异步电机传统的直接转矩控制算法

导读：本期主要介绍异步电机传统的直接转矩控制算法，包括开关表加入零矢量和未加入零矢量两种类型。通过理论和仿真分析，将两种传统DTC的控制性能做一个对比。

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一、异步电机DTC控制

1.1控制思想

在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。

直接转矩控制采用两个滞环比较控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过PWM逆变器来实现对异步电动机的控制。整个控制系统框图如下：

图1异步电机直接转矩控制系统仿真 异步电机直接转矩控制是采用对电磁转矩直接控制的思想，它摒弃了矢量控制方式， 需要众多电机参数，对控制变量进行复杂的解耦的缺点。直接转矩控制采用的是对电机的转矩和磁链直接控制的方式，通过建立滞环比较器对转矩给定与磁链幅值给定与各自对应的实际值偏差进行调节，其控制方式简单，动态响应快。

图2 定子磁场定向

1.2基本原理与控制模块 异步电机在静止坐标系下的电压方程如公式（1）所示。

当电机转速不是很低时，定子电阻上的压降对于定子磁链产生的感应电动势来说较小，可以忽略。

在电机学中，当电机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速、等幅值旋转，它的矢量端的运动轨迹呈圆形，一般称为矢量圆。

定子磁链旋转矢量可用下式表示：

图3磁链圆

简单分析可知，当施加的电压矢量与当前定子磁链之间的夹角等于90°时，定子磁链幅值不变，而当夹角小于90°时，定子磁链幅值增加，当夹角大于90°时，定子磁链幅值减小。

在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子 磁链的函数：

图4定子磁链圆轨迹扇区图

表1 逆变器电压矢量开关表（加入零矢量） 表2 逆变器电压矢量开关表（未加入零矢量） 1.2.1定子磁链观测器

定子磁链观测器一般观测方法有电压型磁链观测器、电流型磁链观测器、混合模型磁链观测器和全阶磁链观测器等。

1.2.2转速环

PI参数的整定方法：（1）试凑法；（2）计算法；

二、仿真分析 仿真设置：给定转速150/min，给定磁链0.85 Wb，0.4 s加载14nm。传统DTC和加入零矢量的直接转矩控制的磁链、转速和转矩的仿真结果分别如图5和图6所示。

（a）开关表（加入零矢量）

（b）开关表（未加入零矢量） 图5 异步电机直接转矩控制系统仿真

（a）开关表（未加入零矢量）

（b）开关表（加入零矢量） 图6 异步电机传统DTC仿真波形变化情况

对比图 6（a）和（b），可以得到以下结论：1）零矢量的加入，影响定子磁链；2）零矢量的加入使得转速超调更小；3）加入零矢量的DTC相比于传统的DTC，转矩波动明显减小。

三、总结 直接转矩控制由于其快速响应特性，广泛应用于异步电机控制领域，然而，传统的直接转矩控制存在转矩波动等问题，影响了其控制性能。利用零矢量具有保持转矩的特性，将其加入到异步电机转矩控制当中，仿真结果表明，零矢量的加入能够有效减小转矩波动。