[關鍵詞] 矢量控制系統 直接轉矩控制 無速度傳感器
摘要: 本文分析了實現高性能通用變頻器的兩種控制策略，還對矢量控制和直接轉矩控制方案作了比較，最后給出實現高性能通用變頻器的途徑
1 一般通用變頻器的局限性
采用一般的通用變頻器給異步電動機供電時，可以實現無級平滑調速，起動和停車都很方便。但是，調速時有靜差，精度不高，調速范圍不過1:10左右，而且也不能像直流調速系統那樣提供很高的動態性能。
2 高性能通用變頻器的控制策略
要實現高動態性能，必須充分研究電機的物理模型和動態數學模型。現在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接轉矩控制兩種。
矢量控制系統的特點是:采用由轉子磁鏈決定d-軸方向的dq同步旋轉坐標系，把異步電機的定子電流分解為其勵磁分量和轉矩分量，得到類似于直流電機的轉矩模型，再采取措施把非線性系統變換成兩個獨立的轉速和轉子磁鏈的子系統，從而模仿直流電機分別用PI調節器進行控制。選用高精度的光電碼盤轉速傳感器時，矢量控制系統的調速范圍可達1:1000，動態性能也很好。但按轉子磁鏈定向會受電機參數變化的影響而失真，從而降低了系統的調速性能，采用智能化調節器可以克服這一缺點，提高系統的魯棒性。
直接轉矩控制系統舍去比較復雜的旋轉坐標變換，僅在兩相靜止坐標系上構成轉矩和定子磁鏈的反饋信號，并用雙位式砰-砰控制代替線性調節器來控制轉矩和定子磁鏈，根據二者的變化選擇電壓空間矢量的PWM(SVPWM)開關狀態，以控制電機的轉速。這種系統控制結構簡單，轉矩響應快，又避免了轉子參數變化的影響。但砰-砰控制會使輸出轉矩產生脈動，影響系統的低速性能。
從理論基礎上看，矢量控制系統和直接轉矩控制系統都是基于異步電動機動態數學模型進行控制的。在兩相坐標系上的異步電動機具有4階電壓方程和1階運動方程，其狀態方程應該是5階的，須選取5個狀態變量。在系統的動態模型中，輸入變量是Usd,Usq,ω1,TL，對于籠型轉子電機，轉子內部是短路的，Urd=Urq=0，因此，可供選用的狀態變量共有9個，即轉速ω、4個電流變量isd，isq，ird，irq和4個磁鏈變量ψsd, ψsq, ψrd, ψrq。轉子電流ird和irq是不可測的，不宜用作狀態變量，只能選定子電流isd, isq和轉子磁鏈ψrd ，ψrq，或者選定子電流,isd, isq和定子磁鏈，也就是說，可以有ω-ψr-is狀態方程和ω-ψs-is狀態方程兩種。矢量控制選用了ω-ψr-is方程，而直接轉矩控制選用的是ω-ψs-is方程。
從總體控制結構上看，兩者都采用轉矩和磁鏈分別控制，轉矩控制環(或電流的轉矩分量環)都處于轉速環的內環，可以抑制磁鏈變化對轉速子系統的影響，從而使轉速和磁鏈子系統實現了近似的解耦。因此兩種系統都能獲得較高的靜、動態性能。
但是，由于具體控制方案的區別，兩者在控制性能上卻各有千秋。矢量控制系統采用轉子磁鏈定向，因而實現了定子電流轉矩分量與磁鏈分量的解耦，可以按線性系統理論分別設計轉速與磁鏈調節器(一般采用PI調節器)，實行連續控制，從而獲得較寬的調速范圍;但按ψr定向受電動機轉子參數變化的影響，降低了控制系統的魯棒性。直接轉矩控制系統則實行Te和ψs砰-砰控制，避開了旋轉坐標變換，簡化了控制結構;控制定子磁鏈而不是轉子磁鏈，不受轉子參數變化的影響;砰-砰控制本身屬于P控制,可以獲得比PI調節器更快的動態響應(由于沒有電流內環，須注意限制最大沖擊電流);但不可避免地產生轉矩脈動，而且帶積分環節的磁鏈電壓模型在低速時準確度較差，這都使系統的低速性能受到限制。

3 矢量控制和直接轉矩控制的應用和發展

矢量控制系統和直接轉矩控制系統都是高性能的交流調速系統，都已獲得廣泛的實際應用，由于它們各自的特色，在應用領域上又各有側重。矢量控制除用于一般調速外，更適用于寬范圍調速系統和伺服系統，而直接轉矩控制則更適用于需要快速轉矩響應的大慣量運動控制系統(如電氣機車)。鑒于兩種控制策略都還有一些不足之處，兩種系統的研究和開發工作都在朝著克服其缺點的方向發展。
對矢量控制系統的進一步研究工作主要是提高其控制的魯棒性問題。長期以來，人們很自然地想到采用自適應控制來解決轉子參數變化對按轉子磁鏈定向準確度的影響，但研究成果很少得到實際應用，較多使用的是對轉子電阻變化的溫度補償。現代智能控制方法可使被控系統不依賴于或較少依賴于控制對象的數學模型，因而能使矢量控制系統不受或少受電機參數變化的影響，比較方便的辦法是采用單神經元構成的自適應PID控制器。
對直接轉矩控制系統的研究工作集中在提高其低速性能上。上世紀90年代初，德國魯爾大學EAEE研究室在Depenbrock教授和Steimel教授的領導下提出了作為直接轉矩控制系統改進方案的間接自控制ISR(德文Indirekt Selbstregelung)系統。其中，將砰-砰控制器改為連續的調節器，用PI調節器對定子磁鏈幅值進行閉環控制，以建立圓形的定子磁鏈軌跡，又根據電磁轉矩的偏差推算出磁鏈矢量增量所對應的角度Δθ，最后按照磁鏈、轉矩兩個調節器的輸出推算出定子電壓矢量，求得相應的變頻器開關狀態。可以看出，ISR系統實際上是直接轉矩控制系統和矢量控制系統的融合與折中。除此以外，還有許多在直接轉矩控制的砰-砰控制器基礎上提出的改進方案，例如，對磁鏈偏差和轉矩偏差的細化，對電壓空間矢量的無差拍調制，對開關狀態的預測控制、智能控制，單獨對轉矩或磁鏈進行預測跟蹤控制等等。
對控制策略的任何改進都需要增加控制軟件的負擔，因此都需要提高硬件的能力。現在高性能的變頻器往往都采用高檔的單片機或數字信號處理器DSP。
4 無速度傳感器控制
無論是矢量控制系統，還是直接轉矩控制系統，都需要轉速閉環控制，所需的轉速反饋信號來自與電機同軸的速度傳感器，對于高性能系統一般都用光電碼盤，其成本、安裝、可靠性都有問題。如果能取消光電碼盤而保持良好的控制性能，顯然會大受歡迎，這就是無速度傳感器的高性能調速系統。作為高性能的通用變頻器都希望采用無速度傳感器控制。
這時，可以通過容易測量的定子電壓和電流信號間接求得轉速。常用的方法有:
(1) 利用電機模型推導出轉速方程式，從而計算轉速;
(2) 利用電機模型計算轉差頻率，進行補償;
(3) 根據模型參考自適應控制理論，選擇合適的參考模型和可調整模型，同時辨識轉速和轉子磁鏈;
(4) 利用其它辨識或估計方法求得轉速;
(5) 利用電機的齒諧波電勢計算轉速;等等。
但是，無論哪一種方法，計算或辨識精度都有限，動態轉速的準確度更有限，因此目前實用的無速度傳感器調速系統只能實現一般的動態性能，其高精度調速范圍達到10就算不錯的了。目前，已有若干品種的無速度傳感器高性能通用變頻器問世，但研究工作仍在繼續。