交流调速中矢量控制与直接转矩控制技术的探讨

陈鑫 张海涛

摘 要：矢量控制和直接转向控制作为交流电机的两种主要变频方法，在实际中得到了广泛的应用。交流调速的早期发展控制器（或系统控制回路）大多由模拟的电子控制器所构成。近年来，由于单片机的信息处理速度限制，对即时化和控制精度的要求又相当高，使得传统单片机控制器一直无法满足现代交流电机控制器的需求。根据一种新的控制理论，用于交流调速系统的结构简单的直接转矩控制系统，它大大简化了交流调速系统的速度控制系统。将高动态响应的直接转矩应用于交流调速系统，把国内交流电动机调速系统的发展推向了一个新的高度。

关键词：交流调速;矢量控制;直接转矩控制;交流电机

引言：

于工业科学技术的提高，交换调制也逐渐代替了直流输出调制。由于变频技术的发展，交流电机管理关键技术也取得了重大突破。正因为交流电机是一个多变数、强连接的非线性时变控制系统，所以交流电机的转矩控制比直流电机复杂得多。交流调速经过长期的研究和研究，取得了很大的成就。交流电机在生产和生活中，已经获得了广泛的使用。高效率的交流调速技术也离不开现代控制的帮助，而目前在交流电机中最常用的技术就是矢量控制系统（VC）和直接转矩控制系统（DTC）的技术。矢量控制器和直接转矩控制，作为交流传动控制策略在实际中得到了广泛的使用。而矢量控制器和变频调速控制系统技术的主要特点是，利用坐标变化重构后的发动机模型可等效于直流电机，以达到对直流电机等扭矩和流量的快速调控。而矢量控制系统的基本原则，是利用测量和监控异步电动机定子的电压向量，并按照电磁定向原理，相应地调节异步电动机的加速电流和转矩电流，进而调节异步电动机的扭矩。

1.交流调速技术的研究发展

在电力与电子科学技术发达以前，速度控制器的主要应用对象是直流电机。直流电机的速度很易于控制和调节，，经过改变电流及调节励磁电流，即可进行无级调压，转矩调节也比较简便。但因为手刷价钱高昂、容易损坏、维修困难度大、对日常工作环境条件需求较高，且不宜用作易燃、易爆、腐蚀的废气。所以，目前直流电机已很难适应现代工业电气控制的需要。由于交换发电机具备结构简洁、容易运行、价钱便宜、维修简便、可在恶劣环境条件下正常管理工作、容易向高大的功率方面发展等优势，所以近数十年来世界各国都在致力于交换发电机控制器的研发。由于交流异步电动机存在强耦合、非线性多变数系统，其速度和转矩的调制特性较低。但由于现代变频调速理论和电力电子科学技术的进展，交流异步电动机调速能力得到了很大的提高。交流变频调速系统最常见的方式有：扭转子异步式发电机串级调压、变极对数调压、变压变频调制。

在现代调速系统中，变频调速已成为交流调速系统的主要调速方式，在许多领域得到了广泛的应用。早期的变频系统是由一个开环恒压恒压控制的。这种控制策略是基于电机的稳定状态运行的。这是从电机的机械性能分析和研究电机的驱动状态和特性。它的控制结构简单，价格低廉。它具有动态转向性能差、负载影响强烈、扭矩动态响应差、稳定性差等缺点。一九七零年，德国物理学家在先前提到过的坐标系变换的理论基础上，提出了一个矢量变换管理的方案。矢量变换管理方法成功地解决了在交流调速体系中电磁转矩的有效管理问题。矢量转换控制理论的主要方法是，利用坐标系变换理论比较交换发电机与直流电机，在定子绕组中分解系统的交流电流，将之变成交流电动机磁性成分与扭矩成分，交换发电机流量与扭矩独立受控，并达到同样的效果动态速度控制特性，例如直流电机。但是，在实际实践中，由于转子的流动键很难测量到，电机的运动参数很大地影响了控制系统的特性，再加上坐标系变换的复杂性，难用于模拟对直流电机的操控，使得实际控制效率上难以达到理论分析结果，这也是直观矢量控制在实际实践中的主要缺点。而身为一项新兴技术，直接转矩控制目前在中国尚不完善，我国直接转矩控制技术水平与国际先进水平仍有较大差距。

2.矢量控制

1971年，德国研究员f.Blaschke进一步阐述了感应电动机矢量转换的控制理论，并运用坐标变换原理把三相控制系统对应于正交二相系统，进而利用转子磁场的定向矢量转动变化，获得了定子电压的加速度成分与力矩成分间的差值，进而相应地调节了感应电动机的流量与电压。矢量转换控制理论已经在交流电动机控制系统中获得了普遍的运用，克服了电磁分离和交流电动机转矩独立控制系统的问题。因为矢量转换控制系统相当于三相感应电机对直流电机速度的转换，所以它达到了和直流电机速度控制器一样的优良静态和动态特性，从而在交流速度控制和直流速度控制之间形成了竞争。尽管矢量变换控制器已经完成了在电磁定向坐标系下电流与压力的分离，但交换电动机依然要求对定子的三相电压和电流进行控制，所以矢量控制算法也十分复杂。

该系统计算不但要对三相交流电机的压力和电流指示信号进行变换，以达到在电磁定向坐标系中通过坐标变化检测到的数量值外，在交换电动机系统中，还可利用反向坐标变换把断开的电流和压力指示信号变换为三相电流和压力指示信号。同样，在电磁定向坐标系中，对定向电磁的观察也将采用交换电动机的模型，这将直接对定向电磁观察结果的准确度，进而危害系统的监测准确度。为进一步提高控制精度，应引进闭环观测器模式以及反馈管理策略，以避免系统参数扰动、检测信号噪声和外界影响，从而增加了系统的复杂性。

3.直接转矩控制

直接转矩控制用空间向量的概念分析了三相交流电机的数学模型，在静态坐标系下进行估计和调节电动机转矩和磁电流。基于开关柜的直接转矩控制通过转矩和流量的滞后比较产生PWM信号。它采用了简单的二点控制器（bang-bang控制）直接控制逆变器的开关模式。高动态扭矩。

3.1常规的直接转矩调节。常规的直接转矩调节主要是利用检索开关表的方式。在直接转矩调节中，当测量到定子的二相电流之后，即可利用二分之三坐标变换得到二相静态座标系统的总电压。再根据所测量到的发电机速度，即可在I-n模型下得到定子电压。所计算的总电压，也可用来得到通过定子电流扇区时的电磁转矩，将通过定子电流的电磁转矩与其给定的进行对比，又或将参考差与其滞后值进行对比。通过滞环基准装置的输出和流接口当前所在的扇区，就能够设定电流与輸出电压的矢量开关模式以调控发电机速度。

3.2采用SVPWM的直接扭矩调节。采用SVPWM的直接转矩控制器，是采用直接转矩控制器的基本原理。只要输入电流矢量中有一个与定子电流平行的分量，定子电流的改变就可以调整，而只要输入电流矢量中有一个与定子电流方向相等的分量，电磁转矩的改变也就可以调整。而直接转矩控制利用了调速系统的这一特点，通过给电动机定子绕组施以与定子电流方向呈相应夹角的电源电压矢量，来控制电磁转矩的改变。在传统的直接转矩控制中，引入了二种滞环控制。

这种方式主要通过扭矩与流速的正负偏差来确定输出矢量，这不可避免地会产生很大的流速与扭矩波动。传统的直接转矩控制有其优势，但是这种直接转矩控制（DTC）的系统采用开关仪表，通过电流与转矩滞后之比来选择电流范围矢量，有二种弊端：一种是开关频率不稳定，另一种则是，因为在采样周期中只采用了一种恒定的电流范围矢量，所以在低速时候就不可避免地会产生扭矩波动，目前国外已经开展了大量研究。其中一个方法就是直接转矩预测，最近的研究重点集中于采用SVPWM作为开关仪表。研究结果显示，该方法可以较好地解决以上缺点。采用了SVPWM直接转矩调节的基本思路，通过转矩与定子电压之间的差值，形成二元一次方程组，并求解所用的参考电压向量，然后再利用空间矢量脉冲（SVPWM）的宽度调制合成矢量。这个方式也叫做SVPWM dtc。这个调节方式的好处是，转矩在整个转速区域内都比较平稳。

4.两种控制的比较

在矢量控制体系中，转子电压的转动空间向量被当作基准坐标系，而定子电压又被分为二个正交分数，其中一个与流动的方向一致，代表定子电压加速度分量。另外二个与流动方向成矩形，代表定子电压的转矩分量，并且单独调节，以达到与直流输出电动机速度一致的良好动态特征。所以，矢量控制系统结构比较复杂。和矢量调节方式有所不同，直观转矩调节方式并不要求对交流电机与直流输出电动机加以对比、匹配和变换，既不要求通过模拟对直流输出电动机的控制，也不要求通过简化对交流电机的数学模拟而实现断开。它只强调了直接控制电动机扭矩，从而减少了繁琐的变换和运算。所以其系统结构也较为简便。矢量监控的主要方法是将控制量和被控量断开（特别是电磁耦合，很难控制）。从技术上来说，电磁系统（定子、转动或气囊电磁）都应该被看作是恒定的系统，这就可以利用电动机的双轴理论正交分散三相坐标系，从而能够通过电力基本原理实现分离，同时也能够实现通过交换电动机转子磁场的方向控制。通过二点流量控制器和三点转矩控制系统完成变频器的PWM控制系统。所以，直接转矩控制系统的研究重点主要是电流控制系统。而矢量控制系统则通常使用双转子磁场控制系统，但由于电流关系复杂，前提是定子电流与气流保证恒定，这必须彻底切除维修单元，以提高控制成本。直接扭矩调整选择直接可调量：定子电流。从电动机自身考虑，其参数也有相应的时间变化规律。另外，还需要完成复杂的位置转换，并密切监控转子-流体耦合。此外，它在很大程度上取决于发动机的参数，因此参数的变化对其影响很大。在系统参数变化或不确定因子影响时，也会引起稳定性的降低。直接和扭矩校正系统对参数改变并不敏感。这二个技术均是为了提高系统动态稳定性，只是它的理论依据有所不同。在固定状态下，机械性能呈直线，但没有静止转矩;在动态条件中，将定子电流划分为二种正交分量：转矩电流和加速电流，并按照相应回路和转子二侧回路中的方程加以控制，其转矩静态特性和瞬时转矩响应与直流电机一致;而直接转矩调节则维持了定子电压的恒定值，其稳态机械性能也较前一个状态更软。这也是一条曲线，它有一个停止的时刻。但是，由于这种机械特性的停车扭矩通常很大，且在调速体系中所采用的只有一条直线段，且传输特性与曲线频率的相差也极小，所以其静态特性完全可达到最高性能的要求;在动态性能方面，DTC并不关注断开定子电源。转矩反馈虽然有一定的延时，但还是能够做到快速反馈。只有在发动机参数完全正确时，矢量控制系统才能够达到瞬时转矩反馈。当参数（尤其是转子参数）改变后，瞬态条件被打破。大时间常数的转换过程中产生转矩响应，快速反应功能减弱;而直接采用恒定定子电压的转矩控制系统，尽管转子参数改变了，但其瞬态项仍迅速分解，反应的阻力也很高。

结语：

向量控制系统方法广泛应用于大范围的调速控制系统、伺服系统，以及大功率电力机车。而目前的直接转矩控制系统方法尤其适合于不要求极高速度精度的中高速度控制系统。虽然向量控制方法在低速范围内工作平稳，特性优异，但速度响应却远快于高范围。但总体而言，其仍拥有良好的稳定控制系统特性;直接转矩调节系统在低速范围内不够平稳，在高速范围内响应比较缓慢，但负载跟随特性却很好。因此总的来说，它更适应于有高动态特性条件下的情况。综上所述，与直接转矩调节比较，向量控制系统的主要优势是电磁转矩波小;与矢量控制系统比较，直接转矩调节的主要优势是转矩响应较快，系统灵敏度低，系统快速响应的阻力强。

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