直接转矩控制钻机绞车驱动系统研究

直接转矩控制钻机绞车驱动系统研究
【摘要】直接转矩控制的原理仍是采用空间矢量分析的方法，但由于实时电压、电流和转矩检测经电动机数学模型算出实际磁链位置，根据对电动机运行状态的要求，确定逆变器应输出的电压状态，从而完成对绞车驱动系统电机的控制。

【关键词】直接转矩；绞车驱动；系统研究
直接转矩控制方法是在1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出并取得实验成功，它相对于经典的矢量控制有如下的特点：
（1）在定子坐标系下分析交流机的数学模型，直接控制磁链和转矩，不需要与直流机作比较、等效、转化等，省去复杂的计算；
（2）以定子磁场定向，只需定子参数，不需随转速变化的、难以测定的转子参数，大大减少了参数变化对系统性能的影响；
（3）采用电压矢量和六边行磁链轨迹，直接控制转矩；
（4）对转矩、磁链都采用两点式调节器，把误差限制在容许范围内，直接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[1]。

1 直接转矩控制策略原理
直接转矩控制的原理仍是采用空间矢量分析的方法，但由于实时电压、电流和转矩检测经电动机数学模型算出实际磁链位置，根据对电动机运行状态（转动方向、转矩大小、负载变化等）的要求，确定逆变器应输出的电压状态，从而完成对电机的控制。

直接转矩（DTC）的控制策略：
定子给定磁链■■■和给定转矩T■■与相应的估计值作比较，产生的误差分别送入一个滞环控制器。

磁链环控制器为两电平输出，表达式如下：
当E■>+HB■时，H■=1（1）
当E■+HB■时，H■=1（3）
当E■<-HB■时，H■=-1（4）
当-HB■<E■<HB■时，H■=0（5）
磁链和转矩反馈信号根据电机端电压和电流信号计算得到，信号计算模块还计算获得磁链矢量ψ■■所在的扇区数S（k）。

共有6个扇区（每个扇区占π/3）。

电压矢量表模块接受输入H■、H■和S（k），通过查表方式为逆变器产生适应的控制电压矢量（即控制电力器件的开关状态）。

逆变器的8个电压矢量（6个非零矢量和2个零矢量）和典型的ψ■矢量。

如果忽略定子电阻R■，可得下式：
V■=■ψ■（6）或者
？驻ψ■=V？驻t（7）
上式表明，磁链矢量ψ■的增量为电压矢量V■与时间增量？驻t的乘积，也就是说电机刚上电时，在零频（直流）定子电压作用下，电机磁链沿着径向轨迹OA逐渐建立起来。

当额定磁链被建立以后，系统发出给定转矩命令，并且给定磁链矢量ψ■■开始旋转。

通过查表1，可以选择适当的电压矢量作用于系统，其电压矢量实际上同时对系统的转矩和磁链进行控制。

磁链轨迹段AB、BC、CD 和DE对应的电压矢量分别为V■、V■、V■和V■。

由？驻ψ■导致的转矩增量。

值得注意的是，在电压矢量V■作用下，定子磁链矢量变化得很快，而由于存在一个大时间常数T■，转子磁链矢量ψ■却变化得很缓慢。

由于ψ■相当于被滤波，因此它会以频率ω■平稳旋转，而定子磁链ψ■的旋转是不平稳的。

然而，在稳态时，两者的平均速度是一样的。

表2中归纳了各个电压矢量作用下，定子磁链和转矩变化量的大小和方向。

可见，电压矢量V■、V■和V■的作用会使磁链增加；而当V■、V■和V■作用时，磁链会减少。

同样地，电压矢量V■、V■和V■作用时，转矩会增加；V■、V■和V■作用时，转矩会减少。

零矢量（V■和V■）使电机终端短路，此时保持磁链和转矩不变，但是由于存在一定的定子电阻（R■）压降，转矩和磁链在电机终端短路时会略有减小。

表1 逆变器电压矢量开关表
表2 电压矢量引起的磁链和转矩变化
（箭头变化大小和方向）
例如，当系统运行在扇区S（2）的B点，此时磁链过高，转矩过低，即H■=-1，H■=+1，由此查表1，可知下一步电压矢量V■将作用于逆变器，即产生轨迹BC 段。

在点C，H■=+1，H■=+1，又查表可知为电压矢量V■。

依此类推，系统很容易在四个象限中运行。

2 基于DSP绞车交流变频电动机直接转矩控制系统的实现
直接转矩控制特别适合全数字化，对硬件的处理实时性和快速性要求很高。

数字信号处理器（DSP）芯片以其高速及高性能在自动控制和电机控制领域享有盛名，它快速处理各种复杂控制规律，并具有故障诊断、监控保护和控制灵活等功能，为系统可靠性、快速性和实时性提供了保证。

图1 控制系统硬件框图
（上接第131页）硬件电路设计包括强电和弱电两部分。

强电部分包括：具有能量回馈单元的系统主电路及相应电路，电压、电流采样电路，以及开关电源等3部分。

强电部分为弱电控制板提供电源，并输出采样信号到弱电控制板。

弱电部分为该控制系统提供的系统状态进行实时控制及检测采样，由DTC算法产生PWM信号传送到逆变器触发端。

控制系统硬件框图如图1所示。

以上功能由控制软件实现，软件分为主程序和中断服务程序两部分。

主程序在完成系统初始化设置后进入循环，等待中断发生。

中断服务程序要完成：电机定子电流和电压的采样和转换；利用DSP处理速度反馈信号；根据直接转矩控制算法输出6路PWM信号对转矩进行控制。

3 小结
采用定子磁通定向矢量控制策略，该控制策略能够提供大而平稳的起动转矩；能够提供精确的转矩控制，动态转矩阶跃响应时间短；能够提供精确的速度控制，动态转速误差小；能够使钻机绞车系统实现最优的工作性能。

【参考文献】
[1]李华德，等.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003.
[2]王妍.基于DSP的电压空间矢量法PWM的研究[J].电机与控制学报，2000（4）：98-101.
[3][美]Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动[M].北京：机械工业出版社，2005：327-331.。