感应电动机直接转矩控制中电压状态选择

1　引言

　　直接转矩控制技术是80年代中期提出的一种重要的交流调速理论，自提出以来得到了广泛的关注[3]。它具有原理简单，使用传感器较少，系统对电机参数的依赖性弱，动态响应快等特点。随着DSP技术的发展，直接转矩控制技术得到了更广泛的应用。

　　直接转矩控制不同于一般的控制方法，它根据电机的运行状态，按照一定的策略选择逆变器的开关状态，输出相应的电压空间矢量，把转矩、磁链限制在给定的容差内，从而实现转矩直接、快速地控制。选择逆变器状态最常用的方法是利用状态选择表，即根据电机状态，查表得到逆变器应输出的电压。
　　
　　本文针对直接转矩控制中，当区段切换时定子磁链幅值变化较大导致电机转矩脉动增大、谐波电流增加的现象，提出了一种区段细分的策略，较好地解决了这个问题。


2　直接转矩控制基本原理

　　直接转矩控制是建立在定子磁链定向的基础上的，为了控制定子磁链，必须合理的选择逆变器电压状态。三相异步电机控制中通常采用三相两点式电压型逆变器（图1-a），它的每一相有两个开关，一次只能接通一个开关，这样逆变器就有6种非零状态，2种零状态。引入PARK变换，将三个标量Ua，Ub，Uc合成为α-β平面的矢量U1，U2…U6（图1-b），相应的把α-β平面分为6个区段，每个区段60o[1]。

　　直接转矩控制系统中感应电动机定子磁链表示为：

　　式中

—定子电阻
　　

—定子电压、电流、磁链矢量
忽略定子电阻压降，在短时间内磁链增量

，即

的大小和

成正比，方向和矢量

方向一致。
　　电动机输出转矩：

　　　　　 (2)
　　式中

—定转子磁链夹角

　　直接转矩控制技术以电动机理想磁链圆（图2虚线圆）为基准，用逆变器的不同电压状态所产生的实际磁链追踪基准磁链。电压矢量均可分解为圆的切向分量和径向分量，切向分量改变磁

链旋转速度，径向分量改变磁链幅值。在图2中设Ψs位于六个区段中的2区,选择U3径向分量能增大磁链Ψs，切向分量增大ΨS的旋转速度，而转子磁链转速近似不变，这样定转子磁链的夹角变大，电机输出转矩变大。同理选择U4其径向分量减小定子磁链幅值，切向分量增大了Ψs的旋转速度，增大了电机的输出转矩。在其它区段非零电压状态对电机的影响的分析方法与此相同。对于零状态，它对磁链的大小和旋转速度没有作用，而转子磁链继续旋转，定转子磁链夹角变小，电机输出转矩变小。可见合理的选择电压状态，就能控制电机的磁链和转矩。逆变器电压状态选择可以通过状态选择表来实现，状态选择表概念比较简单,实现起来也比较容易。

表中K表示Ψs位于第K区段，UK表示逆变器应输出UK电压矢量；σT=1表示电机转矩应该增大, σT=0表示应该减小转矩；σΨ=1表示应增大电机定子磁链，若σΨ=-1，则应减小磁链。信号σΨ、σT一般通过滞环调节器来实现[1]。


3　电压状态选择研究

　　电机运行时，电流若为对称正弦波，则磁链轨迹为圆形，这时电机工作特性最理想。采用传统状态选择表实现逆变器电压状态选择，其磁链仿真结果如图3所示，可以看出传统状态选择策略的不足，电机电流和磁链的变形严重，增加了电机的电流谐波分量、噪声和转矩脉通过分析我

们发现这种现象产生的原因在于当定子磁链从一个区段进入另一个时（例如从1区进入2区），缺少能有效改变磁链幅值的电压矢量 [4]。图2有助于我们理解这种情况，外圆为给定磁链的上限，内圆为下限。在区段2为了增大磁链，增大转矩，按照表1应选择U3，但U3的方向与圆在AB之间的切线方向基本一致，其径向分量近似为0，对磁链幅值的影响较弱，磁链幅值变化缓慢，磁链轨迹变形较大，电流也发生畸变。图3-b中磁通在某些点低于给定的下限，原因在于定子电阻压降的影响。若选择零矢量则

磁链就会降低到下限以下。

　　本文提出了一种区段细分方法，并不增加系统的复杂性，却较好的解决磁链幅值降低的问题。这种方法的主导思想就是当区段发生变化时，选择一可以有效改变磁链的电压状态。分析图2（设电机逆时针旋转）我们发现当磁链位于2区段的不同位置时，相同的电压状态对电机磁链和转矩的影响是不同的。从A到B，U2的径向分量逐渐增大，增强磁链的能力逐渐增强，而切向分量逐渐减小，增强转矩的能力逐渐减小到零（B点）；从B到C径向分量逐渐减小，增强磁链的能力逐渐减小，但仍然很强，切向分量从0逐渐增大，且与电机旋转方向相反，可以使电机输出转矩逐渐减小；从A到C，U3的径向分量逐渐增大，增大磁链的能力逐渐增强，切向分量减小，增大转矩的能力逐渐减弱，但仍然能较大地增大转矩。

　　通过以上分析，我们发现虽然AB、BC在同一个区段内，但电压的控制效果不同，应该分别对待。在其它区段结论因此一致。可见在同一个区段选择不同的电压，可以有效地改善电机的运行状态，为此我们改进了状态选择表，提出了一种区段细分原则，如表2。