應用SVM的異步電動機直接轉矩控制仿真
鄭黎明1，畢廣明2，吳捷1
(1華南理工大學，廣東廣州515640；2汕頭大學，廣東汕頭515063)
摘要：為了減小傳統直接轉矩控制的磁鏈和轉矩脈動，采用參考電壓矢量計算模塊和空間電壓矢量調制(SVM)模塊取代滯環比較器和開關矢量表，并利用Matlab／Simulink仿真軟件建立矢量調制的異步電動機直接轉矩控制系統模型。磁鏈環節電壓矢量經過簡單計算得出，轉矩環節電壓矢量被有效的分解后由轉矩PI控制器和轉子轉速與定子磁鏈乘積給出。仿真結果表明，該直接轉矩控制系統設計正確，達到了良好的控制效果。
關鍵詞：直接轉矩控制；參考電壓矢量；矢量調制；仿真
中圈分類號：TM346 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0049—03
0引 言
直接轉矩控制技術控制方法簡單、轉矩響應快、魯棒性好、且便于數字化實現，但低速區存在較大磁鏈和轉矩脈動。文獻[1]提出許多改進和解決方案，比如縮短控制周期、細化開關矢量表，而采用空間電壓矢量調制的控制方法表現尤為突出。
空間矢量調制的直接轉矩控制方法重點在于參考電壓矢量的計算。無差拍方法是由T．G．Hahetler提出，主要思想是在一個采樣周期內得到轉矩的給定值與反饋值之差，求解出使轉矩誤差和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量。文獻[2]通過求解基于電機方程的磁鏈及轉矩的二次方程獲得參考電壓矢量，計算復雜，依賴于電機參數。文獻[3]是在定子磁鏈參考坐標系下，磁鏈和轉矩的分別控制的無差拍方法，計算復雜度降低，仍依賴于電機參數。為了簡化計算，文獻[4]在定子磁鏈參考坐標系下，采用雙PI控制器直接獲取電壓參考矢量，計算量減小，但PI參數整定復雜。磁鏈矢量偏差法是通過快速改變每個周期內定子磁鏈轉過的角度控制轉矩，維持磁鏈幅值恒定，利用角度和幅值變化合成參考電壓矢量。文獻[5]是通過轉矩的變化率與轉差突變近似成比例，利用PI調節器獲得角度變化量。文獻[6]是從電機基本方程出發，精確推導得出角度變化量。同樣，利用非線性方法和智能控制能夠很好的獲得電壓參考矢量，文獻[7]利用滑模變結構控制方法得到。
本文從直接轉矩控制的基本原理出發，在定子磁鏈參考坐標系下，基于磁鏈和轉矩的分別控制的無差拍方法，把參考電壓矢量有效分解后采用相應的調節方法獲得，更好地包含了磁鏈和轉矩信息，有效減小了磁鏈和轉矩脈動。
1異步電動機模型
旋轉參考坐標系下，異步電動機模型是：
式中：us、is和λs為定子電壓矢量、電流矢量和磁鏈矢量，is和λs為轉子電流矢量和磁鏈矢量，Rs和Ls為定子電阻和電感，Rr和Lr為轉子電阻和電感，Lm為互感，ωref和ωr為參考坐標系轉速和轉子轉速，p為電機極對數，Te為電磁轉矩，下標s、r和d、g代表定子和轉子分量及兩相坐標系下分量。
2.DTC—SVM控制方法
2．1 DTc—sVM基本原理
sVM是在一個控制周期內，按照sVM算法，在不同的扇區內，從逆變器的8個基本空間電壓矢量中選擇合適的矢量來合成目標矢量。如圖1所示。
Uref為參考電壓矢量，U1、U2為相鄰電壓矢量，T0、T1、T2分別是一個控制周期T中零矢量和相鄰矢量的作用時間。由平行四邊形法則得出，各扇區電壓矢量合成原理如下[2]：
特別地，參考電壓矢量較大，即T1+T2>T時，取
DTc—sVM是通過保持定子磁鏈幅僮基本恒定，快速改變定轉子磁鏈之問轉差的直接轉矩控制來獲得參考電壓矢量，這個參考電壓矢量包含磁鏈控制和轉矩控制的信息，以svM取代基本的開關矢量表去合成目標矢量實現電機控制。
2.2改進無差拍控制方法實現
2．2.1 d軸電壓參考矢量
在定子磁鏈參考坐標下，q軸磁鏈矢量恒為零，磁鏈動態特性完全由d軸電壓矢量控制。則有：
當T為采樣周期，k為采樣時刻，有
由無差拍方法知，k+1時刻定子磁鏈等于給定值λ，式(8)離散化后與式(9)聯立，得到：
2．2．2 q軸電壓參考矢量
轉矩給定通過轉速PI控制器獲得。在式(1)中，令參考坐標系轉速等于定子磁鏈轉速，ω ref=ω e，有：  在定子磁鏈參考坐標系下，式(5)的轉矩表達式為：
當定子磁鏈幅值基本恒定后，轉矩只與口軸電流有關。由式(2)～(4)可知，q軸電流與定子磁鏈轉速關系為：
式中：σ——漏感系數；
Tt——轉子時間常數。
代入式(11)，可得：
又k+l時刻轉矩等于給定值Te，聯立式(12)和式(14)并離散化后得：
在磁鏈幅值恒定情況下，isd保持恒定，H1和H2為定值。但定子磁鏈幅值和電流不能完全保持，且電機參數隨環境變化。在轉矩控制環節，H1Te+H2Te(k)引入PI控制器實現，降低對電機參數和觀測值的依賴。轉速和定子磁鏈由傳感器和估計環節給出，穩態情況即為給定輸入。兩部分共同構成定子q軸電壓參考矢量，使得t很好地跟蹤Te。
求出完整的空間電壓參考矢量后，經由dq／αβ轉換環節，得出sVM所需兩相靜止坐標系下參考電壓矢量。利用逆變器開關狀態S ab c、直流母線電壓V dc和定子三相電流I ab c，獲得靜止坐標系下的定子電壓和電流。估計磁鏈幅值Ψ、估計轉矩T e及定子磁鏈角θ的三角函數值由下式計算：  利用Matlah／Simulink仿真軟件，構建空間矢量建制的異步電動機直接轉矩控制系統仿真模型，如圖2所示。電機測量模塊為simulink自帶模塊，輸入m由異步電動機直接獲得，輸出定子dq軸磁鏈λqd,轉子機械轉速ωm和轉矩Tm為控制系統觀測輸出。
3仿真結果分析
利用Matlab／simulink仿真軟件，實現了上述DTc—sVM控制策略。仿真所用異步電動機系統預設模型，額定功率4 kw，額定電壓400v，額定頻率50 Hz，額定轉速1 430/mln，定子電阻1．405Ω，定子電感5.839 mH，轉子電阻1.395Ω，轉子電感5．839 mH，互感O．172 2 H，極對數為2。分別在傳統直接轉矩控制和改進型直接轉矩控制的仿真系統中，由零負載轉矩起動，O．2 s時刻施加負載轉矩20N·m，直流母線電壓為800 V，除了仿真控制策略算法外，其他條件保持一樣，盡量達到更好的比較效果。
圖3為采用DTc和DTc—sVM策略的磁鏈幅值、轉矩和轉速仿真波形，磁鏈幅值給定為l 4 wb，
初始轉速給定為100rad／s，0.l s時降至80 rad／s，系統動態響應相當，DTc—sVM有效減小了定子磁鏈和轉矩脈動。
4結語
為了減小傳統直接轉矩控制系統的磁鏈和轉矩脈動，本文在分析異步電動機數學模型的基礎上，結合無差拍方法，采用參考電壓矢量計算模塊和空間電壓矢量調制模塊取代滯環比較器和開關矢量表，改進轉矩控制環節，PI控制器輸出對應輸出轉矩的q軸電壓，降低對參數和觀測值的依賴，轉速與定子磁鏈乘積是保持電機轉速和磁鏈為給定值的基礎，在sIMULJINK仿真環境下建立系統仿真模型。仿真結果表明，與傳統直接轉矩控制系統相比，在不影響動態性能的情況下，有效地減小了磁鏈和轉矩脈動，并為設計DTc—sVM的異步電動機直接轉矩控制實際系統提供了有效的方法和工具。 
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