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改进直流电压源供电方式的直接转矩控制仿真

【论文摘要】本文设计了一种电压可调的直流电源，把它应用于直接转矩控制仿真研究中。通过直流电源电压的变化，可以方便地调节定子磁链的旋转速度。据此设计的模糊速度控制器可以极大地简化系统设计和计算。仿真结果显示，系统响应速度快，鲁棒性好，调速范围宽。

1引言

直接转矩控制是一种高性能的交流调速技术，它直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电动机的转矩和定子磁链，简化了交流调速系统的结构。但是直接转矩控制逆变器直流侧电压不可调节，因而极大地限制了直接转矩控制的灵活性。同时，太多的零电压矢量容易引起定子磁链的畸变，导致定子磁链的估算复杂。本文针对这种情况设计了一种新型的可调直流电压源，从而使得直接转矩控制更加灵活，定子磁链估算更简单。

本文立足于直接转矩控制，通过改善逆变器直流电源增强其灵活性，通过设计模糊控制器调节系统速度，使系统结构简单，速度响应快，鲁棒性好，抗干扰能力强，调速范围广。

2改进的电源设计方案

在直接转矩控制过程中，我们不能得到电压幅值可变的直流电压，这一点极大地限制了直接转矩控制的灵活性。本文中，我们通过下图所示的电压可变的直流电源，基本上弥补了直接转矩控制的这一缺点。其主电路图如图2—1。显而易见，VT1～VT4分别负责断通电压为E、2E、3E、4E的直流电压源。可以看出，如果我们用4位二进制数字表示4个电力元件的开关控制信号，并且第0～3位分别控制电力开关元件VT1～VT4，则当控制信号的十进制码为N时，直流电压源的输出电压为N*E。只要我们适当控制功率开关元件VT1、VT2、VT3、VT4，在逆变器的直流输入端电压就可以是最小直流电压单元E的整数倍，这个整数大小在0～15之间。这样一来就可以极大地改善直接转矩控制的灵活性。

3设计方案

系统结构如图3—1，其基本思路是：首先假设定子磁链幅值为额定值，则可以根据给定转速确定直流电压源的供电电压；然后根据定子磁链的电压——电流模型计算定子磁链的空间位置，确定开关组的状态是否发生改变；最后根据速度误差、加速度确定在对应的电压空间矢量上是施加工作电压还是施加零电压。

在10%以上额定转速，特别是30%以上额定转速时，定子电压——电流模型能够比较精确地确定定子磁链［1］。图2—1中直流电压源的调整范围为15∶1，我们不难估算出系统定子磁链恒定情况下的调速范围为50∶1到150∶1之间。特别提醒的是，这里的调速范围是指额定转速向下调速的调速范围，如果进行弱磁调速，调速范围将宽广得多。

系统的最主要特点是结构简单，计算量小，在直接转矩控制系统中，没有独立的转矩控制环节。其实，转矩控制包含在加速度环节中。我们对速度进行微分，得到加速度，就是考虑的转矩控制问题。

4模糊控制器设计

对以上所述加以总结，可以设计出图4—1的模糊控制器，图4—1中Ψμg表示施密特触发器定子磁链阈值，U为直流电压源电压，S是逆变器开关状态。

4.1直流电源电压选择

根据定子电压与定子磁链的关系式

数)，频率f对应周期T。一个方波周期内是分成6个阶段的，在每一个阶段，定子电压都是一个常数，所以正六边形磁链的一条边长可以写成

4.2逆变器开关状态确定

逆变器开关状态由定子电压空间矢量的位置确定，请参看参考文献［1］。本文给出了逆变器输出电压选择的模糊控制规则表如下：

5仿真结果

异步电机参数：p＝15kW，J＝0.076kgm2，Ls＝1.39mH，Lr＝0.79mH，Lm＝18.9mH，pm＝2，rs＝0.081Ω，rr＝0.055Ω时，下图给出了速度仿真曲线。图5—1是给定转速200r／min，稳定后突然增加负载的响应曲线。图5—2是给定转速发生改变的响应曲线。从图中可以看出，系统响应速度快，抗干扰能力强。

6总结

采用可调压直流电源供电后，可以在全调速过程中采用定子电压——电流模型确定定子磁链，因而系统结构简单，计算速度快，速度响应快，鲁棒性好，抗干扰能力强，调速范围广。但是直流电压源中的串联功率元件会增加系统功率损耗和复杂程度，却是一个弱点。

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