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1、57-BTDO-0089-PTT1998cument number:三相异步电动机直1 矩控制系统仿真报娥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
2、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
3、，直接转矩控制的主要 优点是:在定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步电动机直接转矩控制系统
4、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)s Braking 经过采样开关，DTC模块包括转矩和磁通chopper、三相逆变器(Three-phaseinverter)、测量单元(Measures)、异步电 动机模块(Induction machine)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模块结构图如图2 所示，转矩给定Torq
5、ue*、磁通给定Flux*、电流I_ab和电压V_abc输入信号都 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Ws受 电压空间矢量us控制中s? / usdt，因此改变 逆变器开关状态可以控制定子磁链K的运 行轨迹，从而控制交流电机的运行。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，
6、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 dq_V_transform 和 dq_I_transform边换，得到二相坐标 系(邛)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定子磁链计算定子磁链的模拟和离散计算式为七广气厂%虬(3-1)W= (u - Ri ) Ks(z +DsP、哪s sp 2(z +1) (3-2)式中，u取&和、为郎 两相坐标 系上的定子电压和电流，K为积分系 数，L为采样时间。磁链计算采用离散梯形积分，模 块phi_d和phi_q分别输出定子磁链的
7、a和6轴分量*和中邯，吃和转矩计算电动机转矩计算式为甲 经 Real Imag to Compels 模块得 邯到复数形式表示的磁链平，并由T = 3 p(中 i 中 i ) e 2 部 sa s *(3-3)Compels to Magnitude_Angle 计算定子 式中，p为电动机极对数。磁链W的幅值和转角。图5 abc/ap坐标系变换模块结构4模块结构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。转矩控制史三位滞环控制方式， 在转矩滞环宽度设为dTe是，当转矩 偏差(T*T )
8、+ 竺和(T*T)-虬e e2e e2时，滞环模块dT/2和dT/2分别输 出状态“1”和“3”，当滞环模块dTJ2 和dT/2输出为“0 ”时，经或非门eNOR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(中*一中)+竺和(中*一中)竺时，e e 2e e 2模块dPhi分别输出状态“1”和“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W,的位置角 中，判断磁链W,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,通过计较和逻辑运算输出磁链 所在的分区编号。图 6 Flux &
9、Torque hysteresis 模块 图7磁链选择器模块结构开关表表 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 Table表格对应的输出见表1.表格输 出加1后通过选择开
10、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”，当反馈值小于设定值时，S-R flip-flop触发器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。种零状态V0和V7。图 9 Magnetisation 模块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，并且确保逆变器每相 5仿真
11、结果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360V、60HZ，电源内阻Q,电感。电 型库 Discrete Control Drive 中的 timer模块，Speed reference设定值为：模型采用混合步长的离散算法,t=0s、1s时转速分别为500
12、 r/min、0r/min。Torque reference 设定值为：t=0、时转矩分别为0 N*m、792 基本采样时间Ts=ps，转速调节器采 用时间为四。仿真得到的结果如图 13所示。N*m、-792N*m。a）转速响应b） a相定子电流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，在启动时达到设定的转速 500r/min。在0范围内电动机是空载 启动，电动机电流为200A （幅 值）；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。 在仁时转速下降为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，表明系统有很好的 转矩和速度响应能力。6小结直接转矩控制系统利用 MATLAB /Simulink这一优良仿真工 具可以方便地模拟异步电机磁链轨 迹、电阻电压、电流、转速（角速度） 以及电磁转矩等参数的情况。通过仿 真可以看出，直接转矩控制系统具有动 态响应速度快、稳态精度高、结构简 单、易于实现等优点。通过建模的方 式仿真研究电气传动系统对于控制系 统的数字化实现具有重要意义和实用 价值。
