张曹辉

（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710026）

随着电力电子技术的发展，实现三相异步电机平稳调速的方法包括矢量控制和直接转矩控制[1-2]，传统直接转矩控制（DTC）系统一般采用电压-电流模型（u-i模型）对定子磁链进行观测。实际控制中，尤其是低速域内，由于系统参数的影响，被积分量中会出现微量的直流成分，致使磁链的观测结果产生畸变，严重影响DTC运行性能[3-4]。针对以上问题，文献[5]根据定子频率采用低通滤波磁链观测器，通过选择合适的截止频率调整其增益和相位，使磁链观测器具有一定的直流漂移抑制能力，但未能完全消除直流偏置。文献[6]建立了带通滤波器法定子磁链观测器模型，采用幅值和相位误差补偿方法，解决了直流偏置问题。文献[7-8]采用双低通滤波器定子磁链观测器法代替传统磁链观测器，通过两个不同截止频率和比例系数的低通滤波器相减，不仅消除了直流漂移和积分初值对磁链观测的影响，而且对其进行幅值和相位补偿后，获得了幅值和相位精确的定子磁链，由于引入了其他参数，使计算与仿真过程变得相对烦琐。文献[9-13]采用滑模变结构法对传统异步电机进行改进，降低了电机输出转矩的脉动含量，提高了系统的鲁棒性。但是，对于大功率的牵引电机，尤其是针对全速域直接转矩控制的牵引电机未做进一步的仿真与验证。

为克服传统磁链观测方法所存在的积分初始值与直流误差等问题，采用低通滤波器定子磁链观测器法代替传统磁链观测器。针对传统牵引异步电机直接转矩控制系统存在的问题，本文设计了一种新型的滑模控制器，并与空间矢量脉宽调制技术相结合，保证系统在交流调速过程中转矩和磁链能够快速且准确地达到期望值。

1 电压型定子磁链观测模型

1.1 传统电压型定子磁链观测模型[3]

由定子电压矢量方程，可得：

式（1）中：Rs为定子电阻。

可通过矢量ψs在DQ轴系的两个分量ψD和ψQ来估计其幅值|ψs|和相位ρs。

由式（1），可得：

式（2）中，uD、uQ和iD、iQ由ABC坐标系到DQ轴系的坐标变换而得。

1.2 幅值限定的改进积分器

通过采样电路获得的定子电流存在零漂，并非标准的正弦型电流。由于定子电流中存在零漂，电动势中将包含一定的直流误差分量。由式（2）可以看出直流误差分量将会对电压型磁链观测器产生严重影响，因为很小的直流误差经过纯积分作用都会导致定子磁链计算出现积分饱和，而且积分初值也会给磁链观测结果带来直流偏置。因此，零漂和积分初值会使磁链观测结果严重畸变。对此，本文将式（1）可以改为：

进而将式（3）变换为：

式（4）中：ωc为低通滤波器的截止频率。

式（4）是计算磁链的纯积分替换环节一阶低通滤波器，这种方法虽然能降低直流偏置误差对定子磁链观测的影响，但是当电机定子频率接近转折频率ωc时会引起新的幅值和相位误差，影响磁链观测器的精度。

因此根据HU等人提出的改进积分器，将式（4）进一步改进，可以得到带幅值补偿的定子磁链观测器，如图1所示。

图1 带幅值补偿的定子磁链观测器

2 滑模控制的直接转矩控制器

为了获得磁链控制器的表达式，首先定义磁链的滑模面函数：

基于利用super-twisting算法的二阶滑模控制基本原理，此时磁链控制器的表达式为：

式（6）中：Kp、Ki＞0，为待设计参数。

同理，为获得转矩控制器的表达式，定义转矩的滑模面函数为：

此时转矩控制器的表达式为：

本文对于设计参数r取0.5。根据式（5）～（8），可以得到基于滑模控制的直接转矩控制。同时，为降低滑模控制所带来的抖振，采用sat函数代替sgn函数。

3 仿真结果

根据图2所示改进的异步电机全速域直接转矩图，验证所设计的异步电机全速域直接转矩控制系统的性能，使用Matlab/Simulink进行仿真。异步电机参数：额定电压1 375 V，额定电流598A，定子电阻0.024 209Ω，转子电阻0.018 807Ω，定子漏感0.294 mH，转子漏感0.585 mH，互感18.51 mH。极对数2，转动惯量10 kg·m2。给定转速2 553 r/min，给定负载转矩2 000 N·m。

图2、图3、图4分别为电机输出转矩、A相定子电流以及定子磁链幅值时间流程图。由图2可知，改进后的电机输出转矩在启动之后能够快速上升到恒转矩阶段，并且转矩输出脉动含量相比较传统的电压积分法有所降低，能够以较小的脉动转矩过渡到稳定值。由图3可得，改进后的电流相位与改进前相比有所改善。在一定程度上降低了电流波形畸变率。由图4可知，改进后的定子磁链幅值在恒转矩阶段更加平滑，有利于保证电机运行稳定性。

图2 改进的异步电机全速域直接转矩图

图3 A相定子电流

4 结语

本文从输出转矩、电流和磁链轨三个方面分析了本文设计的异步电机全速域直接转矩滑模控制系统的可行性，并且与传统的基于空间矢量脉宽调制控制方法的全速域直接转矩控制的输出特性进行了对比，可知本文设计的系统在转矩脉动以及电流谐波方面有所改善，在几种控制策略切换的过程中，速度未出现较大的波动。同时，由于异步电机是一个多变量、强耦合、强非线性的系统，导致所建立的系统输出转矩脉动仍然明显。因此，对于如何优化异步电机全速域控制方法，改善直接转矩控制系统的运行性能还需进一步研究与验证。