基于SVM的感应电机直接转矩控制转矩脉动抑制

D.Kousalya¹， N.马努基·库马尔²

PG学生[PED]， EEE, RMK工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度
印度泰米尔纳德邦金奈RMK工程学院EEE系助理教授

摘要

直接转矩控制(DTC)是感应电机转矩和磁链控制的优良控制策略之一。磁滞比较器用于补偿估计转矩和磁通与参考转矩和磁通之间的误差。在直接转矩驱动中引起的主要问题是稳态转矩和磁链脉动。提出了一种基于新型空间矢量调制的感应电机直接转矩控制策略。它可以减少稳态转矩、磁通、电流和速度脉动。该方法通过产生的空间电压矢量来补偿估计转矩和磁通与参考转矩和磁通之间的误差。通过测量扇形局部角，最大限度地降低了时间持续时间的复杂性。利用MATLAB/SIMULINK仿真了该控制方法的性能。结果表明，该方法在稳态运行时产生的转矩和磁链波动比传统的直接转矩控制方法要小

关键字

直接转矩控制，空间矢量调制，感应电机。

介绍

九十年代，感应电机的直接转矩控制得到了发展。它提供了快速和良好的动态扭矩响应。DTC可作为定向磁场控制技术[1]、[2]的替代技术。最初提出的DTC方案非常简单，由一对滞后比较器、转矩和磁通计算器、一个查找表和一个电压源逆变器(VSI)组成。它的主要优点是不需要任何转换或PWM脉冲产生和电流调节器。它最大限度地减少了机器参数[3]的使用，从而降低了对参数变化的敏感性。DTC的主要缺点是逆变器开关频率的变化和转矩脉动[4]。可变开关频率问题的根本原因是迟滞比较器的使用。在[5]中对DTC驱动器中基于滞后的控制器的开关频率进行了分析。结果表明，开关频率受电机转速的影响很大，这主要是由于转矩斜率依赖于电机转速。 The problem of variable switching frequency can be solved by two methods: first method is using variable hysteresis bands to maintain a constant switching frequency [6], but it’s implementation will increase the complexity and second method is performing the switching at regular intervals [7] [8], But In case an active or zero voltage vector is applied for the whole switching period, then the torque ripple will inevitably become high. Several techniques have been developed to diminish torque ripple. The pulse duration of the output voltage vector is determined by the torque ripple minimum condition [9]. This method can significantly decrease the torque ripple, but they increase the complexity of the DTC algorithm.

本文提出了简单有效的控制策略，以保持恒定的开关频率和最小化转矩脉动。为保持开关频率恒定，采用简单的PI转矩磁链控制器代替磁滞比较器。采用新的空间矢量调制技术选择合适的电压矢量。因此，与磁滞带控制器相比，转矩脉动更小。仿真结果表明，该方法能有效减小转矩和磁链纹波，保持开关频率恒定。第二节介绍了异步电动机的数学建模。用改进的支持向量机直接转矩控制在第三节中描述。仿真结果和结论分别在第四节和第五节给出。

感应电机建模

d-q线圈的电压平衡方程用平稳参考系中的空间电压矢量表示，如式(1)至式(4)所示。

改进的支持向量机直接转矩控制

感应电机直接转矩控制的原理是借助查找表，通过选择合适的逆变开关状态，直接控制磁链和电磁转矩。传统的DTC系统包括两级和三级磁滞控制器，三级转矩控制器和两级磁链控制器。虽然它具有无反馈控制、无传统PWM算法、无矢量变换等优点，但也存在开关频率可变、固有稳态转矩和磁通脉动等缺点。由于磁滞带控制器的存在，异步电机直接转矩控制中稳态转矩和磁链波动较多，从平滑响应角度看是不可取的。针对传统感应电机直接转矩控制方法存在的不足，提出了基于空间矢量调制的直接磁链和转矩控制方法。DTC-SVM策略以恒定的开关频率工作，如图1所示。

该逆变器采用空间矢量调制技术控制，而不是传统的直接转矩控制中采用的电压扇区选择块控制。控制器计算所需的定子电压矢量，然后采用空间矢量调制技术实现。该方案用两个比例积分型控制器代替磁滞带来调节转矩和磁链大小。通过控制转矩和磁通幅值，产生逆变器的栅极信号。空间矢量调制(SVM)技术已成为交流电机控制中最流行和最重要的PWM技术。空间矢量调制是一种数字技术，通过在图3所示的六个扇区中每个扇区中调制空间矢量的开关时间来创建参考电压矢量。

在空间矢量调制技术中，逆变器可以被视为一个单独的单元，而不是像正弦PWM中那样有三个独立的推拉驱动器。这种PWM技术通过组合8种开关模式(V0到V7)[10]来逼近参考电压Vref。空间矢量的概念来源于交流电机的旋转场，用来调制逆变器的输出电压。空间矢量PWM可以通过以下步骤实现:

1) Vd,Vq,Vref， α的计算。

2)局部theta的计算。

3)工期计算。

1) Vd、Vq、Vref、α的计算:三相电压的两相(d-q)表示如图4所示。

2)局部theta()的计算:角α相对于电压的d轴分量测量。为了对所有扇区有源和非有源矢量持续时间使用通用时间持续时间公式，有必要使用以下公式找出每个扇区的局部theta。

3)时间长度的计算:SVPWM方法的原理是用相邻的三个矢量近似计算命令电压矢量。利用电压时间矢量计算方程得到各电压矢量的持续时间:

在空间矢量PWM技术中，所需要的空间矢量是由两个相邻矢量和零矢量合成的。可计算扇区1的切换时间。

SMULATION结果

为了验证基于支持向量机的DTC方法的有效性，开发了一种基于两级支持向量机的DTC电机驱动，并给出了仿真结果。基于空间矢量调制的DTC驱动器如图2所示。在闭环转矩和磁链控制中采用空间矢量调制技术产生逆变器开关状态。在附录中给出的规格下，对感应电机进行了仿真工作。在MATLAB/SIMULINK中对该方案进行了仿真。感应电机直接转矩控制的定子电流和基于SVM的感应电机直接转矩控制的定子电流如图7和图8所示。在经典的DTC和基于SVM的DTC中，在t = 0.5s时施加5Nm的稳态负载扭矩。电流从5A增加到7A。而支持向量机的直接转矩控制电流脉动较小。

基于直接转矩控制和支持向量机的异步电机定子磁链如图9所示。与基于直接转矩控制和基于支持向量机的直接转矩控制相比，基于支持向量机的直接转矩控制定子磁链更加均匀。感应电机DTC和基于SVM的DTC的电磁转矩响应如图10和图11所示。

感应电机直接转矩的电磁转矩如图10所示。最初电机振荡的最大扭矩为30 Nm，并在0 Nm稳定0.035秒。当在0.5秒内施加负载转矩为10 Nm的一半时，电机开始振荡，然后稳定下来。在稳态下，t = 0.6s时，负载转矩在最大值13 Nm到最小值7Nm之间振荡。

当满载扭矩为20 Nm时，输出扭矩上升，并在最大和最小扭矩分别为23 Nm和17 Nm之间振荡。当负载转矩为负载转矩的一半时，在感应电机的DTC和DTC- svm中，转子转速暂时略低于500转/分，并在剩余时间内保持恒定。

在基于支持向量机的直接转矩控制中，当电机在t=0s时以零负载转矩启动时，直接转矩控制将振荡至25Nm，并在t= 0.028s时稳定下来。

当在0.5秒内施加负载转矩为10 Nm的一半时，电机开始振荡，然后稳定下来。在稳态下，在t = 0.6s时，负载转矩在最大和最小值11 Nm到9.2Nm之间振荡。当满载转矩为20 Nm时，输出转矩上升，并在最大转矩20.8 Nm和最小转矩19.1 Nm之间振荡。直流电转矩脉动与支持向量机直流电转矩脉动的比较见表。因此，从表中的结果可以推断出所提出的方案具有较小的转矩脉动。

结论及未来工作

本文提出了一种基于PI控制器和空间矢量调制技术的感应电机直接转矩控制策略。空间矢量调制的实现是利用局部theta来实现的，从而降低了时间长度计算的复杂性。支持向量机DTC实现了恒定的开关频率，减小了转矩波动。与两级逆变器相比，多电平逆变器的总谐波失真更小，模糊是一种较好的软计算技术，与PI控制相比，它可以非常精确地减小转矩和磁链误差，具有一定的应用前景。仿真结果表明，基于支持向量机的直接转矩控制方法改善了转矩控制效果。

附录

参考文献

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