交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制算法比較

鄭連亮，鄒潔

(渤海裝備遼河重工有限公司電氣分公司，遼寧 盤錦 124010)

1引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速已經(jīng)入逐步取代直流調(diào)速的時(shí)代。在變頻技術(shù)日新月異發(fā)展的同時(shí)，交流電機(jī)控制技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。由于交流電機(jī)是多變量、強(qiáng)耦合的非線性的時(shí)變系統(tǒng)，與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。

2 矢量控制

1971年德國學(xué)者F.Blaschke提出了感應(yīng)電機(jī)矢量變換控制理論，這一理論應(yīng)用坐標(biāo)變換將三項(xiàng)系統(tǒng)等效為正交兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)感應(yīng)電機(jī)磁鏈和電流分別控制的目的。矢量變換控制理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用與交流電機(jī)的控制，解決了交流電機(jī)的磁場(chǎng)解耦與轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制問題。由于矢量變換控制將一臺(tái)三相感應(yīng)電機(jī)等效為一臺(tái)直流電機(jī)來控制，因而獲得了與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。

雖然矢量變換控制在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了磁鏈和電流的解耦，但交流電機(jī)需要的仍然是定子三相電壓與電流控制，因此矢量控制算法很復(fù)雜。控制算法不僅要將三相交流電機(jī)的電壓、電流指令信號(hào)經(jīng)過坐標(biāo)變換獲得磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系統(tǒng)中的觀測(cè)量，而且還要將解耦控制的電流、電壓指令信號(hào)再經(jīng)過坐標(biāo)逆變換得到控制交流電機(jī)的三相電流、電壓指令信號(hào)。同時(shí)在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系統(tǒng)中定向坐標(biāo)系統(tǒng)中定向磁場(chǎng)的觀測(cè)需要以交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的變化直接影響定向磁場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的精確程度，從而影響控制系統(tǒng)的控制精度。為了提高控制精度，必然要引入閉環(huán)觀測(cè)器模型或反饋控制策略，以抑制參數(shù)擾動(dòng)、測(cè)量信號(hào)噪聲與外界干擾的影響，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是1985年由德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授首先提出的轉(zhuǎn)矩直接自控制(Direkte Selbst Regelung)思想，隨后日本學(xué)者 I.Takahashi等也提出了類似的控制思想。直接自控制的基本思想是根據(jù)交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需要，直接選擇合適的定子電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。基于這一思想，直接自控制中有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):一是需要計(jì)算交流電機(jī)實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩，以及與給定點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)距的誤差，從而確定電磁轉(zhuǎn)矩變化的方向;二是在當(dāng)前定子磁鏈位置確定定子電壓空間矢量與電磁轉(zhuǎn)矩變化之間的關(guān)系，以便選擇最佳定子電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接快速響應(yīng)。為此把交流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的電壓源逆變器看作一個(gè)整體，在定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制的需要與定子磁鏈的觀測(cè)位置選擇合適的定子電壓空間矢量，再利用選定的定子電壓矢量分析計(jì)算定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的變化，通過定子磁鏈跟蹤控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

4 兩者比較

矢量控制方法以轉(zhuǎn)子磁鏈這一旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量;另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，然后分別對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)性能。因此，矢量控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。不同于矢量調(diào)制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制方法，不需要將交流電機(jī)與直流電機(jī)作比較、等效和轉(zhuǎn)化，也不需要模仿直流電機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它只是強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。所以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單。

矢量控制方法是為了使控制量和被控量能夠解除關(guān)聯(lián)耦合(尤其是難以控制的電磁耦合)，在技術(shù)上必須保持磁場(chǎng)(定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場(chǎng))的恒定，才能使用電機(jī)的雙軸理論對(duì)三相坐標(biāo)系進(jìn)行正交分解，從電氣原理上實(shí)現(xiàn)解耦，并基于交流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制，把交流電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量，分別加以控制，因此矢量控制的著眼點(diǎn)是電流控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用磁鏈兩點(diǎn)式和轉(zhuǎn)矩三點(diǎn)式控制來實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)沒有用電流控制環(huán)路，因此直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的著眼點(diǎn)是電壓控制。

矢量控制因?yàn)榫S持定子磁通和氣隙磁通恒定情況下電流關(guān)系比較復(fù)雜，需要校正單元才能完全解耦，并因之增加控制成本，所以一般采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制為了能夠?qū)﹄姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行高動(dòng)態(tài)性能的控制，選擇了直接可控量:定子磁通。

從電機(jī)本身看，其參數(shù)具有一定的時(shí)變性，特別是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，它隨溫度和激磁電感的飽和而變化。矢量控制方法實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并需準(zhǔn)確觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性很大，所以受參數(shù)變化影響比較大，一旦系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或受到不確定性因素影響，則導(dǎo)致性能變差。而直接和轉(zhuǎn)矩控制對(duì)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的不敏感性。

兩種方法都為改善動(dòng)態(tài)性能而設(shè)計(jì)，但其理論基礎(chǔ)的著眼點(diǎn)不同。矢量控制維持轉(zhuǎn)子磁通恒定，穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)械特性是一條直線，不存在停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;動(dòng)態(tài)過程中定子電流被分解成正交的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流兩個(gè)分量，并且按照等值電路中轉(zhuǎn)子側(cè)回路方程進(jìn)行控制，能夠獲得和直流電機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩靜特性和轉(zhuǎn)矩立即響應(yīng);直接轉(zhuǎn)矩控制由于維持定子磁通恒值，穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性較前者軟，是一條曲線，且存在停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，然而該機(jī)械特性的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一般較大，而且調(diào)速系統(tǒng)中所用到的只是特性曲線中轉(zhuǎn)差頻率較小的一個(gè)線性段，因此其靜態(tài)性能完全能滿足高性能的要求;至于動(dòng)態(tài)性能，直接轉(zhuǎn)矩控制沒有著眼對(duì)定子電流的解耦控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)存在一定的滯后，但是仍能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)。矢量控制僅在電機(jī)參數(shù)完全準(zhǔn)確的條件下是能夠?qū)崿F(xiàn)無暫態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，一旦參數(shù)(尤其是轉(zhuǎn)子參數(shù))發(fā)生變化，無暫態(tài)條件即被破壞，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)中引入一個(gè)時(shí)間常數(shù)較大的過渡過程，快速響應(yīng)能力惡化;基于定子磁通恒定的直接轉(zhuǎn)矩控制，即使電機(jī)參數(shù)變化，其暫態(tài)項(xiàng)仍然衰減得很快，快速響應(yīng)的魯棒性較強(qiáng)。

矢量控制方法適用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，大功率電力機(jī)車?，F(xiàn)行的直接轉(zhuǎn)矩控制方案尤其適用那些對(duì)速度精度要求不很高的中、高速域調(diào)速場(chǎng)合，它對(duì)外表現(xiàn)出來的簡易性和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，較其它方案更具競(jìng)爭(zhēng)力。

矢量控制在低速域運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)良，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度比高速域快得多，總體上看在穩(wěn)態(tài)控制性能方面比較占優(yōu);而直接轉(zhuǎn)矩控制在低速域運(yùn)行不夠穩(wěn)定，而且響應(yīng)速度相對(duì)高速域運(yùn)行慢，負(fù)載跟隨性非常好，總體上看更適合于動(dòng)態(tài)性能要求表較高的場(chǎng)合。

［1］ 林友杰.交流異步電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制運(yùn)行研究［D］.福州:福州大學(xué)，2005.

［2］ 楊耕，羅應(yīng)立，等.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.清華大學(xué)出版社，2006:287－336.

［3］ 譚茀娃，金如麟，李川.現(xiàn)代交流電機(jī)控制的現(xiàn)狀與展望［J］.微特電機(jī)，2000(2):3－6.

［4］ 熊幸明.變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，19(5):65－68.

［5］ 張春梅，爾桂花.直接轉(zhuǎn)矩控制研究現(xiàn)狀與前景［J］.微電機(jī)，2000，33(6):25 －28.

［6］ 于敬成.交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004.