五相感应电机的直接转矩控制技术研究

夏斌

摘 要：文章提出一种新颖的五相感应电机直接转矩控制方案，其特点是使定子磁链及电磁转矩具有低波纹的快转矩响应的特性。与三相感应电机的直接转矩控制相比，五相感应电机有32个空间电压矢量，在选择逆变器开关状态时具有更好的灵活性，从而更精确的控制定子磁通转矩、可以得到一个更好的动态或稳态性能。这表明，在电机驱动领域，将直接转矩控制技术与多相感应电机相结合有着很好的前景。

关键词：直接转矩控制；感应电机；多相电机；空间电压矢量

中图分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）29-0021-02

1 概述

通过采用直接控制定子磁通转矩技术取代传统的电流控制技术，不但给提高电动机运行性能问题提供了系统的解决方案，而且也提高了电压逆变器（VSI）的性能。在原则上说，DTC方法是基于瞬时空间矢量理论得出的。通过在每个采样周期中优化电压矢量的选择，DTC实现的高效控制定子磁通转矩的目的。因此，空间电压矢量和开关频率的大小直接影响了DTC控制系统的性能。同时，DTC方法依赖于电机驱动配置。在本文中将DTC方法应用到了五相感应电机，研究三相感应电机DTC技术与五相感应电机DTC技术的不同之处。

一个三相感应电机驱动拥有三相VSI 逆变器，有8个开关状态及相应的空间矢量，其中包括六个非零电压空间矢量和两个零空间电压矢量。为了保持定子磁通转矩在两个磁滞带的范围内，在一个采样周期里，三相电机的DTC技术选择了六个空间矢量和两个零电压矢量中的一个值。为了证明定子电流转矩的存在，可以将受限制的八个可用电压矢量应用于三相直接转矩控制系统。为了提高定子电流转矩性能已经介绍了多种方法，如转矩的预测控制和双三相逆变器方案。一般说来，这些方案的目的是产生多于普通DTC方案电压矢量的数量。

與三相感应电动机驱动相比，五相感应电机驱动拥有一个五相VSI逆变器。在这种情况下，可两个零电压状态与五个顶部开关全开或五个底部开关全开相关。此外，还有30个非零开关模式。这个五相逆变器开关状态的总数是32。特别是这32个电压矢量由三种不同的矢量振幅组成，并将开关状态分配在10个扇区中，因此，五相感应电机比三相感应电机拥有更多的电压空间矢量。增加空间电压矢量的数量可以使根据实时变化的定子磁通转矩得到的选择电压矢量放在一个更加详尽的开关矢量表中。此外，不同的电压矢量幅值为定子磁通转矩波动最小化提供了更大的可能性。

2 五相感应电机的直接转矩控制原则

五相脉宽调制逆变器的空间电压矢量如下所示：

32个组合开关可以根据上述关系进行考虑：两个零电压矢量和30个非零空间电压矢量，如图1所示。这些电压矢量有三个不同的幅值。开关平面也相应的分为10部分。每个部分为（？仔/5），rad。通过使用不同的空间电压矢量Vs，可以同时控制五相感应电机的定子磁通和转矩。

在这一组中的其他电压矢量对磁链幅值的减小影响更小。除了由于电阻的电压降，零电压矢量V0和V32显然不能影响磁链。对于第二组和第三组也可以用相似的方法分析。然而，在二和三组中不影响磁链幅值的电压矢量与第一组中的电压矢量同样重要。所以，当电机运行在稳定状态时，可以用他们来调整电机的定子磁链。根据定子磁通和转矩共同对每个电压矢量的影响，如图2所示在假设定子磁链位于第一部分内。

根据其相应的幅值，将32个电压矢量分成三组。电压矢量的幅值越大，对磁链？姿S和转矩Te的影响越大，如表1中的多箭头所示。例如，当使用这些电压矢量时，三个向上的箭头（↑↑↑）或三个向下的箭头（↓↓↓）分别代表磁链？姿S和转矩Te的最大化或者最小化。箭头（↑↓）代表磁链为恒值。 换句话说，考虑电机运行在逆时针方向时，也就是正方向，那么转矩增加。最开始时，在最大的部分中，空间电压矢量V25用于启动电机，并在很短的时间里建立定子磁链。因此，定子磁链定义于第一部分。如果磁链？姿S比需求的磁链？姿S*小，那么电压矢量V17，V19，V24，V28中与V25相邻的值以及V25本身可以选则用来增加磁链的幅值。同样，减小磁链？姿S可以通过选择V12，V14，V6，V7或V3达到目的。值得注意的是这些矢量对定子磁通的作用不同。电压矢量V25和V6对磁链幅值的作用更大一些，V17，V24 ，V14和V7的作用很小。

在这一组中的其他电压矢量对磁链幅值的减小影响更小。除了由于电阻的电压降，零电压矢量V0和V32显然不能影响磁链。对于第二组和第三组也可以用相似的方法分析。然而，在二和三组中不影响磁链幅值的电压矢量与第一组中的电压矢量同样重要。所以，当电机运行在稳定状态时，可以用他们来调整电机的定子磁链。

通过下面的方案可以达到同时控制定子磁链跟转矩的目的。如图2所示，对于第一组中给定的正的轴转速跟电压矢量，可以通过选择V24和V28来增加定子磁链？姿S和转矩Te？觷当磁链？姿S需要增加，转矩Te。需要减少的时候，可以选V17或V19来实现。选择V14和V12可以减小磁链？姿S，增加转矩Te。尽管零电压矢量不影响定子磁链？姿S，但是可以用它们来减少转矩Te。因此，当需要保持定子磁链？姿S不变，转矩Te减少的时候，最好的选择就是V0或V32。对于电压矢量影响定子磁链 s和转矩Te的分析方法同样适用于第二组和第三组。

通过选择恰当的电压矢量使定子磁链和转矩Te的误差最小化，从而定子磁链？姿S和转矩Te遵循所需的值，在每个采样时期中都运用这种算法。由于五相感应电机的电压矢量数目较多，在同时控制方案中，对于每个采样周期采用查询表的方法来完成过程选择是十分繁琐的。然而，在本文中，这种简单的发展技术可以用于选择恰当的电压矢量。

3 结 语

在本文中提出了一种用于五相感应电机的简单实用的直接转矩控制技术。与8个电压矢量的三相逆变器相比，五相逆变器提供32个电压矢量，在选择逆变器开关状态时具有更好的灵活性，从而更精确的控制定子磁通转矩、可以获得获得更精确的定子磁链和转矩控制。这些结果表明，多相感应电机与直接转矩结合可以获得更好的性能。

参考文献：

[1] M Depenbrook，.Direct self-control（DSC） of inverter-fed inductionmotor，IEEE Trans，1998，（3）.