对直接转矩控制技术发展趋势的研究

科技信息　高校理科研究　劝直接转矩控制技市发展趋势的研究　西南交通大学电气工程系　张沥文　蒋雪峰　［摘要］直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种新型高性能的交流变频调速技术，它虽然有很多优点，但是作为新兴的技　术，还存在许多不成熟、不完善的问题，如低速运行时，受电动机的参数变化影响严重，稳态运行时脉动大等。这些大大限制了直接转　矩控制技术的应用范围。鉴于此，本文针对直接转矩控制技术的几个关键性问题进行了较详细的分析与讨论，并对直接转矩控制技　术的研究方向进行了展望。　［关键词］直接转矩控制技术　定子磁链　无速度传感器　展望　

引言　交流电动机自１８８５年出现后，由于一直没有理想的调速方案，而　只被用于恒速拖动领域。近三四十年来，电力电子技术、微电子技术、现　代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，使交流调　速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运　行等技术性能，完全可与直流调速系统相媲美。由于直流调速系统所固　有的缺点，目前，无论是调速领域还是伺服领域，交流驱动系统已逐步　占据主导地位并有逐渐取代直流驱动的趋势。直接转矩控制技术是继　矢量控制技术之后的一种新型高效的交流变频调速技术，它以结构简　单明了、转矩快速响应、鲁棒性好等一系列的优点正受广大学者的青　睐。直接转矩控制技术自诞生以来，其理论研究和实验工作已取得了杰　出的成绩，然而作为一门新兴的理论和技术，必然存在不成熟和不完善　的地方。鉴于此，本文针对直接转矩控制技术的研究现状、存在的问题　及未来的发展趋势进行了详细地叙述。　１、直接转矩控制技术概述　直接转矩控制技术（ＤＴＣ）是继矢量控制后交流调速领域一种新的　控制方法，其特点是采用空间电压矢量分析，直接在定子坐标系下计算　并控制电机的转矩和磁通，采用定子磁场定向，进行ｂａｎｇ－－ｂａｎｇ控制，　产生ＰＷＭ信号。系统通过保持磁链恒定，对转矩直接控制。因此，控制　性能不受转子参数的影响，控制思想独特，结构简单。　２、直接转矩控制技术研究热点　２．１对定子磁链的研究　（１）定子磁链的数学模型　在直接转矩控制中，定子磁链的实际值取决于定子电压、电流和转　速的检测值以及电机参数。目前，描述定子磁链的数学模型有３种：ｕ—ｉ　模型，ｉ－ｎ模型，Ｕ—ｎ模型Ｉ　－Ｚｌ。　ｕ—ｉ模型：由定子电压与定子电流确定定子磁链。　＝　（ｕ广Ｒ　ｄｔ　该模型结构简单，受电机参数影响小。它采用开环积分法估计定子　磁链，在电机高速运行时可以估计出定子磁链。所以，当ｕ　很大时，Ｒ　ｉ　与之相比可以忽略不计，控制精度较高。但在低速和零速运行时，Ｕ　较　小，Ｒ　与之相比不能忽略，如果对Ｒ　的估计误差大，将严重影响系统　的控制性能。这时必须考虑Ｒ　的影响，需准确测定出Ｒ　因温度变化和　磁通饱和而产生的变化量。　ｉ－ｎ模型：以转子磁链为中间变量，由定子电流与转速确定定子磁链。　Ｉｌｓ￣Ｏ＂　｝　：—　一｝（　｛　Ｊ＋ｊｍ　ｕＬ　ｕ　Ｊ　ｒ　Ｌ　在该公式中，没有出现定子电阻，因此不受定子电阻变化的影响。　但是，ｉ－ｎ模型要利用转子时间常数及定、转子电感值，还要精确地测量　出转子电角速度。这些参数的准确性以及速度的测量精度对定子磁链　估计的精度程度都会产生较大的影响，另外这些电机参数也随着温度　和磁路饱和程度的变化而变化。　ｕ—ｎ模型：由定子电压和转速来获得定子磁链。这里仅给出改进后　的ｕ－ｎ模型。　：　（ｕ广Ｒ　＇－ｄ）ｄｔ　改进后的ｕ—ｎ模型综合了ｕ—ｉ模型和ｉ－ｎ模型的优点，并通过修正　项ｄ完成了两个模型间平滑的切换，可以作为一个全速域的定子磁链　观测模型。　（２）定子磁链的改进方法　针对异步电机ＤＴＣ系统中采用ｕ—ｉ模型观测定子磁链时纯积分环　节造成直流分量积分漂移，引起低速时转矩波动严重，采用一种具有幅　值补偿环节的改进积分器算法取代纯积分环节克服积分漂移；针对六　区段电压矢量开关表在定子磁链处于区段分界线附近控制性能差，引　起低速运行时定子磁链内陷和电流畸变等问题，采用细分优化的十二　区段选择电压矢量开关表来代替传统六区段电压矢量开关表。改善了　异步电机ＤＴＣ系统的低速运行性能。　近年来，许多学者为了解决定子电阻对磁链的影响，引入了现代控　制理论和智能控制理论，通常采用的方法有：模糊定子电阻估计、神经　网络定子电阻估计、模糊神经网络定子电阻估计、最小二乘法定子电阻　估计　。　另外，一些学者对定子电阻温度变化对定子磁链估计的影响也进　行了研究，提出了一些控制方案，如定子电阻温度补偿、模型参考自适　应在线辨识等。　２．２无速度传感器技术　传统的直接转矩控制中，低速运行时，如果选用与转速有关的定子　磁链模型来确定磁链，那么就需要知道精确的转速信息；如果对速度的　精确控制，需要转速反馈进行闭环控制，同样需要知道转速信息。传统　的方法采用速度传感器，这样不仅增加成本，而且使系统的稳定性和可　靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速度　传感器技术显得突出重要。　无速度传感器技术常用的速度辨识方法包括：转差频率法、参考模　型自适应法、卡尔曼滤波法、高频信号注入法、基于神经网络的辨识方　法等。目前应用较好的方法是参考模型自适应方法及基于神经网络的　辨识方法　。这种自适应闭环速度辨识方案，在一定的速度范围内，估　计精度达到了相当高的水平，然而这些方法没有脱离电机的基本模型，　在低速运行时受电机参数的影响严重，尤其在零定子频率运行时，由于　电动机转速的不可观测性　Ｉ，基于模型的辨识方案往往会失效。　鉴于此，不依赖于电动机模型而仅依赖于电动机本身特性的辨识　方法应运而生。Ｚｉｎｇｅｒ等人利用转子槽谐波可以调制出频率与转速成比　例的定子磁链原理，应用锁相环技术来提取转速信息Ｉ‘Ｉ。高频信号注入　法弥补了零定子频率情况下的速度不可观测性，然而由于感应电动机　常见的磁路饱和现象等不完善因素，导致了检测的速度信号中含有低　频干扰信号。一旦检测的速度信号直接用于控制，必然导致控制系统动　态、稳态性能恶化。如何结合高频信号注入法与模型参考自适应方法来　获得整个工作范围内都能适用的速度辨识方案将是无速度传感器技术　研究的核心内容。　３．直接转矩控制技术发展展望　在对直接转矩控制技术研究热点进行了较详细的分析与讨论后，　针对尚存在的问题，本文结合当前的科技发展情况和实际分析，对直接　转矩控制技术的研究方向进行了展望。　（１）针对传统的直接转矩控制方法存在转矩脉动大的问题，我们可　以尝试通过设计基于模糊自适应ＰＩ调节器的多级模糊控制ＤＴＣ调速　系统来解决。在外环控制方面，为了实现在转速和转矩突变时系统的快　速响应，可以采用模糊自适应ＰＩ调节器控制器代替传统的ＰＩ调节器；　在内环控制方面，也可以采用模糊控制器代替传统的磁链两点式、转矩　三点式的ｂａｎ　—ｂａｎｇ控制，该算法能够克服传统直接转矩控制方法中　根据转矩、磁链的大小程度简单的选择电压矢量这一缺点，全面综合考　虑了转矩误差的大小程度，可以实现大误差大调节、小误差小调节的智　能控制。　（２）针对无速度传感器技术尚存在的不足，我们可以尝试用基于改　进型蚁群ＢＰ神经网络的速度辨识器来替代传统速度传感器的方法来　对其控制。由于蚁群算法是一种较新型的寻优策略，与其它的智能算法　相比较，具有良好的收敛速度，且能得到的最优解更接近理论最优解，　同时易于与其它方法结合，具有较强的鲁棒性。相信这样能够更准确地　辨识出电机转速，达到ＤＴＣ系统的动、静态性能要求，实现无速度传感　器直接转矩控制。　（３）近年来，直接转矩控制的研究取得了很大进展，特别是现代控　制理论和智能控制理论的引入，在ＭＡＴＡＬＢ和ＤＳＰ的基础上，为直接　转矩的建模和实现控制提供了强有力的１二具。　（下转第１１５页）　科技信息　高校理科研究　消息流ｃ．全部发送完，其中每个访问窗内发送的信息段为Ｃ　０：ｌ，２，…，　ｍ　）。需要指出的是，尽管节点ｉ在一个访问窗内发送Ｃ，　时分配的带宽　（“用时”）为￡，但由于在该访问窗内需要等待其他节点发送信息（等待　时间为　一￡），因此，发送ｃ　的实际最大“耗时”为Ｆ一。根据最差情况　下实时消息的调度原则，节点ｉ没能进入第一个访问窗，所以还必须等　待一个访问窗的时间，最大为Ｆ　＿＋６。　三、网络化非线性编辑的工作方式　利用计算机网络技术，把有卡工作站和无卡工作站连成一个小型　的局域网，在编辑过程中，分别使用高码流视频信号和低码流视频信号　同时工作，在低成本的条件下实现多机协同非线性编辑，这是适合各电　教中心、教育技术中心和小型电视台等单位使用的解决方案。　（一）素材的采集　‘　高码流素材：这类素材的特点是压缩比低，需要占用大量的硬盘空　间（７２Ｇ的硬盘空间只能装大约４００分钟的素材，巨大的数据量需要　ＳＣＳＩ快速磁盘阵列来存取），巨大的数据率需要专门的硬件（非线性编　辑卡）才能进行编辑操作，视频质量达到广播级，码流为１８Ｍ／ｓ。　低码流素材：这类素材的特点是：压缩比非常大，无需非线性板卡　就可以对素材进行编辑，视频质量差，一般只使用于网上视频，码流为　６００ｋＢ／ｓ。　进行双码流采集可以在上载采集的同时生成ＭＰＥＧ一２　Ｉ帧格式　和低码串ＭＰＥＧ一２　ＩＢＰ帧式（或者是ＭＰＥＧ一４格式）。由于基于ＩＢＰ帧　ＭＰＥＧ一２格式实现了精确到帧的非线性节目编辑，如图２所示。　图２非线性视频编辑器　（二）工作站的工作方式　在非线性编辑网络环境中可以实现多人的协同工作以提高制作效　率。工作站对输入的模拟信号进行双路实时采集，即对模拟视频信号同　时进行高码流和低码流的素材采集。其中把ＭＰＥＧ一４格式、后缀为ＡＶＩ　的低码流素材文件存放到素材服务器中；ＭＰＥＧ一２的４：２：２Ｐ＠ＭＬ格　式、后缀为ＡＶＩ的高码流素材文件存放到有卡工作站的本地ＳＣＳＩ硬盘　中。可创造出非线性视频编辑的创造似真似假效果，如图３所示。　豳圈　图３非线性视频编辑的创造似真似假效果　在非线性编辑中主要是在有卡编辑工作站上进行精编，由于有的特　技只有硬件板卡才能实现，如：三维实时特技功能。工作站把粗编好的　故事板文件调出来，或把几个做好的故事板文件合成在一个故事板上，　同时把低码流的素材替换成存储在工作站本地ＳＣＳＩ硬盘上对应的高　码流素材，然后对故事板进行最后的精编和包装；最后通过有卡工作站　上非线性编辑卡的输出口输出视频信号，可以根据故事板上的内容输　出各种数字视频格式用于制作多媒体课件，电视教材片，或放在学校　ＦＴＰ服务器，这些视频格式有ＡＶＩ、ＭＰＥＧ、ＤＡＴ、流媒体格式等，或者直　接刻录成ＶＣＤ、ＤＶＤ等。　结束语　通过对网络化非线性视频编辑的特点以及对系统配置、工作方式、　管理几个方面的介绍，认识到数字技术、压缩技术、图像处理技术、大容　量高速存储技术和计算机网络技术的发展，利用ＦＣ网络条件算法和带　宽分配算法实现了视频编辑中的素材与素材之间、节目与节目之间既　可实现资源共享，又互不影响，从而达到素材科学、有效的管理。