电机直接转矩控制的研究报告及其发展

电机直接转矩控制的研究及其发展

摘要：异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种具有良好的静态与动态性能的交流传动控制技术。本文在研究了传统的直接转矩控制系统的基础上，介绍一种新型的定子磁链观测器和调节器，采用新型的电压矢量选择表代替传统的电压矢量选择表，最后叙述了直接转矩控制的发展方向。

关键词：异步电机，直接转矩控制，定子磁链观测器

Research of Direct Torque Control of Asynchronous Motor Abstract: Following the Vector Control (VC) technique, Direct Torque Control (DTC) of asynchronous motor is an

AC driving control technique which has high static and dynamic performance. On the basis of the study of the traditional DTC, a new stator flux observer and controller is proposed in this paper, and the traditional voltage vector selection table is replaced by a new selection table. The last, this paper describes the direction of development of Direct Torque Control.

Key Words: asynchronous motor，DTC，stator flux observer

1 异步电机调速系统控制策略发展概况

异步电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有明显的优势，使它已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。早期交流调压调速系统的主回路基本上都采用SCR开关器件，输出的电压或电流波形中含有较多的谐波，造成电机转矩脉动大，功率因数较差。随后发展的滑差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算太复杂，己能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略差一些。原因在于，其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因而在系统设计时，不得不做出较强的假设，忽略较多的因素，才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差较大，系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。

1971年，德国学者F.Blaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论[1]，标志着交流调速理论的重大突破。1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点。直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机做比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动

机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用电子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM 信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。

2 传统的直接转矩控制系统原理

传统的直接转矩控制的结构框图如图：2-1所示[6]

。其根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器输出的开关信号TQ 和ϕT ，以及定子磁链所在的扇区信号sector ，从已知的定子电压开关信号选择表中选择合适开关状态，控制逆变器输出空间电压矢量，以维持转矩和定子磁链的偏差在滞环比较器的容差X 围内，从而实现对转矩和磁链的直接控制。定子磁链和电磁转矩的反馈值，可由磁链和转矩计算单元观测得到。之前已经介绍了电压型逆变器和异步电机的数学模型，下面再对传统直接转矩控制系统的其他组成部分得工作原理进行简要说明。

e T ψ图2-1 传统的直接转矩控制系统的结构框图

2.1 磁链和转矩计算单元

直接转矩控制中，定子磁链是不能直接检测的，需要通过定子磁链观测器观测得到。

用定子电压和定子电流来确定定子磁链的观测器模型叫电压—电流定子磁链模型，可得定子磁链的i u -模型的矢量表达式：

⎰-=dt i R u s s s s ˆψ（2-1）

s

i

s

u s

ˆ

图2-2 定子磁链的i u -模型框图

模型框图如图2-2所示。该模型结构简单，受参数影响小，适用X 围在额定转速30%以上。由于s s s U I R -值较大，测量误差及积分漂移的影响就变得微不足道；采用

此模型能比较准确地观测出定子磁链。但是当电机在低速运行时，s s s U I R -的值将变得很小，由于定子电阻s R 参数变化及测量所带来的误差会把实际值淹没掉，而且积分器漂移的影响也变得严重起来，从而就无法有效使用该模型。因此，当电机转速较低时定子磁链的观测就不能再采用电压一电流模型了，而是要采用电流—转速模型，即根据定子电流和转速来观测定子磁链。 用定子电流和转速来确定定子磁链的观测器模型叫电流—转速定子磁链模型，在30%额定转速以下时，能准确比较观测定子磁链。

由以上得：

s s r r

m s i L L L ˆˆˆˆˆˆσ

ψψ+=（2-2） r r s m r r r T j i L dt

d T ψωψψˆˆˆˆˆˆ +=+（2-3）

式（2-2）（2-3）组合得到定子磁链的n i -模型，模型框图如图2-3所示[7]

。

从式（2-2）（2-3）可以看出，在计算过程中需要用到的电机参数有s L 、r T 、m L 和σ。需要采集的输入变量为定子电流s i

和电机转速r ω。较i u -模型，n i -模型的表达式较为复杂，计算量也相对增加。

i

ωs

ˆ

图2-3 定子磁链的n i -模型框图

计算定子磁链需要的定子两相电压α

s u 和βs u 的是根据逆变器开关信号a S 、b S 、

c S 和直流侧电压

d U 的值计算得到的

d

c b s d

c

b a s U S S u U S S S u 3

3

2-=--=β

α（2-4）

定子两相电流αs i 和βs i 通过3/2变换获得，再根据三相电流的关系式

0=++c b a i i i 进行化简，得到计算式为：

b

a s a s i i i i i 3

3233+==β

α（2-5） 定子磁链幅值计算表达式为

)(22βαψψψs s s -=（2-6）

电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算

)(2

3

βααβψψs s s s p e i i n T ⋅-⋅=

（2-7） 式中p n 为电机极对数。 2.2 磁链调节器

磁链调节器功能是根据定子磁链幅值

实际值s ψ和幅值给定值*

s ψ的偏差确定磁

链开关信号ψT 。其工作原理是根据定子电压和定子磁链的矢量表达式

⎰-=dt i R u s s s s

ψ（2-8）

由于定子电阻通常很小，在分析时若忽略定子电阻压降的影响，则有[8]

⎰≈dt u s s

ψ（2-9）

式（2-9）上式表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，即增量关系，定子磁链矢量的变化方向跟随电压

空间矢量的变化方向。因此，如要使定子磁

链轨迹为图2-4所示的半径为*s ψ，容差X