交流異步電機變頻調速系統矢量控制與直接轉矩控制算法比較

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

隨著生產技術的發展，交流調速已經入逐步取代直流調速的時代。在變頻技術日新月異發展的同時，交流電機控制技術取得了突破性的進展。由于交流電機是多變量、強耦合的非線性的時變系統，與直流電動機相比，交流電機的轉矩控制要困難得多。

2 矢量控制

1971年德國學者F.Blaschke提出了感應電機矢量變換控制理論，這一理論應用坐標變換將三項系統等效為正交兩相系統，再經過按轉子磁場定向的矢量旋轉變換實現了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對感應電機磁鏈和電流分別控制的目的。矢量變換控制理論已經廣泛應用與交流電機的控制，解決了交流電機的磁場解耦與轉矩獨立控制問題。由于矢量變換控制將一臺三相感應電機等效為一臺直流電機來控制，因而獲得了與直流電機調速系統同樣優良的靜態、動態性能，開創了交流調速與直流調速競爭的時代。

雖然矢量變換控制在磁場定向坐標系統中實現了磁鏈和電流的解耦，但交流電機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雜。控制算法不僅要將三相交流電機的電壓、電流指令信號經過坐標變換獲得磁場定向坐標系統中的觀測量，而且還要將解耦控制的電流、電壓指令信號再經過坐標逆變換得到控制交流電機的三相電流、電壓指令信號。同時在磁場定向坐標系統中定向坐標系統中定向磁場的觀測需要以交流電機的數學模型為基礎，數學模型中參數的變化直接影響定向磁場觀測結果的精確程度，從而影響控制系統的控制精度。為了提高控制精度，必然要引入閉環觀測器模型或反饋控制策略，以抑制參數擾動、測量信號噪聲與外界干擾的影響，增加了控制系統的復雜性。

3 直接轉矩控制

直接轉矩控制是1985年由德國魯爾大學M.Depenbrock教授首先提出的轉矩直接自控制(Direkte Selbst Regelung)思想，隨后日本學者 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交流電機轉矩的需要，直接選擇合適的定子電壓空間矢量，實現交流電機電磁轉矩的快速響應。基于這一思想，直接自控制中有兩個關鍵技術:一是需要計算交流電機實際電磁轉矩，以及與給定點電磁轉距的誤差，從而確定電磁轉矩變化的方向;二是在當前定子磁鏈位置確定定子電壓空間矢量與電磁轉矩變化之間的關系，以便選擇最佳定子電壓空間矢量實現轉矩的直接快速響應。為此把交流電機與驅動交流電機的電壓源逆變器看作一個整體，在定子靜止兩相坐標系統中，根據轉矩控制的需要與定子磁鏈的觀測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算定子磁鏈與電磁轉矩的變化，通過定子磁鏈跟蹤控制逆變器的開關狀態直接控制交流電機的電磁轉矩。

4 兩者比較

矢量控制方法以轉子磁鏈這一旋轉空間矢量為參考坐標，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量;另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，然后分別對其進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態性能。因此，矢量控制的系統結構較復雜。不同于矢量調制方法，直接轉矩控制方法，不需要將交流電機與直流電機作比較、等效和轉化，也不需要模仿直流電機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。它只是強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。所以其系統結構較簡單。

矢量控制方法是為了使控制量和被控量能夠解除關聯耦合(尤其是難以控制的電磁耦合)，在技術上必須保持磁場(定子、轉子或氣隙磁場)的恒定，才能使用電機的雙軸理論對三相坐標系進行正交分解，從電氣原理上實現解耦，并基于交流電機轉子磁場的定向控制，把交流電流按磁場坐標軸分解為轉矩分量和磁場分量，分別加以控制，因此矢量控制的著眼點是電流控制。直接轉矩控制系統由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩，采用磁鏈兩點式和轉矩三點式控制來實現變頻器的PWM控制。直接轉矩控制系統沒有用電流控制環路，因此直接轉矩控制系統的著眼點是電壓控制。

矢量控制因為維持定子磁通和氣隙磁通恒定情況下電流關系比較復雜，需要校正單元才能完全解耦，并因之增加控制成本，所以一般采用轉子磁場定向的控制。直接轉矩控制為了能夠對電機輸出轉矩進行高動態性能的控制，選擇了直接可控量:定子磁通。

從電機本身看，其參數具有一定的時變性，特別是轉子時間常數，它隨溫度和激磁電感的飽和而變化。矢量控制方法實現時要進行復雜的坐標變換，并需準確觀測轉子磁鏈，而且對電機的參數依賴性很大，所以受參數變化影響比較大，一旦系統參數發生變化或受到不確定性因素影響，則導致性能變差。而直接和轉矩控制對參數變化具有較強的不敏感性。

兩種方法都為改善動態性能而設計，但其理論基礎的著眼點不同。矢量控制維持轉子磁通恒定，穩態時機械特性是一條直線，不存在停轉轉矩;動態過程中定子電流被分解成正交的轉矩電流和勵磁電流兩個分量，并且按照等值電路中轉子側回路方程進行控制，能夠獲得和直流電機一樣的轉矩靜特性和轉矩立即響應;直接轉矩控制由于維持定子磁通恒值，穩態機械特性較前者軟，是一條曲線，且存在停轉轉矩，然而該機械特性的停轉轉矩一般較大，而且調速系統中所用到的只是特性曲線中轉差頻率較小的一個線性段，因此其靜態性能完全能滿足高性能的要求;至于動態性能，直接轉矩控制沒有著眼對定子電流的解耦控制，轉矩響應存在一定的滯后，但是仍能夠實現快速響應。矢量控制僅在電機參數完全準確的條件下是能夠實現無暫態轉矩響應，一旦參數(尤其是轉子參數)發生變化，無暫態條件即被破壞，轉矩響應中引入一個時間常數較大的過渡過程，快速響應能力惡化;基于定子磁通恒定的直接轉矩控制，即使電機參數變化，其暫態項仍然衰減得很快，快速響應的魯棒性較強。

矢量控制方法適用于寬范圍調速系統和伺服系統，大功率電力機車。現行的直接轉矩控制方案尤其適用那些對速度精度要求不很高的中、高速域調速場合，它對外表現出來的簡易性和優良的動態特性，較其它方案更具競爭力。

矢量控制在低速域運行穩定、性能優良，轉速響應速度比高速域快得多，總體上看在穩態控制性能方面比較占優;而直接轉矩控制在低速域運行不夠穩定，而且響應速度相對高速域運行慢，負載跟隨性非常好，總體上看更適合于動態性能要求表較高的場合。

［1］ 林友杰.交流異步電機變頻調速節能控制運行研究［D］.福州:福州大學，2005.

［2］ 楊耕，羅應立，等.電機與運動控制系統［M］.清華大學出版社，2006:287－336.

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

［4］ 熊幸明.變頻調速技術的應用與發展［J］.長沙大學學報，2005，19(5):65－68.

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

［6］ 于敬成.交流異步電機直接轉矩控制的研究［D］.西安:西北工業大學，2004.