異步電機直接轉矩控制系統低速性能的優化

徐志佳

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽550005）

異步電機直接轉矩控制技術是在矢量變換技術基礎上發展起來的一種具有優越性能的新型交流調速控制技術，并逐漸取代了矢量變換技術在各領域上的重要地位，其設計思路是在保證定子磁鏈幅度不變的前提條件下，通過對電動機定子磁鏈的運動方向和速度進行控制調節來改變定、轉子磁鏈的夾角大小，從而實現調整電磁轉矩和電動機調速的目的。最近幾十年隨著研究的不斷深入，技術也已經不斷成熟起來，應用面也越來越廣泛，大大提高了系統的性能。

1 直接轉矩控制系統優化研究的背景現狀及目的意義

隨著電子計算機技術的不斷發展，各個領域的技術水平都有很大的提升。電氣交流調速技術發展越來越成熟，在各個領域都有重要的作用，是技術進步的中堅力量。電氣調速技術分為直流和交流兩種，二者相比較而言，轉矩控制技術更加困難些。矢量控制理論有效地解決了交流電機的轉矩控制問題，實現了定子電流勵磁分量與轉矩分量間的解耦，使交流調速系統與直流調速系統有了相同優良的性能。隨著研究的不斷深入，研究者又提出了直接轉矩控制的學說，這種控制方法不需要對定子電流進行解耦，控制結構更加簡單，省去了矢量變換過程中的復雜計算過程，更加簡便快捷，大大節省了時間精力，隨著其不斷地發展，直接轉矩控制法越來越受到各國學者的重視。

直接轉矩控制系統作為一種新方法有著其他方法不可替代的優越性，但同樣作為一種新生理論也有著缺陷和不完美。直接轉矩控制系統由于其自身特性對于獲得良好的低速性能并不是很簡單，同時其調速范圍也受到了一定程度上的限制。由于其有著廣闊的發展前景，所以吸引著專家學者不斷地努力研究，盡量改進其不足之處，使其為技術的發展做出最大的貢獻。雖然當前有了較多的研究，但是還只是停留在表面和局部的層面上，取得的成果相對于最終成果來說還遠遠不夠，許多工作還有待進一步進行深入開展。并且，現在已經有背離研究初衷的情況出現，有些學者過分追求系統低速性能的提高，采用了復雜的理論和思路，并且付出了巨大的心血，但是換來的僅僅是理論上的提高。應該是以保證簡單方便為前提，進而通過改進技術來實現性能的提高。只有在理論上和實際上都簡便的方法才算是有效方法，這也是本文的目的之一。本文的主要目的在于通過對直接轉矩系統的簡單介紹，并對如何提高系統性能提幾點建議性要求，使人們對其有更為詳細的了解，同時為問題的繼續深入研究指出較為明確的方向，減少彎路。

2 直接轉矩控制系統的特點

與其他控制系統相比，直接轉矩控制系統存在以下幾個方面的特點：

（1）直接轉矩控制以定子坐標系為平臺，對交流電動機的數學模型進行直接系統的分析，并對電動機的磁鏈和轉矩進行直接控制操作，同時放棄運用矢量控制系統中的解耦思想。與直流電動機相比較，直接轉矩系統優勢更加明顯，處理過程簡單方便，既不用將其與直流電動機控制系統進行轉化，也不用簡化解耦過程中的數學模型，更不需要模擬直流電動機的操作控制。在省去矢量換算的復雜計算過程的同時也將控制信號的處理簡單化，方便觀察者對結果做出準確判斷。

（2）直接轉矩控制系統的磁場定向所用的是定子磁鏈，僅通過知道定子電阻的大小就能將其測算出來，矢量磁場所需要的數據是電動機轉子電阻和電感，并且磁場定向需要的不是定子磁鏈，而是轉子磁鏈，二者有本質的區別。通過比較可以發現，直接轉矩控制磁場系統在數值測算過程中更加簡單，并且由于變量數量不同，這樣也減少了實驗測算結果受到參數變化的影響，是結果更加精確。通過建立數學模型來使解析過程更加生動形象，解析結果也更加簡單明白。

（3）直接轉矩控制系統的重點是轉矩的直接控制和控制效果兩層意思。轉矩的直接控制運用的是近似圓形磁鏈軌跡的概念，對結果的要求也不是過于苛刻，并沒有極力要求獲得最合適的正弦電流波形。轉矩的直接控制過程并不是借助控制電流磁鏈等變量來實現控制，而是直接控制，而且對控制結果也比較注重。控制效果的把握，通過將轉矩的實際數值與給定數值進行對照，使數值的上下波動波動幅值保持在一定的范圍之內，控制效果的優劣與數學模型的是否簡化關系不大，而與轉矩的實際情況密切相關。

總之，直接轉矩控制技術采用獨特的思路使用空間矢量分析的方法，簡化了控制系統的結構，簡便了操作過程，是一種實用性很強性能優良的交流調速方法。

3 影響直接轉矩控制系統低速性能的主要因素

影響直接轉矩控制系統低速性能的因素有許多方面，典型的有以下幾個方面：

（1）定子磁鏈在觀測過程中的誤差對低速性能的影響

定子磁鏈觀測數值的準確與否直接影響到電動機穩定運行的情況。磁場控制的穩定是使調速方法實現高性能的基礎，所以要保證電壓的空間矢量的動態平衡。當定子磁鏈的設定值高于測量值時，選擇能夠使磁鏈幅值增大的電壓矢量；與此相反，則選擇能夠使幅值減小的電壓矢量。由于直接觀測的方法在技術上和細節上都有著為數不少的不足之處，測量誤差與實際數值偏差較大，并且直接測量難度較大，所以目前大多采用檢測電流、電壓等容易檢測的間接檢測的方法，將檢測出的數值，代入異步電機的數學模型公式，從而推算出定子磁鏈的幅值和相位。

異步電機定子磁鏈觀測數值直接關系到技術的發展前景，是保證系統正確運行的關鍵，不論是直接轉矩控制還是定子磁場定向控制，都與之密不可分，一旦測得數值出現了較大誤差，隨之推算出的其余數值也會出現較大誤差，導致控制系統的功能失靈，后果不堪設想。

（2）定子電阻對低速性能的影響

當電動機高速運行的時候，定子電阻壓降非常小，可以忽略，但在低速運行時，壓降就會升高，并且會影響到運行情況，所以不可以忽略不計。隨著設備不斷運行，會因摩擦產生熱量，而定子電阻的大小會隨著溫度產生變化，所以會導致電壓變化，進而造成磁鏈數據觀測不準確，系統可控制性能下降。設備運行速度越低，對定子電阻的影響越明顯。

（3）開關頻率對低速性能的影響

設備開關的作用是由電壓矢量決定的，磁鏈和轉矩決定著電壓矢量的作用時間，開關的頻率與設備系統的控制有關，間接地與電動機的轉速有關。開關頻率的變化會造成電流波形的不規則變化。

（4）磁鏈轉矩脈動對低速性能的影響

轉矩脈動的出現是由于控制電壓受到采樣周期的影響而出現的規律性動態變化。采樣周期越小，轉矩脈動越小；當周期固定不變時，轉矩脈動的變化則由負載轉矩和轉速所決定，即轉速越低，轉矩脈動越大，所以轉矩脈動的狀況直接影響到系統的速度特征。

（5）死區效應對低速性能的影響

死區效應是指為了防止同一橋臂上的兩個功率器件同時導通而在基極驅動信號上所加的死區時間。在低速運行時，死區時間在一定周期內所占的比例增加，電壓的計算數值和實際數值相比會有很大偏差，在設備高速運行時得到的偏差小，可以忽略不計。偏差過大會造成設備系統的不穩定。

4 直接轉矩控制系統低速性能的優化

針對以上幾種影響低速性能的因素，提出以下幾點相應的措施：

（1）要減少觀測誤差，首先要保證供給電壓的穩定平衡。穩定的電壓不僅可以保證磁場控制的穩定，還能保證設備的使用壽命。此外，應該不斷地完善直接觀測的方法和技術，彌補不足之處，在使用間接檢測法時也要注意細節問題，比如讀數、計算等等，將人為因素引起的誤差的發生率降到最低點。

（2）減少電阻對低速性能的影響，最關鍵的是減少溫度對電阻的影響。對于設備，要進行定期維護，減少摩擦，并做好散熱處理。對于定子電阻的制作材料，除了要符合設備要求之外，還應該選擇電阻變化受溫度影響較小的材料。提高對定子電阻的辨識度，有以下幾種方法可供參考：模型參考自適應，Kalman濾波器，最小二乘法，諧波注入法，小波網絡等等，力求提高定子電阻的辨識度。

（3）要保證開關頻率的穩定，就要保證磁鏈轉矩作用時間的穩定，在控制系統中，保證采樣周期較短，就會使磁鏈波動范圍隨之減小，采樣周期也趨于固定。實驗表明，采樣周期縮短，磁鏈波動也會減小。電流諧波也越小，設備系統的穩定性能也越好。采用模糊開關狀態選擇器是切實可行的方法之一，此方法可以加快系統響應，增強抗干擾能力，大大提高系統的低速性能。除此之外，利用神經網絡構造開關狀態選擇器、學習轉矩誤差的隸屬度函數分布也十分可行。

（4）磁鏈脈動的調節主要是依靠調節電壓矢量的調節，電壓矢量的調節有以下幾種方法：第一種，在保證原有矢量方向不變的前提下，對電壓矢量絕對值的大小進行調節；第二種，擴大電壓的選擇范圍，包括數值和方向；第三種是采用任意矢量電壓，采用多電平逆變器進行。針對任何改善轉矩脈動，可以采用轉矩跟蹤預測法，通過此法得到的結論不僅可以減小轉矩脈動，還能削弱電流諧波，降低增強設備運行的穩定性。

（5）在采用間接檢測方法時，死區效應時間往往會被忽略，死區效應對于檢測結果有著重要影響，具體補償方法有：針對定子的電流型直接補償法、電壓反饋型補償法和通過直接改裝設備的補償法等等。通過補償，可以使檢測結果更加精確，進而有效提高低速性能。

5 結束語

直接轉矩控制系統應用廣泛，前景寬廣，阻礙其發展的主要原因是其低速性能不高，研究其因素并采取相應措施來完善對其未來的發展非常有益。本文分析其因素，并提出了相應的合理的改進措施，對直接轉矩系統低速性能的優化提供理論研究依據。

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