三相异步电动机模型预测直接转矩控制方法研究

蒋玲 洪亮

摘要：提出了一种三相异步电动机模型预测直接转矩控制方法，此方法以磁链和转矩为被控变量，优化目标函数，确定最优电压矢量。借助于MATLAB/Simulink模块，对模型预测直接转矩控制方法进行了仿真，结果表明，相比于传统的直接转矩控制，采用模型预测控制直接转矩控制方法，能够快速跟踪给定值，减少电流谐波畸变，降低转矩和磁链脉动，大大改善了其稳态和动态性能。

关键词：模型预测控制;三相异步电动机;直接转矩控制;MATLAB/Simulink

0 引言

自20世纪80年代直接转矩控制理论问世以来，矢量控制和直接转矩控制已经成为高性能交流调速领域中最常见的两种方法，相比于矢量控制，直接转矩控制在运算中需要的电机参数非常少，可以大大减少电机参数波动对控制性能的影响。传统直接转矩控制技术计算复杂并且转矩和磁链脉动较大，电流畸变较多，系统控制存在延时，严重阻碍系统的有效应用。本文研究了一种三相异步电动机模型预测直接转矩控制（model predictive direct torque control，MPDTC）方法，可以提高系统性能，避免电流出现较大毛刺，同时减少转矩、磁链脉动。

1 模型预测直接转矩控制技术

1.1    直接转矩控制技术特点

直接转矩控制采用两点式转矩和磁链滞环控制器，相应变量分别是Te和ψs，输出的外部电压直接由脉宽调速器中的两个控制信号产生，省去了旋转转换和电流控制环节。这使控制器的内部结构变得更加简单，定子磁链ψs被选为控制变量，此时，不管转子相关参数的变化幅度有多大，都不会影响到磁链的估算模型，控制系统能得到更好的鲁棒性。电机由直接转矩控制，因此当增速、降速或负载变化时，系统可以获得实时响应。然而，为了避免损坏电源装置，必须限制电流瞬间突变，因此实际转矩响应是有限的。但是直接转矩控制因缺少电流闭环，给电流饱和控制和保护造成了不便。

1.2    模型预测直接转矩控制系统的实现

1.2.1    系统原理

1.2.2    MPDTC控制方法

模型预测控制归结起来有预测模型、有限时域滚动优化和反馈校正3个基本特征。

模型预测直接转矩控制是由一个内部的控制器（MPDTC）和一个外部PI调节器组成。MPDTC通常采用的方法是构建一个目标函数数学模型，然后利用该模型寻找最适合的变量，即电压矢量，通过电压矢量的调节，从而抑制电机内部转子和定子的转矩和磁链脉动，也可以在该模型中设置一个变量因子，通过改变该变量因子来更好地选择电压矢量。这个变量因子的改变不是随意的，而是根据系统的工作特性来决定的。

要想在系统中应用MPDTC算法，还必须保证该系统模型建立的正确性，定子线圈的磁通量是不能直接测量得到，必须先做一个估计，所以该算法可以大致分为3个阶段：估计、预测以及优化。当然，磁链的值也是需要估计和预测的。

2 三相异步电动机调速系统整体仿真

本文采用MATLAB/Simulink搭建了如图2所示的模型预测直接转矩控制框图。

为了验证模型预测直接转矩控制（MPDTC）控制方法的效果，将其与传统的直接转矩控制方法分别进行仿真，对比其控制效果。模型预测直接转矩控制系统仿真图、传统的直接转矩控制系统仿真图分别如图3、图4所示。

仿真实验所用的参数为：给定电压500 V，定子相电阻2.875 Ω，磁链0.175 Wb，电枢电感0.001 53 H，极对数4，step1设置的阶跃时间0.5 s，初始值1 000，终值1 500。传统直接转矩控制电机的转矩如图5所示，模型预测直接转矩控制电机的转矩如图6所示。

3 结语

本文针对传统直接转矩控制计算复杂并且转矩和磁链脉动较大、电流畸变较多等问题，提出了一种通过优化预测转矩、定子磁链参考值，改进目标函数的模型预测直接转矩控制方法，在MATLAB/Simulink模块中分别对模型预测直接转矩控制和传统的直接转矩控制的异步电动机进行仿真，仿真结果表明：采用模型预测直接转矩控制比传统的直接转矩控制的三相异步电动机具有快速响应特性，能够快速跟踪给定值，而且可以减少转矩脉动和磁链脉动，以免电流毛刺的出现，因此MPDTC控制三相异步电动机具有良好的稳态性能和动态性能，可以预见在不久的将来，三相异步电动机模型预测直接转矩控制方法一定会得到更加广泛的应用。

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收稿日期：2020-09-24

作者简介：蒋玲（1974—），女，安徽桐城人，硕士研究生，副教授，从事控制工程及汽车零部件生产装备设计与研发工作。