1、基于SVPWM兩電平和三電平逆變器的感應電機直接轉矩控制仿真及分析M. Lakshmi Swarupa, G. Tulasi Ram Das and P.V. Raj Gopal副教授，MRECW Engg College，學術及規劃署署長BHEL研發年會摘要 在本篇論文中，對電動汽車中異步電機直接轉矩控制提出了新的方案，并且也提供了適合的轉矩控制的研究結果。電動汽車驅動裝置由繞線式感應電機和一個一個三電平IGBT逆變器組成。論文中所要研究的方案是磁場定向控制，直接轉矩控制（DTC），以及采用空間矢量調制的直接轉矩控制。論文中也提供了MatlabSimulink的仿真結果以及各個控制方案之間的

2、比較結果。經研究發現采用空間矢量調制的直接轉矩控制系統是最適合于這種應用。對于工業方面的應用，通常需要能夠變化的逆變器輸出電壓。這主要是針對：克服直流輸入電壓的變化。維護異步電機的V / F參數。補償逆變器的調節。在這里，空間矢量控制的多電平逆變器的電壓控制，在工業中具有非常重要的作用。本論文意在于獲得有關于空間矢量脈寬調制以及其擁有的諸多優點的知識，以及擁有對多電平逆變器操作方面的完整知識，然后將空間矢量的方法應用到脈寬調制中以控制多電平逆變器的輸出電壓。本論文介紹了高性能直接轉矩控制（DTC）在感性電機驅動裝置中的實現。 直接轉矩控制有兩個主要問題，即高轉矩脈動以及可變的開關頻率。直接轉矩

3、控制是一種將電機與逆變器嵌在一起的控制方式，并且以最優的方式來對它們進行控制。對直接轉矩控制的感應電機驅動裝置提出了恒定開關頻率、低轉矩和低磁鏈脈動的新型轉矩、磁鏈控制器。這些被提出的控制器的核心是基于對補償誤差信號與高頻率三角載波之間進行比較，從而不需要復雜的計算來產生逆變器的開關信號。該控制器采用模擬或者數字電路。論文中提供了對新型控制器的建模方式與仿真，結果表明，電磁轉矩和磁鏈的脈動得到了顯著地降低。為了解決這些問題，本論文中提出了一對轉矩和磁鏈控制器。所提出來的、應用于直接轉矩控制驅動裝置控制器在MATLAB/SIMULINK中得到仿真。接著對仿真結果進行校驗。索引詞：直接轉矩控制，兩

4、電平，三電平，空間矢量脈寬調制，仿真介紹由現代VFD變頻裝置實現的各種轉速控制技術主要可以分為以下三類：標量控制（V / F控制）矢量控制（間接轉矩控制）直接轉矩控制（DTC）標量控制在此類型的控制方式下，電機被饋以由逆變器中的PWM控制裝置使用功能豐富的的PIC微控制器產生的可變頻率信號。在這里，V / f比值保持恒定，以獲得在整個工作范圍內的恒定電磁轉矩。由于只有輸入變量的大小頻率和電壓被控制，所以這種方式就被稱為“標量控制”。通常來說，帶有這樣控制裝置的驅動器是沒有任何的反饋裝置（開環控制）。因此，這種類型的控制成本很低，并且易于實施。在這樣的控制方式下，對于頻率控制，我們需要非常少的電

5、機知識。因此，這種控制技術被廣泛使用。這種控制的一個缺點是產生的轉矩直接取決于負載，因為它不是直接被控制的。另外，由于逆變器預先定義的開關模式，這種控制的瞬態響應并不是很快。然而，如果轉子的轉動被阻礙了，這將導致電動機的發熱而電流控制閉環將失去控制作用。通過添加一個速度/位置傳感器，可以克服轉子的堵轉和由負載決定速度的問題。然而，這將增加系統的成本，尺寸以及復雜性。有許多方法來實現標量控制。廣受歡迎的方案將在下面的章節中被描述。矢量控制 這種控制也被稱為“磁場定向控制”，“磁鏈定向控制”或“間接轉矩控制”。使用磁場定向（克拉克-帕克變換），3相電流矢量從三相靜止參考坐標系轉換成兩相旋轉參考坐標

6、系（dq）。“d”軸的分量表示定子電流的勵磁分量和“q”軸的分量表示定子電流的轉矩分量。可以通過其各自的PI調節器來獨立地控制這兩個非耦合的定子電流分量。PI調節器的輸出通過克拉克-帕克反變換轉換為在三相靜止參考坐標系中。對應的開關模式是脈沖寬度調制，并且使用空間矢量的方式來得以實現。這種控制將異步電機模擬成一個直流電機模型，這樣子可以產生一個極好的轉矩轉速曲線。定子磁鏈，轉子磁鏈或者磁化磁鏈都需要從靜止參考坐標系中轉化到旋轉參考坐標系中。在一般情況下，存在著三種可能的選擇，因此，三種不同的矢量控制，它們是：定子磁鏈定向控制轉子磁鏈定向控制磁化磁鏈定向控制由于此種控制類型下的轉矩分量只有在轉化

7、完成后才能被控制，它并不是主要的輸入參考量，所以這樣的控制方式被稱為“非直接轉矩控制”。最終最具挑戰性的是，磁場定向的限制功能，這樣的方式是通過被測得的或者被估算的磁鏈角來達到。根據測量的方式，矢量控制可以被分為兩個亞類：直接的和間接的矢量控制。在直接矢量控制中，磁鏈的測量是由磁鏈的感應元件或者霍爾元件來達到。這會增加額外的硬件成本，而且，這種測量不具有高精確性。因此，這種方式不是一種好的控制技術。最常用的控制方式是間接矢量控制。在這種方式下，磁鏈角不是直接被測量，而是由等效的電路模型以及轉子轉速、定子電流、定子電壓估算得來的。一種常用的估算轉子磁鏈的技術是基于滑移關系。這需要去測量轉子的位置

8、以及定子電流。通過使用電流傳感器和位置傳感器，這種方式在全速范圍內展現出相當好的性能。目前在應用于實際工況中的具有最高性能的VFD變頻裝置，正是采用了基于滑動關系的間接磁鏈定向。這種方式的主要缺點就是需要通過在轉軸上安裝編碼器來獲得轉子的位置信息。這就意味著額外接線以及器件的費用。這也會增加電機的尺寸。當驅動裝置與電機離得很遠時，這樣的額外接線就會遇到挑戰。為了克服傳感器以及編碼器的問題，如今主要的研究焦點是在于無傳感器應用領域。矢量控制的優點是在于轉矩的響應比標量控制的要來得好、滿載轉矩接近于零轉速、精確的轉速控制、接近于直流電機的性能，等等。但是這需要用到復雜的算法來實時地計算出轉速。由于

9、使用了反饋裝置，這種控制方式的成本要比標量控制來得貴。直接轉矩控制（DTC）傳統的矢量控制與直接轉矩控制之間的區別是在于直接轉矩控制沒有固定的開關轉換方案。直接轉矩控制根據負載的需要來轉換逆變器的狀態。由于消除了固定的開關轉換方式（矢量和標量控制的特性），直接轉矩控制系統對于實時的負載變化的響應是十分迅速的。雖然這種復雜技術的轉速精度可以確保達到0.5%，但是它卻不需要使用到任何的反饋設備。這項技術的核心是在于它的自適應電機模型。這個模型是在基本電機理論的數學模型基礎上建立的。這個模型需要很多的電機參數，例如定子電阻，互感，飽和程度等等。這種算法從一開始在電機轉動之前就可以從電機中捕獲到這些細

10、節。但是旋轉電機幾秒鐘可以幫助此模型的調諧。調諧越好的話，轉速和轉矩控制的精度也越高。將直流母線電壓，線電流，以及當前的開關位置作為輸入，這個模型可以實時地計算電機的磁鏈以及轉矩。這些值被分別輸入到轉矩和磁鏈的兩電平比較器。這些比較器的輸出就是轉矩和磁鏈的參考信號，對應于最優開關選擇表。被選定的開關轉換信號直接施加于逆變器，而不需要經過任何的調制，這樣就意味著可以有更快的響應時間。外部轉速給定的參考信號被用以產生轉矩以及磁鏈的參考值。因此，在直接轉矩控制中，電機的轉矩和磁鏈是直接控制的變量，因此被命名為“直接轉矩控制”。這種控制技術的優點是具有最快的響應時間，消除反饋設備，減少機械故障，性能幾

11、乎與沒有用到反饋的直流電機相同，等等。這種方式的缺點主要是比較器的固有的遲滯特性、較高的轉矩和磁通脈動。由于開關轉換不是在一個非常高的頻率下完成的，這樣就導致了低次諧波的增加。人們認為，通過使用人工智能模型而不是基于數學方程模型可以實現直接轉矩控制。這可以幫助模型更好地進行調諧，并且能夠降低對電機參數的依賴程度。直接轉矩控制系統的簡介在過去，交流調速裝置只應用于要求不高的工況下，不論交流電機相比直流電機所具有的優點，由于高開關轉換頻率逆變器具有相當的競爭力。憑借在電力電子領域方面的發展以及使用快速微處理器和DSP的矢量控制方法的出現，使得感性電機在傳統直流電機所主導的領域中的應用成為可能，由于

12、產生轉矩和磁鏈的電流分量是解耦的，可以分別實現與他勵直流電機相類似的系統功能直接轉矩控制方法（DTC），由德國和日本的研究人員所發現 8 ， 3，可以分別地、直接地對電磁轉矩和磁鏈進行控制，選擇最佳的開關矢量，可以獲得快速的轉矩響應，降低逆變器的開關頻率以及降低諧波損耗。直接轉矩控制系統的模塊框圖如圖1所示。通過應用直接轉矩控制方式，使獲得直接的磁鏈和電磁轉矩控制、間接的電壓和電流控制、正弦電流和正弦磁通、低轉矩脈動、優異的轉矩動態性能以及取決于逆變器開關頻率的遲滯環5， 2變得可能。 圖1 直接轉矩控制系統的模塊結構框圖其主要的有點是在于不需要進行復雜的坐標變換（這在大多數的矢量控制調速系統

13、中通常是需要的）、特定的調制模塊、以及絕對位置的確定。然而，在啟動以及低轉速的時候存在著一些問題，比如啟動時電流的控制、電機的影響以及需要用到磁鏈和轉矩的估算器。將速度估算器加入到此系統中，它能夠獲得增益，使硬件的復雜程度降低，使機械耐久性增大，使得在惡劣環境中的操作成為可能，并且降低了維護需求。同時對噪聲和電機負載慣量的抵抗能力增加了。在本文中，介紹了仿真和實驗工作，這與異步電機直接轉矩控制、兩電平和三電平逆變器在轉矩和轉速模式中的實現相關。直接轉矩控制系統的工作原理 在原理上，直接轉矩控制方式選擇6個電壓空間矢量其中的一個和兩個零電壓矢量來使定子磁鏈和轉矩在一定的滯環寬度下動態地保持其所需

14、要的磁鏈和轉矩幅值。由感應電機所產生的電磁轉矩可由公式4來表達，其中表達了所產生的電磁轉矩直接取決于定子磁鏈幅值，轉子磁鏈幅值以及定子與轉子磁鏈矢量之間的相位角。感應電機定子方程由式5所示：如果定子電阻可以被忽略且在一個很短的時間內，此方程可以被近似為公式（6），如下：這就意味著如圖（2a）所示施加的電壓矢量直接決定了如圖（2b）所示的定子磁鏈矢量的變化。如果所施加的電壓矢量改變了定子磁鏈，從而增加了定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量之間的相位角，那么產生的電磁轉矩就會增加。 圖（2a）轉矩對應于磁鏈位置的改變 圖（2b）直接轉矩控制（兩電平）由于兩電平逆變器只能夠產生6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量

15、，所以能夠建立一個表格，此表格基于定子磁鏈所在的位置以及所需要的定子磁鏈幅值和轉矩的變化，以此可以確定該施加何種電壓矢量。這就是所謂的最優矢量選擇表，如表1所示，對應于兩電平逆變器。也可以擴大最優矢量選擇表，以此來包括三電平逆變器所產生的數量較多的電壓矢量。表1：最優矢量選擇表（2電平）定子磁鏈矢量的幅值可以通過定子電壓方程如式（5）來進行估算，如式（7）所示，如圖3所示，估算出來的定子磁鏈幅值和轉矩輸出值與所需要的值來進行比較。隨后選擇合適的電壓矢量來使得電磁轉矩與磁鏈的幅值趨近于給定值。圖3 直接轉矩控制系統結構框圖基于空間矢量調制的直接轉矩控制系統基于瞬時電流和電壓的測量，這使實時計算電

16、壓矢量在一個固定的時間周期內驅動輸出轉矩和定子磁鏈使其趨近于所需要的值成為可能。這個計算出來的電壓隨后通過空間矢量調制來合成。所施加的電壓和電機電流可以被用來估算瞬時的定子磁鏈和輸出轉矩。從這些中，輸出轉矩和定子磁鏈所需要的變化值以此來達到給定值，這在電流開關周期的末尾階段可以被計算出來。公式（8）表明了對應于定子電流的改變，轉矩所發生的變化。達到那樣的定子電流變化所需要的電壓V，當知道了電機的反電動勢之后可以被計算出來。反電動勢可以由定子磁鏈和電流來計算出來。比較人們發展出直接轉矩控制系統以此來替代已經被使用許多年的FOC系統。直接轉矩控制系統有優點，比如不需要轉速和位置編碼器，只需用到電壓

17、和電流的測量裝置。由于沒有使用到PI調節器，它具有更快的動態響應。直接轉矩控制的一個缺點就是其相對較高的電流畸變和轉矩脈動。基于SVM的DTC是一種不同的方式，它包括對所需要的電壓進行直接預測性的計算，并施加于感應電機來改變定子磁鏈和轉矩的幅值以此來達到所需要的給定值。它結合了直接轉矩控制方案的最佳性能，例如迅速的轉矩響應、無固定開關頻率。基于SVM的DTC方案被選為該電動汽車所應用的轉矩控制方案。從上面的討論中，所有的控制方案的優點和缺點可以被總結如下：直接轉矩控制優點（1） 快速動態響應（2） 比較簡單（3） 不需要轉速和位置編碼器缺點（1） 高電流畸變（2） 高轉矩脈動（3） 開關頻率隨著電機轉速的變化而變化基于空間矢量調制的直接轉矩控制優點（1） 與直接轉矩控制系統等效的快速動態響應（2） 與FOC相似的低穩態轉矩脈動和電流畸變（3） 恒定的開關頻率（4） 不像FOC那樣