交流电机直接转矩控制策略的分析与比较

1、交流电机直接转矩控制策略的分析与比较王德友，田运涛，熊维兵(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)摘 要：直接转矩控制技术发展了近二十年，取得了巨大的进步。但近年来提出直接转矩控制策略中存在调速范围不够 大及转矩脉动大的问题。本文将针对这些问题对常见的控制策路进行了详细的分析和比较得岀，对于中小容量而言，控制方案 重点在于进行转矩磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉 动的目的。希望对以后交流电机直接转矩控制技术的发展能提供有意义的帮助。关键词:磁场定向控制直接转矩控制磁链控制无差拍控制abstract : direct t

2、orque control technology development for nearly two decades, has made tremendous progress but in recent years the speed range is not big enough and the problem of torque ripple in direct torque control strategy.in this paper, a small speed range and torque ripple big detailed analysis and comparison

3、 of these control strategics,a nd received summary .the emphases of control scheme is put on the dead-beat control of torque and stator flux as well as the increasing of carrier frequency for low power drives,whereas,indirect torque control is adopted to achieve torque ripple minimization in low spe

4、ed for high power. which is can provide meaningful help to motor direct torque control technology development.keywords: field-oriented control direct torque control flux control deadbeat control1引言交流电机相对于直流电机具有结构简单、维护容易、成本低廉等许多优点，在提高生产力等方面具有足 够的优势。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。交 流调速已进入与直流

5、调速传动相媲美、相竞争，并逐渐占据主导地位的时代。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。对于直接转矩控制来说，一般文献 认为它由德国鲁尔大学的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi于1985年首先分别提出的。直接转矩控 制技术是继矢量变换控制技术之后发展起来的一种新兴的交流调速控制技术，它直接在定子坐标系下计算并 控制交流电动机的转矩和磁通，采用定子磁场定向，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的控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型 的简化处理。控制结构简单、控制手段直接，具有动态响

6、应迅速且无超调，结构简单，易于实现、对参数的 鲁棒性好等优点。直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已经发展出来多种控制策略及其数 字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本文将对它们进行分类，并作分析和比较。2 空间矢量调制方法2.1无差拍的空间矢量调制方法把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人t.g.habetler提出来的。这种方法的主要思想是在本 次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差，这个差值可以用下式表示出来：at =(1)丄丛（一屮皿瓦/ +屮$疋）+ （屮$洱；一屮$"；）4厶$其中包含有空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量。另外可以得到使定子磁链幅

7、值达到给定值的所加空间 电压矢量的数学式子：屮：2 二（v/tv + 屮旳）2 + （e/tv + 屮m）2（ 2 ）利用式和式可以联立求解出下一周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量的两个分量vd和vq, 显然，此空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻两个基本的电压矢量合成而得到。利用计算出 来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。利用habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，消除转矩脉动，弥补传统直 接转矩控制的bang-bang控制的不足，使电机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压 矢量可以使开关频率相对于单一矢量大幅提高并

8、且使之固定，这有利于减少电压谐波和电机噪声。但是由式仃）和式（2）联立求解出的空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁 链和转矩无差拍控制。因此要考虑是否满足转矩无差拍和磁链无差拍，如果都不满足就按照原有直接转矩控 制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。因此按照habetler的无差拍方法计算量较大，不易实现，另外 在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。2.2基于离散空间矢量的调制方法传统直接转矩控制是根据实时计算出来的电机磁链和转矩，以及定子磁链在空间的位置角，在开关电压 矢量表中选择电压矢量，控制电机运行。传统直接转矩控制中可选的电压矢量仅仅是

9、6个非零基本电压矢量， 只要定子磁链处于同一扇区并且磁链和转矩误差状态相同，就会选择相同的电压矢量，但事实上随着定子磁 链在同一扇区中空间位置的不同，电压矢量对磁链和转矩的影响会发生变化，因此6个非零基本电压矢量不 能满足转矩和磁链实时控制的要求，增加所选择的电压矢量可以解决这一问题。为了减小电机转矩，采用具有是定子磁链反转的电压矢量，经过反转电压矢量作用后，能够使转矩角迅 速减小，进而使转矩迅速减小，加快系统的响应速度。但是电机在高速运转时，定子磁链和旋转速度都很快， 这时施加反转电压矢量，会使定子磁链反转从而引起转矩角的很大的减小量，使得转矩减小过度，进而引起 较大的转矩脉动，因此，系统在

10、高速运行时，采用零电压矢量来实现转矩的减小作用。在离散空间矢量调制方法屮，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量屮的相邻电压矢量和零电压 矢量进行有规律的合成，如图1是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压 矢量。从图3屮可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量 组成，如空间电压矢量23z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7 段式方式合成，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。图1 dsvm的空间电压分布情况细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传

11、统的2级滞环bang-bang 控制，而考虑到转矩需要动态响应快，对其划分了 5级滞环bang-bang控制，如图2所示，不同的误差带内 使用不同的电压矢量表。另外，通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示：at*2 = p (v5 - jcomkzk) /屮( 1° ) (7厶、厶r从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的。因此，在不同的速度范围使用 了不同的电压矢量，如图1所示。从另一方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢 量也是符合v/f=c这一规律。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低，转

12、矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量，因此连续使用的冬电压矢量少， 开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压矢量比较多，可以划分12个扇区，使用两个电压矢量 表，这样可以进行更精确的控制。图2磁链2级滞环和转矩5级滞环从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要无差拍控制那样多的计算，保持了传 统bang-bang控制的优点，鲁棒性好，相对于传统的直接转矩控制可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速 转矩脉动。但是控制精度越提高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。 因此，如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起來，

13、将会有助于克服这个缺点。2.3空间矢量的脉宽调制法空间矢量脉宽调制(svpwm)算法是从电动机的角度出发的，目的在于使交流电动机产生圆形磁场。它以三 相对称正弦波电源(其电压和频率值均为电动机的额定值)供电时交流电动机产生的理想磁链圆为基准，通 过选择逆变器的不同开关模式，使电动机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而产生svpwm波。由于磁链 的轨迹是靠电压空i'可欠量相加得到的，故也称之为“电压空间矢量控制”。电压空间矢量控制技术实际就是 在一个设定的采样周期内，根据参考电压矢量所在的区间位置选择相邻的两个基本电压空间矢量以及零电压 矢量来合成参考电压空间矢量，如图3所示：图3匕和诂

14、的线性合成矢量uwr空间矢量脉宽控制是一种比较好的pwm方法，它的优点是提高逆变器直流电压的利用率，减少谐波损失，抑 制转矩脉动，且易用数字化实现。3转矩或磁链的预测控制在tg habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此岀现了一系 列的简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的 情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论，之后又进一步由基本电机方程得出转矩变化式子：lot «v) - r,nt - p2(o2s) ts( 3 )其中：= (lslr- lm2)/ lm , r=空 r $ +心 + “ 肌=3

15、乩 + 厶乩。厶川l r厶rl ntl m通过分析(3)式可知，非零电压矢量和零电压矢虽对转矩变化的作用是不同的，前者可以使转矩上升或 下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩 预测控制方法中，一个采样周期对以分为非零电压矢量和零电压矢量，如果使下一采样周期非零电压矢量和 零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，如下式所示：at* =att +at i(4)将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目的。即使岀现计算岀来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可 以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现。上法认为磁链被准确控制或变

16、化缓慢，而没有考虑磁链的无 差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到：屮£ = |可卜|亜卜屮(5 )其屮a屮$是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，叭屮是二者的空间角度。以转矩控制优先为原则， 根据转矩预测控制计算出來的矢量作用时间和磁链预测控制计算出来的作用时间可以得到综合的矢量作用 时间。考虑磁链的无差拍控制z后比单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，乂不会产生磁链 畸变，并且汁算量不会太大。同habetler的无差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果 能在线实时辨识定子电阻和转子时间常数，将大大提高控制精度。4离

17、散时间直接转矩控制使用离散时i'可的方法进行异步电机的控制在文献屮已经有了比较详细的介绍，把这种方法应用于直接转 矩控制首先要对电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化，离散化如下：l伙+ 1)二匸伙)+庞认伙)(6)或屮讹 + i)=出伙)+ £e(k)+olsb/wsg( 7 )其中的反电势的计算式为：丘伙-1)= vs(k _ 1)+( 8)b把方程(7)代入其中，同吋也把方程(7)代入到磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁 链幅值平方式可以求解出下一周期的的空间电压矢量的增量a%和人匕，代入以下方程可以得到转矩和磁 链无差拍控制的电压矢量

18、，并对其进行了限幅：认伙)=幺伙)+ rds + 认伙)(9 )离散时间直接转矩控制可以通过差分方程，把k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同 吋达到转矩和磁链的无差拍控制。从实现方式上很适合于数字化控制，另外这种方法主要基于定子侧进行控 制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，対电机参数变化的鲁棒性比较好。但是在这种方法中，需要检 测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，计算量也比较大。5无速度传感器直接转矩控制在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性， 此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便

19、成了交流传动系统中 的一个重耍的研究方向，在速度开坏直接转矩控制系统中无需速度信号，因此被称为天然的无速度传感器控 制策略。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置 估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转 子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较 准确地辨识出电机速度。无速度传感器可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统的 控制系统相比，无速度传感器系统可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦

20、得到改善。同 时，还可以获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动屮有明显的优势，特别适用于那些需要高起动 转矩及低速平滑运行的场合。无速度传感器控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低 了系统的成本；减小了系统的体积、重量以及电机与控制器的连线。6 基于pi调节的直接转矩控制在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量 控制在低速下的稳态性能。无差拍控制能得到任意相位的空间电压矢量，但是计算比佼复杂，实现比较困难。 另一种获得任意相位的空间电压矢量的方法是使用pi调节器。abplunkett的直接转矩和磁链

21、调节方法 就是一种pi调节方法，只是那吋候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用spwm方法输出电机控制电压。 在文献中，所提出的直接转矩控制使用pt调节的方法，并且用于svm的方法输出空间电压矢量，其控制结构 如图4所示。j a and %图4基于pl调节的直接转矩控制结构图在图4中，由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入pi调节器中，经过pi调节得到q轴电压矢量，由 定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子磁链误差输入pt调节器中，经过pt调节得到d轴电压矢量,之后将d轴和q轴的电压矢量旋转变换到静止坐标系下的轴和b轴上，用于空间电压矢量的输出，显然这个空间 电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结

22、构上看基于p1调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢 量控制，但二者有区别，定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链d轴，q轴磁链为 零，另外还要对d轴方向上的磁链和q轴方向上的电流进行解耦，而基于pt调节的直接转矩控制不需要这 些，其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过pt调节方法來跟随上给定即可，因此从实现上比较简单， 同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但 是在这种方法当屮需要选取合适的p1参数，否则会影响控制系统的动、静态性能。7 大容量直接转矩控制的低速控制策略直接转矩控制当初在徳国提出来是为了解决大容量的机车控

23、制的问题，其中最重要的一点就是要降低 开关频率。冃前以gto作为逆变器的功率器件时，其开关频率一般不超过200iiz,使用igbt时，一般也不能 超过500hzo因此以上的各节所描述的直接转矩控制策略将不适用于大容量的直接转矩控制，否则将造成比 较高的开关频率。在低速下，如果使用直接转矩进行控制，采样周期很小，转矩脉动大，而且容易过流；转 矩和磁链要有比较大的滞环，否则开关频率也比较高；但是，如果转矩和磁链的滞环太大，又会造成比较大 的转矩脉动。因此在大容量的调速中不宜使用传统的直接转矩控制。fi前使用的最成熟的方法是间接转矩控 制，其控制结构如图5所示。由图5可以看出，这种控制方法其实是在abplunkett的直接转矩和磁链调节法上的一种改进，其 中转矩调节器输出的是动态滑差在一个采用周期的积分动态增量人人，而稳态滑差由磁链和转矩计算出来。 动态滑差与电机机械角速度z和得到同步角速度，对其在一个采样周期进行积分就可以得到磁链在一个周期 内的相位稳态增量ax。，使之与动态增量相加可得磁链在一个采样周期总的相位增量ax。磁链调节器输出 幅值增量利用相位增量和幅值增量以及电压方程可以得到控制电机的空间电压矢量。从以上分析可以 看出间接转矩控制的物理概念是很清晰的.通过计算磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，不但 可以保证磁链轨迹为圆形，而且还对转矩进行了