(内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)
摘 要：文章阐述了异步电动机直接转矩控制的基本原理,介绍了近几年来直接转矩控制发展的状况和成果。
关键词：直接转矩；交流调速；异步电动机
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)06—0295—02
调整电动机转速取决于对电动机转矩的控制,所谓直接转矩控制指直接控制电动机转矩和磁链，它不需模仿直流机控制，省掉旋转坐标变换，定子磁链只需定子电阻即可观测，避开了转子电阻的影响。直接转矩控制理论的控制结构非常简单，它的运算均在定子坐标系中进行，不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，直接转矩利用一对滞环比较器直接控制定子磁链和转矩，不需要单独的PWM调制器，对磁链进行直接调节,易于实现弱磁控制。
目前许多学者已经就直接转矩控制进行了很多深入的研究。本文将对它们进行分类，并作分析和比较。
1 直接转矩控制的基本思想
直接转矩控制的关键是电磁转矩和定子磁链的观测模型（反馈模型）以及如何根据转矩、磁链信号来选择电压空间矢量控制器的开关状态。电动机电磁转矩可表为：
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保持定子磁链Ψs幅值为额定值（充分利用电动机）而Ψt幅值取决于负载，则通过改变磁通角θts来实现。直接转矩基本控制方法：通过控制逆变器的开关状态来控制电压空间矢量从而控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，改变磁通角θts的大小，从而控制电机的电磁转矩。
图1是实现上述功能的直接转矩控制系统的基本框图。该系统利用一对滞环比较器和一个磁链位置判别环节并根据开关选择表来确定最优的电压矢量，采用一个速度PI调节器实现转速调节的同时产生需要的给定转矩。
2 异步电动机直接转矩控制近年发展综述
从目前的资料来看，直接转矩控制的研究主要集中在以下几个方面:
2.1 磁链观测
2.1.1 磁链模型切换的方法。在实际系统:
式中:Ψs为定子磁链综合矢量；us为电压综合矢量；Rs为定子电阻；is为定子电流；ωc为截止频率。
截止频率ωc不能取得太少,否则对直流偏量的抑制效果太弱,而太大则会引起太多的相位偏差和幅值偏差,一般ωc取为50～70ｒａｄ/ｓ。这样在频率较高时两者所造成的相移差别不大。但在低速时由于相位误差较大所以对定子磁链的估算不准。
为了解决低速下定子磁链的计算问题，目前有学者采用了一种磁链模型切换的方法〔1〕,即高速时采用式(2)所示的定子磁链ＵＩ模型,而在低速时采用如式(3)所示的定子磁链ＩＮ模型。
图2中ｍｏｄｅ=1代表采用ＵＩ模型,ｍｏｄｅ=0代表采用ＩＮ模型。在模型切换的同时将切换前模型的值赋予切换后的模型作为初始值。这样就保证了模型切换的平滑,适当调节滞环的宽度就可以有效地消除模型切换时的振荡。并且式(3)中的等效积分环节可获得较准确的初值。滞环的中心点一般取为30%的额定转速。
2.1.2 具有连续输出值的电阻观察器。定子磁链的估算,依赖于定子电阻的观察,电阻值在电机运行时的变化可以达到额定值的50%。当然在高速区认为定子电阻为常数甚至忽略,对系统影响不大;运行速度愈低,电阻值的估算误差对电机的磁链、转矩估算准确性影响也就更大。有学者基于所求常规模糊控制表,利用加权插值构造了具有连续输出值的电阻观察器〔2〕,具体来说就是选择了与定子电阻直接相关的同时又容易检测的绕组端部温度Ｔ及其时间变化率ΔＴ作为模糊电阻观察器的输入,离线推理出一个控制表,在此基础上利用加权插值构造了具有连续输出值的电阻观察器。观察器算法简单,易于实现,保持了常规模糊控制法实时性强的优点。在线估算定子电阻时,不需再进行模糊化和反模糊化处理。
2.1.3 全阶磁链闭环观测器。实现对电机磁链的准确估算是实现高性能电机传动系统的关键环节之一。在实际工作中,电机实际模型与观测器模型之间必然存在一定偏差。为了解决此问题有学者将一种全阶磁链闭环观测器应用于直接转矩控制系统中,取代了传统的纯积分。这种磁链观测器是利用观测器的输出误差修正模型的输入,这样便构成了以输出作为反馈的全阶闭环磁链观测器〔3〕。该磁链观测器对定子磁链的观测精度高,对于电机参数的鲁棒性较好,在电机低速运行时仍能实现对定子磁链准确的观测。
有学者分析了磁链观测的三种模型,基于定子电压、定子电流的u-i法,基于定子电流和转子转速的i-n法,基于定子电压、转子转速的u-n法,讨论了各自的实质及其优缺点，对其误差收敛性以及由参数变化造成的观测误差进行了定量分析。主张采用U-ω法在全速范围内能较准确观测定子磁链〔4〕。但结构复杂，实现起来相对困难。
2.2 减少电机转矩脉动的方法
2.2.1 消除磁链观测偏差的影响。直接转矩控制低速特性较差,通常表现为电机在低速下输出转矩脉动,负载能力下降,容易出现振荡,很大程度上影响了电机的调速范围〔5〕。有学者提出消除磁链观测偏差的改进方法:记录当前时刻电流峰值对应定子磁链观测值的大小和相位,在下一个电流峰值到来时,磁链观测值也应转到原来相位,将观测的磁链与原记录相位校准,重新开始下一周期的控制,这样就可消除观测偏差的累计,尤其是相位偏差对转矩的影响,避免振荡出现〔5〕。
2.2.2 对死区效应实施在线软件补偿
死区会产生电流畸变、转矩脉动等影响，这些影响称为死区效应。死区效应是直接转矩控制(DTC)方法低速性能一个很重要的影响因素，有学者对死区效应的影响进行了分析与仿真，并提出对死区效应实施在线软件补偿方法〔6〕。这种改进方法能够有效限制磁链估计偏差的累计,及时修正定子磁链的相位偏差,防止电磁转矩振荡,改善了电机的低速性能。从经济角度来讲，这种方法优于交流侧测电压方法。
2.3 启动方法的研究
2.3.1 三种启动方法的研究。启动是电机整个运行过程中的一个重要环节，有必要对此进行探索。有学者针对直接转矩控制的异步电动机的启动方法，提出了串行启动法、并行启动法、混合启动法这3种不同的启动控制策略〔7〕。串行法虽然在时间上占有一定的优势，但其电流过载比较大，并行法缺点是响应比较慢，并且定子磁通不能平滑增加，导致启动时噪音比较大，其优点是电流的过载小。混合法综合了二者的控制策略，在控制性能上兼有二者的优点，综合性能比较高，是一种比较理想的启动方法。利用混合启动法可以获得比较满意的综合性能指标。
2.3.2 利用-120°电压矢量。-120°电压矢量是反向电压矢量,其作用是使定子磁链矢量倒转,从而使定子磁链矢量与转子磁链矢量之间的夹角γ迅速减小,使定子磁链矢量平均旋转速度降低,但定子磁链的幅值却增大了。有学者提出利用-120°电压矢量的这一独特作用提出了启动时间最短控制的方法〔8〕。-120°电压矢量的这一作用在启动过程中,首先让磁通幅值尽快达到额定值。该方法充分利用电动机的启动能力,在最大起动转矩作用下获得启动时间最小控制。该方法在获得最大转矩的同时,也有效地限制了启动电流。
3 结语
直接转矩控制技术的优点是显而易见的，但是目前直接转矩控制技术在理论上尚不够成熟、不够完善，直接转矩控制经典模型的固有缺陷，一直阻碍着DTC系统的进一步发展。所面临的主要问题是：控制采用定子磁链定向，稳态机械特性与转子磁链定向相比差一些。低速成性能不尽如人意，转矩脉动比较严重。这些问题阻碍了DTC系统调速比的进一步提高。现在，人们对DTC系统的研究，往往还是从改善系统某些性能出发，对所用的理论思想进行一定程度的变更或对系统环节进行部分的改进。也就是说，整个领域的研究还基本停留在一个局部完善的水平上，而没有达到全面提高的层次。
直接转矩控制是通过控制电机的磁链来控制转矩，没有复杂的坐标变换和参数计算，系统显得直观、简洁，提高了系统的计算速度和精度，不失为当今交流异步电动机控制的先进方式。
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