三相異步電動機模型預測直接轉矩控制方法研究

蔣玲 洪亮

摘要：提出了一種三相異步電動機模型預測直接轉矩控制方法，此方法以磁鏈和轉矩為被控變量，優化目標函數，確定最優電壓矢量。借助于MATLAB/Simulink模塊，對模型預測直接轉矩控制方法進行了仿真，結果表明，相比于傳統的直接轉矩控制，采用模型預測控制直接轉矩控制方法，能夠快速跟蹤給定值，減少電流諧波畸變，降低轉矩和磁鏈脈動，大大改善了其穩態和動態性能。

關鍵詞：模型預測控制;三相異步電動機;直接轉矩控制;MATLAB/Simulink

0 引言

自20世紀80年代直接轉矩控制理論問世以來，矢量控制和直接轉矩控制已經成為高性能交流調速領域中最常見的兩種方法，相比于矢量控制，直接轉矩控制在運算中需要的電機參數非常少，可以大大減少電機參數波動對控制性能的影響。傳統直接轉矩控制技術計算復雜并且轉矩和磁鏈脈動較大，電流畸變較多，系統控制存在延時，嚴重阻礙系統的有效應用。本文研究了一種三相異步電動機模型預測直接轉矩控制（model predictive direct torque control，MPDTC）方法，可以提高系統性能，避免電流出現較大毛刺，同時減少轉矩、磁鏈脈動。

1 模型預測直接轉矩控制技術

1.1? ? 直接轉矩控制技術特點

直接轉矩控制采用兩點式轉矩和磁鏈滯環控制器，相應變量分別是Te和ψs，輸出的外部電壓直接由脈寬調速器中的兩個控制信號產生，省去了旋轉轉換和電流控制環節。這使控制器的內部結構變得更加簡單，定子磁鏈ψs被選為控制變量，此時，不管轉子相關參數的變化幅度有多大，都不會影響到磁鏈的估算模型，控制系統能得到更好的魯棒性。電機由直接轉矩控制，因此當增速、降速或負載變化時，系統可以獲得實時響應。然而，為了避免損壞電源裝置，必須限制電流瞬間突變，因此實際轉矩響應是有限的。但是直接轉矩控制因缺少電流閉環，給電流飽和控制和保護造成了不便。

1.2? ? 模型預測直接轉矩控制系統的實現

1.2.1? ? 系統原理

1.2.2? ? MPDTC控制方法

模型預測控制歸結起來有預測模型、有限時域滾動優化和反饋校正3個基本特征。

模型預測直接轉矩控制是由一個內部的控制器（MPDTC）和一個外部PI調節器組成。MPDTC通常采用的方法是構建一個目標函數數學模型，然后利用該模型尋找最適合的變量，即電壓矢量，通過電壓矢量的調節，從而抑制電機內部轉子和定子的轉矩和磁鏈脈動，也可以在該模型中設置一個變量因子，通過改變該變量因子來更好地選擇電壓矢量。這個變量因子的改變不是隨意的，而是根據系統的工作特性來決定的。

要想在系統中應用MPDTC算法，還必須保證該系統模型建立的正確性，定子線圈的磁通量是不能直接測量得到，必須先做一個估計，所以該算法可以大致分為3個階段：估計、預測以及優化。當然，磁鏈的值也是需要估計和預測的。

2 三相異步電動機調速系統整體仿真

本文采用MATLAB/Simulink搭建了如圖2所示的模型預測直接轉矩控制框圖。

為了驗證模型預測直接轉矩控制（MPDTC）控制方法的效果，將其與傳統的直接轉矩控制方法分別進行仿真，對比其控制效果。模型預測直接轉矩控制系統仿真圖、傳統的直接轉矩控制系統仿真圖分別如圖3、圖4所示。

仿真實驗所用的參數為：給定電壓500 V，定子相電阻2.875 Ω，磁鏈0.175 Wb，電樞電感0.001 53 H，極對數4，step1設置的階躍時間0.5 s，初始值1 000，終值1 500。傳統直接轉矩控制電機的轉矩如圖5所示，模型預測直接轉矩控制電機的轉矩如圖6所示。

3 結語

本文針對傳統直接轉矩控制計算復雜并且轉矩和磁鏈脈動較大、電流畸變較多等問題，提出了一種通過優化預測轉矩、定子磁鏈參考值，改進目標函數的模型預測直接轉矩控制方法，在MATLAB/Simulink模塊中分別對模型預測直接轉矩控制和傳統的直接轉矩控制的異步電動機進行仿真，仿真結果表明：采用模型預測直接轉矩控制比傳統的直接轉矩控制的三相異步電動機具有快速響應特性，能夠快速跟蹤給定值，而且可以減少轉矩脈動和磁鏈脈動，以免電流毛刺的出現，因此MPDTC控制三相異步電動機具有良好的穩態性能和動態性能，可以預見在不久的將來，三相異步電動機模型預測直接轉矩控制方法一定會得到更加廣泛的應用。

[參考文獻]

[1] DATTA R，RANGANATHAN V T.A simple position-sensorless algorithm for rotor-side field-oriented control of wound-rotor induction machine[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48（4）：786-793.

[2] SORCHINI Z，KREIN P T.Formal derivation of direct torque control for induction machines[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21（5）：1428-1436.

[3] 薛秀梅.異步電動機直接轉矩控制策略研究[D].焦作：河南理工大學，2011.

[4] 朱曉雨，王丹，彭周華，等.三相電壓型逆變器的延時補償模型預測控制[J].電機與控制應用，2015，42（9）：1-7.

[5] 張華強，王新生，魏鵬飛，等.基于空間矢量調制的直接轉矩控制算法研究[J].電機與控制學報，2012，16（6）：13-18.

[6] 魏欣，陳大躍，趙春宇.一種基于占空比控制技術的異步電機直接轉矩控制方案[J].中國電機工程學報，2005，25（14）：93-97.

[7] 李政學，張永昌，李正熙，等.基于簡單占空比調節的異步電機直接轉矩控制[J].電工技術學報，2015，30（1）：72-80.

[8] 宋文祥，樂勝康，吳曉新，等.一種改進的異步電機模型預測直接轉矩控制方法[J].上海大學學報（自然科學版），2018，24（6）：861-876.

[9] 宮殿強.異步電動機直接轉矩控制的優化控制策略[D].太原：太原科技大學，2018.

收稿日期：2020-09-24

作者簡介：蔣玲（1974—），女，安徽桐城人，碩士研究生，副教授，從事控制工程及汽車零部件生產裝備設計與研發工作。