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摘要：针对异步电动机传统直接转矩控制方法中存在磁通量控制不对称，转矩脉动大的问题，提出了一种优化的异步电动机直接转矩控制方法。该方法通过重新划分电压矢量对定子磁通和电磁转矩的影响范围来改进电压矢量选择表，从而在转矩和磁通变化时可以正确地选择所需的电压矢量，从而减小转矩脉动，从而避免传统的直接转矩控制方法在选择电压矢量时忽略了转矩增加的必要条件和磁通量变化的临界条件。通过求解转矩脉动公式，推导了最优转矩误差值，并计算了转矩控制下的占空比计算方法。提出了全局最小转矩脉动的条件，进一步优化了转矩性能，给出了定子磁链和电磁转矩的控制推导公式。仿真和实验结果表明，与传统的直接转矩控制策略相比，该方法将系统动态响应速度提高了约30％。同时降低了转矩和电流脉动，磁链控制更接近圆形轨迹，具有工程实用价值。
关键词：直接转矩控制；低速范围内减小转矩脉动方法；异步电动机
如今，异步电动机已成为最常用的动力设备，广泛用于工农业生产，科学技术，国防和社会生活的各个方面。异步电动机的物理模型是一个高阶，多变量，强耦合的非线性系统。它的描述需要一组非线性方程，因此很难控制。目前，常用的速度控制技术包括恒压频率比控制，直接转矩控制，矢量控制等。与其他控制技术相比，直接转矩控制的突出优点是计算量小，控制系统结构简单，动态性能更好，鲁棒性更高。直接转矩控制技术的主要问题是，目前理论上尚不成熟，经典模型存在固有缺陷，低速性能差，稳态时转矩脉动大。本研究的目的是找到解决异步电动机直接转矩控制系统低速范围内大转矩脉动的方法。
直接转矩控制（DTC）是继1980年代中期矢量控制技术之后开发的一种新型感应电动机变频调速技术。其基本工作原理是直接将转矩作为控制量。根据定子磁通和输出转矩，直接选择相对合适的电压矢量。通过电压空间矢量，控制定子磁通的旋转速度以改变定子和转子磁通矢量之间的角度，然后控制电动机转矩。该系统可以通过定子磁链来控制电磁转矩，而无需转矩电流和励磁电流的参与。直接转矩控制技术的最大缺点是在低速时转矩波动较大。现在讨论如何减小低速范围内的转矩脉动。
直接转矩控制（DTC）技术在开发过程中不断进行了优化和改进，但尚未得到改进。其明显的缺点是转矩波动大，低速控制性能差，限制了其在高性能调速领域的应用。根据定子磁链位置，定子磁链和转矩的误差，使用磁滞比较器和开关逻辑表直接生成作用在电动机上以驱动电动机的定子电压矢量。DTC方法由于对电机模型参数的依赖性小，已成为交流驱动的新热点，但缺点是转矩脉动大，开关频率不固定等。为了克服传统DTC方法的缺点，提出了许多方法，包括空间矢量调制（SVW）技术，转矩脉动最小化方法，模糊逻辑自适应方法，转矩平均和参考值逼近法一个周期，在DTC方法中，定子电压矢量用于驱动电动机，该电动机确定转矩和磁链链接轨迹的变化，因此其选择表尤为重要。当传统的DTC方法考虑定子电阻压降的影响时，该区域中电压的选择不准确，并且当定子磁通接近区域线时，控制性能变差。实际应用中应考虑定子电阻压降的影响。在此基础上，分析了电压矢量对磁通量和转矩的影响，进一步提出了转矩增加的前提和磁通量变化的临界条件，从而优化了电压矢量选择表，使所需的电压矢量可以扭矩和磁通变化时要正确选择，以减少扭矩波动。同时，根据转矩脉动公式，推导了最优转矩误差值，得到了最优转矩误差值。全局最小转矩脉动条件下的占空比计算方法。仿真和实验证明了理论分析的正确性和有效性。它可以加快系统响应速度，减少转矩和电流纹波，并提高调速性能。
1、使用PI调节器的直接转矩控制(PI-DTC)
系统的调节器（包括磁通调节器）采用PI控制律AΨR和转矩调节器ATR。由于pi-dtc使用PI调节器，因此其输出具有连续性，并且转矩纹波大大降低。与SFOC相比，pi-dtc不需要解耦器，但是SFOC必须通过解耦器将转矩和磁通量解耦，因此该算法计算量小且鲁棒性强。这种方法的主要缺点是，如果调节器的参数设置不正确，系统性能会变差，并且无法使用线性系统理论来设置调节器的参数。
2、直接转矩无差拍控制
该方法基于离散直接转矩控制系统。根据异步电动机的数学模型，每个物理量和转矩控制的误差为ΔTei其中：Ts-采样周期；p-极对数；ψsα、ψsβ-α、β轴上定子磁链估算值；usα、usβ-α、β轴上定子电压估算值；Esα、Esβ-α、β轴上定子反向电动势估算值。若usα、usβ满足关系式要求，转矩误差可在下个控制周期消除。若能使usα、usβ满足关系式中关系，则磁链模值误差可在下个控制周期消除，其中，ψs是磁链模值给定值。若能使usα、usβ同时满足关系式要求，则对应的值就能消除转矩误差以及磁链模值误差，直接转矩无差拍控制方法就是通过解方程式，得出相应的usα、usβ值。如果方程式无解，则判断是否有分别满足转矩和磁通要求的电压矢量。如果不存在，则可以根据直接转矩控制系统的控制方法选择电压矢量。从理论上讲，该方法可以消除控制循环中的定子磁通模式值和电磁转矩误差，并且还可以消除转矩脉动。电动机可以在非常低的速度下正常运行，并且开关频率增加，电压谐波和电动机噪声减小。这种方法的缺点是计算量大，实施难度大以及对电机参数的依赖性很大。
3、改进的开关表法
在这种方法中，电压空间矢量是通过SVPWM选择的。在SVPWM方法中，SVPWM信号的选择需要综合磁通开关信号，间隔号等。最终目标是通过对应于八个开关状态的基本SVPWM信号来逼近电动机所需的电压矢量。例如，如果磁通在某个时间处在间隔S1中，则如果磁通切换信号为“ 0”并且转矩切换信号为“ 1 ”，则需要减小磁通并增加转矩。根据表判断，向定子施加电压矢量US2；如果转矩开关信号为“ 0”，则向定子施加零态电压；如果磁通开关信号为“ 1”，则转矩开关信号为“ 1”，将磁通和转矩相加，通过表判断，将电压空间矢量US1施加到定子上；类似地，可以选择其他情况下的电压空间矢量。
4、新型转矩控制器
为了解决传统控制系统中由磁滞比较器引起的转矩脉动问题，新型转矩控制器可以提供恒定的转矩切换频率。其输出为1,0和-1，并且Q（T）表示其扭矩的错误状态。D（T）是Q（T）的平均值。我们称其为连续占空比，介于-1和1之间。
5、仿真和结果分析
在MATLAB / Simulink环境下，建立了异步电动机直接转矩控制系统模型。在相同条件下，将传统的DCT方法与改进的方法进行比较。异步电动机参数：功率：15kw，额定电压：400V，额定频率为50Hz，额定速度为1460r / min。在两种情况下进行了比较。首先，给定空载速度，电动机的初始速度为400R / min，0.3s时为200R / min，0.6s时为800r / min；其次，当速度恒定在400R / min时，将分析系统的性能。与传统的DTC方法相比，当电动机空载且速度恒定时，新的DTC方法的磁链更平滑，脉动更小，尤其是在高速情况下。
6、结束语
提出了异步电动机的基本工作原理，优缺点，针对低速运行中转矩脉动大的问题提出了几种解决方案。这些方法的实现有优缺点，应根据实际应用进行选择和改进。
参考文献
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