基于矢量组合的直接转矩控制系统的设计与仿真

    庹朝永，郑剑

(湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151)

    摘要：采用SVPWM的方法对电压型逆变器的6个基本电压矢量进行线胜组合，得到6个合成电压矢量。在此基础上，优化设计出一种三相异步电动机直接转矩控制系统。在MATLAB／SIMULINK环境下建立该系统的仿真模型，仿真结果表明，系统的磁链、转矩脉动小，电流谐波小，具有良好的动态性能和稳态性能。

    关键词：空间矢最脉宽调制(SVPWM)；矢量组合；直接转矩控制(DTC)；异步电动机

    中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0049—03

0引  言

    三相电压型逆变器的8种基本开关状态，被映射到机电能量转换平面(d-q平面)上，即为6个基本电压矢量和2个零矢量。传统的三相异步电动机直接转矩控制系统在每个控制周期内选择8个矢量中的某一个，去控制逆变器和异步电机，从而将定子磁链和转矩控制在相应的滞环带内。由于电压矢量的个数有限，并且在d—q平面上的分布不连续，位置互差60。，因此不可避免地导致磁链、转矩的脉动较大，电流谐波较大，使电机产生不希望的噪声和振动。为了解决这一问题，本文采用SVPWM的方法对6个基本电压矢量进行线性组合，得到6个合成电压矢量：然后在此基础上，优化设计出一种直接转矩控制系统。最后在MATLAB／SIMULINK环境下建立该系统的仿真模型，并进行仿真实验验证。

1电压空间矢量的线性组合    

    电压型逆变器的6个基本矢量和两个零矢量在d—g平面上的分布如图1所示。采用SVPWM，对两个基本矢量和一个零矢量进行线性组合，可得到任一方向、任一幅值的合成矢量。基于这一思路，利用相邻的两个基本矢量，沿它们的角平分线方向进行线性组合，可得到一个合成矢量，其幅值则由两个基本矢量的作用时间决定。

    以相邻的u₁，u₂线性组合为u₁₂为例，设采样周期为T_s，u₁的作用时间为T₁，u₂的作用时间为T₂，且如图2所示：根据伏秒平衡原则，

    依此类推，可得u₂₃、u₃₄、u₅₆、u₆₁，如图3所示。为便于选择这12个电压矢量，将d—q平面划分为12个扇区，每个扇区的范围为30^。，分别用s₁～s₁₂表示，如图4所示。

2直接转矩控制系统的设计

2.1总体设计

    系统的结构框图如图5所示，逆变器和异步电动机被视为一个整体，因此系统主要由磁链和转矩观测器、磁链和转矩调节器、逆变器开关表三大部分组成，其中磁链和转矩调节器、逆变器开关表构成非线性控制器。    

    转速给定值ω_r与反馈值ω_r进行比较，得到误差值△ω_r，作为转速调节器。ASR的输入。ASR的输出作为转矩给定值T_e，转矩给定值T_e与观测值T_e行比较，得到误差值△T_e，作为转矩调节器ATR的输入，ATR的输出Q_T，作为逆变器开关表韵设计依据之一：QT_e=一1要求减小转矩，QTe=O要求磁链矢量停止正向旋转(或反向旋转)，QTe=l要求增大转矩。磁链幅值给定值Ψ_s与观测值Ψs进行比较，得到误差值△Ψ_s，作为磁链调节器的输入，磁链调节器的输出QΨ_s 作为逆变器开关表的设计依据之二：QΨ_s=O要求减小磁链幅值，QΨ_s=1要求增大磁链幅值。由磁链角度观测值<Ψs可得到磁链矢量Ψs所在的扇区sector，sector作为逆变器开关表的设计依据之三。综合Q_Te、Q_Ψs、sector这三个控制量，再综合上一个采样周期所施加的电压矢量us(n一1)，就可以确定本次采样周期所应该施加的

电压矢量us(n)。

    因此，系统设计的三个主要问题是：(1)磁链和