【正文】 不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，它并不過(guò)于追求圓磁鏈軌跡，只追求對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的快速和準(zhǔn)確性。 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用離散的電壓空間矢量來(lái)描述逆變器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制，這既合乎實(shí)際，又特別簡(jiǎn)單明了。它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要利用矢量旋轉(zhuǎn)變換對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的 數(shù)學(xué)模型解耦簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)單明了，物理概念清楚。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的 算法框圖如圖 所示。 解決這一問(wèn)題的方法是，在起動(dòng)期間想轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸入載波信號(hào)，例如方波信號(hào)，頻率控制在 500 zH ，這樣既能有效利用零電壓開(kāi)關(guān)矢量，又能改善定子磁鏈和電流的波形。如此，逆變器只能在這個(gè)規(guī)則下一次選擇非零開(kāi)關(guān)電壓矢量，在這種情況之下，既不能選擇零電壓開(kāi)關(guān)矢量，又沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈的調(diào)制，這樣的結(jié)果是定子磁鏈?zhǔn)噶康能壽E呈靈變形，而不是圓形。 由于定子歷次需要一個(gè)過(guò)程，定子磁場(chǎng)是逐步建立起來(lái)的，所以定子磁鏈?zhǔn)噶康姆翟?t = 1t 這個(gè)時(shí)刻之前，甚至過(guò)了 1t 時(shí)刻可能都還沒(méi)有達(dá)到參考值。轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)輸出的是與定子磁鏈空間矢量垂直方向上的所需電壓空間矢量，用以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。 圖 磁鏈調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)類(lèi)似，也分為施密特兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)和 PI 調(diào)節(jié)，如圖 a),圖 b)所示。另一種形式是 PI 調(diào)節(jié)，如圖 b)所示。 表 空間電壓矢量選擇表 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 20 磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 磁鏈調(diào)節(jié)有兩種形式，第一種是施密特兩點(diǎn)式或 三點(diǎn)式調(diào)節(jié)，或稱(chēng) BangBang調(diào)節(jié)，如圖 a) 為給定的定子磁鏈幅值， 為觀測(cè)到的定子磁鏈幅值，將兩者做差，得到的差值送入滯回比較器 :當(dāng)差值大于設(shè)定容差時(shí)，輸出信號(hào) 為“ 1”，說(shuō)明需要增大定子磁鏈 。當(dāng)施加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶勘３植蛔?。假設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出 1，表示應(yīng)該適當(dāng)增大電磁轉(zhuǎn)矩，則選擇 U120(010)，使 s? 加速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以增大 ? ，從而增大電磁轉(zhuǎn)矩。以此類(lèi)推，如圖中虛線箭頭所示，就保證了 s?的幅值一直被限定在希望的范圍內(nèi)。假設(shè)此時(shí) s? 的幅值已經(jīng)達(dá)到了上限，應(yīng)該減小 s? 的幅值。 ?? 和 T? 分別表示定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的最大允許偏差。其中，對(duì)定子磁鏈采取兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩采取三點(diǎn)式的調(diào)節(jié)，如式 ()和式 ()所示。 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制 在 DTC 控制理論中，核心就是通過(guò)選擇合理的電壓空間矢量，控制定子磁鏈的幅值保持在給定值附近，保持圓形的磁鏈軌跡，在此基礎(chǔ)上保持電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值變化。低速時(shí)，電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在in 模型下。高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在 ui 模型下，磁鏈實(shí)際上只是由定子電壓與定子電流計(jì)算得到。由此可見(jiàn)，由于引入了電流調(diào)節(jié)器，使得電動(dòng)機(jī)模型的仿真精度大大提高了。如圖 所示 : 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 17 R SIIP IR SIIP IR rL σR rL σi s αi s α+? i+’Ψ s αΨ s β++++1L σ1L σ1L1L++Ψ r αΨ r αΨ r βΨ r βΨ s αΨ r α++++++i s β’i s βω 圖 un 模型 圖 29 中，電流調(diào)節(jié)“ PI”單元的作用是強(qiáng)迫電動(dòng)機(jī)模型電流和實(shí)際的電動(dòng)機(jī)電流相等 .如果電動(dòng)機(jī)模型得到的電流 與實(shí)際測(cè)量到的電動(dòng)機(jī)電流 不相等 .就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差值 送入到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。 的測(cè)量誤差對(duì) in 模型的結(jié)果影響很大。但是 in 模型受轉(zhuǎn)子電阻 、漏電感 ,主電感 L 變化的影響。根據(jù)圖 31 可以推導(dǎo) : (36) (37) 由此可以得到定子磁鏈的 in 模型，如圖 所示。 在 30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)，電壓 u 較小， uRi 較小，定子電阻壓降的影響很大，由此引起的誤差較大，此時(shí)磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算。但是當(dāng)定子頻率接近零時(shí)，用這種方法來(lái)確定定子磁鏈?zhǔn)遣豢赡艿模驗(yàn)橛米龇e分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失了，以致在穩(wěn)定情況下只有誤差被積分。其誤差是由定子電阻的存在引起的。 電壓 電流模型 ： 定子磁鏈的 ui模型如圖 。所以定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)是異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分，起著決定性作用。如圖 32所示，當(dāng)定子磁鏈sΨ 位于 ① 區(qū)間時(shí)， Bψ 應(yīng)小于 ，對(duì)于其他區(qū)間可以采用同樣的方法來(lái)確定。例如，對(duì)于區(qū)間 ① ， Dψ 0，但這時(shí)可能存在 Qψ 0，也可能存在 Qψ 0這兩種情況。但是，與矢量控制的要求不同，這里并不需要定子磁鏈?zhǔn)噶看_切的位置信息，只要知道定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱谀膫€(gè)區(qū)間就可以了。 QDρjs ψjψe s +=Ψ=Ψ s （ 31） 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 14 DQs ψψnrctρ aa= （ 32） sDs ψrcρ Ψco sa= （ 33） sQsψrcρΨsina= （ 34） 式中 22 +=Ψ QDs ψψ （ 35） 這樣。圖 31中的 ψS 表示的是區(qū)間順序號(hào)。將定子磁鏈?zhǔn)噶繉?shí)際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器，同時(shí)將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與 給定值比較厚的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出，由表 22給出的開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢(xún)表，可以確定開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 13 定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g位置檢測(cè) 圖 。正因如此，雖然直接轉(zhuǎn)矩控制從理論提出到實(shí)際應(yīng)用都滯后于矢量控制，但由于該方法本身固有的優(yōu)勢(shì)，使直接轉(zhuǎn)矩控制的理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，進(jìn)展的步伐也越來(lái)越快?？傊?，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)控制定子電流來(lái)間接控制電磁轉(zhuǎn)矩。在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制中，基本的控制思想是將定子電流作為控制變量，通過(guò)控制定子電流勵(lì)磁分量來(lái)控制轉(zhuǎn)子磁通、定子磁通或者氣隙磁通，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量使可控制電磁轉(zhuǎn)矩。其中，包括兩 個(gè)零矢量和六個(gè)非零矢量，非零矢量的幅值都為 2Vdc/3，相角依次相差 60 度。 8 種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合下，輸出的相電壓和線 電壓如表 所示。逆變器的一個(gè)最主要的特點(diǎn)是：?jiǎn)螛虮鄣纳舷聝蓚€(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，即 Sa 和 Sa’在同一時(shí)刻若一個(gè)為導(dǎo)通狀態(tài) 1，則另一個(gè)必須為關(guān) 斷狀態(tài) O。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 11 圖 電壓型三相逆變器模型 在圖 中，直流側(cè)為電壓源，是由市電經(jīng)過(guò)整流提供的。 U s 6 （ 1 1 0 ）αβΨ s ( t 2 )? Ψ s ( t )Ψ s ( t 1 )Ψ r ( t 2 )Ψ r ( t 1 )θ ( t 2 )θ ( t 1 )ω s 圖 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 逆變器以及基本空間矢量的概念和原理 在三相異步交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是非常重要的一個(gè)組成部分，它的主要功能是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電。而轉(zhuǎn)子磁鏈不直接跟隨定子磁鏈，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角由 ( )增加到 ( )，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 10 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響如圖 。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的性能，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定，要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)改變磁通角 來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。 ，母殺邊代表看一個(gè) 周期定子磁鏈軌跡的 1/6 ，稱(chēng)之為一個(gè)區(qū)段。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 9 U s 3 （ 0 0 1 ） U s 2 （ 0 1 1 ）U s 4 （ 1 0 1 ）U s 1 （ 0 1 0 ）U s 5 （ 1 0 0 ）U s 6 （ 1 1 0 ）s 6s 1s 5s 4s 3s 2βΨ s 圖 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關(guān)系 至此可以得到如下結(jié)論 : 頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量 的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對(duì)較小， 的運(yùn)動(dòng)軌跡近似平行 指示的方向 。到達(dá) 和 的交點(diǎn)時(shí)，若給逆變器加上電壓空間矢量 (101)，則定子磁鏈空間矢量 頂點(diǎn)會(huì)按照與 (101)平行的方向，沿著邊 的軌跡運(yùn)動(dòng)。 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。移項(xiàng)并積分可得定子磁鏈公式 ： ()()s s s ss s s su R i dtu R i dt? ? ?? ? ??? ? ???? ? ????? (22) 轉(zhuǎn)矩公式： ()e p s s s sT n i i? ? ? ?? ? ? ? (23) 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 1 weL ptdT T J nd?? (24) 式中 —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ N ） 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 8 J —— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg ） 上述三式就是三相交流異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓公式、磁鏈公式以及轉(zhuǎn)矩公式，它們共同組成了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，這就是本文接下來(lái)進(jìn)行控 制系統(tǒng)分析和研究的基礎(chǔ)。在建立三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，需要做出以下假設(shè) ： (1)忽略空間諧 波，假設(shè)三相定轉(zhuǎn)子繞組在空間上互相相差 1200 電角度，它們產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布； (2)渦流、磁飽和鐵芯損耗忽略不計(jì)，各相繞組的自感和互感都是線性的； 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 7 (3)不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ) 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 本文的主要目的是研究對(duì)交流三相異步電機(jī)的控制。 (4)控制器的設(shè)計(jì)。 (3)無(wú)速度傳感器的算法研究。 (2)磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的測(cè)量電機(jī)參數(shù)的方式是進(jìn)行堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)，但是這需要專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，造價(jià)昂貴，不利于大范圍的實(shí) 際應(yīng)用。各種研究和改進(jìn)主要集中在以下幾點(diǎn)： (1)電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)。因此，研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制算法是大勢(shì)所趨，非常必要。 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。而在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的李永東教授在低頻區(qū)間性能改善和死區(qū)補(bǔ)償方面提出了很多好的解決方案；上海大學(xué)的陳伯時(shí)教授也對(duì)直接轉(zhuǎn)矩算法有非常深入和有成效的研究；四川工業(yè)大學(xué)在直接轉(zhuǎn)矩控制用于電力機(jī)車(chē)方面有比較深入的研究。 雖然直接轉(zhuǎn)矩控制存在上述缺點(diǎn)，但是由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢(shì)，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)。 (2)由于采取根據(jù)控制信號(hào)選取開(kāi)關(guān)表控制逆變器開(kāi)關(guān)的方法，必然導(dǎo)致逆變器的開(kāi)關(guān)頻率 不能固定，變化較大，導(dǎo)致電流脈動(dòng)大且會(huì)影響逆變器的使用壽命。 但是，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法也存在一些明顯的不足，主要有以下幾條。相比于開(kāi)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)。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(lái)的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國(guó)教三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 5 授 Depenbrock 和日本學(xué)者 Takahashi 提出的。 (3)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的矢量控制技術(shù)，也稱(chēng)直接轉(zhuǎn)矩控制。 (1)基于恒壓頻比的標(biāo)量控制技術(shù)，也稱(chēng)Ⅵ控制。近年來(lái)，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。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(kāi)發(fā)和節(jié)約息息相關(guān)，還對(duì)我們未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。更重要的是，統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率極低，與國(guó)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(guó)本來(lái)就十分嚴(yán)峻的用電現(xiàn)狀可以說(shuō)更加不利。就交流調(diào)速系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，在很多港口碼頭、工廠車(chē)間、大型電站和大型船舶航天器的制造場(chǎng)所，對(duì)調(diào)速性能有著很高的要求，不僅要求速度精度高，還要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精確迅速。統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó) 60％的發(fā)電量是通過(guò)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)消耗的。在這些電