低速范圍內(nèi)的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法探究

宋曉君 孫洪偉

摘? 要：異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有運(yùn)算量小、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等突出優(yōu)點(diǎn)，也存在低速性能較差，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)大的主要缺點(diǎn)。本課題淺要分析減小異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，包括直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制、使用PI調(diào)節(jié)器的直接轉(zhuǎn)矩控制（PI-DTC）以及改進(jìn)的開(kāi)關(guān)表法等。

關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制;低速范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方法;異步電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0164-02

Abstract： The direct torque control technology of asynchronous motor has many outstanding advantages， such as small amount of calculation， simple control system structure， good dynamic performance and so on. It also has the main disadvantages of poor performance at a low speed and large torque ripple in steady state. The purpose of this paper is to analyze the methods to reduce the torque ripple of asynchronous motor direct torque control system， including direct torque deadbeat control， direct torque control using PI regulator （PI-DTC）， improved switch meter method and so on.

Keywords： direct torque control; method of reducing torque ripple in low speed range; asynchronous motor

當(dāng)今用電系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)作為最常見(jiàn)的動(dòng)力設(shè)備廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科技國(guó)防及社會(huì)生活的方方面面。異步電動(dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、多變量、強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng)，其描述需用一組非線性方程組，控制起來(lái)較有難度。目前常用的調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等。相比其他控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制突出的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算量小，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能更好，魯棒性更強(qiáng)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)存在的主要問(wèn)題是目前理論上不成熟，經(jīng)典模型存在固有缺陷，低速性能較差，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)大。本課題研究的目的是針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題尋求解決之道。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期繼矢量控制技術(shù)后發(fā)展起來(lái)的一種新型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。其基本工作原理是把轉(zhuǎn)矩作為被控量直接進(jìn)行控制，根據(jù)定子磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩直接選擇相對(duì)合適的電壓矢量，通過(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度從而改變定子、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。系統(tǒng)工作時(shí)不需轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的參與，通過(guò)定子磁鏈即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)最大的缺點(diǎn)是低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大?，F(xiàn)就如何減小低速范圍時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題做方法探究。

1 使用PI調(diào)節(jié)器的直接轉(zhuǎn)矩控制（PI-DTC）

該系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，如圖1所示（包括磁鏈調(diào)節(jié)器AΨR和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR）。

由于PI-DTC使用PI調(diào)節(jié)器，其輸出具有連續(xù)性，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小。和SFOC（根據(jù)定子磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)定向的一種矢量控制）相比，PI-DTC不需要解耦器，而SFOC必須通過(guò)解耦器對(duì)轉(zhuǎn)矩、磁鏈解耦，因而該算法計(jì)算量小、魯棒性強(qiáng)。

該法主要缺點(diǎn)是若調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定不合適，系統(tǒng)性能會(huì)變差，而且調(diào)節(jié)器的參數(shù)不能用線性系統(tǒng)理論設(shè)定。

2 直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制

該方法基于離散化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。據(jù)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，電機(jī)各物理量與轉(zhuǎn)矩控制誤差？駐Tei數(shù)學(xué)關(guān)系為：

其中：Ts-采樣周期;p-極對(duì)數(shù);？鬃s？琢、？鬃s？茁-？琢、？茁軸上定子磁鏈估算值;us？琢、us？茁-？琢、？茁軸上定子電壓估算值;Es？琢、Es？茁-？琢、？茁軸上定子反向電動(dòng)勢(shì)估算值。

若us？琢、us？茁滿足式（1）要求，轉(zhuǎn)矩誤差可在下個(gè)控制周期消除。

若能使us？琢、us？茁滿足下式（2）中關(guān)系，則磁鏈模值誤差可在下個(gè)控制周期消除：

其中，？鬃s是磁鏈模值給定值。

若能使us？琢、us？茁同時(shí)滿足式（1）和式（2）要求，則對(duì)應(yīng)的值就能消除轉(zhuǎn)矩誤差以及磁鏈模值誤差，直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制方法就是通過(guò)解方程式（1）和（2），得出相應(yīng)的us？琢、us？茁值。

如果該方程組無(wú)解，則分別判斷是否存在滿足轉(zhuǎn)矩要求及磁鏈要求的電壓矢量，若都不存在，可按照直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制方法選擇電壓矢量。

理論上，該方法能在一個(gè)控制周期消除定子磁鏈模值以及電磁轉(zhuǎn)矩誤差，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也可消除，電機(jī)能在極低速下正常運(yùn)行，還提高了開(kāi)關(guān)頻率，電壓諧波和電機(jī)噪聲得以減小。

該方法缺點(diǎn)是計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)難度高，依賴電機(jī)參數(shù)性比較強(qiáng)。

3 改進(jìn)的開(kāi)關(guān)表法

該法區(qū)間劃分如圖2，其中，電壓空間矢量的選擇是通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制（（SVPWM）方法。

SVPWM方法中，空間電壓矢量信號(hào)的選擇要綜合磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)、區(qū)間號(hào)等，最終目標(biāo)是通過(guò)8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的基本空間電壓向量逼近電機(jī)所需的電壓向量，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

如：假設(shè)磁鏈在某時(shí)刻在區(qū)間s1，若磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)是“0”，轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)是“1”，則要求減小磁鏈、增大轉(zhuǎn)矩，經(jīng)表判斷，給定子施加電壓矢量us2;若轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)為“0”，應(yīng)該給定子施加零狀態(tài)電壓;若磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)為“1”，轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)為“1”，應(yīng)增加磁鏈和轉(zhuǎn)矩，經(jīng)表判斷，給定子施加電壓空間矢量us1;同理可選擇其他情況下的電壓空間矢量。

4 新型轉(zhuǎn)矩控制器

該新型轉(zhuǎn)矩控制器針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中由于滯環(huán)比較器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題，可提供恒定轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)頻率。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其輸出為1，0和-1三種狀態(tài)，用q（t）表示其轉(zhuǎn)矩的誤差狀態(tài)，即：

用d（t）表示q（t）的平均值，我們稱之為連續(xù)占空比，該值在-1到1間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本課題提出了異步電機(jī)的基本工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題提出了幾種解決方法，這幾種方法的實(shí)現(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選擇并進(jìn)行改進(jìn)。

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