直接转矩控制下磁链和转矩的观测研究

文｜张莉萍 李燕涛

直接转矩控制（Direct Torque Control， DTC）在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，对定子磁链定向，通过检测电压和定子电流，经3/2变换直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制 [1]。

三相电流、电压采样信号由3/2坐标转换得到两相电压、电流[2,3]，经磁链电压模型，确定定子磁链后，通过转矩模型，即可观测到定子磁链和转矩。转矩受给定负载的影响，负载的变化影响电流的大小幅值，电流和电压矢量共同作用于磁链，影响着磁链的大小和方向。磁链的变化改变磁链电压矢量。电压空间矢量控制定子磁链的旋转速度和电磁转矩。

基本原理

电压型磁链观测器是基于异步电机电压方程得到的。三相电流、电压采样信号经过3/2坐标变换得到isα、isβ和usα、usβ:

利用式（5）和式（4）可知，电磁转矩要克服负载转矩，负载的变化带动电磁转矩幅值的变化，负载越大，电磁转矩的幅值越大。如图1所示：

图1 不同的负载转矩下相应的电磁转矩

在同一转速下，由式4，电磁转矩的大小受负载的大小的影响，磁链的幅值是给定的，在一定的容差范围内波动，当负载变大时，为了保持电磁转矩的稳定，定子电流的幅值随之增大。电流的大小，是根据电压控制，施加正电压矢量,电流是随时间上升的，施加负电压矢量,电流随时间而降低，施加零电压矢量,电流呈反方向运动。欲在同一周期内，增加定子电流的幅值，则定子电压矢量应在保证磁链和转矩稳定的前提下，相应减少定子电压的切换次数越少，减少零电压作用时间，增大工作电压作用时间。

如式1，2所示，3/2变换将三相电流、电压采样变换得到isα、isβ和usα、usβ，由式（3），磁链的大小与电压和电流有关，根据式1和式3，在电压矢量的作用下，电流的大小，影响磁链变化的大小。 由式（3）（4）（5）可知，负载越大，定子电流的幅值越大，isα同一周期内的上升幅度变大，磁链随电流变化的幅度也就越大，在相同时间内，定子电压的切换次数越少，零电压作用次数越少，工作电压作用时间越长，磁链随工作电压作用下降的时间变长，如图2所示，负载（b）TL2>TL1(a)。图3所示为转矩随负载的变化，转矩受工作电压影响上升时间增加。

图2 不同负载下，磁链电流随电压的变化

图3 转矩随负载的变化

仿真结果

结论

本文根据直接转矩的控制原理,利用MATLAB构建直接转矩仿真系统，在给定转速不变时，给系统施加不同的负载，得出磁链和转矩随负载的变化。给定转速不变时，当负载增大，转矩增大，定子电压矢量的切换次数减少，非零电压矢量时间增多，磁链下降时间变长，转矩上升时间增加。通过对直接转矩进行研究，对观测转矩和磁链进行分析，验证了论据，有利于磁链观测的研究。