摘要：傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(D，rc)受電壓源逆變器(VsI)電壓矢量數(shù)量限制，不能合理地制定開
關(guān)表，造成了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。采用離散空間矢量調(diào)制(DsVM)方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，增加了可選擇的電壓矢量，使電壓
矢量在幅值和相位上較為連續(xù)，并且根據(jù)轉(zhuǎn)速不同分別制定了開關(guān)表．避免了較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)出現(xiàn)。仿真結(jié)果證明轉(zhuǎn)
矩脈動(dòng)、電流脈動(dòng)明顯減小。
關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；離散空問矢量調(diào)制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2IJIl9110—0053一03
O引 言
直接轉(zhuǎn)矩控制具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是也有開關(guān)頻率不固定、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大(尤其在低速)等缺點(diǎn)，從而限制了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。針對(duì)這些缺點(diǎn)人們提出許多改進(jìn)方案，例如智能控制法和預(yù)期電壓法。采用智能控制器代替滯環(huán)調(diào)節(jié)器來選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)可以使控制效果變得更加理想；預(yù)期電壓法是計(jì)算出定子磁鏈所需要的變化量來補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差，再用sVWM技術(shù)合成任意所需要的電壓矢量。但是這些方法大多解決了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題后，使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化計(jì)算周期變長(zhǎng)，并且有些方法會(huì)增加對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。
在詳細(xì)地分析了傳統(tǒng)DTc產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因基礎(chǔ)上，針對(duì)這些產(chǎn)生脈動(dòng)的原因采用DsvM即離散空間矢量凋制技術(shù)，DsVM方法增加了電壓矢量的個(gè)數(shù)并且這些電壓矢量在幅值和相位上可以較
為連續(xù)的變化，利用多級(jí)滯環(huán)調(diào)節(jié)，結(jié)合轉(zhuǎn)速等因素制定開關(guān)表。這種方法在減小轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)的同時(shí)不會(huì)增加控制計(jì)算復(fù)雜程度3】
1傳統(tǒng)DTc結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)形成原因
傳統(tǒng)DTc基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。
在傳統(tǒng)DTc中，磁鏈、轉(zhuǎn)矩的給定值和觀測(cè)值的偏差通過滯環(huán)調(diào)節(jié)后，從逆變器的8個(gè)基本電壓
空間矢量中選擇合適的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的砰砰控制，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈跟蹤著給定值。
傳統(tǒng)DTC一般是采用零矢量和非零矢量交替使用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩變化的�；倦妷菏噶考吧葏^(qū)分布圖如圖2所示。 根據(jù)基本電壓矢量位置將坐標(biāo)平面分為6個(gè)扇區(qū)。第一個(gè)扇區(qū)開關(guān)表如表1所示，CT表示轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出值 ，輸出值表一表示需要減小磁鏈或轉(zhuǎn)矩幅值，-1表示需要增大磁鏈或轉(zhuǎn)矩幅值，O表示保持轉(zhuǎn)矩幅值不變。第一扇區(qū)可以選擇的電壓矢量有5個(gè)，u2使轉(zhuǎn)矩和磁鏈增大；u3使轉(zhuǎn)矩增大磁鏈減小；u5使磁鏈和轉(zhuǎn)矩減��；u6使轉(zhuǎn)矩減小磁鏈增大；u2可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩緩慢的減小，當(dāng)cT=0時(shí)選擇u2。
傳統(tǒng)DTc通過滯環(huán)調(diào)節(jié)，一個(gè)周期僅能選擇一個(gè)基本電壓矢量，由于八個(gè)基本電壓矢量有限并且
不連續(xù)，容易使轉(zhuǎn)矩急劇地上升和下降，在很短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)所設(shè)定的轉(zhuǎn)矩容差上／下限，在一個(gè)周期剩余時(shí)間內(nèi)還繼續(xù)增大或減小，最終超過轉(zhuǎn)矩容差造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。并且根據(jù)公式推算，在不同的速度區(qū)間電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響也不同，具體分析如下 數(shù)；ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈；us為定子電壓空間矢量；Rs為定子電阻；is、ir，分別為定、轉(zhuǎn)子電流Ls、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電感；Lm為定子與轉(zhuǎn)子問的互感；ts為采樣周期；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度；p為微分因子。
通過式(6)可以看出，與轉(zhuǎn)矩變化有關(guān)的變量主要有us、ω、ψs、Te，其中ω、ψsTe在一個(gè)采樣周期內(nèi)的變化相對(duì)于外加電壓的變化可以忽略不計(jì)認(rèn)為是常數(shù)。但是ω在不同的速度區(qū)域?qū)D(zhuǎn)矩變化影響有很大的不同。下面重點(diǎn)對(duì)“us、ω與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系以及所造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析。
(1)us對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響
傳統(tǒng)DTc一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，可以選擇的電壓矢量過少，轉(zhuǎn)矩和磁鏈增大或減小的每種情況只能對(duì)應(yīng)選
擇一個(gè)非零電壓矢量(如表1所示)。對(duì)式(6)分析，在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所選的同一個(gè)us與ψs夾角θ隨
著ψs的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，△Te也隨著θ的變化而變化在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)θ變化范圍較大，有時(shí)會(huì)使一個(gè)周期
內(nèi)的△Te遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)矩容差，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。
(2)ω對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響
高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)除了受us因素的影響外，轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響也很大。由于ψs×us
ω｜ψs｜2次方中的ψ過大，在滯環(huán)調(diào)節(jié)中易使轉(zhuǎn)矩減小值大于增大值。在一個(gè)扇區(qū)中的｜ψs×us｜值較小位置上，有些使轉(zhuǎn)矩增大的電壓矢量在高速時(shí)只能使轉(zhuǎn)矩減小。所以傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩在高速時(shí)比較容易超過轉(zhuǎn)矩容差下限，造成較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
本文從以上原因入手采用了DsVM方法對(duì)傳統(tǒng)DTc進(jìn)行改進(jìn)。
2 DsVM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)
2 1基本思想
DsVM的基本調(diào)制思想是利用sVPwM方法，即基本電壓矢量合成方法，得到所希望的電壓矢量，
所不同的是DsVM用于合成的三個(gè)基本矢量作用時(shí)間無需經(jīng)過計(jì)算，各作用一個(gè)1／3周期。傳統(tǒng)DTc扇區(qū)1可選的電壓矢量有5個(gè)，DsvM調(diào)制技術(shù)就是將這5個(gè)電壓矢量3個(gè)一組進(jìn)行排列組合，
形成不同方向不同幅值的19個(gè)電壓矢量，如圖3所示
圖中每一個(gè)交點(diǎn)表示一個(gè)合成電壓矢量的終點(diǎn)，“23z”表示由V2、V3、零矢量所合成的矢量。這
樣DsVM調(diào)制方法就生成了大量可以選擇的電壓矢量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)的8個(gè)基本電壓矢量。
2 2 DsVM調(diào)制特點(diǎn)
DsVM調(diào)制技術(shù)合成了幅值和相位較為連續(xù)的電壓矢量，減小了由于電壓矢量過少且不連續(xù)所造
成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了消除速度對(duì)于轉(zhuǎn)矩變化的不利影響，根據(jù)速度不同分為高、中、低三個(gè)速度區(qū)。高速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)大，即式(6)中的ω｜ψs｜2次方部分較大，能利用的電壓矢量較多，可以把每個(gè)扇區(qū)分為正負(fù)兩部分。為避免開關(guān)表頻繁切換，各速度區(qū)之間有一定重合。系統(tǒng)采用五級(jí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)和兩級(jí)磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)。
DSVM的特點(diǎn)：
(1)每個(gè)扇區(qū)有19個(gè)可供選擇的電壓矢量，并且所選的電壓矢量在幅值和相位上更加連續(xù)，這樣
就不容易使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于轉(zhuǎn)矩容差。
(2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)為五級(jí)滯環(huán)調(diào)節(jié)。跟據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差值大小不同，選擇幅值方向不同的電壓矢量。
(3)充分考慮到轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩變化率的影響。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速制定開關(guān)表。
2 3電壓矢量的選擇
電壓矢量選擇的依據(jù)包括：(1)所處扇區(qū)；(2)滯環(huán)調(diào)節(jié)輸出值；(3)轉(zhuǎn)速。
如表2所示，以第一扇區(qū)為例，低速時(shí)cψ=1、cT= -1，這時(shí)轉(zhuǎn)矩偏差較小，需要選擇使轉(zhuǎn)矩增加較小的電壓矢量，即選擇3ZZ；當(dāng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)值為一2時(shí)，應(yīng)選擇333。這樣就避免了在轉(zhuǎn)矩偏差較小和較大時(shí)選擇同樣的電壓矢量，從而造成較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
根據(jù)前面分析，高速時(shí)ω｜ψs｜2次方較大，這樣會(huì)造成轉(zhuǎn)矩減小幅度過大，以及有些使轉(zhuǎn)矩增大的電壓矢量此時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)矩減小。根據(jù)這樣的原則和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)值對(duì)電壓矢量進(jìn)行選擇，例如在高速+1扇區(qū)cψ=1，cT=2、l、O、一1、一2時(shí)分別選擇555、3zz、33z、333、333，因?yàn)榇藭r(shí)3ZZ已經(jīng)不能使轉(zhuǎn)矩增大而只能使其減小了，如果cT=l時(shí)還選擇5ZZ就可能使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)矩容差。
3仿真及結(jié)果分析
分別建立DsVM DTc和傳統(tǒng)DTc的simulink仿真模型，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 430 r／m JfJ、額定功率為4 kw、額定頻率為50 Hz、極對(duì)數(shù)為2、定子電阻和電感為I 405 n和0 005 839 H、轉(zhuǎn)子電阻和電感為1.395 Ω和0.005 839 H、定轉(zhuǎn)子互感為0．172 2H。給定定子磁鏈1.2 wb，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為25 N·m，轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)上限為75 N·m，在轉(zhuǎn)速為100 r／min、1.100r／min時(shí)進(jìn)行仿真。
如圖4～圖7所示，給定轉(zhuǎn)速為100 r／min時(shí)傳統(tǒng)DTc平均轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值為4．2 N·m，DsVM—DTc為2 35 N·m，與傳統(tǒng)DTc相比DsVM DTc平均轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值下降了44％，低速時(shí)DsVM調(diào)制技術(shù)使轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)變得更小，并抑制了傳統(tǒng)DTc低速電流畸變。
如圖8～圖11所示，轉(zhuǎn)速為1 100 r／min時(shí)，傳統(tǒng)DTc轉(zhuǎn)矩平均脈動(dòng)幅值為3 8 N·m，I)SVM—DTc為2 3 N·m，平均轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降了39 5％，轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)明顯變小。
4. 結(jié)語
針對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因，采用I)SVM調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)，這種方法增加了可以選擇的電壓矢量，合理制定了開關(guān)表。分別建立傳統(tǒng)DTc和DsVM—DTc的仿真模型，在100r／min和1 100 r／min兩種情況下進(jìn)行仿真，相對(duì)于傳統(tǒng)DTc，DsVM—DTc平均轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別下降了44％和39．5％。轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)有明顯的減小，并且在低速時(shí)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果更明顯。
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