直接转矩控制磁链低频脉动分析及抑制

直接转矩控制磁链低频脉动分析及抑制丁惜瀛夏强赵鑫杨树平刘强(沈阳工业大学电气工程学院，沈阳110023)绱要本文蔗计算杭仿真鳃方法，详细分析了篮接转矩控制系统低频脉动的产生原因，解析了电机温升引起的定子电阻变化对定予磁链的估计精度的影响，提出用改进型磁链观测器替代传统的积分观测器；同时针对低频时逆变器开关频率避低导致转矩脉动增加的问题，细化磁链位置判别，降低传统露壹接转矩控割系统麓低频磁链辣赫，使控刽系统有更高戆嚷应速度和更强戆鲁槔性。

并用M a t l a b／Si m ul i nk软件建立了该直接转矩系统的仿真模型，仿真结果表明了改进方案的有效性。

关键词：直接转矩控嬲；低频脉动；磁链观测器；计算机仿真A na l ys i s and R e st r ai n of L ow Fr equency R i ppl e f or D i r ect T or queC ont r ol of F l ux L i nkageD i n g X i y#,g X i a Q i ng Z h ao x滚Y ang Shupi ng Li u Q i ang(School of E l ect r i ca l E ngi neer i ng，Shenyang U ni ve r si t y of T echnol ogy，Shenyang110023)A bs t r act I n t hi s pa pe r,t he r ea s o n of l o w蠹eq uen cy r i ppl e i n di r ec t t or que cont rol s ys t em i s di s c us s ed usi ng com p ut er s i m ul at i on m et hod，t he i nf l uence of st at o r r e si st a nc e change caused by m ot or t em perat ure r i se t o pre ci si on of st at or f l u x l i nka ge com p ut e is been anal ys ed．T he pap er br i ngs f or w ar d t hat t he t r a di t i on al i n t egr a l ob s er ver s houl d be subst i t ut e d by a novel f l ux obser ver．A i m i ng at t he i nc r ea s ed t or que r i ppl e pr ob l em caus ed by l ow i nver t e r s w i t ch f r equ ency at l ow fr e que ncy，t he pap er re fi ne d t he par t i t i on of f l ux posi t i on t o dec re a se t he l ow f r equ ency f l ux r i ppl e i n t he t r adi t i ona l di r ec t t or que c ont rol，w hi ch m a ke cont rol s ys t em have m or e r a pi d r es ponse s peed and m o r e H i gh l y R ob ust．T he pap er set up s i m ul a t i on m od el of di r ec t t or que c ont r ol s ys t em us i ng M at l a b／Si m ul i nk，t he s i m ul a t i on r esu l t i ndi c at ed t he va l i di t y of t he i m pr oved m e t hod。

K ey w or ds-d i r ect t orque con t r o l；l o w f re que ncy r i ppl e：f l ux obs erver；com p ut er si m ul a t i on1引言直接转矩控制的优点在于熟采用了B ang．B ang控制，简化了控制器的结构，而正是B ang-B a ng控制造成了巍接转矩控制冬可能消除的磁链和转矩脉动。

奁接转矩控涮是外加电压的“点动”控制，这造成了转子磁链矢量忻相对定予磁链欠量愀的旋转速度始终处于变化之中，自然J，，也是不断变化的，生成的是一个“天然”脉动的懑磁转矩。

黪使受载转矩怒恒定的，电磁转矩也父熊在这种动态中与之平衡，实际上是产生的平均转矩与负载转矩相平衡。

电磁转矩的脉动对电机是不利的，转矩脉动的原因、瞩度敬及聪逛槐控制牲麓的影响一赢失研究l46l囊’奠采2008年第9期人员所关注，如何抑制转矩脉动更是人们致力解决的闻遂。

本文逶过对系统深入、细致的仿真分析，解析磁链脉动的几种原因，定性与寇量的分析它们在低频时对系统的影响，同时，提出改进磁链观测精度，细化磁链位置判别，以减低系统脉动。

仿真结果验证了方案的可行穗。

2低速时磁链控制性能分析及其仿真2．1磁链渗臻根据异步电机的定予磁链方程离散化得到嫉(胛)=帆(，l—1)+“，(，l—1)t其中在全数字化控制系统中，由予采样周期是固定熬，磁链的波动范阑龟是一定麓，是一个与莱样周期成正比的量，采样周期越短，磁链的波动范围就会越小。

图l中，巩。

为电压矢量和磁链矢量的夹角，通常采样周期疋为几十至几卣微秒，所以有以下公式成立：l“，(咒一1)T kd虮(，z)IU，(n一1)T I<d嫉(珂一1)l图1定子磁链、电压矢量关系图从而得虮=H，‘A t+虬o△沙=U，。

A t+虮o=U，。

I+虮oI△yI=¨出Jcos钆I=k r．1cosa。

y当钆，=0时，△咿。

取最大值，即为厅△虮z u T,=1乓乞I如果取采样周期瓦取100t t s，定子侧电压历为780V,磁链恒定幅值为、I，=0．8w b，则E垒鳖。

—、／3x780x—100x10-6。

8％沙0．8定子磁链的观测准确性，可以说是直接转矩控制系统技术实现的关键。

如果定子磁链无论其幅值还是相位若出现较大的误差，控制性能都会变坏，甚至出现不稳定。

当缩小采样时间瓦时，磁链脉动还可以进一步减小。

磁链控制得越好，电流谐波就会越小，转矩脉动也会越小，从而达到更好的系统性能。

针对磁链滞环宽对系统低频脉动的影响，本文进行了仿真比较，如图2所示。

从图中可以看出，磁链的滞环宽的微小变化，会对系统会有很大的影响。

滞环宽增加2倍，最大脉动幅度增加了36％。

2．2定子电阻根据定子磁链的公式，电机在中、高频运行时，尺。

．f。

较小，可以忽略不计。

当电机在转速即n<30％no 状态时，定子电阻月。

上的电压降占电压的绝大部分，因此e=u。

．i。

R。

接近为零。

定子电阻尺。

的变化对磁链控制的影响被放大了很多，导致磁链的控制出现畸变现象。

a■x倡rI U Y li nk【y yD Jb)L=o．01W b图2磁链滞环宽对系统的影响定子电阻的变化主要体现在其温升电阻变化。

定子电阻一般采用铜电阻，长时间的流过电流，定子电阻的阻值必然会由于温度上升向．发生改变，其变化规律为尺。

=R；(1+0．004280)式中，B为定子电阻在零度时的阻值；R，为定子电阻随温度上升的阻值；0为上升的温度。

电动机的温升公式为一三一三0=晓(1一P7)+O oe r式中，％为环境温度；如为电机的温升；t为电机运行时间；7'为发热时间常数。

对于Y2系列的异步电动机，一般氏为80℃，r为0．45"-'0．95h。

一般取环境温度为20℃，代入上式中得一j一～—L—j一0=80(I—F16201+20e1锄=80-60e1锄得到定子电阻的温升变化公式为一J LR，=尺，【l+0．00428(80-60e16加)】依据定子电阻温升变化公式，做了定子电阻变化对系统低频时的影响仿真，比较结果如图3所示。

图中分别比较了在定子磁链变化前后系统的磁链曲线，磁链幅值曲线和转矩曲线的变化情况。

从图中2008年第9期电气技肃147可以看出，在定子电阻变化10％的情况下，系统的磁链和转矩的脉动都有较大增加，磁链脉动增加了15．7％，转矩则增加了18．94％。

d nnlF Ⅲ■v ∞a)定子电阻无变化的磁链d ●_I ●F I,aitI M 州％tV a)b)定子电阻变化的磁链■㈨“)c)定子电阻无变化的转矩d)定子电阻变化的转矩图3定子电阻变化的对系统的影响2．3电流测量在低频时，定子磁链估计误差还包括测量误差，此时定子电阻风上的电压降占电压的绝大部分，因此e=u ，一‘毋接近为零，那么积分计算把测量误差加大，这样的测量值误差将把e 掩盖掉了。

如果电压和电流检测都采用霍尔传感器，那么一般的误差都在0．8％以上。

根据上述描述建立了电流测量误差模型，进行了仿真试验，仿真结果表明：电流测量误差使系统出现静态偏差，有测量误差的磁链幅值曲线比设定48I 鼍’奠纛2008,A gal 朝值稍有下移。

3D TC 系统低频脉动的抑制方案3．1改进型定子磁链观测器根据定子磁链的公式，传统的直接转矩控制系统一般采用传统的积分器对定子磁链进行观测。

传统积分器存在直流偏移以及误差积累问题，而且这些问题在电机低速运行时会变得将更加严重，会使得定子磁链的观测严重偏离真实值，并导致电机转矩的计算误差，严重影响了系统的低速性能。

转速越低时，转矩的脉动频率越低，影响就越为严重。

而当电机运行于较高转速时电机的相电压相对较高，此时定子电阻的偏差A R ，．‘所造成的不良影响基本上可以忽略。

但在低频运行时，直接转矩控制下电机的电压小、电流大，此时定子电阻的变化一方面绝对值加大，另一方面在磁链计算中占的比重也增加，对它的忽略会产生较大的定子磁链计算误差，影响电机的控制性能。

因此在电机低频运行时，对电机的定子电阻凡的变化进行预测，使定子磁链的计算更加准确。

在电机的运行过程中，定子电阻的变化主要体现在其阻值随温度的变化而变化，定子电阻成指数指数函数变化。

而图4所示为定子电阻与定子电流的关系。

电阻亿和定子电流之间的关系是非线性。

根据电阻、电流和温度之间的关系曲线，可以看出这种非线性变化关系可以分解成两个部分：一个是电阻变化值随着电流的变化成线性关系，根据定子电阻的材料和绕线方式，可以计算出定子电阻与定子电流之间的关系比；一个是电阻的变化值随着时间的推移而累计的变化，这种累计随着温度的变化和时间的推移而不同。