本文針對異步電動機直接轉矩控制的特點，提出了磁鏈優先的限流啟動方案；在Matlab的仿真研究表明，這種啟動的方式可以獲得滿意的動態性能。 1 引言 直接轉矩控制（下文簡稱DTC）是繼矢量控制之后交流調速領域的又一新方法，其核心是轉矩和磁鏈的“直接自控制”。DTC系統直接將電機的瞬時轉矩作為狀態變量進行反饋調節，同時兼顧磁鏈幅值的閉環控制，將轉矩和磁鏈保持在一定的容差范圍內，對逆變器采用空間矢量PWM策略，直接由控制信號得到逆變器的開關狀態。 DTC系統的動態性能優越，轉矩響應迅速，電機的啟動過程是顯示其動態性能的重要方面，本文將對DTC系統電機的啟動方法做一些討論，并通過Matlab進行仿真。 2 控制原理 定子坐標系下（Park變換）電機的轉矩方程： （1） 式中： Te-電機電磁轉矩 Pn-極對數，為常數 Ψs、Ψr-定子、轉子磁鏈矢量 Lσ-電感折算值，為常數 θ-定子、轉子磁鏈矢量的夾角，如圖1 式（1）中Ψs的幅值在基頻以下應該保持不變，Ψr的幅值由負載決定，所以一定的負載條件下轉矩Te的大小由θ所決定，θ的大小由定子磁鏈Ψs旋轉來控制，如圖1。 在定子坐標下，忽略定子電阻的影響，定子磁鏈矢量Ψs和定子電壓矢量us的關系為： （2） 由（2）式知Ψs是沿著us的方向移動，選擇us就可以控制Ψs運動軌跡。 根據Bang-Bang控制理論，約定控制信號Ts、Fs和磁鏈、轉矩的狀態滿足如下的關系：Te-Tf＞ΔT時Ts=0，減少Te，Te-Tf＜-ΔT時Ts=1 ，增加Te；Ψs-Ψf＞ΔΨ時Fs=0，減少 ，Ψs-Ψf＜-ΔΨ時Fs=1，增加 。Tf、Ψf是轉矩、定子磁鏈的給定值，ΔT、ΔΨ是轉矩、定子磁鏈給定容差。 us有8個狀態矢量，空間位置如圖1，對應逆變器狀態如表1；把Ψs運行的空間平均分成6個部分θi （i=1……6），如圖2。根據參考，每個θi磁鏈區域內所施加的電壓矢量和狀態值Ts、Fs的關系如表2所示（不考慮反轉）。 3 啟動方法 結合DTC系統的特點，本文提出一種磁鏈優先的限流啟動方案。 3.1 磁鏈優先 由式（1）可知，轉矩Te是的函數，電機啟動時，磁場尚未建立，要獲得快的動態響應必須先盡快使定子磁鏈達到給定值。具體方法是給電機施具體方法是給電機施加一個恒定的電壓矢量ui，由式（2）可知定子磁鏈就沿著該電壓矢量ui的方向以最快的速率增加，直到其幅值達到給定值。這個過程是一個開環過程相當于通直流電，轉矩Te為0。 定子磁鏈達到給定值后，啟動過程轉入閉環控制，檢測轉矩和定子磁鏈的狀態，按照表2所給出的組合來確定電壓矢量的選擇，保持定子磁鏈運行的軌跡為圓形，迅速提升轉矩。這個過程雖然是啟動過程，但其控制方法和穩態運行時的控制方法是一樣的。 圖1 圖2 表1 表2 圖3 3.2 限流啟動 防止啟動時出現過大的沖擊電流是系統安全運行的必然要求。而且在直接轉矩控制系統中，電流過大有可能導致控制的失敗，以下作簡要推導。定子坐標系下電機特性方程為： us=Rsis+PΨs （3） 0=Rrir+PΨr -jωΨr （4） Ψs =Lsis+Lmir （5） Ψr =Lmis+Lrir （6） （7） Te=1.5PnLb（Ψqsidr-Ψdsiqr） （8） Te=1.5PnLc（Ψdriqs-Ψqrids） （9） 式中： Rs、is、Ls-定子電阻、電流、電感 Rr、ir、Lr-轉子電阻、電流、電感 Lm-定子轉子的互感 P-微分算子 ω-轉子轉速 d、q-表示各矢量在定子坐標系中的坐標軸的分量 對（7）式求導，并把其余各式代入可以得到： （10） 式中： 由（4）和（5）式可以得到 （11） 式（10）中Ψs、Ψr、Te、ω都不可能突變，us是引起轉矩迅速響應的原因，由（10）式可知轉矩的響應受到Ψr和us相互位置的影響， 但在實際控制系統中是對Ψs進行控制的，是根據Ψs的位置來確定所要施加的電壓矢量us，所以Ψr和Ψs相位差不能過大，否則會造成控制的失敗。由（11）式可以看出，要控制Ψr和Ψs之間相位差就得限制定子電流is。 在轉矩和磁鏈直接控制的基礎上，引入電流的直接控制來限制啟動電流。設ist為啟動電流，istf為啟動電流的上限給定值，Δist為啟動電流的容差容差，當ist-istf＞Δist時，認為啟動電流過大，這時給系統施加零電壓矢量，當ist-istf＜-Δist時，認為啟動電流正常，這時按照轉矩和定子磁鏈的狀態選擇所施加的電壓矢量。從仿真試驗可以看出，在這種電流的控制策略下，系統有一段類似恒流啟動的過程，這樣在保證控制系統正常的前提下最大的加快了響應速度。 圖4.1 d軸定子電流 圖4.2 q軸定子電流 圖4.3 轉矩響應 圖4.4 轉矩給定 圖4.5 磁鏈建立過程 圖4.6 速度響應 3.3 仿真實驗 3.3.1仿真模型的建立 仿真環境為Matlab5.3，仿真中的電機模型用S-函數調用S-Function模塊實現，控制算法用M函數調用MATLAB Fcn模塊實現，其它模型直接調用系統模塊。仿真結構如圖3，模塊motor是電機模型，模塊flux1和flux2完成磁鏈觀測和磁鏈空間位置確定，模塊current完成電流檢測，模塊inverter綜合磁鏈控制信號、轉矩控制信號、電流控制信號以及磁鏈幅值和空間位置信號來選擇電壓矢量。 3.3.2仿真結果 電機參數：PN＝15KW 、UN＝380V、IN＝45.5A、Lm＝0.0199H、Ls＝0.02129H、Lr＝0.02069H、Rs＝0.081Ω、Rr＝0.055Ω、Pn＝2。 圖5.1 磁鏈建立過程 圖5.2 磁鏈軌跡 圖5.3 d軸定子電流 圖5.4 q軸定子電流 圖5.5 轉矩響應 圖5.6 轉矩給定值 圖5.7 速度響應 仿真中磁鏈給定Ψf＝0.95Wb，啟動電流給定istf＝230A，啟動帶載為TL＝50nm，速度給定為nf＝1000r/m（轉/分），速度PI調節器輸出限幅為200nm，逆變器直流輸入為600V，選定電壓矢量u4（100）為建立定子磁鏈的電壓矢量。 作為對比，我們先給出不具有限流環節時的仿真曲線，如圖4.1－4.6。圖4.1和圖4.6啟動電流的幅值接近500A，是額定電流的10倍多；圖4.3表明轉矩響應很不理想，未能緊密跟隨轉矩給定值（如圖4.4，轉矩給定值是速度PI調節器的輸出），原因主要是啟動電流過大，使得定子磁鏈Ψs和轉子磁鏈Ψr的相位差過大，造成控制的失敗。 圖5.1－圖5.7是采用磁鏈優先的限流啟動仿真結果。圖5.1表明定子磁鏈達到給定值需約40ms；圖5.3和圖5.4的電流曲線表明建立磁鏈的過程中定子電流保持在230A左右，具有恒流啟動的效果；圖5.5的轉矩響應曲線和圖5.6的轉矩給定值曲線表明輸出轉矩很緊密的跟隨了轉矩給定值，系統以設定的最大轉矩值200nm啟動，加速度達到最大，響應過程最快；速度達到給定后，輸出轉矩緊隨轉矩給定值下降到負載值，系統的加速度降為0，速度不再變化，系統無超調。圖5.7的速度響應曲線表明在50nm的啟動負載下，速度達到給定值約需100ms，比較圖5.2和圖5.7可知在相同的給定下，后者速度響應更快。 4 結論 磁鏈優先的限流啟動方法完全體現了直接轉矩控制的優點，啟動轉矩可達到最大給定值，速度響應快，理論上可做到無超調，啟動電流可控，是一種理想的啟動方式。