感应电机矢量控制与直接转矩控制系统的低速性能对比 - 图文

感应电机矢量控制与直接转矩控制系统的低速性能对比

1 引言

1971年德国学者Blastchke等人首先提出了矢量变换控制的基本思想。1985年德国学者

Depenbrock又提出了直接转矩控制思想。这两种控制方法都可以使感应电机获得优良的控制特性。也使得感应电机应用于各种高性能传动系统中成为现实。

近年来，随着电力电子技术及微电子技术的发展。特别是IGBT、MOSFET等全控型功率开关器件及IPM智能功率模块的出现，以及可用于电机控制的DSP等高性能微处理器的出现，为感应电机的各种高性能控制算法的数字化实现奠定的坚实的基础。矢量控制需要的电机参数多，定向准确度受参数变化的影响大，而直接转矩控制系统需要的电机参数少，参数鲁棒性更好转矩响应更快。近年来，对矢量控制的研究主要集中在参数鲁棒性和无速度传感器的低速性能研究在恒频控制和低速性能的改进上

[5-6]

[4,5]

[2]

[1]

，而直接转矩控制多集中

。对两种控制系统的比较分析较少，而且缺乏对超低速性能的分

析研究，因此本文基于Matlab6.5/simulink建立了矢量控制系统和直接转矩控制系统的仿真模型。研究了转子电阻和定子电阻对矢量控制和直接转矩控制系统低速性能影响并进行了对比分析。

2 感应电机矢量控制原理分析

基于转子磁场定向的感应电机矢量控制的基本思想是将定子电流作为控制变量，通过磁场定向和矢量变换实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦控制。通过对励磁分量和转矩分量的单独控制，模拟他励直流电机的控制思想。

在基于转子磁场定向的M-T坐标系下的电压方程形式为

电磁转矩方程

(1)

(2)

要实现转子磁场定向的矢量控制系统，关键是获得转子磁链信号。转子磁链估算分为电压模型和电流模型。本系统采用转子磁链电流模型。根据方程(1)可得描述磁链与电流关系的磁链方程为

(3)

(4)

三相定子电流经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到α-β轴电流分量。在经过两

相静止坐标系到两相旋转坐标系的旋转坐标变换得到基于转子磁场定向的M-T轴电流分量。再由磁链方程(3)和转差频率方程(4)可得图1所示的转子磁链电流模型。

图1 转子磁链电流模型

基于转子磁链电流模型的具有转矩内环的转速磁链双闭环感应电机矢量控制系统如图 2 所示。转速闭环经PI调解得到转矩给定，而转矩PI调解可以作为定子电流的转矩分量。磁链PI调解输出可以作为定子电流的励磁分量。在M-T旋转坐标系中，要得到电压给定的M轴分量和T轴分量有两种方法。一种是采用旋转坐标系中的电压电流方程直接计算得到。一种是采用T轴电流PI调解作为T轴电压分量，M轴电流PI调解作为M轴电压分量。本文采用后一种方法。进而实现了定子电流转矩分量和励磁分量的解耦控制。再经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的旋转坐标变换得到ABC三相电压调制信号，经PWM调制驱动IGBT，构成一个完整的矢量控制系统。

图2 矢量控制系统

3 感应电机直接转矩控制原理分析

3.1 直接转矩基本思想简介

直接转矩控制系统的基本思想是，直接以电磁转矩和定子磁链为控制变量。准确估计定子磁链和负载转矩，并保持定子磁链幅值基本恒定，通过电磁转矩和定子磁链的滞环控制以及定子磁链的空间位置选择合适的瞬时开关电压矢量来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度，以改变负载角，进而达到直接控制输出转矩和转速的目的。

与矢量控制相比，直接转矩控制通过直接控制转矩和定子磁链来间接控制定子电流，整个过程都

在静止坐标系内进行，不需要复杂的旋转坐标变换。使控制系统结构更为简单，获得了更快的转矩响应和更好的参数鲁棒性。

3.2 定子磁链和电磁转矩估计

定子磁链估算模型分为U-I模型、I-N模型和U-N模型。其中基于U-I模型最为简单，因此本文仅以U-I模型直接转矩控制系统为例进行分析。定子磁链U-I模型的基本方程为

(5)

其中，ψα、ψβ和uα、uβ及iα、iβ分别为定子磁链电压及电流在α-β坐标系中分量；Te为电磁转矩；np为电机的磁极对数。图3所示的基于U-I模型的定子磁链估算模块只与定子电阻有关，与转子参数无关。

图3 基于U-I模型的定子磁链估算模块

3.3 扇区判断模块和开关表状态模块

与SVPWM一样对于电压型的三相半桥型逆变器，共有8个电压空间矢量，其中6个非零矢量，2个零矢量。与SVPWM方法不同的是区间的划分是以相邻矢量的平分线作为扇区的边界线。扇区边界如图4中虚线所示，也分为6个扇区。

图4 扇区划分及开关矢量分布

在不同扇区内，根据各开关电压矢量对定子磁链矢量的作用效果合理选择开关电压矢量的作用次序，得到附表所示的开关状态表。

附表 开关电压矢量查询表

感应电机直接转矩控制系统如图5所示。基于定子磁链估算的U-I模型得到定子磁链幅值及定子磁链矢量与α轴间的夹角，进而算出扇区号和电磁转矩。根据Δψ、ΔT和所在扇区选择合适的电压空间矢量，使定子磁链增大或减小，负载角增大或减小。从而在使定子磁链保持恒定的情况下，通过负载角的调整来控制电磁转矩和速度。

图5 感应电机直接转矩控制系统仿真模型

4 仿真结果分析

电机参数：线电压460V，定子电阻Rs=0.087Ω，定子自感Ls=8mH，转子电阻Rr=0.228Ω，转子自感Lr′=8mH，定转子间互感Lm=34.7mH，转动惯量J=1.662kg·m，额定转速n=1500r/min，极对数np=2。仿真条件：给定转速为150r/min，以100Nm的负载启动，在0.25s是突加到200Nm负载运行。仿真时间0.4s。

2

4.1 理想情况下的仿真结果

假设电机在运行过程中参数保持不变的情况下，分别对矢量控制和直接转矩控制进行仿真研究。图6是矢量控制系统仿真波形，图7是基于U-I模型的直接转矩控制系统仿真波形。图6a)和图7a)是电机启动过程中的转矩响应曲线，直接转矩系统响应速度更快些，主要是由于直接转矩以定子磁链为控制对象定子磁链可以更快的进入圆形稳态轨迹，因此转矩也很快的达到最大值。图6b)和图7b)是电机启动过程中的转速响应曲线，图6d)和图7d)是0.995到1的输出转矩波形，可以看出两种控制系统都具有较小的转矩波动，具有优良的控制特性。图6c)和图7c)是转矩突变时仿真结果，矢量控制转矩响应时间为30ms左右直接转矩控制系统的转矩响应为10ms左右，具有更快的转矩响应。主要是由于直接转矩控制系统是直接以转矩为控制变量，而矢量控制是直接以定子电流作为控制变量来间接控制转矩。

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