矩控制中，如果能獲得任意相位的空間電壓矢量，將有助于減小低速下的轉(zhuǎn)矩脈動，達到矢量控制在低速下的穩(wěn)態(tài)性能。第3節(jié)中的無差拍控制就能得到任意相位的空間電壓矢量，但是計算比較復(fù)雜，實現(xiàn)比較困難。另一種獲得任意相位的空間電壓矢量的方法是使用PI調(diào)節(jié)器。ABPlunkett的直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)方法就是一種PI調(diào)節(jié)方法，只是那時候還沒有空間電壓矢量這個概念，只能使用SPWM方法輸出電機控制電壓。在文獻中,所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制使用PI調(diào)節(jié)的方法，并且用于SVM的方法輸出空間電壓矢量?！　∮赊D(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)矩反饋獲得轉(zhuǎn)矩誤差輸入PI調(diào)節(jié)器中，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到q軸電壓矢量,由定子磁鏈給定和定子磁鏈反饋獲得定子磁鏈誤差輸入PI調(diào)節(jié)器中，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到d軸電壓矢量,之后將d軸和q軸的電壓矢量旋轉(zhuǎn)變換到靜止坐標系下的α軸和β上，用于空間電壓矢量的輸出，顯然這個空間電壓矢量在空間位置上的相位是任意的。從結(jié)構(gòu)上看基于PI調(diào)節(jié)的直接轉(zhuǎn)矩控制相似于定子磁鏈定向的矢量控制，但二者是有區(qū)別的，定子磁鏈定向的矢量控制基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系，定向于定子磁鏈d軸，q軸磁鏈為零，另外在d軸方向還要對磁鏈和和q軸方向上的電流進行解耦，而這些對于基于PI調(diào)節(jié)的直接轉(zhuǎn)矩控制不需要，其中只需要使轉(zhuǎn)矩輸出和定子磁鏈反饋通過PI調(diào)節(jié)方法來跟隨上給定即可，因此從實現(xiàn)上是比較簡單的，同時魯棒性也比較好，并且相對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制可以提高開關(guān)頻率，減小了低速下的轉(zhuǎn)矩脈動，但是在這種方法當中需要選取合適的PI參數(shù)，否則會影響控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。除了以上這種PI調(diào)節(jié)的直接轉(zhuǎn)矩控制外，在文獻中還在ABPlunkeet的直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)法的基礎(chǔ)上做了進一步的研究，使用空間電壓矢量的方式輸出，此處不詳細敘述。 、注入高頻抖動提高開關(guān)頻率　　在前面的各種直接轉(zhuǎn)矩控制策略中都談到提高低速下的開關(guān)頻率可以降低轉(zhuǎn)矩脈動，同時也可以降低噪聲。在文獻中，提出了一種在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上注入高頻抖動的方法提高開關(guān)頻率，其中作者用圖表的方式顯示了開關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)寬度的減小而提高，但是這種提高是有限的，一個最主要的原因是磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制上的延遲，滯后越大開關(guān)頻率就越低。例如從仿真來看10μs延遲有14kHz的開關(guān)頻率，但當有20μs的延遲時只有8kHz的開關(guān)頻率。文獻中提出的提高開關(guān)頻率方法是在轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)內(nèi)疊加上高頻的三角波，其幅值與滯環(huán)寬度相當?！　‘敺答佒荡笥谌遣〞r電壓矢量減小，當反饋值小于三角波時電壓矢量增大，因此，即使控制上有延遲，但隨著三角波頻率的增大，開關(guān)頻率也就提高了，例如當三角波的頻率為30kHz時，開關(guān)頻率可達10kHz。文獻中采用的是單一電壓矢量的方法，如果能采用空間任意電壓矢量的方法，可以使開關(guān)頻率進一步提高。 、大容量的直接轉(zhuǎn)矩控制的低速控制策略　　直接轉(zhuǎn)矩控制當初在德國提出來是為了解決大容量的機車控制的問題，其中最重要的一點就是要降低開關(guān)頻率。目前以GTO作為逆變器的功率器件時，其開關(guān)頻率一般不超過200Hz，使用IGBT時，一般也不能超過500Hz。因此以上的各節(jié)所描述的直接轉(zhuǎn)矩控制策略將不適用于大容量的直接轉(zhuǎn)矩控制，否則將造成比較高的開關(guān)頻率。在低速下，如果使用直接轉(zhuǎn)矩進行控制，首先是采樣周期很小，否則轉(zhuǎn)矩脈動大，而且容易過流。其次是要求圓形磁鏈，否則轉(zhuǎn)矩脈動大。再次是要使用單一電壓矢量，并且占空比為100％，這樣才能減少至少一半的開關(guān)頻率。最后是轉(zhuǎn)矩和磁鏈要有比較大的滯環(huán)，否則開關(guān)頻率也比較高，但是，如果轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)太大，又會造成比較大的轉(zhuǎn)矩脈動。因此在大容量的調(diào)速中不易使用傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制。目前使用的最成熟的方法是間接轉(zhuǎn)矩控制。　　這種控制方法其實是在ABPlunkett的直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)法上的一種改進，其中轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出的是動態(tài)滑差在一個采用周期的積分動態(tài)增量ΔXd，而穩(wěn)態(tài)滑差由磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算出來。動態(tài)滑差與電機機械角速度之和得到同步角速度，對其在一個采樣周期進行積分就可以得到磁鏈在一個周期內(nèi)的相位穩(wěn)態(tài)增量ΔX0，使之與動態(tài)增量相加可得磁鏈在一個采樣周期總的相位增量ΔX。磁鏈調(diào)節(jié)器輸出幅值增量kψ，利用相位增量和幅值增量以及電壓方程可以得到控制電機的空間電壓矢量。從以上分析可以看出間接轉(zhuǎn)矩控制的物理概念是很清晰的。通過計算磁鏈的幅值增量和相位增量來決定空間電壓矢量，不但可以保證磁鏈軌跡為圓形，而且還對轉(zhuǎn)矩進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的調(diào)節(jié)。另外，可以象矢量控制那樣通過增大采樣周期來減小開關(guān)頻率而不會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩脈動，這主要是因為磁鏈的幅值增量和相位增量在一個采樣周期中是可以準確計算出來的。因此間接轉(zhuǎn)矩控制具有很好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，在大容量的調(diào)速中能大大減小低速轉(zhuǎn)矩脈動，增大調(diào)速范圍。 、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的未來　　相對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制來說，目前對于中小容量電機控制的改進方法主要是進行轉(zhuǎn)矩、磁鏈無差拍控制和提高、固定開關(guān)頻率。同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制來說比較困難，因此出現(xiàn)了單獨的轉(zhuǎn)矩和磁鏈的預(yù)測跟蹤控制，以及界于無差拍控制和BangBang控制之間的離散空間電壓矢量控制，不但簡化了控制算法，還提高了控制精度。運用PI調(diào)節(jié)器進行轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制是一種比較直接的方法，省卻了無差拍控制的復(fù)雜計算，易于實現(xiàn)。無論是無差拍控制或PI調(diào)節(jié)的方式都可以輸出任意或比較多的空間電壓矢量，這自然提高并且固定了開關(guān)頻率，對于降低轉(zhuǎn)矩脈動和減少噪音是很有幫助的。但是應(yīng)該清楚的看到，目前的小容量直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能還達不到矢量控制那樣，轉(zhuǎn)矩脈動和噪音都比后者大，因此就如何降低轉(zhuǎn)矩脈動和減小噪音上來說還有待進一步的研究，另外，把間接轉(zhuǎn)矩控制引入到小容量的低速控制中來也是一種比較好的思路。 　　對于大容量的直接轉(zhuǎn)矩控制策略來說，與中小容量的主要區(qū)別是限制開關(guān)頻率在一定的范圍之內(nèi)，由于在低速采用了間接轉(zhuǎn)矩控制，因此轉(zhuǎn)矩脈動比較小，幾乎能達到矢量控制那樣的低速性能。隨著電力電子器件的不斷向著大功率化和高頻化發(fā)展，將有助于大容量直接轉(zhuǎn)矩控制的進一步發(fā)展。異步電機調(diào)速異步電機調(diào)速的分類與方法 與按n＝60f1/p（1S）表達式不同，根據(jù)本文所述的電機調(diào)速功率控制理論，異步機調(diào)速可分類表示如下： 變頻電動機的特點 電磁設(shè)計　　對普通異步電動機來說，再設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下：　　1） 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。　　減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增　　2）為抑制電流中的高次諧波，需適當增加電動機的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性?！　?）變頻電動機的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當提高變頻器的輸出電壓?！　〗Y(jié)構(gòu)設(shè)計　　再結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：　　1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力?！　?）對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象?！　?）冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅(qū)動。　　4）防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。　　5）對恒功率變頻電動機，當轉(zhuǎn)速超過3000/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。單相交流電機調(diào)速器的工作原理是在電動機控制回路中串入雙向可控硅，控制可控硅的導(dǎo)通角從而控制電動機的端電壓。當外接電源電壓或負載波動引起轉(zhuǎn)速變動時與電動機同軸聯(lián)接的測速發(fā)電機輸出信號通過積分器與轉(zhuǎn)速給定信號比較,其誤差放大后和過零觸發(fā)信號經(jīng)驅(qū)動移相觸發(fā)器實現(xiàn)電壓自動調(diào)整從而使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值,需要改變轉(zhuǎn)向時,只需將電動機正反轉(zhuǎn)接頭對換即可。在異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速性能最好、應(yīng)用最廣的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，須同時調(diào)節(jié)定子供電電源的電壓和頻率，可以使機械特性平滑地上下移動，并獲得很高的運行效率。但是，這種系統(tǒng)需要一臺專用的變壓變頻電源，增加了系統(tǒng)的成本。近來，由于交流調(diào)速日益普及，對變壓變頻器的需求量不斷增長，加上市場競爭的因素，其售價逐漸走低，使得變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與日俱增。下面首先敘述異步電動機的變壓變頻調(diào)速原理。　異步電動機變壓變頻調(diào)速原理　　在進行電動機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素就是:希望保持電動機中每極磁通量 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪費。如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。在交流異步電動機中，由于磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的，需要采取一定的控制方式才能保持磁通恒定?！　∪喈惒诫妱訖C定子每相電動勢的有效值是eg= (11)式中eg——氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值(v)。f1——定子頻率(hz)。ns——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)。kns——定子基波繞組系數(shù)。φm ——每極氣隙磁通量(wb)?！　∮墒?11)可知，只要控制好電動勢eg和頻率f1，便可達到控制磁通φm 的目的，對此，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。 基頻以下調(diào)速　　由式(11)可知，要保持φm 不變，當頻率f1從額定值f1n向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低電動勢eg，使常值 (12)　　即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式?！　∪欢?，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓us≈eg，則得　(13)　　這是恒壓頻比的控制方式?！　〉皖l時，us和eg都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為地把電壓us抬高一些，以便近似地補償定子壓