异步电机直接转矩控制系统的仿真研究

异步电机直接转矩控制系统的仿真研究

雷丹李思徐春燕

（武昌首义学院武汉430064）

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；MATLAB

Abstract：Basedonthetheoryofdirecttorquecontrol(DTC),thebasiccompositionandworkingprincipleofthespeedregulationsystemofdirecttorquecontrol(DTC)forasynchronousmotorarestudied,andthesimulationmodelofDTCsystemforasynchronousmotorisestablished.MATLABsoftwareisusedtomodelandsimulatethedirecttorquecontrolsystemofasynchronousmotor.TheresultsshowthattheDTCsystemhastheadvantagesoffastdynamicresponse,highprecisionandeasyimplementation.Thesimulationresultsverifythecorrectnessofthemodelandtheeffectivenessofthecontrolsystem.

Keywords：asynchronousmoto；directtorquecontrol；MATLAB

0引言

直接转矩控制(DirectTorqueControlDTC)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在于，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。

1电压空间矢量与磁链

交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，在图1中，A、B、C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，其合成矢量us（t）是一个旋转空间矢量。

三相合成电压空间矢量us（t）：

us（t）=1.5Uej(ωt+π/2)（1）

其中，U为定子侧相电压，ω为定子侧电压频率。

图1电压空间矢量

从式（1）可以看出，三相合成电压空间矢量为旋转的空间矢量，以电源角频率为电气角速度作恒速旋转，它的幅值不变，是每相电压值的1.5倍。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us（t）就落在该相的轴线上。

定子电压方程式为：

（2）

其中：Is（t）为定子三相电流合成空间矢量；

Ψs（t）为定子三相磁链合成空间矢量。

当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式中占的成分很小，可忽略不计，则定子合成磁链空间矢量Ψs（t）和合成电压空间矢量us（t）的近似关系为：

（3）

当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示，即：

（4）

式中：Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。

由式（3）和式（4）可得：

（5）

式（5）表明，当磁链幅值一定时，us的大小与供电电压频率成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。

当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合，如图2所示。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。

图2旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹

在三相逆变器中，有6个开关（S1、S2、S3、S4、S5、S6）如图3所示。同一相上下两个开关之间按180°导通模式，即一个导通（状态为1），另一个断开（状态为0）。

图3旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹

所以，三组开关有8种开关组合，如表1所示。这8种工作状态可以分为两类：一类是状态1~6，对应的三相输出电压各不相同，如果接三相电动机负载，就可以产生旋转磁场及转矩，因而称之为工作状态；另一种状态是7和8，逆变器的上下桥臂开关全开或全关，对应的三相输出电位都相同，负载电压为0，三相电动机不产生旋转磁场及转矩，因而称之为0电压状态。

表1逆变器的8种开关状态与对应的相电压输出

当逆变器按照1~6的顺序工作时，电压空间矢量us（t）按逆时针方向沿封闭的正六边形旋转，如图4所示，由前分析可知，电压空间矢量运动形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹，如图5所示。

图4电压空间矢量形成的正六边形

图5电压空间矢量与磁链矢量的关系

图6电压空间矢量扇区划分

2直接转矩控制（DTC）

DTC系统的控制特点是，采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于砰-砰控制器产生PWM波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。在增加转矩和降低转矩的过程中，只要选择与当前磁链运动方向一致的电压矢量即可，而降低转矩的时候，有两种方法，一种是选择零电压矢量，当前定子磁链停止不动，而电机转子由于惯性继续保持当前速度旋转，所以依然会产生一个负转差降低转矩，另一种是选择与定子磁链旋转相反的非零电压矢量。在低转速的情况下为了保证转矩下降迅速，可以选择反方向的非零电压矢量，具有优良的制动性能；在高速运动的过程中，零电压矢量的作用所产生的负转矩已经足够使转子转速降低，而且用非零电压矢量时会加剧电流脉动，增加功率管的开关频率，所以一般不会采用反方向的非零电压矢量。实际控制，一般采用查表方式选择所需的电压矢量。

为更好说明问题，将图（4）中的六边形分成6个扇区，每个扇区60°，如图6所示。

相比较矢量控制，选择电压矢量并不需要准确知道磁链当前的角度，只需要知道所在的扇区即可。以磁链逆时针旋转方向为准，可形成如表2所示的空间电压矢量选择表。

表2空间矢量选择表

因此，直接转矩控制（DTC）系统框图如图7所示：

图7按定子磁链控制的直接转矩控制系统

3系统建模与分析

以Y90L-4型异步电机为控制对象，完成了直接转矩控制系统的建模，如图8所示，模型由7个主要模块组成，包括三相不控整流器（Three-phasedioderectifier）、Brakingchopper、三相逆变器（Three-phaseinverter）、测量单元（Measures）、异步电动机模块（Inductionmachine）组成系统的主要电路；转速控制器（SpeedController）和直接转矩控制模块DTC。

图8基于Y90L-4型异步电机的直接转机控制系统

3.1磁链轨迹与分析

图9为仿真得到的定子磁链轨迹。

图9DTC定子磁链轨迹

从图9中可以看出，给定定子磁链0.7Wb的条件下，轨迹最终稳定在幅值0.7Wb的圆形上，达到了预期效果。

3.2转矩波形

图10为电机空载时，仿真得到的转矩波形。

图10DTC转矩波形（空载时）

从图10可以看出，Y90L-4型异步电机在空载情况时进入稳态，电磁转矩被控制在-0.6N.m－1.9N.m之间，电磁转矩脉动为2.5N.m，效果比较好，在一定的允许范围内。

4结论

从仿真结果来看，直接转矩控制（DTC）确实达到了让磁链逼近圆形的效果，并且转矩脉动也在可接受的范围内，是一种良好的控制方式。不过，从仿真结果也看到了一些问题，磁链轨迹的逼近效果还有待改善，转矩的脉动也有进一步抑制优化的空间，今后，作者将继续进行深入研究，寻求改进方法。

参考文献

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雷丹（1981-），女，湖北松滋人，副教授，华中科技大学控制工程硕士，武昌首义学院电气与自动化系主任。研究方向：电力电子与电力传动。

基于Y90L-4型交流异步电机的改进型直接转矩控制器研制，湖北省教育厅科学研究计划项目，编号：B2016373