[關(guān)鍵詞] 矢量控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制 無速度傳感器
摘要: 本文分析了實(shí)現(xiàn)高性能通用變頻器的兩種控制策略，還對(duì)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方案作了比較，最后給出實(shí)現(xiàn)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(dòng)機(jī)供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，起動(dòng)和停車都很方便。但是，調(diào)速時(shí)有靜差，精度不高，調(diào)速范圍不過1:10左右，而且也不能像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣提供很高的動(dòng)態(tài)性能。
2 高性能通用變頻器的控制策略
要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，必須充分研究電機(jī)的物理模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。
矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d-軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，把異步電機(jī)的定子電流分解為其勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型，再采取措施把非線性系統(tǒng)變換成兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的子系統(tǒng)，從而模仿直流電機(jī)分別用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。選用高精度的光電碼盤轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:1000，動(dòng)態(tài)性能也很好。但按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會(huì)受電機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能，采用智能化調(diào)節(jié)器可以克服這一缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的魯棒性。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)舍去比較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，僅在兩相靜止坐標(biāo)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的反饋信號(hào)，并用雙位式砰-砰控制代替線性調(diào)節(jié)器來控制轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，根據(jù)二者的變化選擇電壓空間矢量的PWM(SVPWM)開關(guān)狀態(tài)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，又避免了轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。但砰-砰控制會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，影響系統(tǒng)的低速性能。
從理論基礎(chǔ)上看，矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是基于異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制的。在兩相坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)具有4階電壓方程和1階運(yùn)動(dòng)方程，其狀態(tài)方程應(yīng)該是5階的，須選取5個(gè)狀態(tài)變量。在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型中，輸入變量是Usd,Usq,ω1,TL，對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的，Urd=Urq=0，因此，可供選用的狀態(tài)變量共有9個(gè)，即轉(zhuǎn)速ω、4個(gè)電流變量isd，isq，ird，irq和4個(gè)磁鏈變量ψsd, ψsq, ψrd, ψrq。轉(zhuǎn)子電流ird和irq是不可測(cè)的，不宜用作狀態(tài)變量，只能選定子電流isd, isq和轉(zhuǎn)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(tài)方程和ω-ψs-is狀態(tài)方程兩種。矢量控制選用了ω-ψr-is方程，而直接轉(zhuǎn)矩控制選用的是ω-ψs-is方程。
從總體控制結(jié)構(gòu)上看，兩者都采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別控制，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)(或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán))都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。因此兩種系統(tǒng)都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。
但是，由于具體控制方案的區(qū)別，兩者在控制性能上卻各有千秋。矢量控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向，因而實(shí)現(xiàn)了定子電流轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈分量的解耦，可以按線性系統(tǒng)理論分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器(一般采用PI調(diào)節(jié)器)，實(shí)行連續(xù)控制，從而獲得較寬的調(diào)速范圍;但按ψr定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了控制系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)則實(shí)行Te和ψs砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu);控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響;砰-砰控制本身屬于P控制,可以獲得比PI調(diào)節(jié)器更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(由于沒有電流內(nèi)環(huán)，須注意限制最大沖擊電流);但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且?guī)Хe分環(huán)節(jié)的磁鏈電壓模型在低速時(shí)準(zhǔn)確度較差，這都使系統(tǒng)的低速性能受到限制。

3 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用和發(fā)展

矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，都已獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，由于它們各自的特色，在應(yīng)用領(lǐng)域上又各有側(cè)重。矢量控制除用于一般調(diào)速外，更適用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，而直接轉(zhuǎn)矩控制則更適用于需要快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的大慣量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(如電氣機(jī)車)。鑒于兩種控制策略都還有一些不足之處，兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都在朝著克服其缺點(diǎn)的方向發(fā)展。
對(duì)矢量控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作主要是提高其控制的魯棒性問題。長(zhǎng)期以來，人們很自然地想到采用自適應(yīng)控制來解決轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向準(zhǔn)確度的影響，但研究成果很少得到實(shí)際應(yīng)用，較多使用的是對(duì)轉(zhuǎn)子電阻變化的溫度補(bǔ)償。現(xiàn)代智能控制方法可使被控系統(tǒng)不依賴于或較少依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因而能使矢量控制系統(tǒng)不受或少受電機(jī)參數(shù)變化的影響，比較方便的辦法是采用單神經(jīng)元構(gòu)成的自適應(yīng)PID控制器。
對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究工作集中在提高其低速性能上。上世紀(jì)90年代初，德國(guó)魯爾大學(xué)EAEE研究室在Depenbrock教授和Steimel教授的領(lǐng)導(dǎo)下提出了作為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)改進(jìn)方案的間接自控制ISR(德文Indirekt Selbstregelung)系統(tǒng)。其中，將砰-砰控制器改為連續(xù)的調(diào)節(jié)器，用PI調(diào)節(jié)器對(duì)定子磁鏈幅值進(jìn)行閉環(huán)控制，以建立圓形的定子磁鏈軌跡，又根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的偏差推算出磁鏈?zhǔn)噶吭隽克鶎?duì)應(yīng)的角度Δθ，最后按照磁鏈、轉(zhuǎn)矩兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出推算出定子電壓矢量，求得相應(yīng)的變頻器開關(guān)狀態(tài)。可以看出，ISR系統(tǒng)實(shí)際上是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的融合與折中。除此以外，還有許多在直接轉(zhuǎn)矩控制的砰-砰控制器基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案，例如，對(duì)磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差的細(xì)化，對(duì)電壓空間矢量的無差拍調(diào)制，對(duì)開關(guān)狀態(tài)的預(yù)測(cè)控制、智能控制，單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)矩或磁鏈進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤控制等等。
對(duì)控制策略的任何改進(jìn)都需要增加控制軟件的負(fù)擔(dān)，因此都需要提高硬件的能力。現(xiàn)在高性能的變頻器往往都采用高檔的單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP。
4 無速度傳感器控制
無論是矢量控制系統(tǒng)，還是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，都需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，所需的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)來自與電機(jī)同軸的速度傳感器，對(duì)于高性能系統(tǒng)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(huì)大受歡迎，這就是無速度傳感器的高性能調(diào)速系統(tǒng)。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(shí)，可以通過容易測(cè)量的定子電壓和電流信號(hào)間接求得轉(zhuǎn)速。常用的方法有:
(1) 利用電機(jī)模型推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速方程式，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速;
(2) 利用電機(jī)模型計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)行補(bǔ)償;
(3) 根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)整模型，同時(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈;
(4) 利用其它辨識(shí)或估計(jì)方法求得轉(zhuǎn)速;
(5) 利用電機(jī)的齒諧波電勢(shì)計(jì)算轉(zhuǎn)速;等等。
但是，無論哪一種方法，計(jì)算或辨識(shí)精度都有限，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度更有限，因此目前實(shí)用的無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一般的動(dòng)態(tài)性能，其高精度調(diào)速范圍達(dá)到10就算不錯(cuò)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(xù)。