基于DSP的异步电动机直接转矩控制系统设计(6)
3.1逆变器的输出电压状态及电压空间矢量
直接转矩控制是把逆变器和电机作为一个整体来考虑的。通过控制异步电机的输入电压来控制定子磁链，且异步电机的输入电压完全取决于逆变器的开关切换模式。在交流调速系统中，通过正确控制逆变器开关状态的切换，使电机气隙获得一个近似圆形旋转磁场。逆变器分为电压型和电流型，由于直接转矩控制需要用输出电压来控制定子磁链和电磁转矩，因此，直接转矩控制系统选用电压型逆变器作为主电路，如图3.1所示。
电压型逆变器由三个桥臂，吹冰个开关( )组成，其中开
图3.1 三相电压型逆变器
关 称为a 相开关， 称为b 相开关， 称为c 相开关。由于逆变器采用双极性调制，每相桥臂的上下两个开关器件呈互锁关系，所以三组开关有8 种开关组合状态。如果规定a 、b 、c 三相输出的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态，与负极接通时为“0”态，根据每一桥臂导通状态的不同，可以得到8个不同的电压空间矢量，将开关量从0到7排列，可得8种开关状态表如表1.
表1 逆变器的8种开关状态表
3.2 磁链模型和转矩模型
磁链控制环节包括磁链观测和磁链调节，保持定子磁链幅值恒定，实现电机
良好的动态性能，并根据观测器的磁链相位来判断磁链矢量所在的扇区位置。
(3-1）
根据磁链夹角，判断定子磁链所在扇区，如表2
表2定子磁链所在山区判断表
根据式(3.1)可以得到磁链观测模型如图3.2，这样的是U-I模型。
图3.2 定子磁链观测模型结构框图
根据已给出的定子磁链与转子磁链矢量积表达的电磁转矩方程式，可以得到电磁转矩观测器的数学模型为：
(3-2)
3.3 空间电压矢量与定子磁链的关系
异步电动机的三相定子绕组接成星形，在恒幅值变换的原则下，其输出电压空间矢量 的Park 矢量变换式为：
(3-3)
根据式(3-3)可以计算得到各开关状态对应的电压空间矢量，如图3.3所示。逆变器的6个工作电压状态得到了6个不同方向的有效电压空间矢量，它们的顺序是 ，并依次沿逆时针方向周期性的旋转，其运动轨迹为吹冰边形，6个有效电压空间矢量的幅值相等相位互差 。其余两个零电压矢量 位于吹冰边形的中心。
当异步电动机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，逆变器的输出电压 直接施加到异步电动机的定子绕组上有：
(3-4)
当电机转速不是很低时，可以忽略定子电阻压降，则定子电压与磁链的空间矢量关系可为：
图3.3 定子电压空间矢量图
3.4空间电压矢量与电磁转矩的关系
根据电机的数学模型可得到转矩与磁链的表达式：
(3-6)
式中， 为电机的漏电感， ， 是定子磁链与转子磁链的夹角。显然可得，异步电动机的转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关以及和它们的夹角有关。一般在实际运动过程中要保持定子磁链幅值不变，转子磁链幅值由负载决定，于是通过改变磁通角的大小来改变电机转矩的大小。直接转矩控制就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子之间的夹角来控制电机的转矩。