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摘 要： 摘要:直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是目前一種先進(jìn)的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)。它以轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好等一系列優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，但仍有許多問(wèn)題阻礙其未來(lái)的發(fā)展。本文從總結(jié)綜述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理,并討論了
摘要:直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是目前一種先進(jìn)的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)。它以轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好等一系列優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，但仍有許多問(wèn)題阻礙其未來(lái)的發(fā)展。本文從總結(jié)綜述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理,并討論了其存在的缺陷,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，在此基礎(chǔ)上對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，為直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制;研究現(xiàn)狀;控制原理;改進(jìn)措施;展望
引言
隨著計(jì)算機(jī)科技和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化控制的需求越來(lái)越大，交流調(diào)速技術(shù)也被不斷地改造和創(chuàng)新，其中以定子磁鏈為控制對(duì)象的電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)受到人們的廣泛重視。憑借其簡(jiǎn)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制與普通的矢量控制相比較而言，不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)3/2變換和脈寬調(diào)制，在簡(jiǎn)化控制算法的同時(shí)便可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng),簡(jiǎn)便地得到各相輸出電壓。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的交流調(diào)速技術(shù)，其未來(lái)會(huì)向著高頻化方向發(fā)展, 與智能控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制性能和穩(wěn)定性，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能出現(xiàn)本質(zhì)上的提高。把握直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向?qū)τ谖覈?guó)實(shí)現(xiàn)高性能變頻調(diào)速技術(shù)的彎道超車具有重要意義。本文從直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、核心控制技術(shù)和改進(jìn)方案三個(gè)方面進(jìn)行分析綜述，并對(duì)其未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
直接轉(zhuǎn)矩理論由德國(guó)學(xué)者M(jìn). Depenbrock教授首次提出。直接轉(zhuǎn)矩控制在不解耦的情況下簡(jiǎn)化了交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，降低了環(huán)境參數(shù)對(duì)控制的影響。尤其是在大功率機(jī)車中，若定子磁鏈控制成六邊形，功率管的切換次數(shù)減少，則可大大改善電力電子器件的發(fā)熱性能。定子磁鏈呈六邊形方案控制雖然簡(jiǎn)單，但能夠使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大。在大功率的牽引機(jī)車中，由于較大慣性的存在，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能被大慣量濾去，轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng);在大功率機(jī)車中，如果采用六邊形定子磁鏈控制，可以減少功率管的開關(guān)次數(shù)，大大提高功率電子器件的熱性能。雖然定子磁通六邊形方案簡(jiǎn)單，但會(huì)增加電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在大功率牽引機(jī)車中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以用較大的慣性來(lái)濾波，而速度波動(dòng)不大。而在中小功率系統(tǒng)中，六邊形控制方案產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯的大范圍波動(dòng)，所以此情況下宜采用定子磁鏈控制成圓形的控方案制。日本便在此技術(shù)基礎(chǔ)上提出了側(cè)重于中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用的近似圓形磁鏈的控制方案。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于直接控制技術(shù)的研究雖然起步晚，但是直接轉(zhuǎn)矩控制方法的眾多優(yōu)點(diǎn)引起了大批國(guó)內(nèi)學(xué)者的注意。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、等院校在國(guó)外已有的技術(shù)和理倫的基礎(chǔ)上，主要圍繞著無(wú)速度傳感器控制、減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)兩個(gè)方面展開了直接轉(zhuǎn)矩控制的研究，提出了很多值得借鑒的技術(shù)方案。
雖然直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)點(diǎn)很多,但仍存在缺陷和不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的改善也提出了許多有價(jià)值的觀點(diǎn):
(1)離散空間電壓調(diào)制型直接轉(zhuǎn)矩控制(DSVM-DTC)
(2)基于空間電壓矢量調(diào)制的連續(xù)型直接轉(zhuǎn)矩控制
由于交流調(diào)速方式研究在我國(guó)起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，因此DTC技術(shù)的研究對(duì)于促進(jìn)我國(guó)高性能變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用和重要的現(xiàn)實(shí)意義。
直接轉(zhuǎn)矩控制的技術(shù)方法
2-1 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的核心問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋模型，以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量控制器的開關(guān)狀態(tài)。
可以通過(guò)保持定子磁通幅值穩(wěn)定來(lái)充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心。而負(fù)載的大小決定著轉(zhuǎn)子的磁通幅值。因此,定子通量的平均角速度旋轉(zhuǎn)交替可以調(diào)節(jié)控制零電壓空間矢量的狀態(tài)和工作狀態(tài),由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變化不會(huì)突然改變,扭矩可以控制通過(guò)調(diào)節(jié)定子磁通的空間旋轉(zhuǎn)速度,從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
可見(jiàn)，通過(guò)合理的選擇加在電機(jī)定子繞組相上的電壓空間矢量，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)機(jī)定子電壓空間矢量的選擇是根據(jù)逆變器的開關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇的，所以選擇合理的逆變器開關(guān)狀態(tài)是非常關(guān)鍵的。
2-2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的問(wèn)題與改進(jìn)
盡管傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有快速性、強(qiáng)魯棒性及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著亟待優(yōu)化改進(jìn)的地方。比如，在數(shù)字控制系統(tǒng)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，只有有限且離散的電壓矢量向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩急劇變化;由于逆變器的開關(guān)頻率受滯環(huán)寬度、轉(zhuǎn)速及負(fù)載等因素影響，逆變器開關(guān)頻率難以保持恒定;特別是死區(qū)效應(yīng)所積累的誤差使逆變器的輸出電壓發(fā)生畸變，進(jìn)而使電流發(fā)生畸變，加重了系統(tǒng)運(yùn)行的脈動(dòng)和不穩(wěn)定性。目前，針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的問(wèn)題優(yōu)化所提出的改進(jìn)方案主要有：采用PWM和SV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制的固定開關(guān)頻率運(yùn)行方案。引入模糊控制和智能控制來(lái)解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。改進(jìn)后的開關(guān)表改善了控制參數(shù)與開關(guān)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用矢量細(xì)分方法，消除了所選矢量在某些區(qū)域的不對(duì)稱作用，改善了磁通軌跡，改善了磁通轉(zhuǎn)速的對(duì)稱性，消除了電流的畸變。
結(jié)束語(yǔ)
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后的一種高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。在理論研究與產(chǎn)品開發(fā)上，該項(xiàng)技術(shù)已取得了豐富的成果，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但其仍然存在著許多不成熟、不完善的問(wèn)題，限制了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的應(yīng)用范圍。鑒于此，本文從直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展、核心控制技術(shù)和改進(jìn)方案三個(gè)方面進(jìn)行分析綜述，并對(duì)其未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)，為直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考。
相關(guān)期刊推薦：《機(jī)電信息》雜志創(chuàng)刊于2001年7月,是公開發(fā)行的專業(yè)科技期刊，是機(jī)電行業(yè)展示科技成果、專家學(xué)者開展學(xué)術(shù)交流的平臺(tái)，也是宣傳企業(yè)形象、展示企業(yè)文化的一個(gè)重要窗口。設(shè)有： 電氣工程與自動(dòng)化、裝備應(yīng)用與研究、設(shè)備管理與改造、工藝與技術(shù)、設(shè)計(jì)與分析、綜合研究等欄目。
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速領(lǐng)域中的數(shù)字控制系統(tǒng)已逐步實(shí)現(xiàn)。隨著自適應(yīng)控制理論的不斷完善，交流驅(qū)動(dòng)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度將越來(lái)越高，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)將取得突破性進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究發(fā)展方向的重點(diǎn)在于：如何引進(jìn)并深入學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)控制技術(shù),以提高國(guó)內(nèi)交流調(diào)速系統(tǒng)的控制水平;同時(shí)開發(fā)出適合國(guó)情的變頻控制設(shè)備投入生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備與技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、國(guó)產(chǎn)化。——論文作者：顧攀 田嘉旭 周童