基于占空比控制的异步电机直接转矩控制

babylemon828

导读：针对异步电机传统直接转矩控制转矩脉动较大、开关频率不固定的问题，本期文章主要介绍一种基于占空比控制的异步电机直接转矩控制。

---

图1异步电机直接转矩控制系统仿真
一、传统直接转矩控制存在问题的分析
直接转矩控制在两相静止坐标系下分析异步电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于异步电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断；控制磁场定向所用到的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以观测出来，大大减少了矢量控制技术中控制性能易受电动机参数变化影响的问题；采用空间矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和控制其各物理量， 使问题变得特别简单明了； 强调转矩的直接控制效果，从控制转矩的角度出发，采用离散的电压空间矢量和六变形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念；对转矩直接控制，其控制方式是：通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，因此它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。

综上所述，直接转矩控制采用空间矢量的分析方法，在两相静止坐标系下计算与控制异步电动机的转矩和磁链， 采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与异步电动机动态数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，控制系统的转矩相应迅速， 是一 种具有高静、动态性能的交流调速方法。

尽管直接转矩控制具有上述一些优点， 但是直接转矩控制的两个最主要 的缺点却大大限制了其在交流调速中的广泛应用。 电磁转矩脉动过大和逆变 器开关频率不恒定是直接转矩控制的两个最主要的缺点。
1.1电磁转矩脉动过大
电磁转矩脉动过大产生的原因如下：

(l)、 在异步电动机直接转矩控制系统中，根据电压开关矢量表，在逆变器的整个开关周期内， 只有一个电压空间矢量作用于异步电动机。由于所选择的电压空间矢量一直作用于异步电动机，定子电流、电磁转矩等物理量始终沿着一个方向变化。在转矩差较大的情况下，所选择的电压空间矢量使转矩在一个开关周期的较长时间内才可能达到参考值；但是在转矩差较小的情况下， 所选择的电压空间矢量使转矩在一个开关周期的较短时间内就可以达到参考值， 而余下的时间因未发生逆变器开关状态的变化，所选择的电压空间矢量继续作用于异步电动机，故转矩继续沿原来的趋势变化，从而产生较大的电磁转矩脉动。

(2)、由于受到电力电子开关器件所能承受的开关频率的限制，在电机运行在高速状态时，转矩滞环控制器所设定的滞环带宽不能太小，如果太小将会产生很大的逆变器开关损耗。这样， 当电机运行在低速状态时，滞环带宽相对变大，也造成了较大的转矩脉动。
1.2逆变器开关频率不恒定
逆变器的开关时刻是山转矩滞环控制器的上下边界决定的，在直接转矩控制中，转矩上升和下降的斜率与很多因素有关，不是一个常值。例如，定子磁链所在的扇区不同，即便选择相同的电压空间矢量，而转矩变化的斜率也是不同的。因此逆变器的开关频率是不固定的。
二、基于占空比控制的异步电机直接转矩控制
在基于占空比控制的异步电动机直接转矩控制中，不采用传统直接转矩控制的转矩滞环控制器，而是采用数学公式计算出在个采样周期内非零电压空间矢量和零电压空间矢量各自的作用时间。由于采样周期可以人为设定，在一个采样周期内，从非零电压空间矢量切换到零电压空间矢量，逆变器的开关只切换一次，因此这种方法可以使逆变器的开关频率保持恒定。



图2基于占空比控制的异步电机直接转矩控制系统框图

通过上述的实验结果可以发现，即使采样率高达 20 kHz，传统 DTC 的转矩纹波仍然较大。为改善这一缺点，本节引入基于双矢量 DTC。顾名思义，双矢量 DTC 即在一个控制周期内作用两个电压矢量。在这种算法中，所选择的有效电压矢量只作用一段时间，剩余的时间用零矢量来填充。图2为双矢量DTC的控制框图，下文将根据这一框图对双矢量 DTC 做简要说明。
2.1基本原理
对比图1和图2可以看出双矢量 DTC与单矢量DTC相比仅仅多了一个占空比优化环节，因此计算复杂度相比DTC并没有增加太多。双矢量 DTC的关键在于如何获得占空比的优化值，常用的方法主要有以下三种：转矩脉动最小、无差拍转矩控制以及平均转矩控制。以上三种占空比优化方法使用了较多的电机参数，使得系统的参数鲁棒性变差。虽然三种占空比优化方法计算公式不尽相同，但均能取得较好的控制效果，说明取得效果的关键在于占空比的引入而不在于占空比的计算方法。因此，本节介绍一种简单占空比计算方式，如下所示：







三、仿真建模



图3传统异步电机直接转矩控制系统仿真



（a）150r/min



（b）1000r/min
图4 传统异步电机直接转矩控制系统仿真波形变化




（a）150r/min


（b）1000r/min
图5 基于占空比控制的异步电机直接转矩控制系统仿真波形变化四、总结分析
针对传统DTC存在的转矩纹波大的缺点，引入双矢量DTC。双矢量DTC的核心在于矢量占空比的优化计算方式。仿真分析发现：双矢量DTC在保持传统DTC动态性能的同时，能够显著改善传统DTC的稳态性能。

---