第２１卷 第ｌ６期 Ｖ０１．２ｌ Ｎｏ．１６ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年８月 Ａｕｇ．２０１３ 基于定子磁链矢量预测的ＤＴＣ系统研究 崔曼曼，胡高歌，黄耀 （西北工业大学陕西西安７１０１２９） 摘要：针对直接转矩控制（ＤＴＣ）技术中采用的传统滞环控制存在转矩及电流脉动大，过电压扇区时磁链轨迹畸变的 缺点，提出一种基于定子磁链矢量预测的直接转矩控制方法。首先．根据磁链和转矩的偏差。预测出下一个控制周期 的磁链矢量；然后，用预测磁链矢量减去当前的磁链矢量，得到需要加在电机定子上的电压矢量，以补偿当前的偏差。 通过仿真说明了改进的系统抑制了磁链和转矩脉动，改善了电流波形，抑制了谐波．具有较好的动静态性能。 关键词：直接转矩控制；定子磁链矢量预测；电压矢量；转矩脉动 中图分类号：ＴＰ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）１６—００９４—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｆ ＤＴＣ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ＣＵＩ Ｍａｎ－ｍａｎ，ＨＵ Ｇａｏ—ｇｅ，ＨＵＡＮＧ Ｙａｏ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｔｗｏ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｔｐｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｌｆｕｘ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｗｈｅｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｃｔｏｒ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ，ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｙｃｌｅ；Ｔｈｅｎ，ｕｓｉｎｇ ｐｒｅｄｉｃｔ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ ｍｉｎｕｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ，ｇｅｔ ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄ ｔｏ ａｄｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｉｐｐｌｔｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ；ｔｏｒｑｕｅ ｔｉｐｐｌｅ 传统的直接转矩控制系统每个控制周期是从逆变器产 生的六个非零电压矢量和两个零电压矢量中选择一个电压 以补偿当前的磁链和转矩的偏差，使下一个控制周期到来时 偏差刚好被消除；最后采用空间矢量调制（ＳＶＭ）方法将电压 矢量转化成逆变器相应的开关控制信号。 矢量，以保证定子磁链和转矩在两个滞环比较器的滞环宽度 之内。它结构简单，不需要坐标变换，但它存在电机输出的转 矩波动大、电流畸变等不足之处。 文中针对传统ＤＴＣ系统的缺点，从直接转矩控制的基本 原理出发，采用基于定子磁链矢量预测的控制方法，代替传 统ＤＴＣ方法中的磁链与转矩的滞环控制策略。 １ 改进的ＤＴＣ系统介绍 传统的基于滞环控制的方法之所以效果差是因为在每 个控制周期只施加一个电压矢量，而这个电压矢量同时担 图ｌ改进的ＤＴＣ系统结构框图 Ｆｉｇ．１ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＤＴＣ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ 负着调节磁链幅值和转矩的任务，因此并不能实现最佳调 节，系统始终运行在震荡状态，造成的转矩及电流脉动自然 很大。 本文的基于定子磁链矢量预测的直接转矩控制方案如 图１所示，基本工作原理为：根据给定定子磁链与实际磁链 的偏差和给定转矩与实际转矩的偏差，预测出下一个控制周 期的磁链矢量；然后，用预测磁链矢量减去当前的磁链矢量， 再除以控制周期Ｔｓ得到需要加在电机定子上的电压矢量， ２定子磁链矢量预测方法 以下将介绍磁链矢量的预测方法和应施加的电压矢量 的具体确定方法。 定子磁链的计算公式可写为： ＝／Ｚｓａ（￡）一Ｒ 如（ｆ） ＝ ） ￡） （１） 收稿日期：２０１３—０３—１０ —．稿件编号：２０１３０３１１２ 河南驻马店人．硕士研究生。 研究方向：控制理论与控制工程。 作者简介：崔曼曼（１９８９一），女， ９４－ 崔曼曼，等基于定子磁链矢量预测的ＤＴＣ系统研究 （Ｊｊ｝＋１）＝ Ｉ （ ＋ ＋ｄ ） （４） 由于控制周期 很小，故司将微分改写为： 掣』ｓ ： ＝ （ｔ） （ ） （２） 其在两相静止坐标系中０【、ｐ轴磁链分量为： ， Ｉｃｏｓ（ｔｏ，Ｔ，＋ｐ， ， ） Ｉ Ｉｓｉｎ（ｔｏ，Ｔ，＋ｐ，＋ｄ￣，ｒ） （５） Ｊ 则两相静止坐标系中仪、１３轴的电压为： ＋Ｒ （ｔ） 』 则从ｋ时刻到ｋ＋ｌ时刻磁链的增量为： Ｉ ｓＩｃｏｓ（ｔｏ￣Ｔ，４ｐ，＋ｄＳ．） △妒 Ｉ Ｉｓｉｎ（ｔｏ ＋ ＋蛾）— （６） 将式（６）带人式（３）可得应施加的电压矢量在ｄ、Ｂ轴磁 根 （ ） （３） Ｊｊ 链分量为： 式（３）中定子电阻和控制周期是已知量，电流可检测得 到。只需计算出磁链增量就可得到电压矢量。 ＋圮 异步电机电压矢量对定子磁链的作用原理如图２所示。 棚 （７） 在第ｋ个控制周期磁链矢量为 （ ），与 轴夹角为ｐ｜（Ｊ｝）， 在第ｋ＋ｌ时刻磁链矢量为 （％＋１），与ａ轴夹角为Ｐ，（ ＋１）， 电压矢量的幅值和角度为： 使磁链旋转的电压矢量为“ （Ｊ｝＋１）。 ＝、／以＋ ／Ｕｓ＝ａｒｃｔａｎ（、 ａ ） （８） 由此，系统应输出的电压矢量已经确定，再通过采用空 间矢量调制利用逆变器将电压输送到电机即可。 ３改进的ＤＴＣ系统仿真及性能分析 图３为基于定子磁链矢量预测ＤＴＣ系统的仿真模型，仿 真模型采用了两个ＰＩ环节，分别对速度和转矩偏差进行调 图２电压矢量对定子磁链的作用 节。仿真采用的异步电机参数为：额定功率 ３ ７３０ Ｗ，定子 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ 电阻尺Ｉ＝１．１１５ Ｑ，定子电感 Ｂ＝０．００５ ９７４ Ｈ，转子电感Ｌｒ＝ 根据以上分析，期望在ｋ＋ｌ时刻磁链幅值为 Ｉ，为了校 ０．００５ ９７４ Ｈ，互感Ｌｍ＝０．２０３ ７ Ｈ，极对数ｐ＝２，转动惯量 正转矩和速度的偏差，定子磁链矢量的角度增量应为蛾。假 ０．０２ ｋｇ・ｍ２，仿真算法采用ｏｄｅ２３ｔｂ。 设定子磁链旋转速度为∞ ｒａｄ／ｓ，并且在很小控制周期 时 基于定子磁链矢量预测的控制算法仿真模型如图４所 间内做匀速运动，那么ｋ＋ｌ时刻的磁链矢量为： 示，图中ｆｌｕｘＡ—ｋ＋ｌ、ｆｌｕｘＢ＿ｋ＋ｌ表示预测的下一时刻的磁链矢 图３改进的ＤＴＣ系统仿真模型 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ＤＴＣ ｓｙｓｔｅｍ －９５－ 《电子设计工程｝２０１３年第１６期 量，ｕａｌｐｈａ、ｕｂｅｔａ表示计算出的电压矢量在仪、８轴的分量， ｄｔｈｅｔａ为转矩ＰＩ环节的输出．表示定子磁链矢量旋转时每个 周期增加的角度，∞ 为磁链矢量旋转的速度。 时间／ｓ （ａ）磁链轨迹 （ａ）ｆｌｕｘ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ １。 ＇６ １● （ｂ）电流波形 （ｂ）ｃｕｒｆｅｌｌｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ 图４基于磁链矢量预测算法仿真模型 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｕｘ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ， 曼 ｇ 营’ ’ｏ ・ －… ～－－≥ Ｉ■一 ．１ 由于电机测量模块输出的电机速度是机械角速度．因此 该值需要乘以极对数２得到电角速度。给定转速的单位是ｒ／ ｍｉｎ，因此需要将电机测量模块输出的机械角速度乘以３０／＇ｒｒ＝ ９．５５作为速度反馈。，ｒＰｌＷＭ设置为０．０００ １．直流侧电压为 ３ｌ１ Ｖ。 仿真时，首先设定速度给定值为２００ ｄｍｉｎ。电机负载为 ５ Ｎ・ｍ。然后，确定两个ＰＩ调节器的参数。速度ＰＩ的上下限 幅值 １和 ２设置为１５和一１５，比例系数Ｋｐｌ＝３，积分系数 Ｋｉｌ＝０．３。转矩ＰＩ的上下限幅值设置为０．００５和一０．００５，比例 系数Ｋｐ２＝０．００２ ２，积分系数Ｋｉ２＝０．１。 最后从动态性能方面分析比较传统ＤＴＣ和改进ＤＴＣ 系统。 图５和６分别为传统ＤＴＣ系统和改进型系统动态过程 的波形，给定速度在０．４ Ｓ由１００ ｄｍｉｎ阶跃至２００ ｄｍｉｎ。给 定负载转矩在０．８ Ｓ由０阶跃至１０ Ｎ・ｍ．对比发现，改进型 系统明显改善了转矩和磁链幅值的脉动，电流波形很光滑， 正弦度好，抑制了畸变，有利于提高电机效率。速度和转矩输 出都能够在很短的时间内达到给定值，能够适应给定的快速 变化，具有较好的动态性能。因此改进型ＤＴＣ策略是一种较 好的控制方案。 （ａ）磁链轨迹 （ｂ）电流波形 （ａ）ｆ１ｕｘ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ （ｂ）ｃｔｔｒｒｅｌｌｔ ｗａｖｅｆｏｆｍ ２∞ ｉ ：柏 ＇爸＇∞ ，ｉｆ－’５ 。昌 ．弓 ０＇ｏ０ 蠢竹 蜊 ６ ∞ ｏ 时闻／Ｓ 时阐／ｓ （Ｃ）速度波形 （ｃ）ｓｓｅｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｆｎ （ｄ）转矩波形 （ｄ）ｔｏｒｑｕｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ 图５传统ＤＴＣ系统的动态过程波形 Ｆｉｇ．５ Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＴＣ ｓｙｔｅｍ －９６－ ０＇∞ … …… ｆ ｅ 辑． ’ Ｉ∞ ｌ…｜¨一 一 －一。 ｆ ２ Ｉ ’ ｉｏ 『： ’。 ｏ２¨酱问｝： ’ ’ ¨ ｎｊ Ｏ＾ Ｏ．６ ｎａ １ ＇ｊ 时闸／ｅ （Ｃ）速度波形 （ｄ）转矩波形 （ｃ）ｓｐｅｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ （ｄ）ｔｏｒｑｕｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ 图６改进型ＤＴＣ系统动态性能波形 Ｆｉｇ．６ Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ａｃｖａｎｃｃｄ ＤＴＣ ８ｙｔｅｍ ４结 论 本文采用基于定子磁链矢量预测的方法代替传统的滞 环控制，将获得的电压矢量通过空间矢量调制的方法产生逆 变器的控制信号。建立了整个系统仿真模型。通过仿真说明 了改进的系统抑制了磁链和转矩脉动，改善了电流波形，抑 制了谐波，具有较好的动静态性能。 参考文献： ［１】田建文，邓志杰．异步电动机直接转矩控制分析与展望［Ｊ】． 电气传动自动化，２ｏ０６，２８（１）：２２—２８． ＴＩＡＮ Ｊｉａｎ－ｗｅｎ，ＤＥＮＧ Ｚｈｉ－ｊｉｅ．Ａｎ ａｌｙｓｉｓｅ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｄｒｉｖｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００６，２８（１）：２２—２８． ［２】魏欣，陈大跃，赵春宇．基于空间矢量调制的异步电机直 接转矩控制［Ｊ］．系统仿真学报，２００６，１８（２）：１０５—１０８． ＷＥＩ Ｘｉｎ，ＣＨＥＮ Ｄａ・ｙｕｅ，ＺＨＡＯ Ｃｈｕｎ・ｙｕ．Ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏ咖． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００６，１８（２）：１０５—１０８． 【３】于学涛．异步电机直接转矩控制系统的仿真研究【Ｄ】．北京： 北京交通大学．２００７． 【４】祝龙记，王汝琳．采用矢量细分的异步电动机直接转矩控 制系统［Ｊ］．微特电机，２００４（６）：３０—３２． ＺＨＵ Ｌｏｎｇ－ｊｉ．ＷＡＮＧ Ｒｕ．１ｉｎ．Ｔｈｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｅｃｔｏｒｓ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｍａｌｌ ＆ＳｐｅｃｉＭ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，２００４（６）：３０—３２． 【５】奚国华．异步电机直接转矩控制系统低速性能改进的控 制策略研究【Ｄ］．长沙：中南大学，２００７． 【６】姚俊，马松辉．Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模与仿真【Ｍ】．西安：西安电子科 技大学出版社．２００２．
