本文針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)，提出了磁鏈優(yōu)先的限流啟動(dòng)方案；在Matlab的仿真研究表明，這種啟動(dòng)的方式可以獲得滿意的動(dòng)態(tài)性能。 1 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制（下文簡(jiǎn)稱DTC）是繼矢量控制之后交流調(diào)速領(lǐng)域的又一新方法，其核心是轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“直接自控制”。DTC系統(tǒng)直接將電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為狀態(tài)變量進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)兼顧磁鏈幅值的閉環(huán)控制，將轉(zhuǎn)矩和磁鏈保持在一定的容差范圍內(nèi)，對(duì)逆變器采用空間矢量PWM策略，直接由控制信號(hào)得到逆變器的開關(guān)狀態(tài)。 DTC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，電機(jī)的啟動(dòng)過程是顯示其動(dòng)態(tài)性能的重要方面，本文將對(duì)DTC系統(tǒng)電機(jī)的啟動(dòng)方法做一些討論，并通過Matlab進(jìn)行仿真。 2 控制原理 定子坐標(biāo)系下（Park變換）電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程： （1） 式中： Te-電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 Pn-極對(duì)數(shù)，為常數(shù) Ψs、Ψr-定子、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶? Lσ-電感折算值，為常數(shù) θ-定子、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角，如圖1 式（1）中Ψs的幅值在基頻以下應(yīng)該保持不變，Ψr的幅值由負(fù)載決定，所以一定的負(fù)載條件下轉(zhuǎn)矩Te的大小由θ所決定，θ的大小由定子磁鏈Ψs旋轉(zhuǎn)來控制，如圖1。 在定子坐標(biāo)下，忽略定子電阻的影響，定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝和定子電壓矢量us的關(guān)系為： （2） 由（2）式知Ψs是沿著us的方向移動(dòng)，選擇us就可以控制Ψs運(yùn)動(dòng)軌跡。 根據(jù)Bang-Bang控制理論，約定控制信號(hào)Ts、Fs和磁鏈、轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)滿足如下的關(guān)系：Te-Tf＞ΔT時(shí)Ts=0，減少Te，Te-Tf＜-ΔT時(shí)Ts=1 ，增加Te；Ψs-Ψf＞ΔΨ時(shí)Fs=0，減少 ，Ψs-Ψf＜-ΔΨ時(shí)Fs=1，增加 。Tf、Ψf是轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈的給定值，ΔT、ΔΨ是轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈給定容差。 us有8個(gè)狀態(tài)矢量，空間位置如圖1，對(duì)應(yīng)逆變器狀態(tài)如表1；把Ψs運(yùn)行的空間平均分成6個(gè)部分θi （i=1……6），如圖2。根據(jù)參考，每個(gè)θi磁鏈區(qū)域內(nèi)所施加的電壓矢量和狀態(tài)值Ts、Fs的關(guān)系如表2所示（不考慮反轉(zhuǎn)）。 3 啟動(dòng)方法 結(jié)合DTC系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出一種磁鏈優(yōu)先的限流啟動(dòng)方案。 3.1 磁鏈優(yōu)先 由式（1）可知，轉(zhuǎn)矩Te是的函數(shù)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)尚未建立，要獲得快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)必須先盡快使定子磁鏈達(dá)到給定值。具體方法是給電機(jī)施具體方法是給電機(jī)施加一個(gè)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(dá)到給定值。這個(gè)過程是一個(gè)開環(huán)過程相當(dāng)于通直流電，轉(zhuǎn)矩Te為0。 定子磁鏈達(dá)到給定值后，啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制，檢測(cè)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的狀態(tài)，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(yùn)行的軌跡為圓形，迅速提升轉(zhuǎn)矩。這個(gè)過程雖然是啟動(dòng)過程，但其控制方法和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)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(dòng) 防止啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過大的沖擊電流是系統(tǒng)安全運(yùn)行的必然要求。而且在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，電流過大有可能導(dǎo)致控制的失敗，以下作簡(jiǎn)要推導(dǎo)。定子坐標(biāo)系下電機(jī)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(zhuǎn)子電阻、電流、電感 Lm-定子轉(zhuǎn)子的互感 P-微分算子 ω-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 d、q-表示各矢量在定子坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸的分量 對(duì)（7）式求導(dǎo)，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(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)的原因，由（10）式可知轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)受到Ψr和us相互位置的影響， 但在實(shí)際控制系統(tǒng)中是對(duì)Ψs進(jìn)行控制的，是根據(jù)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(huì)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(zhuǎn)矩和磁鏈直接控制的基礎(chǔ)上，引入電流的直接控制來限制啟動(dòng)電流。設(shè)ist為啟動(dòng)電流，istf為啟動(dòng)電流的上限給定值，Δist為啟動(dòng)電流的容差容差，當(dāng)ist-istf＞Δist時(shí)，認(rèn)為啟動(dòng)電流過大，這時(shí)給系統(tǒng)施加零電壓矢量，當(dāng)ist-istf＜-Δist時(shí)，認(rèn)為啟動(dòng)電流正常，這時(shí)按照轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的狀態(tài)選擇所施加的電壓矢量。從仿真試驗(yàn)可以看出，在這種電流的控制策略下，系統(tǒng)有一段類似恒流啟動(dòng)的過程，這樣在保證控制系統(tǒng)正常的前提下最大的加快了響應(yīng)速度。 圖4.1 d軸定子電流 圖4.2 q軸定子電流 圖4.3 轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 圖4.4 轉(zhuǎn)矩給定 圖4.5 磁鏈建立過程 圖4.6 速度響應(yīng) 3.3 仿真實(shí)驗(yàn) 3.3.1仿真模型的建立 仿真環(huán)境為Matlab5.3，仿真中的電機(jī)模型用S-函數(shù)調(diào)用S-Function模塊實(shí)現(xiàn)，控制算法用M函數(shù)調(diào)用MATLAB Fcn模塊實(shí)現(xiàn)，其它模型直接調(diào)用系統(tǒng)模塊。仿真結(jié)構(gòu)如圖3，模塊motor是電機(jī)模型，模塊flux1和flux2完成磁鏈觀測(cè)和磁鏈空間位置確定，模塊current完成電流檢測(cè)，模塊inverter綜合磁鏈控制信號(hào)、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)、電流控制信號(hào)以及磁鏈幅值和空間位置信號(hào)來選擇電壓矢量。 3.3.2仿真結(jié)果 電機(jī)參數(shù)：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(zhuǎn)矩響應(yīng) 圖5.6 轉(zhuǎn)矩給定值 圖5.7 速度響應(yīng) 仿真中磁鏈給定Ψf＝0.95Wb，啟動(dòng)電流給定istf＝230A，啟動(dòng)帶載為TL＝50nm，速度給定為nf＝1000r/m（轉(zhuǎn)/分），速度PI調(diào)節(jié)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(duì)比，我們先給出不具有限流環(huán)節(jié)時(shí)的仿真曲線，如圖4.1－4.6。圖4.1和圖4.6啟動(dòng)電流的幅值接近500A，是額定電流的10倍多；圖4.3表明轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很不理想，未能緊密跟隨轉(zhuǎn)矩給定值（如圖4.4，轉(zhuǎn)矩給定值是速度PI調(diào)節(jié)器的輸出），原因主要是啟動(dòng)電流過大，使得定子磁鏈Ψs和轉(zhuǎn)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(yōu)先的限流啟動(dòng)仿真結(jié)果。圖5.1表明定子磁鏈達(dá)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(dòng)的效果；圖5.5的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線和圖5.6的轉(zhuǎn)矩給定值曲線表明輸出轉(zhuǎn)矩很緊密的跟隨了轉(zhuǎn)矩給定值，系統(tǒng)以設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩值200nm啟動(dòng)，加速度達(dá)到最大，響應(yīng)過程最快；速度達(dá)到給定后，輸出轉(zhuǎn)矩緊隨轉(zhuǎn)矩給定值下降到負(fù)載值，系統(tǒng)的加速度降為0，速度不再變化，系統(tǒng)無超調(diào)。圖5.7的速度響應(yīng)曲線表明在50nm的啟動(dòng)負(fù)載下，速度達(dá)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(yīng)更快。 4 結(jié)論 磁鏈優(yōu)先的限流啟動(dòng)方法完全體現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到最大給定值，速度響應(yīng)快，理論上可做到無超調(diào)，啟動(dòng)電流可控，是一種理想的啟動(dòng)方式。