基于调节电压空间矢量占空比的改进方案优化

观察式13-17、13-18、13-19看出，转矩增量前两部分都为负，仅有ΔT_e3可以为正。如果能够连续改变定子电压矢量的幅值，那么就可以对ΔT_e3进行期望的控制。不仅能够满足在暂态时较大转矩的需求，还可以在稳态时保持较小的转矩脉动，新方案的系统框图见图13-13。

图13-13 基于占空比调节的交流电机直接转矩控制系统框图

图示系统框图与CDTC方案相比，少了转矩的滞环调节器，同时多一个占空比δ的调节单元。电动机模型单元求解出电动机定子磁链、电动机转矩、定子磁链所处扇区信号ST。磁链滞环调节器输出ΨQ以提供定子磁链幅值的控制目标，用以对其进行滞环控制。采用ΨQ与ST通过电压空间矢量表13-6查询出对定子磁链幅值进行闭环调节的电压矢量。占空比单元用以对转矩进行闭环控制，它根据电动机的速度、转矩的误差量以及定子磁链幅值的误差量来确定在一个T_s周期内电压矢量作用的时间份额（即占空比）。这种控制系统的显著特点是：

1）占空比连续可调，因此该方案包含了13.4.1方案中小幅值电压矢量；

2）在T_s较大的情况下，仍然可以对交流电动机的转矩进行有效的控制。

表13-6 定子电压矢量选择表

图13-13系统的关键环节是占空比的计算单元，该单元需要考虑以下几个因素：

1）考虑到交流电动机定子磁链幅值保持不变时，定子电压近似与电动机转速ω成正比，由此可以得到δ的主体部分：δ₁=k₁+ω/ω₀。式中的ω₀为电动机的基频，k₁是用来对δ进行适当提升的分量，另外还需对δ₁进行限幅，δ₁的上限幅为1，下限幅为0。

2）为加速定子磁链的过渡过程，引入δ₂=k₂·Δψ₁。Δψ₁是定子磁链幅值给定与其实际值的差值。δ₂的上限幅为1，下限幅为0。

3）为加快电磁转矩在暂态过程中的响应速度，特别引入δ₃=k₃·ΔT_e。ΔT_e是转矩给定值与实际值的差值。

控制系统计算的电压矢量占空比为δ=δ₁+δ₂+δ₃，且上限幅设置为1，下限幅设置为0。δ₁是系统工作在稳态时的占空比主要部分，δ₂与δ₃分别在磁场与转矩的暂态过渡过程中起主要作用，通过对它们的调试可以保证系统有较好的暂态性能。

图13-14是T_s=50μs时占空比调节新方案与CDTC方案的仿真结果。后者方案中设置转矩调节器滞环宽度为5N·m，但从图13-14b可以看出，CDTC中电动机转矩的实际波动比设定的滞环宽度要大一些。从图13-14a可以看出，虽然前者没有设置转矩的滞环调节，但是仍然能够对其进行很好的控制；由于占空比调节的自由度较大，所以电动机转矩的波动较图13-14b有所减小。尤为重要的是，根据前述占空比计算算法，即便是在转矩指令发生较大变化时，电动机转矩的响应仍然足够快速，并不比图13-14b逊色。

图13-15给出了各占空比分量的波形，图13-15a中的δ₁与电动机转速波形相似，它们之间基本上是成正比例的，当电动机运行于稳态时，它构成了δ的主体部分，δ≈δ₁。图13-15b中的δ₂在定子磁链的建立过程中起了较大作用。它主要是为了加速定子磁链的暂态过渡过程，使磁链幅值更快地变化到指令值。当磁链幅值在给定值附近以后，δ₂就变的很小，基本不起作用了。图13-15c中的δ₃主要在转矩变化过程中起到加速转矩变化的作用，它的正/负分别与增加/减小电动机转矩相对应。正是由于它的存在，一方面可以大大缩短转矩的过渡过程；另一方面在稳态下当转矩较大地偏离给定值时，也能够将实际的电磁转矩重新纠正到给定值附近。图13-15d给出了电压矢量实际作用的占空比。从δ波形中可以看出低速下的占空比是比较小的。

对上面的占空比δ图形进行分析，可以看出——在对转矩进行良好控制的前提下，并不总是需要较大幅值的定子电压矢量，特别是低速情况下较小幅值的电压矢量完全可以满足电动机控制的需求。而传统直接转矩控制技术中总是采用幅值恒定不变的非零电压空间矢量，对运行于低速情况时的交流电动机造成了较大的冲击，所以电动机转矩的波动要大得多。

图13-14 T_s=50μs时不同控制方案的转矩波形(www.xing528.com)

a）新方案 b）CDTC

图13-15 占空比波形

此外，传统直接转矩控制技术中的T_s不能太大，否则定子磁链就会有明显的暂态过程出现，打破了其正常工作的机理。这里特意对较大T_s时基于占空比调节方案进行了仿真，结果如图13-16所示。

图13-16 T_s=500μs时占空比控制方案的转矩波形

图13-16中的波形是控制周期T_s扩大了10倍后电动机转矩的仿真结果。与图13-14相比，电动机转矩脉动有了明显的增加；但是转矩仍然可以得到较好地控制，所以该方案的优点是显而易见的。

从前述几种减小电动机转矩脉动的方案中，不难发现，电动机转矩脉动的改善往往是有代价的：①系统具有更加复杂的控制结构；②逆变器具有更高的开关频率。所以传统直接转矩控制方案中VSI的开关频率相对来说是比较低，但是会带来转矩、电流波动较大等不足，它们之间是有因果关系的。

直接转矩控制技术具有简单的控制结构、优良的转矩响应，一直是研究的热点。下面给出了另外两种DTC方案。

（1）基于定子磁链幅值调节的电动机高效运行方案

根据电动机运行原理可以知道，电动机高效运行出现在电动机铜耗与铁耗近似相等时。在大负载下运行，电动机的定子磁链幅值通常保持在较高的水平；当电动机运行在轻载下，若依然保持较大磁链，那么电动机的运行效率就会降低。所以可以根据电动机负载情况来适当调节定子磁链的幅值。该方案的原理如图13-17所示。

图13-17 调节定子磁链幅值的直接转矩控制原理图

（2）基于电流闭环控制的直接转矩控制方案

PMSM的定子电流i_q分量控制电动机的转矩，i_d分量控制电动机的磁场，所以可以针对电动机的电流i_d与i_q实施砰砰控制，如图13-18所示，该方案也可以归为直接转矩控制的范围。

图13-18 基于定子电流闭环的直接转矩控制原理框图