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基于矢量組合的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

    庹朝永，鄭劍

(湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151)

    摘要：采用SVPWM的方法對(duì)電壓型逆變器的6個(gè)基本電壓矢量進(jìn)行線勝組合，得到6個(gè)合成電壓矢量。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下建立該系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，電流諧波小，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

    關(guān)鍵詞：空間矢最脈寬調(diào)制(SVPWM)；矢量組合；直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)；異步電動(dòng)機(jī)

    中圖分類號(hào)：TM34  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0049—03

0引  言

    三相電壓型逆變器的8種基本開關(guān)狀態(tài)，被映射到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換平面(d-q平面)上，即為6個(gè)基本電壓矢量和2個(gè)零矢量。傳統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在每個(gè)控制周期內(nèi)選擇8個(gè)矢量中的某一個(gè)，去控制逆變器和異步電機(jī)，從而將定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制在相應(yīng)的滯環(huán)帶內(nèi)。由于電壓矢量的個(gè)數(shù)有限，并且在d—q平面上的分布不連續(xù)，位置互差60。，因此不可避免地導(dǎo)致磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)較大，電流諧波較大，使電機(jī)產(chǎn)生不希望的噪聲和振動(dòng)。為了解決這一問題，本文采用SVPWM的方法對(duì)6個(gè)基本電壓矢量進(jìn)行線性組合，得到6個(gè)合成電壓矢量：然后在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。最后在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下建立該系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1電壓空間矢量的線性組合    

    電壓型逆變器的6個(gè)基本矢量和兩個(gè)零矢量在d—g平面上的分布如圖1所示。采用SVPWM，對(duì)兩個(gè)基本矢量和一個(gè)零矢量進(jìn)行線性組合，可得到任一方向、任一幅值的合成矢量。基于這一思路，利用相鄰的兩個(gè)基本矢量，沿它們的角平分線方向進(jìn)行線性組合，可得到一個(gè)合成矢量，其幅值則由兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間決定。

    以相鄰的u₁，u₂線性組合為u₁₂為例，設(shè)采樣周期為T_s，u₁的作用時(shí)間為T₁，u₂的作用時(shí)間為T₂，且如圖2所示：根據(jù)伏秒平衡原則，

    依此類推，可得u₂₃、u₃₄、u₅₆、u₆₁，如圖3所示。為便于選擇這12個(gè)電壓矢量，將d—q平面劃分為12個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的范圍為30^。，分別用s₁～s₁₂表示，如圖4所示。

2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，逆變器和異步電動(dòng)機(jī)被視為一個(gè)整體，因此系統(tǒng)主要由磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、逆變器開關(guān)表三大部分組成，其中磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、逆變器開關(guān)表構(gòu)成非線性控制器。    

    轉(zhuǎn)速給定值ω_r與反饋值ω_r進(jìn)行比較，得到誤差值△ω_r，作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。ASR的輸入。ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定值T_e，轉(zhuǎn)矩給定值T_e與觀測(cè)值T_e行比較，得到誤差值△T_e，作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸入，ATR的輸出Q_T，作為逆變器開關(guān)表韻設(shè)計(jì)依據(jù)之一：QT_e=一1要求減小轉(zhuǎn)矩，QTe=O要求磁鏈?zhǔn)噶客Ｖ拐�向旋轉(zhuǎn)(或反向旋轉(zhuǎn))，QTe=l要求增大轉(zhuǎn)矩。磁鏈幅值給定值Ψ_s與觀測(cè)值Ψs進(jìn)行比較，得到誤差值△Ψ_s，作為磁鏈調(diào)節(jié)器的輸入，磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出QΨ_s 作為逆變器開關(guān)表的設(shè)計(jì)依據(jù)之二：QΨ_s=O要求減小磁鏈幅值，QΨ_s=1要求增大磁鏈幅值。由磁鏈角度觀測(cè)值<Ψs可得到磁鏈?zhǔn)噶喀穝所在的扇區(qū)sector，sector作為逆變器開關(guān)表的設(shè)計(jì)依據(jù)之三。綜合Q_Te、Q_Ψs、sector這三個(gè)控制量，再綜合上一個(gè)采樣周期所施加的電壓矢量us(n一1)，就可以確定本次采樣周期所應(yīng)該施加的

電壓矢量us(n)。

    因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)主要問題是：(1)磁鏈和