交流電機直接轉矩控制改進方案

1 前言
隨著現代電力電子、微電子技術和控制理論的發展，交流調速性能日益完善，足以和直流調速媲美，廣泛應用於工農業生產、交通、國防和日常生活。高性能的交流調速系統中主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種。直接轉矩控制是由德國的Depenbrock教授於1985年提出的。近年來，結合智能控制理論與直接轉矩控制理論，提出諸多基於模糊控制和人工工神經網絡的直接轉矩控制系統，進一步提高其控制性能。目前它已成為各種交流調速方法中研究最多、應用前景最廣的交流調速方法之一。

2 直接轉矩控制基本原理
直接轉矩控制原理是利用測得的電流和電壓矢量辨識定子磁鏈和轉矩，並與磁鏈和轉矩給定值相比較，將其差值輸入兩個滯環比較器，然後根據滯環比較器的輸出和磁鏈位置從開關表中選擇合適的電壓矢量，進而控制轉矩。其原理框圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/163772.htm

交流電機的轉矩表達式如下：

式中：δ為定、轉子磁鏈夾角，np為極對數。
轉子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個滯後慣性環節，當定子磁鏈改變時，認為轉子磁鏈不變。因此，從式(1)知道，如果保持定子磁鏈的幅值恆定，通過選擇電壓矢量，使定子磁鏈走走停停，改變定子磁鏈的平均旋轉速度，從而改變定、轉子磁鏈夾角，就能夠實現對轉矩的控制。從這裡看，直接轉矩控制的關鍵在於如何保持定子磁鏈恆定和改變磁鏈夾角。直接轉矩控制自提出以來，各國學者對其進行不斷改進，完善性能。這些方案雖然方法不同、原理各異，但都是期望選取適當電壓矢量來保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動。

3 直接轉矩控制改進方案
3．1 改進磁鏈辨識方法
直接測量定子磁鏈很麻煩而且成本很高，通常採用一些容易得到的變量(如U、I)來進行估算。常用的模型有U－I，模型、I-n模型和混合U-n模型。U－I模型表達式如下：

它簡單易實現，常用在高速場合，但採用純積分器，因此存在累計積分誤差、漂移和飽和等問題，文獻[2]給出一種低通濾波器取代純積分器，並對其進行補償，取得較好效果。低速時，直接轉矩控制系統中磁鏈、轉矩脈動較大。此時，定子電阻壓降所佔比例增大，不能忽略，經U－I，模型會產生誤差，從而導致磁鏈和轉矩脈動。採用精確辨識定子電阻來補償其壓降。當定子電阻壓降得到合適的補償，就能有效建立定子磁鏈，從而產生電磁轉矩。其他還有一些智能技術，如神經網絡、模糊技術也用於辨識定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識不精確，產生磁鏈轉矩誤差，從而選擇錯誤的電壓矢量，最終導致磁鏈和轉矩脈動。有時未採用識別定子電阻，而是直接對磁鏈進行補償以減小誤差，這樣就能從DTC開關表選擇正確的電壓矢量來減小轉矩和定子磁鏈的誤差，並逐漸減小速度誤差到零。這兩種方法可謂殊途同歸。
3．2 細分滯環比較器容差
Bang－Bang控制是直接轉矩控制系統的重要特點之一。通常磁鏈、轉矩滯環比較器由施密特觸發器構成，分別採用兩層和3層結構。由於滯環控制器固有的特性，導致轉矩波動過大，影響其在高精度交流伺服控制系統中的應用。文獻[3]提出採用兩級容錯的滯環比較器結構，它與傳統的調節器相比，可多輸出8種狀態，以開關表包含更多的磁鏈和轉矩狀態信息，更加細化了系統的運行特徵，從而增強控制效果。文獻[4]提出採用三點式轉矩調節器，結合兩點式磁鏈調節器，每個區間有4個工作電壓矢量和2個零矢量，比傳統方案多2個工作電壓矢量，以此獲得近圓形的磁鏈。當然也可以用PI取代轉矩滯環控制器。其控制原理為：根據給定轉矩與電機模型估計出轉矩之差，經PI調節後得到電機的轉差角速度，結合電機轉速計算出一個控制周期內定子磁鏈的角度增量。由於當前控制周期內的磁鏈矢量是已知量，從而實現對電機轉矩和磁鏈控制的目的。文獻[5]提出注入抖動法，在轉矩和磁鏈滯環內疊加一個高頻三角波，其幅值和滯環容差寬度相當，根據反饋值、△ψ和載波比較，根據差值來選擇適當的電壓矢量。三角波頻率增大．開關頻率也就得到提高。容差分級沒有一個明確的概念，是一個模糊量，因此文獻[6]引入模糊控制的概念，用模糊控制器取代滯環比較器和開關表，通過區分不同磁鏈誤差和轉矩誤差大小，做出不同決策來優化開關狀態的選取，從而改善系統性能。而在採用SVM技術的直接轉矩控制系統中，由於是根據每個控制周期的磁鏈和轉矩偏差來合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環比較器和開關表(可抽象看成將容差分為無限細。
3．3 增加逆變器輸出狀態
在傳統的直接轉矩控制系統中，通常採用三相兩點式逆變器．其結構如圖2所示。

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