Abstract: There exists a large torque ripple in the start-up and low speed operation stage of induction motors based on traditional direct torque control technology. On the basis of the mathematical model of induction motors, the paper deduces the main factors causing torque ripple, analyzes the effects of active vector and zero vector on torque and proposed a new discrete duty ratio control technique. This technique improves the torque regulator in the traditional method and develops a new voltage vector table according to the improved torque regulator. Simulation and experiment results demonstrate the method can largely decrease torque ripples and achieve better torque control performance.

Key words: Direct torque control; Torque ripple; Discrete duty ratio control

【中图分类号】TM343 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）05-0000-00

1 引言

       直接转矩控制基于定子磁链定向，具有系统结构简单、转矩响应快、鲁棒性强等优点，已广泛应用于交流电机变频调速领域^[1][2]。

传统的直接转矩控制采用转矩和磁链的Bang-Bang控制，在一个控制周期中只能选择一个开关电压矢量，其主要缺点在于运行过程中转矩脉动较大^[3]。针对这一问题，研究者提出了许多优化改进方案。一种方法是矢量细分技术^[4]，该方法可采用三电平逆变器^[5]~[7]或矢量合成^[8]实现，其原理在于通过产生更多的非零矢量从而减小转矩脉动，但是该方法结构复杂、控制实现困难，降低了系统的可靠性；另一种方法是占空比控制技术^[9]~[11]，该方法基于周期细分，通过在非零矢量作用周期中插入零矢量减小非零矢量的作用时间，从而抑制转矩脉动。该方法的核心在于确定非零矢量作用时间；一些研究者将SVPWM技术与直接转矩控制结合起来，并用PI控制器取代滞环控制器，提出SVM-DTC方案^[12][13]。近年来，预测控制、模糊控制、最优控制等智能控制算法^[14][15]也被引入直接转矩控制系统。

本文采用离散占空比控制技术，基于异步电机数学模型推导出引起转矩脉动的主要因素，分析基本电压矢量和零矢量对转矩的作用效果，将传统直接转矩控制中的转矩滞环比较器细化成五阶，实现占空比的计算。然后通过仿真和实验，证明了该方法的可行性和有效性。

2 传统直接转矩控制转矩脉动分析

2.1 异步电机数学模型

2.2  磁链和转矩增量分析

直接转矩控制基于定子磁链定向，通过转矩和磁链滞环比较器直接查表得到电压矢量驱动电机运行。因此，直接分析电磁转矩和定子磁链变化率与输入电压矢量的关系。

由式（1）和（2）可导出以定子磁链矢量和转子磁链矢量为状态变量的异步电机状态方程：

3 离散占空比控制

占空比控制策略可以有效抑制转矩脉动，其原理是在一个控制周期中，所选用的非零矢量根据需要只作用一段时间，其余时间选择零矢量。该控制周期中非零矢量作用时间与控制周期的比值 即为占空比。

传统的直接转矩控制仿真波形和离散占空比直接转矩控制仿真波形如图5、图6所示。由仿真结果可知，采用传统直接转矩控制方案时，低速时无论加速过程还是稳定运行，都会有较大的转矩脉动，仿真条件下转矩脉动平均可达到 ，大大超过转矩滞环宽度。加入离散占空比控制后，转矩脉动大大减小，只有 ，接近转矩滞环值。随着转矩脉动的减小，电流波形应得到改善，对比图5、图6，加入离散占空比控制后，电流毛刺显著减小，说明电流中的高次谐波得到抑制。此外，从图5和图6中，可以发现对于同样的转矩参考值给定，传统的直接转矩控制转速上升速度比加入离散占空比控制之后要快，说明前者的实际转矩平均值较后者大，这是由于低速段的转矩脉动导致实际平均转矩向上偏移，高于转矩参考值。而加入离散占空比控制后转矩脉动得到改善，实际转矩基本等于转矩参考值，上文分析得到进一步验证。

通过电流波形可以看出，加入离散占空比控制之后，电机输入相电流的正弦性和毛刺均得到改善，说明加入离散占空比控制之后，电机转矩脉动得到了抑制，验证了本文所提出的方法的有效性。

5 结论

       本文深入分析转矩脉动的产生原因，基于周期细分原理，将控制周期划分为非零电压矢量作用时间段和零矢量作用时间段。通过五阶转矩滞环比较器，由转矩偏差确定非零电压矢量的作用时间。仿真和实验结果表明，离散占空比方法在保留传统直接转矩控制结构简单、转矩响应快等优点的同时，可以有效抑制转矩脉动，具有更好的控制性能。

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