对改良的无刷电机操控体系的研讨

 

　　直接转矩控制（ Direct Torque Control，简称 DTC）是 1 种高效的交流调速技术。它借
助三相定子电压、电流来计算转矩和磁链，再通过转矩、磁链的偏差来直接进行电机的调
速控制，具有优良的调速性能和快速性。DT C 摒弃了矢量控制技术中过于繁杂的解耦思
想，故而简洁明了，这些优点引起国内外学者广泛的研究兴趣。技术已被成功地应用于普
通感应电机中，如 ABB 公司将该技术应用于 ACS600 这一标准型逆变器产品中，体现出
了优良的电气性能。　　BDFM 具有 2 套不同极数的定子绕组，这种复杂的电磁结构使其
转矩和磁链的计算较普通感应电机麻烦。将 DTC 引入了 BDFM 调速系统，但该系统计算
量较大，难以实现，针对上述系统提出了 1 种转矩和磁链的简化计算方法，但是转矩脉
动较大。造成转矩脉动大的根本原因在于该系统采用的常规 DT C 方法在 1 个采样周期内
只能输出单一的电压矢量，使得电磁转矩增量在 1 个采样周期内早已超过转矩容差的限
制。对感应电机的 DTC 调速系统，众多学者对其转矩脉动问题做了大量的改进研究，如
电压预期法、矢量细分法、转矩预测法等。这些方法能有效地降低 DTC 系统的转矩脉动，
但运算与实现都比较复杂，对微处理器处理速度要求很高。本文受电压预测和矢量细分原
理的启发，改进和优化了常规的电压矢量开关表，从而能在系统采样时间为常规系统 2
倍的情况下减小转矩脉动。在 MAT LAB 环境下，建立了该改进系统的仿真模型，与文献
< 9>中的仿真结果进行比较，结果表明这种改进的 BDFM 的 DTC 系统在低速范围内可有
效地降低转矩脉动，改善定子电流波形，具有良好的动、静态性能。
　　1 常规的 BDFM 的 DTC

 

原理系统采用转速、转矩双闭环控制方案所示。其中， BDFM

在转子速 dq0 坐标系下的数学模型，速度调节采用 PI 调节器，其输出作为转矩给定 T g。
功率绕组和控制绕组的相电流及控制绕组相电压经三相两相变换（3/ 2 变换）转换为、分
量后作为磁链、转矩观测器的输入。磁链、转矩观测器的输出 sc 和 T f d 分别进入磁链滞环
和转矩滞环，与给定磁链 g 和 T g 进行比较，实现对磁链和转矩的两点式和多点式（ 
Bang Bang 控制）调节。磁链位置角是控制绕组磁链与坐标轴之间的夹角，即 r = arc 
sin（c / sc）。
　　2 本文的改进方案
　　从上述的分析可知，常规 DTC 系统中，根据转矩、磁链、扇区的计算结果在 1 个采样
周期内只能输出单一电压矢量，若把 1 个采样周期分成多个时间段，每个时间段恰当地
插入零矢量，既可使单一电压矢量的有效作用时间减小，使其对转矩增量的作用在 1 个
采样时间内不至于超出转矩的容差限，使得转矩脉动减小。
　　设定子磁链处于扇区 1 内，逆时针旋转，则有 5 个电压矢量供选择以补偿磁链和转
矩的偏差，选 V 2、V 3

 

可使转矩增加， V 5、V 6

 

可使转矩减小， V 0 也可使转矩减小，但

效果不如 V 5、V 6

 

强烈； V 2、V 6

 

可使定子磁链增加， V 3、V 5 可使定子磁链减小。本文

将 1 个采样周期分成 3 段，设定子磁链处于扇区 1 内，以电压矢量 V 3 为例，因 V 3 对转
矩的作用非常强烈，故其作用时间不应持续至整个采样周期，应恰当地插入零矢量。为遵
循最小开关频率原则，在第 3 个时间段或第 2、3 个时间段内插入零矢量，即在 1 个采样周
期内，分 3 个时间段依次插入 V 3 V 0 V 0 或 V 3 V 3 V 0。
　　对电压矢量 V 2，因其对转矩的作用效果不是很强烈，故依次插入 V 2 V 2 V 0，从而
可使电磁转矩不致在 1 个采样周期内超出转矩容差限，从而有效减小转矩脉动。其余的扇
区依此类推，不再赘述。
　　本文将磁链圆细分为 12 个扇区，采用改进后的控制方法，将每个采样周期分为 3 段，
每段构造独立的开关表进行控制，从而在低速范围内有效地减小转矩脉动，并改善定子
电流波形。这种方法不会增加系统的复杂程度，而且可在采样时间为常规 DTC 系统的 2