導(dǎo)讀：本期對基于SVM改進(jìn)型的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法進(jìn)行梳理，有兩電平SVM和三電平SVM。

一、傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制存在問題的分析

圖1異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

直接轉(zhuǎn)矩控制在兩相靜止坐標(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，它所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于異步電動機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷；控制磁場定向所用到的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以觀測出來，大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受電動機(jī)參數(shù)變化影響的問題；

采用空間矢量的概念來分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量， 使問題變得特別簡單明了； 強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，采用離散的電壓空間矢量和六變形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念；對轉(zhuǎn)矩直接控制，其控制方式是：通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值做滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，因此它的控制效果不取決于異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。

綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的分析方法，在兩相靜止坐標(biāo)系下計算與控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈， 采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。

它省掉了復(fù)雜的矢量變換與異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)迅速， 是一 種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。

盡管直接轉(zhuǎn)矩控制具有上述一些優(yōu)點(diǎn)， 但是直接轉(zhuǎn)矩控制的兩個最主要 的缺點(diǎn)卻大大限制了其在交流調(diào)速中的廣泛應(yīng)用。 電磁轉(zhuǎn)矩脈動過大和逆變 器開關(guān)頻率不恒定是直接轉(zhuǎn)矩控制的兩個最主要的缺點(diǎn)。

1.1電磁轉(zhuǎn)矩脈動過大 電磁轉(zhuǎn)矩脈動過大產(chǎn)生的原因如下：

(l)、 在異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，根據(jù)電壓開關(guān)矢量表，在逆變器的整個開關(guān)周期內(nèi)， 只有一個電壓空間矢量作用于異步電動機(jī)。由于所選擇的電壓空間矢量一直作用于異步電動機(jī)，定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩等物理量始終沿著一個方向變化。

在轉(zhuǎn)矩差較大的情況下，所選擇的電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩在一個開關(guān)周期的較長時間內(nèi)才可能達(dá)到參考值；但是在轉(zhuǎn)矩差較小的情況下， 所選擇的電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩在一個開關(guān)周期的較短時間內(nèi)就可以達(dá)到參考值， 而余下的時間因未發(fā)生逆變器開關(guān)狀態(tài)的變化，所選擇的電壓空間矢量繼續(xù)作用于異步電動機(jī)，故轉(zhuǎn)矩繼續(xù)沿原來的趨勢變化，從而產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

(2)、由于受到電力電子開關(guān)器件所能承受的開關(guān)頻率的限制，在電機(jī)運(yùn)行在高速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器所設(shè)定的滯環(huán)帶寬不能太小，如果太小將會產(chǎn)生很大的逆變器開關(guān)損耗。這樣， 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低速狀態(tài)時，滯環(huán)帶寬相對變大，也造成了較大的轉(zhuǎn)矩脈動。

1.2逆變器開關(guān)頻率不恒定

逆變器的開關(guān)時刻是山轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的上下邊界決定的，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，轉(zhuǎn)矩上升和下降的斜率與很多因素有關(guān)，不是一個常值。例如，定子磁鏈所在的扇區(qū)不同，即便選擇相同的電壓空間矢量，而轉(zhuǎn)矩變化的斜率也是不同的。因此逆變器的開關(guān)頻率是不固定的。

二、基于SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

DTC 存在轉(zhuǎn)矩紋波大，開關(guān)頻率不固定等缺點(diǎn)。不少學(xué)者對這一問題進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的解決辦法。其中應(yīng)用較為廣泛的方法是將 SVM 引入 DTC。由于 SVM 能在調(diào)制范圍內(nèi)綜合出任意幅值和相位的參考電壓，因而相比只有有限個電壓矢量的開關(guān)表具有更精細(xì)的調(diào)節(jié)能力。

采用 SVM 后采樣頻率無需太高即可獲得較為優(yōu)異的控制性能而且原DTC開關(guān)頻率變化的問題亦隨之解決。對于這類方法來說，問題的關(guān)鍵在于如何獲得參考電壓。可能的方法有無差拍控制，滑模控制器，定子磁場定向等。雖然引入 SVM 后能提升 DTC 的穩(wěn)態(tài)性能，但是大多數(shù)情況下系統(tǒng)變得更為復(fù)雜而且對參數(shù)依賴性更強(qiáng)。

圖2 基于SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

在改進(jìn)后的控制系統(tǒng)中，將滯環(huán)比較器替換為控制性能更為卓越的PI 控制器，SVPWM 模塊可以根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差的大小和方向，實(shí)時精確的調(diào)制出任意的改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩所需的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)磁鏈的平滑調(diào)節(jié)，而不受開關(guān)表中空間電壓矢量數(shù)量的限制。該方案能使逆變器開關(guān)頻率恒定，從而可以大大降低轉(zhuǎn)矩、磁鏈的脈動。

該系統(tǒng)采用的是一種先進(jìn)的脈寬調(diào)制策略，將逆變器和異步電機(jī)看做一個整體來控制，控制系統(tǒng)具有直流電壓利用率高、算法簡單、諧波損耗及噪聲低等特點(diǎn)，將先進(jìn)的控制理應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，大大提高了系統(tǒng)的性能。

2.1 SVPWM

(1) 期望電壓ref U 的生成

下一個周期所需期望電壓矢量的生成需要讓定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩在上一個周期內(nèi)都能跟蹤期望值，從而利用其與期望值的偏差控制下一個周期內(nèi)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。

圖3 期望電壓矢量的生成

(2) 兩電平SVM/三電平SVM

兩電平SVM/三電平SVM的輸入都是參考電壓，輸出的是參考電壓對應(yīng)的逆變器的6個脈沖。兩電平SVM和三電平SVM在之前的文章有過介紹，本期直接把兩電平/三電平SVM模塊移植過來進(jìn)行使用。

(3) 仿真模型搭建（采樣率10K）

圖4 基于SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

圖5傳統(tǒng)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

圖6傳統(tǒng)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

圖7 基于SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

從圖6和圖7對比發(fā)現(xiàn)，基于SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小，且定子磁鏈的容差也減小很多。

圖8 基于三電平SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

圖9 基于三電平SVM改進(jìn)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

三、總結(jié)

3.1 兩電平DTC仿真結(jié)果分析

突加負(fù)載后轉(zhuǎn)矩不能快速響應(yīng)且轉(zhuǎn)矩脈動較大，不能精確控制在較小范圍內(nèi)，即使在穩(wěn)態(tài)時也有周期性的轉(zhuǎn)矩波動；定子三相電流諧波分量較大，會使電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，開關(guān)損耗大，從而減小了系統(tǒng)的輸出功率，降低控制系統(tǒng)的效率；磁鏈畸變較嚴(yán)重，軌跡偏離標(biāo)準(zhǔn)圓，磁鏈跨越扇區(qū)分界時還會造成磁鏈跳變，尤其電機(jī)啟動時變化幅度大，不能平滑線性遞增，啟動后脈動嚴(yán)重；

電機(jī)啟動時轉(zhuǎn)速不能立即響應(yīng)，升速較慢，且超調(diào)較大，達(dá)到給定后不能保持為恒定，在0.4秒時突加負(fù)載時會使轉(zhuǎn)速突變，抗擾性較弱。

3.2 三電平DTC仿真結(jié)果分析

改進(jìn)后的控制系統(tǒng)在突加負(fù)載后轉(zhuǎn)矩能快速響應(yīng)，在啟動時也能快速建立。定子磁鏈幾乎能平滑變化，更加接近標(biāo)準(zhǔn)圓，磁鏈跨越扇區(qū)邊界時不再有畸變現(xiàn)象，整體脈動幅度大大降低；電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速準(zhǔn)確，接近理想情況，啟動時迅速上升，超調(diào)極小，穩(wěn)定后能保持完全恒定，精度高，特別顯著的是在應(yīng)對突加負(fù)載時有相當(dāng)強(qiáng)的抗擾性和自適性，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生速度降落，產(chǎn)生的微小速降變化快速，將很大程度地減小速度變化對負(fù)載造成的不良影響。定子三相電流更加接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，諧波分量小，體現(xiàn)了開關(guān)頻率的相對穩(wěn)定，因此開關(guān)管損耗和電機(jī)發(fā)熱問題會得到有效解決，系統(tǒng)效率將應(yīng)之提高。

審核編輯：劉清