感应电机间接自控制技术研究

0 引言

上世纪70 年代德国学者提出的感应电机磁场定向矢量控制技术使交流电机变频调速技术产生了质的飞跃。它使交流电机具有类似直流电机的调速性能，加上感应电机本身结构上的优点，从而掀起了一场交流电气传动取代直流电气传动的浪潮。随后感应电机直接转矩控制技术(Direct Torque Control)[1][2] 自问世以来就以其清晰的物理概念，简单的控制结构和独特的磁链与转矩调节器以及良好的动态性能吸引众多的学者对其研究。直接转矩控制技术已经成功应用在欧洲1 000多台机车与地铁车辆的变频传动系统和瑞士ABB

公司的ACS600 系列标准变频器上，实践表明采用DTC 技术可以更加快速、灵活的控制交流电动机，并可以实现多样化的新控制功能。经过几十年的发展，直接转矩控制技术的具体形式呈现出多样化，有学者引入磁场定向技术、引入滑模控制技术、模糊控制技术以及神经网络控制技术等[3~6]，分别针对电压空间矢量的选择以及传统直接转矩控制技术中存在的较大转矩脉动进行研究。文献[6]针对在传统直接转矩控制系统中，根据电机的运行状态，估算出电压空间矢量作用的占空比，从而可以改善低速时的转矩脉动。文献[7~11]等针对适用于大功率电力牵引应用场合中的一种称之为间接自控制的技术(也有称为间接定子参量控制或者间接转矩控制)进行了研究，与传统直接转矩控制技术相比，它可以控制逆变器开关频率稳定在较低值的情况下，对转矩进行高性能的控制，并能有效地减小转矩的脉动。

1 间接自控制技术(Indirect Self Control)

1.1 ISC的技术背景

三相交流感应电机转矩公式采用定子磁链与转子磁链可以描述为[11]

的运算，以确定新的定子电压矢量。

如果能够采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，那么就可以对定子磁链在一个PWM 周期Ts内的运动轨迹进行良好的控制：在动态过程中，可以在电压型逆变器本身输出能力的限制下，控制定子磁链矢量相角以最快的速度变化，从而加快电机转矩的响应速度;在稳态时，采用SVPWM技术控制定子磁链矢量相角并将兹sr 稳定在某一个值上，从而可以减小转矩的脉动。尤其是当感应电机运行于低速时，转矩波动就会显著减小，因而性能有较大的提高[11]。

1.2 ISC技术的原理

从在前面的分析中可看出，针对定子磁链幅值与电机转矩的双闭环控制的直接转矩控制系统可以转换为针对定子磁链幅值及其相角进行双闭环的控制系统，也即是针对定子磁链矢量进行闭环控制的系统，这就是间接自控制技术的出发点。

图1 给出了本文研究的一种实用的间接定子自控制技术原理框图。图中控制系统的核心单元是定子电压矢量计算单元，它根据转矩闭环控制单元输出定子磁链矢量的相角增量K3 与定子磁链幅值调节单元输出的定子磁链幅值增量K2，以及检测到的定子电流计算出定子电压矢量的给定值。PWM单元根据定子电压矢量给定值与直流回路电压计算得到电压型逆变器的开关信号Sa、Sb、Sc。控制系统中所需要的定子磁链、转子磁链以及电机转矩是通过图中的电机观测模型计算得到的。下面针对ISC 控制系统中的关键模块进行详细分析。

1.3 各部分模块的工作原理

1.3.1 电机转矩的闭环控制

电机转矩的闭环控制是通过对定子磁链矢量的相位调节实现的，如图2 所示。由参考文献[10]知道，电机的转矩在转子磁链同步旋转坐标系中可以表示为

1.3.2 定子磁链幅值调节单元

在磁链幅值处于变化过程中时，就需要进行磁链幅值的调节，这时引入控制量K2。

K2表示下一时刻定子磁链幅值的目标值与当前时刻定子磁链幅值之间的差值。当处于稳态时K2=0，表示不需要对定子磁链的幅值进行调节。

1.3.3 定子电压矢量的计算单元

定子电压矢量计算示意如图3 所示。

定子电压矢量计算单元是ISC控制系统的核心模块，它用来计算下一个PWM周期内应施加在电机定子端的电压矢量。图中以定子磁链矢量逆

2 感应电机间接自控制变频调速系统的仿真研究

2.1 系统参数与运行指令的设定

下面采用著名的仿真软件Matlab 对一台交流异步电机进行仿真分析，电机的额定功率是190 kW，定子一相电阻为0.024 赘，转子一相电阻为0.013 75 赘，定转子互感为8.05 mH，定子自感为8.35 mH，转子自感为8.51 mH，直流回路电压为750 V。牵引系统的速度指令在0.5 s臆t约2 s时为500 r/min，在2 s臆t约3 s 时为1 000 r/min，在3 s臆t时为100 r/min。

2.2 系统关键单元的设定

2.2.1 定子电流的限幅

与传统直接转矩控制技术类似，间接自控制技术中也没有直接对定子电流进行控制，但是可以通过以下几点来避免出现较大的冲击电流：

1)在定子磁链的建立过程中，对定子磁链建立的速度进行限制，这样可以避免出现较大的激磁电流;

2)在给定阶跃转矩指令的情况下，系统可能会出现较大的转差角频率给定值从而产生冲击电流，为此需要进行限幅，这里设置为依15 rad/s;

3)在图3中出现的定子磁链矢量幅角增量K3，当出现转矩阶跃指令时，也会较大，这里限幅

为依0.8 rad。[!--empirenews.page--]

2.2.2 PI调节器的参数设定

系统PI 调节器针对电机的转矩进行控制，一方面希望得到快速的转矩动态响应，另一方面又希望稳态性能较好，所以调节器参数的选取需要进行权衡。本文采用了变参数PI 调节器，参数选取如图4 所示。图中的比例积分系数分别以0.04和2 进行了归一化处理。可以看出当电机的转矩响应处于过渡过程时，比例积分系数较大，使调节器输出较大的给定值，从而加速系统的响应过程，积分系数较大可以使稳态时积分器能够输出较大的给定值;当转矩处于稳态时，比例系数较小，给定值不会过大以免产生振荡，同时积分系数也较小，能够产生比较稳定的给定值。

2.2.3 逆变器的控制方法与开关频率的设定

变频调速系统中的电压型逆变器采用SVPWM调制技术实现脉宽调制的功能[12][13]，具体算法采用文献[13]的方法，在三相正弦调制波中加入一个三倍频的电压分量，然后按照常规的SPWM 算法确定门极开关信号，该算法较为简单。逆变器开关频率的设定值如图5 所示，在25 Hz 以下时为异步调制，开关频率稳定在1 kHz;在25耀40 Hz 时是载波比为27 的同步调制区域，开关频率变化范围在675耀1 080 Hz;在50 Hz 时是载波比为21的同步调制区域，相应的开关频率变化范围在840耀1 050 Hz;在50 Hz 以上时进入方波运行区。

这样的开关频率设定与大功率牵引领域应用场合相符合。

2.3 系统仿真波形图

这里采用速度闭环调节器针对感应电机的速度进行调节。图6 给出了感应电机转矩与转速波形图，可以看出转矩响应是比较快的。值得注意的是在100 r/min 低速时，逆变器工作在开关频率1 kHz 下，转矩的波动仍然很小，传统DTC 技术很难实现这一点[11]。

图7 给出了电机定子磁链矢量相角增量K3的波形图。可以看出，在对应于每一次电机转矩发生较大变化的时候，K3都相应有短暂的剧烈变化，这样就可以迅速改变公式(1)中的角度兹sr，从而产生期望的转矩响应。在低速的时候，电机的转速只有100 r/min，但是采用空间矢量脉宽调制技术可以使得定子磁链矢量在1 ms 的PWM周期内产生图7中的较小的角度增量，所以转矩脉动较小。

图8 给出了对应图6 和图7 的电机的A 相电流波形，图中的电流按照额定电流进行了归一化处理。可以看出低速时[图8(a)、(b)]电流波形正弦度较好，因为此时的调制比较大;高速时，由于开关频率受到限制，调制比较小，电流的谐波会增加一些，如图8(c)所示。

3 结语

本文研究了一种实用的间接自控制方案，它与直接转矩控制技术的原理相类似，但控制系统的结构有些区别。通过PI线性调节器针对定子磁链幅值与电机转矩分别进行闭环控制，并得到定子电压矢量的给定值，然后采用较为成熟的空间矢量脉宽调制技术控制电压型逆变器。通过仿真结果可以看出间接自控制技术在较低的开关频率下，具有类似直接转矩控制技术中转矩的快速响应，尤其是在低速区性能较传统DTC 好，是一种在大功率牵引领域中实用的感应电机控制技术。