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一种新颖的变占空比直接转矩控制方案 朱鹏程 康 勇 陈 坚 华中科技大学（武汉 430074） 摘 要:本文对异步电机的直接转矩控制方案进行了分析。针对经典直接转矩控制中存在的转矩脉动较大的缺点提出了一种简便易行的变占空比控制方案，并通过Matlab仿真实验验证了这种方案的有效性。 关键词：变占空比控制 直接转矩控制 Matlab仿真 A Novel Duty Cycle Control Scheme for Direct Torque Control Abstract: This paper analyzed the Direct Torque Control scheme for asynchronous motor. To over come the drawbacks of classical DTC scheme such as high torque ripple, this paper presented a simple duty cycle control scheme. Through Matlab simulation the effectiveness of this control scheme was proved. Key words: Duty Cycle Control Scheme Direct Torque Control MATLAB simulation 1 引 言 直接转矩控制（DTC）是一门相当新的电机控制技术，它不仅适用于感应电机，而且也适用于同步电机。它实行简便不需要了解太多的电机参数且具有良好的动态性能和稳态性能适用于大多数电力推进和电力传动场合是一种具有良好发展前景的电机控制技术。但对于经典的DTC控制来说存在稳态时转矩脉动较大，开关频率变化不定的缺点。可以通过提高采样频率来减小转矩脉动但这要求很高的采样频率，这在实际应用中有一定的困难。现在有不少方法用来在较低的采样频率下减小其转矩脉动，但这些方法有的较复杂，有的要求对电机参数有较多了解。本文提出了一种简便的采用占空比调节的方法[2]对直接转矩控制的转矩脉动进行抑制，并通过Matlab仿真验证了这种方法的有效性。 2 控制原理 2.1 经典直接转矩控制 基于经典的直接转矩控制的异步电机调速系统原理图如图1所示。电机转速n被检测出来与给定值 定子磁链分量则由定子电压减去定子电阻上的压降再积分得到。电磁转矩是定子磁链和定子电流的叉积，定子磁链则由其 式中： Ｒs —定子电阻 ｎｐ—电机极对数 所得到得定子磁链和转矩的估计值与相应的给定值经滞环HC1，HC2比较后输出相应的逻辑信号连同定子磁链位置角一起输出给开关表以决定相应桥臂上的开关器件的开关状态。 图1 基本的直接转矩控制框图 2.2 变占空比控制 在经典的直接转矩中电压矢量的选择限于8个有效矢量（包括两个零矢量）。电压矢量的选择是使得定子磁链向所希望的方向运动。一旦选定了一个矢量那么在整个采样周期中都会发出同样的矢量，这样并不能对定子磁链进行精确的控制从而会使得电磁转矩产生较大的脉动。为了解决这个问题常采用变占空比控制即在一个采样周期的部分时间内发出非零矢量而在剩余的时间内发出零矢量使得一个采样周期内转矩的上升等于转矩的下降。在通常的DTC控制中一般是使平均转矩等于滞环的低端。如果占空比选择正确使得平均转矩的上升等于平均转矩的下降，那么平均电磁转矩就等于滞环的低端。如果占空比较大那么平均转矩的上升就大于平均转矩的下降，这样平均电磁转矩就大于滞环的低端。如果占空比较小那么平均转矩的上升就会过小，使得平均转矩低于滞环的低端。这样通过改变占空比就可以控制平均输出电磁转矩等于滞环的低端，同时可以大大减小转矩的脉动。由于占空比和转矩误差，定子磁链误差以及磁链位置之间呈非线性关系所以要通过调节占空比来彻底消除转矩的脉动是非常困难的。文献[3],[5],[6]中通过变占空比控制减小转矩脉动得到了较好的结果但实行起来较为复杂。在这里通过在一般的DTC控制中加上一个简单的占空比控制环得到。其控制框图如图2，这里利用转矩的误差通过一个PI调节器来控制占空比。 2.3 电流限幅 由于直接转矩控制没有电流调节环所以必须采取相应的措施进行限流。可以采用电流滞环的方法。即当电流超过一定的限度时就发出零矢量使电流下降，直到电流下降至安全值以后才按DTC控制发出相应的矢量。 3 仿真结果 根据提出的磁链估计方法 ,利用Matlab语言进行交流异步电机的DTC方案仿真实验。仿真时用到的电机参数为: 互感Ｌｍ=34.7mＨ 转子自感Ｌｒ=35.5mH 定子自感Ｌｓ=35.5mH 定子电阻Ｒｓ=0.087Ω 转子电阻Ｒｒ=0.228Ω 转子转动惯量Ｊ=0.3ｋｇ·ｍ 初始化时负载ＴＬ=50Ｎ·ｍ 异步电机的极对数np=2 给定的转速n=500转/分 给定的定子磁通 ψｓ＝0.8Ｗｂ。 给定的负载转矩为 对于以上参数的电机模型分别进行了经典直接转矩控制和采用变占空比控制的直接转矩控制电机带载启动过程，其采样频率为10KHz。两者的响应分别如图３、图4所示。 以上仿真结果是在定子电阻已知且假定不变时得出的。由仿真结果可知采用经典直接转矩控制虽然可以得到较好的动态响应性能但是其电磁转矩的脉动较大，在10K的采样频率下也达到50N*M。且在一定的采样频率下滞环小到一定程度就不再起作用了。由图3（a）可见定子电流限幅起了作用，在启动时将电流限在了100A。这样就使得电机以恒最大转矩启动。另外由于输出没有采用滤波所以输出电流中含有较多的谐波。 由图4可见采用变占空比直接转矩控制不仅保持了直接转矩控制良好的动态性能和稳态性能，而且有效地减小了稳定工作时的定子磁链和电磁转矩脉动。由图4（d）可见其电磁转矩的脉动减小到了10N*M，远小于采用经典直接转矩控制的情况。从图4（e）可见采用变占空比控制时的占空比变化情况，从图中可以看到启动时占空比最大以最大占空比0.8输出脉宽，使转矩达到最大，等到达稳态时占空比变小至0.35左右，使得稳态时转矩脉动较小。并且稳态时定子电流的谐波含量也明显减少，图4（a）。 由以上仿真结果可见这种变占空比控制具有优良的性能。 4 结 论 本文提出了一种简便易行的变占空比直接转矩控制方案，通过检测转矩的误差来 控制占空比的变化以减小直接转矩控制时转矩的脉动，仿真的结果也表明了这种方案 的有效性。 参考文献： [1]薛定宇 《控制系统计算机辅助设计---MATLAB语言及应用》 清华大学出版社 [2]陈坚 《交流电机数学模型及调速系统》国防工业出版社 1985 [3]D.Telford,M.W.Dunningan, and B.W.Willams “A Novel Torque-Ripple Reduction Strategy for Direct Torque Control”, IEEE Trans on Industrial Electronics Vol 48,No.4,August 2001. [4]J.Faiz,S.H.Hossieni and M.Ghaneei “Direct torque control of induction motors for electric propulsion systems”, Electric Power Systems Research 51(1999)95-101. [5]Lixin Tang and M.F.Rahman“A New Direct Torque Control Strategy for Flux and Torque Ripple Reduction for Induction Motors Drive-A Matlab /Simulink Model” 0-7803-7091-0/01 2001 IEEE. [6]Sayeed Mir and Malik E.Elbuluk “Precision Torque Control in Inverter-Fed Induction Machines Using Fuzzy Logic” 0-7803-2730-6/95 1995 IEEE. 作者简介: 朱鹏程 男，1977年6月生，硕士。研究方向为电力电子及电力传动。 |
比较经PID调节器生成转矩指令信号 
。定子相电压 
， 
和相电流 
， 
被检测出来后经过静止3/2变换得到两相静止坐标系下的直轴分量和交轴分量即 
， 
和 
， 
。其变换公式为:
（1）
， 
分量的平方根之和再开方得到。其公式如下：
（2）
（3）
（4） 
（5）
（6）
—α,β坐标系中定子磁链分量。
—α,β坐标系中定子电压分量
—α,β坐标系中定子电流分量
