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离散空间矢量调制(DSVM)方法
无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差,克服了Bang-Bang控制不精确性的弱点,但是需要比较大的计算量,并且这些计算都是与电机参数有关,容易引起计算上的误差 。因此在文献中提出了既不需要多少计算,又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法 。在离散空间矢量调制方法中,通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成,如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量 。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段,每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成,如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期,可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明),利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量 。细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制,文献中对磁链使用了传统的2级滞环Bang-Bang控制,而考虑到转交流电机-韩国SPG小型电机感应电机系列矩需要动态响应快,对其划分了5级滞环Bang-Bang控制,如图4所示,不同的误差带内使用不同的电压矢量表 。另外,作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示:从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的 。因此,在不同的速度范围使用了不同的电压矢量,如图3所示 。从另一方面看,低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合V/f=C这一规律的 。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低,转矩脉动大 。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量,因此连续使用的零电压矢量少,开关频率高,转矩脉动小 。另外,由于高速时的电压矢量比较多,可以划分12个扇区,使用两个电压矢量表,这样可以进行更精确的控制 。从以上分析可以看出,离散的空间矢量调制方法易于实现,不需要有无差拍控制那样多的计算,保持了传统Bang-Bang控制的优点,因此鲁棒性好,但相对于传统的直接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度,减小低速转矩脉动 。但是控制精度越提高,矢量划分就越细,电压矢量控制表就越多越大,这将增加控制的复杂性 。因此,如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来,将会有助于克服这个缺点 。
由PI调节器输出空间电压矢量的方法
在直接转矩控制中,如果能获得任意相位的空间电压矢量,将有助于减小低速下的转矩脉动,达到矢量控制在低速下的稳态性能 。第3节中的无差拍控制就能得到任意相位的空间电压矢量,但是计算比较复杂,实现比较困难 。另一种获得任意相位的空间电压矢量的方法是使用PI调节器 。A·B·Plunkett的直接转矩和磁链调节方法就是一种PI调节方法,只是那时候还没有空间电压矢量这个概念,只能使用SPWM方法输出电机控制电压 。在文献中,所提出的直接转矩控制使用PI调节的方法,并且用于SVM的方法输出空间电压矢量 。由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入PI调节器中,经过PI调节得到q轴电压矢量,由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子磁链误差输入PI调节器中,经过PI调节得到d轴电压矢量,之后将d轴和q轴的电压矢量旋转变换到静止坐标系下的α轴和β上,用于空间电压矢量的输出,显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的 。从结构上看基于PI调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢量控制,但二者是有区别的,定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系,定向于定子磁链d轴,q轴磁链为零,另外在d轴方向还要对磁链和和q轴方向上的电流进行解耦,而这些对于基于PI调节的直接转矩控制不需要,其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过PI调节方法来跟随上给定即可,因此从实现上是比较简单的,同时鲁棒性也比较好,并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率,减小了低速下的转矩脉动,但是在这种方法当中需要选取合适的PI参数,否则会影响控制系统的动、静态性能 。除了以上这种PI调节的直接转矩控制外,在文献中还在A·B·Plunkeet的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究,使用空间电压矢量的方式输出,此处不详细叙述 。
注入高频抖动提高开关频率
在前面的各种直接转矩控制策略中都谈到提高低速下的开关频率可以降低转矩脉动,同时也可以降低噪声 。在文献中,提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注入高频抖动的方法提高开关频率,其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁链滞环宽度的减小而提高,但是这种提高是有限的,一个最主要的原因是磁链和转矩控制上的延迟,滞后越大开关频率就越低 。例如从仿真来看10μs延迟有14kHz的开关频率,但当有20μs的延迟时只有8kHz的开关频率 。文献中提出的提高开关频率方法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波,其幅值与滞环宽度相当 。当反馈值大于三角波时电压矢量减小,当反馈值小于三角波时电压矢量增大,因此,即使控制上有延迟,但随着三角波频率的增大,开关频率也就提高了,例如当三角波的频率为30kHz时,开关频率可达10kHz 。文献中采用的是单一电压矢量的方法,如果能采用空间任意电压矢量的方法,可以使开关频率进一步提高 。