基于直接转矩控制的专用变频器的研究

【前言】基于直接转矩控制的专用变频器的研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。直接转矩控制变频调速技术是近十年来除了矢量控制变频调速技术以外发展起来的一种新型的并且具有高性能的交流变频调速技术。这种技术的特点主要有以下几个方面： （1）直接转矩控制直接定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流...

摘 要 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的交流调速领域中新兴的控制技术。直接转矩控制具有控制计算简单、对电动机参数依赖小、动静态性能优良的特点。成为了目前异步电机最重要的控制策略之一。它采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制异步电机的转矩和磁链，采用定子磁场定向，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而能够快速而准确地控制异步电动机的转矩和磁链，以获得转矩的高动态性能。目前在高速离心机行业，普遍采用通用型变频器，其通用性好，但参数较多，价格较贵，为了降低成本增强控制性能，本文利用直接转矩控制技术的优点，采用直接转矩控制策略设计并制作了针对高速离心机的专用变频器。下面，本文将根据变频调速原理对直接转矩控制进行分析。

关键词 直接转矩控制 变频调速 DSP

中图分类号：TN773 文献标识码：A

现代的直接转矩控制技术较与早期的直接转矩控制技术有了明显的改进，利用了空间矢量的分析方法，并且采用钉子磁场定向，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。直接转矩的控制思想十分新颖，并且控制的结构很简单，控制的手段较为直接，对于信号的处理的物理概念十分明确。

1直接转矩控制的主要特点

直接转矩控制变频调速技术是近十年来除了矢量控制变频调速技术以外发展起来的一种新型的并且具有高性能的交流变频调速技术。这种技术的特点主要有以下几个方面：

（1）直接转矩控制直接定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化：既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够作出直接和明确的判定。

（2）直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大地减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的题目。

（3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使题目变得特别简单明了。

（4）直接转矩控制夸大的是转矩的直接控制与效果。

2变频调速的研究意义

2.1变频调速的优点

在能源紧张的情况下，变频调速性能的提高能极大地节约耗能。对国内的经济发展有长远意义。

（1）调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无极调速。

（2）启动电流小，而转动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备。对电机具有保护功能，降低电机的维修费用。

（3）具有显著节电效果，通过调节电压和频率的关系很方便的实现恒转矩或者恒功率调速。

2.2交流电动机的性能

有机械换向器的直流电动机的励磁磁场和电枢磁场空间上相互政教，控制转矩的两个分量即励磁电流和电枢电流相互独立，使它具有优良的静动态转矩控制特性，但其结构复杂，需要经常维护，转速、电压、功率和使用环境都受到限制，价格也昂贵。交流电机特别是异步电动机，具有坚实、少维护、适应环境广、容量大、高压、转速高的特点。随着电力电子技术和微电子技术的发展，新型电力半导体器件相继出现，为交流电动机的控制提供了高性能的功率变换器件。另一方面，新的控制理论的提出为交流异步电动机提供了理论基础，特别是矢量控制方法和直接转矩控制方法。可调交流船东已经具有了优良的控制性能，应用逐渐广泛。

2.3变频调速器的现状

变频调速器自1946年问世至今经历了多年的发展，90年代进入中国，在节能方面效果显著，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、滤纸、纺织等多领域有广阔应用空间，我国现运行的风机、水泵、空调类负载，据估计有4200台，占全国用电量的1/3，其中60%适合调速，若变为变频调速，每年节约大概220亿度电。

3变频器的发展方向

变频器是应用了微电子技术和变频技术的电力控制设备，包括主电路和控制电路两部分电路。依靠内部的IGBT来调整输出的电压和频率。除了有调速和节能的作用，还有过载保护、过压保护、过流保护等功能。如果采用了最新的芯片可以使得系统硬件极大的简化，进而减轻了系统的设计工作。且对于控制电路的选择应该选用优秀的DSP控制器，因为控制电路是变频器电路的重要组成部分，DSP的优劣可以决定整个变频器的性能。对于变频器的发展，近几年有以下几个方向：

（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现论的控制策略，有滑膜变结构技术、模型参考自适应技术等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）开发清洁电能的变流器。对中小容量的变流器，提高开关频率的PWM控制是十分有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，改变电路结构和控制方式。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，用以减少对电网的公海，以及减少电动机的转矩脉动。

（3）缩小装置尺寸。功率器件冷却的方式的改变，例如水冷、蒸发冷却和热管，对于缩小装置的尺寸十分有效。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、高频率的开关电源等，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器、电容器。

（4）高速度的数字控制。以32位的高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，windows操作系统的引入可使得自由设计、图形编程的控制技术也有很大的发展空间。

（5）模拟与计算机辅助设计即CAD技术。电机模拟器、组早模拟器以及各种有关CAD的软件的引用对于变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

4针对直接转矩控制需要做的工作

（1）以直接转矩控制系统的结构为基础，设计了其仿真模型，并针对其在不同的情况下进行仿真分析。主程序流程应为开始、系统自检、程序动态专一、变量初始化或者中断等系统初始化、刷新显示、刷新。A/D中断相应子程序流程应为，开始、保护现场、将转换制度入相应的变量、重新启动A/D转换下一路信号、恢复现场、退出。转换器可并行处理模拟量，模拟量可包括：反馈的速度、位置、温度传感、电压传感和电流传感信号等。

（2）针对系统在此联建立的过程中存在的启动电流过的的问题，研究分析了零矢量的限流方式。

（3）针对传统开关信号选择存在的一些不足，设计出一种改进的开关信号选择表。改进的开关信号选择表对低速下定子磁链的畸变有着极大的改善作用。基本上消除了畸变现象。并针对这种改进的开关信号选择表可能存在的问题进行讨论，并提出解决的方案。

（4）针对直接转矩系统兴建结构的电路进行设计，并对其一些关键芯片进行了选型，设计出软件流程图。根据软件流程图可以知道各系统的流程，并且能够进一步改善。在变频器开始运行之前，提前设定好输入值，使变频器能够实时监视电动机的运作，保证电动机的电流、电压以及最后的输出功率和如果在操作过程中出现故障时故障的种类记录和故障的运行状态记录，用来对变频器进行故障分析。芯片的选择尤为重要，要从芯片的性能、本钱、可靠性能多个方面综合考察，使得系统能够减轻工作负担。在操作完成后根据测试中出现的故障进行数据处理，退出变成状态，改变功能模式。重新改变数值，或者改变监视模式，进行设定并且测试，确定选择。

（5）根据电压矢量对定子磁链和钉子转矩的影响分析。直接转矩的重点是根据磁链和转矩的要求来合理选择电压矢量。所监测到的当前磁链所处扇区确保合适下一个电压矢量，既要保证磁链在给定的范围内变化，又要保证输出转矩快速的跟随变化，使系统获得良好性能。注意磁链响应的准确性比转矩相应的准确性易于保持，这样在选择控制规则的时候，若转矩和磁链产生矛盾，首先考虑转矩，用来确保转矩动态响应的同时兼顾定子磁链的圆形轨迹，得出传统直接转矩控制电机电压空间矢量开关状态表，零矢量的插入遵循开关最少原则。

5结语

直接转矩控制是一种具有良好动静态特性。本文对直接转矩系统理论进行了研究。验证了直接转矩系统的有效性和可行性。

参考文献

[1] 唐治燕.基于直接转矩控制的专用变频器的研究[D].大连：大连海事大学，2009.

[2] 贾亚琼，俞斌.一种直接转矩控制变频器的研究[J].湖南工学院，2007.

[3] 向东.基于直接转矩控制变频器的研究与分析[D].南京：河海大学，2007.