摘要：为了减小传统直接转矩控制的磁链和转矩脉动，采用参考电压矢量计算模块和空间电压矢量调制(SVM)模块取代滞环比较器和开关矢量表，并利用Matlab／Simulink仿真软件建立矢量调制的异步电动机直接转矩控制系统模型。磁链环节电压矢量经过简单计算得出，转矩环节电压矢量被有效的分解后由转矩PI控制器和转子转速与定子磁链乘积给出。仿真结果表明，该直接转矩控制系统设计正确，达到了良好的控制效果。
关键词：直接转矩控制；参考电压矢量；矢量调制；仿真
中圈分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)05—0049—03

0引 言
直接转矩控制技术控制方法简单、转矩响应快、鲁棒性好、且便于数字化实现，但低速区存在较大磁链和转矩脉动。文献【1】提出许多改进和解决方案，比如缩短控制周期、细化开关矢量表，而采用空间电压矢量调制的控制方法表现尤为突出。
空间矢量调制的直接转矩控制方法重点在于参考电压矢量的计算。无差拍方法是由T．G．Hahetler提出，主要思想是在一个采样周期内得到转矩的给定值与反馈值之差，求解出使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量。文献【2】通过求解基于电机方程的磁链及转矩的二次方程获得参考电压矢量，计算复杂，依赖于电机参数。文献【3】是在定子磁链参考坐标系下，磁链和转矩的分别控制的无差拍方法，计算复杂度降低，仍依赖于电机参数。为了简化计算，文献【4】在定子磁链参考坐标系下，采用双PI控制器直接获取电压参考矢量，计算量减小，但PI参数整定复杂。磁链矢量偏差法是通过快速改变每个周期内定子磁链转过的角度控制转矩，维持磁链幅值恒定，利用角度和幅值变化合成参考电压矢量。文献【5】是通过转矩的变化率与转差突变近似成比例，利用PI调节器获得角度变化量。文献【6】是从电机基本方程出发，精确推导得出角度变化量。同样，利用非线性方法和智能控制能够很好的获得电压参考矢量，文献【7】利用滑模变结构控制方法得到。
本文从直接转矩控制的基本原理出发，在定子磁链参考坐标系下，基于磁链和转矩的分别控制的无差拍方法，把参考电压矢量有效分解后采用相应的调节方法获得，更好地包含了磁链和转矩信息，有效减小了磁链和转矩脉动。
1异步电动机模型
旋转参考坐标系下，异步电动机模型是：

式中：us、is和λs为定子电压矢量、电流矢量和磁链矢量，is和λs为转子电流矢量和磁链矢量，Rs和Ls为定子电阻和电感，Rr和Lr为转子电阻和电感，Lm为互感，ωref和ωr为参考坐标系转速和转子转速，p为电机极对数，Te为电磁转矩，下标s、r和d、g代表定子和转子分量及两相坐标系下分量。
2.DTC—SVM控制方法
2．1 DTc—sVM基本原理
sVM是在一个控制周期内，按照sVM算法，在不同的扇区内，从逆变器的8个基本空间电压矢量中选择合适的矢量来合成目标矢量。如图1所示。

Uref为参考电压矢量，U1、U2为相邻电压矢量，T0、T1、T2分别是一个控制周期T中零矢量和相邻矢量的作用时间。由平行四边形法则得出，各扇区电压矢量合成原理如下【2】：

特别地，参考电压矢量较大，即T1+T2>T时，取

DTc—sVM是通过保持定子磁链幅僮基本恒定，快速改变定转子磁链之问转差的直接转矩控制来获得参考电压矢量，这个参考电压矢量包含磁链控制和转矩控制的信息，以svM取代基本的开关矢量表去合成目标矢量实现电机控制。
2.2改进无差拍控制方法实现
2．2.1 d轴电压参考矢量
在定子磁链参考坐标下，q轴磁链矢量恒为零，磁链动态特性完全由d轴电压矢量控制。则有：

当T为采样周期，k为采样时刻，有

由无差拍方法知，k+1时刻定子磁链等于给定值λ，式(8)离散化后与式(9)联立，得到：

2．2．2 q轴电压参考矢量
转矩给定通过转速PI控制器获得。在式(1)中，令参考坐标系转速等于定子磁链转速，ωref=ωe，有：
在定子磁链参考坐标系下，式(5)的转矩表达式为：

当定子磁链幅值基本恒定后，转矩只与口轴电流有关。由式(2)～(4)可知，q轴电流与定子磁链转速关系为：

式中：σ——漏感系数；
Tt——转子时间常数。
代入式(11)，可得：

又k+l时刻转矩等于给定值Te，联立式(12)和式(14)并离散化后得：

在磁链幅值恒定情况下，isd保持恒定，H1和H2为定值。但定子磁链幅值和电流不能完全保持，且电机参数随环境变化。在转矩控制环节，H1Te+H2Te(k)引入PI控制器实现，降低对电机参数和观测值的依赖。转速和定子磁链由传感器和估计环节给出，稳态情况即为给定输入。两部分共同构成定子q轴电压参考矢量，使得t很好地跟踪Te。
求出完整的空间电压参考矢量后，经由dq／αβ转换环节，得出sVM所需两相静止坐标系下参考电压矢量。利用逆变器开关状态Sabc、直流母线电压Vdc和定子三相电流Iabc，获得静止坐标系下的定子电压和电流。估计磁链幅值Ψ、估计转矩Te及定子磁链角θ的三角函数值由下式计算：
利用Matlah／Simulink仿真软件，构建空间矢量建制的异步电动机直接转矩控制系统仿真模型，如图2所示。电机测量模块为simulink自带模块，输入m由异步电动机直接获得，输出定子dq轴磁链λqd,转子机械转速ωm和转矩Tm为控制系统观测输出。

3仿真结果分析
利用Matlab／simulink仿真软件，实现了上述DTc—sVM控制策略。仿真所用异步电动机系统预设模型，额定功率4 kw，额定电压400v，额定频率50 Hz，额定转速1 430/mln，定子电阻1．405Ω，定子电感5.839 mH，转子电阻1.395Ω，转子电感5．839 mH，互感O．172 2 H，极对数为2。分别在传统直接转矩控制和改进型直接转矩控制的仿真系统中，由零负载转矩起动，O．2 s时刻施加负载转矩20N·m，直流母线电压为800 V，除了仿真控制策略算法外，其他条件保持一样，尽量达到更好的比较效果。
图3为采用DTc和DTc—sVM策略的磁链幅值、转矩和转速仿真波形，磁链幅值给定为l 4 wb，


初始转速给定为100rad／s，0.l s时降至80 rad／s，系统动态响应相当，DTc—sVM有效减小了定子磁链和转矩脉动。
4结语
为了减小传统直接转矩控制系统的磁链和转矩脉动，本文在分析异步电动机数学模型的基础上，结合无差拍方法，采用参考电压矢量计算模块和空间电压矢量调制模块取代滞环比较器和开关矢量表，改进转矩控制环节，PI控制器输出对应输出转矩的q轴电压，降低对参数和观测值的依赖，转速与定子磁链乘积是保持电机转速和磁链为给定值的基础，在sIMULJINK仿真环境下建立系统仿真模型。仿真结果表明，与传统直接转矩控制系统相比，在不影响动态性能的情况下，有效地减小了磁链和转矩脉动，并为设计DTc—sVM的异步电动机直接转矩控制实际系统提供了有效的方法和工具。