一種異步電機SVPWM直接轉矩仿真分析

景德鎮學院機械電子工程學院 王發良

傳統的直接轉矩控制(DTC)采用兩點式滯環控制產生相應的控制信號，直接控制逆變器的開關器件，因而響應速度快。然而，在傳統DTC中，由于轉矩控制采用的是離散的滯環控制，而滯環控制器根據轉矩、磁鏈偏差的正負來確定輸出電壓矢量，而不考慮偏差的大小。此外，傳統DTC采用開關表的方式控制逆變器開關器件的開關狀態，使得逆變器的開關頻率不恒定，容易造成轉矩和磁鏈波動。針對上述問題，本文對傳統的直接轉矩控制進行了優化，提出了基于空間電壓矢量脈寬調制(SVPWM)技術的異步電機直接轉矩控制，利用PI控制器取代滯環控制器，并采用SVPWM取代開關表，仿真結果表明基于SVPWM的直接轉矩控制有效減小了轉矩和磁鏈波動。

直接轉矩控制技術是上世紀80年代興起的一種新型電機控制技術，直接在定子坐標系下對電機電磁轉矩進行控制。基于定子磁鏈定向，利用滯環控制并結合扇區判斷產生PWM信號直接控制逆變器開關期間的導通與關斷，因而響應速度快。

相比較于矢量控制，直接轉矩控制省去了矢量解耦控制，控制簡單，便于理解。但是傳統的直接轉矩控制由于采用了滯環控制器和開關表生成電壓電壓矢量，容易造成控制系統的轉矩和磁鏈波動。針對上述問題，本文利用PI控制器和SVPWM分別取代滯環控制器和開關表，仿真結果表明，該方案能夠有效減小轉矩和磁鏈波動。

1 異步電機直接轉矩控制原理

異步電動機電磁轉矩表達式為：

直接轉矩控制的基本原理：轉速給定和轉速反饋的誤差通過PI調節器生成轉矩給定值。轉矩給定和利用轉矩模型得到的轉矩估算值進行比較之后代入到轉矩滯環比較器，同理將磁鏈給定和利用磁鏈模型得到的磁鏈估算值進行比較之后代入到磁鏈滯環比較器。將轉矩滯環比較器輸出量、磁鏈滯環比較器輸出量以及扇區判斷得到的結果代入開關表，得到合適的電壓矢量，對逆變器的開關器件進行控制，從而逆變器輸出相應的電壓控制電機。

2 基于SVPWM的異步直接轉矩控制系統

2.1 基于SVPWM的直接轉矩基本原理

基于SVPWM的直接轉矩控制和直接轉矩控制的不同之處在于：1）用PI控制器取代磁鏈滯環控制器和轉矩滯環控制器，在控制時不再僅僅簡單考慮給定和反饋之間誤差的正負性，而是考慮誤差大小和方向，控制精度更高；2）用SVPWM模塊取代開關表，可以通過基本電壓矢量的組合實現任意的輸出電壓矢量，此外，采用SVPWM技術后，逆變器的開關頻率固定，能夠有效減小磁鏈和轉矩的波動。

2.2 SVPWM的基本原理

在一個開關周期內，對給定電壓矢量相鄰的的兩個基本電壓矢量和零矢量的作用時間進行控制，使得三者的矢量和的平均值等于給定電壓矢量，此即SVPWM的實質。在一個采樣周期內，通過控制逆變器的開關器件的狀態實現對兩個基本電壓矢量及零矢量的作用時間的控制，從而控制合成的電壓矢量的運動軌跡為圓形，即利用對逆變器的開關狀態的控制產生了圓形磁通，最后將實際磁通圓和磁通圓比較，決定逆變器的開關狀態，最終產生相應的PWM波。

對于任意一個給定電壓矢量，都能等效為與其相鄰的兩個基本電壓矢量和零矢量的組合。以第一扇區為例：

式中：T1、T2、T0三者之和為采樣周期TS；其中：U0為零電壓矢量包括U0、U7。

由式(2)可知，對于一個任意給定的電壓矢量，都能夠表示為基本電壓矢量和零矢量組合。因此只要對基本電壓矢量和零矢量的作用時間進行合理選擇，便可實現合成的電壓矢量運動軌跡為圓形，最終實現磁鏈光滑。

3 仿真分析

在Matlab2018b中的simulink下建立如圖1所示基于SVPWM的異步電機DTC仿真模型，電機基本參數如下：Pn=4kW，Un=220V，極對數為2，定子電阻Rs=1.45Ω。

圖1 基于SVPWM的直接轉矩控制仿真模型

仿真設置：給定轉速800r/min，給定磁鏈1wb，0.1s加載50Nm，0.15s減載50Nm。傳統DTC和加入零矢量的直接轉矩控制的磁鏈、轉速和轉矩的仿真結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 傳統DTC和基于SVPWM的DTC磁鏈波形

圖3 傳統DTC和基于SVPWM的DTC轉矩波形

由圖2可知，對于傳統DTC控制，在電機剛啟動時，其定子磁鏈跟蹤有明顯誤差；而對于基于SVPWM的DTC控制，其定子磁鏈跟蹤良好。說明采用SVPWM技術之后，能夠有效減小定子磁鏈的波動。

由圖3可知與傳統DTC控制相比，基于SVPWM的DTC控制的電磁轉矩脈動幅度更小，轉矩變化更平穩。

直接轉矩控制由于其快速響應特性，廣泛應用于異步電機控制領域，然而，傳統的直接轉矩控制由于采用了滯環控制和開關表，使得轉矩和磁鏈產生波動，影響了其控制性能。本文采用PI調節器代替滯環比較器，并將SVPWM技術引入到異步電機轉矩控制，仿真表明相比于傳統的直接轉矩控制，基于SVPWM的直接轉矩控制轉矩和轉矩波動更小。