基于SVPWM两电平和三电平逆变器的感应电机直接转矩控制仿真及分析资料.docx
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基于SVPWM两电平和三电平逆变器的感应电机直接转矩控制仿真及分析资料
基于SVPWM两电平和三电平逆变器的感应电机直接转矩控制仿真及分析
M.LakshmiSwarupa,G.TulasiRamDasandP.V.RajGopal
副教授，MRECWEnggCollege，学术及规划署署长
BHEL研发年会
摘要
在本篇论文中，对电动汽车中异步电机直接转矩控制提出了新的方案，并且也提供了适合的转矩控制的研究结果。
电动汽车驱动装置由绕线式感应电机和一个一个三电平IGBT逆变器组成。
论文中所要研究的方案是磁场定向控制，直接转矩控制（DTC），以及采用空间矢量调制的直接转矩控制。
论文中也提供了Matlab—Simulink的仿真结果以及各个控制方案之间的比较结果。
经研究发现采用空间矢量调制的直接转矩控制系统是最适合于这种应用。
对于工业方面的应用，通常需要能够变化的逆变器输出电压。
这主要是针对：
克服直流输入电压的变化。
维护异步电机的V/F参数。
补偿逆变器的调节。
在这里，空间矢量控制的多电平逆变器的电压控制，在工业中具有非常重要的作用。
本论文意在于获得有关于空间矢量脉宽调制以及其拥有的诸多优点的知识，以及拥有对多电平逆变器操作方面的完整知识，然后将空间矢量的方法应用到脉宽调制中以控制多电平逆变器的输出电压。
本论文介绍了高性能直接转矩控制（DTC）在感性电机驱动装置中的实现。
直接转矩控制有两个主要问题，即高转矩脉动以及可变的开关频率。
直接转矩控制是一种将电机与逆变器嵌在一起的控制方式，并且以最优的方式来对它们进行控制。
对直接转矩控制的感应电机驱动装置提出了恒定开关频率、低转矩和低磁链脉动的新型转矩、磁链控制器。
这些被提出的控制器的核心是基于对补偿误差信号与高频率三角载波之间进行比较，从而不需要复杂的计算来产生逆变器的开关信号。
该控制器采用模拟或者数字电路。
论文中提供了对新型控制器的建模方式与仿真，结果表明，电磁转矩和磁链的脉动得到了显著地降低。
为了解决这些问题，本论文中提出了一对转矩和磁链控制器。
所提出来的、应用于直接转矩控制驱动装置控制器在MATLAB/SIMULINK中得到仿真。
接着对仿真结果进行校验。
索引词：
直接转矩控制，两电平，三电平，空间矢量脉宽调制，仿真
介绍
由现代VFD变频装置实现的各种转速控制技术主要可以分为以下三类：
标量控制（V/F控制）
矢量控制（间接转矩控制）
直接转矩控制（DTC）
标量控制
在此类型的控制方式下，电机被馈以由逆变器中的PWM控制装置使用功能丰富的的PIC微控制器产生的可变频率信号。
在这里，V/f比值保持恒定，以获得在整个工作范围内的恒定电磁转矩。
由于只有输入变量的大小—频率和电压被控制，所以这种方式就被称为“标量控制”。
通常来说，带有这样控制装置的驱动器是没有任何的反馈装置（开环控制）。
因此，这种类型的控制成本很低，并且易于实施。
在这样的控制方式下，对于频率控制，我们需要非常少的电机知识。
因此，这种控制技术被广泛使用。
这种控制的一个缺点是产生的转矩直接取决于负载，因为它不是直接被控制的。
另外，由于逆变器预先定义的开关模式，这种控制的瞬态响应并不是很快。
然而，如果转子的转动被阻碍了，这将导致电动机的发热而电流控制闭环将失去控制作用。
通过添加一个速度/位置传感器，可以克服转子的堵转和由负载决定速度的问题。
然而，这将增加系统的成本，尺寸以及复杂性。
有许多方法来实现标量控制。
广受欢迎的方案将在下面的章节中被描述。
矢量控制
这种控制也被称为“磁场定向控制”，“磁链定向控制”或“间接转矩控制”。
使用磁场定向（克拉克-帕克变换），3相电流矢量从三相静止参考坐标系转换成两相旋转参考坐标系（dq）。
“d”轴的分量表示定子电流的励磁分量和“q”轴的分量表示定子电流的转矩分量。
可以通过其各自的PI调节器来独立地控制这两个非耦合的定子电流分量。
PI调节器的输出通过克拉克-帕克反变换转换为在三相静止参考坐标系中。
对应的开关模式是脉冲宽度调制，并且使用空间矢量的方式来得以实现。
这种控制将异步电机模拟成一个直流电机模型，这样子可以产生一个极好的转矩—转速曲线。
定子磁链，转子磁链或者磁化磁链都需要从静止参考坐标系中转化到旋转参考坐标系中。
在一般情况下，存在着三种可能的选择，因此，三种不同的矢量控制，它们是：
定子磁链定向控制
转子磁链定向控制
磁化磁链定向控制
由于此种控制类型下的转矩分量只有在转化完成后才能被控制，它并不是主要的输入参考量，所以这样的控制方式被称为“非直接转矩控制”。
最终最具挑战性的是，磁场定向的限制功能，这样的方式是通过被测得的或者被估算的磁链角来达到。
根据测量的方式，矢量控制可以被分为两个亚类：
直接的和间接的矢量控制。
在直接矢量控制中，磁链的测量是由磁链的感应元件或者霍尔元件来达到。
这会增加额外的硬件成本，而且，这种测量不具有高精确性。
因此，这种方式不是一种好的控制技术。
最常用的控制方式是间接矢量控制。
在这种方式下，磁链角不是直接被测量，而是由等效的电路模型以及转子转速、定子电流、定子电压估算得来的。
一种常用的估算转子磁链的技术是基于滑移关系。
这需要去测量转子的位置以及定子电流。
通过使用电流传感器和位置传感器，这种方式在全速范围内展现出相当好的性能。
目前在应用于实际工况中的具有最高性能的VFD变频装置，正是采用了基于滑动关系的间接磁链定向。
这种方式的主要缺点就是需要通过在转轴上安装编码器来获得转子的位置信息。
这就意味着额外接线以及器件的费用。
这也会增加电机的尺寸。
当驱动装置与电机离得很远时，这样的额外接线就会遇到挑战。
为了克服传感器以及编码器的问题，如今主要的研究焦点是在于无传感器应用领域。
矢量控制的优点是在于转矩的响应比标量控制的要来得好、满载转矩接近于零转速、精确的转速控制、接近于直流电机的性能，等等。
但是这需要用到复杂的算法来实时地计算出转速。
由于使用了反馈装置，这种控制方式的成本要比标量控制来得贵。
直接转矩控制（DTC）
传统的矢量控制与直接转矩控制之间的区别是在于直接转矩控制没有固定的开关转换方案。
直接转矩控制根据负载的需要来转换逆变器的状态。
由于消除了固定的开关转换方式（矢量和标量控制的特性），直接转矩控制系统对于实时的负载变化的响应是十分迅速的。
虽然这种复杂技术的转速精度可以确保达到0.5%，但是它却不需要使用到任何的反馈设备。
这项技术的核心是在于它的自适应电机模型。
这个模型是在基本电机理论的数学模型基础上建立的。
这个模型需要很多的电机参数，例如定子电阻，互感，饱和程度等等。
这种算法从一开始在电机转动之前就可以从电机中捕获到这些细节。
但是旋转电机几秒钟可以帮助此模型的调谐。
调谐越好的话，转速和转矩控制的精度也越高。
将直流母线电压，线电流，以及当前的开关位置作为输入，这个模型可以实时地计算电机的磁链以及转矩。
这些值被分别输入到转矩和磁链的两电平比较器。
这些比较器的输出就是转矩和磁链的参考信号，对应于最优开关选择表。
被选定的开关转换信号直接施加于逆变器，而不需要经过任何的调制，这样就意味着可以有更快的响应时间。
外部转速给定的参考信号被用以产生转矩以及磁链的参考值。
因此，在直接转矩控制中，电机的转矩和磁链是直接控制的变量，因此被命名为“直接转矩控制”。
这种控制技术的优点是具有最快的响应时间，消除反馈设备，减少机械故障，性能几乎与没有用到反馈的直流电机相同，等等。
这种方式的缺点主要是比较器的固有的迟滞特性、较高的转矩和磁通脉动。
由于开关转换不是在一个非常高的频率下完成的，这样就导致了低次谐波的增加。
人们认为，通过使用人工智能模型而不是基于数学方程模型可以实现直接转矩控制。
这可以帮助模型更好地进行调谐，并且能够降低对电机参数的依赖程度。
直接转矩控制系统的简介
在过去，交流调速装置只应用于要求不高的工况下，不论交流电机相比直流电机所具有的优点，由于高开关转换频率逆变器具有相当的竞争力。
凭借在电力电子领域方面的发展以及使用快速微处理器和DSP的矢量控制方法的出现，使得感性电机在传统直流电机所主导的领域中的应用成为可能，由于产生转矩和磁链的电流分量是解耦的，可以分别实现与他励直流电机相类似的系统功能
直接转矩控制方法（DTC），由德国和日本的研究人员所发现[8]，[3]，可以分别地、直接地对电磁转矩和磁链进行控制，选择最佳的开关矢量，可以获得快速的转矩响应，降低逆变器的开关频率以及降低谐波损耗。
直接转矩控制系统的模块框图如图1所示。
通过应用直接转矩控制方式，使获得直接的磁链和电磁转矩控制、间接的电压和电流控制、正弦电流和正弦磁通、低转矩脉动、优异的转矩动态性能以及取决于逆变器开关频率的迟滞环[5]，[2]变得可能。
图1直接转矩控制系统的模块结构框图
其主要的有点是在于不需要进行复杂的坐标变换（这在大多数的矢量控制调速系统中通常是需要的）、特定的调制模块、以及绝对位置的确定。
然而，在启动以及低转速的时候存在着一些问题，比如启动时电流的控制、电机的影响以及需要用到磁链和转矩的估算器。
将速度估算器加入到此系统中，它能够获得增益，使硬件的复杂程度降低，使机械耐久性增大，使得在恶劣环境中的操作成为可能，并且降低了维护需求。
同时对噪声和电机负载惯量的抵抗能力增加了。
在本文中，介绍了仿真和实验工作，这与异步电机直接转矩控制、两电平和三电平逆变器在转矩和转速模式中的实现相关。
直接转矩控制系统的工作原理
在原理上，直接转矩控制方式选择6个电压空间矢量其中的一个和两个零电压矢量来使定子磁链和转矩在一定的滞环宽度下动态地保持其所需要的磁链和转矩幅值。
由感应电机所产生的电磁转矩可由公式4来表达，
其中表达了所产生的电磁转矩直接取决于定子磁链幅值，转子磁链幅值以及定子与转子磁链矢量之间的相位角。
感应电机定子方程由式5所示：
如果定子电阻可以被忽略且在一个很短的时间内，此方程可以被近似为公式（6），如下：
这就意味着如图（2a）所示施加的电压矢量直接决定了如图（2b）所示的定子磁链矢量的变化。
如果所施加的电压矢量改变了定子磁链，从而增加了定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的相位角，那么产生的电磁转矩就会增加。
图（2a）转矩对应于磁链位置的改变
图（2b）直接转矩控制（两电平）
由于两电平逆变器只能够产生6个非零电压矢量和2个零电压矢量，所以能够建立一个表格，此表格基于定子磁链所在的位置以及所需要的定子磁链幅值和转矩的变化，以此可以确定该施加何种电压矢量。
这就是所谓的最优矢量选择表，如表1所示，对应于两电平逆变器。
也可以扩大最优矢量选择表，以此来包括三电平逆变器所产生的数量较多的电压矢量。
表1：
最优矢量选择表（2电平）
定子磁链矢量的幅值可以通过定子电压方程如式（5）来进行估算，如式（7）所示，
如图3所示，估算出来的定子磁链幅值和转矩输出值与所需要的值来进行比较。
随后选择合适的电压矢量来使得电磁转矩与磁链的幅值趋近于给定值。
图3直接转矩控制系统结构框图
基于空间矢量调制的直接转矩控制系统
基于瞬时电流和电压的测量，这使实时计算电压矢量在一个固定的时间周期内驱动输出转矩和定子磁链使其趋近于所需要的值成为可能。
这个计算出来的电压随后通过空间矢量调制来合成。
所施加的电压和电机电流可以被用来估算瞬时的定子磁链和输出转矩。
从这些中，输出转矩和定子磁链所需要的变化值以此来达到给定值，这在电流开关周期的末尾阶段可以被计算出来。
公式（8）表明了对应于定子电流的改变，转矩所发生的变化。
达到那样的定子电流变化所需要的电压V，当知道了电机的反电动势之后可以被计算出来。
反电动势可以由定子磁链和电流来计算出来。
比较
人们发展出直接转矩控制系统以此来替代已经被使用许多年的FOC系统。
直接转矩控制系统有优点，比如不需要转速和位置编码器，只需用到电压和电流的测量装置。
由于没有使用到PI调节器，它具有更快的动态响应。
直接转矩控制的一个缺点就是其相对较高的电流畸变和转矩脉动。
基于SVM的DTC是一种不同的方式，它包括对所需要的电压进行直接预测性的计算，并施加于感应电机来改变定子磁链和转矩的幅值以此来达到所需要的给定值。
它结合了直接转矩控制方案的最佳性能，例如迅速的转矩响应、无固定开关频率。
基于SVM的DTC方案被选为该电动汽车所应用的转矩控制方案。
从上面的讨论中，所有的控制方案的优点和缺点可以被总结如下：
直接转矩控制
优点
（1）快速动态响应
（2）比较简单
（3）不需要转速和位置编码器
缺点
（1）高电流畸变
（2）高转矩脉动
（3）开关频率随着电机转速的变化而变化
基于空间矢量调制的直接转矩控制
优点
（1）与直接转矩控制系统等效的快速动态响应
（2）与FOC相似的低稳态转矩脉动和电流畸变
（3）恒定的开关频率
（4）不像FOC那样对参数敏感
（5）不需要转速或者位置编码器
缺点
（1）控制算法与其他的方案相比很复杂
（2）它需要一个相对快速的处理器来实现其所希望的开关频率。
结论
三种控制方案已在电动车辆中的感应电机转矩控制应用中得到评估。
所有的其他直接转矩控制技术（无论是2电平还是3电平）与标准的转子磁链FOC相比，表现出其具有改善瞬态转矩响应的特点。
这些方案的缺点就是会增加电流的畸变。
由于高效率是电动车辆调速装置最主要的要求之一，不过高电流畸变会引起电机的损耗，这是不可接受的。
基于空间矢量调制的直接转矩控制方案是一个例外，它表现出快速的转矩响应，低电流畸变和转矩脉动。
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