一、引言 
    直接转矩控制是一种高性能交流调速技术，它直接在定子坐标系下分析电动机的数学模型控制电动机的转矩和定子磁链。定子磁链观测在直接转矩控制中至关重要，无论是定子磁链的幅值或是相位观测的准确性都将影响到电压状态的正确选择，从而直接影响系统的控制性能。而定子磁链观测是基于磁链模型的。异步电动机磁链观测模型一般有U-I模型、l-N模型和U-N模型3种。3种模型各有优劣，在实际应用中通常是通过滞环比较器，当转速低于30％Ne(额定转速)时切换到I-N模型．而当转速高于30％Ne时切换到U-I模型。传统的滞环比较器切换虽然解决了模型切换时转速振荡的问题，但存在一定的切换死区，影响了系统性能。同时，在常规的直接转矩控制中转速调节器和磁链调节器一般采用施密特触发器，其容差的大小对系统的性能影响很大。针对以上两种情况，本文分别提出了新的方案进行优化设计。

    二、直接转矩控制的基本原理

    直接转矩控制是根据给定的电磁转矩指令与交流电机的实际电磁转矩观测值相比较得到转矩误差，确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链误差的大小与相位角确定选择合适的定子电压空间矢量．从而确定三相电压源逆变器的开关状态，使交流电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩指令值。异步电动机直接转矩控制系统框图如图1所示。

    异步电动机的数学模型为：

    其中Ψs、Ψr——子、转子磁通空间矢量；Us——子电压空间矢量；is、ir——子、转子电流空间矢量：Rs、L一一子电阻、电感；Lσ——转子漏感之和；  Rr——算到定子侧的单相转子电阻;θΨ——子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。

    三、磁链模型切换的优化设计

    （一）定子磁链观测模型

    定子磁链观测的U-I模型为

    高速时常采用该模型，因为它结构简单，精度高，其误差是由定子电阻Rs 的存在而引起的。但当速度低于30％的额定转速时us-isRs的值比较小甚至为0，以致在稳态时只有误差量被积分，再加上定子电阻受温度变化的影响，使得U-I模型在低于30％额定转速，特别时低于10％额定转速时不再适用。此时，磁链只能根据转速和定子电流来计算，观测模型为I-N模型.

    （二）传统的滞环比较器切换

    采用滞环切换一般选取30％额定转速作为滞环的中心点，适当调节滞环宽度就可以有效的消除模型切换时的转速振荡。模型切换框图如图2。

    图2中model=0代表采用I-N模型，model=l代表采用U-I模型。通过软件编程，在模型切换的同时将切换前模型的值赋予切换后模型作初始值，这样保证了模型的平滑切换。但是滞环模型也存在一定的缺陷：当转速从高速降到低于：30％Ne，而高于n2，并长期运行在这个速度段时，系统不能正确选用I-N模型；同样，当转速从低速升至30％Ne～N1速度段时，系统也不可能正确切换到U-I模型。缩小滞环宽度在一定程度上可以克服这一缺陷，但会导致切换频繁，带来更大的转速误差，一般取10%额定转速作为滞环宽度。因此，传统滞环模型存在也切换死区。本文提出了积分滞环切换模型来克服这一缺陷。

    （三）积分滞环切换模型

    首先假定一个参量

    将转速n与滞环中心点的差积分并进行限幅，幅值为Cmax,选取Cmax和-Cmax为转换点。当系统运行在U-I模型时，如果 C≤-Cmax 时，就切换到I-N模型；当系统运行在I-N模型时，如果C≥ Cmax  时，就切换到U-I模型；当 -Cmax ≤C≤Cmax时，系统保持原来的模型，不进行模型切换。由新积分参量C得到的定子磁链模型切换表达式（9）。

    积分滞环切换模型简单实用，适当调整C的大小就可以对传统滞环模型的切换死区进行补偿，达到平滑切换的目的。

    四、定子磁链调节器、转矩调节器及开关状态选择的优化设计

    （一）多点滞环调节器

    电压空间矢量选择即开关状态选择是由TQ. ΨQ和θΨ决定的，其中TQ. ΨQ分别是，转矩调节器和定子磁链调节器的输出信号，分别受控于误差△Tem、△Ψs（见图1）。通常所采取的转矩和磁链调节器实际上是两个施密特触发器，其容差的大小关系到系统的性能。它会导致误差在一个较大的范围内变化，而所选择的电压矢量不变，无法快速准确的跟踪外部电磁转矩的变化，特别是在启动和转速指令突变时系统响应不够快，转矩脉动较大。为此，必须对两个调节器进行优化，合理细化TQ、ΨQ信号，提出了采用多点滞环调节器的方案。

    转矩调节器采用四点滞环调节器，四个比较点为±ε1，、±ε2，它们的大小可根据系统性能要求而定。输出的开关TQ表达式为：

    其中，NL，NS，Z，PS，PL一转矩调节器开关信号．分别为负大、负小、零、正小、正大。

    磁链调节器采用两点滞环调节器，比较点为±ε。输出的磁链开关信号ΨQ表达式为：

    其中，N，z，磁链调节器开关信号，为负、零、正。

    （二）开关状态的选择

    开关状态选择的原则是电磁转矩响应最快，开关状态切换次数最少，以减小开关损耗及转矩脉动。假设三相逆变器的电压空间矢量图如图3，扇区编号为顺序编号．1扇区表示磁通角θΨ属于-π/6—π/6。下面以电动机逆时针旋转为例，根据基于上述优化方案的TQ、

    ΨQ信号及磁通角θΨ来选择合适的开关状态。如图4所示，磁通角θΨ属于1扇区，定子磁链矢量方向为OP，其正交方向为虚线RQ方向。当感应电机转子逆时针旋转，要使磁链幅值增大．应选择位于虚线RQ外侧的定子电压空间矢量u1，u2，u6，并且这些空间矢量在磁链方向OP上的投影越大，则对磁链幅值增加的作用就越大．由图可知从小到大依次为u6，u2，u1；相反，如果要使磁链幅值减小，则应选择位于虚线RQ内侧的定子电压空间矢量u3，u4，u5，影响力从小到大依次为u3，u4，u5。同样的，要使电磁转矩增大，应选择位于OP线下侧的定子电压空间矢量u1，u5，u6；要使电磁转矩减小，则要选位于OP线上侧的定子电压空间矢量u2，u3，u4。其影响力的大小可根据它们在磁链切线方向虚线RQ上的投影大小来判断，投影越大则影响力越大。

    当磁通角θΨ属于1扇区时，如果开关信号TQ=NL，ΨQ=N，表示电磁转矩需要大大减小，同时定子磁链也要减小，根据前面的分析可知选择电压矢量u3。以此类推，可以得到其余14个电压空间矢量，即1扇区的控制规则。同理，对其它5个扇区也可照此类推，得出其电压空间矢量控制规则。

    五、仿真结果分析

    本文通过仿真软件MATLAB/SIM[JLNK在一台1 0kW的三相异步电动机上对采取优化方案前后的直接转矩控制系统进行了仿真，电机参数为：RS=0.045Ω，LS=0.00186H，Lm=0.0212H．Rr=0.085Ω，Lr=0.0173H，极对数为2。

    传动系统是空载启动的，基速为314rad/s。当t≥0．05s时，运行速度降为15.7rad/s。在t≥0.1s时，系统突加一半额定负载。系统采样时间TS为50μs。

    图5是传统直接转矩控制系统的转矩和转速波形。由图可知：高速时系统性能较好，转速也比较稳定，但在低速运行时，电机的转矩出现较大的脉动，转速.

    有少许波动，而且转速越低波动越大。图6给出的是采取优化方案后的直接转矩控制系统的转矩和转速响应波形。可以看出系统不仅在高速时转矩、转速稳定态响应快，而且大大的改善了低速时的性能：转矩的脉动大为减少，转速非常稳定，响应更快。

    六、结束语

    通过对定子磁链模型切换以及转矩、磁链调节器的优化设计，使直接转矩控制系统的性能得到改善。仿真结果表明，优化后的系统动静态性能良好，可实现定子磁链模型的平滑切换，减小转速振荡，能够快速准确的跟踪转速指令的变化，特别是大大减小了低速时转矩的脉动。