低速范圍內的異步電動機直接轉矩控制方法探究

宋曉君 孫洪偉

摘? 要：異步電動機直接轉矩控制技術有運算量小、控制系統(tǒng)結構簡單、動態(tài)性能好等突出優(yōu)點，也存在低速性能較差，穩(wěn)態(tài)時轉矩的脈動大的主要缺點。本課題淺要分析減小異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)轉矩脈動的方法，包括直接轉矩無差拍控制、使用PI調節(jié)器的直接轉矩控制（PI-DTC）以及改進的開關表法等。

關鍵詞：直接轉矩控制;低速范圍內減小轉矩脈動方法;異步電動機

中圖分類號：TM343 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0164-02

Abstract： The direct torque control technology of asynchronous motor has many outstanding advantages， such as small amount of calculation， simple control system structure， good dynamic performance and so on. It also has the main disadvantages of poor performance at a low speed and large torque ripple in steady state. The purpose of this paper is to analyze the methods to reduce the torque ripple of asynchronous motor direct torque control system， including direct torque deadbeat control， direct torque control using PI regulator （PI-DTC）， improved switch meter method and so on.

Keywords： direct torque control; method of reducing torque ripple in low speed range; asynchronous motor

當今用電系統(tǒng)中，異步電動機作為最常見的動力設備廣泛用于工農業(yè)生產、科技國防及社會生活的方方面面。異步電動機的物理模型是一個高階、多變量、強耦合、非線性的系統(tǒng)，其描述需用一組非線性方程組，控制起來較有難度。目前常用的調速技術有恒壓頻比控制方式、直接轉矩控制、矢量控制等。相比其他控制技術，直接轉矩控制突出的優(yōu)點是運算量小，控制系統(tǒng)結構簡單，動態(tài)性能更好，魯棒性更強。直接轉矩控制技術存在的主要問題是目前理論上不成熟，經(jīng)典模型存在固有缺陷，低速性能較差，穩(wěn)態(tài)時轉矩的脈動大。本課題研究的目的是針對異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)在低速范圍內轉矩脈動大的問題尋求解決之道。

直接轉矩控制技術是20世紀80年代中期繼矢量控制技術后發(fā)展起來的一種新型異步電動機變頻調速技術。其基本工作原理是把轉矩作為被控量直接進行控制，根據(jù)定子磁鏈和輸出轉矩直接選擇相對合適的電壓矢量，通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉速度從而改變定子、轉子磁鏈矢量之間的夾角，進而實現(xiàn)對電動機轉矩的控制。系統(tǒng)工作時不需轉矩電流和勵磁電流的參與，通過定子磁鏈即可實現(xiàn)對電磁轉矩的控制。

直接轉矩控制技術最大的缺點是低速時轉矩脈動比較大。現(xiàn)就如何減小低速范圍時轉矩脈動大的問題做方法探究。

1 使用PI調節(jié)器的直接轉矩控制（PI-DTC）

該系統(tǒng)中的調節(jié)器采用PI控制規(guī)律，如圖1所示（包括磁鏈調節(jié)器AΨR和轉矩調節(jié)器ATR）。

由于PI-DTC使用PI調節(jié)器，其輸出具有連續(xù)性，轉矩脈動大大減小。和SFOC（根據(jù)定子磁場實現(xiàn)定向的一種矢量控制）相比，PI-DTC不需要解耦器，而SFOC必須通過解耦器對轉矩、磁鏈解耦，因而該算法計算量小、魯棒性強。

該法主要缺點是若調節(jié)器參數(shù)設定不合適，系統(tǒng)性能會變差，而且調節(jié)器的參數(shù)不能用線性系統(tǒng)理論設定。

2 直接轉矩無差拍控制

該方法基于離散化直接轉矩控制系統(tǒng)。據(jù)異步電機數(shù)學模型，電機各物理量與轉矩控制誤差？駐Tei數(shù)學關系為：

其中：Ts-采樣周期;p-極對數(shù);？鬃s？琢、？鬃s？茁-？琢、？茁軸上定子磁鏈估算值;us？琢、us？茁-？琢、？茁軸上定子電壓估算值;Es？琢、Es？茁-？琢、？茁軸上定子反向電動勢估算值。

若us？琢、us？茁滿足式（1）要求，轉矩誤差可在下個控制周期消除。

若能使us？琢、us？茁滿足下式（2）中關系，則磁鏈模值誤差可在下個控制周期消除：

其中，？鬃s是磁鏈模值給定值。

若能使us？琢、us？茁同時滿足式（1）和式（2）要求，則對應的值就能消除轉矩誤差以及磁鏈模值誤差，直接轉矩無差拍控制方法就是通過解方程式（1）和（2），得出相應的us？琢、us？茁值。

如果該方程組無解，則分別判斷是否存在滿足轉矩要求及磁鏈要求的電壓矢量，若都不存在，可按照直接轉矩控制系統(tǒng)的控制方法選擇電壓矢量。

理論上，該方法能在一個控制周期消除定子磁鏈模值以及電磁轉矩誤差，轉矩脈動也可消除，電機能在極低速下正常運行，還提高了開關頻率，電壓諧波和電機噪聲得以減小。

該方法缺點是計算量大，實現(xiàn)難度高，依賴電機參數(shù)性比較強。

3 改進的開關表法

該法區(qū)間劃分如圖2，其中，電壓空間矢量的選擇是通過空間矢量脈寬調制（（SVPWM）方法。

SVPWM方法中，空間電壓矢量信號的選擇要綜合磁鏈開關信號、區(qū)間號等，最終目標是通過8種開關狀態(tài)對應的基本空間電壓向量逼近電機所需的電壓向量，對應關系見表1。

如：假設磁鏈在某時刻在區(qū)間s1，若磁鏈開關信號是“0”，轉矩開關信號是“1”，則要求減小磁鏈、增大轉矩，經(jīng)表判斷，給定子施加電壓矢量us2;若轉矩開關信號為“0”，應該給定子施加零狀態(tài)電壓;若磁鏈開關信號為“1”，轉矩開關信號為“1”，應增加磁鏈和轉矩，經(jīng)表判斷，給定子施加電壓空間矢量us1;同理可選擇其他情況下的電壓空間矢量。

4 新型轉矩控制器

該新型轉矩控制器針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中由于滯環(huán)比較器產生轉矩脈動的問題，可提供恒定轉矩開關頻率。其結構如圖3所示。其輸出為1，0和-1三種狀態(tài)，用q（t）表示其轉矩的誤差狀態(tài)，即：

用d（t）表示q（t）的平均值，我們稱之為連續(xù)占空比，該值在-1到1間。

5 結束語

本課題提出了異步電機的基本工作原理及優(yōu)缺點，并對低速運行時轉矩脈動大的問題提出了幾種解決方法，這幾種方法的實現(xiàn)各有優(yōu)缺點，應根據(jù)實際應用加以選擇并進行改進。

參考文獻：

[1]趙朝星，申群太.一種改進的直接轉矩磁鏈和轉矩方法研究[J].科學技術與工程，2008（03）：660-663+671.

[2]崇鑫.減小轉矩脈動的異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究[D].西安理工大學，2007.

[3]張德宏，等.永磁同步電機直接轉矩控制理論基礎與仿真研究[J].中國新技術新產品，2010（15）：11.