异步电机直接转矩控制系统低速性能的优化

徐志佳

（贵阳学院机械工程学院，贵州 贵阳550005）

异步电机直接转矩控制技术是在矢量变换技术基础上发展起来的一种具有优越性能的新型交流调速控制技术，并逐渐取代了矢量变换技术在各领域上的重要地位，其设计思路是在保证定子磁链幅度不变的前提条件下，通过对电动机定子磁链的运动方向和速度进行控制调节来改变定、转子磁链的夹角大小，从而实现调整电磁转矩和电动机调速的目的。最近几十年随着研究的不断深入，技术也已经不断成熟起来，应用面也越来越广泛，大大提高了系统的性能。

1 直接转矩控制系统优化研究的背景现状及目的意义

随着电子计算机技术的不断发展，各个领域的技术水平都有很大的提升。电气交流调速技术发展越来越成熟，在各个领域都有重要的作用，是技术进步的中坚力量。电气调速技术分为直流和交流两种，二者相比较而言，转矩控制技术更加困难些。矢量控制理论有效地解决了交流电机的转矩控制问题，实现了定子电流励磁分量与转矩分量间的解耦，使交流调速系统与直流调速系统有了相同优良的性能。随着研究的不断深入，研究者又提出了直接转矩控制的学说，这种控制方法不需要对定子电流进行解耦，控制结构更加简单，省去了矢量变换过程中的复杂计算过程，更加简便快捷，大大节省了时间精力，随着其不断地发展，直接转矩控制法越来越受到各国学者的重视。

直接转矩控制系统作为一种新方法有着其他方法不可替代的优越性，但同样作为一种新生理论也有着缺陷和不完美。直接转矩控制系统由于其自身特性对于获得良好的低速性能并不是很简单，同时其调速范围也受到了一定程度上的限制。由于其有着广阔的发展前景，所以吸引着专家学者不断地努力研究，尽量改进其不足之处，使其为技术的发展做出最大的贡献。虽然当前有了较多的研究，但是还只是停留在表面和局部的层面上，取得的成果相对于最终成果来说还远远不够，许多工作还有待进一步进行深入开展。并且，现在已经有背离研究初衷的情况出现，有些学者过分追求系统低速性能的提高，采用了复杂的理论和思路，并且付出了巨大的心血，但是换来的仅仅是理论上的提高。应该是以保证简单方便为前提，进而通过改进技术来实现性能的提高。只有在理论上和实际上都简便的方法才算是有效方法，这也是本文的目的之一。本文的主要目的在于通过对直接转矩系统的简单介绍，并对如何提高系统性能提几点建议性要求，使人们对其有更为详细的了解，同时为问题的继续深入研究指出较为明确的方向，减少弯路。

2 直接转矩控制系统的特点

与其他控制系统相比，直接转矩控制系统存在以下几个方面的特点：

（1）直接转矩控制以定子坐标系为平台，对交流电动机的数学模型进行直接系统的分析，并对电动机的磁链和转矩进行直接控制操作，同时放弃运用矢量控制系统中的解耦思想。与直流电动机相比较，直接转矩系统优势更加明显，处理过程简单方便，既不用将其与直流电动机控制系统进行转化，也不用简化解耦过程中的数学模型，更不需要模拟直流电动机的操作控制。在省去矢量换算的复杂计算过程的同时也将控制信号的处理简单化，方便观察者对结果做出准确判断。

（2）直接转矩控制系统的磁场定向所用的是定子磁链，仅通过知道定子电阻的大小就能将其测算出来，矢量磁场所需要的数据是电动机转子电阻和电感，并且磁场定向需要的不是定子磁链，而是转子磁链，二者有本质的区别。通过比较可以发现，直接转矩控制磁场系统在数值测算过程中更加简单，并且由于变量数量不同，这样也减少了实验测算结果受到参数变化的影响，是结果更加精确。通过建立数学模型来使解析过程更加生动形象，解析结果也更加简单明白。

（3）直接转矩控制系统的重点是转矩的直接控制和控制效果两层意思。转矩的直接控制运用的是近似圆形磁链轨迹的概念，对结果的要求也不是过于苛刻，并没有极力要求获得最合适的正弦电流波形。转矩的直接控制过程并不是借助控制电流磁链等变量来实现控制，而是直接控制，而且对控制结果也比较注重。控制效果的把握，通过将转矩的实际数值与给定数值进行对照，使数值的上下波动波动幅值保持在一定的范围之内，控制效果的优劣与数学模型的是否简化关系不大，而与转矩的实际情况密切相关。

总之，直接转矩控制技术采用独特的思路使用空间矢量分析的方法，简化了控制系统的结构，简便了操作过程，是一种实用性很强性能优良的交流调速方法。

3 影响直接转矩控制系统低速性能的主要因素

影响直接转矩控制系统低速性能的因素有许多方面，典型的有以下几个方面：

（1）定子磁链在观测过程中的误差对低速性能的影响

定子磁链观测数值的准确与否直接影响到电动机稳定运行的情况。磁场控制的稳定是使调速方法实现高性能的基础，所以要保证电压的空间矢量的动态平衡。当定子磁链的设定值高于测量值时，选择能够使磁链幅值增大的电压矢量；与此相反，则选择能够使幅值减小的电压矢量。由于直接观测的方法在技术上和细节上都有着为数不少的不足之处，测量误差与实际数值偏差较大，并且直接测量难度较大，所以目前大多采用检测电流、电压等容易检测的间接检测的方法，将检测出的数值，代入异步电机的数学模型公式，从而推算出定子磁链的幅值和相位。

异步电机定子磁链观测数值直接关系到技术的发展前景，是保证系统正确运行的关键，不论是直接转矩控制还是定子磁场定向控制，都与之密不可分，一旦测得数值出现了较大误差，随之推算出的其余数值也会出现较大误差，导致控制系统的功能失灵，后果不堪设想。

（2）定子电阻对低速性能的影响

当电动机高速运行的时候，定子电阻压降非常小，可以忽略，但在低速运行时，压降就会升高，并且会影响到运行情况，所以不可以忽略不计。随着设备不断运行，会因摩擦产生热量，而定子电阻的大小会随着温度产生变化，所以会导致电压变化，进而造成磁链数据观测不准确，系统可控制性能下降。设备运行速度越低，对定子电阻的影响越明显。

（3）开关频率对低速性能的影响

设备开关的作用是由电压矢量决定的，磁链和转矩决定着电压矢量的作用时间，开关的频率与设备系统的控制有关，间接地与电动机的转速有关。开关频率的变化会造成电流波形的不规则变化。

（4）磁链转矩脉动对低速性能的影响

转矩脉动的出现是由于控制电压受到采样周期的影响而出现的规律性动态变化。采样周期越小，转矩脉动越小；当周期固定不变时，转矩脉动的变化则由负载转矩和转速所决定，即转速越低，转矩脉动越大，所以转矩脉动的状况直接影响到系统的速度特征。

（5）死区效应对低速性能的影响

死区效应是指为了防止同一桥臂上的两个功率器件同时导通而在基极驱动信号上所加的死区时间。在低速运行时，死区时间在一定周期内所占的比例增加，电压的计算数值和实际数值相比会有很大偏差，在设备高速运行时得到的偏差小，可以忽略不计。偏差过大会造成设备系统的不稳定。

4 直接转矩控制系统低速性能的优化

针对以上几种影响低速性能的因素，提出以下几点相应的措施：

（1）要减少观测误差，首先要保证供给电压的稳定平衡。稳定的电压不仅可以保证磁场控制的稳定，还能保证设备的使用寿命。此外，应该不断地完善直接观测的方法和技术，弥补不足之处，在使用间接检测法时也要注意细节问题，比如读数、计算等等，将人为因素引起的误差的发生率降到最低点。

（2）减少电阻对低速性能的影响，最关键的是减少温度对电阻的影响。对于设备，要进行定期维护，减少摩擦，并做好散热处理。对于定子电阻的制作材料，除了要符合设备要求之外，还应该选择电阻变化受温度影响较小的材料。提高对定子电阻的辨识度，有以下几种方法可供参考：模型参考自适应，Kalman滤波器，最小二乘法，谐波注入法，小波网络等等，力求提高定子电阻的辨识度。

（3）要保证开关频率的稳定，就要保证磁链转矩作用时间的稳定，在控制系统中，保证采样周期较短，就会使磁链波动范围随之减小，采样周期也趋于固定。实验表明，采样周期缩短，磁链波动也会减小。电流谐波也越小，设备系统的稳定性能也越好。采用模糊开关状态选择器是切实可行的方法之一，此方法可以加快系统响应，增强抗干扰能力，大大提高系统的低速性能。除此之外，利用神经网络构造开关状态选择器、学习转矩误差的隶属度函数分布也十分可行。

（4）磁链脉动的调节主要是依靠调节电压矢量的调节，电压矢量的调节有以下几种方法：第一种，在保证原有矢量方向不变的前提下，对电压矢量绝对值的大小进行调节；第二种，扩大电压的选择范围，包括数值和方向；第三种是采用任意矢量电压，采用多电平逆变器进行。针对任何改善转矩脉动，可以采用转矩跟踪预测法，通过此法得到的结论不仅可以减小转矩脉动，还能削弱电流谐波，降低增强设备运行的稳定性。

（5）在采用间接检测方法时，死区效应时间往往会被忽略，死区效应对于检测结果有着重要影响，具体补偿方法有：针对定子的电流型直接补偿法、电压反馈型补偿法和通过直接改装设备的补偿法等等。通过补偿，可以使检测结果更加精确，进而有效提高低速性能。

5 结束语

直接转矩控制系统应用广泛，前景宽广，阻碍其发展的主要原因是其低速性能不高，研究其因素并采取相应措施来完善对其未来的发展非常有益。本文分析其因素，并提出了相应的合理的改进措施，对直接转矩系统低速性能的优化提供理论研究依据。

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