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文 | 探长

编辑 | 史家小探长

前言

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，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。

空间矢量调制方法

无差拍的空间矢量调制方法，把无差拍方法应用干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其中包含有空间电压矢量在d轴和a轴上的两个分量。

另外可以得到使定子磁链幅值达到给定值的所加空间，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干单一矢量大幅提高并目使之固定，这有利干减少电压谐波和电机噪声。

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中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成。

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，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来，将会有助于克服这个缺点。

空间矢量的脉宽调制法

空间矢量脉宽调制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间矢量相加得到的，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，

: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。

转矩或磁链的预测控制

在 T·G·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，因此出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

通过分析可知，非零电压矢量和零电压矢量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，一个采样周期可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

将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出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，因此是非常易干实现。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制。

根据转矩预测控制计算出来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间。考虑磁链的无差拍控制之后比单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，并且计算量不会太大。

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。

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成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，

在速度开环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中有明显的优势，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。

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，但是计算比较复杂，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。 A·B·Plunkett 的直接转矩和磁链调节方法就是一种PI调节方法，只是那时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。

由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子磁链误差输入PI调节器中，经过PI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a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。

从结构上看基于PL调节的直接转矩控制相似干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，而基干PI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P调节方法来跟随上给定即可，因此从实现上比较简单。

结语

扩展直接转矩控制的调速范围是目前交流电机直接转矩控制的主要目标之一。分析比较了几种常见的直接转矩控制策略，这些策略主要围绕如何改善低速性能及减小转矩脉动提出的。

相对于传统的转矩控制来说，中小容量电机控制的改进主要是进行转矩、磁链的控制;对于大容量电机控制来说，主要是限制开关频率，在低速时采用间接转矩控制。

参考文献

[1] 邓秋玲，《异步电机直接转矩控制系统智能控制方法的研究》，2006

[2] BK.Bose，《交流调速系统》。北京:煤炭工业出版社，1986

[3] 王斌，王跃，王兆安，《空间矢量调制的永磁同步电机直接转知控制电机与控制学报》，2010.

[4] 姚伟，金阳，殷雄，《采用离散空间电压矢量调制方法的异步电机直接转矩控制》，浙江工业大学学报，2002.

[5]王建华，张爱玲，周赞强，《异步电机调速系统中转矩和磁链变化率的分析及预测控制》，2010.