直接轉矩控制鉆機絞車驅動系統研究

牛 軍商義葉 趙 磊

（1.濟南職業學院 山東 濟南 250103；2.山東天宇建設機械股份有限公司 山東 齊河 251100）

直接轉矩控制方法是在1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授首次提出并取得實驗成功，它相對于經典的矢量控制有如下的特點：

（1）在定子坐標系下分析交流機的數學模型，直接控制磁鏈和轉矩，不需要與直流機作比較、等效、轉化等，省去復雜的計算；

（2）以定子磁場定向，只需定子參數，不需隨轉速變化的、難以測定的轉子參數，大大減少了參數變化對系統性能的影響；

（3）采用電壓矢量和六邊行磁鏈軌跡，直接控制轉矩；

（4）對轉矩、磁鏈都采用兩點式調節器，把誤差限制在容許范圍內，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能[1]。

1 直接轉矩控制策略原理

直接轉矩控制的原理仍是采用空間矢量分析的方法，但由于實時電壓、電流和轉矩檢測經電動機數學模型算出實際磁鏈位置，根據對電動機運行狀態（轉動方向、轉矩大小、負載變化等）的要求，確定逆變器應輸出的電壓狀態，從而完成對電機的控制。

直接轉矩（DTC）的控制策略：

式中，2HBψ為磁鏈控制器的總滯環帶寬。給定磁鏈矢量的圓形軌跡在滯環內沿逆時針方向旋轉。實際的定子磁鏈ψs被控制在滯環帶內并以之字形軌跡跟蹤給定磁鏈。轉矩控制環為三電平輸出，如下式：

磁鏈和轉矩反饋信號根據電機端電壓和電流信號計算得到，信號計算模塊還計算獲得磁鏈矢量ψs所在的扇區數S（k）。共有6個扇區（每個扇區占 π/3）。 電壓矢量表模塊接受輸入 Hψ、HTe和 S（k），通過查表方式為逆變器產生適應的控制電壓矢量（即控制電力器件的開關狀態）。逆變器的8個電壓矢量（6個非零矢量和2個零矢量）和典型的ψs矢量。如果忽略定子電阻Rs，可得下式：開始旋轉。通過查表1，可以選擇適當的電壓矢量作用于系統，其電壓矢量實際上同時對系統的轉矩和磁鏈進行控制。磁鏈軌跡段AB、BC、CD和DE對應的電壓矢量分別為V3、V4、V3和V4。由△ψs導致的轉矩增量。值得注意的是，在電壓矢量Vs作用下，定子磁鏈矢量變化得很快，而由于存在一個大時間常數Tr，轉子磁鏈矢量ψr卻變化得很緩慢。由于ψr相當于被濾波，因此它會以頻率ωe平穩旋轉，而定子磁鏈ψs的旋轉是不平穩的。然而，在穩態時，兩者的平均速度是一樣的。表2中歸納了各個電壓矢量作用下，定子

上式表明，磁鏈矢量ψs的增量為電壓矢量Vs與時間增量△t的乘積，也就是說電機剛上電時，在零頻（直流）定子電壓作用下，電機磁鏈沿著徑向軌跡OA逐漸建立起來。當額定磁鏈被建立以后，系統發出給定轉矩命令，并且給定磁鏈矢量磁鏈和轉矩變化量的大小和方向。可見，電壓矢量V1、V2和V6的作用會使磁鏈增加；而當V3、V4和V5作用時，磁鏈會減少。同樣地，電壓矢量 V2、V3和 V4作用時，轉矩會增加；V1、V5和 V6作用時，轉矩會減少。零矢量（V0和V7）使電機終端短路，此時保持磁鏈和轉矩不變，但是由于存在一定的定子電阻（Rs）壓降，轉矩和磁鏈在電機終端短路時會略有減小。

表1 逆變器電壓矢量開關表

表2 電壓矢量引起的磁鏈和轉矩變化（箭頭變化大小和方向）

例如，當系統運行在扇區S（2）的B點，此時磁鏈過高，轉矩過低，即Hψ=-1，HTe=+1，由此查表1，可知下一步電壓矢量V4將作用于逆變器，即產生軌跡BC段。在點C，Hψ=+1，HTe=+1，又查表可知為電壓矢量V3。依此類推，系統很容易在四個象限中運行。

2 基于DSP絞車交流變頻電動機直接轉矩控制系統的實現

圖1 控制系統硬件框圖

直接轉矩控制特別適合全數字化，對硬件的處理實時性和快速性要求很高。數字信號處理器（DSP）芯片以其高速及高性能在自動控制和電機控制領域享有盛名，它快速處理各種復雜控制規律，并具有故障診斷、監控保護和控制靈活等功能，為系統可靠性、快速性和實時性提供了保證。硬件電路設計包括強電和弱電兩部分。強電部分包括：具有能量回饋單元的系統主電路及相應電路，電壓、電流采樣電路，以及開關電源等3部分。強電部分為弱電控制板提供電源，并輸出采樣信號到弱電控制板。弱電部分為該控制系統提供的系統狀態進行實時控制及檢測采樣，由DTC算法產生PWM信號傳送到逆變器觸發端。控制系統硬件框圖如圖1所示。以上功能由控制軟件實現，軟件分為主程序和中斷服務程序兩部分。主程序在完成系統初始化設置后進入循環，等待中斷發生。中斷服務程序要完成：電機定子電流和電壓的采樣和轉換；利用DSP處理速度反饋信號；根據直接轉矩控制算法輸出6路PWM信號對轉矩進行控制。

3 小結

采用定子磁通定向矢量控制策略，該控制策略能夠提供大而平穩的起動轉矩；能夠提供精確的轉矩控制，動態轉矩階躍響應時間短；能夠提供精確的速度控制，動態轉速誤差小；能夠使鉆機絞車系統實現最優的工作性能。

［1］李華德，等.交流調速控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003.

［2］王妍.基于DSP的電壓空間矢量法PWM的研究[J].電機與控制學報，2000(4)：98-101.

［3］[美]Bimal K.Bose.現代電力電子學與交流傳動[M].北京：機械工業出版社，2005：327-331.