三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告

1、三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告摘 要： 利用直接转矩控制 ( DTC ) 理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成 和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink 软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明 : DTC 系统具有动态响应速度快、精度 高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。关键词： 异步电机；直接转矩控制； MATLAB 仿真1 引言自从 20 世纪 70 年代矢量控制技 术发展以来，交流拖动技术就从理论 上解决了交流调速系统在静动态性能 上与直流调速系统相媲美的问题。所

2、 谓矢量控制，就是将交流电动机模拟 成直流电动机来控制 ,通过坐标变换实 现电机定子电流的励磁分量和转矩分 量的解耦，然后分别独立控制，从而 获得高性能的转矩和转速响应特性。直 接 转 矩 控 制 (Direct Torque Control DTC) 是在矢量控制基础之上 发展起来的，是继矢量控制以后提出 的又一种异步电动机控制方法。其思 路是把异步电动机和逆变器看成是一 个整体，采用电压矢量分析方法直接 在静止坐标系下分析和计算电动机的 转矩和磁链， 通过磁链跟踪得出 PWM 逆变器的开关状态切换的依据从而直 接控制电动机转矩 "与矢量控制相比， 直接转矩控制的主要优点是 :在定

3、子坐 标系下对电动机进行控制，摒弃了矢 量控制中的解藕思想，直接控制电动 机的磁链和转矩，并用定子磁链的定 向代替转子磁链的定向，避开了电动 机中不易确定的参数 (转子电阻 )" 由于 定子磁链的估算只与相对比较容易测 量的定子电阻有关，所以使得磁链的 估算更容易、更精确，受电动机参数 变化的影响也更小 "此外，直接转矩控 制通过直接输出转矩和磁链的偏差来 确定电压矢量，与以往的调速方法相 比，它具有控制直接 ! 计算过程简化的 优点"因此，直接转矩控制一问世便受 到广泛关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成 三相异

4、步电动机直接转矩控制系统模块图标如图 1 所示，其仿真模型 如图 2 所示，模型由 7 个主要模块组 成：三相不控整流器(Three-phase diode rectifier )、Braking chopper、三相逆变 器(Three-phase inverter)、测量单元( Measures)、 异 步 电 动 机 模 块(I nduction machi ne)组成系统的主要 电路；转速控制器( Speed Controller) 和直接转矩控制模块 DTC ，其中主电 路模块和转速控制模块结构基本与磁 场定向矢量控制系统相同。图1 直接转矩控制系统图标 直接转矩控制 DTC 模块结

5、构图如 图2所示，转矩给定Torque*、磁通给 定 Flux* 、电流 I_ab 和电压 V_abc 输 入信号都经过采样开关， DTC 模块包 括转矩和磁通计算、滞环控制、磁通 选择、开关表、开关控制等单元。 DTC 模块输出时三相逆变器 Three-phase inverter 开关器件的驱动信号。直接转矩控制系统采用 6 个开关 器件组成的桥式三相逆变器，该逆变 器有 8 种开关状态，可以得到 6 个互 差 60°的电压空间矢量和两个零矢量。 交流电机定子磁链 里受电压空间矢量 us控制Ws? /usdt，因此改变逆变器开 关状态可以控制定子磁链Ws的运行轨迹，从而控制交流电

6、机的运行。图2 直接转矩控制系统模型结构图3 直接转矩控制模块结构3 转矩和定子磁链计算转矩和定子磁链计算(单元 结构如图 4 所示，它首先将检测 到的异步电动机三相电压 V_abc 和 电 流 I_AB 经 模 块标系(ap)上的电压和电流， dq_V_transform和dq_I_transform 变换模块结构如 图 5 所示。图 4 转矩和定子磁链计算单元结构dq_V_transform和 3.1 定子磁链计算dq_l_tra nsform边换，得到二相坐定子磁链的模拟和离散计算式为Compels模块得到复数形式表示(usRsis )dt(3-1)s（3-2）式中，us和is为两相坐

7、的磁链s，并由 Compels to Magnitude_Angle计算定子磁链s的幅值和转角。3.2转矩计算电动机转矩计算式为标系上的定子电压和电流，K为 积分系数，Ts为采样时间。磁链计算采用离散梯形积Te P（ s iss is ）（3-3）式中，p为电动机极对数。分，模块phi_d和phi_q分别输出定子磁链的和轴分量s和，s 和 s 经 Real_Imag to图5 abc/ a姿标系变换模块结构4模块结构4.1磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁链都采用 滞环控制，磁通和转矩滞环控制 器（Flux & Torque hysteresis 结 构如图6所示。转矩控制史三位 滞

8、环控制方式，在转矩滞环宽度 设为dTe是，当转矩偏差 （T； Te）dTe 和（T； Te） dTe 时，滞2 2环模块dTe/2和dTe/2分别输出 状态“ 1和“ 3”当滞环模块dTe/2 和dTe/2输出为“ 0时，经或非门 NOR输出状态为“ 2。磁链控制 是二位滞环控制方式，在磁链滞 环宽度设为dW是，当磁链偏差 （；e）宁和（；e）牛时,2 2模块dPhi分别输出状态“ 1和“ 24.2磁链选择器直接转矩控制将磁链空间划 分为6个区间，磁链选择模块的位置角，判断磁链s运行在哪一个分区。磁链选择器结构如 图7所示，模块输入时磁链计算 模块输出的磁链位置角angle,通 过计较和逻辑运

9、算输出磁链所在 的分区编号。图 6 Flux & Torque hysteresis模块图7磁链选择器模块结构4.3开关表表 1 Lookup Table 表格H phi状态H Te状态磁链选择器状态1234561(Flux=1)1234561207070736123451(Flux=-1)434561257070706561224图 8 switching table 开关表开关表(switching table)(如 图8)用于得到三相逆变器6个 开关器件的通断状态，它由两张Lookup Table 表格(Flux=1 和Flux=-1 )和三个多路选择器组 成。两张Lookup

10、Table表格对应 的输出见表1.表格输出加1后通 过选择开关 2( Multiport Switch2 ) 输出对应的6个开关器件的8种 开关状态V0V7 ,其中包含了两 种零状态V0和V7。开关表中，Magnetisation模块结构如图 9 所示，其作用是将 磁链反馈值与设定值比较，当反 馈值大于设定值时， S-R flip-flop 触发器 Q 端输出 “1，”当反馈值 器 Q 端输出 “ 0，”从而控制电动 机启动时逆变器和转速调节器工 作状态，使电动机启动时产生初 始磁通。4.4 开关控制模块 开关控制模块（如图 10）包 含了三个 D 触发器，目的是限制 逆变器开关的切换频率，并

11、且确小于设定值时， S-R flip-flop 触发图 9 Magnetisation 模块保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态，开关的切换频 率可以在模块的对话框中设置。图 10 开关控制模块5 仿真结果图 11 直接转矩控制系统仿真模型异步电动机直接转矩控制系 统仿真模型如图 11 所示，系统由 三相交流电源、直接转矩控制系 统模块和检测单元等模块组成。 三相电源线电压 360V、 60HZ， 电源内阻0.02Q，电感0.05mH。 电动机额定参数： 149kW、360V、 60HZ ，系统由转速和转矩两项输 入，在调速的同时负载转矩也在 发生变化。转速和转矩给定实用 离散控制模型库

12、 Discrete ControlDrive 中的 timer 模块， Speed reference 设定值为： t=0s、1s 时 转速分别为 500 r/min 、0r/min。Torque refere nee设定值为：t=0、0.5s、1.5s时转矩分别为0 N*m、 792 N*m、 -792N*m。模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts=0.2 s转 速调节器采用时间为1.4 s。仿 真得到的结果如图 13 所示。c）电磁转矩图 13 仿真结果从仿真波形可以看到在 t=0s 时，转速按设定的上升率（900r/min/s）平稳升高，在启动0.6s时达到设定的转速500r/min。在00.5s范围内电动机是空载启 动，电动机电流为200A（幅值）； 0.5s时加载792T，电流上升为 400A （幅值） ，加载时电磁转矩 瞬时达到1200N*m，但是在系统 的控制下，加载对转速的上升和 稳定运行没有明显影响。 1s 后电 动机开始减速，定子电流减小， 并且电流频率下降。在 t=1.5s 时 转速下降为 0，这时转矩给定从792 N*m 变化为 -792 N*m ，转 速仍稳定为0r/min，表明系统