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. Lakshmi Swarupa, G. Tulasi Ram Das and P.V. Raj Gopal

副教授，MRECW Engg College，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