改進直流電壓源供電方式的直接轉矩控制仿真

　　【論文摘要】本文設計了一種電壓可調的直流電源，把它應用于直接轉矩控制仿真研究中。通過直流電源電壓的變化，可以方便地調節定子磁鏈的旋轉速度。據此設計的模糊速度控制器可以極大地簡化系統設計和計算。仿真結果顯示，系統響應速度快，魯棒性好，調速范圍寬。

　　1引言

　　直接轉矩控制是一種高性能的交流調速技術，它直接在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，控制電動機的轉矩和定子磁鏈，簡化了交流調速系統的結構。但是直接轉矩控制逆變器直流側電壓不可調節，因而極大地限制了直接轉矩控制的靈活性。同時，太多的零電壓矢量容易引起定子磁鏈的畸變，導致定子磁鏈的估算復雜。本文針對這種情況設計了一種新型的可調直流電壓源，從而使得直接轉矩控制更加靈活，定子磁鏈估算更簡單。

　　本文立足于直接轉矩控制，通過改善逆變器直流電源增強其靈活性，通過設計模糊控制器調節系統速度，使系統結構簡單，速度響應快，魯棒性好，抗干擾能力強，調速范圍廣。

　　2改進的電源設計方案

　　在直接轉矩控制過程中，我們不能得到電壓幅值可變的直流電壓，這一點極大地限制了直接轉矩控制的靈活性。本文中，我們通過下圖所示的電壓可變的直流電源，基本上彌補了直接轉矩控制的這一缺點。其主電路圖如圖2—1。顯而易見，VT1～VT4分別負責斷通電壓為E、2E、3E、4E的直流電壓源。可以看出，如果我們用4位二進制數字表示4個電力元件的開關控制信號，并且第0～3位分別控制電力開關元件VT1～VT4，則當控制信號的十進制碼為N時，直流電壓源的輸出電壓為N*E。只要我們適當控制功率開關元件VT1、VT2、VT3、VT4，在逆變器的直流輸入端電壓就可以是最小直流電壓單元E的整數倍，這個整數大小在0～15之間。這樣一來就可以極大地改善直接轉矩控制的靈活性。

　　3設計方案

　　系統結構如圖3—1，其基本思路是：首先假設定子磁鏈幅值為額定值，則可以根據給定轉速確定直流電壓源的供電電壓；然后根據定子磁鏈的電壓——電流模型計算定子磁鏈的.空間位置，確定開關組的狀態是否發生改變；最后根據速度誤差、加速度確定在對應的電壓空間矢量上是施加工作電壓還是施加零電壓。

　　在10%以上額定轉速，特別是30%以上額定轉速時，定子電壓——電流模型能夠比較精確地確定定子磁鏈［1］。圖2—1中直流電壓源的調整范圍為15∶1，我們不難估算出系統定子磁鏈恒定情況下的調速范圍為50∶1到150∶1之間。特別提醒的是，這里的調速范圍是指額定轉速向下調速的調速范圍，如果進行弱磁調速，調速范圍將寬廣得多。

　　系統的最主要特點是結構簡單，計算量小，在直接轉矩控制系統中，沒有獨立的轉矩控制環節。其實，轉矩控制包含在加速度環節中。我們對速度進行微分，得到加速度，就是考慮的轉矩控制問題。

　　4模糊控制器設計

　　對以上所述加以總結，可以設計出圖4—1的模糊控制器，圖4—1中Ψμg表示施密特觸發器定子磁鏈閾值，U為直流電壓源電壓，S是逆變器開關狀態。

　　4.1直流電源電壓選擇

　　根據定子電壓與定子磁鏈的關系式

　　數)，頻率f對應周期T。一個方波周期內是分成6個階段的，在每一個階段，定子電壓都是一個常數，所以正六邊形磁鏈的一條邊長可以寫成

　　4.2逆變器開關狀態確定

　　逆變器開關狀態由定子電壓空間矢量的位置確定，請參看參考文獻［1］。本文給出了逆變器輸出電壓選擇的模糊控制規則表如下：

　　5仿真結果

　　異步電機參數：p＝15kW，J＝0.076kgm2，Ls＝1.39mH，Lr＝0.79mH，Lm＝18.9mH，pm＝2，rs＝0.081Ω，rr＝0.055Ω時，下圖給出了速度仿真曲線。圖5—1是給定轉速200r／min，穩定后突然增加負載的響應曲線。圖5—2是給定轉速發生改變的響應曲線。從圖中可以看出，系統響應速度快，抗干擾能力強。

　　6總結

　　采用可調壓直流電源供電后，可以在全調速過程中采用定子電壓——電流模型確定定子磁鏈，因而系統結構簡單，計算速度快，速度響應快，魯棒性好，抗干擾能力強，調速范圍廣。但是直流電壓源中的串聯功率元件會增加系統功率損耗和復雜程度，卻是一個弱點。

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