淺析異步電動機直接轉矩控制系統

宋曉君 楊海蛟

（哈爾濱電力職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

0 前言

基于交流調速具有顯著的優越性，以電力電子器件及計算機技術的不斷發展為支撐，20世紀90年代以來，異步電動機變頻調速技術得到了快速發展。目前廣泛研究應用的調速技術有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉矩控制等。相比于其他變頻調速技術，直接轉矩控制具有系統結構簡單、動態性能更好、魯棒性強等優勢。該文就異步電動機的直流轉矩控制做了簡要分析。

1 直接轉矩控制技術的應用背景及發展現狀

直接轉矩控制技術是20世紀80年代中期誕生的，美國學者A．B．Plunkett 1977年在IEEE雜志上首次提出，德國魯爾大學的德彭伯羅克教授于1985年第一次進行實際應用。該技術的提出較大程度地解決了矢量控制等技術存在的問題，如計算量較大、控制系統結構復雜等。但是傳統的直接轉矩控制也存在低速范圍內轉矩脈動大等缺陷，隨著技術的發展，新型直接轉矩控制技術不斷出現，傳統技術存在的問題得以不斷改善。

當前，日、美、德等國家都致力于該技術的開發，其趨勢不斷向最優的全數字化發展。如直接轉矩控制中引入DSP芯片，加強了數據處理的實時性、快速性以及數字控制功能，實現了數據監視、診斷和保護等。再如，將現代控制理論的多種控制策略如非線性控制、模糊控制、神經網絡控制等應用到直接轉矩控制中，彌補其固有的一些缺陷，提高系統的動態和魯棒性能等。

目前，主要的新型直接轉矩控制技術有3種。1）直接轉矩無差拍控制。該技術是一種離散化的直接轉矩控制系統。依據異步電動機的數學模型，得出轉矩偏差與電動機各物理量間的數學關系，可消除定子磁鏈模值以及電磁轉矩動、靜態誤差。從技術上，該系統逆變器的開關頻率得以提高并保持穩定，無滯環比較器，電壓諧波減少，電機的低速性能提高，缺點是該技術依賴電機參數，計算量較大，算法實現難度高[1]。2）直接解耦控制（DDC）。有2種方法，一種含有PI調節器即PI-DDC，該法消除轉矩脈動能力強，動、靜態特性較好，縱使轉速極低（5rad/sec），轉矩脈動也很小，主要問題是計算量比較大，因為該法需同時估計定子磁鏈和轉子磁鏈；另一種就是預測直接解耦控制即P-DDC。3）轉矩（磁鏈）跟蹤預測控制。

該方法依照異步電動機數學模型，通過預測跟蹤控制方法來控制轉矩和磁鏈，忽略對磁鏈模值控制的關注，控制算法的計算量沒有變化，卻能很好地消除轉矩脈動，磁鏈也不會畸變。

圖1 直接轉矩控制的基本結構框圖

2 直接轉矩控制系統控制原理

2.1 直接轉矩控制的控制思路

要想實現對電動機轉速的控制，關鍵是控制電動機的轉矩。直接轉矩控制是通過改變磁通角來控制電動機轉矩的。

直接轉矩控制系統由電壓空間矢量表、逆變器、轉矩調節器、扇區判斷模塊、電動機等組成。異步電機的直接轉矩控制主要通過選用不同的電壓空間矢量來實現，該矢量的選擇通過綜合磁鏈控制信號、磁鏈所在扇區號以及轉矩控制信號等來獲取。

2.2 直接轉矩控制系統的結構

異步電機直接轉矩控制系統的組成如圖1所示。

定子電動勢在α-β坐標系上的分量esα、esβ輸入到磁鏈模型單元AMM中，得到定子磁鏈在α-β坐標系上的分量ψsα、ψsβ磁鏈模型由下式求得：

式中：

esα—定子電動勢在α坐標軸上的分量。

esβ—定子電動勢在β坐標軸上的分量。

usα—定子電動勢在α坐標軸上的分量。

usβ—定子電動勢在β坐標軸上的分量。

isα—α-β坐標系上的α軸定子電流分量。

isβ— α-β坐標系上的β軸定子電流分量。

Rs—電機的定子電阻。

對三相定子電壓進行坐標變換可得到 usα、usβ，isα、isβ可據同法得到[1]。

對坐標變換單元 UCT 坐標變換后得到 ψβA、ψβB、ψβC。其輸入與輸出間關系為：

式中：ψsα—定子磁鏈在α坐標軸上的分量。ψsβ—定子磁鏈在β坐標軸上的分量。

ψβA、ψβB、ψβC定子磁鏈經坐標變換單元 UCT 坐標變換后的三相分量[2]。

“磁鏈自控制”單元DMC的作用是輸出三相電壓開關量信號。該信號是通過將三相分量ψβA、ψβB、ψβC與磁鏈給定值ψsg在相比較進而得到3個開關量信息而生成的。

要想實現轉矩控制，需要控制定子磁鏈平均運動速度，該速度控制需要零狀態選擇單元AZS輸出的零狀態電壓信號來實現，而該信號由轉矩控制器ATR的輸出“TQ”通過控制開關S來提供的，整個系統是一個閉環負反饋控制系統，能將容差控制在±εm范圍內。

轉矩計算單元AMC 的輸入為isα、isβ和AMM 的輸出 ψsα、ψsβ，該單元可通過計算得出轉矩實際值。

2.3 異步電動機直接轉矩控制系統基本組成

異步電動機直接轉矩控制系統主要是由異步電機數學模型（包括磁鏈及轉矩模型）、開關信號選擇（綜合其他環節信號，形成電壓開關信號，以正確選擇電壓空間矢量）、磁鏈自控制（形成六邊形磁鏈）、磁鏈調節（控制磁鏈幅值）、轉速調節和轉矩調節等幾部分組成的，現針對磁鏈自控制器及轉矩控制做分析。

2.3.1 磁鏈自控制器

在直接轉矩控制系統中，通過閉環控制對磁鏈進行控制，磁鏈滯環比較器實現該功能，將定子磁鏈給定值ψsg與定子磁鏈ψs的測量值之差保持在允許誤差Δψs范圍內。

將兩相α-β坐標系均分為6個區域（如圖2所示），選擇相應的空間電壓矢量控制定子磁鏈的旋轉方向以及速度。如區間S1中存在定子磁鏈時，如果想使磁鏈不動，則選定零矢量即可。如想使磁鏈順時針旋轉，選us5、us4來改變磁鏈，如相反，則選us1、us2；其他區間類似。想要控制磁鏈運動停止，以獲得想要的定子磁鏈平均速度，只要在不同的區間根據要求施加不同的電壓矢量即可，調節的頻率越高，電機轉矩脈動就越小。

圖2 定子磁鏈圓形軌跡圖

2.3.2 轉矩控制

在直接轉矩控制中，使用轉矩滯環比較器實現電機轉矩控制，按照閉環控制的原理進行工作，控制器稱為轉矩兩點式調節器（Bang-Bang控制器），該調節器與磁鏈自控制單元相比，采用不同的容差，其大小是±εm，并且可調。

該系統為閉環負反饋系統，Teig為轉矩給定值，Teif為轉矩反饋值，二者之差ΔTei進入轉矩滯環比較器進行運算處理后，輸出開關量信息。如果-εm＜Teig-Teif＜εm，轉矩保持不變；如果Teig-Teif＞εm，開關量信息是“1”，轉矩變大，如果Teig-Teif＜-εm，開關量信息是“-1”，轉矩變小[3]。

3 直接轉矩控制的特點分析

該技術在定子坐標系下分析交流電機數學模型，不需對轉矩和磁鏈解耦，信號容易處理。該技術采用定子磁鏈軸，要完成磁場定向只知定子電阻就可。

通過空間矢量分析方法，控制交流電機各個物理量。對轉矩的控制是直接控制，它利用轉矩兩點式調節器實現轉矩的閉環控制。

4 結語

該文簡要分析了異步電動機直接轉矩控制系統的結構組成、基本原理及控制特點，提出了幾種新型直接轉矩控制技術。該系統具有運算量小、控制系統結構簡單、動態性能好、魯棒性強等優點，也有不容忽視的缺點，如低速范圍內該系統性能差，穩態時存在較大的轉矩脈動等缺點，有較大的改進空間。