电机直接转矩控制的研究与发展方向.doc

电机直接转矩控制的研究与发展方向 摘 要：异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种具有良好的静态与动态性能的交流传动控制技术。本文在研究了传统的直接转矩控制系统的基础上，介绍一种新型的定子磁链观测器和调节器，采用新型的电压矢量选择表代替传统的电压矢量选择表，最后叙述了直接转矩控制的发展方向。关键词：异步电机，直接转矩控制，定子磁链观测器research of direct torque control of asynchronous motorabstract: following the vector control (vc) technique, direct torque control (dtc) of asynchronous motor is an ac driving control technique which has high static and dynamic performance. on the basis of the study of the traditional dtc, a new stator flux observer and controller is proposed in this paper, and the traditional voltage vector selection table is replaced by a new selection table. the last, this paper describes the direction of development of direct torque control.key words: asynchronous motor，dtc ，stator flux observer1 异步电机调速系统控制策略发展概况异步电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有明显的优势，使它已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。交流调速的优越性早在20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，投资大、效率低、体积大而未能推广。50年代中期，晶闸管的研制成功，使交流电机调速技术有了飞跃发展。早期交流调压调速系统的主回路基本上都采用scr开关器件，输出的电压或电流波形中含有较多的谐波，造成电机转矩脉动大，功率因数较差。虽然实现了交流电机在一定范围内的调速，但还不能与直流调速系统相媲美，只能应用于一些调速要求不高的场合，如风机、泵类等负载的拖动。随后发展的滑差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算太复杂，己能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略差一些。原因在于，其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因而在系统设计时，不得不做出较强的假设，忽略较多的因素，才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差较大，系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。后来在国内外学者的努力研究下，不断探索新的交流电机控制方案，交流调速的应用日益广泛。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件。1971年，德国学者f.blaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论1，标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解祸，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电机磁链，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现磁链检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变化，就会影响到磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。1985年，德国鲁尔大学的depenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机做比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用电子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生pwm信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处理，没有通常的pwm信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。2 传统的直接转矩控制系统原理传统的直接转矩控制的结构框图如图3-1所示6。其根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器输出的开关信号tq和，以及定子磁链所在的扇区信号sector，从已知的定子电压开关信号选择表中选择合适开关状态，控制逆变器输出空间电压矢量，以维持转矩和定子磁链的偏差在滞环比较器的容差范围内，从而实现对转矩和磁链的直接控制。定子磁链和电磁转矩的反馈值，可由磁链和转矩计算单元观测得到。之前已经介绍了电压型逆变器和异步电机的数学模型，下面再对传统直接转矩控制系统的其他组成部分得工作原理进行简要说明。图3-1 传统的直接转矩控制系统的结构框图2.1磁链和转矩计算单元直接转矩控制中，定子磁链是不能直接检测的，需要通过定子磁链观测器观测得到。 用定子电压和定子电流来确定定子磁链的观测器模型叫电压电流定子磁链模型，由式（2-3）可得定子磁链的模型的矢量表达式：（3-1）图3-2 定子磁链的模型框图模型框图如图3-2所示。该模型结构简单，受参数影响小，适用范围在额定转速30%以上。由于值较大，测量误差及积分漂移的影响就变得微不足道；采用此模型能比较准确地观测出定子磁链。但是当电机在低速运行时，的值将变得很小，由于定子电阻参数变化及测量所带来的误差会把实际值淹没掉，而且积分器漂移的影响也变得严重起来，从而就无法有效使用该模型。因此，当电机转速较低时定子磁链的观测就不能再采用电压一电流模型了，而是要采用电流转速模型，即根据定子电流和转速来观测定子磁链。 用定子电流和转速来确定定子磁链的观测器模型叫电流转速定子磁链模型，在30%额定转速以下时，能准确比较观测定子磁链。由式（2-3）（2-4）得：（3-2）（3-3）式（3-2）（3-3）组合得到定子磁链的模型，模型框图如图3-3所示7。从式（3-2）（3-3）可以看出，在计算过程中需要用到的电机参数有、和。需要采集的输入变量为定子电流和电机转速。较模型，模型的表达式较为复杂，计算量也相对增加。图3-3 定子磁链的模型框图计算定子磁链需要的定子两相电压和的是根据逆变器开关信号、和直流侧电压的值计算得到的，计算式由式（2-15）得到（3-4）定子两相电流和通过3/2变换获得，再根据三相电流的关系式进行化简，得到计算式为：（3-5）定子磁链幅值计算表达式为（3-6）电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算（3-7）式中为电机极对数。2.2磁链调节器磁链调节器功能是根据定子磁链幅值实际值和幅值给定值的偏差确定磁链开关信号。其工作原理是根据定子电压和定子磁链的矢量表达式（3-8）由于定子电阻通常很小，在分析时若忽略定子电阻压降的影响，则有8（3-9）式（3-9）上式表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，即增量关系，定子磁链矢量的变化方向跟随电压空间矢量的变化方向。因此，如要使定子磁链轨迹为图3-4所示的半径为，容差范围为的圆形轨迹，磁链调节器可以采用滞环比较器实现，滞环宽度从到，如图3-5所示。图3-4 定子磁链圆形轨迹其工作过程如下：当时，说明定子磁链幅值实际值少于幅值给定值，并且超出了容差上限，滞环比较器输出，开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以增大；当时，说明定子磁链幅值实际值大于幅值给定值，并且超出了容差下限，此时滞环比较器输出，开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以减少；当时，定子磁链幅值实际值与幅值给定值之差在容差范围内，此时滞环比较器输出保持不变，电压矢量也保持不变。图3-5 磁链调节器2.3开关选择单元开关选择单元的功能是，综合磁链开关信号、转矩开关信号tq和定子磁链扇区信号，再根据转矩调节优先的原则，选择合适的定子电压矢量，以达到控制电机转矩和磁链的目的。开关选择表如表3-1所示。表3-1 定子电压开关信号选择表（逆时针旋转）磁链信号转矩信号tq扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6-1-1v2v3v4v5v6v11v7v0v7v0v7v01-1v3v4v5v6v1v21v0v7v0v7v0v73 直接转矩控制的改进3.1基于滤波器的定子磁链观测器在电机运行过程中，电机参数随现场工况变化的影响在一定范围内变化，且这种变化规律事先难以获取，这将导致定子磁链观测器的精度降低。在定子磁链和电磁转矩闭环的异步电机直接转矩控制系统中，磁链观测器工作在反馈通道，如果磁链观测器的幅值大于实际值，将导致电动机的弱磁运行；反之，如果磁链观测器的幅值小于实际值，将导致电动机的过励运行。为了弥补电机参数变化导致的定子磁链和电磁转矩观测失准问题，考虑到模型和模型各自的特点，可以采用基于滤波器的定子磁链观测器。高速时定子磁链模型观测精度高；低速时定子磁链模型观测精度相对较高，因此将定子磁链模型和模型综合在一起，即在高速时让模型起主要作用，通过低通滤波器将模型的观测值滤除。在低速时让模型起主要作用，通过高通滤波器将模型的观测值滤除。并且使这两个滤波器的转折频率相同，即可实现模型之间的平滑过渡。基于滤波器的定子磁链观测器原理框图如图4-1所示。定子磁链模型的观测值通过高通滤波器，定子磁链模型的观测值通过低通滤波器，再将这两个值相加，即为定子磁链的观测值。图4-1 基于滤波器的定子磁链观测器电机参数变化导致定子磁链观测器的精度降低，其、和这三个参数的变化对定子磁链观测器的影响较大。通过增加低通和高通滤波器，提高了定子磁链观测器的精度。3.2 改进的磁链调节器和开关选择表电机低速时，工作电压矢量作用时间很短，零电压矢量作用的时间却很长，定子电阻压降对时间的积分值较大，其对定子磁链的影响也就不能忽略，而导致定子磁链轨迹内陷非常明显。因此在原来磁链调节器两级容差的基础上扩展一级容差9，磁链开关信号在“1”和“-1”基础上再增加“-2”，磁链调节器如图4-2所示。并且引入相应的定子磁链补偿电压，补偿低速时定子压降引起的内陷，得到改进的定子电压开关信号选择表4-110。图 4-2 增加“-2”级的磁链调节器表4-1 增加“-2”级的定子电压开关信号选择表磁链信号转矩信号tq扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6-2-1v3v4v5v6v1v21v1v2v3v4v5v6-1-1v2v3v4v5v6v11v7v0v7v0v7v01-1v3v4v5v6v1v21v0v7v0v7v0v74 直接转矩控制的发展方向十几年来，在国内外直接转矩控制不断得到发展和完善，特别是随着各种智能控制理论的引入，涌现出了许多基于模糊控制和人工神经网络的dtc系统，使得控制性能得到了进一步的改善和提高。控制系统的性能是借助于控制环节来实现的，改善和优化各个环节的结构，必然有利于控制系统性能的提高。下面简要介绍一些对直接转矩控制中各控制环节的研究情况。（1）新型开关状态选择器的研究用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁链调节时，需要人为设定触发器的容差，而该容差大小与系统的性能密切相关。为减少人为因素对系统性能的影响，有人提出将各种先进的智能控制理论应用于直接转矩控制的新方案，通过应用各种智能控制理论如模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态11-12，完全抵消了触发器的容差影响，使性能改善更加明显。和传统的系统相比，用该选择器构成的系统响应快、超调量小、抗扰动能力强，特别适用于要求快速跟踪的场合。但是这种方案也存在一些难于克服的缺点，例如模糊控制算法的应用中，由于人为选取的模糊状态选择器中各变量隶属度具有较大的主观性和盲目性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在，甚至还会变得更差。为了解决这个问题又有学者提出了采用遗传算法来学习转矩误差的隶属度函数分布13，以达到进一步提高转矩响应速度与减小转矩谐波和电流谐波的目的，这方面的研究还在继续。（2）改善低速性能的研究传统的直接转矩控制系统中，低速时定子磁链的观测受定子电阻影响较大，因此如何准确地检测定子电阻的实时变化，一直是改善系统低速性能的首要问题。近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题。在一些文献里提到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器14。该观测器把对定子电阻值影响比较大的三个因素一定子电流、转速和运动时间作为输入量，以定子阻值的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改善。最近又有人提出了用神经网络来实现定子电阻观测器，实验结果也证明是可行的，但具体的网络结构还有待研究完善。（3）转速辨识直接转矩控制本身不需要转速信息，但为了精确地控制转速，还是应该进行转速闭环。以往是安装转速传感器进行速度反馈，不仅增加了成本，而且降低了系统的稳定性和可靠性。实际应用时，有些场合根本不能安装转速传感器，有时甚至找不到转速反馈的位置。因此，很有必要进行转速辨识。有人曾推导出一个简单的转速估算公式，仅需定子电压和电流就可计算转速。但这只适用于中高速以及系统动态速度性能要求不高的场合。卡尔曼滤波用于估算电机转速，仍是十分有力的工具。实验表明，转速估算值与实际值非常接近，既使在极低速情况下，估算误差仍很小，但随电机参数变化而变大，需要考虑温度对参数的影响，应用受到限制。除此以外，mars方法也被用于转速估算，但当转速很低时，mars模型输出变为零，失去对速度的控制，此方法不再适用。鉴于此，有学者提出了一种用于矢量控制的自适应速度辨识方案，它比以往的mras方法简单、稳定，获得了较宽的速度控制效果。利用加载波信号的方法亦可把与电机参数不准的误差区分开来，从检测出的载波信号可算出转子的位置和速度。总之，直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。现代控制理论和智能控制理论(以模糊控制和人工神经网络为主)是人们改进dtc系统最主要的理论依据；高性能的数字处理器dsp(digital signal processor)和众多新型的器件的出现，则为改进dtc系统提供了强大的物质基础。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。由于近期研究成果的大量涌现，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻，对各种局部性能的改善也有了更多的选择方案。因此，追求整体性能最优将成为今后直接转矩控制研究的主要方向。通过改进系统各组成环节的内部结构来提高系统性能，其效果是非常有限的，从软件方面着手改进系统将是今后的大势所趋，智能控制会发挥越来越大的作用，成为整个系统的控制核心。近几年发展起来的将神经网络和模糊控制结合起来的神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直接转矩控制的重要手段。学者们一般认为传统的直接转矩控制采用两个滞环比较器，通过bang-bang控制实现对磁链和转矩的解祸控制，而矢量控制的主要目标是采用坐标变换方法对定子电流进行解祸控制，并间接地实现对转矩和磁链的解祸控制。两者的主要区别在于：矢量控制一般具有pwm逆变器和定子电流闭环，而直接转矩控制没有。实际上，目前的直接转矩控制和矢量控制正在不断地融合，取长补短，区别特征己经不太明显。例如mario marchesoni等人所提出的定子磁场定向控制方法中去掉了电流闭环洲，仍保留着pwm逆变器，但是对定子磁链和转矩则采用滞环控制，这与直接转矩控制十分相似。目的都是实现对磁链和转矩的解藕控制，其控制目标均是空间矢量，数学模型也都是建立在空间矢量的基础上。两种方法取长补短相互融合以构成更加优良的控制系统，也将是未来的发展方向。参考文献:1 李夙.异步电动机直接转矩控制. 北京: 机械工业出版社, 1994.2 陈坚. 交流电机数学模型及调速系统. 北京: 国防工业出版社, 19893 高景德,王祥珩,李发海. 交流电机及其系统分析（ac machine and system analysis）. 北京:清华大学出版社,1993.4 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社,19955 李永东. 交流电机数字控制系统. 机械工业出版社,2003,046 d.casadi, g.serra and a.tani. stator flux vector control for high 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