交流調速中矢量控制與直接轉矩控制技術的探討

陳鑫 張海濤

摘 要：矢量控制和直接轉向控制作為交流電機的兩種主要變頻方法，在實際中得到了廣泛的應用。交流調速的早期發展控制器（或系統控制回路）大多由模擬的電子控制器所構成。近年來，由于單片機的信息處理速度限制，對即時化和控制精度的要求又相當高，使得傳統單片機控制器一直無法滿足現代交流電機控制器的需求。根據一種新的控制理論，用于交流調速系統的結構簡單的直接轉矩控制系統，它大大簡化了交流調速系統的速度控制系統。將高動態響應的直接轉矩應用于交流調速系統，把國內交流電動機調速系統的發展推向了一個新的高度。

關鍵詞：交流調速;矢量控制;直接轉矩控制;交流電機

引言：

于工業科學技術的提高，交換調制也逐漸代替了直流輸出調制。由于變頻技術的發展，交流電機管理關鍵技術也取得了重大突破。正因為交流電機是一個多變數、強連接的非線性時變控制系統，所以交流電機的轉矩控制比直流電機復雜得多。交流調速經過長期的研究和研究，取得了很大的成就。交流電機在生產和生活中，已經獲得了廣泛的使用。高效率的交流調速技術也離不開現代控制的幫助，而目前在交流電機中最常用的技術就是矢量控制系統（VC）和直接轉矩控制系統（DTC）的技術。矢量控制器和直接轉矩控制，作為交流傳動控制策略在實際中得到了廣泛的使用。而矢量控制器和變頻調速控制系統技術的主要特點是，利用坐標變化重構后的發動機模型可等效于直流電機，以達到對直流電機等扭矩和流量的快速調控。而矢量控制系統的基本原則，是利用測量和監控異步電動機定子的電壓向量，并按照電磁定向原理，相應地調節異步電動機的加速電流和轉矩電流，進而調節異步電動機的扭矩。

1.交流調速技術的研究發展

在電力與電子科學技術發達以前，速度控制器的主要應用對象是直流電機。直流電機的速度很易于控制和調節，，經過改變電流及調節勵磁電流，即可進行無級調壓，轉矩調節也比較簡便。但因為手刷價錢高昂、容易損壞、維修困難度大、對日常工作環境條件需求較高，且不宜用作易燃、易爆、腐蝕的廢氣。所以，目前直流電機已很難適應現代工業電氣控制的需要。由于交換發電機具備結構簡潔、容易運行、價錢便宜、維修簡便、可在惡劣環境條件下正常管理工作、容易向高大的功率方面發展等優勢，所以近數十年來世界各國都在致力于交換發電機控制器的研發。由于交流異步電動機存在強耦合、非線性多變數系統，其速度和轉矩的調制特性較低。但由于現代變頻調速理論和電力電子科學技術的進展，交流異步電動機調速能力得到了很大的提高。交流變頻調速系統最常見的方式有：扭轉子異步式發電機串級調壓、變極對數調壓、變壓變頻調制。

在現代調速系統中，變頻調速已成為交流調速系統的主要調速方式，在許多領域得到了廣泛的應用。早期的變頻系統是由一個開環恒壓恒壓控制的。這種控制策略是基于電機的穩定狀態運行的。這是從電機的機械性能分析和研究電機的驅動狀態和特性。它的控制結構簡單，價格低廉。它具有動態轉向性能差、負載影響強烈、扭矩動態響應差、穩定性差等缺點。一九七零年，德國物理學家在先前提到過的坐標系變換的理論基礎上，提出了一個矢量變換管理的方案。矢量變換管理方法成功地解決了在交流調速體系中電磁轉矩的有效管理問題。矢量轉換控制理論的主要方法是，利用坐標系變換理論比較交換發電機與直流電機，在定子繞組中分解系統的交流電流，將之變成交流電動機磁性成分與扭矩成分，交換發電機流量與扭矩獨立受控，并達到同樣的效果動態速度控制特性，例如直流電機。但是，在實際實踐中，由于轉子的流動鍵很難測量到，電機的運動參數很大地影響了控制系統的特性，再加上坐標系變換的復雜性，難用于模擬對直流電機的操控，使得實際控制效率上難以達到理論分析結果，這也是直觀矢量控制在實際實踐中的主要缺點。而身為一項新興技術，直接轉矩控制目前在中國尚不完善，我國直接轉矩控制技術水平與國際先進水平仍有較大差距。

2.矢量控制

1971年，德國研究員f.Blaschke進一步闡述了感應電動機矢量轉換的控制理論，并運用坐標變換原理把三相控制系統對應于正交二相系統，進而利用轉子磁場的定向矢量轉動變化，獲得了定子電壓的加速度成分與力矩成分間的差值，進而相應地調節了感應電動機的流量與電壓。矢量轉換控制理論已經在交流電動機控制系統中獲得了普遍的運用，克服了電磁分離和交流電動機轉矩獨立控制系統的問題。因為矢量轉換控制系統相當于三相感應電機對直流電機速度的轉換，所以它達到了和直流電機速度控制器一樣的優良靜態和動態特性，從而在交流速度控制和直流速度控制之間形成了競爭。盡管矢量變換控制器已經完成了在電磁定向坐標系下電流與壓力的分離，但交換電動機依然要求對定子的三相電壓和電流進行控制，所以矢量控制算法也十分復雜。

該系統計算不但要對三相交流電機的壓力和電流指示信號進行變換，以達到在電磁定向坐標系中通過坐標變化檢測到的數量值外，在交換電動機系統中，還可利用反向坐標變換把斷開的電流和壓力指示信號變換為三相電流和壓力指示信號。同樣，在電磁定向坐標系中，對定向電磁的觀察也將采用交換電動機的模型，這將直接對定向電磁觀察結果的準確度，進而危害系統的監測準確度。為進一步提高控制精度，應引進閉環觀測器模式以及反饋管理策略，以避免系統參數擾動、檢測信號噪聲和外界影響，從而增加了系統的復雜性。

3.直接轉矩控制

直接轉矩控制用空間向量的概念分析了三相交流電機的數學模型，在靜態坐標系下進行估計和調節電動機轉矩和磁電流?；陂_關柜的直接轉矩控制通過轉矩和流量的滯后比較產生PWM信號。它采用了簡單的二點控制器（bang-bang控制）直接控制逆變器的開關模式。高動態扭矩。

3.1常規的直接轉矩調節。常規的直接轉矩調節主要是利用檢索開關表的方式。在直接轉矩調節中，當測量到定子的二相電流之后，即可利用二分之三坐標變換得到二相靜態座標系統的總電壓。再根據所測量到的發電機速度，即可在I-n模型下得到定子電壓。所計算的總電壓，也可用來得到通過定子電流扇區時的電磁轉矩，將通過定子電流的電磁轉矩與其給定的進行對比，又或將參考差與其滯后值進行對比。通過滯環基準裝置的輸出和流接口當前所在的扇區，就能夠設定電流與輸出電壓的矢量開關模式以調控發電機速度。

3.2采用SVPWM的直接扭矩調節。采用SVPWM的直接轉矩控制器，是采用直接轉矩控制器的基本原理。只要輸入電流矢量中有一個與定子電流平行的分量，定子電流的改變就可以調整，而只要輸入電流矢量中有一個與定子電流方向相等的分量，電磁轉矩的改變也就可以調整。而直接轉矩控制利用了調速系統的這一特點，通過給電動機定子繞組施以與定子電流方向呈相應夾角的電源電壓矢量，來控制電磁轉矩的改變。在傳統的直接轉矩控制中，引入了二種滯環控制。

這種方式主要通過扭矩與流速的正負偏差來確定輸出矢量，這不可避免地會產生很大的流速與扭矩波動。傳統的直接轉矩控制有其優勢，但是這種直接轉矩控制（DTC）的系統采用開關儀表，通過電流與轉矩滯后之比來選擇電流范圍矢量，有二種弊端：一種是開關頻率不穩定，另一種則是，因為在采樣周期中只采用了一種恒定的電流范圍矢量，所以在低速時候就不可避免地會產生扭矩波動，目前國外已經開展了大量研究。其中一個方法就是直接轉矩預測，最近的研究重點集中于采用SVPWM作為開關儀表。研究結果顯示，該方法可以較好地解決以上缺點。采用了SVPWM直接轉矩調節的基本思路，通過轉矩與定子電壓之間的差值，形成二元一次方程組，并求解所用的參考電壓向量，然后再利用空間矢量脈沖（SVPWM）的寬度調制合成矢量。這個方式也叫做SVPWM dtc。這個調節方式的好處是，轉矩在整個轉速區域內都比較平穩。

4.兩種控制的比較

在矢量控制體系中，轉子電壓的轉動空間向量被當作基準坐標系，而定子電壓又被分為二個正交分數，其中一個與流動的方向一致，代表定子電壓加速度分量。另外二個與流動方向成矩形，代表定子電壓的轉矩分量，并且單獨調節，以達到與直流輸出電動機速度一致的良好動態特征。所以，矢量控制系統結構比較復雜。和矢量調節方式有所不同，直觀轉矩調節方式并不要求對交流電機與直流輸出電動機加以對比、匹配和變換，既不要求通過模擬對直流輸出電動機的控制，也不要求通過簡化對交流電機的數學模擬而實現斷開。它只強調了直接控制電動機扭矩，從而減少了繁瑣的變換和運算。所以其系統結構也較為簡便。矢量監控的主要方法是將控制量和被控量斷開（特別是電磁耦合，很難控制）。從技術上來說，電磁系統（定子、轉動或氣囊電磁）都應該被看作是恒定的系統，這就可以利用電動機的雙軸理論正交分散三相坐標系，從而能夠通過電力基本原理實現分離，同時也能夠實現通過交換電動機轉子磁場的方向控制。通過二點流量控制器和三點轉矩控制系統完成變頻器的PWM控制系統。所以，直接轉矩控制系統的研究重點主要是電流控制系統。而矢量控制系統則通常使用雙轉子磁場控制系統，但由于電流關系復雜，前提是定子電流與氣流保證恒定，這必須徹底切除維修單元，以提高控制成本。直接扭矩調整選擇直接可調量：定子電流。從電動機自身考慮，其參數也有相應的時間變化規律。另外，還需要完成復雜的位置轉換，并密切監控轉子-流體耦合。此外，它在很大程度上取決于發動機的參數，因此參數的變化對其影響很大。在系統參數變化或不確定因子影響時，也會引起穩定性的降低。直接和扭矩校正系統對參數改變并不敏感。這二個技術均是為了提高系統動態穩定性，只是它的理論依據有所不同。在固定狀態下，機械性能呈直線，但沒有靜止轉矩;在動態條件中，將定子電流劃分為二種正交分量：轉矩電流和加速電流，并按照相應回路和轉子二側回路中的方程加以控制，其轉矩靜態特性和瞬時轉矩響應與直流電機一致;而直接轉矩調節則維持了定子電壓的恒定值，其穩態機械性能也較前一個狀態更軟。這也是一條曲線，它有一個停止的時刻。但是，由于這種機械特性的停車扭矩通常很大，且在調速體系中所采用的只有一條直線段，且傳輸特性與曲線頻率的相差也極小，所以其靜態特性完全可達到最高性能的要求;在動態性能方面，DTC并不關注斷開定子電源。轉矩反饋雖然有一定的延時，但還是能夠做到快速反饋。只有在發動機參數完全正確時，矢量控制系統才能夠達到瞬時轉矩反饋。當參數（尤其是轉子參數）改變后，瞬態條件被打破。大時間常數的轉換過程中產生轉矩響應，快速反應功能減弱;而直接采用恒定定子電壓的轉矩控制系統，盡管轉子參數改變了，但其瞬態項仍迅速分解，反應的阻力也很高。

結語：

向量控制系統方法廣泛應用于大范圍的調速控制系統、伺服系統，以及大功率電力機車。而目前的直接轉矩控制系統方法尤其適合于不要求極高速度精度的中高速度控制系統。雖然向量控制方法在低速范圍內工作平穩，特性優異，但速度響應卻遠快于高范圍。但總體而言，其仍擁有良好的穩定控制系統特性;直接轉矩調節系統在低速范圍內不夠平穩，在高速范圍內響應比較緩慢，但負載跟隨特性卻很好。因此總的來說，它更適應于有高動態特性條件下的情況。綜上所述，與直接轉矩調節比較，向量控制系統的主要優勢是電磁轉矩波小;與矢量控制系統比較，直接轉矩調節的主要優勢是轉矩響應較快，系統靈敏度低，系統快速響應的阻力強。

參考文獻

[1]宋宏奎. 交流調速中矢量控制與直接轉矩控制技術的探討[J]. 企業技術開發：上旬刊， 2011.

[2]鄭連亮， 鄒潔. 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[J]. 電氣開關， 2013， 51（4）：2.

[3]鄭連亮， 鄒潔. 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[J]. 2022（4）.

[4]趙尚麗， 徐勇光. 永磁同步電機矢量控制與直接轉矩控制特性比較研究[J]. 電子質量， 2019（10）：8.

[5]張金良. 基于卡爾曼濾波算法的感應電機無傳感器直接轉矩控制技術研究. 華南理工大學， 2016.

[6]郭東山， 楊亞洲. dSPACE平臺下PMSM矢量控制與直接轉矩控制研究[J]. 廣東石油化工學院學報， 2017， 27（3）：5.

[7]張智遠. 基于直接轉矩控制的永磁同步電機控制系統改進策略研究[D]. 大連海事大學， 2016.

[8]王敏， 陳芬， 李想，等. 交流調速直接轉矩控制技術研究綜述[J]. 自動化與儀器儀表， 2016（1）：4.