張繼勇，袁如明（揚州大學，江蘇揚州225009）

  摘要：高性能直接轉矩控制系統的關鍵之一是磁鏈的準確觀測，結合一種適合交流電動機直接轉矩控制的非線性正交反饋補償定子磁鏈觀測器，該觀測器從確保磁鏈和反電勢正交的角度出發，保證了電機在寬運行范圍定子磁鏈觀測的準確性，仿真和實驗表明，該觀測器能在寬速度范圍內精確地估算電機定子磁鏈，實現感應電機直接轉矩控制系統的高性能控制。

  關鍵詞：交流電動機；直接轉矩控制；非線性正交磁鏈觀測器

  中圖分類號：TM346  文獻標識碼：A  文章編號：1004 -7018( 2008) 09 -0046 -03

0引  言

  交流電動機直接轉矩控制( DTC)是一種電機磁鏈、轉矩的直接控制方式，能否對定子磁鏈的幅值、相位準確觀測，直接影響直接轉矩控制效果和電機運行性能。

    目前，定子磁鏈觀測方法有以下幾種：①直接計算法【1-2】，該方法簡單、動態響應快，但依賴電機參數較多，且基于開環而無補償，會導致計算結果隨電機運行工況變化而不準確；②基于各種觀測器的方法【3-5】，估計系統狀態時，為使系統全局穩定，在不同的運行速度范圍觀測器須采取不同增益矩陣。該方法受電機參教影響很大，需要額外設置在線狀態觀測器來實時估計電機參數，致使系統結構復雜；③基于反電勢積分方法【6-7】。這種方法僅依賴電機定子電阻參數，實現非常簡單，但是低速性能不好。磁鏈觀測器的設計原則是盡量少用或不用電機本身參數，避免狀態觀測隨運行狀態變化。對此，文獻[8]提出三種基于反電勢積分的磁鏈觀測器改進方案，第一種方案在實際運行中仍然會有磁鏈直流偏移或者扭曲等問題；第二種方案須特別注意飽和限幅值的設置，且僅能用于恒磁通控制；第三種方案沒有考慮直接轉矩控制下反電勢是非連續跳變信號這個實際情況，因此并不適合DTC運行，而且觀測器中還含有PI調節器和非線性飽和模塊，增加了調試難度。感應電動機直接轉矩控制有其自身的特點，其所加空間電壓矢量并不連續，是一種離散信號，但其定子電流因繞組電感存在而不能突變，定子電阻壓降也不會突變，故其反電勢也為非連續的離散信號。針對這種特點，本文結合了一種新型的適合感應電動機直接轉矩控制運行的非線性正交反饋補償磁鏈觀測器，通過檢測反電勢和磁鏈的正交程度來控制補償程度，進而決定出磁鏈的反饋值。該觀測器算法不含PI調節，無飽和限幅模塊，調節迅速，易于實現，能適合恒磁通和弱磁遠行。實驗運行驗證了這種新型磁鏈觀測器的正確性和實用性。

   定子磁鏈的傳統反電勢積分算法是：

  

   其中：u_s、i_s分別為定子電壓矢量、電流矢量。反電勢積分算法計算簡單、響應快，僅依賴電機定子電阻****參數，但缺點非常明顯，因為測量噪聲和測量誤差在一定時間內的積分表現為恒定直流量，引起磁鏈漂移，致使定子磁鏈矢量ψs。運動軌跡不再是以原點為中心的一個圓，此時電機定子電流中含有直流分量，影響電機正常運行。此外，初始磁鏈矢量設置準確與否也影響磁鏈觀測準確性。

    消除純積分器引起的直流漂移******方法是讓按式(1)計算出的ψs。通過一個高通波器變為ψs₀，如圖1所示。

    圖中：e_s為檢測出的反電勢（u_s- Ri_s）。將圖1中的積分環節和高通環節合并，得到一個低通環節，如圖2所示。圖2表明，反電勢經過一階低通濾波后也可以得到磁鏈的觀測值。

 

    

     式中ω_c為截止頻率，ω_c =1/τ為時間常數。τ值選取對定子磁鏈漂移分量的衰減速度影響很大，τ值越大，直流分量衰減越慢，且對定子磁鏈的基波幅值衰減和相移影響也很大。

    高通濾波器的幅頻響應為：

 

     可以看出，當定子磁鏈的頻率很高時，信號的幅值衰減及相移均很小，系統