基于最大转矩控制的异步电机直接转矩弱磁控制方法李迅;刘五陵;桂卫华;喻寿益【摘要】提出一种基于最大转矩控制的弱磁控制方法,用于异步电机直接转矩控制的弱磁运行,其基本思想是在弱磁阶段采用六边形磁链轨迹,使磁链给定值跟随转矩变化磁链自发削弱,转矩给定值限幅.该方法不需要精确的异步电机运行参数,能实现弱磁运行方式进入和退出的平滑过渡.在整个运行过程中将定子磁链给定值限制在设定区间,在不同的速度区段修改定子磁链给定值,不需要复杂计算.仿真结果表明:异步电机直接转矩控制系统在弱磁升速和降速过程中的运行性能得到改善；在弱磁运行到同一速度时,弱磁升速或降速过程中输出转矩小和过渡时间长的问题得到有效解决,六边形磁链和圆形磁链之间能够平滑过渡.%A new control scheme for flux-weakening operation of direct-torque-control induction motor drive was proposed. Its philosophy is to adapt hexagon flux track and make the flux reference respond to the change of the torque, thus weaken the spontaneous flux and limit the torque reference. The smooth transition into and out of the flux-weakening operation mode can he realized without any work parameters of the induction motor. The stator flux value is also restricted by a setting value in the whole process. It is easy to realize the control strategy by giving the flux reference in different speed stages without complicated calculation. Simulation verifies that the application of the control strategy improves the high speed performance of direct torque control effectively. With the premise of accelerating to the same speed, the problems of small output torque and long time for speed-up or slow-down are solved remarkably, and the smoothly transition between hexagon flux track and circular flux track is also implemented.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)001【总页数】7页(P177-183)【关键词】异步电机;直接转矩;弱磁;最大转矩【作者】李迅;刘五陵;桂卫华;喻寿益【作者单位】中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆,401326;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TM301.2目前，高速列车多采用异步电动机驱动。

由于需要准确停车和高速运行，要求电机有较宽的调速范围，在变流器有限容量条件下，高于额定转速运行。

异步电动机可以通过弱磁控制来实现。

在弱磁阶段，电机的转矩特性与基速以下调速不同，不是恒转矩调速而是恒功率调速，在弱磁范围内都采用工作电压矢量，而没有零电压矢量[1-3]。

传统的直接转矩控制弱磁方法是在弱磁区将定子磁链参考值跟随转速成反比变化。

定子磁链参考值的高或低都不能使电机产生最大的输出转矩[4-5]。

Sanghoon[6-7]提出基于电压闭环控制的弱磁方法，基于转子磁链定向，不适于直接转矩控制定子磁链定向控制方案。

Casadei[8]提出的方法避开了复杂的电机方程，却引入了电压电流调节器来控制定子磁链给定值。

Xu等[9]提出了最大转矩弱磁控制方法，但该方法过多依赖于电机参数，如电机电阻、漏感和互感等，这些参数在电机运行过程中发生变化，影响弱磁的性能。

Kim等[10]提出了一种鲁棒弱磁控制算法，但该算法修改转子磁链的给定值；列车用低惯性电机难以获得良好性能。

目前，人们对磁场定向方面的研究越来越多[11-16]。

在此，本文作者分析异步电机直接转矩控制系统工作原理，提出一种基于最大转矩的弱磁控制算法，以便在升速过程中输出最大转矩，实现快速升速。

1 异步电动机的数学模型定子磁链定向坐标系下的电机方程为：其中：rs为定子绕组电阻；rr为转子电阻；为定子电压；为定子电流；为转子电流；为定子磁链；为转子磁链；T为电磁转矩；sω为定子磁链旋转角速度；rω为转子旋转角速度；Ls为定子自感；Lr为转子自感；Lm为定转子互感；p为极对数。

将式(1)在d-q坐标系进行分解可得：将式(3)和(4)联立求解得到然后分别代入式(2)得：式中：由此，异步电机在直接转矩控制系统下的电磁转矩方程可以表示成：其中：θ为定子磁链和转子磁链之间的夹角，即磁通角。

在实际运行中，通过调节定子磁链可以充分利用电动机；转子磁链由负载决定。

2 异步电动机直接转矩控制弱磁运行分析异步电动机直接转矩控制的基本思想是：在保持定子磁链不变的条件下，控制电动机定子磁链的运动方向和速度来改变定子磁链与转子磁链的夹角，调节电磁转矩，达到电动机调速的目的。

其基本原理是：采用Band-Band控制直接控制电动机的磁链和转矩，获得转矩和转速的快速响应。

采用开关表控制定子磁链沿近似圆形(或六边形)轨迹运动的直接转矩控制的系统结构框图如图1所示，它包括电流坐标变换、逆变器数学模型、磁链模型、转矩计算、区段辨别和电压矢量选择等单元模块。

根据异步电动机在不同速度范围下运行时的机械功率和磁链等特性，可将它分为不同阶段，如图2所示。

基速范围又称为恒转矩调速，为了研究方便，有时又将它们进一步分为低速范围和中速范围。

区域Ⅱ和Ⅲ对应弱磁运行时的功率范围，其中，Ⅱ对应恒功率范围，Ⅲ对应降功率范围。

在基速范围内，当电机转速低于额定转速的10%～15%时，为了维持磁链幅值恒定以减小转矩脉动，可以控制磁链轨迹为圆形；当转速较高时，采用六边形磁链轨迹控制可以大大减小逆变器的开关频率，减少逆变器开关器件损耗。

图1 异步电机直接转矩弱磁模型框图Fig.1 Structure diagram of induction DTC system with flux-weekening图2 在全速范围内转矩和功率特性Fig.2 Torque and power characteristics in wide speed range2.1 弱磁状态下的转矩给定分析在弱磁过程中，由于电机反电动势低于定子电压极限值，可通过应用零电压矢量和工作电压矢量将转矩控制在滞环宽度内。

工作电压矢量用来增加转矩，当转矩要求满足后则采用零电压矢量。

在直接转矩控制控制算法里，当电机运行在高速状态时，由于电机本身的特点，应当优先考虑磁链跟踪而不是转矩跟踪。

假设某一时刻电压工作矢量由us,d和us,q 组成被激活。

从式(6)可知，只有us,d对磁链有影响。

当us,d＞0时，磁链增加；us,d＜0时，磁链减小。

us,q不仅会影响定子磁链角频率，而且会影响转矩(通过转子角速度)。

在电机稳定运行状态下，由式(8)和(9)得：将式(14)和(15)代入式(13)可得：从式(15)和(16)可知：当ωs＞rω时，转矩T增加，但是，在弱磁领域并不会增加。

实际上，由式(7)可知，对于1个给定的定子磁链，定子磁链角速度与q坐标上的电压相关。

若电机的定子磁链幅值为恒值，则当θ=π/4时，电磁转矩存在最大值：相应的定子磁链转角频率为：由于在实际应用中定子磁链转角频率一般高于，故实际转矩会低于式(17)所示的电磁转矩最大值。

在直接转矩控制系统中，对于1个给定的定子磁链sφ，当时，电机的转矩达到最大。

但在高速状态下，由于定子电压不足，导致sω无法达到因而，对于1个给定的磁链值，不可能获得最大的转矩输出。

考虑到弱磁过程中速度很快，会导致转矩高于最大值，从而造成电机运行不稳定。

若转矩要求一直不满足，则电机的定子磁链不断地减小，直到电机停止运行。

为了防止出现这种情况，考虑到最大转矩正比于转矩给定值应该不大于同时，为了保证定子电流不超过额定电流值，转矩给定值不能高于式中：Trated为额定转矩。

总之，转矩给定值 *T应该满足下面的条件：2.2 六边形磁链轨迹控制随着电机转速升高，逆变器的开关频率相应增加。

为了将开关频率限制在一定范围之内，通常在弱磁控制中采用六边形磁链轨迹。

电机运行于六边形磁链轨迹方式时，6个工作电压空间矢量构成正六边形(如图3所示)。

图3中实线矢量箭头方向前进为顺时钟方向，虚线矢量箭头方向前进为逆时针时钟方向。

当定子磁链幅值和给定值之差在定子磁链滞环宽度内时，则选择与磁链旋转方向一致的电压矢量，否则，就选择相反方向旋转的矢量。

定子电压空间矢量的选择如表1所示。

2.3 弱磁给定的控制图3 正六边形电压空间矢量Fig.3 Hexagonal voltage space vector表1 六边形磁链开关表Table 1 Switch table of hexagonal fluxθφ 0～π/3π/3～2π/3 2π/3～π π～4π/3 4π/3～5π/3 5π/3～2π逆时钟 010 011 001 101 100 110顺时钟 101 100 110 010 011 001根据前面的分析可知：当给定一个初始的磁链给定值sφ时，若sφ过大，则电机就达不到要求的转矩，相应的电机转速也就达不到给定值。

因此，电机转速变化将为弱磁控制提供有用信息，研究认为可利用电机转速对定子磁链进行控制。

考虑到当电机运行到某一速度时(这个速度可能小于额定速度，也有可能大于额定速度，具体由实际情况决定)，由于这个速度仍然小于给定转速，若继续采用相同的方法而不对电机进行弱磁，转矩就不能达到要求，速度不能继续上升，则电机转速将会稳定在该速度附近，并且伴随较大的波动。