维普资讯 http://www.cqvip.com ．占 ． ．………………一……………………………Ｉ皈持．｛：棚………………………～！．．：………２ｏｏ７￣ｓ ………………． 感感应电动机直接转矩控制低速性能的改善 张爱玲，杨文杰，韦文武 （太原理工大学，山西太原０３００２４） 摘要：针对感应电动机直接转矩控制低速时转矩脉动大的问题，提出了一种改进的转矩预测法，仿真结果表 明，该方法能有效地减小转矩脉动、改善定子磁链和电流波形，提高了起动的快速性，并减少了开关次数。 关键词：直接转矩控制；转矩脉动；转矩预测 中图分类号：ＴＭ３４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－７０１８（２００７）０８—００５２—０３ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｓｐｅｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ＺＨＡＮＧ Ａｉ—ｌｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｗｅｎ一 ８，ＷＥＩ Ｗｅｎ—ＷＵ （Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｄｕｅｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ），ａ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ—ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｏｒｑｕｅ ｐｒｅｄｉｃｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｅｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｍｏｒｅ ｆａｓｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｅｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｔｉｍｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ；ｔｏｒｑｕｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ０引 言 直接转矩控制是继矢量控制后的一种高性能的 ＝ ｄ ｆｆ ｆｆ ｓｉｎ ０ （２） 式中：Ｌ ： 二堡； Ｌｍ ——交流调速方法。它结构简单、转矩响应快、对转子参 数鲁棒性好，但在低速范围内转矩脉动较大，若采样 时间较大时，转矩脉动更为明显。因此，学者们提出 了一系列解决的办法，如离散空间矢量调制（ＤＳ— ＶＭ）¨Ｊ，这种方法把一个采样周期平均分成三段， 每一段由六个基本电压矢量中的相邻电压矢量或零 电压矢量作用，每一电压矢量作用Ｔ／３时间，它能有 、 定子、转子磁链； ——定子电阻； Ｐ——电机极对数； ｉ ——定子电流； ０——定子磁链与转子磁链的夹角； ——、 定、转子电感； ——效减小转矩脉动，但是控制精度越高，矢量划分越 细，电压矢量就越多，这将增加系统的复杂性。另一 种方法是模糊控制 』，它通过模糊规则对转矩容 差、磁链容差和扇区进行判别来确定输出电压矢量， 以减小转矩脉动，这种方法减小转矩脉动的效果是 明显的，但计算量太大，且精度越高，系统越复杂。 本文根据转矩预测的思想 Ｊ，提出一种改进的转 矩预测直接转矩控制，它不仅有效地降低了低速时 的转矩脉动，同时缩短了起动时间，改善了定子磁链 和电流波形。 定子与转子间的互感。 由式（１）、（２）可知，保持定、转子磁链幅值 、 近似不变，控制定子绕组的电压空间矢量 来 控制定子绕组磁链 的旋转速度，就可以改变定 转子磁链夹角０的大小，达到控制转矩的目的。传 统直接转矩控制正是通过转矩环和磁链环的ｂａｎｇ —ｂａｎｇ控制来选择电压空间矢量从而控制感应电 机的，它摒弃了矢量控制中复杂的坐标变换，转矩响 应快，鲁棒性好，但转矩脉动较大。可分析如下： 感应电动机的转矩和磁链也可表示为： Ｔｅ＝Ｐ（ ｏ ｉ ） ｑ＇ｓ＝Ｌ ｉ ＋ ｆ ｑ＇ｒ＝Ｌ ｆ ＋Ｌ ｉ （３） （４） （５） １传统直接转矩控制和转矩脉动分析 感应电动机的磁链和转矩公式可表示为： ＝由式（３）、（４）、（５）可推出： ／（ ～Ｒｓｆ ）出 出 （１） △ ［Ｐ（ ｏ Ｖｓ）一 —ｐｗ ｆ ｆ ］ （６） 收稿日期：２００６—１２—０５ 基金项目：山西省自然科学基金资助项目（２００５１０３６） ＋ＲｒＬ￣ 式中：Ｒ ：—Ｒｓ Ｌｒ＿维普资讯 http://www.cqvip.com …一苎＿壁宴＿棚……２０…０７， 竺 …………………一…一………………一…………一……一， 由式（６）可见，低速时， 、 及Ｃ．Ｏ在一个采样 一 就可以达到给定转矩，这说明反馈转矩与给定转矩 很接近，由于零电压矢量在低速时转矩变化很小，可 以在一个周期 内全部施加零矢量，这样反馈转矩 在给定转矩附近做相对平缓的变化，使转矩脉动减 小。另外，由式（１）可知，施加零电压矢量时，定子 磁链是近似不变的，这样就可以减小传统直接转矩 控制因转矩优先原则而带来的对磁链波形的影响。 综上所述，低速时，当ｔ ≥ 时， 内全部作用非零 电压矢量川ｔ＜ 时， 内全部作用零电压矢量。 即使由于电机参数的缘故使算出的时间不准 确，但只要比采样周期小，转矩和磁链的脉动就会减 周期内的变化相对于外加电压 的变化可以忽略 不计，影响瞬间转矩变化的主要因素是 ，当转矩 环较小时，电压矢量 使转矩在一个开关周期 的较短时间内就可能达到参考值，而余下的时间由 于没有发生逆变器开关状态的转换，所选择的电压 矢量 使转矩继续沿原来的方向变化，就产生了较 大的转矩脉动。 ２转矩预测 当ｖｓ＝０时，式（６）变为： △ （一Ｒ Ｔｏ—ｐｗ ｌ ｛ ） （７） 小。图１为转矩预测的直接转矩控制的仿真结构 图，它由电流３／２变换模块，ｉ—ｎ磁链观测模块，磁 由式（７）可知，施加零电压矢量时，转矩总是减 小的，并且在低速时转矩下降幅值很小，因此在低速 时，非零电压矢量使转矩变化迅速，零电压矢量使转 矩变化（减小）缓慢。一个非零电压矢量在一个周 期内就能使转矩有较大的变化，而零电压矢量则需 要几个周期甚至更长时间才能达到相同转矩变化 量。 链滞环比较器，转矩滞环比较器，转速ＰＩ调节器，扇 区确定模块及时间观测判别模块等构成。 转矩预测 思想是：当确定了所施加电压矢量 使转矩到达给定转矩的时间ｔ ，就可以在一个周期 余下的时间（ —ｔ ）内插入零矢量来防止转矩的继 续变化，以减小转矩脉动。即一个采样周期内，在０ ～ｔ 时间内作用非零电压矢量，在 —ｔ 内作用零 电压矢量，本文称这种方法为一般的转矩预测法。 由式（６）可推出： 在０一ｔ 时间内转矩的变化为： △ Ｔ＝ 图１转矩预测的直接转矩控制仿真结构图 ３仿真实验 幂 ｔｔ，／ ｊ善． ０ ０ｒＣ 口－ｎｏ 在ｔ ～ 时间内转矩的变化为： ｐ：我们选用ＭＡＴＬＡＢ ６．５中的ＳＩＭＵＬＩＮＫ进行仿： △ ： 口 （ ）（９） 真试验，设定采样周期 ＝１００ ｐ．ｓ，感应电动机的参 威 在一个采样周期 内转矩的变化为：△ ｔ＋△ ＝数为：额定功率２．２ ｋｗ，额定电压３８０ Ｖ，△接法，定 鏖 子电阻６．９ Ｑ，转子电阻８．１８ Ｑ，定、转子漏电感均 为４５．５ ｍＨ，定转子互感为１．００３ ９ Ｈ，极对数为２， △ ： 一 ，由此得到非零电压矢量作用时间 １： 坐 Ｐ【 鳅 一 （１０） 额定负载为１４ Ｎ・ｍ，转矩限幅值２６．７ Ｎ・ｍ。 莛 图２、图３、图４分别为传统直接转矩控制、一般 缝 式中：△ 为转矩在一个周期 内的变化量， 为 转矩反馈值，Ｃ．Ｏ为转子电角速度。 考虑到简化结构和易于编程实现，该方法可作 转矩预测和改进的转矩预测的仿真结果。实验条件 葡 为：给定转速１００ ｒ／ｍｉｎ，额定转矩１４ Ｎ・ｍ起动， 搂 ：ｉ５ｏ ｒ ’１５０ ｒ ；罹 、。ｉ ｓｏ ————～ ｉ ｓ扪——一一 ５０ —ｆ —一如下改进：当ｔ ≥ 时，说明反馈转矩与给定转矩 值相差较大，甚至非零矢量作用于整个采样周期也 不能达到给定转矩。此时取ｔ ＝ ，零电压矢量就 没有必要再施加。当ｔ ＜ 时，说明反馈转矩与给 定转矩很接近，即非零电压矢量只作用较短的时间 ５０卜 —ｆ Ｌ—一髻 青 。０ １—２ｔｌｓ —３ ４Ｕ ｒｌ Ｚ Ｉ，５ ｊ ４ ・ （ａ）传统ＤＴＣ （ｂ）一般的转矩预测ＤＴｃ 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 驱 … ； ，／／翰 ， 纬名 …一…－－一…－……………………－一．………………………………触持电棚……：一…．……２００７锑８期 ……………… ． ｉ ｓｏｎ 一５０５－—卞— — ——～ 。２０｝！ ． ． （ｅ）改进转矩预测ＤＴＣ 图２转速转矩波形 ０ ｌ ２ ３ ４ ０ １ ２ ３ ４ 甜ｓ 材ｓ （ａ）传统ＤＴＣ （ｂ）一般的转矩预测ＤＴＣ ２．０ｒ Ｉ．５－■■ＨＨ－． ｊ－．呻＋・＋．Ｈ－・中 ．ｏ ｆ 霎 ０｝ ０ ５｝ｌ 一 ０ ｌ ２ ３ ４ ａｓ （ｅ）改进转矩预测ＤＴＣ 图３定子磁链波形 ２ｏＩ ２Ｏｒ ≤ｏｈ＾————————～ ｏ ＾ —————————一 ＿２０缸 蠹蕊 ｏ ２ｏ ＿＿２畜办 （ａ）传统ＤＴＣ （ｂ）一般的转矩预测ＤＴＣ ２Ｏｒ ≤ｏ —————一 －２０ Ⅲ＿商＿¨ ０ ｔ／ｓ （ｅ）改进转矩预测ＤＴＣ 图４定子电流波形 ０．３ Ｓ时给定转速突然减小为２０ ｒ／ｍｉｎ，０．８ Ｓ时负 载转矩突然减为０。 从图２、图３和图４可见，相对于传统的直接转 矩控制，转矩预测法可以有效地减小转矩脉动，改善 定子磁链波形和电流波形。和一般的转矩预测法相 比，本文提出的方法使起动时间大为缩短，并且起动 时的磁链脉动也减小了（如图６所示）。 由式（２）可知，起动转矩和 及０有关，起动 过程中，磁链和转矩波动均较大，由直接转矩控制的 规则及一般转矩预测方法所决定的电压矢量及其作 用时间，会导致起动过程转矩不能维持限幅值。本 文提出的方法由于较多零矢量的插入，使转矩和磁 链的波动减小，从而使输出转矩在起动过程中一直 保持为限幅值。图５为起动过程中的转速一转矩 图，图６为起动过程中的磁链图，给定条件同图２。 ’ｉ ｓｏｌ———一＿＿ｉ１布 南— 耋ｓｏ０占ｌ／——一ｎｌ一 １１市 ４０『 ４０ ｒ 。 。０ ０ ０— 二二＝ ＝！＝ ：。 －弋———一 ． ５ １ ０ ． Ｉ ５ ２ ０ ２５ ３ ． １— ■ （ａ）一般的转矩预测 （ｂ）改进的转矩预测 图５起动过程中的转速一转矩波形 （ａ）一般的转矩预测 （ｂ）改进的转矩预测 图６起动过程中的磁链波形 ４结语 本文提出的改进的转矩预测方法在低速范围内 能有效地减小转矩脉动，改善定子磁链和电流波形， 并且与一般的转矩预测方法相比，提高了起动的快 速性，减少开关次数，降低开关损耗，更易于编程实 现，对于改善感应电动机的直接转矩控制低速性能 是一种不错的选择。 参考文献 ［１］ Ｋｅｎｎｙ Ｂ Ｈ，ｌｏｒｒｅｎｚ Ｒ Ｄ．Ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ Ｆｌｕｘ Ｂａｓｅｄ Ｄｅａｄｂｅａｔ Ｄｉ— ｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ［Ｃ］／／ｉｎＣｏｎｆ．Ｒｅｃ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００１：１ ３３—１ ３９． ［２］ 周欣欣．无刷双馈电机及异步电动机得直接转矩控制系统转 矩脉动最小化研究［Ｄ］．太原理工大学，２００６． ［３］Ｌｉ ＹＤ．Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｏｒｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｓｐｅｅｄ Ｄｒｉｖｅｒｓ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｏｆ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］／／ｉｎ Ｃｏｎｆ，Ｒｅｃ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．１９９７：７８１ —７８８． ［４］ 李永东．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００３ 作者简介：张爱玲（１９５０一），女，硕士，教授，研究方向为电机及 其控制。 杨文杰（１９８２一），男，硕士，研究方向为电机调速与控制。
