直接转矩控制技术的新发展

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:8

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摘要：针对直接转矩控制在应用中存在低速转矩脉动的缺点，国内外的专家学者提出了许多新型直接转矩控制技术。本文首先简要地介绍了传统直接转矩控制技术的基本原理，分析了低速转矩脉动产生的原因。在此基础上，介绍了几种最近出现的具有代表性的新型直接转矩控制技术，对其控制系统结构、控制算法、优缺点等方面进行了讨论。最后，详细地介绍了具有优良低速性能的间接转矩控制技术以及人工智能控制技术在直接转矩控制中的应用。
关键词：交流传动直接转矩控制间接转矩控制

1 引言

直接转矩控制系统简称DTC(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。

传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是不能达到矢量控制的水平。最近出现了一种间接转矩控制技术，受到了很多学者的关注。间接转矩控制技术具有优良的低速性能，另外由于其独特的控制思想可以降低逆变器的开关频率，从而特别适用于大容量调速场合。

本文简要介绍了直接转矩控制的基本原理，在此基础上，从控制系统结构、控制算法、优缺点等几个方面介绍了几种性能优良的新型直接转矩控制技术。最后详细的介绍了间接转矩控制技术，对其优缺点进行了讨论。

2 直接转矩控制技术的基本原理

直接转矩控制的目标是：通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形，同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制，其基本原理如图1所示。在图1中，定子磁链和电磁转矩分别采用闭环控制，Ψs*、Tei*分别为定子磁链模值和电磁转矩的给定信号，、分别为定子磁链模值和电磁转矩的估计值，作为反馈信号使用。根据误差信号，转矩调节器输出转矩增、减控制信号CT；磁链调节器输出磁链增、减控制信号CΨ。开关表根据CΨ、CT以及估计器输出的磁链扇区信号，选择正确的定子电压空间矢量，输出控制字SA,B,C给逆变器。

图1 直接转矩控制系统的基本原理框图

从图1中可以看出，和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动大，其主要原因是：

(1) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动；
(2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动；
(3) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大。

3 新型直接转矩控制技术

3.1 直接转矩无差拍控制[2][3]

直接转矩无差拍控制方法是由美国人T.G.Habetler基于离散化直接转矩控制系统首先提出来的[3]。下面介绍这种控制方法的原理，首先根据异步电动机的数学模型，可以得到转矩控制误差ΔTei和电机各物理量之间存在如下数学关系：