1、异步电机直接转矩控制的 ISR 方法研究直接转矩控制 转矩脉动1 引言目前，矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）已经被人们公认为是高性能的交流变频调速技术。矢量控制系统采用转子磁链定向，实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦，可以按线性理论分别设计转速与磁链调节器（一般采用 PI 调节器），实行连续控制，从而获得较宽的调速范围，但系统易受转子参数变化的影响。直接转矩控制系统则舍去比较复杂的旋转坐标变换，直接在定子静止坐标系上，计算电磁转矩和定子磁链，并用双位式 bang-bang 控制对转矩和磁链进行调解，受电机参数影响较小，转矩响应快，但由于 bang-bang 控制本身属于 P 控制，
2、不可避免地产生转矩脉动，影响系统低速性能。本文介绍的 ISR（Indirekte Selbst Regelung）控制策略能有效地减小直接转矩控制中转矩的脉动，具有良好的低速性能及动、静态特性。2 异步电动机动态模型在定子两相静止坐标系(，)中的异步电动机电压方程及电磁转矩方程可表示为：us=Rsis+Ps (1)us=Rsis+Ps (2)(3)其中:us，us，is，is，s，s 分别是 ， 坐标系下定子侧电压，电流，磁链的 ， 轴分量：Rs 为定子电阻；np 为电机极对数；p 为微分算子；为电机漏电感为常数； 为定子磁链与转子磁链的夹角。由式（1）、（2）式我们可以得到定子两相静止坐标系
3、下定子磁链可表示为： (4)(5)直接转矩控制的主电路图如图 1 所示。图 1 直接转矩控制主电路图其中逆变器的 8 种开关状态对应了 8 组电压矢量，如表 1 所示1。表 1 电压矢量表表 2 逆变器电压矢量选择表为了方便控制定子磁链和电磁转矩，我们把磁链空间矢量划分为 6 个均等的区域，划分原则是：(6)K 为扇区号，K=1,2,3,4,5,6，如图 2 所示。在每个扇区内针对磁链和转矩的不同情况选择不同的电压矢量。图 3 为 bang-bang 控制方案。图 2 扇区及电压矢量图图 3 bang-bang 控制3 传统的 bang-bang 滞环控制策略3.1 对定子磁链的控制由式（4）
4、、（5）可构建出定子磁链的计算模型，从而得到定子磁链的实际值 s。图 4 为定子磁链滞环控制图。图 5 为电磁转矩滞环控制图。图 4 定子磁链滞环控制图 图 5 电磁转矩滞环控制图磁链滞环的输入是磁链给定值 s*与磁链实际值 s 之差，输出是磁链开关信号 H， 是滞环宽度。定义磁链误差为：=s*-s，则磁链调节器的控制方法如下：（1）当 时，H=1，此时选择电压矢量使得|s|增加。（2）当 - 时，H=-1，此时选择电压矢量使得 |s|减小。3.2 对电磁转矩的控制转矩调节器的输入是转矩给定值 Te*与转矩实际值 Te 之差，输出开关信号 HTe，容差宽度是，调节器采用离散的三点式调解方式，矩
5、误差为：T= Te*- Te 则转矩调节器控制规律如下：当 T 时，HTe=1；当|T| 时，HTe=0；当 T- 时，HTe=-1； 得到磁链和转矩的输出信号后我们可以按照表 2 选择对应的定子电压矢量。当定子磁链和电磁转矩达到滞环上下限时，控制器调节定子电压矢量使磁链和转矩满足设定要求如图 3 所示。4 基于 PI 调节器的新型控制方案对式（4）、（5）我们忽略定子电阻我们可以近似得到：（7）（8）对(7)(8)进行变形，我们得到：（9） 我们可以看出在忽略定子电阻压降时，单位时间内定子磁链的变化量为加在定子侧的电压矢量，即磁链的轨迹可由单位时间内的定子电压矢量决定23，如图 6。在滞环控
6、制中，只有当转矩或磁链达到所设定的滞环宽度后，调节器才进行调解，而在新方案中定子磁链和电磁转矩的调节是以单位采样时间进行的，从而使调节更加精细，从而减小了转矩的脉动。此外，由于定子侧电压矢量的调节是以单位时间进行的，故逆变器的开关频率为常数，解决了传统 DTC 控制开关频率不固定的缺点。用 PI 调节器代替滞环控制的结构如图 7 所示。图 6 单位时间内磁链变化图 7 定子磁链 PI 调节器控制磁链调节具体的控制策略为：磁链的计算值与给定值进行比较，若 PI 输出大于零，则令H=1 此时需要增大定子磁链，直到 PI 输出为零，当 PI 输出小于零，则令 H=-1，此时需要减小磁链直至 PI 输
7、出为零。同理，转矩的计算值与给定值进行比较，对于转矩调节，若 PI 输出大于零，则令 HTe=1 此时需要增大电磁转矩，直到 PI 输出为零，当 PI 输出小于零，则令HTe=-1，此时需要减小磁链直至 PI 输出为零。在 matlab 的具体实现如图 8 所示，转矩调节器与磁链调节器结构相同。图 8 matlab 中磁链调解器5 仿真波形对比与分析对异步电动机直接转矩 bang-bang 控制与 PI 控制进行 matlab 仿真比较。在相同的采样步长下，控制过程转矩变化如图 9 所示，电机先以最大转矩达到设定转速，然后稳定。在 PI 控制与bang-bang 控制对比中我们很清楚的看到 P
8、I 控制的转矩脉动要比 bang-bang 控制平滑的多，如图 10 所示。图 9 异步电机直接转矩控制的转矩波形图 10 bang-bang 控制与 PI 控制转矩波形放大图从图 11 的转速响应曲线来看，转速由 10rad/s 到 20rad/s 用时 5ms，表明该系统具有良好的动静态特性。从图 12（a）与图 12（b）我们可以看出，基于 PI 控制的电流曲线要比基于 bang-bang 控制的电流曲线平滑的多，这说明 PI 控制不仅在转矩控制上而且在电流上也优于滞环控制。图 11 异步电机直接转矩控制转速响应曲线图 12(a) PI 控制的电流曲线图 12(b) bang-bang 控制的电流曲线6 结束语在系统处于空载时，采用 PI 调节器代替 bang-bang 滞环控制器能有效地减小直接转矩控制方案中转矩脉动，有效地抑制了电流谐波，具有良好的低速性能及动静态特性，便于数字实现，使直接转矩控制性能有了很大改善。崔秀亮更多请访问：中国自动化网(http:/)
