陳鑫 張海濤

摘 要：矢量控制和直接轉(zhuǎn)向控制作為交流電機的兩種主要變頻方法，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速的早期發(fā)展控制器（或系統(tǒng)控制回路）大多由模擬的電子控制器所構(gòu)成。近年來，由于單片機的信息處理速度限制，對即時化和控制精度的要求又相當(dāng)高，使得傳統(tǒng)單片機控制器一直無法滿足現(xiàn)代交流電機控制器的需求。根據(jù)一種新的控制理論，用于交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，它大大簡化了交流調(diào)速系統(tǒng)的速度控制系統(tǒng)。將高動態(tài)響應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)，把國內(nèi)交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展推向了一個新的高度。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制;交流電機

引言：

于工業(yè)科學(xué)技術(shù)的提高，交換調(diào)制也逐漸代替了直流輸出調(diào)制。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機管理關(guān)鍵技術(shù)也取得了重大突破。正因為交流電機是一個多變數(shù)、強連接的非線性時變控制系統(tǒng)，所以交流電機的轉(zhuǎn)矩控制比直流電機復(fù)雜得多。交流調(diào)速經(jīng)過長期的研究和研究，取得了很大的成就。交流電機在生產(chǎn)和生活中，已經(jīng)獲得了廣泛的使用。高效率的交流調(diào)速技術(shù)也離不開現(xiàn)代控制的幫助，而目前在交流電機中最常用的技術(shù)就是矢量控制系統(tǒng)（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）的技術(shù)。矢量控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制，作為交流傳動控制策略在實際中得到了廣泛的使用。而矢量控制器和變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)的主要特點是，利用坐標(biāo)變化重構(gòu)后的發(fā)動機模型可等效于直流電機，以達到對直流電機等扭矩和流量的快速調(diào)控。而矢量控制系統(tǒng)的基本原則，是利用測量和監(jiān)控異步電動機定子的電壓向量，并按照電磁定向原理，相應(yīng)地調(diào)節(jié)異步電動機的加速電流和轉(zhuǎn)矩電流，進而調(diào)節(jié)異步電動機的扭矩。

1.交流調(diào)速技術(shù)的研究發(fā)展

在電力與電子科學(xué)技術(shù)發(fā)達以前，速度控制器的主要應(yīng)用對象是直流電機。直流電機的速度很易于控制和調(diào)節(jié)，，經(jīng)過改變電流及調(diào)節(jié)勵磁電流，即可進行無級調(diào)壓，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)也比較簡便。但因為手刷價錢高昂、容易損壞、維修困難度大、對日常工作環(huán)境條件需求較高，且不宜用作易燃、易爆、腐蝕的廢氣。所以，目前直流電機已很難適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)電氣控制的需要。由于交換發(fā)電機具備結(jié)構(gòu)簡潔、容易運行、價錢便宜、維修簡便、可在惡劣環(huán)境條件下正常管理工作、容易向高大的功率方面發(fā)展等優(yōu)勢，所以近數(shù)十年來世界各國都在致力于交換發(fā)電機控制器的研發(fā)。由于交流異步電動機存在強耦合、非線性多變數(shù)系統(tǒng)，其速度和轉(zhuǎn)矩的調(diào)制特性較低。但由于現(xiàn)代變頻調(diào)速理論和電力電子科學(xué)技術(shù)的進展，交流異步電動機調(diào)速能力得到了很大的提高。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)最常見的方式有：扭轉(zhuǎn)子異步式發(fā)電機串級調(diào)壓、變極對數(shù)調(diào)壓、變壓變頻調(diào)制。

在現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。早期的變頻系統(tǒng)是由一個開環(huán)恒壓恒壓控制的。這種控制策略是基于電機的穩(wěn)定狀態(tài)運行的。這是從電機的機械性能分析和研究電機的驅(qū)動狀態(tài)和特性。它的控制結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。它具有動態(tài)轉(zhuǎn)向性能差、負(fù)載影響強烈、扭矩動態(tài)響應(yīng)差、穩(wěn)定性差等缺點。一九七零年，德國物理學(xué)家在先前提到過的坐標(biāo)系變換的理論基礎(chǔ)上，提出了一個矢量變換管理的方案。矢量變換管理方法成功地解決了在交流調(diào)速體系中電磁轉(zhuǎn)矩的有效管理問題。矢量轉(zhuǎn)換控制理論的主要方法是，利用坐標(biāo)系變換理論比較交換發(fā)電機與直流電機，在定子繞組中分解系統(tǒng)的交流電流，將之變成交流電動機磁性成分與扭矩成分，交換發(fā)電機流量與扭矩獨立受控，并達到同樣的效果動態(tài)速度控制特性，例如直流電機。但是，在實際實踐中，由于轉(zhuǎn)子的流動鍵很難測量到，電機的運動參數(shù)很大地影響了控制系統(tǒng)的特性，再加上坐標(biāo)系變換的復(fù)雜性，難用于模擬對直流電機的操控，使得實際控制效率上難以達到理論分析結(jié)果，這也是直觀矢量控制在實際實踐中的主要缺點。而身為一項新興技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制目前在中國尚不完善，我國直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)水平與國際先進水平仍有較大差距。

2.矢量控制

1971年，德國研究員f.Blaschke進一步闡述了感應(yīng)電動機矢量轉(zhuǎn)換的控制理論，并運用坐標(biāo)變換原理把三相控制系統(tǒng)對應(yīng)于正交二相系統(tǒng)，進而利用轉(zhuǎn)子磁場的定向矢量轉(zhuǎn)動變化，獲得了定子電壓的加速度成分與力矩成分間的差值，進而相應(yīng)地調(diào)節(jié)了感應(yīng)電動機的流量與電壓。矢量轉(zhuǎn)換控制理論已經(jīng)在交流電動機控制系統(tǒng)中獲得了普遍的運用，克服了電磁分離和交流電動機轉(zhuǎn)矩獨立控制系統(tǒng)的問題。因為矢量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)相當(dāng)于三相感應(yīng)電機對直流電機速度的轉(zhuǎn)換，所以它達到了和直流電機速度控制器一樣的優(yōu)良靜態(tài)和動態(tài)特性，從而在交流速度控制和直流速度控制之間形成了競爭。盡管矢量變換控制器已經(jīng)完成了在電磁定向坐標(biāo)系下電流與壓力的分離，但交換電動機依然要求對定子的三相電壓和電流進行控制，所以矢量控制算法也十分復(fù)雜。

該系統(tǒng)計算不但要對三相交流電機的壓力和電流指示信號進行變換，以達到在電磁定向坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)變化檢測到的數(shù)量值外，在交換電動機系統(tǒng)中，還可利用反向坐標(biāo)變換把斷開的電流和壓力指示信號變換為三相電流和壓力指示信號。同樣，在電磁定向坐標(biāo)系中，對定向電磁的觀察也將采用交換電動機的模型，這將直接對定向電磁觀察結(jié)果的準(zhǔn)確度，進而危害系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確度。為進一步提高控制精度，應(yīng)引進閉環(huán)觀測器模式以及反饋管理策略，以避免系統(tǒng)參數(shù)擾動、檢測信號噪聲和外界影響，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制用空間向量的概念分析了三相交流電機的數(shù)學(xué)模型，在靜態(tài)坐標(biāo)系下進行估計和調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩和磁電流?；陂_關(guān)柜的直接轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩和流量的滯后比較產(chǎn)生PWM信號。它采用了簡單的二點控制器（bang-bang控制）直接控制逆變器的開關(guān)模式。高動態(tài)扭矩。

3.1常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)主要是利用檢索開關(guān)表的方式。在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)中，當(dāng)測量到定子的二相電流之后，即可利用二分之三坐標(biāo)變換得到二相靜態(tài)座標(biāo)系統(tǒng)的總電壓。再根據(jù)所測量到的發(fā)電機速度，即可在I-n模型下得到定子電壓。所計算的總電壓，也可用來得到通過定子電流扇區(qū)時的電磁轉(zhuǎn)矩，將通過定子電流的電磁轉(zhuǎn)矩與其給定的進行對比，又或?qū)⒖疾钆c其滯后值進行對比。通過滯環(huán)基準(zhǔn)裝置的輸出和流接口當(dāng)前所在的扇區(qū)，就能夠設(shè)定電流與輸出電壓的矢量開關(guān)模式以調(diào)控發(fā)電機速度。

3.2采用SVPWM的直接扭矩調(diào)節(jié)。采用SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制器，是采用直接轉(zhuǎn)矩控制器的基本原理。只要輸入電流矢量中有一個與定子電流平行的分量，定子電流的改變就可以調(diào)整，而只要輸入電流矢量中有一個與定子電流方向相等的分量，電磁轉(zhuǎn)矩的改變也就可以調(diào)整。而直接轉(zhuǎn)矩控制利用了調(diào)速系統(tǒng)的這一特點，通過給電動機定子繞組施以與定子電流方向呈相應(yīng)夾角的電源電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩的改變。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，引入了二種滯環(huán)控制。

這種方式主要通過扭矩與流速的正負(fù)偏差來確定輸出矢量，這不可避免地會產(chǎn)生很大的流速與扭矩波動。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制有其優(yōu)勢，但是這種直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的系統(tǒng)采用開關(guān)儀表，通過電流與轉(zhuǎn)矩滯后之比來選擇電流范圍矢量，有二種弊端：一種是開關(guān)頻率不穩(wěn)定，另一種則是，因為在采樣周期中只采用了一種恒定的電流范圍矢量，所以在低速時候就不可避免地會產(chǎn)生扭矩波動，目前國外已經(jīng)開展了大量研究。其中一個方法就是直接轉(zhuǎn)矩預(yù)測，最近的研究重點集中于采用SVPWM作為開關(guān)儀表。研究結(jié)果顯示，該方法可以較好地解決以上缺點。采用了SVPWM直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的基本思路，通過轉(zhuǎn)矩與定子電壓之間的差值，形成二元一次方程組，并求解所用的參考電壓向量，然后再利用空間矢量脈沖（SVPWM）的寬度調(diào)制合成矢量。這個方式也叫做SVPWM dtc。這個調(diào)節(jié)方式的好處是，轉(zhuǎn)矩在整個轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)都比較平穩(wěn)。

4.兩種控制的比較

在矢量控制體系中，轉(zhuǎn)子電壓的轉(zhuǎn)動空間向量被當(dāng)作基準(zhǔn)坐標(biāo)系，而定子電壓又被分為二個正交分?jǐn)?shù)，其中一個與流動的方向一致，代表定子電壓加速度分量。另外二個與流動方向成矩形，代表定子電壓的轉(zhuǎn)矩分量，并且單獨調(diào)節(jié)，以達到與直流輸出電動機速度一致的良好動態(tài)特征。所以，矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。和矢量調(diào)節(jié)方式有所不同，直觀轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式并不要求對交流電機與直流輸出電動機加以對比、匹配和變換，既不要求通過模擬對直流輸出電動機的控制，也不要求通過簡化對交流電機的數(shù)學(xué)模擬而實現(xiàn)斷開。它只強調(diào)了直接控制電動機扭矩，從而減少了繁瑣的變換和運算。所以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為簡便。矢量監(jiān)控的主要方法是將控制量和被控量斷開（特別是電磁耦合，很難控制）。從技術(shù)上來說，電磁系統(tǒng)（定子、轉(zhuǎn)動或氣囊電磁）都應(yīng)該被看作是恒定的系統(tǒng)，這就可以利用電動機的雙軸理論正交分散三相坐標(biāo)系，從而能夠通過電力基本原理實現(xiàn)分離，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)通過交換電動機轉(zhuǎn)子磁場的方向控制。通過二點流量控制器和三點轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)完成變頻器的PWM控制系統(tǒng)。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究重點主要是電流控制系統(tǒng)。而矢量控制系統(tǒng)則通常使用雙轉(zhuǎn)子磁場控制系統(tǒng)，但由于電流關(guān)系復(fù)雜，前提是定子電流與氣流保證恒定，這必須徹底切除維修單元，以提高控制成本。直接扭矩調(diào)整選擇直接可調(diào)量：定子電流。從電動機自身考慮，其參數(shù)也有相應(yīng)的時間變化規(guī)律。另外，還需要完成復(fù)雜的位置轉(zhuǎn)換，并密切監(jiān)控轉(zhuǎn)子-流體耦合。此外，它在很大程度上取決于發(fā)動機的參數(shù)，因此參數(shù)的變化對其影響很大。在系統(tǒng)參數(shù)變化或不確定因子影響時，也會引起穩(wěn)定性的降低。直接和扭矩校正系統(tǒng)對參數(shù)改變并不敏感。這二個技術(shù)均是為了提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，只是它的理論依據(jù)有所不同。在固定狀態(tài)下，機械性能呈直線，但沒有靜止轉(zhuǎn)矩;在動態(tài)條件中，將定子電流劃分為二種正交分量：轉(zhuǎn)矩電流和加速電流，并按照相應(yīng)回路和轉(zhuǎn)子二側(cè)回路中的方程加以控制，其轉(zhuǎn)矩靜態(tài)特性和瞬時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與直流電機一致;而直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)則維持了定子電壓的恒定值，其穩(wěn)態(tài)機械性能也較前一個狀態(tài)更軟。這也是一條曲線，它有一個停止的時刻。但是，由于這種機械特性的停車扭矩通常很大，且在調(diào)速體系中所采用的只有一條直線段，且傳輸特性與曲線頻率的相差也極小，所以其靜態(tài)特性完全可達到最高性能的要求;在動態(tài)性能方面，DTC并不關(guān)注斷開定子電源。轉(zhuǎn)矩反饋雖然有一定的延時，但還是能夠做到快速反饋。只有在發(fā)動機參數(shù)完全正確時，矢量控制系統(tǒng)才能夠達到瞬時轉(zhuǎn)矩反饋。當(dāng)參數(shù)（尤其是轉(zhuǎn)子參數(shù)）改變后，瞬態(tài)條件被打破。大時間常數(shù)的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，快速反應(yīng)功能減弱;而直接采用恒定定子電壓的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，盡管轉(zhuǎn)子參數(shù)改變了，但其瞬態(tài)項仍迅速分解，反應(yīng)的阻力也很高。

結(jié)語：

向量控制系統(tǒng)方法廣泛應(yīng)用于大范圍的調(diào)速控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，以及大功率電力機車。而目前的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方法尤其適合于不要求極高速度精度的中高速度控制系統(tǒng)。雖然向量控制方法在低速范圍內(nèi)工作平穩(wěn)，特性優(yōu)異，但速度響應(yīng)卻遠快于高范圍。但總體而言，其仍擁有良好的穩(wěn)定控制系統(tǒng)特性;直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)不夠平穩(wěn)，在高速范圍內(nèi)響應(yīng)比較緩慢，但負(fù)載跟隨特性卻很好。因此總的來說，它更適應(yīng)于有高動態(tài)特性條件下的情況。綜上所述，與直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)比較，向量控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是電磁轉(zhuǎn)矩波小;與矢量控制系統(tǒng)比較，直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的主要優(yōu)勢是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，系統(tǒng)靈敏度低，系統(tǒng)快速響應(yīng)的阻力強。

參考文獻

[1]宋宏奎. 交流調(diào)速中矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的探討[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)：上旬刊， 2011.

[2]鄭連亮， 鄒潔. 交流異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制算法比較[J]. 電氣開關(guān)， 2013， 51（4）：2.

[3]鄭連亮， 鄒潔. 交流異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制算法比較[J]. 2022（4）.

[4]趙尚麗， 徐勇光. 永磁同步電機矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制特性比較研究[J]. 電子質(zhì)量， 2019（10）：8.

[5]張金良. 基于卡爾曼濾波算法的感應(yīng)電機無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究. 華南理工大學(xué)， 2016.

[6]郭東山， 楊亞洲. dSPACE平臺下PMSM矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J]. 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報， 2017， 27（3）：5.

[7]張智遠. 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)改進策略研究[D]. 大連海事大學(xué)， 2016.

[8]王敏， 陳芬， 李想，等. 交流調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究綜述[J]. 自動化與儀器儀表， 2016（1）：4.