基于参考磁链增量的直接转矩控制系统研究

徽电机　中图分类号：ＴＭ３４３　．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１－６８４８（２００８）０６—００４８—０３　基于参考磁链增量的直接转矩控制系统研究　尚重阳，高社生，普清民　（西北工业大学自动化学院，西安７１００７２）　摘要：根据定子磁链的期望增量计算出参考电压矢量。参考电压矢量由空间电压矢量调制技　术合成产生。利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ构建了系统模型，给出了仿真结果。表明系统能够更好地控　制定子磁链和转矩的脉动，并在低速下也具有良好的性能。　关键词：直接转矩控制；空间矢量调制；转矩脉动；异步电动机　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｆｌｕｘ　ＳＨＡＮＧ　Ｃｈｏｎｇ・ｙａｎｇ，ＧＡＯ　Ｓｈｅ—ｓｈｅｎｇ，ＰＵ　Ｑｉｎｇ—ｍｉｎ　（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７　１　００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＭ）、Ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｅｆ－　ｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｔｉｐｐｌｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ，ｅｓｐｅｃｉａｌｙ　ａｔ　ｌｏｗｅｒ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｎｇｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｏｒｑｕｅ　ｔｉｐｐｌｅ；Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　０　引　言　１　基于参考磁链增量的直接转矩控制　在传统的直接转矩控制系统中，由于采用两　１．１定子参考电压矢量计算　个滞环比较器以及利用数目有限的基本电压矢量　根据异步电机理论可知：　实现对转矩和磁链的分别控制，导致其存在较大　的转矩脉动，特别是在低速阶段。文献［２］提出一　：／￣ｓ　ｆ一　一Ｒｓｆｓｉ‘ｓ　（１）　种预测ＤＴＣ算法，通过分别计算转矩和磁链与各　式中，　、ｉ　分别为定子电压、定子电流矢量；Ｒ　自设定值的误差，推导出下一采样周期期望的电　为定子电阻。　压矢量。明该方法有效地抑制了转矩和磁　在实际运行中，保持定子磁链的幅值为恒定　链的脉动，然而该算法过于复杂。文献［３］提出一　值，以便充分利用电动机。如果定子磁链脉动控　种离散电压空间矢量调制技术，通过将一个采样　制的越小，那么转矩的脉动也就越小，同时电流　周期等分成三个时间段，不同阶段施加不同的基　的脉动也会越小，就会获得更好的系统性能。　本电压矢量，从而合成出３７个电压矢量，有效减　假定当前周期的定子磁链矢量为　（ｎ），下　小了低速时的转矩脉动，但在中速和高速区域效　一个采样周期的定子磁链矢量为　（ｎ＋１），其幅　果不是很明显，并且对磁链和电流的控制效果与　值为给定值　则式（１）可用图１的矢量三角形　传统方法相差不大　。本文从磁链预测控制的角　来表示。由图１知：　度出发，提出一种能够有效减小转矩和磁链脉动　△　＝　（ｎ＋１）一　（ｎ）　（２）　的方法。该方法计算量小、控制简单，通过与传　统直接转矩控制方法进行仿真比较，证明其能有　用Ｏ／、口分量表示，则为：　效地减小和抑制转矩和磁链的脉动，具有优良的　△　＝　（ｎ＋１）一　（ｎ）　…　性能。　△　＝　（ｎ＋１）一　（ｎ）　　。从而有：　△　＝　焉１＂ｓｒｅｆ［、　ｃｏｓＡ０一　ｓｉｎＡ０）（４）　收稿日期：２００６—１１・Ｏ１　√虼＋　・铝・　维普资讯 http://www.cqvip.com 基于参考磁链增量的直接转矩控制系统研究尚重阳，等　△　专ｃ　ｃｏｓＡ０＋　㈣式中，Ａ０为磁链角增量。　图１定子磁链增量计算　根据式（４）和式（５）计算出△　和△　后，　就可以利用式（１）的关系计算出下一个周期期望施　加的定子参考电压矢量，即：　ｕ三＝Ｒ　ｉ　＋△　／　…　ｕ品＝Ｒ　ｉ　＋△　／　１．２空间电压矢量脉宽调制ＳＶＰＷＭ　典型的ＳＶＰＷＭ实质是一种对在三相正弦波中　注入零序分量的调制波进行规则采样的一种变形　ＳＰＷＭ。相较ＳＰＷＭ，ＳＶＰＷＭ可以实现更高的电源　利用率，因此在交流传动领域已获得越来越广泛的　应用。假定期望的参考电压矢量如图２所示位置。　Ｕ２（０１０）　口Ｕ６（１１Ｏ１　’Ｉ＼　７　ｕ＼　／　　－ｕ　图２空Ｉ司电压矢量的合成　由平均值等效原理：　Ｕｏｕ，＝≥　＋　（６）　式中，　、　分别为相邻基本电压矢量　和　的作用时间。可以计算出：　＝寻（　一字　Ｔ／Ｕｄ　ｆ７）　Ｔ２＝√３　。Ｔ／Ｕａ　式中，　为逆变器直流侧电压。　在一个完整的调制周期　内，除了　和　的　导通时间，其余为０状态作用时间。０状态作用时　间为两个０状态　和　轮流作用。用公式表示：　Ｔｏ＝Ｔ—　一　（８）　根据以上关系可得到对应开关状态信号如图３　所示。　９　／　ｉ　＼　　ｉ；　ｒｏ／４　￡　Ｉ　　：Ｉ　￡　　＿广＿＿］　￡　图３空Ｉ司矢量调制逆变器开关信号　类似可以得到其他区段逆变器开关的调制　信号。　１．３系统实现方案　采用ＳＶＰＷＭ技术的直接转矩控制系统如图４　所示［５－７］。　图４系统框图　转矩偏差△　经ＰＩ调节后得到磁链角增量　Ａ０，结合式（６）即可得出期望参考电压矢量ｕ二、　ｕ　，再利用ＳＶＰＷＭ技术调制出所需的逆变器开关　信号，就可以获得优良的系统性能。　２　仿真结果　仿真所用电机参数如下：电机选用三相异步　鼠笼电机，额定功率Ｐ　＝２．２　ｋＷ，额定电压ｕＮ＝　３８０，定子电阻Ｒ。＝０．４３５欧，转子电阻Ｒ　＝０．８１６　欧，定子漏感Ｌ　＝０．００２　Ｈ，转子漏感Ｌ　＝　０．００２　Ｈ，定转子互感Ｌ　＝６９．３１　ｍＨ，转动惯量．，　＝０．０８９　ｋｇ・ｍ　。仿真曲线如图５和图６所示。　仿真中电机速度给定均为１０　ｒａｄ／ｓ，采样周期　１００　ｓ。从仿真波形可以看出，通过对定子磁链进　行预测控制，结合ＳＶＰＷＭ技术，改进后的直接转　矩控制系统较传统直接转矩控制系统性能有极大　的改善，从而验证了所用算法的合理性和有效性。　３　结　论　空间矢量脉宽调制技术通过基本电压矢量的　合成，可以构造出任意期望的电压矢量，从而可　以更好地实现系统的控制，获得优良的系统性能；　通过计算定子磁链增量预测期望电压矢量的方法　计算量小，结构简单，与ＳＶＰＷＭ结合可以获得一　种较好的ＤＴＣ控制方法。　・４９．　维普资讯 http://www.cqvip.com

６０　５０　４０］　罨３０　２０　ｌ０　｝ｌ＿　一　０　０．１　０．２　０．３　０．４　０．５　０．６　ｔ／ｓ　（ａ）定子磁链　（ｂ）电磁转矩　（ｃ）ａ相电流　图５改进直接转矩控制系统仿真波形　ｌ　６０　１００　０　８　０．６　５０　８０　Ｏ．４　ｇ　４０　６０　●　０．２　０　乏３０　４０　●—０．２　２０　＿　　，．．－—０．４　１０　－　二：　＇・＿ｌ｛　　２０　０　；　—０．６　—２０　ｉ　『：　－０．８　０　－４０　—一ｌ　１０　—．０８－Ｑ６州一ｌ２　０（２２０．４０６０８　１　０　０．１　０．２　０．３　０．４　０．５　０．６　６０　０　０．１　０．２　０．３　０．４　０．５　０．６　ｔ／ｓ　ｔｌｓ　（ａ）定子磁链　（ｂ）电磁转矩　（ｃ）ａ相电流　图６传统直线转矩控制系统仿真波形　参考文献　［５］Ｊ．Ｋ　Ｋａｎｇ，Ｓ．Ｋ．Ｓｕ１．Ｎｅｗ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｒｉｐｐｌｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｆｒｅ—　［１］胡虎，李永东．交流电机直接转矩控制策略现状与趋势［Ｊ］．　ｑｕｅｎｃｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９９．３５　电气传动，２００４，３４（３）：３－８．　（５）：１０７６—１０８１．　［２］徐进，张学．基于ＳＶＰＷＭ的ＤＴＣ转矩脉动减小研究［Ｊ］．　［６］ＬｉｘｉｎＴａｎｇ，Ｍ．Ｆ．Ｒａｈｍａｎ．Ａ　Ｎｅｗ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔ—　电力自动化设备，２００５，２５（６）：４１４３．　ｅｇｙ　ｆｏｒ　Ｆｌｕｘ　Ｒｉｐｐｌｅ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆｒ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒｓ　Ｄｒｉｖｅ　ｂｙ　Ｕｓｍｇ　【３］Ｄｏｍｅｎｉｃｏ　Ｃａｓａｄｅｉ，Ｇｊｏｖａｎｎｉ　Ｓｅｒｒａ．Ｉｍｐｌｅｍ—ｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅ￣ｏｒ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰＥＳＣ　Ｒｅｃｏｒｄ　ＩＥＥＥ，２００１：　ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　１７－２１．　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍｅｄｕｌａｔｉｏｎ『Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅ１ｅｃ－　［７］　程善美，姜向龙，孙文焕，等．空间矢量ＰＷＭ逆变器的仿　ｔｒｏｎｉｃｓ，２０００，１５（４）：７６９－７７７．　真［Ｊ］．微电机，２００２。３５（４）：３０－３３．　１４ｊ　Ｐ．Ｍａｒｉｎｏ，Ｍ．Ｄ＇Ｉｎｃｅｃｃｏ．Ａ　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎ．　ｔｅｒｌ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｐｏｒｔｏ　Ｐｏｗｅｒ　作者简介：尚重阳（１９７５一），男，陕西泾阳人，硕士研究生　Ｔｅｃｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００１，　西安航专教师，研究方向为控制理论与控制工程。