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DC-Rail ZVT逆变器中异步电机直接转矩控制研究 周文云 金 舜 明正峰 钟彦儒 西安理工大学（西安 710048） 摘 要：本文提出了一种控制简单的直流环节零电压过渡（DC-Rail ZVT）软开关逆变电路应用于异步电机直接转矩控制的控制方案，给出了详细的设计思路和原则，并通过仿真试验说明了此软开关技术逆变器电路在直接转矩控制应用中的可行性。 关键词：直流环节零电压过渡 软开关 直接转矩控制 The study of Direct Torque Control System of Asynchronous Machine with DC-Rail ZVT Abstract: A scheme of Direct Self-control System of Asynchronous Machine with a novel and simple DC_Rail ZVT inverter circuit is proposed. The design strategy and principles are given, and the feasibility of direct torque control with soft-switching technique is verified by computer simulation. Keywords: DC-Rail ZVT / Soft-switching / Direct torque control 1 引 言 直接转矩控制作为一种新型的具有高性能的交流变频调速技术一直受到人们的普遍关注，其研究已有了很大的发展。直接转矩控制具有控制手段直接、结构简单、性能优良的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题[1]。然而不足之处是存在转矩脉动，在低速情况下尤为明显，但是在低速时若能提高开关频率，则可以降低转矩的低频锯齿波分量，从而改善转速的低频脉动状况。在高速范围时，通常需要放宽转矩容差来避免过高的开关频率，因为开关频率是通过对转矩容差的调节来确定的，转矩容差设定的窄些，对于减小转矩脉动是有利的，但同时增加了逆变器的开关频率。逆变器开关频率的限制成为进一步提高直接转矩控制系统调速精度的重要不利因素[2]。在传统的硬开关逆变器中，开关频率由于存在开关损耗难于进一步提高，而软开关技术则是解决开关损耗问题最优良的技术。本文由此提出了将一种新的且控制简单的直流环节零电压过渡(DC-Rail ZVT)软开关逆变电路应用于异步电机直接转矩控制系统中，并详细介绍了直接转矩控制的控制策略，和软开关技术在其中的应用，最后通过MATLAB仿真软件对系统进行了仿真，结果表明了方案的可行性。 2 异步电机的直接转矩控制的基本原理 2.1 磁链控制和转矩控制 控制系统的性能是借助于控制环节来实现的，环节的优化和改善有利于各种性能指标的提高。传统直接转矩控制一般对转矩和磁通采用单滞环控制，根据各滞环的输出结果来确定电压矢量。因为不同的电压矢量在不同的瞬间对转矩T和定子磁通Ψ的调节作用互不相同，所以只有根据当前转矩和磁通的实时偏差合理地选择电压矢量，才有可能使T和Ψ的调节过程达到比较理想的状态。显然，转矩、磁通的偏差区分地越细，电压矢量地选择就越精确，控制性能也就越能得到改善。本文采用参考文献[5]中提出的转矩调节器、磁通调节器结构，它细化了T和Ψ的偏差区分，提高了系统性能。转矩调节器设计成2个具有滞环特性的单元组合结构，偏差状态用2个输出信号T1和T2来表示，如表1所示，其中ΔT1和ΔT2分别是2个滞环的宽度，且ΔT2>ΔT1。磁通调节器设计成继电器特性单元和滞环特性单元的组合结构，当前偏差状态用输出信号Ψ1和Ψ2来表示，如表2所示，其中ΔΨs为滞环宽度。
2.2 空间电压矢量对磁链和转矩的调节作用和定子磁链区间判断 非零电压矢量的切换可以调节定子磁链的幅值和转速，同时也影响到转矩的大小和变化速度。而零矢量的插入不仅回造成转矩的下降，而且会不可避免地造成的自由衰减。然而，不同的电压矢量在不同的瞬间对磁链和转矩产生的影响强弱程度是不同的。只有充分考虑到这种特点并充分加以利用，才能达到比较好的控制效果。以图1所示区间S1为例，当Ψs处于该区间时6个非零电压矢量Vi（i=1,2,3,4,5,6）对于Ψs和T的调节作用如表3所示。
在这个直接转矩控制中采用了磁链闭环控制，它使转矩不论发生什么样的变化，定子磁链总保持沿一个近似于圆的轨迹运动，磁链的转速也会被动态地调整。磁链的运行区间判断通过定子磁链由三相轴系变换到d-q两相轴系得到的值来判断。变换判断方法见下述公式和表4所示。
由该公式可得定子磁链幅值为 根据上述图1所示的空间电压矢量作用图及作用表，定子磁链区间选择表和磁链、转矩调节器的调节，据此就可以选择出最合适的非零电压矢量，表5给出了区间—磁链转矩总控制表。根据此表我们就可以获得正确的开关状态选择，实现对于磁链和转矩的直接自控制。 表5中Te为二维，第一个量代表转矩大小，1表示转矩大，0表示转矩小；第二个量代表在滞环内还是在滞环外，1表示在滞环内，0表示在滞环外。磁链Ψe也为二维，第一个量代表磁链大小，1表示磁链大，0表示磁链小；第二个量代表在滞环内还是在滞环外，1表示在滞环内，0表示在滞环外。
3 DC-Rail ZVT逆变器构成及工作原理 本文采用的DC-Rail ZVT电路如图2所示，在传统的直流环节逆变器电路中直流母线上增加一个由直流母线开关、两个反方向串联的辅助开关、一个辅助二极管及谐振电感和谐振电容构成的谐振网络，其主要优点是：所有开关均为ZVS或ZCS条件，谐振自然发生，续流二极管也为软关断，母线零电压凹槽的位置和长短可以灵活的控制，电路控制逻辑简单，功率要求较小。
该电路的基本工作思路为：当主开关需要状态切换时，让直流母线上的电压变为零，主开关在零电压条件下完成切换，再使直流母线上的电压恢复为电源电压。 该电路完成一次功率开关的零电压过渡过程可以分为如下几个阶段： ① 第一次谐振（t1~t2）：开关SL在ZVS条件下关断，开关Sa在ZCS条件下开通，回路E/2、Sa、Lr、Cr在有输出母线电流Io的情况下谐振，谐振的结果是经过时间ΔT1后，母线电压为零，谐振电感中的电流也为零。然后开关Sa在ZCS条件下关断，母线电压维持于零电压状态。 ② 逆变桥功率器件进行零电压过渡（t2~t3）：此时开关SL仍处于关断状态，直流母线电压为零，逆变桥上的功率器件可以进行零电压条件下的状态过渡。该阶段的时间可以控制，设为ΔT2。 ③ 谐振电感充电阶段（t3~t4）：开关SL仍处于关断状态，Sb在ZCS条件下开通，谐振电感Lr开始充电，一直到iLr(t)=Io时，续流二极管也将软关断。这一阶段所需时间为ΔT3。 ④ 第二次谐振阶段（t4~t6）：当谐振电感中的电流等于直流母线电流Io的时候，第二次谐振自然发生，谐振的结果是，经过时间ΔT4后，直流母线电压上升至电源电压E，直流母线开关SL在ZVS条件下开通。 ⑤ 电感残余电流释放阶段（t6~t7）：直流母线开关SL开通之后，谐振电感两端加上了和电流方向相反的电源电压，这样，电感中残余电流回馈给电源的时间为ΔT5。 4 DC-Rail ZVT逆变器中异步电机直接转矩控制系统构成 谐振直流环节零电压过渡异步电机直接转矩控制系统控制框图如图5所示，直接转矩控制部分由PI、转矩、磁链调节器，直接转矩控制部分和逆变器等构成，直接转矩控制部分主要完成磁链滞环比较、转矩滞环比较、开关信号选择、磁链、转矩、区间观测及坐标变换等功能。同时该系统采用磁链闭环、转矩闭环、速度闭环控制，以获得较理想的控制效果。 图中的直流环节零电压过渡软开关逆变器部分，最关键的是要要配合好辅助开关的控制逻辑，并准确检测谐振电容两端的电压值Ucr，同时对主开关信号的准确采样也很重要。
5 仿真研究 为了验证整个方案的可行性，利用MATLAB仿真软件中的SIMULINK和POWERLIB模块，建立了谐振直流环节零电压过渡异步电动机直接转矩控制系统仿真模型，采用的参数如下： E=510V，Lr=22 异步电机参数为：额定输出功率2.238KW；额定电压220V；定子电阻0.435Ω；定子边漏感2mH；转子电阻0.816Ω；转子边漏感2mH；互感69.31mH；极对数2； 仿真结果表明，本设计方案可以实现谐振直流环节零电压过渡异步电机直接转矩控制。图6为谐振环节的辅助开关控制信号波形、直流母线电压即Ucr波形及谐振电感电流波形，图7为定子磁链轨迹波形，图10为定子电流波形，图8和图9分别为电机转矩和转速仿真波形。
6 结 论 传统硬开关逆变器因受开关损耗的影响，开关频率难于提高，而直接转矩控制作为一种高性能的交流调速方法，在进一步提高性能的同时又增加了其开关频率，因而本文提出了将谐振直流环节零电压过渡技术应用于直接转矩控制系统中，以提高功率器件的开关频率，使这两种电力电子技术与交流传动领域的先进技术达到完美结合，最后通过计算机仿真分析表明此方案是可行的。 参考文献： [1] 李夙，异步电机直接转矩控制。北京：机械工业出版社，1994 [2] 赵伟峰，朱承高，直接转矩控制的发展现状及前景，电气传动，vol3，1999：3～6 [3] 明正峰，钟彦儒，宁耀斌，孙向东，一种新的直流母线并联谐振零电压过渡三相PWM电压源逆变器，电工技术学报，2001年，第16卷第6期：31~35 [4] 黄念慈，崔颖博，谐振直流环异步电机直接转矩控制系统，电力电子技术，1998（4）：11～14 [5] 陶红明，龚春文等，基于DSP的全数字化异步电动机直接转矩控制系统，电气传动，1997(4)：3～6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图3给出了主开关零电压状态过渡期间分阶段工作时相应原理波形。
H，Cr=0.05 
F，谐振频率fr=152kHz，Tr=6.6μs ;
直接转矩控制中磁链差设为 ΔΨs=0.1Wb；磁链给定值 =0.8Wb；转矩调节偏差值： ； 。