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一、前言
异步电动机具有结构简单、成本低廉的优点，其缺点是很难实现转速的精确控制。目前，在异步电动机调速领域，矢量控制技术和直接转矩控制技术得到了广泛的应用。矢量控制在磁链达到稳态时，可以实现转矩和磁链的解耦控制，但是在矢量控制的实现过程中，需要准确地估计转子磁链，而转子磁链的估计精度受电机参数变化的影响很大，因而具有对参数变化敏感的缺点。其另一个缺点是结构复杂，计算量大。
直接转矩控制系统不同于矢量控制技术，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、对参数变化敏感的问题，具有优良的静、动态性能。但也存在以下问题：①由于采用砰一砰控制，电磁转矩必然在上下限内脉动，即使在稳态情况下转矩也不能达到完全恒定；②在低速运行时，直接转矩控制还不能达到矢量控制的水平。
针对以上问题，基于异步电动机的定子磁链电压模型，提出了一种新的控制策略，其控制思想是，根据转矩调节器输出的定子磁链转速给定信号，和磁链调节器输出的定子磁链模值给定信号，计算出定子电压给定信号，从而实现对转矩和定子磁链的控制。这种控制策略具有计算量小，控制结构简单的优点。最后利用Matlab/Simulink软件对控制系统进行了仿真实验，仿真结果验证了这种控制策略的有效性。
二、控制系统的工作原理
图1为控制系统框图。控制系统由转速调节器ASR、转矩调节．器ATR、磁链调节器AOR以及逆变器异步电动机、反馈环节等组成。
在控制系统中，根据转速给定信号nsg和实际转速信号n的差值en，转速调节器产生给定转矩Teig，转矩调节器输出定子磁链旋转角度△θsg，△θsg越大则定子磁链的旋转速度越大，产生的转矩也越大，因而对oesg进行控制就相当于控制电机的转矩。
磁链调节器的输出φsa是定子磁链的模值，根据φsa和△θsg,模块F（·）计算出当前控制周期的定子电压矢量的给定值usg。磁链估计器和转矩估计器根据定子电流和定子电压测量值分别对定子磁链和电磁转矩进行估计，作为磁链控制环节和转矩控制环节的反馈信号。
因为这种控制策略通过控制定子磁链的转速来控制电机的电磁转矩，从而和直接转矩控制一样，具有快速的动态响应速度。不同之处是：转矩调节器的输出量是连续量，从而解决了直接转矩控制存在的转矩脉动问题。和矢量控制相比，这种控制方法只需要在定子坐标系下计算定子电压矢量给定值，而不需要复杂的矢量旋转坐标变换，也不需要对转子磁链进行观测，所以具有系统结构简单、计算量小的优点。
（一）定子磁链电压模型
在不忽略磁路饱和的情况下，定子磁链矢量ψs、定子电压矢量us,定子电流矢量is ,定子电阻RS之间的关系为
在这个模型中，需要考虑的电动机参数只有定子电阻、定子电流和定子电压是容易测量的物理量，它们以足够的精度检测出来。因为式（4）、式（5）使用定子电流和定子电压确定定子磁链，所以称为定子磁链的电压模型，简称u-i模型。
（二）定子电压给定值的计算方法
在采样周期充分小的情况下，式（4）、式（5）可以离散化为可以得到定子电压矢量的给定值usg （k）
（三）调节器的设计
转矩调节器和磁链调节器分别采用PI调节器，调节器的比例系数和积分系数根据系统的实际情况进行设定。为了充分利用感应电动机所产生最大电磁转矩的能力，加快系统的动态响应速度，转速调节器采用带限幅的离散PI调节器，转速调节器的输出Teig（k），输入为
式中:ng（k）为第k个采样点的给定转速;n（k）为第k个采样点的实际转速。
带限幅的离散PI调节器的输入输出关系为
式中:C为PI调节器的限幅值;ki, kp为积分系数和比例系数。
三、仿真实验
为了验证上述算法的有效性，利用Matlab软件进行了仿真实验，电机参数为：极对数2,定子电阻0. 435SΩ,额定定子磁链的模值0.7 Wb,额定频率60Hz，转动惯量0.089 kg·m2。
仿真时间为2s,在整个仿真过程中，电机的负载转矩为额定负载转矩。仿真过程为：Os时电机的转速给定值nsg=120 rad/s，定子磁链的模值给定值ψsg=0.7,在0.2s电机的启动过程结束。为了验证调速系统的转速跟踪能力，在启动过程结束后，每隔0.3s随机地改变一次转速的给定值。转速调节器的限幅值设定为100 N·m。
图2为电机的转速跟踪曲线。由图2可见，这种控制策略的动态响应非常好，几乎没有超调量，动态过程在0.1s内结束。图3为磁链模值ψs随时间变化曲线。在整个仿真过程中，磁链模值和给定值之间的相对误差保持在±1％以内。仿真结果表明，这种控制策略能够在动态过程中保证定子磁链的模值基本不变。图4为电机的定子磁链运动轨迹。在整个仿真过程中，磁链的运动轨迹为圆形，和直接转矩控制中的多边形磁链运动轨迹相比较具有明显的优势。图5是转矩随时间的变化曲线。从图5中可以看出，当电机处于稳态时电磁转矩没有波动。
四、结论
基于异步电机的定子磁链模型，提出了一种新的感应电动机控制策略，只需要在定子坐标系下计算电动机的定子电压矢量给定值，而不需要复杂的矢量旋转变换，也不需要对转子磁链进行观测，具有计算量小、结构简单的优点，解决了矢量控制中对参数变化不敏感的问题。由于转矩调节器输出的定子电压给定值是连续变化的，因此解决了直接转矩控制中的转矩波动问题。仿真结果验证了这种控制策略的有效性和理论的正确性。