张继勇，袁如明（扬州大学，江苏扬州225009）

  摘要：高性能直接转矩控制系统的关键之一是磁链的准确观测，结合一种适合交流电动机直接转矩控制的非线性正交反馈补偿定子磁链观测器，该观测器从确保磁链和反电势正交的角度出发，保证了电机在宽运行范围定子磁链观测的准确性，仿真和实验表明，该观测器能在宽速度范围内精确地估算电机定子磁链，实现感应电机直接转矩控制系统的高性能控制。

  关键词：交流电动机；直接转矩控制；非线性正交磁链观测器

  中图分类号：TM346  文献标识码：A  文章编号：1004 -7018( 2008) 09 -0046 -03

0引  言

  交流电动机直接转矩控制( DTC)是一种电机磁链、转矩的直接控制方式，能否对定子磁链的幅值、相位准确观测，直接影响直接转矩控制效果和电机运行性能。

    目前，定子磁链观测方法有以下几种：①直接计算法【1-2】，该方法简单、动态响应快，但依赖电机参数较多，且基于开环而无补偿，会导致计算结果随电机运行工况变化而不准确；②基于各种观测器的方法【3-5】，估计系统状态时，为使系统全局稳定，在不同的运行速度范围观测器须采取不同增益矩阵。该方法受电机参教影响很大，需要额外设置在线状态观测器来实时估计电机参数，致使系统结构复杂；③基于反电势积分方法【6-7】。这种方法仅依赖电机定子电阻参数，实现非常简单，但是低速性能不好。磁链观测器的设计原则是尽量少用或不用电机本身参数，避免状态观测随运行状态变化。对此，文献[8]提出三种基于反电势积分的磁链观测器改进方案，第一种方案在实际运行中仍然会有磁链直流偏移或者扭曲等问题；第二种方案须特别注意饱和限幅值的设置，且仅能用于恒磁通控制；第三种方案没有考虑直接转矩控制下反电势是非连续跳变信号这个实际情况，因此并不适合DTC运行，而且观测器中还含有PI调节器和非线性饱和模块，增加了调试难度。感应电动机直接转矩控制有其自身的特点，其所加空间电压矢量并不连续，是一种离散信号，但其定子电流因绕组电感存在而不能突变，定子电阻压降也不会突变，故其反电势也为非连续的离散信号。针对这种特点，本文结合了一种新型的适合感应电动机直接转矩控制运行的非线性正交反馈补偿磁链观测器，通过检测反电势和磁链的正交程度来控制补偿程度，进而决定出磁链的反馈值。该观测器算法不含PI调节，无饱和限幅模块，调节迅速，易于实现，能适合恒磁通和弱磁远行。实验运行验证了这种新型磁链观测器的正确性和实用性。

   定子磁链的传统反电势积分算法是：

  

   其中：u_s、i_s分别为定子电压矢量、电流矢量。反电势积分算法计算简单、响应快，仅依赖电机定子电阻****参数，但缺点非常明显，因为测量噪声和测量误差在一定时间内的积分表现为恒定直流量，引起磁链漂移，致使定子磁链矢量ψs。运动轨迹不再是以原点为中心的一个圆，此时电机定子电流中含有直流分量，影响电机正常运行。此外，初始磁链矢量设置准确与否也影响磁链观测准确性。

    消除纯积分器引起的直流漂移******方法是让按式(1)计算出的ψs。通过一个高通波器变为ψs₀，如图1所示。

    图中：e_s为检测出的反电势（u_s- Ri_s）。将图1中的积分环节和高通环节合并，得到一个低通环节，如图2所示。图2表明，反电势经过一阶低通滤波后也可以得到磁链的观测值。

 

    

     式中ω_c为截止频率，ω_c =1/τ为时间常数。τ值选取对定子磁链漂移分量的衰减速度影响很大，τ值越大，直流分量衰减越慢，且对定子磁链的基波幅值衰减和相移影响也很大。

    高通滤波器的幅频响应为：

 

     可以看出，当定子磁链的频率很高时，信号的幅值衰减及相移均很小，系统