基于矢量組合的直接轉矩控制系統的設計與仿真

    庹朝永，鄭劍

(湖南機電職業技術學院，湖南長沙410151)

    摘要：采用SVPWM的方法對電壓型逆變器的6個基本電壓矢量進行線勝組合，得到6個合成電壓矢量。在此基礎上，優化設計出一種三相異步電動機直接轉矩控制系統。在MATLAB／SIMULINK環境下建立該系統的仿真模型，仿真結果表明，系統的磁鏈、轉矩脈動小，電流諧波小，具有良好的動態性能和穩態性能。

    關鍵詞：空間矢最脈寬調制(SVPWM)；矢量組合；直接轉矩控制(DTC)；異步電動機

    中圖分類號：TM34  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)12—0049—03

0引  言

    三相電壓型逆變器的8種基本開關狀態，被映射到機電能量轉換平面(d-q平面)上，即為6個基本電壓矢量和2個零矢量。傳統的三相異步電動機直接轉矩控制系統在每個控制周期內選擇8個矢量中的某一個，去控制逆變器和異步電機，從而將定子磁鏈和轉矩控制在相應的滯環帶內。由于電壓矢量的個數有限，并且在d—q平面上的分布不連續，位置互差60。，因此不可避免地導致磁鏈、轉矩的脈動較大，電流諧波較大，使電機產生不希望的噪聲和振動。為了解決這一問題，本文采用SVPWM的方法對6個基本電壓矢量進行線性組合，得到6個合成電壓矢量：然后在此基礎上，優化設計出一種直接轉矩控制系統。最后在MATLAB／SIMULINK環境下建立該系統的仿真模型，并進行仿真實驗驗證。

1電壓空間矢量的線性組合    

    電壓型逆變器的6個基本矢量和兩個零矢量在d—g平面上的分布如圖1所示。采用SVPWM，對兩個基本矢量和一個零矢量進行線性組合，可得到任一方向、任一幅值的合成矢量。基于這一思路，利用相鄰的兩個基本矢量，沿它們的角平分線方向進行線性組合，可得到一個合成矢量，其幅值則由兩個基本矢量的作用時間決定。

    以相鄰的u₁，u₂線性組合為u₁₂為例，設采樣周期為T_s，u₁的作用時間為T₁，u₂的作用時間為T₂，且如圖2所示：根據伏秒平衡原則，

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

2直接轉矩控制系統的設計

2.1總體設計

    系統的結構框圖如圖5所示，逆變器和異步電動機被視為一個整體，因此系統主要由磁鏈和轉矩觀測器、磁鏈和轉矩調節器、逆變器開關表三大部分組成，其中磁鏈和轉矩調節器、逆變器開關表構成非線性控制器。    

    轉速給定值ω_r與反饋值ω_r進行比較，得到誤差值△ω_r，作為轉速調節器。ASR的輸入。ASR的輸出作為轉矩給定值T_e，轉矩給定值T_e與觀測值T_e行比較，得到誤差值△T_e，作為轉矩調節器ATR的輸入，ATR的輸出Q_T，作為逆變器開關表韻設計依據之一：QT_e=一1要求減小轉矩，QTe=O要求磁鏈矢量停止正向旋轉(或反向旋轉)，QTe=l要求增大轉矩。磁鏈幅值給定值Ψ_s與觀測值Ψs進行比較，得到誤差值△Ψ_s，作為磁鏈調節器的輸入，磁鏈調節器的輸出QΨ_s 作為逆變器開關表的設計依據之二：QΨ_s=O要求減小磁鏈幅值，QΨ_s=1要求增大磁鏈幅值。由磁鏈角度觀測值<Ψs可得到磁鏈矢量Ψs所在的扇區sector，sector作為逆變器開關表的設計依據之三。綜合Q_Te、Q_Ψs、sector這三個控制量，再綜合上一個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該施加的

電壓矢量us(n)。

    因此，系統設計的三個主要問題是：(1)磁鏈和