浅析异步电动机直接转矩控制系统

宋晓君 杨海蛟

（哈尔滨电力职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

0 前言

基于交流调速具有显著的优越性，以电力电子器件及计算机技术的不断发展为支撑，20世纪90年代以来，异步电动机变频调速技术得到了快速发展。目前广泛研究应用的调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。相比于其他变频调速技术，直接转矩控制具有系统结构简单、动态性能更好、鲁棒性强等优势。该文就异步电动机的直流转矩控制做了简要分析。

1 直接转矩控制技术的应用背景及发展现状

直接转矩控制技术是20世纪80年代中期诞生的，美国学者A．B．Plunkett 1977年在IEEE杂志上首次提出，德国鲁尔大学的德彭伯罗克教授于1985年第一次进行实际应用。该技术的提出较大程度地解决了矢量控制等技术存在的问题，如计算量较大、控制系统结构复杂等。但是传统的直接转矩控制也存在低速范围内转矩脉动大等缺陷，随着技术的发展，新型直接转矩控制技术不断出现，传统技术存在的问题得以不断改善。

当前，日、美、德等国家都致力于该技术的开发，其趋势不断向最优的全数字化发展。如直接转矩控制中引入DSP芯片，加强了数据处理的实时性、快速性以及数字控制功能，实现了数据监视、诊断和保护等。再如，将现代控制理论的多种控制策略如非线性控制、模糊控制、神经网络控制等应用到直接转矩控制中，弥补其固有的一些缺陷，提高系统的动态和鲁棒性能等。

目前，主要的新型直接转矩控制技术有3种。1）直接转矩无差拍控制。该技术是一种离散化的直接转矩控制系统。依据异步电动机的数学模型，得出转矩偏差与电动机各物理量间的数学关系，可消除定子磁链模值以及电磁转矩动、静态误差。从技术上，该系统逆变器的开关频率得以提高并保持稳定，无滞环比较器，电压谐波减少，电机的低速性能提高，缺点是该技术依赖电机参数，计算量较大，算法实现难度高[1]。2）直接解耦控制（DDC）。有2种方法，一种含有PI调节器即PI-DDC，该法消除转矩脉动能力强，动、静态特性较好，纵使转速极低（5rad/sec），转矩脉动也很小，主要问题是计算量比较大，因为该法需同时估计定子磁链和转子磁链；另一种就是预测直接解耦控制即P-DDC。3）转矩（磁链）跟踪预测控制。

该方法依照异步电动机数学模型，通过预测跟踪控制方法来控制转矩和磁链，忽略对磁链模值控制的关注，控制算法的计算量没有变化，却能很好地消除转矩脉动，磁链也不会畸变。

图1 直接转矩控制的基本结构框图

2 直接转矩控制系统控制原理

2.1 直接转矩控制的控制思路

要想实现对电动机转速的控制，关键是控制电动机的转矩。直接转矩控制是通过改变磁通角来控制电动机转矩的。

直接转矩控制系统由电压空间矢量表、逆变器、转矩调节器、扇区判断模块、电动机等组成。异步电机的直接转矩控制主要通过选用不同的电压空间矢量来实现，该矢量的选择通过综合磁链控制信号、磁链所在扇区号以及转矩控制信号等来获取。

2.2 直接转矩控制系统的结构

异步电机直接转矩控制系统的组成如图1所示。

定子电动势在α-β坐标系上的分量esα、esβ输入到磁链模型单元AMM中，得到定子磁链在α-β坐标系上的分量ψsα、ψsβ磁链模型由下式求得：

式中：

esα—定子电动势在α坐标轴上的分量。

esβ—定子电动势在β坐标轴上的分量。

usα—定子电动势在α坐标轴上的分量。

usβ—定子电动势在β坐标轴上的分量。

isα—α-β坐标系上的α轴定子电流分量。

isβ— α-β坐标系上的β轴定子电流分量。

Rs—电机的定子电阻。

对三相定子电压进行坐标变换可得到 usα、usβ，isα、isβ可据同法得到[1]。

对坐标变换单元 UCT 坐标变换后得到 ψβA、ψβB、ψβC。其输入与输出间关系为：

式中：ψsα—定子磁链在α坐标轴上的分量。ψsβ—定子磁链在β坐标轴上的分量。

ψβA、ψβB、ψβC定子磁链经坐标变换单元 UCT 坐标变换后的三相分量[2]。

“磁链自控制”单元DMC的作用是输出三相电压开关量信号。该信号是通过将三相分量ψβA、ψβB、ψβC与磁链给定值ψsg在相比较进而得到3个开关量信息而生成的。

要想实现转矩控制，需要控制定子磁链平均运动速度，该速度控制需要零状态选择单元AZS输出的零状态电压信号来实现，而该信号由转矩控制器ATR的输出“TQ”通过控制开关S来提供的，整个系统是一个闭环负反馈控制系统，能将容差控制在±εm范围内。

转矩计算单元AMC 的输入为isα、isβ和AMM 的输出 ψsα、ψsβ，该单元可通过计算得出转矩实际值。

2.3 异步电动机直接转矩控制系统基本组成

异步电动机直接转矩控制系统主要是由异步电机数学模型（包括磁链及转矩模型）、开关信号选择（综合其他环节信号，形成电压开关信号，以正确选择电压空间矢量）、磁链自控制（形成六边形磁链）、磁链调节（控制磁链幅值）、转速调节和转矩调节等几部分组成的，现针对磁链自控制器及转矩控制做分析。

2.3.1 磁链自控制器

在直接转矩控制系统中，通过闭环控制对磁链进行控制，磁链滞环比较器实现该功能，将定子磁链给定值ψsg与定子磁链ψs的测量值之差保持在允许误差Δψs范围内。

将两相α-β坐标系均分为6个区域（如图2所示），选择相应的空间电压矢量控制定子磁链的旋转方向以及速度。如区间S1中存在定子磁链时，如果想使磁链不动，则选定零矢量即可。如想使磁链顺时针旋转，选us5、us4来改变磁链，如相反，则选us1、us2；其他区间类似。想要控制磁链运动停止，以获得想要的定子磁链平均速度，只要在不同的区间根据要求施加不同的电压矢量即可，调节的频率越高，电机转矩脉动就越小。

图2 定子磁链圆形轨迹图

2.3.2 转矩控制

在直接转矩控制中，使用转矩滞环比较器实现电机转矩控制，按照闭环控制的原理进行工作，控制器称为转矩两点式调节器（Bang-Bang控制器），该调节器与磁链自控制单元相比，采用不同的容差，其大小是±εm，并且可调。

该系统为闭环负反馈系统，Teig为转矩给定值，Teif为转矩反馈值，二者之差ΔTei进入转矩滞环比较器进行运算处理后，输出开关量信息。如果-εm＜Teig-Teif＜εm，转矩保持不变；如果Teig-Teif＞εm，开关量信息是“1”，转矩变大，如果Teig-Teif＜-εm，开关量信息是“-1”，转矩变小[3]。

3 直接转矩控制的特点分析

该技术在定子坐标系下分析交流电机数学模型，不需对转矩和磁链解耦，信号容易处理。该技术采用定子磁链轴，要完成磁场定向只知定子电阻就可。

通过空间矢量分析方法，控制交流电机各个物理量。对转矩的控制是直接控制，它利用转矩两点式调节器实现转矩的闭环控制。

4 结语

该文简要分析了异步电动机直接转矩控制系统的结构组成、基本原理及控制特点，提出了几种新型直接转矩控制技术。该系统具有运算量小、控制系统结构简单、动态性能好、鲁棒性强等优点，也有不容忽视的缺点，如低速范围内该系统性能差，稳态时存在较大的转矩脉动等缺点，有较大的改进空间。