基于PI调节器的空间电压矢量调制直接转矩控制仿真

徐志佳

【摘要】 采用磁链PI调节器和转矩PI调节器分别得到定子电压x轴分量和y轴分量，再利用坐标旋转变换获得参考电压矢量在二维静止坐标系α-β的分量，然后构建空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）模块，SVPWM模块输出控制逆变器的开关状态。在SIMULINK平台下仿真验证了该方法的有效性，并分析了转速调节器参数和逆变器开关周期对系统性能的影响。

【关键词】 直接转矩控制 PI调节器 空间电压矢量调制

由德国鲁尔大学Depenbrock教授于1985年提出的直接转矩控制，直接去控制异步电动机的电磁转矩和电机定子磁链，而删去电流闭环有更好的动态性能[1]。然而，直接转矩控制其经典模型固有的缺陷一直阻碍着直接转矩控制的进一步发展，主要问题是：定子磁链估计不准确、电磁转矩脉动较大等[2]。本文提出一种基于PI调节器的空间电压矢量调制直接转矩控制方法，并对其仿真验证。

一、直接转矩控制原理

直接转矩控制的基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角θ的大小，以达到控制电动机转矩的目的[3]。图1是传统直接转矩控制系统的整体框图。从图中可以看出，把给定转速n*与电机实际转速n的差值作为速度调节器的输入，输出得到给定电磁转矩T，再将给定电磁转矩T与估计的电磁转矩T之差经过转矩调节器得到转矩开关信号TQ，给定的定子A磁链幅值

与磁链估计器得到的估计定子磁链幅值ψ

之差通过磁链调节器输出磁链开关信号ψQ，结合定子磁链所在的扇区N，综合选择最优的开关表控制逆变器的开关电压矢量信号，快速控制电机的。

二、本文提出的方案及仿真实现

与传统直接转矩控制相比，本文采用的磁链PI调节器是将给定的定子磁链幅值ψ

与磁链估计器得到的估计定子磁链幅值ψ

之差作为输入，输出得到以ω旋转的x-y坐标系下的定子电压x轴分量U，转矩PI调节器是将给定的电磁转矩T与估计的电磁转矩T之差作为输入，得到以ω旋转的x-y坐标系下的定子电压y轴分量 U。然后根据式1和式2得到参考电压矢量在二维静止坐标系α-β的分量u、u。其中，ω和θ分别为定子磁链相对静止α轴的角速度和磁链角。

把开关周期T、参考电压矢量在二维静止坐标系α-β的分量u、u作为输入，构建空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）模块，如图2所示。

根据表1判断参考电压所在的扇区：

由表2和表3确定各扇区的矢量作用时间：

根据式4逆变器的开关时刻，使得逆变器的开关频率保持恒定。

三、仿真实验结果与分析

对表4所示参数的异步电机进行仿真测试。给定定子磁链Ψ=0.95Wb，图3-a和3-b分别为传统DTC和改进DTC的定子磁链幅值波形，分别于26ms和6ms定子磁链幅值达到给定值，改进DTC策略能有效提高磁链的动态响应，并减小定子磁链脉动。

在0.02s时给定转速为100r/min，图4-a和图4-b分别为传统DTC和改进DTC的速度曲线，传统DTC在0.028s转速到达100r/min，而改进DTC在0.023s转速到达100r/min，从图直观得可以看出改进DTC的超调量大大减小，说明后者具有更好的转速动态性能。

给定转矩0N.m（0s，0.6s），8 N.m（0.6s，0.7s），0 N.m（0.7s，1s）。图5-a和图5-b分别为传统DTC和改进DTC的电磁转矩波形，改进DTC明显减小了转矩的波动范围，有效抑制转矩脉动。

下面分析下速度环PI调节器比例系数和逆变器开关周期Tsw对改进DTC系统的影响。速度环PI调节器的比例系数为Kp，积分系数为Ki；控制器采样周期Ts=10μs；转矩给定0 N.m（0s，0.2s），8 N.m（0.2s，0.25s），0 N.m（0.25s，0.3s）；在0.02s时给定转速为100r/min；额定转矩35N.m，转矩滞环宽度设为1%*35=0.35，磁链滞环宽度设为1%*0.95≈0.01。图6-a、6-b、6-c、6-d、6-e分别为不同比例系数、积分系数和逆变器开关周期的转速波形和电磁转矩波形。曲线1为给定转速，曲线2为实际转速，曲线3为实际电磁转矩，曲线4为给定电磁转矩。比较这5个图形，不难得出结论：比例系数Kp过大，加剧转矩波动，过小，速度静差调节过慢，而变频器频率的提高有助于减小转矩波动。

四、结论

基于PI调节器的空间电压矢量调制直接转矩控制方法，在一个控制周期中不再单纯使用一个电压矢量，使得开关频率稳定，并且可有效提高定子磁链的动态响应，抑制定子磁链脉动和电磁转矩脉动，减小转速上升时间和超调量，具有更好的转速动态性能。速度环比例系数Kp过大，加剧转矩波动，过小，速度静差调节过慢，而变频器频率的提高有助于减小转矩波动。

参 考 文 献

[1] 胡育文. 异步电机（电动、发电）直接转矩控制系统[M]. 机械工业出版社，2012.

[2] 孙振川. 异步电机直接转矩控制理论和技术的研究[D]. 山东大学，2008.

[3] 李夙. 异步电动机直接转矩控制[M]. 机械工业出版社，2001.