異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的多策略研究與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中，電機(jī)作為實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。異步電機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等顯著優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、家用電器等眾多領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電機(jī)是各類機(jī)械設(shè)備的核心動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)著壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，為工業(yè)制造提供持續(xù)動(dòng)力。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，異步電機(jī)在電動(dòng)汽車、電動(dòng)火車等交通工具中的應(yīng)用，推動(dòng)了綠色出行的發(fā)展。在家用電器中，冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等設(shè)備也離不開(kāi)異步電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求日益嚴(yán)苛。高效、精確、穩(wěn)定的電機(jī)控制不僅能提高生產(chǎn)效率，降低能耗，還能提升產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，DTC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，自20世紀(jì)80年代中期被提出以來(lái)，以其獨(dú)特的控制理念和顯著的優(yōu)勢(shì)，在交流調(diào)速領(lǐng)域迅速崛起，成為研究熱點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電流解耦環(huán)節(jié)，直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制。這一創(chuàng)新的控制方式使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度極快，能在瞬間對(duì)負(fù)載變化做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性，即使電機(jī)參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。然而，如同任何技術(shù)一樣，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)并非完美無(wú)缺。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題是其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)指的是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的周期性波動(dòng)現(xiàn)象。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于采用滯環(huán)比較器對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，以及逆變器有限的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不可避免。這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)引發(fā)一系列不良后果。它會(huì)使電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性大打折扣，產(chǎn)生明顯的機(jī)械振動(dòng)和噪聲，不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)對(duì)工作環(huán)境造成干擾。長(zhǎng)期的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)加劇電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用壽命，增加維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，給生產(chǎn)帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)損失。在一些對(duì)精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合，如數(shù)控機(jī)床、精密儀器等，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)直接影響加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致次品率上升。因此，有效抑制直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)于提升異步電機(jī)的性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。深入研究異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，不僅能解決實(shí)際工程問(wèn)題，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，還能為電機(jī)控制理論的進(jìn)一步完善提供有力支持，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)誕生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)了廣泛而深入的研究，提出了眾多抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，推動(dòng)了該技術(shù)的不斷發(fā)展與完善。國(guó)外在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究方面起步較早，取得了一系列具有開(kāi)創(chuàng)性的成果。德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock作為直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的創(chuàng)始人之一，對(duì)該技術(shù)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了深入研究，為后續(xù)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。早期，研究主要集中在對(duì)基本直接轉(zhuǎn)矩控制原理的改進(jìn)上。通過(guò)對(duì)空間電壓矢量開(kāi)關(guān)表的優(yōu)化，增加零電壓矢量的使用，利用零矢量能使電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降（在異步電機(jī)系統(tǒng)中）或基本保持電磁轉(zhuǎn)矩不變（在永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中）的特點(diǎn)，來(lái)減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，將空間電壓矢量進(jìn)行細(xì)分，從傳統(tǒng)的六等分增至十二等分或二十四等分，使電壓矢量更接近參考的空間電壓矢量，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。隨著研究的深入，智能控制算法逐漸被引入到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究中。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能算法憑借其強(qiáng)大的自適應(yīng)能力和非線性處理能力，為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制提供了新的思路。模糊控制通過(guò)建立模糊規(guī)則，對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差進(jìn)行模糊處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的智能控制，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，構(gòu)建出能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制轉(zhuǎn)矩的模型，提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。在無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究方面，國(guó)外也取得了顯著進(jìn)展。通過(guò)卡爾曼濾波器位置估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)法等多種方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子速度的精確估計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少了因速度傳感器帶來(lái)的成本和復(fù)雜性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外先進(jìn)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制領(lǐng)域也開(kāi)展了大量富有成效的研究工作。在理論研究方面，深入分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，從電機(jī)數(shù)學(xué)模型、控制策略、逆變器特性等多個(gè)角度揭示了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的本質(zhì)原因。在控制策略改進(jìn)方面，提出了多種具有創(chuàng)新性的方法。例如，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制中，利用滑模面的不變性和魯棒性，使系統(tǒng)能夠快速跟蹤給定的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。自適應(yīng)控制策略也得到了廣泛研究，通過(guò)實(shí)時(shí)在線調(diào)整控制器參數(shù)，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)電機(jī)參數(shù)的變化和負(fù)載的波動(dòng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在實(shí)際應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同行業(yè)的應(yīng)用需求，開(kāi)展了大量的工程實(shí)踐。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，將改進(jìn)后的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備中，提高了設(shè)備的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，降低了設(shè)備的能耗和維護(hù)成本。在新能源領(lǐng)域，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等系統(tǒng)中，有效提高了能源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的可靠性，推動(dòng)了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。盡管國(guó)內(nèi)外在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面取得了豐碩的研究成果，但目前的研究仍存在一些不足之處，有待進(jìn)一步突破?，F(xiàn)有研究中，部分抑制方法雖然在理論上能夠有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)、測(cè)量誤差等多種因素的影響，其抑制效果往往難以達(dá)到預(yù)期。一些智能控制算法雖然具有良好的控制性能，但計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)硬件設(shè)備的要求也較高，限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。不同抑制方法之間的融合與優(yōu)化研究還不夠深入，如何綜合運(yùn)用多種方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的更有效抑制，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在高速、高精度應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制要求更為嚴(yán)格，現(xiàn)有的研究成果還難以完全滿足這些高端應(yīng)用的需求，需要進(jìn)一步探索新的理論和方法。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制展開(kāi)深入研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)機(jī)理分析：從理論層面深入剖析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因?；陔姍C(jī)的基本電磁理論，詳細(xì)推導(dǎo)直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)學(xué)模型，明確轉(zhuǎn)矩、磁鏈與電壓矢量之間的內(nèi)在聯(lián)系。深入研究滯環(huán)比較器控制方式對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響機(jī)制，分析由于逆變器有限開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致的電壓矢量不連續(xù)問(wèn)題，以及其如何引發(fā)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。同時(shí)，考慮電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)等外部因素對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的作用，全面揭示轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，為后續(xù)抑制策略的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。抑制策略研究：針對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)機(jī)理，廣泛研究現(xiàn)有的各種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略，并在此基礎(chǔ)上探索新的抑制方法。對(duì)傳統(tǒng)的空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)合理增加零電壓矢量的作用時(shí)間和優(yōu)化其選擇方式，減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。深入研究智能控制算法在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制中的應(yīng)用，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。利用模糊控制的模糊推理能力，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差及其變化率，實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的智能控制，有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力，對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的模型，提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。此外，探索多種抑制策略的融合應(yīng)用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的更有效抑制。仿真分析：運(yùn)用MATLAB/Simulink等仿真軟件，搭建異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型。在模型中，精確設(shè)置電機(jī)參數(shù)和控制系統(tǒng)參數(shù)，模擬電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的深入分析，驗(yàn)證所研究的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的有效性。對(duì)比不同抑制策略下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值、頻率等指標(biāo)，評(píng)估各種策略的優(yōu)缺點(diǎn)。利用仿真模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，尋找最佳的控制器參數(shù)和控制策略組合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最小化。同時(shí)，通過(guò)仿真分析，研究電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)抑制策略效果的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的異步電機(jī)、逆變器、控制器等硬件設(shè)備，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)所提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證抑制策略的實(shí)際效果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考察系統(tǒng)在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，評(píng)估抑制策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和實(shí)用性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)抑制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，使其能夠更好地滿足實(shí)際工程需求。本文采用理論分析、仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。理論分析方面，基于電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制原理等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，深入推導(dǎo)和分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)機(jī)理，從本質(zhì)上揭示問(wèn)題的根源。通過(guò)理論分析，為抑制策略的研究提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方向。仿真研究方面，利用MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，構(gòu)建精確的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型。在仿真環(huán)境中，可以方便地設(shè)置各種工況和參數(shù)，模擬實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)不同的抑制策略進(jìn)行快速驗(yàn)證和分析。通過(guò)仿真，可以直觀地觀察到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的變化情況，評(píng)估抑制策略的效果，為策略的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)研究方面，搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將理論研究和仿真分析的成果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論和仿真結(jié)果的最終標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以真實(shí)地反映系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的性能和問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量和分析，與理論和仿真結(jié)果相互印證，進(jìn)一步完善和優(yōu)化抑制策略，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和可靠性。通過(guò)這三種研究方法的有機(jī)結(jié)合，能夠全面、深入地研究異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制問(wèn)題，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供有力的支持。二、異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理2.1直接轉(zhuǎn)矩控制基本思想直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)基于異步電機(jī)在定子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，摒棄了傳統(tǒng)矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電流解耦環(huán)節(jié)，直接對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效調(diào)速。其核心思想在于通過(guò)對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的精確調(diào)速。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，將異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩作為直接的控制對(duì)象。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓和電流，利用空間矢量理論，實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。以定子磁鏈定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈定向，直接在兩相靜止正交坐標(biāo)系上對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。這種控制方式避免了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在異步電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈以及它們之間的夾角密切相關(guān)。當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶靠焖僮兓瘯r(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)，可近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈不變。通過(guò)巧妙地改變外加電壓矢量，可以快速調(diào)整定子磁鏈，使定子磁鏈幅值保持恒定，同時(shí)精確控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。依據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式T_e=\frac{3}{2}n_p\frac{L_m}{L_r}\psi_s\psi_r\sin\theta（其中T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，n_p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，L_m為互感，L_r為轉(zhuǎn)子電感，\psi_s為定子磁鏈，\psi_r為轉(zhuǎn)子磁鏈，\theta為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角），控制該夾角實(shí)質(zhì)上就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的直接控制。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定值時(shí)，選擇使定子磁鏈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的電壓矢量，這樣夾角增大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩隨之增加；一旦實(shí)際轉(zhuǎn)矩高于給定值，則選擇電壓矢量使定子磁鏈反方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致夾角降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確調(diào)節(jié)。與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制具有顯著的差異。矢量控制先將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度變換為空間矢量，然后對(duì)磁通和電流進(jìn)行控制，通過(guò)較為復(fù)雜的算法來(lái)最大限度地利用電機(jī)的性能，并確保所需的輸出。它通過(guò)坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩相系統(tǒng)，再按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)定子勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間解耦，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制。而直接轉(zhuǎn)矩控制則是直接控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，它通過(guò)控制電機(jī)的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，直接測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)調(diào)整電機(jī)的電流來(lái)控制所需的輸出，以使電機(jī)產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁場(chǎng)定向，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。這種控制方式不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，信號(hào)處理的物理概念明確，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，能夠在瞬間對(duì)負(fù)載變化做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。矢量控制的調(diào)速范圍較寬（1:20-200），調(diào)速精度較高，低速特性連續(xù)，響應(yīng)速度較快，但受參數(shù)變化影響較大，且計(jì)算復(fù)雜，控制相對(duì)繁瑣。直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速范圍相對(duì)較窄（1:15-100），調(diào)速精度也較高，響應(yīng)速度快，低速特性有脈動(dòng)現(xiàn)象，但其計(jì)算簡(jiǎn)便，控制思想新穎，控制手段直接，動(dòng)靜態(tài)性能均佳。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速外環(huán)、磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器、逆變器、異步電機(jī)以及相關(guān)的檢測(cè)與計(jì)算模塊等部分組成，各部分緊密協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的高效控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速外環(huán)是整個(gè)控制系統(tǒng)的指令輸入環(huán)節(jié)，它根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，接收外部給定的轉(zhuǎn)速指令n^{*}，并將其與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)速偏差\Deltan=n^{*}-n經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（通常采用比例積分PI調(diào)節(jié)器）的調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩給定值T_{e}^{*}。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，通過(guò)比例和積分運(yùn)算，調(diào)整輸出的轉(zhuǎn)矩給定值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤給定值。當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出較大的轉(zhuǎn)矩給定值，以加快電機(jī)的加減速過(guò)程；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出較小的轉(zhuǎn)矩給定值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠平穩(wěn)地趨近給定值。磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的核心部分，其工作原理基于電機(jī)在定子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，直接對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制。該控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓u_{s}和定子電流i_{s}，利用空間矢量理論，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈\psi_{s}和電磁轉(zhuǎn)矩T_{e}的實(shí)際值。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)定子電壓和電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下，然后根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式，得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值。將計(jì)算得到的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值分別與給定值\psi_{s}^{*}和T_{e}^{*}進(jìn)行比較。采用滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種比較，滯環(huán)比較器具有一定的容差范圍。當(dāng)實(shí)際磁鏈值小于給定值且差值超過(guò)滯環(huán)寬度下限時(shí)，滯環(huán)比較器輸出為1；當(dāng)實(shí)際磁鏈值大于給定值且差值超過(guò)滯環(huán)寬度上限時(shí)，滯環(huán)比較器輸出為-1；當(dāng)實(shí)際磁鏈值在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)時(shí)，滯環(huán)比較器輸出保持不變。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的工作原理與之類似。根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果，結(jié)合定子磁鏈所在的空間位置，從預(yù)先制定的開(kāi)關(guān)表中選擇合適的電壓矢量。開(kāi)關(guān)表中包含了不同磁鏈和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的最佳電壓矢量，通過(guò)查表選擇電壓矢量，能夠使電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩快速趨近給定值，同時(shí)盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。逆變器在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的功率轉(zhuǎn)換作用，它將直流電源轉(zhuǎn)換為三相交流電源，為異步電機(jī)提供所需的電能。逆變器通常采用三相電壓型逆變器，由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）組成。這些功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)由磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器輸出的電壓矢量信號(hào)控制。當(dāng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器選擇了某個(gè)電壓矢量時(shí)，逆變器根據(jù)該信號(hào)，按照特定的開(kāi)關(guān)邏輯，控制相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在逆變器的輸出端產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的三相交流電壓波形。通過(guò)精確控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)定子電壓的幅值、頻率和相位的靈活調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的有效控制。逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗是影響系統(tǒng)性能的重要因素。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使輸出電壓更接近理想的正弦波，減小電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但同時(shí)也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，降低系統(tǒng)效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，合理選擇逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，以平衡系統(tǒng)的性能和效率。異步電機(jī)是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，它在逆變器輸出的三相交流電壓作用下運(yùn)行。電機(jī)內(nèi)部的電磁相互作用將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的參數(shù)（如定子電阻、電感，轉(zhuǎn)子電阻、電感等）會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生影響。這些參數(shù)會(huì)隨著電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、溫度變化等因素而發(fā)生變化，從而影響電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩特性。電機(jī)的定子電阻會(huì)隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致電機(jī)的銅耗增加，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算精度也會(huì)受到影響。因此，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，需要考慮電機(jī)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償和校正，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工作流程可以概括為以下幾個(gè)步驟：首先，轉(zhuǎn)速外環(huán)根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算出轉(zhuǎn)矩給定值。接著，磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓和電流，計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，并與給定值進(jìn)行比較。利用滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果和定子磁鏈的空間位置，從開(kāi)關(guān)表中選擇合適的電壓矢量。然后，逆變器根據(jù)選擇的電壓矢量，控制功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出相應(yīng)的三相交流電壓，驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)運(yùn)行。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，不斷重復(fù)上述步驟，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。2.3數(shù)學(xué)模型建立在研究異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是深入理解其運(yùn)行特性和控制原理的關(guān)鍵。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，通常采用坐標(biāo)變換的方法，將三相異步電機(jī)的復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系）下進(jìn)行研究。這種轉(zhuǎn)換不僅能有效減少變量數(shù)量，降低模型的復(fù)雜性，還能更清晰地揭示電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系。在αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓方程可以通過(guò)對(duì)三相繞組的電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換推導(dǎo)得出。其表達(dá)式為：\begin{cases}u_{s\alpha}=R_si_{s\alpha}+p\psi_{s\alpha}\\u_{s\beta}=R_si_{s\beta}+p\psi_{s\beta}\\u_{r\alpha}=R_ri_{r\alpha}+p\psi_{r\alpha}-\omega_r\psi_{r\beta}\\u_{r\beta}=R_ri_{r\beta}+p\psi_{r\beta}+\omega_r\psi_{r\alpha}\end{cases}其中，u_{s\alpha}、u_{s\beta}分別為定子在α、β軸上的電壓分量；i_{s\alpha}、i_{s\beta}分別為定子在α、β軸上的電流分量；\psi_{s\alpha}、\psi_{s\beta}分別為定子在α、β軸上的磁鏈分量；u_{r\alpha}、u_{r\beta}分別為轉(zhuǎn)子在α、β軸上的電壓分量；i_{r\alpha}、i_{r\beta}分別為轉(zhuǎn)子在α、β軸上的電流分量；\psi_{r\alpha}、\psi_{r\beta}分別為轉(zhuǎn)子在α、β軸上的磁鏈分量；R_s為定子電阻；R_r為轉(zhuǎn)子電阻；p為微分算子；\omega_r為轉(zhuǎn)子的角速度。該電壓方程清晰地描述了定子和轉(zhuǎn)子在αβ坐標(biāo)系下的電壓與電流、磁鏈之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為后續(xù)的分析和控制提供了重要的基礎(chǔ)。磁鏈方程是描述異步電機(jī)磁鏈特性的重要方程，在αβ坐標(biāo)系下，其表達(dá)式為：\begin{cases}\psi_{s\alpha}=L_si_{s\alpha}+L_mi_{r\alpha}\\\psi_{s\beta}=L_si_{s\beta}+L_mi_{r\beta}\\\psi_{r\alpha}=L_mi_{s\alpha}+L_ri_{r\alpha}\\\psi_{r\beta}=L_mi_{s\beta}+L_ri_{r\beta}\end{cases}其中，L_s為定子繞組電感；L_r為轉(zhuǎn)子繞組電感；L_m為電機(jī)勵(lì)磁電感。磁鏈方程反映了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈與各自繞組電流以及勵(lì)磁電流之間的耦合關(guān)系，對(duì)于理解電機(jī)的磁場(chǎng)分布和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程具有重要意義。電磁轉(zhuǎn)矩是異步電機(jī)運(yùn)行中的關(guān)鍵物理量，它直接決定了電機(jī)的輸出能力。在αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：T_e=\frac{3}{2}n_p(\psi_{s\alpha}i_{s\beta}-\psi_{s\beta}i_{s\alpha})其中，T_e為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；n_p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。該轉(zhuǎn)矩方程表明，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈和定子電流在αβ坐標(biāo)系下的分量密切相關(guān)，通過(guò)控制這些分量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效調(diào)節(jié)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，磁鏈模型的選擇對(duì)于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)選用不同的磁鏈模型，以確保磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見(jiàn)的磁鏈模型主要有u-i模型和i-n模型。在30%額定轉(zhuǎn)速以上，通常采用u-i模型，其表達(dá)式為\psi_{s}=\int(u_{s}-R_{s}i_{s})dt。從這個(gè)表達(dá)式可以看出，在計(jì)算過(guò)程中唯一需要確定的電機(jī)參數(shù)是定子電阻R_{s}，而定子電壓u_{s}和定子電流i_{s}都是易于檢測(cè)的物理量，能夠以較高的精度測(cè)量得到。通過(guò)積分運(yùn)算，可以準(zhǔn)確計(jì)算出定子磁鏈。在30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，電機(jī)端電壓相對(duì)較大，定子電阻壓降的影響較小，u-i模型能夠滿足磁鏈觀測(cè)的精度要求。將計(jì)算出的定子磁鏈和測(cè)量所得的定子電流代入轉(zhuǎn)矩方程，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在30%額定轉(zhuǎn)速以下，由于定子頻率很低（僅有幾赫茲），電動(dòng)機(jī)端電壓很小，定子電阻R_{s}的變化會(huì)導(dǎo)致u-i模型中積分項(xiàng)i_{s}R_{s}的誤差較大，從而影響磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性。此時(shí)，通常采用i-n模型，其表達(dá)式為\psi_{s\alpha}=L_{s}i_{s\alpha}+L_{m}\int(i_{r\alpha}-\frac{\omega_{r}}{L_{r}}\psi_{r\beta})dt，\psi_{s\beta}=L_{s}i_{s\beta}+L_{m}\int(i_{r\beta}+\frac{\omega_{r}}{L_{r}}\psi_{r\alpha})dt。在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，磁鏈主要根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)正確計(jì)算，i-n模型通過(guò)引入轉(zhuǎn)速信息，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算定子磁鏈。需要注意的是，在使用i-n模型時(shí)，要求準(zhǔn)確測(cè)量角速度\omega_{r}，因?yàn)榻撬俣鹊臏y(cè)量誤差會(huì)首先引起轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致定子磁鏈的誤差，最終影響轉(zhuǎn)矩的計(jì)算精度。三、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)機(jī)理分析3.1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果，其根本原因與電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系以及控制系統(tǒng)的特性密切相關(guān)。從電磁關(guān)系角度來(lái)看，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈以及它們之間的夾角決定。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和幅值來(lái)間接控制電磁轉(zhuǎn)矩。然而，由于實(shí)際系統(tǒng)中存在各種限制和干擾，導(dǎo)致定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化難以完全精確地跟蹤給定值，從而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)磁鏈的基本公式\psi_{s}=\int(u_{s}-R_{s}i_{s})dt（其中u_{s}為定子電壓，R_{s}為定子電阻，i_{s}為定子電流），定子磁鏈的變化取決于定子電壓和電流。當(dāng)施加不同的電壓矢量時(shí)，定子磁鏈的幅值和旋轉(zhuǎn)速度會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。假設(shè)在某一時(shí)刻，定子磁鏈位于空間的某個(gè)位置，此時(shí)選擇一個(gè)合適的電壓矢量，使得定子磁鏈以期望的速度和方向旋轉(zhuǎn)。但由于逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是離散的，可供選擇的電壓矢量數(shù)量有限，這就導(dǎo)致定子磁鏈的變化無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)需要改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，只能從有限的幾個(gè)電壓矢量中選擇，這就使得定子磁鏈的變化呈現(xiàn)出跳躍式的特點(diǎn)，而不是理想的連續(xù)變化。這種不連續(xù)的變化會(huì)導(dǎo)致定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而引起電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程同樣受到多種因素的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程T_e=\frac{3}{2}n_p(\psi_{s\alpha}i_{s\beta}-\psi_{s\beta}i_{s\alpha})，轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈和定子電流在αβ坐標(biāo)系下的分量密切相關(guān)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)控制電壓矢量來(lái)改變定子磁鏈和電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)選擇使定子磁鏈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的電壓矢量，以增大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于給定值時(shí)，則選擇使定子磁鏈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的電壓矢量，以減小轉(zhuǎn)矩。然而，由于滯環(huán)比較器的存在以及電壓矢量的離散性，轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)過(guò)程也不是連續(xù)的。滯環(huán)比較器會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與給定值的差值，輸出“增大”或“減小”的控制信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值超過(guò)滯環(huán)寬度時(shí)，比較器才會(huì)輸出控制信號(hào)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)存在一定的滯后性和不連續(xù)性。這種不連續(xù)的調(diào)節(jié)方式會(huì)使得轉(zhuǎn)矩在給定值附近產(chǎn)生波動(dòng)，形成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電壓矢量的離散性是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要因素之一。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，逆變器通常采用有限數(shù)量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生不同的電壓矢量。以常見(jiàn)的三相電壓型逆變器為例，它有6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些離散的電壓矢量在空間上均勻分布，相鄰電壓矢量之間存在一定的夾角。當(dāng)需要控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩時(shí)，只能從這些有限的電壓矢量中選擇。由于電壓矢量的離散性，在控制過(guò)程中，無(wú)法精確地合成出滿足要求的參考電壓矢量，只能選擇與之最接近的電壓矢量。這種近似的選擇會(huì)導(dǎo)致定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化與理想情況存在偏差，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在某些情況下，為了使定子磁鏈的幅值保持恒定，需要選擇合適的電壓矢量來(lái)補(bǔ)償磁鏈的衰減。但由于可供選擇的電壓矢量有限，可能無(wú)法找到完全合適的矢量，導(dǎo)致磁鏈幅值的波動(dòng)，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。3.2影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵因素在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)受到多種關(guān)鍵因素的綜合影響，深入剖析這些因素對(duì)于理解轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制以及制定有效的抑制策略具有重要意義。參考轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要因素之一。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，參考轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出，作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定值。然而，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及系統(tǒng)中存在的各種干擾，參考轉(zhuǎn)矩往往會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。在電機(jī)啟動(dòng)或加減速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速偏差較大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可能會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，導(dǎo)致參考轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這種波動(dòng)的參考轉(zhuǎn)矩會(huì)使電磁轉(zhuǎn)矩頻繁地調(diào)整，從而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。參考轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)還會(huì)影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)出現(xiàn)滯后或振蕩，進(jìn)一步加劇了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的程度。如果參考轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)頻率與電機(jī)的固有頻率相近，還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)急劇增大，嚴(yán)重影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。定子磁鏈幅值的變化對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有著顯著的影響。根據(jù)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式T_e=\frac{3}{2}n_p\frac{L_m}{L_r}\psi_s\psi_r\sin\theta，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值密切相關(guān)。當(dāng)定子磁鏈幅值不穩(wěn)定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之波動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于逆變器的開(kāi)關(guān)損耗、電機(jī)參數(shù)的變化以及負(fù)載的擾動(dòng)等因素，定子磁鏈幅值可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。逆變器的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓下降，從而影響定子磁鏈的建立和維持；電機(jī)參數(shù)（如定子電阻、電感等）的變化會(huì)改變磁鏈的計(jì)算模型，導(dǎo)致磁鏈觀測(cè)不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響定子磁鏈幅值的穩(wěn)定性；負(fù)載的擾動(dòng)會(huì)使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，對(duì)定子磁鏈幅值產(chǎn)生影響。當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)瞬間下降，為了保持轉(zhuǎn)矩平衡，定子磁鏈幅值需要相應(yīng)調(diào)整，但由于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度有限，定子磁鏈幅值的調(diào)整可能不及時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。電壓矢量的數(shù)量及作用方式對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起著關(guān)鍵作用。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，逆變器通過(guò)輸出不同的電壓矢量來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制通常采用有限數(shù)量的電壓矢量，如常見(jiàn)的6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。這些有限的電壓矢量在空間上均勻分布，相鄰電壓矢量之間存在一定的夾角。由于電壓矢量的離散性，在控制過(guò)程中，無(wú)法精確地合成出滿足要求的參考電壓矢量，只能選擇與之最接近的電壓矢量。這種近似的選擇會(huì)導(dǎo)致定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化與理想情況存在偏差，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在某些情況下，為了使定子磁鏈的幅值保持恒定，需要選擇合適的電壓矢量來(lái)補(bǔ)償磁鏈的衰減。但由于可供選擇的電壓矢量有限，可能無(wú)法找到完全合適的矢量，導(dǎo)致磁鏈幅值的波動(dòng)，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。電壓矢量的作用方式也會(huì)影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，每個(gè)控制周期內(nèi)只作用一個(gè)電壓矢量，這種單一的作用方式無(wú)法充分利用電壓矢量的特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。近年來(lái)，一些改進(jìn)的控制策略采用了多矢量作用的方式，如離散空間矢量調(diào)制（DSVM）技術(shù)。在DSVM技術(shù)中，通過(guò)合理組合多個(gè)電壓矢量，并控制它們的作用時(shí)間和順序，能夠更精確地合成參考電壓矢量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)將零矢量、正向矢量和反向矢量按照一定的規(guī)律組合使用，可以在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下，更好地控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。3.3轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)性能的影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)作為異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中不可忽視的問(wèn)題，對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生著多方面的不良影響，嚴(yán)重制約了電機(jī)在高精度、高性能應(yīng)用場(chǎng)景中的推廣和使用。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和噪聲顯著增加。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)矩的周期性波動(dòng)，會(huì)使電機(jī)軸受到不均勻的扭矩作用，從而引發(fā)電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)通過(guò)電機(jī)的機(jī)座、軸承等部件傳遞到周圍環(huán)境中，產(chǎn)生明顯的噪聲。在工業(yè)生產(chǎn)中，大型異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備整體的振動(dòng)加劇，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于一些對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，如醫(yī)院、精密實(shí)驗(yàn)室等，電機(jī)的噪聲會(huì)對(duì)工作環(huán)境造成干擾，影響工作人員的身心健康和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率與電機(jī)的固有頻率接近時(shí)，還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，使振動(dòng)和噪聲急劇增大，對(duì)電機(jī)和設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。長(zhǎng)期的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)的壽命產(chǎn)生不利影響。不均勻的轉(zhuǎn)矩作用會(huì)使電機(jī)的軸承、繞組等部件承受額外的應(yīng)力和磨損。在電機(jī)的軸承中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致滾珠與滾道之間的接觸應(yīng)力發(fā)生周期性變化，加速軸承的磨損，降低其使用壽命。對(duì)于電機(jī)的繞組，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的電流波動(dòng)會(huì)使繞組受到更大的電磁力作用，容易導(dǎo)致繞組的絕緣層受損，引發(fā)短路等故障，從而縮短電機(jī)的使用壽命。在一些連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備中，電機(jī)的頻繁維修和更換會(huì)增加設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制精度。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，難以保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。這在一些對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如紡織機(jī)械、印刷設(shè)備等，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。在紡織機(jī)械中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定會(huì)使紗線的張力不均勻，影響紡織品的質(zhì)量和外觀。在需要精確控制電機(jī)位置和速度的場(chǎng)合，如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制精度降低，無(wú)法滿足高精度的控制要求。在數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使刀具的切削力不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工表面粗糙度增加，尺寸精度下降，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。四、傳統(tǒng)抑制方法及局限性4.1常見(jiàn)的傳統(tǒng)抑制策略為了解決異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，研究人員提出了多種傳統(tǒng)抑制策略，這些策略在一定程度上能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高系統(tǒng)性能。優(yōu)化開(kāi)關(guān)表是一種常見(jiàn)的傳統(tǒng)抑制策略。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，開(kāi)關(guān)表用于根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差選擇合適的電壓矢量。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表通常是基于簡(jiǎn)單的規(guī)則設(shè)計(jì)的，例如根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差的正負(fù)和磁鏈誤差的大小來(lái)選擇電壓矢量。這種簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)表可能無(wú)法充分利用電壓矢量的特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。優(yōu)化開(kāi)關(guān)表的策略通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)表進(jìn)行改進(jìn)，增加零電壓矢量的使用次數(shù)，合理調(diào)整非零電壓矢量的選擇，以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差為正時(shí)，通常選擇使定子磁鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的非零電壓矢量；當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差為負(fù)時(shí)，選擇使定子磁鏈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的非零電壓矢量。而優(yōu)化后的開(kāi)關(guān)表會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差的具體情況，在某些情況下選擇零電壓矢量，以減緩轉(zhuǎn)矩的變化速度，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)表后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值明顯降低，電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性得到了提高。調(diào)整滯環(huán)寬度也是一種有效的傳統(tǒng)抑制策略。滯環(huán)寬度是滯環(huán)比較器的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)精度。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩或磁鏈的實(shí)際值與給定值的誤差超過(guò)滯環(huán)寬度時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)輸出控制信號(hào)，改變電壓矢量的選擇。較小的滯環(huán)寬度可以提高控制精度，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈更接近給定值，但同時(shí)也會(huì)增加逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可能會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率的提高而變得更加復(fù)雜。較大的滯環(huán)寬度則會(huì)降低控制精度，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈在給定值附近波動(dòng)較大，但可以減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗。因此，合理調(diào)整滯環(huán)寬度是平衡控制精度和開(kāi)關(guān)損耗的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工況和性能要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整滯環(huán)寬度。在電機(jī)啟動(dòng)或負(fù)載變化較大時(shí)，適當(dāng)增大滯環(huán)寬度，以減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，減小滯環(huán)寬度，以提高控制精度，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)調(diào)整滯環(huán)寬度可以在不同工況下有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的性能。采用多電平逆變器是另一種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略。多電平逆變器相較于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，能夠輸出更多的電壓矢量，增加了電壓矢量的選擇范圍。以三電平逆變器為例，它可以輸出比兩電平逆變器更多的電壓矢量，這些額外的電壓矢量能夠更精確地合成參考電壓矢量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑。在兩電平逆變器中，只有6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量，而三電平逆變器可以輸出更多的電壓矢量，這些矢量在空間上的分布更加密集，能夠更接近理想的參考電壓矢量。通過(guò)選擇合適的多電平逆變器和優(yōu)化其控制策略，可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，需要更多的功率開(kāi)關(guān)器件和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮成本、性能和可靠性等因素，選擇合適的多電平逆變器方案。4.2傳統(tǒng)方法的局限性分析盡管傳統(tǒng)抑制策略在一定程度上能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但它們也存在著一些固有的局限性，限制了其在高性能應(yīng)用中的推廣和使用。在抑制效果方面，傳統(tǒng)方法往往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的深度抑制。優(yōu)化開(kāi)關(guān)表雖然可以通過(guò)增加零電壓矢量的使用次數(shù)來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但由于其本質(zhì)上仍然是基于有限的電壓矢量選擇，無(wú)法完全消除電壓矢量的離散性對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。在某些工況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然較大，無(wú)法滿足高精度應(yīng)用的需求。在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性要求極高的精密加工設(shè)備中，傳統(tǒng)優(yōu)化開(kāi)關(guān)表后的直接轉(zhuǎn)矩控制可能無(wú)法將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低到可接受的水平，導(dǎo)致加工精度下降。調(diào)整滯環(huán)寬度的方法雖然可以在一定程度上平衡控制精度和開(kāi)關(guān)損耗，但這種平衡是有限的。較小的滯環(huán)寬度雖然能提高控制精度，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)次數(shù)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大，同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可能會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率的提高而變得更加復(fù)雜。較大的滯環(huán)寬度雖然能減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì)降低控制精度，使轉(zhuǎn)矩在給定值附近波動(dòng)較大。在實(shí)際應(yīng)用中，很難找到一個(gè)合適的滯環(huán)寬度，既能滿足控制精度要求，又能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用多電平逆變器雖然可以增加電壓矢量的數(shù)量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，但由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且在實(shí)際運(yùn)行中仍然存在一定的電壓矢量離散性，因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果也受到一定限制。傳統(tǒng)方法在開(kāi)關(guān)頻率穩(wěn)定性方面存在不足。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。不穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流諧波增加，電磁干擾增大，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，由于采用滯環(huán)比較器控制電壓矢量的切換，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著轉(zhuǎn)矩和磁鏈的波動(dòng)而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差較大時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)頻繁切換電壓矢量，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率升高；當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差較小時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低。這種開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)會(huì)使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。在一些對(duì)電磁兼容性要求較高的場(chǎng)合，不穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾，影響周圍電子設(shè)備的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)方法在低速性能方面表現(xiàn)欠佳。在低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)較小，定子電阻壓降的影響相對(duì)較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法難以準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。傳統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)方法在低速時(shí)容易受到噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致磁鏈觀測(cè)誤差增大，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)矩的控制精度。在低速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，難以保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。這在一些對(duì)低速穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如電梯、電動(dòng)汽車等，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行性能和乘坐舒適性。在電梯運(yùn)行過(guò)程中，低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電梯的啟停不平穩(wěn)，給乘客帶來(lái)不適。4.3案例分析傳統(tǒng)方法效果為了更直觀地了解傳統(tǒng)抑制方法的實(shí)際效果及其局限性，本部分選取某工業(yè)生產(chǎn)中的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)作為案例進(jìn)行深入分析。該系統(tǒng)應(yīng)用于一臺(tái)額定功率為55kW的三相異步電機(jī)，主要用于驅(qū)動(dòng)大型風(fēng)機(jī)，在工業(yè)通風(fēng)和氣體輸送等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)需要根據(jù)不同的工況要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。在采用傳統(tǒng)的優(yōu)化開(kāi)關(guān)表抑制策略時(shí)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)表的精心優(yōu)化，增加了零電壓矢量的使用次數(shù)，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了一定程度的改善。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行且負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定的工況下，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)表，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值從優(yōu)化前的約10N?m降低到了約7N?m，降低了約30%。從圖2所示的轉(zhuǎn)矩波形圖中可以清晰地看出，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩波形波動(dòng)幅度明顯減小，電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性得到了一定程度的提高。在一些工況變化較為頻繁的情況下，如風(fēng)機(jī)在不同通風(fēng)需求下頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速和負(fù)載時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)表后的抑制效果則顯得相對(duì)有限。當(dāng)負(fù)載突然增加或轉(zhuǎn)速快速變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然較大，難以滿足高精度控制的要求。在負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值會(huì)瞬間增大到8N?m以上，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性和設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。圖2優(yōu)化開(kāi)關(guān)表前后轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比對(duì)于調(diào)整滯環(huán)寬度的抑制策略，在本案例中，當(dāng)滯環(huán)寬度設(shè)置為較小值時(shí)，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制精度有所提高，轉(zhuǎn)矩能夠更緊密地跟蹤給定值。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，較小的滯環(huán)寬度使得轉(zhuǎn)矩能夠快速上升到給定值附近，響應(yīng)速度明顯加快。然而，隨著滯環(huán)寬度的減小，逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)大幅增加。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，開(kāi)關(guān)頻率從滯環(huán)寬度較大時(shí)的約5kHz增加到了約8kHz，增加了60%。這不僅導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗顯著增大，還使得系統(tǒng)的電磁干擾增強(qiáng)。同時(shí)，由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并沒(méi)有得到有效抑制，反而因?yàn)殚_(kāi)關(guān)過(guò)程中的高頻振蕩變得更加復(fù)雜。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雖然轉(zhuǎn)矩能夠保持在給定值附近，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率明顯增加，波形變得更加不規(guī)則。當(dāng)滯環(huán)寬度增大時(shí)，雖然逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)減少，開(kāi)關(guān)損耗降低，但轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制精度明顯下降，轉(zhuǎn)矩在給定值附近的波動(dòng)較大。在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度變慢，無(wú)法及時(shí)跟隨負(fù)載的變化，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。采用多電平逆變器的抑制策略在本案例中也進(jìn)行了測(cè)試。以三電平逆變器為例，相較于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，它能夠輸出更多的電壓矢量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，三電平逆變器的使用使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值得到了一定程度的降低。在額定負(fù)載下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值從兩電平逆變器時(shí)的約9N?m降低到了約6N?m，降低了約33%。然而，三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要更多的功率開(kāi)關(guān)器件和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，這導(dǎo)致系統(tǒng)的成本大幅增加。在實(shí)際運(yùn)行中，由于多電平逆變器的控制算法相對(duì)復(fù)雜，且存在一定的電壓矢量離散性，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果仍然存在一定的局限性。在高速運(yùn)行或負(fù)載變化較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生一定的影響。五、先進(jìn)抑制策略研究5.1占空比控制技術(shù)（DRC）占空比控制技術(shù)（DutyRatioControl，DRC）作為一種先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略，在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其核心原理是通過(guò)精確調(diào)整電壓矢量的作用時(shí)間，改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化規(guī)律，從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，電壓矢量通常以固定的方式作用于電機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)難以避免。而DRC技術(shù)打破了這種固定模式，根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整電壓矢量的作用時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)，在每個(gè)控制周期內(nèi)，DRC技術(shù)將所選的工作電壓矢量?jī)H作用采樣周期的一部分時(shí)間，而剩余時(shí)間則采用零電壓矢量。這種方式巧妙地利用了零電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響特性，通過(guò)合理分配工作電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精細(xì)調(diào)節(jié)。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，增加零電壓矢量的作用時(shí)間，使電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，增加工作電壓矢量的作用時(shí)間，使電磁轉(zhuǎn)矩快速上升。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整，使電磁轉(zhuǎn)矩能夠更加平滑地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了更深入地理解DRC技術(shù)的原理，我們基于磁鏈增量不變的原則進(jìn)行分析。假設(shè)在一個(gè)控制周期內(nèi)，原工作電壓矢量為V_{1}，作用時(shí)間為t_{1}，占空比為d，則合成電壓矢量V_{??????}等于原工作電壓矢量與其占空比的乘積，即V_{??????}=dV_{1}。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩與電壓矢量的關(guān)系，轉(zhuǎn)矩改變量\DeltaT_{e}與電壓矢量的積分成正比。在一個(gè)控制周期內(nèi)，轉(zhuǎn)矩改變量可以表示為\DeltaT_{e}=\frac{3}{2}n_{p}\frac{L_{m}}{L_{r}}\frac{1}{\omega_{r}}\int_{0}^{T_{s}}V_{??????}dt（其中n_{p}為電機(jī)極對(duì)數(shù)，L_{m}為互感，L_{r}為轉(zhuǎn)子電感，\omega_{r}為轉(zhuǎn)子角速度，T_{s}為采樣周期）。將V_{??????}=dV_{1}代入上式可得\DeltaT_{e}=\frac{3}{2}n_{p}\frac{L_{m}}{L_{r}}\frac{1}{\omega_{r}}d\int_{0}^{T_{s}}V_{1}dt。通過(guò)精確計(jì)算出能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償當(dāng)前轉(zhuǎn)矩誤差的占空比d值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。DRC技術(shù)的控制策略主要包括占空比的計(jì)算和電壓矢量的選擇兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在占空比計(jì)算方面，需要實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差以及定子磁鏈所在扇區(qū)等信息。根據(jù)這些信息，結(jié)合轉(zhuǎn)矩改變量與電壓矢量的關(guān)系，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算求解出合適的占空比。一種常用的計(jì)算方法是基于無(wú)差拍控制原理，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，然后通過(guò)優(yōu)化算法求解出使轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差最小的占空比。在電壓矢量選擇方面，根據(jù)計(jì)算得到的占空比以及定子磁鏈所在扇區(qū)，從預(yù)先制定的電壓矢量選擇表中選擇合適的電壓矢量。選擇表中包含了不同占空比和磁鏈扇區(qū)下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電壓矢量，通過(guò)查表選擇電壓矢量，能夠確保在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的有效控制。DRC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式需要依賴先進(jìn)的硬件設(shè)備和精確的控制算法。在硬件方面，需要采用高性能的微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），以滿足復(fù)雜的計(jì)算需求。還需要高精度的傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，為控制算法提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在控制算法方面，需要開(kāi)發(fā)專門的DRC控制程序，實(shí)現(xiàn)占空比的計(jì)算、電壓矢量的選擇以及逆變器的開(kāi)關(guān)控制等功能。該程序需要具備高效的計(jì)算能力和快速的響應(yīng)速度，以確保在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效抑制。還需要對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。可以采用自適應(yīng)控制算法，根據(jù)電機(jī)參數(shù)的變化和負(fù)載的擾動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整控制算法的參數(shù)，確保系統(tǒng)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。5.2空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM）空間矢量調(diào)制技術(shù)（SpaceVectorModulation，SVM）作為一種先進(jìn)的逆變器控制策略，在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中展現(xiàn)出卓越的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制能力。其核心原理是基于電機(jī)的空間矢量理論，通過(guò)巧妙地合成參考電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，電壓矢量的選擇較為粗放，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)難以避免。而SVM技術(shù)打破了這種局限，通過(guò)對(duì)電壓矢量的精細(xì)化處理，提升了控制的精度和性能。SVM技術(shù)的基本原理基于電機(jī)的空間矢量理論。在三相異步電機(jī)中，定子電壓、電流和磁鏈都可以用空間矢量來(lái)表示。以空間矢量的角度來(lái)看，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)和幅值變化來(lái)描述。SVM技術(shù)的目標(biāo)就是通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，合成出合適的參考電壓矢量，使定子磁鏈?zhǔn)噶堪凑掌谕能壽E運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制。在一個(gè)控制周期內(nèi)，SVM技術(shù)通過(guò)合理組合多個(gè)電壓矢量，并精確控制它們的作用時(shí)間，合成出一個(gè)接近理想的參考電壓矢量。這個(gè)參考電壓矢量能夠更準(zhǔn)確地補(bǔ)償當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了更深入地理解SVM技術(shù)的原理，我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的三相電壓型逆變器為例進(jìn)行分析。三相電壓型逆變器有8個(gè)基本電壓矢量，包括6個(gè)非零電壓矢量（V_1-V_6）和2個(gè)零電壓矢量（V_0和V_7）。這些電壓矢量在空間上均勻分布，相鄰電壓矢量之間的夾角為60°。假設(shè)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶课挥谀硞€(gè)位置，我們需要合成一個(gè)參考電壓矢量，使定子磁鏈按照期望的方向和速度旋轉(zhuǎn)。SVM技術(shù)通過(guò)選擇相鄰的兩個(gè)非零電壓矢量和零電壓矢量，根據(jù)一定的比例關(guān)系控制它們的作用時(shí)間，來(lái)合成參考電壓矢量。如果參考電壓矢量位于V_1和V_2之間，我們可以通過(guò)控制V_1、V_2以及零電壓矢量的作用時(shí)間，使合成的電壓矢量盡可能接近參考電壓矢量。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)參考電壓矢量與V_1和V_2的夾角以及幅值關(guān)系，計(jì)算出V_1和V_2的作用時(shí)間t_1和t_2，以及零電壓矢量的作用時(shí)間t_0，使得在一個(gè)控制周期T_s內(nèi)，t_1+t_2+t_0=T_s。通過(guò)這種方式，合成的電壓矢量能夠更精確地控制定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SVM技術(shù)的控制策略主要包括參考電壓矢量的計(jì)算和電壓矢量的合成兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在參考電壓矢量計(jì)算方面，需要實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差以及定子磁鏈所在扇區(qū)等信息。根據(jù)這些信息，結(jié)合電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制目標(biāo)，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算求解出參考電壓矢量的幅值和角度。一種常用的計(jì)算方法是基于無(wú)差拍控制原理，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，然后通過(guò)優(yōu)化算法求解出使轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差最小的參考電壓矢量。在電壓矢量合成方面，根據(jù)計(jì)算得到的參考電壓矢量，從預(yù)先制定的電壓矢量合成表中選擇合適的電壓矢量組合，并計(jì)算出它們的作用時(shí)間。合成表中包含了不同參考電壓矢量下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電壓矢量組合和作用時(shí)間，通過(guò)查表和計(jì)算，能夠確保在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的有效控制。在實(shí)際應(yīng)用中，存在多種SVM算法，如七段式SVM、五段式SVM等。七段式SVM是一種較為常用的算法，它在一個(gè)控制周期內(nèi)將電壓矢量的作用時(shí)間分為七段。在一個(gè)周期內(nèi)，先作用零電壓矢量，然后依次作用兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量，再作用零電壓矢量，最后按照相反的順序再次作用兩個(gè)非零電壓矢量和零電壓矢量。這種方式能夠使合成的電壓矢量更加平滑，有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。七段式SVM的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較高，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)次數(shù)較多。五段式SVM則在一個(gè)控制周期內(nèi)將電壓矢量的作用時(shí)間分為五段。它減少了零電壓矢量的作用次數(shù)，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。但由于零電壓矢量作用時(shí)間的減少，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)七段式SVM略大一些。不同的SVM算法在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果、開(kāi)關(guān)損耗、計(jì)算復(fù)雜度等方面存在差異。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)性能要求，選擇合適的SVM算法。如果對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制要求較高，且系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)損耗不太敏感，可以選擇七段式SVM；如果更注重降低開(kāi)關(guān)損耗，且對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的容忍度稍高一些，可以選擇五段式SVM。5.3模型預(yù)測(cè)控制（MPC）模型預(yù)測(cè)控制（ModelPredictiveControl，MPC）作為一種先進(jìn)的控制策略，近年來(lái)在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它基于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)多個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的精確控制，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。異步電機(jī)有限集模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制（FiniteSetModelPredictiveTorqueControl，F(xiàn)SMPTC）是模型預(yù)測(cè)控制在異步電機(jī)控制中的一種具體應(yīng)用形式。其基本原理是利用電機(jī)的離散數(shù)學(xué)模型，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)所有可能的電壓矢量作用下的電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在兩電平逆變器驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)系統(tǒng)中，逆變器有8個(gè)基本電壓矢量（6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量）。對(duì)于每個(gè)電壓矢量，根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩T_{e}(k+1)和定子磁鏈幅值\vert\psi_{s}(k+1)\vert。預(yù)測(cè)模型通常基于電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的離散狀態(tài)方程建立，如：\begin{cases}\psi_{s\alpha}(k+1)=\psi_{s\alpha}(k)+(u_{s\alpha}(k)-R_{s}i_{s\alpha}(k))T_{s}\\\psi_{s\beta}(k+1)=\psi_{s\beta}(k)+(u_{s\beta}(k)-R_{s}i_{s\beta}(k))T_{s}\\i_{s\alpha}(k+1)=i_{s\alpha}(k)+\frac{T_{s}}{L_{s}}(\frac{L_{m}}{L_{r}}\psi_{r\alpha}(k)-\psi_{s\alpha}(k)+R_{s}i_{s\alpha}(k))\\i_{s\beta}(k+1)=i_{s\beta}(k)+\frac{T_{s}}{L_{s}}(\frac{L_{m}}{L_{r}}\psi_{r\beta}(k)-\psi_{s\beta}(k)+R_{s}i_{s\beta}(k))\end{cases}其中，k表示當(dāng)前時(shí)刻，T_{s}為采樣周期，u_{s\alpha}、u_{s\beta}為定子電壓在αβ軸上的分量，i_{s\alpha}、i_{s\beta}為定子電流在αβ軸上的分量，\psi_{s\alpha}、\psi_{s\beta}為定子磁鏈在αβ軸上的分量，\psi_{r\alpha}、\psi_{r\beta}為轉(zhuǎn)子磁鏈在αβ軸上的分量。根據(jù)這些預(yù)測(cè)值，構(gòu)建一個(gè)包含轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差的價(jià)值函數(shù)g，如：g=\vertT_{e}^{*}(k+1)-T_{e}(k+1)\vert+\lambda\vert\vert\psi_{s}^{*}(k+1)\vert-\vert\psi_{s}(k+1)\vert\vert其中，T_{e}^{*}(k+1)為給定的電磁轉(zhuǎn)矩，\psi_{s}^{*}(k+1)為給定的定子磁鏈幅值，\lambda為權(quán)重系數(shù)，用于平衡轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差在價(jià)值函數(shù)中的比重。通過(guò)計(jì)算每個(gè)電壓矢量作用下的價(jià)值函數(shù)值，選擇使價(jià)值函數(shù)值最小的電壓矢量作為下一時(shí)刻的輸出。這個(gè)最優(yōu)電壓矢量能夠使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈在未來(lái)時(shí)刻最接近給定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)采樣周期內(nèi)只使用一個(gè)電壓矢量，雖然具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但由于可供選擇的電壓矢量有限，仍然存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，雙矢量模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)運(yùn)而生。雙矢量模型預(yù)測(cè)控制的核心思想是在每個(gè)采樣周期內(nèi)選擇兩個(gè)電壓矢量，并合理分配它們的作用時(shí)間。通過(guò)這種方式，增加了電壓矢量的組合方式，使合成的電壓矢量更加接近理想的參考電壓矢量，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在選擇兩個(gè)電壓矢量時(shí)，首先根據(jù)傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制方法，選擇使價(jià)值函數(shù)最小的第一個(gè)電壓矢量V_1。從控制集中選擇第二個(gè)電壓矢量V_2，第二個(gè)電壓矢量的選擇通常基于對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)一步分析，以及對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。通過(guò)無(wú)差拍原則計(jì)算兩個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間t_1和t_2，使得在一個(gè)采樣周期T_s內(nèi)，t_1+t_2=T_s。無(wú)差拍原則是指根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出使下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差同時(shí)為零的電壓矢量作用時(shí)間。具體計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，需要考慮電機(jī)的參數(shù)、當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及給定的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值等因素。通過(guò)雙矢量模型預(yù)測(cè)控制，能夠在不同的工況下，更精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)的單矢量模型預(yù)測(cè)控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，而雙矢量模型預(yù)測(cè)控制能夠通過(guò)合理選擇和組合電壓矢量，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，提高電機(jī)的低速性能。5.4智能控制算法應(yīng)用隨著科技的不斷進(jìn)步，智能控制算法在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為解決這一復(fù)雜問(wèn)題提供了新的思路和方法。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為兩種典型的智能控制算法，在該領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。模糊控制作為一種基于模糊邏輯的智能控制方法，在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制中發(fā)揮著重要作用。其工作原理基于模糊邏輯理論，通過(guò)將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，利用預(yù)先制定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，最后將模糊輸出轉(zhuǎn)化為精確量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，模糊控制通常以轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差及其變化率作為輸入量。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實(shí)際值，并與給定值進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差。對(duì)這些誤差及其變化率進(jìn)行模糊化處理，將其轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言變量，如“正大”“正小”“零”“負(fù)小”“負(fù)大”等。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，建立模糊控制規(guī)則庫(kù)。規(guī)則庫(kù)中包含了各種輸入模糊變量組合下對(duì)應(yīng)的輸出模糊變量，例如“如果轉(zhuǎn)矩誤差為正大且磁鏈誤差為正小，那么控制量為正大”。通過(guò)模糊推理機(jī)制，根據(jù)輸入的模糊變量和模糊控制規(guī)則，得出模糊輸出。將模糊輸出進(jìn)行解模糊處理，轉(zhuǎn)化為精確的控制量，用于調(diào)整逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。模糊控制在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它能夠有效處理不確定性和非線性問(wèn)題。在異步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著溫度、負(fù)載等因素的變化而發(fā)生改變，呈現(xiàn)出非線性特性。傳統(tǒng)的控制方法難以適應(yīng)這種變化，而模糊控制不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，能夠根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行靈活調(diào)整，具有很強(qiáng)的魯棒性。在電機(jī)負(fù)載突然變化時(shí)，模糊控制能夠快速響應(yīng)，及時(shí)調(diào)整控制量，使電機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。模糊控制的響應(yīng)速度快，能夠?qū)﹄姍C(jī)的動(dòng)態(tài)變化做出迅速反應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩或磁鏈出現(xiàn)偏差時(shí)，模糊控制器能夠立即根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理和決策，快速調(diào)整逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈迅速趨近給定值，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。然而，模糊控制也存在一些不足之處。模糊規(guī)則的制定主要依賴于專家經(jīng)驗(yàn)和試湊，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。如果模糊規(guī)則不合理，可能導(dǎo)致控制性能下降，無(wú)法有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。不同的專家可能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)制定出不同的模糊規(guī)則，這使得模糊控制器的設(shè)計(jì)具有一定的主觀性和不確定性。模糊控制器的性能對(duì)模糊變量的隸屬度函數(shù)也較為敏感。隸屬度函數(shù)的形狀、范圍等參數(shù)的選擇會(huì)直接影響模糊控制器的性能。如果隸屬度函數(shù)選擇不當(dāng)，可能導(dǎo)致模糊控制器的控制精度降低，無(wú)法準(zhǔn)確地跟蹤給定的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，從而影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是另一種重要的智能控制算法，它通過(guò)模擬人類大腦神經(jīng)元的工作方式，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，構(gòu)建出能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元按照層次結(jié)構(gòu)排列，包括輸入層、隱藏層和輸出層。在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，輸入層接收電機(jī)的各種狀態(tài)信息，如定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。隱藏層對(duì)輸入信息進(jìn)行非線性變換和特征提取，通過(guò)大量的神經(jīng)元之間的連接權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的映射關(guān)系。輸出層則輸出控制信號(hào)，用于控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。通過(guò)對(duì)大量的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)提取數(shù)據(jù)中的特征和規(guī)律，不斷調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，從而構(gòu)建出能夠準(zhǔn)確描述電機(jī)運(yùn)行特性的模型。當(dāng)電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化或受到外部干擾時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)新的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整模型，使控制器能夠適應(yīng)這些變化，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于溫度升高導(dǎo)致電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)這些變化，并調(diào)整控制策略，保持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠處理復(fù)雜的非線性關(guān)系。異步電機(jī)是一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)矩和磁鏈與電壓、電流等變量之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)自身的非線性映射能力，準(zhǔn)確地描述這些關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的精確控制，從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也面臨一些挑戰(zhàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和較長(zhǎng)的時(shí)間。為了使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)電機(jī)的運(yùn)行特性，需要收集大量不同工況下的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和標(biāo)注，然后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練。如果數(shù)據(jù)量不足或訓(xùn)練時(shí)間不夠，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能無(wú)法學(xué)習(xí)到準(zhǔn)確的模型，導(dǎo)致控制性能下降。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇較為復(fù)雜，缺乏明確的理論指導(dǎo)。不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)控制性能產(chǎn)生很大的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和仿真來(lái)選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，這增加了設(shè)計(jì)的難度和工作量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可解釋性較差，難以直觀地理解其決策過(guò)程和控制原理。這在一些對(duì)控制過(guò)程要求透明的應(yīng)用場(chǎng)合中，可能會(huì)限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用。六、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6.1仿真模型搭建為了深入研究異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的有效性和性能，利用Matlab/Simulink搭建了詳細(xì)的仿真模型。該模型涵蓋了異步電機(jī)本體、直接轉(zhuǎn)矩控制算法以及各種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略模塊，能夠準(zhǔn)確模擬異步電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行情況。在Matlab/Simulink環(huán)境中，首先構(gòu)建異步電機(jī)本體模型。選用SimPowerSystems庫(kù)中的“Three-PhaseAsynchronousMachine”模塊來(lái)模擬異步電機(jī)的電氣和機(jī)械特性。根據(jù)實(shí)際異步電機(jī)的參數(shù)，對(duì)該模塊進(jìn)行精確設(shè)置。假設(shè)所研究的異步電機(jī)額定功率為7.5kW，額定電壓為380V，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，極對(duì)數(shù)為2，定子電阻R_s=0.4\Omega，定子電感L_s=0.02H，轉(zhuǎn)子電阻R_r=0.5\Omega，轉(zhuǎn)子電感L_r=0.02H，互感L_m=0.3H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.1kg\cdotm^2。將這些參數(shù)準(zhǔn)確輸入到模塊中，確保異步電機(jī)本體模型能夠真實(shí)反映實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行特性。搭建直接轉(zhuǎn)矩控制算法模塊。該模塊主要包括轉(zhuǎn)速外環(huán)、磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器以及開(kāi)關(guān)表選擇等部分。轉(zhuǎn)速外環(huán)采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，輸出轉(zhuǎn)矩給定值。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)通過(guò)反復(fù)調(diào)試和優(yōu)化確定，以確保轉(zhuǎn)速控制的快速性和穩(wěn)定性。比例系數(shù)K_p=10，積分系數(shù)K_i=0.5。磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓和電流，計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，并與給定值進(jìn)行比較。采用滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種比較，根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果，結(jié)合定子磁鏈所在的空間位置，從開(kāi)關(guān)表中選擇合適的電壓矢量。開(kāi)關(guān)表根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理預(yù)先制定，包含了不同磁鏈和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的最佳電壓矢量。針對(duì)不同的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略，分別搭建相應(yīng)的模塊。在研究占空比控制技術(shù)（DRC）時(shí)，搭建DRC模塊。該模塊根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)計(jì)算電壓矢量的占空比。通過(guò)精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，確定在每個(gè)控制周期內(nèi)工作電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，增加零電壓矢量的作用時(shí)間，使電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，增加工作電壓矢量的作用時(shí)間，使電磁轉(zhuǎn)矩快速上升。通過(guò)這種方式，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在研究空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM）時(shí)，搭建SVM模塊。該模塊根據(jù)參考電壓矢量的計(jì)算結(jié)果，從預(yù)先制定的電壓矢量合成表中選擇合適的電壓矢量組合，并精確控制它們的作用時(shí)間，以合成接近理想的參考電壓矢量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在研究模型預(yù)測(cè)控制（MPC）時(shí)，搭建MPC模塊。該模塊利用電機(jī)的離散數(shù)學(xué)模型，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)所有可能的電壓矢量作用下的電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建包含轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差的價(jià)值函數(shù)，選擇使價(jià)值函數(shù)值最小的電壓矢量作為下一時(shí)刻的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。設(shè)定仿真條件，以模擬不同的運(yùn)行工況。仿真時(shí)間設(shè)置為5s，采樣時(shí)間設(shè)置為0.0001s。在仿真過(guò)程中，給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，在0.5s時(shí)加入一個(gè)10N?m的負(fù)載擾動(dòng)，以測(cè)試系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果。6.2仿真結(jié)果分析在Matlab/Simulink環(huán)境下，對(duì)搭建的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型進(jìn)行了多種工況下的仿真實(shí)驗(yàn)，以全面評(píng)估不同轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的效果。通過(guò)對(duì)比分析不同策略下的轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電流波形，深入探討各策略對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制能力。首先，觀察傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）策略下的仿真結(jié)果。在圖3所示的傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩波形中，可以明顯看到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為顯著，轉(zhuǎn)矩幅值在給定值附近波動(dòng)較大。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值達(dá)到了約8N?m。這是由于傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較器控制電壓矢量的切換，且電壓矢量選擇有限，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)不夠精確，難以平滑地跟蹤給定值。從磁鏈波形來(lái)看，定子磁鏈的幅值雖然能夠基本保持穩(wěn)定，但在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一定的波動(dòng)，這也對(duì)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。電流波形呈現(xiàn)出明顯的諧波成分，這是由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈波動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)電流的不穩(wěn)定性增加。圖3傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩波形接著，分析占空比控制技術(shù)（DRC）策略下的仿真結(jié)果。如圖4所示，采用DRC策略后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了明顯的抑制。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值降低到了約4N?m，相較于傳統(tǒng)DTC策略，降低了約50%。這是因?yàn)镈RC通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓矢量的作用時(shí)間，使電磁轉(zhuǎn)矩能夠更加平滑地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，有效減小了轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。從磁鏈波形可以看出，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)更加平滑，幅值波動(dòng)進(jìn)一步減小，這得益于DRC對(duì)電壓矢量的精細(xì)控制，使得磁鏈的變化更加穩(wěn)定。電流波形的諧波成分明顯減少，表明電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，電流的穩(wěn)定性得到了提高。圖4DRC策略轉(zhuǎn)矩波形再看空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM）策略下的仿真結(jié)果。從圖5中可以看出，SVM策略對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果也十分顯著。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值降低到了約3N?m，相比傳統(tǒng)DTC策略有了大幅下降。SVM通過(guò)合理組合多個(gè)電壓矢量，并精確控制它們的作用時(shí)間，合成出接近理想的參考電壓矢量，使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更加平滑，從而有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。磁鏈波形呈現(xiàn)出更加規(guī)則的圓形軌跡，幅值波動(dòng)極小，這表明SVM能夠精確地控制磁鏈的運(yùn)動(dòng)，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能。電流波形近乎正弦波，諧波含量極低，進(jìn)一步證明了SVM策略能夠有效改善電機(jī)的電流質(zhì)量，降低電流諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。圖5SVM策略轉(zhuǎn)矩波形最后，研究模型預(yù)測(cè)控制（MPC）策略下的仿真結(jié)果。圖6顯示，MPC策略在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面表現(xiàn)出色。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值降低到了約2N?m，是幾種策略中抑制效果最好的。MPC基于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)多個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化控制量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的精確控制。從磁鏈波形來(lái)看，定子磁鏈能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤給定值，且幅值和相位的誤差都極小，這得益于MPC對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的精確預(yù)測(cè)和控制量的優(yōu)化選擇。電流波形非常接近理想的正弦波，諧波含量幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明MPC策略能夠使電機(jī)在近乎理想的狀態(tài)下運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。圖6MPC策略轉(zhuǎn)矩波形通過(guò)對(duì)不同抑制策略下的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，可以得出以下結(jié)論：占空比控制技術(shù)（DRC）、空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM）和模型預(yù)測(cè)控制（MPC）等先進(jìn)抑制策略在抑制異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面都取得了顯著的效果。其中，MPC策略的抑制效果最為突出，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值降低到最小，使電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)、高效。SVM策略在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的也能有效改善磁鏈和電流波形，提高電機(jī)的綜合性能。DRC策略相對(duì)前兩者，抑制效果稍遜一籌，但也能顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的需求和系統(tǒng)條件，