异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究

1、 作者（上海交通大学，上海，邮编200030）摘：对异步电机交流调速系统的特点用直接转矩控DTC流频调速方案。 直接对电机定子磁链和电磁转矩进行控制免了矢量控制中复杂的变换和参数运算控 制结构变得十分简单。应用 M 对直接转矩控制的定磁链近似圆形控制的 方法进行了仿真从理论上证明这种方法的可行性且对仿真波形进行分析验证系统 的正确性；关词直接转矩；MATLAB/Simulink；异步动机 motor direct self-control system simulation Jiao Tong Shanghai Postcard ：In view of of storage drive sys

2、tem an AC program: Direct Torque Control which directly to control the motor the method DTC the complexity of the parameters, which control very models of approximate circle flux system are presented on the application of by The of this method are in theory which can explain the of system captured.

3、Word： MATLAB/Simulink, 引言 年国鲁尔大学 教授首次提出了直接转矩控(DTC)论。该理论 的核心是摒弃了矢量控制技术中过于繁杂的解耦思想地借助三相定子电压和电流在静 止坐标系中直接计算磁链和转矩给定值进行比较后通过两点式或多点式调节控制实 现高性能的调速控制在大度上解决了矢量控制中计算控制复杂性受电动机参 数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果等一些重大问题。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型电动机的磁链和转 矩，不像矢量控制交流电动机与直流电动机作比较效和转化更需要模仿直流电 动机的控制而要求利用解耦后的简化交流电动机数学模型来实现对转矩的间接控

4、制统 结构变得十分简单，更为容易实现。2 异步动机数模型电路是在正交定子坐标系（坐标系）下描述异步电动机的，各量的意义如下： ：子电压空间矢量 is：定子电流空间矢量irr：转子电流空间矢量：转子磁链空间矢量：定子磁链空间矢量：电角速度（机械角速度与极对数之积）异步电动机在定子坐标系下的特性可用如下方程式表示：u i s s s S s d 2 r S s d 2 r r r r r r d rL 2d r R i jr r rr定子磁链与转子磁链由下式获得：因为所以 j i r r L ir r定子旋转磁场提供的功率如下：3 P T i i i 2 式中定子旋转磁场的频率，系数 是将 3 相

5、变换为 2 相为保持功率相等所需要的系数，且 j （ ji ）s 由此方程可得出下面两个方程式： s j s将式（5）和式6）代入式3转矩3 （ i i ） 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变为简明的形式。（）i s r（） i ) ) L L L 1 1i ) ) L L L 代入式（）得1 T （ i ） r该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可写成如下形式：（131 3T sin L 2（）式中 定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁链。3 逆变的数学型逆变器是交流调速系统中的重要部件过对逆变器的控制才能实现电机的调速直 接转矩控制中采用的是电压型逆变器，它的结构如图

6、1 所。s 3 s 3 +UdcU dcU dcSS14SaS3S6SbSS52Sc-图 三电压型逆变器4 空间量电压定子磁链、矩的作4.1 空矢电对定磁的用逆变器的输出电压 u (t)直接加到异步电动机的定子绕组，则定子磁链 压 之的关系为 ( ) (t ) ( ) dt s s若忽略定子电阻 上降的影响，则： (t ) t ) (t)与定子电 （）（）式（）中定子磁链空间矢量沿着电压空间矢量 U 的向，以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量 范围，沿着预定的轨迹移动。nis的运动轨迹纳入一定的r图 异电动机定子磁链的轨迹图 示是定子磁链矢量随着选择电压矢

7、量的不同而运动的轨迹选择合理的电压矢量，可使得磁链幅值在给定值*和允许的偏的范围内变化，使其平均值基本保持不变。当合理地选择 U 的加顺序及时间比例，可形成多边形磁链轨迹，亦即逼近圆 形轨迹。为了分析电压矢量 U 对链控制的性能，将公式）离散化可得到： ( ) ( s式中T 为样周期。在全数字化控制系统中，由于采样周期是固定的，链的波动范 围也是一定的，是一个与采样周期成正比的量。采样周期越短，磁链的波动范围就会越小。用矢量三角形的方式描述公式19图 3 所，图中 通常采样周期 T 为 10us 级或 100us 级所以u为电压矢量与磁链矢量的夹角。 ( n) ( 显然，当u时，为最大。s m

8、ax2 U dc s（21说明磁链的波动是比较小的当缩采样周期时链波动还可以进一步减少。 磁链控制得越好流波就会小矩的脉动也会越小而就会得到更好的控制性能。 另外，分析式（）可得出电压矢量对定子磁链的影响：（1u0施加零电压矢量，定子磁链的幅值基本变。u u p s rp * i i * *N u u p s rp * i i * *N （2（3 ，施加指向圆外的电压矢量，定子磁链的幅值增加。 ，施加指向圆内的电压矢量，定子磁链的幅值减少。 ( ) ( )( n ) 电矢量与定子磁链的关系4.2 定子压间量电机矩影响电动机的电磁转矩可以表示为定子磁链与转子磁链的形式：T 3 n m2 Ls r

9、3 L n m2 Ls r s r根据式(12)以知道，电机转矩的大小不仅仅与定转子磁链幅值有关，还与它们的夹 角。在实际运行中，保持子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心；转子磁链 幅值由负载决定；要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通来实现。通过空间电压矢量 u 的作状态和零状态来控制定子磁链的旋转速度定磁链走 走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通小，以达到控制电 动机转矩的目的。这也就是直接转矩控制的目的5 直接矩控制统的基本结直接转矩控制系统的基本结构框图如图 4 所示，Udcr*+-r调节器 *+-+- T观测观测计算T转矩模 / - iK/P 模型 / -

10、图 直转矩控制系统基本结构框图IM 个测信号为逆变器直流侧电压、定子电流和电机转速 ，前 个号由逆变器模r型计算得到定子电压，通过电动机数学模型计算得到定子磁链 、，进一步得到定子磁链所处的位置。转速信号r经速度 调器输出转矩给定信号T ，矩给定信号T 和转矩实际Te值经转矩滞环比较器得到转矩开关信号DT，同时磁链给定信号和定子磁链比较得到磁链开关信号 D 电状态选择单元综合转矩开关信号T 磁开关信 eq oac(,号) e和磁链所在的扇区 S 得逆变器的电压状态信号，从而控制逆变器输出相应的空间电压矢N N N p m p i N N N p m p i 量，控制异步电机的定子磁链的走走停停

11、，进而控制异步电机的转矩。6 系统真实验应用 对统进行仿真，电机类型选为鼠笼机，额定功率P ，额定频率 f 60Hz， 0.95WbRs，Rr0.02877H，Lr， ，J。三相逆变器开关器件采用 IGBT，反并联反馈二极管，IGBT 的冲电阻 ，冲电容 Cs3。控制系统参数：*，度给定为 120rad/s，载转矩给定 T 30N.m转矩限幅值为 ，调节器的比例系数 K 50积分系数 K ，直流侧电压 U =600V图 5 系仿真图仿真结果如下，图 6 为度输出波形，图 磁链波形，图 8 输转矩，图 定子电流。图 6 速输出波形图 7 磁波形图 输转图 9 定电流 结论本文应用 MATLAB 软对 系进行建模，从仿真结果可以看出DTC 控策略 的正确性仿结果表明系具有很好的鲁棒性和快速性种控制技术可以实现异步电 机产生转矩使感应电机获得与他励直流电机致的瞬态响应特性对负载扰动和参考值变 化的快速响应建的模型进步研究变频调速系统提供了基础模型用的灵活性， 操作的简