直接轉矩控制下磁鏈和轉矩的觀測研究

文｜張莉萍 李燕濤

直接轉矩控制（Direct Torque Control， DTC）在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，對定子磁鏈定向，通過檢測電壓和定子電流，經3/2變換直接計算出電機的磁鏈和轉矩，并利用兩個滯環比較器，直接實現對定子磁鏈和轉矩的解耦控制 [1]。

三相電流、電壓采樣信號由3/2坐標轉換得到兩相電壓、電流[2,3]，經磁鏈電壓模型，確定定子磁鏈后，通過轉矩模型，即可觀測到定子磁鏈和轉矩。轉矩受給定負載的影響，負載的變化影響電流的大小幅值，電流和電壓矢量共同作用于磁鏈，影響著磁鏈的大小和方向。磁鏈的變化改變磁鏈電壓矢量。電壓空間矢量控制定子磁鏈的旋轉速度和電磁轉矩。

基本原理

電壓型磁鏈觀測器是基于異步電機電壓方程得到的。三相電流、電壓采樣信號經過3/2坐標變換得到isα、isβ和usα、usβ:

利用式（5）和式（4）可知，電磁轉矩要克服負載轉矩，負載的變化帶動電磁轉矩幅值的變化，負載越大，電磁轉矩的幅值越大。如圖1所示：

圖1 不同的負載轉矩下相應的電磁轉矩

在同一轉速下，由式4，電磁轉矩的大小受負載的大小的影響，磁鏈的幅值是給定的，在一定的容差范圍內波動，當負載變大時，為了保持電磁轉矩的穩定，定子電流的幅值隨之增大。電流的大小，是根據電壓控制，施加正電壓矢量,電流是隨時間上升的，施加負電壓矢量,電流隨時間而降低，施加零電壓矢量,電流呈反方向運動。欲在同一周期內，增加定子電流的幅值，則定子電壓矢量應在保證磁鏈和轉矩穩定的前提下，相應減少定子電壓的切換次數越少，減少零電壓作用時間，增大工作電壓作用時間。

如式1，2所示，3/2變換將三相電流、電壓采樣變換得到isα、isβ和usα、usβ，由式（3），磁鏈的大小與電壓和電流有關，根據式1和式3，在電壓矢量的作用下，電流的大小，影響磁鏈變化的大小。 由式（3）（4）（5）可知，負載越大，定子電流的幅值越大，isα同一周期內的上升幅度變大，磁鏈隨電流變化的幅度也就越大，在相同時間內，定子電壓的切換次數越少，零電壓作用次數越少，工作電壓作用時間越長，磁鏈隨工作電壓作用下降的時間變長，如圖2所示，負載（b）TL2>TL1(a)。圖3所示為轉矩隨負載的變化，轉矩受工作電壓影響上升時間增加。

圖2 不同負載下，磁鏈電流隨電壓的變化

圖3 轉矩隨負載的變化

仿真結果

結論

本文根據直接轉矩的控制原理,利用MATLAB構建直接轉矩仿真系統，在給定轉速不變時，給系統施加不同的負載，得出磁鏈和轉矩隨負載的變化。給定轉速不變時，當負載增大，轉矩增大，定子電壓矢量的切換次數減少，非零電壓矢量時間增多，磁鏈下降時間變長，轉矩上升時間增加。通過對直接轉矩進行研究，對觀測轉矩和磁鏈進行分析，驗證了論據，有利于磁鏈觀測的研究。