苗立偉

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

在交流電機矢量控制原理出現(xiàn)后，相關(guān)技術(shù)被投入應(yīng)用30 余年，矢量控制的原理也在不斷完善，不同規(guī)模的交流電機變頻調(diào)控系統(tǒng)主要應(yīng)用矢量控制，促使交流電機調(diào)速已經(jīng)超出以往直流電機調(diào)速的性能。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理與交流電機矢量控制（VC）對比具有更為鮮明的特征。例如，不再需要應(yīng)用旋轉(zhuǎn)坐標變換，存在著靜止坐標系上控制轉(zhuǎn)矩與磁鏈。在DTC 出現(xiàn)后，交流電機控制理論更受到了關(guān)注，相關(guān)技術(shù)的研究也進一步延伸。在國內(nèi)相關(guān)理論以及實踐的快速發(fā)展下，交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍也有所擴展。在市場的不斷擴大下，國際范圍內(nèi)不同企業(yè)之間的產(chǎn)品競爭也愈演愈烈，直接轉(zhuǎn)矩控制也作為競爭中的焦點之一存在。市場競爭的加劇為研究領(lǐng)域提供了全新的課題，而相應(yīng)的科技人員需要重新界定DTC 與VC 技術(shù)，謹慎評價其應(yīng)用范疇以及優(yōu)勢與不足，為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供客觀的憑據(jù)。

1 變頻器發(fā)展情況簡述

在運動控制系統(tǒng)中，變頻器作為功率轉(zhuǎn)換器存在。當前運動控制系統(tǒng)關(guān)系著眾多學科技術(shù)層面，表現(xiàn)為驅(qū)動變得交流化、功率變換器高頻化方向發(fā)展，同時，控制系統(tǒng)逐漸向數(shù)字化以及智能化方向轉(zhuǎn)變。基于此，功率轉(zhuǎn)換部件在系統(tǒng)中的作用極為關(guān)鍵，變換器由于具備可控性高性能變壓變頻交流電源實現(xiàn)了快速發(fā)展。在相關(guān)技術(shù)與理論的不斷完善下，電力半導體器件與微處理器的性能也在不斷提升。由此衍生出的結(jié)果是變頻驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)高速發(fā)展。從另外一個層面分析，基于在變頻器技術(shù)中應(yīng)用復雜控制技術(shù)促使變頻器性能不斷提升，且應(yīng)用范圍也在不斷延伸。當前變頻器并不被控制在傳統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)中獲取到廣泛應(yīng)用，在各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域均有涉及，例如，家電產(chǎn)品中便能夠發(fā)現(xiàn)其存在。實際上，變頻器技術(shù)屬于綜合性較強的技術(shù)，屬于多項技術(shù)的集中應(yīng)用，同時，也基于這些技術(shù)的同步發(fā)展，促使變頻器技術(shù)在短時間內(nèi)實現(xiàn)了快步發(fā)展。變頻器技術(shù)在各項技術(shù)中吸取有助于自身發(fā)展的優(yōu)勢進行融合，為此，變頻器技術(shù)才可得到綜合發(fā)展?？偨Y(jié)而言，變頻器技術(shù)的發(fā)展是伴隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展而獲取到的。

2 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)在投入DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用后，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與適量控制對比速度更快，適量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)約為7ms 左右，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)能夠達到1ms 左右。之所以出現(xiàn)此種結(jié)果，其原因為DTC 控制系統(tǒng)借助于電機的電壓與電流核算出定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用碰一碰控制完成變頻器PWM 控制，DTC 控制系統(tǒng)并不存在電流控制環(huán)路?；诖?，DTC 控制系統(tǒng)的立足點應(yīng)該放在電壓層面，而非電流層面。適量控制的基礎(chǔ)原理為建立在交流電機電流控制基礎(chǔ)上，將交流電流依據(jù)磁場坐標軸分解成為轉(zhuǎn)矩分量與磁場分量，對其作出分別控制。為此，適量控制的立足點應(yīng)該為電流控制。在交流電上進行分析，若想在轉(zhuǎn)矩相應(yīng)速度上進一步提升，基于磁鏈不發(fā)生變化的條件，需要電流的速度作出調(diào)整，相應(yīng)的電流轉(zhuǎn)變主要受到電壓快速變化所影響。適量控制系統(tǒng)輸出電壓在電流調(diào)節(jié)器輸出下所產(chǎn)生，在此種情況下將會涉及電流調(diào)節(jié)時間的滯后。當前，所應(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓能夠經(jīng)由電機模型計算前饋電壓控制與電流調(diào)節(jié)同步作用下形成。前饋電壓控制方面，動態(tài)響應(yīng)速度在持續(xù)上漲狀態(tài)，而電壓輸出的前提是利用模型作出可靠的核算。其目的在于控制過沖情況的發(fā)生，從而保障電流可控。DTC 存在的不足在于并不存在電流控制環(huán)路，碰一碰控制所形成的輸出電壓也沒有合理的電流控制。在此種情況下，可能發(fā)生的問題是電壓過沖。基于此，電機可獲取到較大的電流，加快電流響應(yīng)。DTC 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的實現(xiàn)需要一定條件作為支撐，若電壓為額定狀態(tài)，尤其是弱磁運行區(qū)域，電壓不會出現(xiàn)過沖余度空間。除此之外，規(guī)模較大的流動傳動需要合理的控制電流。如此，DTC 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)無法實現(xiàn)1 ～2ms 指標的水平。DTC 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較容易被PWM 開關(guān)頻率所影響，也就是碰一碰控制頻率。應(yīng)對利用GTO 與IGCT 原件大規(guī)模PWM 變頻器，若開關(guān)頻率過高，則會導致變頻器損耗進一步加劇，且運行效率會受到負面影響。針對此，變頻器脈寬控制開關(guān)的頻率應(yīng)該給予一定的限制。

3 變頻器穩(wěn)態(tài)特征分析

在DTC 變頻控制器轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的實現(xiàn)過程中，所憑借的基礎(chǔ)條件是碰一碰控制。在此過程中，開關(guān)頻率存在著一定的不確定性，為此，會出現(xiàn)響應(yīng)的轉(zhuǎn)變，也由此衍生出一系列問題。例如，其一，難以與適量控制器協(xié)調(diào)統(tǒng)一且被明確的開關(guān)頻率中，利用PWM 控制方式進行諧波的控制。其二，變頻器自身會輸出一定電壓，為此，電流諧波過高。其三，在應(yīng)用同樣電子元器件的基礎(chǔ)上，變頻器的輸出容量相對較小?；谝陨蠁栴}，能夠發(fā)現(xiàn)的是DTC 控制變頻器穩(wěn)態(tài)性指標水平還不能夠滿足實際應(yīng)用需求。面對需求標準相對較低的動態(tài)性能指標通用變頻器，如風機與水泵節(jié)能傳動等，一般性質(zhì)的工業(yè)機械傳動變頻器效率與諧波具有著至關(guān)重要的價值，此條件下，VC 更具有廣泛應(yīng)用的價值。面對規(guī)模較大的傳動設(shè)備，如利用IGCT 原件的三電平高壓變頻器，容量指標需要引起關(guān)注。

4 無速度傳感器控制

針對相關(guān)產(chǎn)品的宣傳問題，將DTC 變頻器無速度傳感器控制于零速情況下滿負荷輸出視為DTC 的唯一特征，明顯過于片面。DTC 與VC 所利用的是同樣的交流電機數(shù)學模型，無速度傳感器控制并不是DTC 持有的專利，無速度傳感器控制室DTC 與VC 控制系統(tǒng)都在關(guān)注的發(fā)展方向。以往有研究資料顯示，DTC 變頻器在低速狀態(tài)下的控制能力相對薄弱，為改善此問題，可引入SIR 方法。而此種控制辦法的原理是，建立在電壓與電流電機模型核算轉(zhuǎn)子磁鏈，后利用轉(zhuǎn)子磁鏈控制補償DTC 低速狀態(tài)下的性能發(fā)揮。若控制系統(tǒng)處在低速狀態(tài)，選擇ISR，而轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贍顟B(tài)則需要變換為DTC。從這一點上來看，DTC 低速特征改善需要建立在VC 的基礎(chǔ)上才能夠?qū)崿F(xiàn)。無速度傳感器控制屬于交流電機調(diào)速控制的關(guān)鍵研究方向，同時，也是現(xiàn)階段相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界與變頻器制造廠所關(guān)注的焦點問題。值得關(guān)注的問題時，國內(nèi)在部分高校上投入的研究精力較大，出現(xiàn)了一系列研究文章，但是，無速度傳感器控制的實際應(yīng)用與國外相關(guān)產(chǎn)品對比還存在著一定的差距。

5 其他控制方法與發(fā)展趨勢

高性能的DSP 芯片、電力電子器件的出現(xiàn)與非線性系統(tǒng)理論的發(fā)展，研究優(yōu)于矢量控制的解耦方案成為可能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制具有較強的魯棒性與自適應(yīng)性，促使系統(tǒng)對參數(shù)的轉(zhuǎn)變與外界的擾動靈敏性降低。但是，滑膜高頻切換控制可在擾動與模型參數(shù)的作用下造成抖振情況，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性特征以及定位的精準度。為控制滑模控制器中出現(xiàn)的震顫，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，控制滑膜線臨近狀態(tài)的抖振情況。模型參考自適應(yīng)便是將具備待估算參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩個模型具備同樣物理意義的輸出量。在工作狀態(tài)中，應(yīng)用兩個模型輸出量的差值，結(jié)合適合的自適應(yīng)率完成參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)控制對象的輸出跟蹤參考模型。

6 結(jié)語

在市場容量的不斷擴增下，世界范圍內(nèi)相關(guān)企業(yè)之間的產(chǎn)品競爭力勢必會隨之上升，直接轉(zhuǎn)矩控制會作為產(chǎn)品技術(shù)競爭的關(guān)鍵點。在深入開發(fā)與展示DTC 技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，市場宣傳傾向于DTC 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)1 ～3ms，且可完成無速度傳感器調(diào)速控制。在上文分析中明確了，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理與交流電機矢量控制（VC）對比具有更為鮮明的特征。在DTC 出現(xiàn)后，交流電機控制理論越來越受到關(guān)注，相關(guān)技術(shù)的研究也進一步延伸。在國內(nèi)相關(guān)理論以及實踐的快速發(fā)展下，交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍也勢必會有所擴展。