牛 軍商義葉 趙 磊

（1.濟南職業(yè)學院 山東 濟南 250103；2.山東天宇建設(shè)機械股份有限公司 山東 齊河 251100）

直接轉(zhuǎn)矩控制方法是在1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授首次提出并取得實驗成功，它相對于經(jīng)典的矢量控制有如下的特點：

（1）在定子坐標系下分析交流機的數(shù)學模型，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要與直流機作比較、等效、轉(zhuǎn)化等，省去復(fù)雜的計算；

（2）以定子磁場定向，只需定子參數(shù)，不需隨轉(zhuǎn)速變化的、難以測定的轉(zhuǎn)子參數(shù)，大大減少了參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響；

（3）采用電壓矢量和六邊行磁鏈軌跡，直接控制轉(zhuǎn)矩；

（4）對轉(zhuǎn)矩、磁鏈都采用兩點式調(diào)節(jié)器，把誤差限制在容許范圍內(nèi)，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能[1]。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理

直接轉(zhuǎn)矩控制的原理仍是采用空間矢量分析的方法，但由于實時電壓、電流和轉(zhuǎn)矩檢測經(jīng)電動機數(shù)學模型算出實際磁鏈位置，根據(jù)對電動機運行狀態(tài)（轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)矩大小、負載變化等）的要求，確定逆變器應(yīng)輸出的電壓狀態(tài)，從而完成對電機的控制。

直接轉(zhuǎn)矩（DTC）的控制策略：

式中，2HBψ為磁鏈控制器的總滯環(huán)帶寬。給定磁鏈矢量的圓形軌跡在滯環(huán)內(nèi)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。實際的定子磁鏈ψs被控制在滯環(huán)帶內(nèi)并以之字形軌跡跟蹤給定磁鏈。轉(zhuǎn)矩控制環(huán)為三電平輸出，如下式：

磁鏈和轉(zhuǎn)矩反饋信號根據(jù)電機端電壓和電流信號計算得到，信號計算模塊還計算獲得磁鏈矢量ψs所在的扇區(qū)數(shù)S（k）。共有6個扇區(qū)（每個扇區(qū)占 π/3）。 電壓矢量表模塊接受輸入 Hψ、HTe和 S（k），通過查表方式為逆變器產(chǎn)生適應(yīng)的控制電壓矢量（即控制電力器件的開關(guān)狀態(tài)）。逆變器的8個電壓矢量（6個非零矢量和2個零矢量）和典型的ψs矢量。如果忽略定子電阻Rs，可得下式：開始旋轉(zhuǎn)。通過查表1，可以選擇適當?shù)碾妷菏噶孔饔糜谙到y(tǒng)，其電壓矢量實際上同時對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行控制。磁鏈軌跡段AB、BC、CD和DE對應(yīng)的電壓矢量分別為V3、V4、V3和V4。由△ψs導致的轉(zhuǎn)矩增量。值得注意的是，在電壓矢量Vs作用下，定子磁鏈矢量變化得很快，而由于存在一個大時間常數(shù)Tr，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量ψr卻變化得很緩慢。由于ψr相當于被濾波，因此它會以頻率ωe平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，而定子磁鏈ψs的旋轉(zhuǎn)是不平穩(wěn)的。然而，在穩(wěn)態(tài)時，兩者的平均速度是一樣的。表2中歸納了各個電壓矢量作用下，定子

上式表明，磁鏈矢量ψs的增量為電壓矢量Vs與時間增量△t的乘積，也就是說電機剛上電時，在零頻（直流）定子電壓作用下，電機磁鏈沿著徑向軌跡OA逐漸建立起來。當額定磁鏈被建立以后，系統(tǒng)發(fā)出給定轉(zhuǎn)矩命令，并且給定磁鏈矢量磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化量的大小和方向?？梢姡妷菏噶縑1、V2和V6的作用會使磁鏈增加；而當V3、V4和V5作用時，磁鏈會減少。同樣地，電壓矢量 V2、V3和 V4作用時，轉(zhuǎn)矩會增加；V1、V5和 V6作用時，轉(zhuǎn)矩會減少。零矢量（V0和V7）使電機終端短路，此時保持磁鏈和轉(zhuǎn)矩不變，但是由于存在一定的定子電阻（Rs）壓降，轉(zhuǎn)矩和磁鏈在電機終端短路時會略有減小。

表1 逆變器電壓矢量開關(guān)表

表2 電壓矢量引起的磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化（箭頭變化大小和方向）

例如，當系統(tǒng)運行在扇區(qū)S（2）的B點，此時磁鏈過高，轉(zhuǎn)矩過低，即Hψ=-1，HTe=+1，由此查表1，可知下一步電壓矢量V4將作用于逆變器，即產(chǎn)生軌跡BC段。在點C，Hψ=+1，HTe=+1，又查表可知為電壓矢量V3。依此類推，系統(tǒng)很容易在四個象限中運行。

2 基于DSP絞車交流變頻電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制特別適合全數(shù)字化，對硬件的處理實時性和快速性要求很高。數(shù)字信號處理器（DSP）芯片以其高速及高性能在自動控制和電機控制領(lǐng)域享有盛名，它快速處理各種復(fù)雜控制規(guī)律，并具有故障診斷、監(jiān)控保護和控制靈活等功能，為系統(tǒng)可靠性、快速性和實時性提供了保證。硬件電路設(shè)計包括強電和弱電兩部分。強電部分包括：具有能量回饋單元的系統(tǒng)主電路及相應(yīng)電路，電壓、電流采樣電路，以及開關(guān)電源等3部分。強電部分為弱電控制板提供電源，并輸出采樣信號到弱電控制板。弱電部分為該控制系統(tǒng)提供的系統(tǒng)狀態(tài)進行實時控制及檢測采樣，由DTC算法產(chǎn)生PWM信號傳送到逆變器觸發(fā)端?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖1所示。以上功能由控制軟件實現(xiàn)，軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序在完成系統(tǒng)初始化設(shè)置后進入循環(huán)，等待中斷發(fā)生。中斷服務(wù)程序要完成：電機定子電流和電壓的采樣和轉(zhuǎn)換；利用DSP處理速度反饋信號；根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制算法輸出6路PWM信號對轉(zhuǎn)矩進行控制。

3 小結(jié)

采用定子磁通定向矢量控制策略，該控制策略能夠提供大而平穩(wěn)的起動轉(zhuǎn)矩；能夠提供精確的轉(zhuǎn)矩控制，動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間短；能夠提供精確的速度控制，動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小；能夠使鉆機絞車系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)的工作性能。

［1］李華德，等.交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］王妍.基于DSP的電壓空間矢量法PWM的研究[J].電機與控制學報，2000(4)：98-101.

［3］[美]Bimal K.Bose.現(xiàn)代電力電子學與交流傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：327-331.