异步电机DTC系统的负载转矩观测与滑模控制

王宁　于海生

摘要： 为改善常规直接转矩控制中磁链和转矩脉动大的问题，本文提出了带负载转矩观测器的异步电动机DTC系统的滑模控制方法。内环根据异步电动机在dq坐标系下的数学模型和滑模控制理论，设计了一种基于转矩和磁链误差的滑模控制器；外环选取比例积分滑模控制器取代PI控制器，利用获得的参考电压矢量，通过SVM技术得到逆变器开关控制信号。利用电压重构获取逆变器输出电压，可以减少系统的硬件成本。为验证所设计的控制系统的性能，使用Matlab/Simulink进行仿真验证。仿真结果表明，基于滑模控制的直接转矩控制策略系统响应更迅速，设计的控制方案鲁棒性强，且明显减弱了转矩和磁链脉动，抗干扰能力更强。该研究在异步电机调速系统中具有很好的控制效果和应用前景。

关键词： 异步电动机； 直接转矩控制； 滑模控制； 电压重构； 负载观测器

中图分类号： TM343； TP273+.3文献标识码： A

随着现代工业的快速发展和自动化水平的不断提高，交流调速系统以其良好的静态和动态性能得到了广泛应用。直接转矩控制（direct torque control，DTC）是继矢量控制（vector control，VC）之后的一种新型控制策略，无需进行旋转坐标变换和解耦，具有结构简单、响应快速等优点，但在系统运行时存在磁链和转矩脉动过大等[15]问题。刘小勇等人[6]提出了一种优化电压矢量选择方法，虽削弱了转矩脉动，但追求高控制精度的同时也带来逆变器开关频率不稳定的缺陷；佘致廷等人[78]设计了模糊控制器，虽降低了电机转矩脉动，然而在线模糊推理工作量大，实时控制比较困难；A.Ammar等人[910]设计了一种无速度传感器DTC方案，实现了高速辨识，降低了系统成本。但在速度计算过程中，系统控制容易受电机参数的影响，对其依赖性较强。滑模控制（sliding mode control，SMC）是针对不确定性系统提出的一种有效的非线性控制方法，其速度响应快，鲁棒性强，不受外部扰动作用和内部参数变化的影响等优点[1114]。基于此，本文将滑模策略引入异步电机SVMDTC中，外环采用比例积分滑模控制器取代PI速度调节器，内环基于磁链和转矩误差設计了滑模控制器，削弱了转矩的脉动，使得系统动态响应快，鲁棒性强。该研究具有很好的应用前景。

1异步电动机数学模型

在dq坐标系下，选取定子电流与磁链作为状态变量，则异步电动机的模型[15]可表示为

3控制器设计

3.1外环滑模速度调节器

基于滑模策略构造比例积分型滑模控制器以达到转速响应快、稳态误差小的目的，同时削弱传统SMC中存在的抖振问题[1617]。定义转速误差为

5结束语

本文提出了带负载转矩观测器的异步电动机DTC系统的滑模控制方法，外环采用比例积分滑模控制器，克服了PI调节器无法满足系统高性能调速的问题，同时也减弱了传统SMC中存在的抖振问题；内环根据磁链和转矩误差，设计了滑模控制器代替滞环比较器。仿真结果表明，本研究所提出的带负载观测器的异步电机滑模DTC系统，明显降低了磁链和转矩脉动，改善了系统的动、静态性能。该研究具有优越的理论意义和应用前景。

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