直接转矩控制技术的新发展 - 文章

直接转矩控制技术的新发展

作者：北京科技大学李华德杨立永李世平

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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：

式中：p是极对数； Ts采样周期；

显而易见只要u*sα、u*sβ满足式(1)的要求，在下一个控制周期内就可以消除转矩误差。
其次，根据定子磁链电压模型，可知当u*sα、u*sβ满足式(2)表示的关系时，就可以在下一个控制周期内消除磁链模值误差。

式中：

—磁链模值给定值的平方。

解式(1)和式(2)联立组成的方程组，可以得到既能消除转矩误差又能消除磁链模值误差的定子电压给定值(u*sα、u*sβ)，这就是直接转矩无差拍控制方法的控制原理。

在某些条件下，方程组可能没有解，也就是说这时候不存在满足控制要求的定子电压矢量。作者针对这种情况提出的解决方案是：首先判断是否存在满足转矩控制要求的电压矢量；如果不存在，再判断是否存在满足磁链控制要求的电压矢量；如果两者都不存在，则按照DTC的控制方法选择电压矢量。

从理论上讲，无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差。同时由于这种控制方法没有使用滞环比较器，从而消除了由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。相对于DTC来讲，无差拍控制的另外一个优点是可以提高逆变器的开关频率，并且使开关频率相对固定，这有利于减少电压谐波和电机噪声。

直接转矩无差拍控制方法的缺点是，在实现过程中需要判断是否存在满足控制要求的定子电压矢量，增加了控制算法的计算量和实现难度。另外和传统的直接转矩控制相比，这种控制方法增加了控制系统对电机参数的依赖性。

3.2 转矩(磁链)跟踪预测控制[2]

为了减小直接转矩无差拍控制的计算量，提出了一系列的简化的无差拍直接转矩控制方法，比较典型的是转矩跟踪预测控制方法。在文献[4]中，根据异步电动机的数学模型，得到如下数学关系

从式(3)可以看出，在假设Tei为正的情况下，如果us是零电压矢量，则ΔTei总小于0, 也就是说零电压矢量总是使电磁转矩下降。如果us是非零电压空间矢量, 则ΔTei可能小于0也可能大于0。

转矩跟踪预测控制的控制目标是，在下一个采样周期中，使非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的电磁转矩变化量等于在本周期计算出的转矩误差ΔTei，即

式中：ΔTei0是零电压矢量产生的转矩变化量；ΔTeiv是非零电压矢量产生的电磁转矩变化值。

通过求解方程(4)可以计算出两种电压矢量的作用时间，根据作用时间对逆变器进行控制，就可以达到消除转矩误差的目的。

和T.G.Habetler提出的无差拍控制方法相比，一方面这种无差拍控制方法简单了许多；另一方面这种无差拍控制方法简化了实现难度。在这种控制方法中，如果计算出来的非零电压矢量作用时间超出了采样周期，可以用非零电压矢量作用时间等于采样周期来近似；如果计算出来的非零电压矢量作用时间小于0，则可以用零电压矢量作用时间等于采样周期来近似。

在这种转矩跟踪预测控制方法中，认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。在文献[5]中，对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制,控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制, 既消除了转矩脉动, 又不会产生磁链畸变, 同时也没有显著的增加控制算法的计算量。

和Habetler提出的无差拍控制方法一样，这种无差拍控制方法也增加了控制系统对电机参数的依赖性。在实际应用中，可以采用在线辨识参数的方法，减少电机参数变化对控制系统性能的影响。

3.3 直接解耦控制(DDC)

在文献[6]中, 针对交流电动机提出了两种直接解耦控制方法(DDC), 一种是预测直接解耦控制(P-DDC), 一种是使用PI调节器的直接解耦控制(PI-DDC), 其原理如图2所示。

图2 DDC控制策略的基本原理框图

这两种控制方法都是在式(5)的基础上提出的，式(5)描述了定子电压矢量、电磁转矩和定子磁链模值之间的关

式中：

和P-DDC相比，PI-DDC具有更好的动态性能、更强的参数鲁棒性和更小的计算量，因而下面只对PI-DDC的控制原理进行简要的介绍。在PI-DDC控制方法中，确定定子电压空间矢量(

)的算法为

制器的动态响应速度，如果需要进一步强调对控制系统鲁棒性要求，可以从控制算法中把这两相去掉。去掉这两项后，PI-DDC算法中没有直接出现电机参数，从而可见这种算法对参数具有很强的鲁棒性。另外，PI-DDC算法可以根据实际需要分别调节y1和y2动态响应速度。

文献[6]中提供的实验结果表明，PI-DDC控制方法具有很好的动、静态特性；能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下(±5rad/sec)，转矩脉动也非常小。由于在PI-DDC控制算法中，需要同时估计定子磁链和转子磁链，因而PI-DDC算法的计算量比较大(计算量相当于FOC的2/3)，这是其主要存在的问题。

3.4 使用PI 调节器的直接转矩控制

在文献[7]中提出了一种使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其原理如图3所示，其中磁链调节器AΨR和转矩调节器ATR都使用PI调节器。

图3 PI-DTC系统的基本原理框图

的给定值。需要说明的是，d-q旋转坐标系是按定子磁场定向的同步旋转坐标系，其d轴的方向和定子磁链矢量的方向一致。

从表面上看，这种控制方法类似于按定子磁场定向的矢量控制(SFOC)，但是两者存在着很大的不同。和PI-DTC相同的是，SFOC也需要在按定子磁场定向同步旋转坐标系上分析电动机的性质，但是SFOC为了实现转矩和磁链的解耦控制，必须设计一个解耦器。而PI-DTC则不需要解耦器，只需要根据转矩误差信号和磁链误差信号，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量即可，从而提高了控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。和传统的直接转矩控制相比，由于PI-DTC使用了具有连续输出特性的PI调节器，所以消除了由于使用滞环比较器产生的转矩脉动。

在PI-DTC中，由于

之间不存在线性关系，所以不能使用线性系统理论来确定PI调节器的参数，如果PI调节器的参数设计不当，则会影响控制系统的动、静态性能，这是PI-DTC控制方法存在的主要问题。

4 间接转矩控制

目前在大容量逆变器中，如果使用GTO作为功率器件, 其开关频率一般不超过200Hz；如果使用IGBT作为功率器件，其开关频率一般不超过500Hz。以上介绍的各种新型直接转矩控制方法的开关频率都很高，故不适用于大容量调速领域。

在大容量调速领域中，如果使用传统的直接转矩控制方法,就要满足以下约束条件：

(1) 在低速时，为了减小转矩脉动，要求尽可能的减小控制周期，但是控制周期的减小必然会增加开关频率；
(2) 为了降低开关频率，要求使用单一电压矢量, 并且占空比为100% ,这样能减少至少一半的开关频率；
(3) 为了降低开关频率，需要增加转矩和磁链调节器的滞环宽度，但是如果滞环宽度增大,必然会带来较大的转矩脉动。从以上分析看，传统的直接转矩控制也不适用于大容量调速领域。

近年来，为了更好的解决大容量、低转速调速系统的控制问题，间接转矩控制(Indirect Stator quantities Control，ISC)受到了各国学者的广泛重视[9]。ISC是通过计算相邻控制周期的磁链增量来决定定子电压空间矢量，并且在保证磁链轨迹为圆形的条件下，对电磁转矩进行控制，其控制系统框图如图4所示。

图4 ISC的控制系统框图

图5 ISC控制器的控制算法结构图

ISC控制的原理如图5所示，其中包含转矩和磁链两个控制回路。在转矩控制回路中，转差角频率的给定值

定子磁链旋转角度Δθs是其稳态值

和暂态值 ΔθsDyn之和。转差角频率的给定值

加上实测转子角频率ω就可以得到定子角频率的给定值ωs*，ωs*再乘以控制周期Ts便可以得到定子磁链旋转角的稳态给定值

。转差角频率的反馈值sl和给定值sl*之差经过PI-1调节器的调节即可输出定子磁链旋转角的暂态值ΔθsDyn, PI-1调节器的积分部分用来消除稳态误差，而比例部分的作用是通过改变动态磁链角而实现转矩的快速调整。在磁链回路中，根据定子磁链模值的给定值Ψs*和其估计值|s|之间的误差，PI-2调节器输出磁链扩展系数kΨ。

用Ψs(v)表示在v时刻的定子磁链矢量，ΔΨs(v)表示其增量，图中F(·)模块表示的计算过程如下：

从以上分析可以看出，间接转矩控制可以在保证磁链轨迹为圆形的条件下，对转矩进行稳态和动态调节。另外，因为定子磁链的模值增量和相位增量可以准确的计算出来，所以间接转矩控制可以通过增加控制周期的方法，降低功率器件的开关频率，而不会增加转矩脉动，这个特点表明ISC控制方法非常适合于大容量、低转速调速场合。

实验结果表明，ISC调速系统的低速特性优越，但是在高速范围内，ISC系统需要和DSC等其它控制方式相互配合，才能实现异步电动机全速范围内的高性能运行。

5 各种直接转矩控制方法的调速范围和转换

各种直接转矩控制方法都有自己的优点，也有各自的不足之处。基于以上认识，要实现在全速范围内的高性能调速，一种很自然的思路就是把现有的各种直接转矩控制方法进行优化组合，充分发挥各种控制方法的优势。

图6给出几种直接转矩控制方法的最佳调速范围和相互转换关系，其中n是转子转速，ne是额定转速。如果能根据各自的适用调速范围，把这几种控制方法有机的配合起来，就可以构成直接转矩控制在全速范围内的完整的变频调速策略。

图6 给出几种直接转矩控制方法的调速范围和转换关系

在这种全范围调速策略中的关键问题是如何在各种控制方法之间实现平滑的切换，这是因为各种控制方法使用不同控制算法，具有不同的控制结构，如果切换不平滑系统将无法正常工作。

6 智能控制技术在直接转矩控制中的应用

在自动控制技术的发展过程中，智能控制是其中的一个崭新阶段,与其他控制方法相比,具有一系列的独到之处：首先,它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖或不完全赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制；其次, 智能控制器继承了人脑思维的非线性，可以根据当前状态方便地切换控制器的结构,用变结构的方法改善系统的性能；最后，在复杂系统中,智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。

在直接转矩控制中, 智能控制技术应用比较成功的有神经网络技术和模糊控制技术, 主要作为观测器和控制器使用。文献[10]提出了一种基于模糊控制的在线定子电阻观测器。该观测器把对定子电阻影响较大的三个因素即定子电流、转速和运行时间作为输入量, 观测器的输出量为定子电阻变化值ΔRS。同时根据电阻上升和下降的不同规律, 设计了不同的电阻观测器。定子电阻的初始值RS0和观测器的输出值ΔRS相加即可得到控制中所需的定子电阻RS的值：RS=RS0+ΔRS。该系统在运行方式不断改变的条件下, 仍能准确跟踪RS的变化,使直接转矩控制系统的低速性能有了很大的改进。

文献[11]也提出了一种基于模糊控制技术的定子磁链估计方法。在正常情况条件下,它通过定子磁链相角映相的方法，提高了模糊估计算法的反应速度,同时增加了定子磁链的估计精度。在低速情况下,具有对定子磁链进行简单补偿的功能。仿真实验结果证明了这种方法能明显地提高定子磁链的估计精度。

7 结束语

针对提高直接转矩控制的低速性能，本文介绍了几种具有代表性的新型直接转矩控制方法，实验结果已经表明，这些方法都能有效的降低低速时的转矩脉动，提高直接转矩控制的调速范围。虽然这些方法在不同程度上提高了直接转矩控制的低速性能，但是还不能达到矢量控制的水平。另外这些新型控制方法在鲁棒性方面都有所降低，所以围绕着继续改善低速性能、提高系统鲁棒性两方面，还需要对直接转矩控制进行进一步研究。理论研究和实验结果表明，受到广泛关注的间接转矩控制技术为从根本上解决直接转矩控制中低速转矩脉动问题提供了可能。把间接转矩控制方法和其它几种直接转矩控制方法相结合，本文给出了一种全速范围变频调速策略。值得注意的是智能控制作为一种新兴的控制理论，为提高直接转矩控制的性能提供了一种非常好的新思路。

参考文献
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[11] Cabrera L A, Elbuluk M E, Husain I.Tuning the Stator Resistance of Induction Motors Using Artificaial Neural Network. PESC'95,1995,(1)：421~427(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/7/2005)


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