感应电机直接转矩控制低速性能改善研究

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摘 要 感应电动机在低速范围运转时，其基于直接转矩控制的系统存在较大的转矩脉动问题。本文提出了一种近似圆形的定子磁链磁链控制改进策略，并对其Matlab仿真结果进行分析，有效地改善了性能。

关键词 感应电机；近似圆形磁链；Matlab仿真

中图分类号TM55 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0141-02

感应电机具有制造容易、运行可靠、结构简单、很少维修、价格便宜、坚固耐用、使用环境及结构发展不受限制等优点，在工、农、国防等诸多领域得到了广泛的应用。直接转矩控制（Direct Torque ControlDTC），是具有代表性的一种高性能交流调速新技术[1]。

1 感应电机DTC系统低速运行特点

感应电机额定转速以下的速度范围为低速运行范围。如果忽略定子电阻压降，得

上式表明，定子磁链矢量完全受控于定子电压矢量1，定子磁链矢量端点的运动方向与定子电压矢量方向完全一致[2]。定子磁链矢量的旋转可以利用逆变器输出的电压矢量进行控制，同时也可以控制定子磁链幅值的大小。在高于感应电机额定转速的中高速运行段，电机的转速较高，定子电阻压降影响较小，磁链的计算较准确。而在低速运行段，由于定子电阻压降相对于定子电压不能忽略，使得计算产生较大误差，造成电磁转矩值下降。在直接转矩控制中，这个调速区的磁链波形发生畸变，电磁转矩脉动较大，必须采取相应措施改善低频低速区的控制性能。

2 感应电机DTC系统低速控制策略

传统的感应电机DTC系统在全速域范围内均采用四个运动空间电压矢量和两个零空间电压矢量的交替作用来完成对电磁转矩的控制，定子磁链运动轨迹呈六边形[3]。在低速运行范围如果沿用上述传统的调速策略，显然不能解决低速区定子磁链波形畸变，电磁转矩脉动较大的问题。

改进的DTC策略在低速区仍然保持定子磁链给定值为最大值，以获得较大电磁转矩[3]。但不再采取在六边形磁链轨运动轨迹的一个区段内，由单一电压矢量的控制方式，而是在一个区段内加入多个电压矢量，形成多边形磁链轨迹。这样，电磁转矩脉动的脉动将被有效地抑制。因为整个磁链运动轨迹呈准圆形，所以又称为圆形磁链轨迹控制，如图1所示。

3 感应电机DTC系统设计

3.1 系统框图

系统设计如图2所示，将感应电机在三相静止ABC坐标系下的定子相电压A、B、C进行坐标变换。在三相静止坐标系下，磁链自控制器产生定子磁链矢量运动轨迹所属的区段信号，送入开关信号选择器，给出相应的空间电压矢量给电压型逆变器以控制定子磁链矢量按六边形轨迹运动。定子磁链矢量的幅值经计算，与给定值比较，从减小偏差的角度产生控制信号送入开关信号选择器，以产生相应的空间电压矢量。在两相静止坐标系下，计算出电磁转矩。同时，根据运动方程结合负载转矩计算出转速n与给定值一同送入含有PI控制环节的转速调节器，得到电磁转矩的给定值。与之前计算出的相比较，从减小偏差的角度产生控制信号送入开关信号选择器，以产生相应的空间电压矢量。开关信号控制器结合磁链轨迹自控制信号、磁链控制信号、转矩控制信号，一起查找最优开关状态表，从而决定最终的电压型逆变器功率开关器件的状态。

3.2 MATLAB仿真效果

文本DTC采用Matlab系统默认参数，仿真结果如下。

4 结论

图4改进前后轴磁链轨迹和转速对比

本文通过对感应电机直接转矩控制低速运行状态的研究，揭示了存在的问题和产生的原因，针对性地设计了一种旨在改善其低速运行性能的系统。仿真实验证明系统定子磁链运动轨迹呈近似圆形，变化过程平滑，电磁转矩的脉动得到了有效地抑制，鲁棒性增强。

参考文献

[1]周扬忠，胡育文.交流电动机直接转矩控制[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]孙振兴，张兴华.感应电机空间矢量直接转矩控制的数字实现[J].电力电子技术，2011，45（7）： 58-60.

[3]曹建锋. 基于TMS320F2812的异步电机直接转矩控制系统研究与实践[D].南京：南京航空航天大学，2011.