成果简介
在电机控制领域，主导交流电机系统高品质控制的理论基础是双轴变换理论和空间矢量理论。前者自1929年提出以来，一直是在数学层面上处理多相电机分析的标准模型，它采用两相正交坐标系描述，将电机定子、转子绕组间磁耦合依转子转角变化时变互感参数等效为定常互感参数，极大地简化了交流电机系统动力学行为特性的分析及其动态控制；后者则是自1959年提出以来研究交流电机暂态特性的主流方法，它进一步发展双轴变换理论，在物理层面上考虑到交流电机机电能量变换中瞬时励磁电流和转矩电流分量可由对应于复数平面的实轴和虚轴分量进行描述。1971年前后，西门子公司工程师Blaschke基于双轴变换理论和空间矢量理论提出了磁场定向控制(Field Oriented Control, FOC)方法，巧妙地将交流电机磁链和转矩的渐近解耦控制融合于定子dq电压分量的构造之中，开创了交流电机矢量控制的新纪元。
现今，已广泛应用于电动汽车电驱动系统工程实际的异步电动机矢量控制策略主要分为FOC和直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)。FOC方法稳态及动态响应性能较好，但需利用准确的转子磁链角进行Park变换，电机参数对转子磁链角的影响较大，从而影响了控制性能；与FOC不同，DTC采用了非线性高增益的滞环控制器，无需Park变换和独立电流控制环，系统结构更加简单，转矩响应性能较优，鲁棒性较强。但该方法存在开关频率较高、转矩脉动及电流谐波较大、调速范围较窄等缺点。
本研究提出无功转矩概念和双转矩控制理论，可以融合FOC/DTC方法之优点，为未来发展全新一代电机控制技术提供理论支撑。与模仿他励直流电机励磁和电枢电流独立调节机制的FOC控制方法不同，双转矩控制方法模仿电力系统电压/功角的无功/有功功率调节机制，构建了转矩的对偶变量——无功转矩，无功转矩与电磁转矩构成电机的双转矩控制模型，在物理层面上将根植于电力系统瞬时无功功率和有功功率调节机制移植到交流电机的励磁和转矩控制，利用有功与无功功率固有的正交性，并利用无功转矩包含磁链幅值暂态变化的信息，使得在变励磁工况下仍具有磁链/转距瞬时解耦的控制特性，所发表的论文为国际上无功转矩预测控制的开篇之作，被电机控制领域国际著名专家Rodriguez教授评价为新的变量和方法。
针对传统模型预测转矩控制中繁琐的权重系数选取以及电流传感器易发生故障降低系统可靠性的问题，提出一种无权重系数且无电流传感器的异步电动机模型预测转矩控制方法。所提方法以双转矩模型为预测模型，直接对电磁转矩及无功转矩进行预测，并以二者构建价值函数，从而将权重系数消除。此外，基于龙伯格观测器原理，设计了自适应虚拟电流观测器，用于重构定子电流。使用估计电流代替实测电流，实现了无电流传感器运行，使该方法成为电流传感器故障下的容错控制方案。基于磁链与电流矢积和标积，导出异步电动机多标量模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control，MPTC)方法，能够简化算法，减小转矩预测误差，提高转矩响应速度，抑制转矩纹波，定子电流总谐波畸变率也更小。
与FOC受电机转子电路参数变化影响较大不同，基于磁链与电流矢积和标积所定义的双转矩的瞬时正交性不受任何电机参数变化的影响，转矩与磁链的解耦控制特性不受任何磁链估计误差的影响。与FOC方法进行的对比实验表明，变励磁下异步电动机双转矩控制的解耦性及转矩快速响应更优。
应用前景
本成果在高铁电力牵引、电动汽车驱动、变速风力发电、变速抽水蓄能等需要高速、高效、高动态、高可靠运行的电机系统的场合具有潜在的应用前景。
成熟度
应用基础研究阶段，已完成试验样机测试，在国内外著名专业期刊发表论文多篇。
成果展示
成果完成人
电气工程学院：卢子广
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：刘老师，联系电话：0771-3272162。