基于矢量控制和直接转矩控制特点的异步电动机系统

基于矢量控制和直接转矩控制特点的异步电动机系统

摘要：自从七十年代初和八十年代中期，基于矢量控制和直接转矩控制的高性能交流电机控制技术已经达到了成熟的高度。本文提出了一种新的控制系统，是提供一个高性能三相异步电动机系统基于矢量控制和直接转矩控制的异步电动机基础上提出的。享有控制系统的矢量控制和直接转矩控制部分的优势，避免了一些执行上的困难。尤其是所提出的控制系统包括一个电流矢量控制开关表。根据控制系统电机的广泛比较及绩效评估，尽管其结构相对简单，但其超过矢量控制或直接转矩控制的有效性及其局部优势。

一、引言

高性能交流电机系统的控制已经达到了成熟水平，即基于七十年代初和八十年代中期产生的矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)两种控制方法。这两种方法都包括许多不同的方案，现在提供快速动力学方面的优良的性能特点，如准确的稳态运行。尽管有这些相似之处，VC和DTC很大差别，在各自所实施的方式中，至少在原来的VC和DTC计划，像转矩和磁通脉动和逆变器开关频率的电机系统的的细节是相当不同的。更重要的是，这两种方法的原则只是一部分。这些差异主要是文献中提出的比较分析，是VC和DTC到目前为止差异的焦点。VC和DTC进行的比较，主要侧重于性能分析。最近已在寻找自己的原则进行，VC和DTC的比较搜索作为其表演的迅捷和准确性的主要原因为根本的共同基础的相似之处。

本文简要回顾了最近的一种方法，在VC和DTC的比较中，主要强调他们的共同点，实现替代的电机控制方法。然后提出了一种新的控制方法，即高性能三相异步电动机系统结合VC和DTC选定的优点。一个比较典型的是感应性能分析下所提出的控制方法，异步电机下VC和DTC控制方法是通过大量的计算机模拟。

二、VC和DTC的共同点

在本部分中，回顾一下VC和DTC之间的类比。这进一步证明，VC和DTC有一个共同的特点，尽管其实施存在差异。正如矢量控制系统表明：

?r?Kdid ?r??∝id ??r∝?iq

?Te=Kqiq Te∝iq ?Te∝?iq

其中Kd和Kq取决于电机参数的变化。

此外，回顾DTC的基础理论。图1显示定子磁链在一个逆变器开关周期中由?s到?s1的转换，而转子磁链矢量?r几乎保持不变，正如转子时间常数长于逆变器开关周期。

在这里，?s被分解为直轴分量??F和交轴分量??T，前者有利于磁通，而后者有利于磁链和转矩的变化。 图1所表示的方程为：

?Te=K???r??s1sin(????)??ssin?? (2)

??? sin(????)?sin??cos?sin?? (3)

并且：

sin??????T (4)

?s?s1??s???T (5)

??

总结方程(2)到方程(4),

?T?????e=K?r[??Tcos????FsinT??F??cos?] s图1 直接转矩系统中在一个逆变周期中磁链矢量变化

正如方程(2)和方程(3)所示，可以得到一个近似的转矩变化：

?TKcos???e=r??T ?Te∝??T 因此根据图1，很明显可以得到定子磁通量的变化是：

???s???F 在这个方程中，???r和?s可以忽略不计，因而

???r=??F 现在比较方程(8)、(10)及(1)遵循一下方程：

??F∝id ??T∝iq

(6) (7)

(8)

(9)(10)

这意味着，在DTC的定子磁链的变化与径向分量成正比于定子电流的直轴分量矢量的变化在VC中都用来控制电机磁通。此外，在DTC的定子磁链的变化的交轴分量是成正比的正交轴定子电流在VC中是用来控制转矩。因此，在VC或DTC两个相互垂直的变量控制中的磁链和转矩，导致快速的动态响应。事实上，如果逆变器电压矢量的数量没有受到限制，那么这两种方法提供相同的性能。

三、提出的控制系统

结果表明，在当前部分中，磁链控制单元在DTC和直轴电流控制中和在VC之间有着直接关系。此外，在DTC电磁转矩控制单元中的直轴分量与在VC系统中的交轴电流分量控制对应着。这些事实加快了基于两种方法的共同基础上新的电机控制系统的提出，结合DTC和VC的优点。通过这种方式，它可能会提供一个与理想性能等价的相当简单的控制系统，它可能是作为一个新的系统，据了解，DTC系统可提供更快的转矩响应，由于加快了电力电子开关的状态选择。这是由预定的开关表提供了更多的时间消耗的PWM程序，而不是反过来。此外，使用DTC控制器提供的输入开关表的快速动态，因此，DTC系统和VC系统是建立新系统的两种很好的选择。

在间接VC系统中，直轴和交轴电流代替电磁转矩和定子磁链，因此，转矩和磁通的计算是没有必要的。正因为如此，直轴和交轴电流控制器可以形成所提出的部分控制系统。

综上所述，电机控制系统，在VC系统中的控制器正如在DTC系统中的开关表，如图2所示，可以看出，直轴和交轴电流分量的产生与在VC系统中相比，他们获得从控制器中产生的相电流的实际值。当然，一个参照系的转变需要在VC中，当前的错误被用来生产作为交换表输入直轴和交轴的标志。第三个输入的电流矢量通过确定的部分。它是由直轴和交轴电流和转子位置、该开关表提供适当的电压矢量、决定逆变器的开关状态等产生的。与DTC系统相同，通过交换表产生包括零电压的所有8个电压矢量。

如图2提出的控制系统，是由一个VC系统的一部分，以及DTC系统的一部分组成。图的左边代表的VC系统的执行;而图的右边是一个DTC系统的执行，该系统缺少PI环节。

图2 提出的控制系统

四、相对评估

所提出的控制系统是应用于异步电动机，作为附录中的数据。并且电机的性能、模拟结果与VC系统和DTC系统电机性能得到是一致的。一个简单的PI控制器的闭环速度控制，适用于所有三种控制方法能够检查瞬时状态和电机的稳态性能的电机驱动。所有的控制系统是用于相同的负荷。图3显示了电机的转速下的三个控制系统。可以看出，所提出的控制系统是VC和DTC控制电机的转速，图4显示了电机转矩曲线。

根据三种控制系统。它被看作三个转矩的曲线十分相似，除了稍微在DTC系统的情况下和在VC系统中略少的脉冲。仿真证明，该控制系统可以提供一个理想的异步电动机高性能的控制以及在要求苛刻的应用控制系统的实用性。图5是一个电机动力学特写图，根据提出的控制系统的转矩响应比根据DTC的获得慢，但速度比VC系统下实现的快。图6表明，所提出的控制下，电机的电流波纹低于DTC系统的。相反，图4是一个在较少的转矩脉动的结果，上面介绍的直轴和交轴电流和磁链（这里就不介绍了），更多的结果证实了该控制系统提供电机性能是优于DTC系统或VC系统下所取得的成果。

五、结论

基于矢量控制和直接转矩控制系统的共同点，提出一种新型的控制系统。提出了实现比较简单的DTC系统或VC系统。该系统采用电流矢量控制，连同一个DTC系统类型的开关转换表。根据提出的控制系统的性能，证实了一个比VC系统更快的动态的系统，比DTC系统更容易实现的系统。

本文所提出的控制系统，正如在DTC系统中的开关状态表一样，可以通过本文所提出的控制方法使电机性能得到很大的提高。 电机参数：

Rs?0.087?Rr?0.228?Lm?34.7mH Ls?0.8mHLr?0.8mH