異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真與研究*

王發(fā)良 ， 劉邦雄 ， 梅立雪

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一種新型電機(jī)控制技術(shù)，直接在定子坐標(biāo)系下對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制[1]。基于定子磁鏈定向，采用離散的兩點(diǎn)式滯環(huán)控制器產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器開關(guān)期間的狀態(tài)進(jìn)行控制，因而響應(yīng)速度快。

相比較于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制省去了矢量解耦控制，控制簡單，便于理解。但是傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制由于采用了兩點(diǎn)式的滯環(huán)控制器對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，造成控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動[2]。針對此問題，課題組利用零矢量具有保持轉(zhuǎn)矩的特性，在傳統(tǒng)的兩點(diǎn)式滯環(huán)轉(zhuǎn)矩控制器中加入零矢量，構(gòu)成三點(diǎn)式滯環(huán)控制器，從而有效減小了轉(zhuǎn)矩波動。

1 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為[3]：

圖1 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器一般采用PI控制，內(nèi)環(huán)采用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)、磁鏈滯環(huán)控制，其基本工作原理如下：給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際測量轉(zhuǎn)矩的誤差通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器生成轉(zhuǎn)矩給定，轉(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)矩模型估算出的轉(zhuǎn)矩的誤差通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，生成轉(zhuǎn)矩偏差信號TQ；同理，磁鏈給定和磁鏈模型估算出的磁鏈的誤差通過磁鏈滯環(huán)比較器，生成磁鏈偏差信號ΨQ；最后，根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差信號TQ、磁鏈偏差信號ΨQ以及定子磁鏈所屬扇區(qū)θ選擇合適的電壓空間矢量，對逆變器進(jìn)行控制，達(dá)到控制異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的目的。

1.1 磁鏈觀測模型

利用傳感器測量得到的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)速等信息，能夠?qū)Χㄗ哟沛湹姆岛拖辔贿M(jìn)行實(shí)時估計[4]。電壓電流（U-I）模型方程是最常用的定子磁鏈觀測模型。

1.2 磁鏈控制

磁鏈控制采用的兩點(diǎn)式的滯環(huán)比較器，當(dāng)給定信號和反饋信號之間的誤差超出誤差下限時，要減小磁鏈幅值，此時輸出ΨQ為0；當(dāng)給定信號和反饋信號之間的誤差超出誤差上限時，要增大磁鏈幅值，此時輸出ΨQ為1；當(dāng)給定信號和反饋信號之間的誤差在允許范圍內(nèi)，不進(jìn)行控制。如圖2所示。

圖2 兩點(diǎn)式磁鏈滯環(huán)比較器

1.3 轉(zhuǎn)矩觀測模型

根據(jù)式（1），可以得到靜止兩相坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩觀測器的表達(dá)式：

1.4 轉(zhuǎn)矩控制

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制一樣，采用的也是兩點(diǎn)式的滯環(huán)比較器，但當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)矩反饋之間的誤差在允許范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩不受控會引起轉(zhuǎn)矩波動[5]。針對此問題，本課題組采用三點(diǎn)式的滯環(huán)比較器，當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)矩反饋之間的誤差超出上限和下限時，其操作和兩點(diǎn)式一樣，唯一不同之處在于，當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)矩反饋之間的誤差在允許范圍內(nèi)，利用零矢量具有保持電磁轉(zhuǎn)矩的作用的特性，引入了電壓零矢量，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動[6]。如圖3所示。

圖3 三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器

1）給定轉(zhuǎn)矩值和測量轉(zhuǎn)矩值的誤差小于誤差下限時，要減小電磁轉(zhuǎn)矩，此時輸出TQ=-1；

2）給定轉(zhuǎn)矩值和測量轉(zhuǎn)矩值的誤差在允許范圍內(nèi)時，電磁轉(zhuǎn)矩要保持不變，此時輸出TQ=0；

3）給定轉(zhuǎn)矩值和測量轉(zhuǎn)矩值的誤差大于誤差上限時，要增加電磁轉(zhuǎn)矩，此時輸出TQ=1。

1.5 扇區(qū)判斷

扇區(qū)劃分方法如下：

基于αβ坐標(biāo)系下的扇區(qū)劃分圖如圖4所示。

圖4 扇區(qū)劃分圖

1.6 定子電壓空間矢量開關(guān)表

確定了轉(zhuǎn)矩偏差信號TQ、磁鏈偏差信號ΨQ以及定子磁鏈所屬扇區(qū)θ，就可以選擇合適的電壓空間矢量。經(jīng)過分析可得到如表1、表2所示兩種開關(guān)表。

表1 開關(guān)表（未加入零矢量）

表2 開關(guān)表（加入零矢量）

2 仿真分析

在Matlab2018b中的simulink下建立如圖5所示加入零矢量的異步電機(jī)DTC仿真模型，電機(jī)基本參數(shù)如下：Pn=4 kW，Un=220 V，極對數(shù)為2，定子電阻Rs=1.45 Ω。

圖5 加入零矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

仿真設(shè)置：給定轉(zhuǎn)速800 r/min，給定磁鏈1 Wb，0.1 s加載50 nm，0.15 s減載50 nm。傳統(tǒng)DTC和加入零矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)DTC算法

圖7 加入零矢量的DTC算法

對比圖6和圖7，可以得到以下結(jié)論：1）零矢量的加入，不影響定子磁鏈；2）零矢量的加入使得轉(zhuǎn)速超調(diào)更小；3）加入零矢量的DTC相比于傳統(tǒng)的DTC，轉(zhuǎn)矩波動明顯減小。

3 結(jié)論

直接轉(zhuǎn)矩控制由于其快速響應(yīng)特性，廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)控制領(lǐng)域，然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩波動等問題，影響了其控制性能。利用零矢量具有保持轉(zhuǎn)矩的特性，將其加入到異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中，仿真結(jié)果表明，零矢量的加入能夠有效減小轉(zhuǎn)矩波動。