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摘要：在交流传动技术飞速发展的今天，我们已经看到，城市轨道交通如地铁和铁路运输高速干线机车已经有了较大的发展，而其中高性能的机车控制技术的突破是发展的关键，复兴号标准动车组就是以直接转矩控制的。以转矩为优化控制目标，确定若干个可行的电压矢量及其作用时间;再按磁链幅值误差最小原则筛选出最优的电压矢量。该方法的实现算法简单，不但使转矩控制更为准确，而且磁链幅值的波动也大幅减小，电流波形明显改善。仿真和试验结果均验证了新提出控制策略。
关键词：异步电机；直接转矩控制；预测控制；
异步电机是我国高速动车组从以前的引进消化、再创新的和谐号动车组，到目前领跑的复兴号动车组经过10多年的努力和追赶我们的技术不断的变更，变流器的控制方式随着大功率器件的成熟应用，异步电机的控制策略也经历了矢量控制到直接转矩控制，直接转矩控制独立控制扭矩电流及励磁电流来达到扭矩控制高精度化、扭矩相应高速化，提高电流的控制性能。
一、基于直接转矩预测控制
1、转矩与磁链的预测。根据电机在α-β定子坐标系下的状态方程，可以得到在第k个采样时刻电磁转矩Tek以及定子磁链珔ψsk对时间的变化，在一个采样周期tsp内，当某个电压矢量usk作用在电机上时，可认为转矩对时间的变化率保持不变，其大小与该时刻的磁链、电流及转速相关，由此可预测第k+1个采样时刻转矩的公式：
转矩预测控制算法根据当前控制周期的状态量，利用式预测下一周期结束时的转矩和磁链，计算输出的最优电压矢量。当前磁链、转矩和转速由观测器观测得到，磁链及转速的观测精度对预测控制算法性能影响很大，而实际电机状态的观测往往受到测量噪声以及一些系统参数变化的影响，简单的开环模型性能难以达到要求。在使用5阶EKF观测器同时对电机的定子磁链和转速进行观测，对噪声和参数变化有较好鲁棒性，提高了预测控制的精度。
在离散控制中，本周期计算的电压在下一周期才能作用，造成了一定的延迟效应。如图所示。
2、电压矢量的计算。电压矢量优化是求解多目标优化问题的一种常见方法，适用于多个目标在优先级或重要程度上有明显差异的场合。在同时考虑转矩和磁链的转矩预测控制中，转矩的响应速度要远快于磁链，容易出现较大的波动，因而在一个控制周期内，可认为转矩目标具有比磁链更高的优先级。因此，采用分层优化的方法计算转矩预测控制的优化电压矢量。
第一优化层次的目标是使得转矩误差最小。在一个控制周期中，分别有一个非零电压矢量和零矢量先后作用。不妨设非零矢量与零矢量作用时，由式确定的转矩变化率分别为k1、k2，零矢量在一个周期tsp内作用时间为tz，根据式得下周期转矩预测值及误差:
当其计算值大于tsp或者小于零时应使其等于tsp或者零。这一步对逆变器可输出的非零电压矢量分别进行计算，求出各自最优的作用时间和转矩误差，从中优先选择使转矩误差最小的电压矢量。
第二层优化则是在转矩优化的解集中考虑磁链的优化。当逆变器直流母线电压足够时，使下周期转矩误差为零的电压矢量会有多个，但他们的作用时间不同。以定子磁链位置为例，在转速较低，转矩误差较小的情况下，此时u1，u2，u3均能够使得转矩误差在下一周期为零。这时采用枚举的方法，按照式分别计算他们作用时的磁链误差，误差最小的作为下周期的输出电压。该控制策略在优先控制转矩的基础上再进行定子磁链的优化控制，可减小转矩和磁链幅值的波动，改善电流的波形。
3、稳态转矩控制精度的改进。由前面的分析可知，转矩控制器为一个Dead-beat控制器，具有最佳的动态响应，当电压足够时，电磁转矩能够在一个控制周期内达到给定值。但是系统动态响应过快也会导致系统在一个控制周期内调节量过大，转矩和电流中出现高频振荡，稳态转矩控制精度受到影响。为解决这个问题，当转矩误差小于误差限值时，在转矩控制环中引入一个PI控制器，将转矩误差作为PI的输入，其输出代替式中的转矩误差，此时零矢量作用时间的计算式变为：
二、仿真分析
为验证控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink下搭建了仿真模型，进行仿真研究。仿真中使用了一台4极、50Hz、电机是参数625KW，额定转矩TN=10N•m。仿真中各量均使用标幺值，EKF观测器需要设置的参数为系统与测量噪声的协方差矩阵，设置为对角阵:Q=diag。开关频率及系统采样频率均为8kHz。为了模拟实际系统中的测量误差，在电流采样中人为加入了3%随机噪声。
仿真中，电机先进行直流励磁，当定子磁链达到给定值时，给定转矩指令为额定转矩，电机开始加速，电机从静止一直加速到0.1倍同步速时，电机的转矩、电流波形及定子磁链的轨迹。
如图采用转矩预测控制策略时的结果，可以看到转矩迅速达到给定值，稳态时波动很小。定子磁链轨迹几乎为圆形，电流波形接近正弦，谐波很小。作为对比，可以看到虽然转矩控制效果较好，但由于没有考虑磁链的优化控制，定子磁链幅值出现一定波动，电流波形也出现畸变。控制中漏感参数比真实值偏大50%时对转矩预测控制的影响情况。同样电机先建立定子磁链，然后给额定转矩指令加速到0.3倍同步速。
在目标函数中对转矩与磁链分配权重的方法的结果，将转矩和磁链误差赋予了相同的权重，选择使总误差最小的电压矢量。可以看到漏感的偏差导致转矩出现了较大的波动。采用分层优化预测控制策略但稳态不使用PI时的结果，转矩波动明显减小。当在稳态时投入PI后，转矩变得更加平稳。由于PI仅在转矩误差较小时才投入使用，因此对系统动态响应影响很小。如图所示，转矩均在2ms以内达到给定值。
三、试验结果及分析
试验平台为一台1.5kW的异步电机机组，电机参数与仿真中所列的相同。该异步电机拖动一连接可调电阻箱的直流发电机作为负载。控制算法用TMS320F28335DSP芯片实现，使用了片上A/D电路采样定子电流及母线电压，开关频率为8kHz。EKF使用了与仿真中相同的协方差矩阵。采样数据及电机磁链等观测量均通过CAN总线发送到上位机，实现波形记录。使用光电编码器测量电机的实际转速，以便与其观测值进行比较。给出了电机转速为0.15倍同步速时对阶跃转矩指令的响应。电机转矩从0.3TN达到0.8TN，约需要2ms，转矩的动态响应非常迅速。
电机转速为0.3倍同步速，稳态时电机相电流及定子磁链波形。定子磁链在α-β坐标系下沿着近似圆形的轨迹旋转，验证了对磁链优化控制的效果。得益于对转矩及定子磁链的优化控制，在没有电流环情况下，定子电流波形也近似为正弦，通过FFT分析可得，对电机影响较大的电流谐波幅值均小于基波的1%。当控制中使用互感值比真实值偏大30%时电机的转速及转矩波形。EKF观测的转速仍然与实测值偏差很小，电机转矩仍迅速达到给定值，稳态无静差且波动较小，表明整个系统，包括EKF观测器及转矩预测控制策略对电感参数的偏差具有良好的鲁棒性。
为解决异步电机VISIO中存在的转矩和磁链幅值波动较大，电流波形畸变严重等问题，提出了一种基于分层优化的异步电机转矩预测控制策略。该方法首先以转矩为优化控制目标，确定若干个可行的电压矢量及其作用时间;然后再按磁链幅值误差最小原则筛选出最优的电压矢量。并且，在转矩误差较小时，进一步加入PI调节器，使得稳态转矩更加平稳。仿真分析和样机试验结果表明，基于分层优化的异步电机转矩预测控制系统不仅转矩响应速度快，而且电流正弦度好，转矩和磁链幅值波动小，转矩控制更加在复兴号动车组运行这状态良好，在降低噪声的同时提高了控制精度，让车运行更加平稳，舒适。
参考文献
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