【正文】 制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高、成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價格比?；诜€(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制方式，如轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制等控制策略，己經(jīng)不能滿足高精度的工藝要求。該方法模仿直流電機控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，運用矢量變換的方法實現(xiàn)了電機定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的完全解耦，將異步電機等效成直流電機。 然而，矢量控制采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電機轉(zhuǎn)子電阻和電感，因此，容易受到電機 轉(zhuǎn)子側(cè) 參數(shù)的影響。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上， 1985 年，德國魯 爾大學(xué)的 教授和日本的 教授分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論 [4][5]。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動靜態(tài)性能受到了普遍的 關(guān)注并得到了 迅速的發(fā)展 [6]。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 直接轉(zhuǎn) 矩 控制在理論 和技術(shù) 上 有許多優(yōu)點 ， 但是作為新興的技術(shù)，還存在諸多不完善的地方，而這些問題恰恰成了目 前直接 轉(zhuǎn)矩 控制技術(shù)的研究熱點，吸引了該領(lǐng)域廣大專家學(xué)者進(jìn)行研究。對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制來說，定子磁鏈的幅值和相角是決定電壓矢量選擇的關(guān)鍵因素。 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制常用的磁鏈模型有三種：電壓模型、電流模型和 基于電壓電流模型切換的 混合模型 [3]。缺點是存在純積分環(huán)節(jié)，必然帶來直流 偏移 和初始值問題，導(dǎo)致低速時誤差較大，且定子電阻易受溫度影響。電流模型不受定子電阻變化的影響，低速性能較好?；旌夏Ｐ途C合了電壓模型和電流模型的優(yōu)點，在電機運行在高速時采用電壓 模型，運行在低速時采用電流模型，因此存在模型切換的問題。針對電壓模型低速時易受定子電阻影響的問題，文獻(xiàn) [7]提出了一種新型的定子磁鏈觀測模型 ,采用一階低通濾波器替換 電壓 模型中的純積分環(huán)節(jié) ,并引入 PI 閉環(huán)校正環(huán)節(jié)來補償磁 鏈觀測的直流 偏移 誤差 。文獻(xiàn) [8]分析了磁鏈觀測存在的問題 ,在定子磁鏈定向的同步坐標(biāo)系下 ,以位置角為反饋量 ,采用閉環(huán)雙積分結(jié)構(gòu) ,分別估計了定子磁鏈的幅值和相位。 但是該方案受到位置角估計精度的影響較大。 無速度傳感器技術(shù) 鑒于安裝速度傳感器會使控制系統(tǒng)的成本增加，可靠性變差。無速度傳感器技術(shù)常用的速度估計方法包括 :模型 參考 自適應(yīng)法（ MRAS）、擴 展卡爾曼濾波法 （ EKF） 、高頻信號注入法、滑模觀測法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估計方法等。文獻(xiàn) [11]提出了一種以電機的瞬時無功作為輔助變量的 MRAS 方法估計轉(zhuǎn)速，避免了積分環(huán)節(jié)，對電機參數(shù)魯棒性較好，計算量小，收斂速度決，速度估 計精確較高。 該 方法的參考模型和可調(diào)模型分別 由 電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的方程構(gòu)成。為了避免 對定 子 電流的純微分 ， 該文應(yīng)用微分跟蹤器以提取高質(zhì)量的微分信號，仿真和實驗效果較好。 文獻(xiàn) [14]提出了擴展卡爾曼 濾波法。擴展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計方法，避免了對測量值的微分計算，可有效抑止噪聲干擾，提高轉(zhuǎn)速估計的準(zhǔn)確度。 文獻(xiàn) [11]利用 EKF算法 ,通過測量電機的端電壓和流過定子線圈的電流在線估計電機轉(zhuǎn)子的位置和速度，利用模糊自適應(yīng)機構(gòu)替代常規(guī)自適應(yīng)機構(gòu) ,構(gòu)成一個模 型參考模糊自適應(yīng)系統(tǒng)。 高頻信號注入法是向電機端部注入三相旋轉(zhuǎn)高頻信號（ 250Hz），使轉(zhuǎn)子凸極呈現(xiàn)一定的效應(yīng)，通過檢測轉(zhuǎn)子凸極的位置，就可以獲得轉(zhuǎn)子的位置和速度。缺點是諧波的注入影響了電流波形，增加了電機損耗，且只適合低速，高速時信號濾波分離困難 [15][16]。文獻(xiàn) [17]針對交流電機的時變、非線性、多變量、強耦合的特性， 運用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論 ,設(shè)計了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制器 ,并對常規(guī)滑?？刂破鞔嬖诘亩秳訂栴}提出一種改善方法 ,即在滑模控制器后加一個模糊比例積分環(huán)節(jié) 。文獻(xiàn) [18]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實時估計，算法中基 本 上消除了純積分和定子電阻對控制系統(tǒng)的影響，獲得了較寬的調(diào) 速范圍 ，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜。 自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制理論的一個分支。與傳統(tǒng)的反饋控制器相比，自適應(yīng)控制器包含一個自適應(yīng)機構(gòu)。自適應(yīng)控制這種特點在磁場定向解耦控制中的應(yīng)用比較廣泛，通過自適應(yīng)控制或校正技術(shù)將能夠正確決定磁場的位 置和大小，保證磁場與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 滑模變結(jié)構(gòu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個新的研究方向。因此，將滑模變結(jié)構(gòu) 控制引入到直接轉(zhuǎn)矩控制中，可以降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動、改善低速性能。它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架 ,不依賴或不完全賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型 ,只按實際效果進(jìn)行控制； 繼承了人腦的非線性思維，能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能；針對復(fù)雜系統(tǒng)具有分層信息處理和決策的功能。文獻(xiàn) [19]和文獻(xiàn) [20]應(yīng)用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)消 除 了觸發(fā)器的容差影響，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗擾動能力強的特點。 為了 解決這個問題 ， 文獻(xiàn) [21]采用遺傳算法來學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬度函數(shù)分布，以達(dá)到進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度與減小轉(zhuǎn)矩脈動的目的。 本論文的研究內(nèi)容 本文作者在了解國內(nèi)外異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究狀況的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的不足，針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了仿真和實驗研究，采取了一些改進(jìn)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的措施，主要工作如下： 對于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器輸出電壓矢量單一、開關(guān)器件利用率低和開關(guān)頻率不固定等問題，研究了空 間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) ，并和 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng) 做了 仿真比較。第一種改進(jìn)方法采用具有飽和反饋的積分器，該算法可以 消除直流偏移問題，但是卻帶來了幅值和相位的誤差。第三種是在第二種方法的幅值補償環(huán)節(jié)中采用了自適應(yīng)控制，該方法增強了磁鏈對定子電阻的魯棒性，提高了磁鏈觀測的精度。無差拍控制 可以克服滯環(huán)控制的不足，其主要思想是在一個采樣周期內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差 和 空間電壓矢量之間的關(guān)系組成方程組，通過解方程組就可以求出下一個采樣周期使轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量， 從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制 [23]。為此，研究了一種新的無差拍控制方法，在定子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分析和計算電壓矢量，通過定子磁鏈和電流的坐標(biāo)變換求出所需的電壓矢量。通過配置磁鏈觀 測模型，采 用匯編語言在 DSP 實驗平臺上對其 正確性進(jìn)行了 初步的實驗驗證 。 本文應(yīng)用 擴展卡爾曼濾波 算法對電機 轉(zhuǎn)速 進(jìn)行了 估計，仿真 結(jié)果表明，采用 擴展卡爾曼濾波 算法 能夠在較低的轉(zhuǎn)速下獲得 較好 的估計效果，同時對于定子電流還有 一定 的適應(yīng)能力。直接轉(zhuǎn)矩控制 避免了矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變 換，去掉了 PWM 脈寬調(diào)制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并利用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，是基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的滑差控制 [24]。 20 多年來，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多學(xué)者從不同角度提出新的見解和方法，使控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高。 三 相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組在空間對稱分布 (在空間互差 120 )，各相電流所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦 規(guī)律分布； （ 2）忽略磁路飽和。 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，電機的電壓和電流都是在靜止的坐標(biāo)系中測量得到的，因此采用靜止的定子坐標(biāo)系較為方便。 21 msrLLL??? ，異步電機漏磁系數(shù)。利用逆變器 6 個功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合 ,以及開關(guān)時間 的調(diào)整 ,可以實現(xiàn)電壓空間矢量的圓形運動軌跡。 定 義 開 關(guān) 函 數(shù)? ? ? ? ? ? ? ?2 / 3 4 / 3 , , 1 1 12 jja b cS S e S edcs a b c Eu S S S ????? ? ? ? ? ? ?????，開關(guān)向量 ? ?Ta b cS S S 共有328? 種開關(guān)模式，分別是 000、 00 0 01 100、 10 1 111，對應(yīng) 8 個電壓矢量 ? ?0 000U 、 ? ?1 100U 、 ? ?2 110U 、 ? ?3 010U 、 ? ?4 011U 、 ? ?5 001U 、 ? ?6 101U 、 ? ?7 111U ,其中 ? ?0 000U 和 ? ?7 111U 為兩個零電壓矢量。 ? ?? ?? ?1[]31[ ] 31[]3a a a b c dcb b a b c dcc c a b c dcu S S S S Uu S S S S Uu S S S S U? ? ? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ??? (27) 式中 au， bu ， cu — ,ABC 三相 相電壓 dcU — 直流母線電壓 電壓矢量可以表示為： ? ?2 / 3 4 / 323 jjs a b cu u e u e??? ? ?u (28) 在兩相靜止坐標(biāo)系 ??? 平面上，各電壓矢量如圖 22 所示。 3/2ss變換見公式 (29)。定子磁鏈可以根據(jù) ui? 模型求得，見公式 (210)。重寫公式 (24)如下： ( ) ( )e p s s s s p s sT N i i N i? ? ? ?? ? ?? ? ? ? (24) 將磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器求得的定子磁鏈 s? 和轉(zhuǎn)矩 eT 分別與給定值 *s? 和 *eT 比較，將比較產(chǎn)生的誤差信號 s?? 和 eT? 分別送入滯環(huán)控制器中。 s??TS10 1S?eT?10 a）磁鏈控制器 b）轉(zhuǎn)矩控制器 圖 23 控制器特性 Characters of flux and torque controller a) Flux controller。 1 , ,1 , ,0 , ,eTT e TT e TTHS T HH T H? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ??增 加 轉(zhuǎn) 矩減 小 轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 矩 不 變 (212) 式中 *e e eT T T? ? ? TS — 轉(zhuǎn)矩 控制器的輸出信號 TH — 轉(zhuǎn)矩控制器的總滯環(huán)帶寬 此外，磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器還計算定子磁鏈 s? 的相角 ? ，并確定其所在的扇區(qū)。 ?? (1)?(2)?(3)?(4)? (5)? (6)? 圖 24 扇區(qū)劃分 The distribution of the plane 將上面求得的信號 ? ?, TS S n? ?和 送入開關(guān)狀態(tài)選擇單元，通過查表的方式產(chǎn)生逆變器所需的開關(guān)狀態(tài)，控制逆變器產(chǎn)生合適的電壓矢量。 開 關(guān) 狀態(tài) 選 擇單 元I MS?磁 鏈 轉(zhuǎn) 矩觀 測 器?P I 調(diào) 節(jié) 器*??+ + + *eT *s?s? eTs??eT??si ?iTS32su ?s?aubucuai bi ci 圖 25 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖 Block diagram of DTC system 下面對直接 轉(zhuǎn)矩 控制 的控制策略做如下說明： 重寫電機定子磁鏈公式 ? ?( ) ( ) ( )ss s st u t R i t dt? ??? (213) 忽略定子電阻 sR ，并將公式 (213)離散化，得 ( 1 ) ( ) ( )s s s sk k u k T??? ? ? (214) 或者 s s suT??? (215) 式中 sT— 采樣周期 公式 (215)表明，定子磁鏈增量 s?? 為電壓矢量 su 與采樣周期 sT 的乘積，即定子磁鏈增量 s?? 與逆變器的六個非零電壓矢量之間存在一定的關(guān)系，如圖 26a)所示。 在某一時刻，磁鏈在圖中的 A 點，當(dāng)下一時刻磁鏈超出圖中 A點所在 的環(huán)時，應(yīng)該減小磁鏈，由公式 (211)知 1S?? 。磁鏈沿 3U 的方向到達(dá)圖中 B 點，此時， 1S?? ，如果 1TS? 此時 1S?? ，1TS? ，磁鏈在 ??2? 扇區(qū)，應(yīng)選擇電壓矢量 4U 。 b) Selection of inverter 如此下去，磁鏈就被控制在以磁鏈幅值 *s? 為半徑，容差帶寬為 2H? 的圓環(huán)內(nèi) [29]。 表 21 開關(guān)狀態(tài)選擇表 Table21 Switching section S? 1 0 TS 1 0 1 1 0 1 (1)? 2U 0U 6U 3U 7U 5U (2)? 3U 7U 1U 4U 0U 6U (3)? 4U 0U 2U 5U 7U 1U (4)? 5U 7U 3U 6U 0U 2U (5)? 6U 0U 4U 1U 7U 3U