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异步电机直接转矩控制中转矩脉动抑制的多策略研究与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业自动化进程中，电机作为实现电能与机械能相互转换的关键设备，广泛应用于各个领域。异步电机凭借其结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便等显著优势，在工业生产、交通运输、家用电器等众多领域占据着举足轻重的地位。在工业生产中，异步电机是各类机械设备的核心动力源，驱动着压缩机、风机、泵等设备稳定运行，为工业制造提供持续动力。在交通运输领域，异步电机在电动汽车、电动火车等交通工具中的应用，推动了绿色出行的发展。在家用电器中，冰箱、洗衣机、空调等设备也离不开异步电机的高效运转。

随着工业技术的飞速发展，对电机控制系统的性能要求日益严苛。高效、精确、稳定的电机控制不仅能提高生产效率，降低能耗，还能提升产品质量和设备的可靠性。直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）技术应运而生，自20世纪80年代中期被提出以来，以其独特的控制理念和显著的优势，在交流调速领域迅速崛起，成为研究热点。直接转矩控制技术摒弃了传统矢量控制中复杂的坐标变换和电流解耦环节，直接在定子坐标系下对电机的转矩和磁链进行控制。这一创新的控制方式使得系统结构大幅简化，转矩响应速度极快，能在瞬间对负载变化做出反应，实现精确的转矩调节。同时，直接转矩控制技术对电机参数的变化具有较强的鲁棒性，即使电机参数在一定范围内波动，系统仍能保持稳定运行，有效提高了系统的可靠性和适应性。

然而，如同任何技术一样，直接转矩控制技术并非完美无缺。转矩脉动问题是其在实际应用中面临的主要挑战之一。转矩脉动指的是电机输出转矩在运行过程中出现的周期性波动现象。在直接转矩控制系统中，由于采用滞环比较器对转矩和磁链进行控制，以及逆变器有限的开关状态，导致转矩脉动不可避免。这种转矩脉动会引发一系列不良后果。它会使电机运行的平稳性大打折扣，产生明显的机械振动和噪声，不仅影响设备的正常运行，还会对工作环境造成干扰。长期的转矩脉动会加剧电机和机械设备的磨损，降低设备的使用寿命，增加维护成本和停机时间，给生产带来潜在的经济损失。在一些对精度要求极高的应用场合，如数控机床、精密仪器等，转矩脉动会直接影响加工精度和产品质量，导致次品率上升。因此，有效抑制直接转矩控制中的转矩脉动，对于提升异步电机的性能，拓展其应用领域，具有至关重要的现实意义。

深入研究异步电机直接转矩控制转矩脉动抑制方法，不仅能解决实际工程问题，推动工业自动化的发展，还能为电机控制理论的进一步完善提供有力支持，具有重要的理论和实践价值。

1.2国内外研究现状

自直接转矩控制技术诞生以来，国内外学者针对其转矩脉动问题展开了广泛而深入的研究，提出了众多抑制转矩脉动的方法，推动了该技术的不断发展与完善。

国外在异步电机直接转矩控制转矩脉动抑制研究方面起步较早，取得了一系列具有开创性的成果。德国学者M.Depenbrock作为直接转矩控制技术的创始人之一，对该技术的基础理论进行了深入研究，为后续的转矩脉动抑制研究奠定了坚实基础。早期，研究主要集中在对基本直接转矩控制原理的改进上。通过对空间电压矢量开关表的优化，增加零电压矢量的使用，利用零矢量能使电磁转矩急剧下降（在异步电机系统中）或基本保持电磁转矩不变（在永磁同步电动机系统中）的特点，来减少逆变器的开关次数和转矩脉动。例如，将空间电压矢量进行细分，从传统的六等分增至十二等分或二十四等分，使电压矢量更接近参考的空间电压矢量，从而有效减小转矩脉动。随着研究的深入，智能控制算法逐渐被引入到转矩脉动抑制研究中。模糊控制、神经网络控制等智能算法凭借其强大的自适应能力和非线性处理能力，为转矩脉动抑制提供了新的思路。模糊控制通过建立模糊规则，对转矩和磁链的误差进行模糊处理，实现对逆变器开关状态的智能控制，有效降低了转矩脉动。神经网络控制则通过对大量数据的学习和训练，构建出能够准确预测和控制转矩的模型，提高了系统的控制精度和鲁棒性。在无速度传感器直接转矩控制系统的研究方面，国外也取得了显著进展。通过卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法等多种方法，实现了对转子速度的精确估计，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了因速度传感器带来的成本和复杂性问题。

国内学者在借鉴国外先进研究成果的基础上，结合国内工业发展的实际需求，在异步电机直接转矩控制转矩脉动抑制领域也开展了大量富有成效的研究工作。在理论研究方面，深入分析了直接转矩控制系统中转矩脉动的产生机理，从电机数学模型、控制策略、逆变器特性等多个角度揭示了转矩脉动的本质原因。在控制策略改进方面，提出了多种具有创新性的方法。例如，将滑模变结构控制应用于直接转矩控制中，利用滑模面的不变性和鲁棒性，使系统能够快速跟踪给定的转矩和磁链，有效抑制了转矩脉动。自适