异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究 作者 （上海交通大学，上海，邮编：200030） 摘要：摘要：针对异步电机交流调速系统的特点，采用了直接转矩控制（DTC）交流变频调速方 案。直接对电机定子磁链和电磁转矩进行控制，避免了矢量控制中复杂的变换和参数运算， 使控制结构变得十分简单。应用 MATLAB/Simulink 对直接转矩控制的定子磁链近似圆形 控制的方法进行了仿真，从理论上证明了这种方法的可行性，并且对仿真波形进行分析， 验证系统的正确性； 关键词：关键词：直接转矩；MATLAB/Simulink；异步电动机 Research on asynchronous motor direct self-control system simulation Xxx (Shanghai Jiao Tong University Shanghai Postcard 200030) Abstract：In view of the characteristics of storage Asynchronous motor drive system using an advanced AC frequency converter program: Direct Torque Control (DTC), which directly to control the motor stator flux and torque, the method of DTC avoid the computational complexity of the transformation parameters, which control structure is very simple.The simulation models of approximate circle flux control system are presented based on the application of MATLAB/Simulink by the author. The feasibility and correctness of this method are testified in theory and the correlative waveforms which can explain the advantage of system are captured. Key Word：DTC, MATLAB/Simulink, Asynchronous motor 1 引言引言 1985 年德国鲁尔大学 MDepenbrock 教授首次提出了直接转矩控制(DTC)理论。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，简单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，与给定值进行比较后，再通过两点式或多点式调节控 制实现高性能的调速控制。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电 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、控制电动机的磁链和 转矩，不像矢量控制，将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直 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制， 使系统结构变得十分简单，更为容易实现。 2 异步电动机数学模型异步电动机数学模型 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： ：定子电压空间矢量 ：定子电流空间矢量 su si ：转子电流空间矢量 ：定子磁链空间矢量 ri ：转子磁链空间矢量 ：电角速度（机械角速度与极对数之积） r 异步电动机在定子坐标系下的特性可用如下方程式表示： (1) ssi R s u (2) rrrr jiR 定子磁链与转子磁链由下式获得： (3) Li 因为 (4) rr iLj 所以 (5) rr iL 定子旋转磁场提供的功率如下： (6)）（ ss s dS iiiTP 2 3 Re 2 3 式中定子旋转磁场的频率，系数 3/2 是在将 3 相变换为 2 相时为保持功率相等 s 所需要的系数，且 (7)）（ ji s iLj 由此方程可得出下面两个方程式： (8) s Lij (9) s Lij 将式（5）和式（6）代入式（3） ，得转矩 （10）（ ss iiT 2 3 d 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。 （11） rs iii (12) )( 1 )( 11 )( 1 )( 11 rrrs rrrs LLL iii LLL iii 代入式（13）得 （13）（ rr i L T 2 31 d 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： （14） sin 2 31 dr L T 式中定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁链角。 3 逆变器的数学模型逆变器的数学模型 逆变器是交流调速系统中的重要部件，通过对逆变器的控制才能实现电机的调速。在 直接转矩控制中采用的是电压型逆变器，它的结构如图 1 所示。 + - Udc Udc/2 Udc/2 S1S3S5 S4S6S2 Sa Sb Sc M 0 图 1 三相电压型逆变器 4 空间矢量电压对定子磁链、转矩的作用空间矢量电压对定子磁链、转矩的作用 4.1 空间矢量电压对定子磁链的作用空间矢量电压对定子磁链的作用 逆变器的输出电压 us(t)直接加到异步电动机的定子绕组上，则定子磁链s(t)与定子电 压 us(t)之间的关系为： （17）dtRtitut ssss )()()( 若忽略定子电阻 Rs上压降的影响，则： （18）dttut ss )()( 式（18）中定子磁链空间矢量s沿着电压空间矢量 Us的方向，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s的运动轨迹纳入一定的 范围，沿着预定的轨迹移动。 n s i s r 图 2 异步电动机定子磁链的轨迹 图 2 所示是定子磁链矢量随着选择电压矢量的不同而运动的轨迹。通过选择合理的电 压矢量，可使得磁链幅值在给定值s*和允许的偏差s的范围内变化，使其平均值基 本保持不变。当合理地选择 Us的施加顺序及时间比例，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 Us对磁链控制的性能，将公式（18）离散化可得到： (19) ssss Tnunn) 1() 1()( 式中，Ts为采样周期。在全数字化控制系统中，由于采样周期是固定的，磁链的波动 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） ，如图 3 所示，图中u为电压矢量与磁链矢量的 夹角。通常采样周期 Ts为 10us 级或 100us 级，所以 (20) 1()(nn sss 显然，当时，为最大。 (21)0 u s sdcs TU 3 2 max 式（21）说明磁链的波动是比较小的，当缩小采样周期时，磁链波动还可以进一步减 少。磁链控制得越好，电流谐波就会越小，转矩的脉动也会越小，从而就会得到更好的控 制性能。另外，分析式（20）可得出电压矢量对定子磁链的影响： （1）u /2，s 0，施加零电压矢量，定子磁链的幅值基本不变。 （2）u /2，s 0，施加指向圆外的电压矢量，定子磁链的幅值增加。 （3）u /2，s 0，施加指向圆内的电压矢量，定子磁链的幅值减少。 3 电压矢量与定子磁链的关系 4.2 定子电压空间矢量对电动机转矩的影响定子电压空间矢量对电动机转矩的影响 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： sin 2 3 2 3 rs rs m prs rs m pe LL L n LL L nT (22) 根据式(12)可以知道，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 夹角有关。在实际运行中，保持定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，可以通过改变磁通角大小来实现。 通过空间电压矢量 u 的工作状态和零状态来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链 走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，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 直接转矩控制系统的基本结构直接转矩控制系统的基本结构 直接转矩控制系统的基本结构框图如图 4 所示， 磁链观测 开 关 状 态 选 择 电磁转矩模 型 K/P i1 i1 u1 u1 i1 u1 1 1 + + + - - - Te Wr* Wr Te*DT D1 SN 1* 1 Udc IM PG 转矩观测速度调节器 3/- 扇区计算 3/-磁链模型 图 4 直接转矩控制系统基本结构框图 3 个被测信号为逆变器直流侧电压、定子电流和电机转速，前 2 个信号由逆变器模 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。转速信号经速度 PI 调节器输出转矩给定信号，转矩给定信号 r * e T 和转矩实际值经转矩滞环比较器得到转矩开关信号，同时磁链给定信号和定子磁 * e T e T T D 链比较得到磁链开关信号。电压状态选择单元综合转矩开关信号、磁链开关信 s D e T 号和磁链所在的扇区 SN得出逆变器的电压状态信号，从而控制逆变器输出相应的空 )(n s )1(n s ss Tnu)1( u 间电压矢量，控制异步电机的定子磁链的走走停停，进而控制异步电机的转矩。 6 系统仿真实验系统仿真实验 应用 MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真，电机类型选为鼠笼机，额定功率 PN12KW，额定频率 fN60Hz，N0.95Wb，Rs0.16891，Rr0.13973，Ls0.02877H，Lm0.02777H， Lr0.0289H，np2，J0.1349kg.m2。三相逆变器开关器件采用 IGBT，反并联反馈二极 管，IGBT 的缓冲电阻 R10K，缓冲电容 Cs103F。控制系统参数：*s=0.95Wb，速 度给定为 120rad/s，负载转矩给定 Tm30N.m，转矩限幅值为 80N.m，PI 调节器的比例系 数 Kp50，积分系数 Ki130，直流侧电压 Udc=600V。 图 5 DTC 系统仿真图 仿真结果如下，图 6 为速度输出波形，图 7 为磁链波形，图 8 输出转矩，图 9 定子电流。 图 6 速度输出波形 图 7 磁链波形 图 8 输出转矩 图 9 定子电流 7 结论结论 本文应用 MATLAB 软件对 DTC 系统进行建模，从仿真结果可以看出，DTC 控制策略 的正确性，