一种异步电机SVPWM直接转矩仿真分析

景德镇学院机械电子工程学院 王发良

传统的直接转矩控制(DTC)采用两点式滞环控制产生相应的控制信号，直接控制逆变器的开关器件，因而响应速度快。然而，在传统DTC中，由于转矩控制采用的是离散的滞环控制，而滞环控制器根据转矩、磁链偏差的正负来确定输出电压矢量，而不考虑偏差的大小。此外，传统DTC采用开关表的方式控制逆变器开关器件的开关状态，使得逆变器的开关频率不恒定，容易造成转矩和磁链波动。针对上述问题，本文对传统的直接转矩控制进行了优化，提出了基于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术的异步电机直接转矩控制，利用PI控制器取代滞环控制器，并采用SVPWM取代开关表，仿真结果表明基于SVPWM的直接转矩控制有效减小了转矩和磁链波动。

直接转矩控制技术是上世纪80年代兴起的一种新型电机控制技术，直接在定子坐标系下对电机电磁转矩进行控制。基于定子磁链定向，利用滞环控制并结合扇区判断产生PWM信号直接控制逆变器开关期间的导通与关断，因而响应速度快。

相比较于矢量控制，直接转矩控制省去了矢量解耦控制，控制简单，便于理解。但是传统的直接转矩控制由于采用了滞环控制器和开关表生成电压电压矢量，容易造成控制系统的转矩和磁链波动。针对上述问题，本文利用PI控制器和SVPWM分别取代滞环控制器和开关表，仿真结果表明，该方案能够有效减小转矩和磁链波动。

1 异步电机直接转矩控制原理

异步电动机电磁转矩表达式为：

直接转矩控制的基本原理：转速给定和转速反馈的误差通过PI调节器生成转矩给定值。转矩给定和利用转矩模型得到的转矩估算值进行比较之后代入到转矩滞环比较器，同理将磁链给定和利用磁链模型得到的磁链估算值进行比较之后代入到磁链滞环比较器。将转矩滞环比较器输出量、磁链滞环比较器输出量以及扇区判断得到的结果代入开关表，得到合适的电压矢量，对逆变器的开关器件进行控制，从而逆变器输出相应的电压控制电机。

2 基于SVPWM的异步直接转矩控制系统

2.1 基于SVPWM的直接转矩基本原理

基于SVPWM的直接转矩控制和直接转矩控制的不同之处在于：1）用PI控制器取代磁链滞环控制器和转矩滞环控制器，在控制时不再仅仅简单考虑给定和反馈之间误差的正负性，而是考虑误差大小和方向，控制精度更高；2）用SVPWM模块取代开关表，可以通过基本电压矢量的组合实现任意的输出电压矢量，此外，采用SVPWM技术后，逆变器的开关频率固定，能够有效减小磁链和转矩的波动。

2.2 SVPWM的基本原理

在一个开关周期内，对给定电压矢量相邻的的两个基本电压矢量和零矢量的作用时间进行控制，使得三者的矢量和的平均值等于给定电压矢量，此即SVPWM的实质。在一个采样周期内，通过控制逆变器的开关器件的状态实现对两个基本电压矢量及零矢量的作用时间的控制，从而控制合成的电压矢量的运动轨迹为圆形，即利用对逆变器的开关状态的控制产生了圆形磁通，最后将实际磁通圆和磁通圆比较，决定逆变器的开关状态，最终产生相应的PWM波。

对于任意一个给定电压矢量，都能等效为与其相邻的两个基本电压矢量和零矢量的组合。以第一扇区为例：

式中：T1、T2、T0三者之和为采样周期TS；其中：U0为零电压矢量包括U0、U7。

由式(2)可知，对于一个任意给定的电压矢量，都能够表示为基本电压矢量和零矢量组合。因此只要对基本电压矢量和零矢量的作用时间进行合理选择，便可实现合成的电压矢量运动轨迹为圆形，最终实现磁链光滑。

3 仿真分析

在Matlab2018b中的simulink下建立如图1所示基于SVPWM的异步电机DTC仿真模型，电机基本参数如下：Pn=4kW，Un=220V，极对数为2，定子电阻Rs=1.45Ω。

图1 基于SVPWM的直接转矩控制仿真模型

仿真设置：给定转速800r/min，给定磁链1wb，0.1s加载50Nm，0.15s减载50Nm。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2和图3所示。

图2 传统DTC和基于SVPWM的DTC磁链波形

图3 传统DTC和基于SVPWM的DTC转矩波形

由图2可知，对于传统DTC控制，在电机刚启动时，其定子磁链跟踪有明显误差；而对于基于SVPWM的DTC控制，其定子磁链跟踪良好。说明采用SVPWM技术之后，能够有效减小定子磁链的波动。

由图3可知与传统DTC控制相比，基于SVPWM的DTC控制的电磁转矩脉动幅度更小，转矩变化更平稳。

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由于采用了滞环控制和开关表，使得转矩和磁链产生波动，影响了其控制性能。本文采用PI调节器代替滞环比较器，并将SVPWM技术引入到异步电机转矩控制，仿真表明相比于传统的直接转矩控制，基于SVPWM的直接转矩控制转矩和转矩波动更小。