異步電動機直接轉矩控制原理與展望

1、異步電動機直接轉矩控制原理與展望             一、引言電動機調速是各行各業(yè)中電動機應用系統(tǒng)的必需環(huán)節(jié)。直流電動機因其磁鏈與轉矩電流各自獨立，不存在耦合關系，能夠獲得很好的調速范圍和調速精度，靜、動態(tài)特性均比較好而獲得廣泛應用。交流（異步）電動機結構簡單卻因其磁鏈與電流強耦合，而且是多變量非線性系統(tǒng)，調速難度大，長期以來在調速系統(tǒng)的應用受到限制。直到近三十年來，一系列新型的傳動調速技術的出現(xiàn)才開始了交流傳動的新篇章。1交流傳動的發(fā)展簡述首先是變壓變頻調速系統(tǒng)（VVV

2、F），后來出現(xiàn)了矢量控制（FOC）和直接轉矩控制（DTC）調速系統(tǒng)。由于VVVF系統(tǒng)只是維持電動機內的磁鏈恒定，并沒有解決磁鏈和電流強耦合的問題，其調速范圍窄，調速性能也不佳。矢量控制是以轉子磁場定向，采用矢量變換的方法，通過兩次旋轉坐標變換，實現(xiàn)異步電動機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。但實際上由于轉子磁鏈很難準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，且計算也比較復雜。2矢量控制（FOC）和直接轉矩控制（DTC）的簡略對比（1）控制原理：FOC是在轉子磁通坐標系中，通過分別控制q軸和d軸定子電流分量，實現(xiàn)轉速和磁鏈的解耦控制。其實質是通過坐標變換重建的電動機數(shù)學模型等效為直流電動機，從而象直流電動

3、機那樣進行快速的轉矩和磁通控制。DTC是在定子坐標系下通過檢測電動機定子電壓和電流，采用空間矢量理論計算電動機的轉矩和磁鏈，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)轉矩和磁鏈的直接控制。（2）控制性能：FOC的調速范圍較寬（1：20200），調速精度較高，低速特性連續(xù)，響應速度較快，但受參數(shù)變化影響較大，且計算復雜，控制相對繁瑣。DTC的調速范圍較窄（1：15100），調速精度也較高，響應速度快，低速特性有脈動現(xiàn)象，但其不僅計算簡便，而且控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，動靜態(tài)性能均佳，有廣闊的應用前景。圖1異步電動機的空間矢量等效電路直接轉矩控制的基本思想是在準確觀測

4、定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準確計算負載轉矩的條件下，通過控制電動機的瞬時輸入電壓來控制電機定子磁鏈的瞬時旋轉速度，來改變它對轉子的瞬時轉差率，達到直接控制電機輸出的目的。二、數(shù)學模型1異步電動機轉矩的數(shù)學模型異步電動機的空間矢量等效圖如圖1所示該等效電路是在正交坐標系（-坐標系）上描述異步電動機的。其中：US（t）-定子電壓空間矢量iS（t）-定子電流空間矢量ir（t）-轉子電流空間矢量U（t）-定子磁鏈空間矢量r（t）-轉子磁鏈空間矢量-電角速度則異步電動機在定子坐標系上各方程可表示電壓方程： （1）（2）磁鏈方程： （3）（4）轉矩方程： （5）若用轉子磁鏈代替定子電

5、流，轉矩方程將變成如下形式：（6）或 (7)是磁通角，即定子磁鏈與轉子磁鏈之間的夾角。在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電動機，而轉子磁鏈的幅值由負載決定。如果要改變異步電動機的轉矩，可通過改變磁通角來實現(xiàn)。2異步電動機磁鏈的數(shù)學模型目前磁鏈模型主要有三種，分別適用于不同轉速下應用。（1）u-i模型在30%額定轉速以上，采用u-i模型，其表達式為：（8）從此式可看出，在計算過程中唯一所需了解的電動機參數(shù)是易于確定的定子電阻。同樣，定子電壓us（t）和轉子電流is（t）也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來。計算出定子磁鏈后，再把定子磁鏈和測量所得的定子電流代入式

6、（5）就可計算出電動機的轉矩。此模型中關鍵是要準確確定定子磁鏈，即要求定子電壓和定子電阻壓降之間的差值存在且誤差可忽略，而只有在30%額定轉速以上時才能達到這一要求。（2）i-n模型在30%額定轉速以下，由于定子頻率很低（僅有幾赫茲），電動機端電壓很小，定子電阻RS的變化導致u-i模型中積分項is（t）RS誤差較大，故采用i-n模型，其表達式為：（9）（10）在30%額定轉速以下范圍，磁鏈只能根據(jù)轉速來正確計算。在i-n模型中正是用定子電流與轉速來確定定子磁鏈。該模型在這個轉速范圍內是合適的。但要注意在使用i-n模型時要求準確測量角速度，這是因為角速度的測量誤差首先引起轉子磁鏈的誤差，再由轉子

7、磁鏈的誤差引起定子磁鏈的誤差，最終引起轉矩誤差，故對轉速要求有較高精度的測量。         對于u-i模型和i-n模型的應用必須有合理的安排，不同的轉速范圍應采用不同的磁鏈模型。在高速時采用u-i模型，因其模型不僅簡單，而且精度也高，受參數(shù)的影響??；在低速時采用i-n模型，因為低速時受定子電阻的影響u-i模型已不能正確工作。（3）u-n模型由于在由u-i模型向i-n模型切換時，快速平滑切換的困難使得這種解決方案產生問題，而u-n模型是一個在全速范圍都實用的磁鏈模型。u-n模型綜合了u-i模型和i-n模型的特點，

8、由上面所提到的轉子方程式（10）和定子方程式（1）及磁鏈方程式（3）、（4）組成。關鍵在于使用了電流PI調節(jié)器，強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等，同時精度大大提高，缺點是結構比較復雜。通過使用u-n模型，解決了u-i模型向i-n模型快速平滑切換問題，并且使電動機在高速時工作在u-i模型下，低速時工作在i-n模型下。圖2直接轉矩控制原理框圖3直接轉矩控制的控制模型及控制原理綜合上述的異步電動機轉矩和磁鏈模型，采用直接轉矩控制的控制思想，可得到直接轉矩控制的控制模型。直接轉矩控制的控制原理框圖如下圖所示。由此圖可看到控制時需檢測出直流母線電壓和定子電流，再按下式(11)進行坐標變換到靜止的

9、定子坐標系（，）上。其中：xa（t），xb（t），xc（t）是定子相應量的瞬時值， 是空間矢量，x（t），x（t）是（，）坐標系上的兩個分量。在，方向計算實際的磁通值和轉矩值作為反饋分別與磁通給定構成閉環(huán)，同時還要計算出磁通所在扇區(qū)位置，最終通過轉矩差、磁通差、磁通扇區(qū)，進行bang-bang控制，利用逆變器的開關特點，通過不斷切換電壓狀態(tài)，即不斷切換電壓空間矢量，使定子磁鏈軌跡接近圓形，并通過零點壓矢量的穿插來改變轉差頻率，以控制電動機的轉矩及其變化率，從而使異步電動機的磁鏈和轉矩同時按要求快速變化。三、直接轉矩控制的缺陷及改進方案直接轉矩控制理論和技術有許多優(yōu)點，如計算簡便，控制結構相對簡

10、單，動態(tài)響應快，參數(shù)魯棒性好。然而作為一種誕生不久的新理論、新技術，自然有其不完善不成熟之處，有些問題甚至成為它發(fā)展難以逾越的障礙。一個是在低速區(qū)，由于定子電阻的變化帶來了一系列問題。主要是定子電流和磁鏈的畸變非常嚴重，盡管有前面提到的i-n模型，使其表達式中不含RS，不受定子電阻的影響，但它受轉子電阻Rr、漏電感L、主電感L變化的影響。此外還要求準確測量，的測量誤差對i-n模型的影響很大。不過在全速范圍內調速應用改進方案即u-n模型還是切實可行的，對此模型前面已有詳細說明，不再贅敘。另外低速時轉矩脈動、死區(qū)效應、開關頻率問題也比較突出。上下橋臂同時導通造成直流側短路，引入足夠大的互鎖延時，帶

11、來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使得逆變器輸出電壓失真，于是又產生電流失真，加劇脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題。改進方案主要有三個（1）使用改進的開關表，改進控制參數(shù)與開關量之間的對應關系，使之產生更優(yōu)的控制電壓波形。（2）以PWM和SVM技術實現(xiàn)DTC固定開關頻率運行方案。（3）引入模糊控制和智能控制，用軟件來解決轉矩脈動問題。（4）磁通軌跡改善。采用矢量細分法，消除所選矢量在某些區(qū)域的不對稱作用而使磁通的軌跡得到改善，并且在磁通旋轉速度上也提高了對稱性，消除了電流的畸變。四、直接轉矩控制技術發(fā)展的展望隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，直接轉矩控制技術必將有所突破?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應用于DTC技術，為改進DTC系統(tǒng)提供了堅實的理論依據(jù)；同時高性能的數(shù)字處理器（DSP）的出現(xiàn)，為改進DTC系統(tǒng)提供了強大的物質基礎。尤其是目前數(shù)字化潮流勢不可擋，各行各業(yè)都向數(shù)字化靠攏。如智能IPM整合了DSP控制器，將電機控制的大部分電路集成到標準封裝的模塊中，集成了IGBT模塊，IGBT驅動電路、電壓電流反饋、保護模塊和DSP控制模塊，使得控制結構愈發(fā)簡單，控制性能與控制精度、響應速度均得到提高。特別是DSP芯片在直接轉矩控制系統(tǒng)中的應用為解決低速區(qū)的問題提供了可能，因為只要實現(xiàn)了對定子電阻的準確辨識