交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方案

2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理
直接轉(zhuǎn)矩控制原理是利用測(cè)得的電流和電壓矢量辨識(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值相比較，將其差值輸入兩個(gè)滯環(huán)比較器，然后根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出和磁鏈位置從開關(guān)表中選擇合適的電壓矢量，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)矩。其原理框圖如圖1所示。

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：

式中：δ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，np為極對(duì)數(shù)。
轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個(gè)滯后慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)定子磁鏈改變時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈不變。因此，從式(1)知道，如果保持定子磁鏈的幅值恒定，通過(guò)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(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。從這里看，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵在于如何保持定子磁鏈恒定和改變磁鏈夾角。直接轉(zhuǎn)矩控制自提出以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行不斷改進(jìn)，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(dāng)電壓矢量來(lái)保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動(dòng)。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方案
3．1 改進(jìn)磁鏈辨識(shí)方法
直接測(cè)量定子磁鏈很麻煩而且成本很高，通常采用一些容易得到的變量(如U、I)來(lái)進(jìn)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(dá)式如下：

它簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，常用在高速場(chǎng)合，但采用純積分器，因此存在累計(jì)積分誤差、漂移和飽和等問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]給出一種低通濾波器取代純積分器，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，取得較好效果。低速時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。此時(shí)，定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，經(jīng)U－I，模型會(huì)產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用精確辨識(shí)定子電阻來(lái)補(bǔ)償其壓降。當(dāng)定子電阻壓降得到合適的補(bǔ)償，就能有效建立定子磁鏈，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其他還有一些智能技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)也用于辨識(shí)定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識(shí)不精確，產(chǎn)生磁鏈轉(zhuǎn)矩誤差，從而選擇錯(cuò)誤的電壓矢量，最終導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。有時(shí)未采用識(shí)別定子電阻，而是直接對(duì)磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差，這樣就能從DTC開關(guān)表選擇正確的電壓矢量來(lái)減小轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，并逐漸減小速度誤差到零。這兩種方法可謂殊途同歸。
3．2 細(xì)分滯環(huán)比較器容差
Bang－Bang控制是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一。通常磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器由施密特觸發(fā)器構(gòu)成，分別采用兩層和3層結(jié)構(gòu)。由于滯環(huán)控制器固有的特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大，影響其在高精度交流伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]提出采用兩級(jí)容錯(cuò)的滯環(huán)比較器結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器相比，可多輸出8種狀態(tài)，以開關(guān)表包含更多的磁鏈和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)信息，更加細(xì)化了系統(tǒng)的運(yùn)行特征，從而增強(qiáng)控制效果。文獻(xiàn)[4]提出采用三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，結(jié)合兩點(diǎn)式磁鏈調(diào)節(jié)器，每個(gè)區(qū)間有4個(gè)工作電壓矢量和2個(gè)零矢量，比傳統(tǒng)方案多2個(gè)工作電壓矢量，以此獲得近圓形的磁鏈。當(dāng)然也可以用PI取代轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器。其控制原理為：根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與電機(jī)模型估計(jì)出轉(zhuǎn)矩之差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)差角速度，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出一個(gè)控制周期內(nèi)定子磁鏈的角度增量。由于當(dāng)前控制周期內(nèi)的磁鏈?zhǔn)噶渴且阎浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的目的。文獻(xiàn)[5]提出注入抖動(dòng)法，在轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)內(nèi)疊加一個(gè)高頻三角波，其幅值和滯環(huán)容差寬度相當(dāng)，根據(jù)反饋值、△ψ和載波比較，根據(jù)差值來(lái)選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶俊Ｈ遣l率增大．開關(guān)頻率也就得到提高。容差分級(jí)沒有一個(gè)明確的概念，是一個(gè)模糊量，因此文獻(xiàn)[6]引入模糊控制的概念，用模糊控制器取代滯環(huán)比較器和開關(guān)表，通過(guò)區(qū)分不同磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差大小，做出不同決策來(lái)優(yōu)化開關(guān)狀態(tài)的選取，從而改善系統(tǒng)性能。而在采用SVM技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于是根據(jù)每個(gè)控制周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差來(lái)合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環(huán)比較器和開關(guān)表(可抽象看成將容差分為無(wú)限細(xì)。
3．3 增加逆變器輸出狀態(tài)
在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通常采用三相兩點(diǎn)式逆變器．其結(jié)構(gòu)如圖2所示。