永磁無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

1、永磁無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)本章首先對(duì)比分析永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，介紹了永磁無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的思想、數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分析比較兩種電機(jī)不同的控制策略，將直接轉(zhuǎn)矩控制方法應(yīng)用于永磁無刷直流電機(jī)的控制，以期達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想1985 年，德國魯爾大學(xué)教授 Depenbrock 首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（ Direct Torque Control，簡稱 DTC）的理論，到 1987 年又推廣到弱磁調(diào)速范圍。這種控制方式使定子磁鏈按照正六邊形軌跡運(yùn)動(dòng)，由于正六邊形的六條邊分別與 6非零電壓空間矢量相對(duì)應(yīng)，因此可以通過三個(gè)施密特觸發(fā)器來簡單切換

2、逆變器的 6個(gè)工作狀態(tài)，直接通過6 個(gè)非零電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)磁鏈軌跡跟蹤控制。與其他方式相比，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，在輸出同頻率時(shí)元件開關(guān)次數(shù)最少，開關(guān)損耗低，因而在要求元件開關(guān)頻率不太高的大功率場合得到廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)已成功地應(yīng)用于兆瓦級(jí)交流電氣傳動(dòng)機(jī)車上，如德國的大功率 GTO 電力機(jī)車、SIEMENS 公司研制的樣車 EUROSPRINTER 等等。由于在這種方法中定子磁鏈?zhǔn)前凑樟呅诬壽E運(yùn)動(dòng)的，因而電壓、電流波形畸變比較嚴(yán)重，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，會(huì)在一定程度上限制直接轉(zhuǎn)矩控制的性能發(fā)揮。 直接轉(zhuǎn)矩的另一種形式是由日本學(xué)者 ITakahash 提出的，是一種定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓的控

3、制方案。這種方法通過實(shí)現(xiàn)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差，結(jié)合電機(jī)定子磁鏈的空間位置來選擇相應(yīng)的開關(guān)矢量。由于磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形，因而能在一定程度上減少電壓、電流中的諧波含量，但控制系統(tǒng)顯得更復(fù)雜一些，這種控制方式充分發(fā)揮新型電力電子器件（如 IGBT、IPM 等）的開關(guān)頻率優(yōu)勢，因此在中小功率場合得到極其廣泛的應(yīng)用。 和矢量控制思想不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測定子電壓和電流，借助瞬時(shí)電壓空間矢量調(diào)制理論計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并根據(jù)與給定值進(jìn)行比較所得的差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。因此，該方案一經(jīng)提出就有很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究論證，并力圖轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用

4、。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)之一，它的優(yōu)異動(dòng)態(tài)性能以及對(duì)電機(jī)參數(shù)的魯棒性，引起了國內(nèi)外電力電子技術(shù)界和電機(jī)產(chǎn)業(yè)界的熱切關(guān)注。 直接轉(zhuǎn)矩控制方法的基本思路是把電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系上進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過選擇逆變器不同的開關(guān)狀態(tài)直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。不同于矢量控制技術(shù)，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是直接以轉(zhuǎn)矩作為被控制量進(jìn)行控制。因此它并非要極力獲得理想的正弦波波形，也不是專門強(qiáng)調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要模

5、仿直流電機(jī)的控制，也不需要為解禍而簡化交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。直接轉(zhuǎn)矩控制中磁場定向采用定子磁鏈，定子磁鏈計(jì)算過程中存在的電機(jī)參數(shù)只有定子電阻，這是一個(gè)比較容易得到的參數(shù);而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感，而得到這兩個(gè)參數(shù)比較復(fù)雜、困難。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴與矢量控制相比要小很多，控制性能，受參數(shù)變化影響也比較小。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比，它的主要特點(diǎn)有(1)直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)

6、行比較、等效和轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，省掉了復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換與計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作簡單，所用的控制信號(hào)易于觀測，能夠?qū)涣麟姍C(jī)的物理過程做出直接明確的判斷； (2)直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，而矢量控制的磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈軸（在異步電機(jī)中），觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題； (3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓空間矢量的概念來分析三相交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使得問題更簡單明了； (4)直接轉(zhuǎn)矩

7、控制強(qiáng)調(diào)的是對(duì)轉(zhuǎn)速的直接控制效果，因?yàn)闊o論是直流傳動(dòng)還是交流傳動(dòng)，無論電機(jī)處于動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)的根本問題都是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)經(jīng)過將近20年的發(fā)展，各方面性能都在不斷提高，并已進(jìn)入實(shí)用階段，國外目前已經(jīng)成功應(yīng)用于大功率高速電力機(jī)車、地鐵和城市有軌電車的主傳動(dòng)系統(tǒng)中。例如穿越英吉利海峽的高速列車采用的就是這種控制系統(tǒng)；德國和日本在這方面的研究都居于世界領(lǐng)先地位。當(dāng)前研究主要側(cè)重于以下幾個(gè)方面： (1)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的細(xì)化改進(jìn)；(2)智能開關(guān)狀態(tài)選擇器的研究；(3)電壓矢量選擇方式的改進(jìn)；(4)改善低速性能的研究；(5) 無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。總之，直接轉(zhuǎn)矩控制

8、的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。現(xiàn)代控制理論和智能控制理論（如模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）是人們改進(jìn) DTC 系統(tǒng)最主要的理論依據(jù)。高性能的數(shù)字處理器 DSP 和眾多新型電力電子器件的出現(xiàn)，則更為改進(jìn)DTC 系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，人們對(duì) DTC 系統(tǒng)的研究往往還是從改善系統(tǒng)某些性能出發(fā)，對(duì)所用的理論思想進(jìn)行部分的改進(jìn)，也就是說整個(gè)領(lǐng)域的研究還是基本停留在一個(gè)局部完善的水平上的，而沒有達(dá)到全面提高的層次。因此，追求整體性能最優(yōu)將成為今后直接轉(zhuǎn)矩控制研究的主要方向。直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControlDTC），國外的原文有的也稱為Directself-controlDSC，

9、直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，DTC）變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。20世紀(jì)80年代中期，德國魯爾

10、大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案和圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到弱磁調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band）產(chǎn)生PWM波信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡化處理，沒有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。針對(duì)其不

11、足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對(duì)于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究在實(shí)際應(yīng)用中，安裝速度傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實(shí)用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的研究方向，且取得了一定的成果。對(duì)轉(zhuǎn)子速度估計(jì)的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)法、磁鏈位置估計(jì)法、狀態(tài)觀測器位置估計(jì)法和檢測電機(jī)相電感變化法等。有的學(xué)者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適

12、當(dāng)?shù)膮?shù)自適應(yīng)律，速度辨識(shí)器就可以比較準(zhǔn)確地辨識(shí)出電機(jī)速度。（2）定子電阻變化的影響直接轉(zhuǎn)矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應(yīng)用磁鏈的u-i磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；但在低速時(shí)定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠?qū)Χㄗ与娮柽M(jìn)行在線辨識(shí)，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前，常用的方法有參考模型自適應(yīng)法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊理論構(gòu)造在線觀測器的方法對(duì)定子電阻進(jìn)行補(bǔ)償，研究結(jié)果表明，在線辨識(shí)是一個(gè)有效的方法。（3）磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進(jìn)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)

13、矩控制一般對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結(jié)果來確定電壓矢量。因?yàn)椴煌碾妷菏噶繉?duì)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實(shí)時(shí)值來合理的選擇電壓矢量，才能有可能使轉(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)過程達(dá)到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細(xì)，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。（4）死區(qū)效應(yīng)的解決為了避免上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通造成直流側(cè)短路，有必要引入足夠大的互鎖延時(shí)，結(jié)果帶來了死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時(shí)，問題更嚴(yán)重，還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。死區(qū)效應(yīng)的校正，可由補(bǔ)償電路檢測并記錄死區(qū)時(shí)

14、間，進(jìn)行補(bǔ)償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性?？捎密浖?shí)現(xiàn)的方法，即計(jì)算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補(bǔ)償電壓指令表，再用前向反饋的方式補(bǔ)償，這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學(xué)者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它也不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電

15、磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時(shí)也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動(dòng)機(jī)模型，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進(jìn)一步得到高性能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。需要說明的是，直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器采用不同的開關(guān)器件，控制方法也有所不同。Depenbrock最初提出的直接自控制理論，主要在高壓、大功率且開關(guān)頻率較低的逆變器控制中廣泛應(yīng)用。目前被應(yīng)用于通用變頻器的控制方法是一種改進(jìn)的、適合于高開關(guān)頻率逆變器的方法。1995年ABB公司首先推出的ACS600系列直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度已達(dá)到2ms，在帶速度傳感器PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土0.0