交流電機直接轉(zhuǎn)矩控制改進方案

2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理
直接轉(zhuǎn)矩控制原理是利用測得的電流和電壓矢量辨識定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值相比較，將其差值輸入兩個滯環(huán)比較器，然后根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出和磁鏈位置從開關(guān)表中選擇合適的電壓矢量，進而控制轉(zhuǎn)矩。其原理框圖如圖1所示。

交流電機的轉(zhuǎn)矩表達式如下：

式中：δ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，np為極對數(shù)。
轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個滯后慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)定子磁鏈改變時，認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈不變。因此，從式(1)知道，如果保持定子磁鏈的幅值恒定，通過選擇電壓矢量，使定子磁鏈走走停停，改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，就能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。從這里看，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵在于如何保持定子磁鏈恒定和改變磁鏈夾角。直接轉(zhuǎn)矩控制自提出以來，各國學(xué)者對其進行不斷改進，完善性能。這些方案雖然方法不同、原理各異，但都是期望選取適當(dāng)電壓矢量來保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制改進方案
3．1 改進磁鏈辨識方法
直接測量定子磁鏈很麻煩而且成本很高，通常采用一些容易得到的變量(如U、I)來進行估算。常用的模型有U－I，模型、I-n模型和混合U-n模型。U－I模型表達式如下：

它簡單易實現(xiàn)，常用在高速場合，但采用純積分器，因此存在累計積分誤差、漂移和飽和等問題，文獻[2]給出一種低通濾波器取代純積分器，并對其進行補償，取得較好效果。低速時，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動較大。此時，定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，經(jīng)U－I，模型會產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。采用精確辨識定子電阻來補償其壓降。當(dāng)定子電阻壓降得到合適的補償，就能有效建立定子磁鏈，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其他還有一些智能技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)也用于辨識定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識不精確，產(chǎn)生磁鏈轉(zhuǎn)矩誤差，從而選擇錯誤的電壓矢量，最終導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。有時未采用識別定子電阻，而是直接對磁鏈進行補償以減小誤差，這樣就能從DTC開關(guān)表選擇正確的電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，并逐漸減小速度誤差到零。這兩種方法可謂殊途同歸。
3．2 細(xì)分滯環(huán)比較器容差
Bang－Bang控制是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要特點之一。通常磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器由施密特觸發(fā)器構(gòu)成，分別采用兩層和3層結(jié)構(gòu)。由于滯環(huán)控制器固有的特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動過大，影響其在高精度交流伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻[3]提出采用兩級容錯的滯環(huán)比較器結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器相比，可多輸出8種狀態(tài)，以開關(guān)表包含更多的磁鏈和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)信息，更加細(xì)化了系統(tǒng)的運行特征，從而增強控制效果。文獻[4]提出采用三點式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，結(jié)合兩點式磁鏈調(diào)節(jié)器，每個區(qū)間有4個工作電壓矢量和2個零矢量，比傳統(tǒng)方案多2個工作電壓矢量，以此獲得近圓形的磁鏈。當(dāng)然也可以用PI取代轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器。其控制原理為：根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與電機模型估計出轉(zhuǎn)矩之差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到電機的轉(zhuǎn)差角速度，結(jié)合電機轉(zhuǎn)速計算出一個控制周期內(nèi)定子磁鏈的角度增量。由于當(dāng)前控制周期內(nèi)的磁鏈?zhǔn)噶渴且阎?，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的目的。文獻[5]提出注入抖動法，在轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)內(nèi)疊加一個高頻三角波，其幅值和滯環(huán)容差寬度相當(dāng)，根據(jù)反饋值、△ψ和載波比較，根據(jù)差值來選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?。三角波頻率增大．開關(guān)頻率也就得到提高。容差分級沒有一個明確的概念，是一個模糊量，因此文獻[6]引入模糊控制的概念，用模糊控制器取代滯環(huán)比較器和開關(guān)表，通過區(qū)分不同磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差大小，做出不同決策來優(yōu)化開關(guān)狀態(tài)的選取，從而改善系統(tǒng)性能。而在采用SVM技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于是根據(jù)每個控制周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差來合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環(huán)比較器和開關(guān)表(可抽象看成將容差分為無限細(xì)。
3．3 增加逆變器輸出狀態(tài)
在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通常采用三相兩點式逆變器．其結(jié)構(gòu)如圖2所示。