交流异步电机变频调速系统矢量控制与直接转矩控制算法比较

郑连亮，邹洁

(渤海装备辽河重工有限公司电气分公司，辽宁 盘锦 124010)

1引言

随着生产技术的发展，交流调速已经入逐步取代直流调速的时代。在变频技术日新月异发展的同时，交流电机控制技术取得了突破性的进展。由于交流电机是多变量、强耦合的非线性的时变系统，与直流电动机相比，交流电机的转矩控制要困难得多。

2 矢量控制

1971年德国学者F.Blaschke提出了感应电机矢量变换控制理论，这一理论应用坐标变换将三项系统等效为正交两相系统，再经过按转子磁场定向的矢量旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对感应电机磁链和电流分别控制的目的。矢量变换控制理论已经广泛应用与交流电机的控制，解决了交流电机的磁场解耦与转矩独立控制问题。由于矢量变换控制将一台三相感应电机等效为一台直流电机来控制，因而获得了与直流电机调速系统同样优良的静态、动态性能，开创了交流调速与直流调速竞争的时代。

虽然矢量变换控制在磁场定向坐标系统中实现了磁链和电流的解耦，但交流电机需要的仍然是定子三相电压与电流控制，因此矢量控制算法很复杂。控制算法不仅要将三相交流电机的电压、电流指令信号经过坐标变换获得磁场定向坐标系统中的观测量，而且还要将解耦控制的电流、电压指令信号再经过坐标逆变换得到控制交流电机的三相电流、电压指令信号。同时在磁场定向坐标系统中定向坐标系统中定向磁场的观测需要以交流电机的数学模型为基础，数学模型中参数的变化直接影响定向磁场观测结果的精确程度，从而影响控制系统的控制精度。为了提高控制精度，必然要引入闭环观测器模型或反馈控制策略，以抑制参数扰动、测量信号噪声与外界干扰的影响，增加了控制系统的复杂性。

3 直接转矩控制

直接转矩控制是1985年由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首先提出的转矩直接自控制(Direkte Selbst Regelung)思想，随后日本学者 I.Takahashi等也提出了类似的控制思想。直接自控制的基本思想是根据交流电机转矩的需要，直接选择合适的定子电压空间矢量，实现交流电机电磁转矩的快速响应。基于这一思想，直接自控制中有两个关键技术:一是需要计算交流电机实际电磁转矩，以及与给定点电磁转距的误差，从而确定电磁转矩变化的方向;二是在当前定子磁链位置确定定子电压空间矢量与电磁转矩变化之间的关系，以便选择最佳定子电压空间矢量实现转矩的直接快速响应。为此把交流电机与驱动交流电机的电压源逆变器看作一个整体，在定子静止两相坐标系统中，根据转矩控制的需要与定子磁链的观测位置选择合适的定子电压空间矢量，再利用选定的定子电压矢量分析计算定子磁链与电磁转矩的变化，通过定子磁链跟踪控制逆变器的开关状态直接控制交流电机的电磁转矩。

4 两者比较

矢量控制方法以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量;另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态性能。因此，矢量控制的系统结构较复杂。不同于矢量调制方法，直接转矩控制方法，不需要将交流电机与直流电机作比较、等效和转化，也不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。所以其系统结构较简单。

矢量控制方法是为了使控制量和被控量能够解除关联耦合(尤其是难以控制的电磁耦合)，在技术上必须保持磁场(定子、转子或气隙磁场)的恒定，才能使用电机的双轴理论对三相坐标系进行正交分解，从电气原理上实现解耦，并基于交流电机转子磁场的定向控制，把交流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量，分别加以控制，因此矢量控制的着眼点是电流控制。直接转矩控制系统由电机的电压和电流计算出定子磁链和转矩，采用磁链两点式和转矩三点式控制来实现变频器的PWM控制。直接转矩控制系统没有用电流控制环路，因此直接转矩控制系统的着眼点是电压控制。

矢量控制因为维持定子磁通和气隙磁通恒定情况下电流关系比较复杂，需要校正单元才能完全解耦，并因之增加控制成本，所以一般采用转子磁场定向的控制。直接转矩控制为了能够对电机输出转矩进行高动态性能的控制，选择了直接可控量:定子磁通。

从电机本身看，其参数具有一定的时变性，特别是转子时间常数，它随温度和激磁电感的饱和而变化。矢量控制方法实现时要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，所以受参数变化影响比较大，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素影响，则导致性能变差。而直接和转矩控制对参数变化具有较强的不敏感性。

两种方法都为改善动态性能而设计，但其理论基础的着眼点不同。矢量控制维持转子磁通恒定，稳态时机械特性是一条直线，不存在停转转矩;动态过程中定子电流被分解成正交的转矩电流和励磁电流两个分量，并且按照等值电路中转子侧回路方程进行控制，能够获得和直流电机一样的转矩静特性和转矩立即响应;直接转矩控制由于维持定子磁通恒值，稳态机械特性较前者软，是一条曲线，且存在停转转矩，然而该机械特性的停转转矩一般较大，而且调速系统中所用到的只是特性曲线中转差频率较小的一个线性段，因此其静态性能完全能满足高性能的要求;至于动态性能，直接转矩控制没有着眼对定子电流的解耦控制，转矩响应存在一定的滞后，但是仍能够实现快速响应。矢量控制仅在电机参数完全准确的条件下是能够实现无暂态转矩响应，一旦参数(尤其是转子参数)发生变化，无暂态条件即被破坏，转矩响应中引入一个时间常数较大的过渡过程，快速响应能力恶化;基于定子磁通恒定的直接转矩控制，即使电机参数变化，其暂态项仍然衰减得很快，快速响应的鲁棒性较强。

矢量控制方法适用于宽范围调速系统和伺服系统，大功率电力机车。现行的直接转矩控制方案尤其适用那些对速度精度要求不很高的中、高速域调速场合，它对外表现出来的简易性和优良的动态特性，较其它方案更具竞争力。

矢量控制在低速域运行稳定、性能优良，转速响应速度比高速域快得多，总体上看在稳态控制性能方面比较占优;而直接转矩控制在低速域运行不够稳定，而且响应速度相对高速域运行慢，负载跟随性非常好，总体上看更适合于动态性能要求表较高的场合。

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