学文网【摘要】随着社会对科技的需要，异步电机普遍用于社会生产和生活中。异步电机与其他类型交流电动机相比具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。因此对于异步电机直接转矩控制的研究引起了国内外学者的广泛关注。本文基于直接转矩控制原理，运用坐标变换原则，对异步电机了其直接转矩控制的研究。
【关键词】异步电机;直接转矩;方法分析
1.引言
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史***，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的发展趋势。直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。不同于矢量控制，直接转矩控制控制手段直接、结构简单，控制性能优良、动态响应迅速，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。
2.异步电机数学模型
异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。无论电机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相绕组匝数都相等。于是在空间复平面上，我们用***1来表示三项异步电动机的物理模型。***1中，定子三相对称绕组的轴线在空间固定，转子三相绕组的轴线随转子一同旋转。以定子A相绕组的轴线为空间参考坐标轴来确定转子的空间位置，同时将A轴作为空间复平面的实轴。
***1 三相异步电动机物理模型
***1是三相异步电动机理想化的物理模型，常作如下的假设：
（1） 电机的三相绕组空间对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布。
（2） 忽略磁路饱和与铁芯损耗，忽略电机参数的变化。
为了研究方便，常常在定子d-q坐标系下对异步电机进行建模，满足功率不变原则下，得到在定子d-q坐标系下异步电机的的数学模型方程如下：
电机在定子d-q坐标系下的电压方程为 ：
（1）
电机的磁链方程为：
（2）
电机的电磁转矩方程为：
（3）
电机的运动方程为：
（4）
式中：ψs、ψr分别代表电机定子和转子的全磁链矢量。
us、ur分别代表定子和转子电压矢量。
is、ir分别代表定子和转子电流矢量。
Rs、Rr分别代表定子和转子电阻。
Ls、Lr和Lm分别代表定子和转子的全电感及定、转子间的互感。
ω为电机转子电角速度。
Te为电机电磁转矩。
Np为电机极对数。
Tf为电机负载。
p=d/dt，称为p算子。
式（1）～（4）组成了异步电动机的基本方程式。
3.直接转矩控制
电磁转矩可表示为：
（5）
在定子三相轴系中，定子磁链和转子磁链空间磁链可表示为：
（6）
（7）
由式（7），可得：
（8）
将式（8）代入式（6），可将定子电流空间矢量表示为：
（9）
式中：L’s=Ls-L2m/Lr，为定子瞬态电感。
将式（9）代入式（5），可得：
（10）
式中：δsr是定子磁链和转子磁链矢量之间的空间电角度，称其为负载角。
式（10）表明，电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的矢量积，即决定于两者幅值和其间的空间电角度。异步电动机的直接转矩控制，假设定子磁链幅值|ψs|不变，控制转子磁链幅值|ψr|不变，那么转矩的大小仅由负载角δsr决定。只要控制了转子磁链的旋转速度，就能控制δsr大小，也就是能够控制转矩。
（1）磁链控制
磁链控制的目的就是根据估算出的磁链判断磁链运动轨迹的位置（也就是磁链所在的扇区）以及磁链滞环的输出信号，来选择正确的电压空间矢量，控制磁链基本按照圆形轨迹旋转。
（2）转矩控制原理
经过磁链控制的|ψs|可近似地看作是恒定的，而在足够小的Δt内，可以认为|ψr|也是恒定的。那么，式（10）两边对时间t求导可得：
（11）
式中：ωsr=dδsr/dt，也就是定子磁链角速度减去转子磁链角速度的差值。
式（11）表明，在|ψs|恒定的条件下，转矩在某时刻的变化率随此时的ωsr增加而增加，随ωsr的减小而减小，而：
（12）
式中：ωs、ωr分别表示定子磁链角速度和转子磁链角速度。后者是不可控的，并且认为在足够小的Δt内，它是不变的;而前者是我们需要控制的，并且可以近似的认为其大小和控制量us的幅值是成正比的。所以，我们可以通过控制旋转磁场的角频率ωr，达到控制转矩的目的。
4.异步电动机直接转矩控制系统结构
由***2可知，异步电动机电机DTC系统的基本组成有以下部分组成：逆变器、转速调节、转矩滞环调节、 磁链滞环调节、 电压矢量开关信号选择、磁链和转矩估计以及扇区计算、光电编码器。
***2 异步电动机直接转矩控制系统框***
根据***2，直接转矩控制就是根据磁链信号、转矩信号和扇区信号从us0～us7中选择一个最佳矢量，来控制转子磁链的走走停停，达到控制转子磁链幅值和电磁转矩的目的。
直接转矩控制系统由三个控制环组成――速度环、转矩环和磁链环。速度环对电机的速度进行调节控制，并输出转矩的给定值。给定的转矩值和磁链值分别与实测的反馈值进行滞环比较，获得调节器的输出状态量Fm和Fψ，选择逆变器的开关状态。
从***中可以看出，直接转矩控制系统的控制原理非常简单，与矢量控制相比，这种方式更简洁和快速，提高了系统的动态响应能力。在控制过程中，由于省去了矢量变换，使控制系统得以简化，也减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的缺点。
5.结论
异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点，广泛应用于各行各业，但也存在控制上的瓶颈。直接力矩控制一经提出便在高性能的异步电机控制领域中受到青睐，各种针对此方法的研究层出不穷。虽然直接转矩控制系统的低频脉动问题一直困扰其发展，但是随着研究的深入，智能控制算法的不断完善，直接转矩控制的异步电机控制系统必将能更广泛的应用。
参考文献
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