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直接轉(zhuǎn)矩控制技術用空間矢量的分析方法,直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向,借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)(Band-Band)產(chǎn)生PWM 波信號,直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電動機的數(shù)學模型簡化處理,沒有通常的PWM 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎,控制結(jié)構簡單,控制手段直接,信號處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點即:轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。針對其不足之處,現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術相對于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術有了很大的改進,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究
在實際應用中,安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本,增加了系統(tǒng)的復雜性,降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,此外,速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此,無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向,且取得了一定的成果。對轉(zhuǎn)子速度估計的方法有很多,常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā),利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應律,速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。
(2)定子電阻變化的影響
直接轉(zhuǎn)矩zui核心的問題之一是定子磁鏈觀測,而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i 磁鏈模型,在中高速區(qū),定子電阻的變化可以忽略不考慮,應用磁鏈的u-i 磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果;
但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變,使系統(tǒng)性能變差。因此,如果能夠?qū)Χㄗ与娮柽M行在線辨識,就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前,常用的方法有參考模型自適應法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡以及模糊理論構造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償,研究結(jié)果表明,在線辨識是一個有效的方法。
(3)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進
傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制,根據(jù)滯環(huán)輸出的結(jié)果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同,所以只有根據(jù)當前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時值來合理的選擇
電壓矢量,才能有可能使轉(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然,轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細,電壓矢量的選擇就越精確,控制性能也就越好。
(4)死區(qū)效應的解決
為了避免上下橋臂同時導通造成直流側(cè)短路,有必要引入足夠大的互鎖,結(jié)果帶來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使逆變器輸出電壓失真,于是又產(chǎn)生電流失真,加劇轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題,在低頻低壓時,問題更嚴重,還會引起轉(zhuǎn)矩脈動。死區(qū)效應的校正,可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間,進行補償。這樣既增加了成本,又降低了系統(tǒng)的可靠性??捎密浖崿F(xiàn)的方法,即計算出所有的失真電壓,根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表,再用前向反饋的方式補償,這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種zui主要的方面外,一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。
直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈,是直接在定子靜止坐標系下,以空間矢量概念,通過檢測到的定子電壓、電流,直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機,因而省去了矢量變換中的許多復雜計算,它也不需要模仿直流電動機的控制,從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型,而只需關心電磁轉(zhuǎn)矩的大小,因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好,所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型,并方便地估算出同步速度信息,同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型,磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構成了完整的電動機模型,因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制,如果在系統(tǒng)中再設置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。
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需要說明的是,直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器采用不同的開關器件,控制方法也有所不同。Depenbrockzui初提出的直接自控制理論,主要在高壓、大功率且開關頻率較低的逆變器控制中廣泛應用。目前被應用于通用變頻器的控制方法是一種改進的、適合于高開關頻率逆變器的方法。1995年ABB公司首先推出的ACS600系列直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器,動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應速度已達到<2ms,在帶速度傳感器PG時的靜態(tài)速度精度達土0.001%,在不帶速度傳感器PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響,同樣可以達到±0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標,如富士公司的FRENIC5000VG7S系列高性能無速度傳感器矢量控制通用變頻器,雖與直接轉(zhuǎn)矩控制方式還有差別,但它也已做到了速度控制精度±0.005%,速度響應100Hz、電流響應800Hz和轉(zhuǎn)矩控制精度±3%(帶 PG)。其他公司如日本三菱、日立、芬蘭VASON等的系列產(chǎn)品采取了類似無速度傳感器控制的設計,性能有了進一步提高。