电机直接转矩控制技术的研究现状与展望

电机直接转矩控制技术的研究现状与展望

顾攀 田嘉旭 周童

江苏大学 江苏镇江 212013

摘要:直接转矩控制技术是目前一种先进的异步电动机变频调速新技术。它以转矩响应快、结构简单、鲁棒性好等一系列优点备受关注，但仍有许多问题阻碍其未来的发展。本文从总结综述了直接转矩控制技术的国内外研究现状，分析了直接转矩控制的控制原理,并讨论了其存在的缺陷,提出了相应的改进措施，在此基础上对其未来发展趋势进行了总结，为直接转矩控制技术的进一步发展提供参考。

关键词：直接转矩控制；研究现状；控制原理；改进措施；展望

0. 引言

随着计算机科技和自动控制技术的发展，工业生产对自动化控制的需求越来越大，交流调速技术也被不断地改造和创新，其中以定子磁链为控制对象的电机直接转矩控制技术（DTC)受到人们的广泛重视。凭借其简明的系统结构，优良的静态、动态性能，直接转矩控制技术得到了迅速的发展。直接转矩控制与普通的矢量控制相比较而言，不需要进行旋转3/2变换和脉宽调制，在简化控制算法的同时便可实现转矩的快速响应,简便地得到各相输出电压。所以，直接转矩控制技术是目前应用最广泛的交流调速技术，其未来会向着高频化方向发展, 与智能控制相结合，进一步提高控制性能和稳定性，使交流调速系统的性能出现本质上的提高。把握直接转矩控制技术的未来发展方向对于我国实现高性能变频调速技术的弯道超车具有重要意义。本文从直接转矩控制技术的国内外研究现状、核心控制技术和改进方案三个方面进行分析综述，并对其未来的技术发展方向进行了总结。

1. 国内外研究现状

直接转矩理论由德国学者M. Depenbrock教授首次提出。直接转矩控制在不解耦的情况下简化了交流电机的数学模型，降低了环境参数对控制的影响。尤其是在大功率机车中，若定子磁链控制成六边形，功率管的切换次数减少，则可大大改善电力电子器件的发热性能。定子磁链呈六边形方案控制虽然简单，但能够使得电机的电磁转矩脉动加大。在大功率的牵引机车中，由于较大惯性的存在，转矩脉动能被大惯量滤去，转速不会出现明显波动；在大功率机车中，如果采用六边形定子磁链控制，可以减少功率管的开关次数，大大提高功率电子器件的热性能。虽然定子磁通六边形方案简单，但会增加电机的电磁转矩脉动。在大功率牵引机车中，转矩脉动可以用较大的惯性来滤波，而速度波动不大。而在中小功率系统中，六边形控制方案产生的转矩脉动使转速产生明显的大范围波动，所以此情况下宜采用定子磁链控制成圆形的控方案制。日本便在此技术基础上提出了侧重于中小功率领域的应用的近似圆形磁链的控制方案。随着高速数字信号处理器(DSP)的出现，直接转矩控制(DTC)逐渐在工业生产中得到应用。国内对于直接控制技术的研究虽然起步晚，但是直接转矩控制方法的众多优点引起了大批国内学者的注意。清华大学、浙江大学、等院校在国外已有的技术和理伦的基础上，主要围绕着无速度传感器控制、减少转矩脉动两个方面展开了直接转矩控制的研究，提出了很多值得借鉴的技术方案。

虽然直接转矩控制优点很多,但仍存在缺陷和不足，国内外学者针对此项技术的改善也提出了许多有价值的观点:

(1)离散空间电压调制型直接转矩控制(DSVM-DTC)

(2)基于空间电压矢量调制的连续型直接转矩控制

由于交流调速方式研究在我国起步较晚，技术基础薄弱，因此DTC技术的研究对于促进我国高性能变频调速技术的发展具有积极的促进作用和重要的现实意义。

2. 直接转矩控制的技术方法

2-1 直接转矩控制的控制原理

直接转矩控制技术的核心问题是转矩和定子磁链反馈模型，以及如何根据转矩和磁链控制信号来选择电压空间矢量控制器的开关状态。

可以通过保持定子磁通幅值稳定来充分利用电动机的铁心。而负载的大小决定着转子的磁通幅值。因此,定子通量的平均角速度旋转交替可以调节控制零电压空间矢量的状态和工作状态,由于转子的转动角速度变化不会突然改变,扭矩可以控制通过调节定子磁通的空间旋转速度,从而控制电机转速。

可见，通过合理的选择加在电机定子绕组相上的电压空间矢量，就可以调节电动机的定子磁链与电磁转矩。由于电动机定子电压空间矢量的选择是根据逆变器的开关状态来选择的，所以选择合理的逆变器开关状态是非常关键的。

2-2 直接转矩控制技术的问题与改进

尽管传统的直接转矩控制技术具有快速性、强鲁棒性及结构简单等诸多优点，但也存在着亟待优化改进的地方。比如，在数字控制系统的一个采样周期内，只有有限且离散的电压矢量向感应电动机供电，导致转矩急剧变化；由于逆变器的开关频率受滞环宽度、转速及负载等因素影响，逆变器开关频率难以保持恒定；特别是死区效应所积累的误差使逆变器的输出电压发生畸变，进而使电流发生畸变，加重了系统运行的脉动和不稳定性。目前，针对直接转矩控制技术的问题优化所提出的改进方案主要有：采用PWM和SV技术实现了直接转矩控制的固定开关频率运行方案。引入模糊控制和智能控制来解决转矩脉动问题。改进后的开关表改善了控制参数与开关量之间的对应关系。采用矢量细分方法，消除了所选矢量在某些区域的不对称作用，改善了磁通轨迹，改善了磁通转速的对称性，消除了电流的畸变。

3. 结束语

直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种高性能的交流变频调速技术。在理论研究与产品开发上，该项技术已取得了丰富的成果，并带来了巨大的经济效益。但其仍然存在着许多不成熟、不完善的问题，限制了直接转矩控制技术的应用范围。鉴于此，本文从直接转矩控制技术的国内外研究发展、核心控制技术和改进方案三个方面进行分析综述，并对其未来的技术发展方向进行了总结，为直接转矩技术的进一步研究和发展提供参考。

近年来，随着电力电子技术的不断发展，现代交流调速领域中的数字控制系统已逐步实现。随着自适应控制理论的不断完善，交流驱动电力系统的自动化程度将越来越高，直接转矩控制技术将取得突破性进展。目前，国内直接转矩控制技术的研究发展方向的重点在于：如何引进并深入学习国外先进控制技术,以提高国内交流调速系统的控制水平；同时开发出适合国情的变频控制设备投入生产,实现核心设备与技术的产业化、国产化。

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作者简介：

顾攀，生于1998年11月，男，汉族，江苏苏州人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业

田嘉旭，生于1999年7月，男，汉族，辽宁沈阳人，江苏大学本科在读，工商管理专业

周童，生于1999年2月，男，汉族，江苏连云港人，江苏大学本科在读，机械设计及其自动化专业