一種異步電機(jī)SVPWM直接轉(zhuǎn)矩仿真分析

景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院 王發(fā)良

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)采用兩點(diǎn)式滯環(huán)控制產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，直接控制逆變器的開關(guān)器件，因而響應(yīng)速度快。然而，在傳統(tǒng)DTC中，由于轉(zhuǎn)矩控制采用的是離散的滯環(huán)控制，而滯環(huán)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈偏差的正負(fù)來確定輸出電壓矢量，而不考慮偏差的大小。此外，傳統(tǒng)DTC采用開關(guān)表的方式控制逆變器開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使得逆變器的開關(guān)頻率不恒定，容易造成轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。針對(duì)上述問題，本文對(duì)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了優(yōu)化，提出了基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，利用PI控制器取代滯環(huán)控制器，并采用SVPWM取代開關(guān)表，仿真結(jié)果表明基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制有效減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是上世紀(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(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。基于定子磁鏈定向，利用滯環(huán)控制并結(jié)合扇區(qū)判斷產(chǎn)生PWM信號(hào)直接控制逆變器開關(guān)期間的導(dǎo)通與關(guān)斷，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(jiǎn)單，便于理解。但是傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制由于采用了滯環(huán)控制器和開關(guān)表生成電壓電壓矢量，容易造成控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。針對(duì)上述問題，本文利用PI控制器和SVPWM分別取代滯環(huán)控制器和開關(guān)表，仿真結(jié)果表明，該方案能夠有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。

1 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理：轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速反饋的誤差通過PI調(diào)節(jié)器生成轉(zhuǎn)矩給定值。轉(zhuǎn)矩給定和利用轉(zhuǎn)矩模型得到的轉(zhuǎn)矩估算值進(jìn)行比較之后代入到轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，同理將磁鏈給定和利用磁鏈模型得到的磁鏈估算值進(jìn)行比較之后代入到磁鏈滯環(huán)比較器。將轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出量、磁鏈滯環(huán)比較器輸出量以及扇區(qū)判斷得到的結(jié)果代入開關(guān)表，得到合適的電壓矢量，對(duì)逆變器的開關(guān)器件進(jìn)行控制，從而逆變器輸出相應(yīng)的電壓控制電機(jī)。

2 基于SVPWM的異步直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

2.1 基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩基本原理

基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的不同之處在于：1）用PI控制器取代磁鏈滯環(huán)控制器和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器，在控制時(shí)不再僅僅簡(jiǎn)單考慮給定和反饋之間誤差的正負(fù)性，而是考慮誤差大小和方向，控制精度更高；2）用SVPWM模塊取代開關(guān)表，可以通過基本電壓矢量的組合實(shí)現(xiàn)任意的輸出電壓矢量，此外，采用SVPWM技術(shù)后，逆變器的開關(guān)頻率固定，能夠有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

2.2 SVPWM的基本原理

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)給定電壓矢量相鄰的的兩個(gè)基本電壓矢量和零矢量的作用時(shí)間進(jìn)行控制，使得三者的矢量和的平均值等于給定電壓矢量，此即SVPWM的實(shí)質(zhì)。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，通過控制逆變器的開關(guān)器件的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)基本電壓矢量及零矢量的作用時(shí)間的控制，從而控制合成的電壓矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，即利用對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)的控制產(chǎn)生了圓形磁通，最后將實(shí)際磁通圓和磁通圓比較，決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，最終產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波。

對(duì)于任意一個(gè)給定電壓矢量，都能等效為與其相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量和零矢量的組合。以第一扇區(qū)為例：

式中：T1、T2、T0三者之和為采樣周期TS；其中：U0為零電壓矢量包括U0、U7。

由式(2)可知，對(duì)于一個(gè)任意給定的電壓矢量，都能夠表示為基本電壓矢量和零矢量組合。因此只要對(duì)基本電壓矢量和零矢量的作用時(shí)間進(jìn)行合理選擇，便可實(shí)現(xiàn)合成的電壓矢量運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，最終實(shí)現(xiàn)磁鏈光滑。

3 仿真分析

在Matlab2018b中的simulink下建立如圖1所示基于SVPWM的異步電機(jī)DTC仿真模型，電機(jī)基本參數(shù)如下：Pn=4kW，Un=220V，極對(duì)數(shù)為2，定子電阻Rs=1.45Ω。

圖1 基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

仿真設(shè)置：給定轉(zhuǎn)速800r/min，給定磁鏈1wb，0.1s加載50Nm，0.15s減載50Nm。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2和圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)DTC和基于SVPWM的DTC磁鏈波形

圖3 傳統(tǒng)DTC和基于SVPWM的DTC轉(zhuǎn)矩波形

由圖2可知，對(duì)于傳統(tǒng)DTC控制，在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，其定子磁鏈跟蹤有明顯誤差；而對(duì)于基于SVPWM的DTC控制，其定子磁鏈跟蹤良好。說明采用SVPWM技術(shù)之后，能夠有效減小定子磁鏈的波動(dòng)。

由圖3可知與傳統(tǒng)DTC控制相比，基于SVPWM的DTC控制的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度更小，轉(zhuǎn)矩變化更平穩(wěn)。

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)矩控制由于采用了滯環(huán)控制和開關(guān)表，使得轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生波動(dòng)，影響了其控制性能。本文采用PI調(diào)節(jié)器代替滯環(huán)比較器，并將SVPWM技術(shù)引入到異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，仿真表明相比于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制，基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小。