1 前言
隨著現代電力電子、微電子技術和控制理論的發展，交流調速性能日益完善，足以和直流調速媲美，廣泛應用于工農業生產、交通、國防和日常生活。高性能的交流調速系統中主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種。直接轉矩控制是由德國的Depenbrock教授于1985年提出的。近年來，結合智能控制理論與直接轉矩控制理論，提出諸多基于模糊控制和人工工神經網絡的直接轉矩控制系統，進一步提高其控制性能。目前它已成為各種交流調速方法中研究最多、應用前景最廣的交流調速方法之一。
2 直接轉矩控制基本原理
直接轉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矩，并與磁鏈和轉矩給定值相比較，將其差值輸入兩個滯環比較器，然后根據滯環比較器的輸出和磁鏈位置從開關表中選擇合適的電壓矢量，進而控制轉矩。其原理框圖如圖1所示。
交流電機的轉矩表達式如下：
式中：δ為定、轉子磁鏈夾角，np為極對數。
轉子磁鏈和定子磁鏈之間存在一個滯后慣性環節，當定子磁鏈改變時，認為轉子磁鏈不變。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速度，從而改變定、轉子磁鏈夾角，就能夠實現對轉矩的控制。從這里看，直接轉矩控制的關鍵在于如何保持定子磁鏈恒定和改變磁鏈夾角。直接轉矩控制自提出以來，各國學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電壓矢量來保證磁鏈的圓形軌跡，從而減小脈動。
3 直接轉矩控制改進方案
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，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，直接轉矩控制系統中磁鏈、轉矩脈動較大。此時，定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，經U－I，模型會產生誤差，從而導致磁鏈和轉矩脈動。采用精確辨識定子電阻來補償其壓降。當定子電阻壓降得到合適的補償，就能有效建立定子磁鏈，從而產生電磁轉矩。其他還有一些智能技術，如神經網絡、模糊技術也用于辨識定子電阻，具有良好效果。磁鏈辨識不精確，產生磁鏈轉矩誤差，從而選擇錯誤的電壓矢量，最終導致磁鏈和轉矩脈動。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開關表選擇正確的電壓矢量來減小轉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 細分滯環比較器容差
Bang－Bang控制是直接轉矩控制系統的重要特點之一。通常磁鏈、轉矩滯環比較器由施密特觸發器構成，分別采用兩層和3層結構。由于滯環控制器固有的特性，導致轉矩波動過大，影響其在高精度交流伺服控制系統中的應用。文獻[3]提出采用兩級容錯的滯環比較器結構，它與傳統的調節器相比，可多輸出8種狀態，以開關表包含更多的磁鏈和轉矩狀態信息，更加細化了系統的運行特征，從而增強控制效果。文獻[4]提出采用三點式轉矩調節器，結合兩點式磁鏈調節器，每個區間有4個工作電壓矢量和2個零矢量，比傳統方案多2個工作電壓矢量，以此獲得近圓形的磁鏈。當然也可以用PI取代轉矩滯環控制器。其控制原理為：根據給定轉矩與電機模型估計出轉矩之差，經PI調節后得到電機的轉差角速度，結合電機轉速計算出一個控制周期內定子磁鏈的角度增量。由于當前控制周期內的磁鏈矢量是已知量，從而實現對電機轉矩和磁鏈控制的目的。文獻[5]提出注入抖動法，在轉矩和磁鏈滯環內疊加一個高頻三角波，其幅值和滯環容差寬度相當，根據反饋值、△ψ和載波比較，根據差值來選擇適當的電壓矢量。三角波頻率增大．開關頻率也就得到提高。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比較器和開關表，通過區分不同磁鏈誤差和轉矩誤差大小，做出不同決策來優化開關狀態的選取，從而改善系統性能。而在采用SVM技術的直接轉矩控制系統中，由于是根據每個控制周期的磁鏈和轉矩偏差來合成電壓空間矢量，因此不再需要滯環比較器和開關表(可抽象看成將容差分為無限細。
3．3 增加逆變器輸出狀態
在傳統的直接轉矩控制系統中，通常采用三相兩點式逆變器．其結構如圖2所示。
通過Sa、Sb、Sc組合操作，共有8種開關模式，對應6個工作電壓矢量和2個零矢量。由于工作電壓數目有限，要想使磁鏈軌跡近似圓形，必然要頻繁切換和引入大量零矢量，這樣會導致開關頻率不穩定，增加定子電流的高次諧波。因此，有很多文獻都對逆變器進行改進。文獻[7]提出一種由普通逆變器和Boost電路組成的多電平逆變器，可產生12個工作電壓矢量。這樣就可以控制磁鏈軌跡為十二邊形或圓形，從而減小磁鏈脈動，同時減小逆變器開關頻率。文獻[8]提出三相IGBT3點式逆變器，能提供19個工作電壓矢量。還有文獻采用兩個并聯連接的逆變器產生18個工作電壓矢量，但其硬件結構復雜，本文不做介紹。
3．4 最優空間電壓矢量調制
改進滯環調節器是通過細分滯環容差來提供更多的選擇開關表機會。改進逆變器是通過硬件方式提供更多的空間電壓矢量，但都受硬件結構影響，逆變器提供的電壓矢量畢竟有限。直接轉矩控制采用Bang-bang控制，簡化了系統，但滯環比較器使得選擇電壓矢量時只根據磁鏈、轉矩誤差的方向，而并沒有準確計算誤差大小，也沒有足夠多的電壓矢量以供選擇，這是產生磁鏈、轉矩脈動的根本原因。因此，如何構成任意電壓矢量以及精確估算磁鏈、轉矩誤差，并以此來選擇任意所需電壓矢量是改善直接轉矩控制低速性能的熱點之一。
3．4．1 空間矢量調制(SVM)
傳統直接轉矩控制中，由于采用滯環比較器，只有當磁鏈和轉矩誤差達到一定值時，逆變器才有新的工作狀態，且逆變器輸出電壓狀態有限，必然產生較大的轉矩脈動。SVM技術的基本思想是，在每一個循環控制周期中，通過計算得到一個能夠恰好補償當前定子磁鏈和轉矩誤差的電壓矢量，該電壓矢量可以用兩個相鄰的基本工作電壓矢量和零電壓矢量合成得到。很顯然，基于SVM技術的直接轉矩控制算法可以有效地減小輸出轉矩的波動。
應該說，引入先進的控制策略都是基于電壓空間矢量調制技術。因為只有這樣，系統才能提供先進控制策略所需的任意大小和方向的電壓矢量。文獻[9]提出的無差拍控制，就是通過求解方程組得到下一控制周期的最優電壓矢量。但這種方法存在計算時間過長不能保證方程組有解和依賴電機參數的缺點。文獻[10]提出的磁鏈預測控制其實是一種改進的無差拍控制，利用零電壓矢量和非零電壓矢量對磁鏈不同作用，預測下一控制周期使磁鏈誤差最小的電壓作用時間(非零電壓和零電壓矢量)。
3．4．2 占空比技術
若設定逆變器開關頻率為廠，在整個開關周期內，所選空間電壓矢量一直作用于感應電機，磁鏈、轉矩都會朝一個方向變化。在誤差較小的情況下，所選的電壓矢量在較短的時間內就使轉矩達到參考值，而余下的時間沒有發生逆變器開關狀態轉換．所選擇電壓矢量仍作用于電動機，使轉矩繼續沿原來方向變化，因而產生較大磁鏈和轉矩脈動。在每個采樣周期中，輸出電壓矢量只作用該周期的一部分時間，而剩余時間選擇零電壓矢量。如何確定每個采樣周期中輸出工作電壓矢量的作用時間(即占空比)是占空比控制技術的核心問題。從這方面來看，占空比技術是利用所選電壓矢量Vk和零矢量來合成所需電壓矢量，因此，也是SVM技術的一個特例。針對如何設置占空比，很多文獻提出了不同的方案，文獻[11]中提出采用模糊控制器確定占空比。
3．4．3 優化開關表
開關表是根據系統預先設置好的一些規則，規則的優化能對改善控制效果起到一定的作用，但畢竟傳統直接轉矩控制中只有6個工作電壓和2個零電壓矢量，開關表改進的余地有限。
3．4．4 折角調制
六邊形磁鏈軌跡中，諧波分量較大，有文獻提出在正六邊形的每個頂點的附近分別產生一個對稱的折角(缺口)，使其軌跡向圓心靠攏一些，能夠起到了一定的作用。文獻[12]提出對六邊形磁鏈峰值進行折角處理，內折邊平行于六邊形相應的邊，形成內陷十八邊形磁鏈軌跡。
4 結論
直接轉矩控制自1985年由德國Denprock提出后，各國學者對其進行不斷改進，以其獲得更好的調速效果。雖然這些改進是基于不同的出發點，但歸根到底是對磁鏈控制的改進。對這些方案進行了大致分類，介紹各種方法的特點與不足。每種方案都使直接轉矩控制的性能得到改善，但都增加了系統的復雜程度，使直接轉矩控制失去其結構簡單的優點。因此，如何改善直接轉矩控制性能而又不增加系統的復雜度，是未來學者們重點研究的問題之一。
來源：電子工程世界