感应电机直接转矩控制系统的仿真
摘要：随着电力电子及数字信号处理技术的进步，变频调速技术得到了飞速的发展。直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能技术。与矢量控制相比较，省去了复杂的矢量变化、克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性等缺点，具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化的特点。本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，在此基础上，通过Matlab／Simulink建立了各个模块的仿真模型，构建了直接转矩控制仿真系统，对直接转矩控制方法的特点及其存在的问题进行了仿真分析研究，验证了直接转矩控制系统的可行性.
关键词：直接转矩控制;异步电机;Matlab/Simulink仿真
Simulation experiment of direct torque control system
（Jiangnan University，School of Internet of Things Engineering）As the electric electronic and digital signal processor technologyprogresses，the adjustable—speed
technology with variable frequency has a rapidlydevelopment．The Direct Torque (DTC)following
Vector Control is a new typeand high performance technology．Compare with Vector Control Which
has complicatedcoordinate transformation and strong dependency of rotor parameters，the
DTCtechnique of induction motors is known to have a simple control structure、fast torqueresponses
and easy to implement．The basic principle and structure of DTC have been introduced，on this ground，UsingMatlab／Simulink build the simulation models which form the whole DTC
simulationsystem．Then，DTC method prove to be of feasibility according to study and analyze
thecharacteristic of the simulation system．.
Keywords: Direct torque control; Induction motor ; Matlab/Simulink
1引言（Introduction）
德国鲁尔大学MDepenbrock教授于1985年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直接转矩控制系统的SIMULINK仿真
2.1基本原理
异步电动机在两相静止坐标系（
坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当
转速等于零时的特例。当
dqs
ω=0时,
dqr ω=ω
,即转
速的负值。数学模型由以下方程表述
电压矩阵方程：
式中:
sd
u ，
sq
u ，
rd
u ，
rq
u ——dq 坐标定子电压与转
子电压的两个分量；
S R ,
r
R ——电阻；
dqs
ψ,
dqr
ψ——dq 坐标系分别相对于定子,转
子的角速度；
sd
i ,
sq
i ,
rd
i ,
rq
i ,
m
L ,
s
L ,
r
L ——同上。
磁链方程：
式中:
s αψ，s βψ，r αψ，r βψ——dq 子磁链的两个
分量；
s i α,
s i β,
r i α,
r i β
——dq 系下定子电流与转子电
流的两个分量；
m
L ——定子与转子同轴等效绕组间的互感；
S
L ——定子等效两相绕组的自感； r
L ——转子等效两相绕组的自感；
电磁转矩方程：
式中:
e
T ——电动机转矩；p n ——电动机极对数； m
L ,
sq
i ,
rd
i ,
sd
i ,
rq
i ——同上
(4)运动方程
e L p j d T T n dt
ω
=+
(2-4)
式中:
L
T ——负载转矩；ω——电动机转速；
J ——电动机转动惯量；e T , p n ——同上
以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型
直接转矩控制系统原理图：
2.2 系统结构 系统总图 见附录
磁链模型仿真模块
磁链合成模块
磁链合成S函数fcc.m如下：
function
[sys,x0,str,ts]=fcc(t,x,u,flag)
switch flag,
case 0
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(t,x ,u);
case 3
sys=mdlOutputs(t,x,u);
case{1,2,4,9}
sys=[];
otherwise
error(['Unhandled
flag=',num2str(flag)]);
end;
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeS izes(~,~,~)
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=2;
sizes.NumInputs=2;
sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=0;
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
ts=[];
function sys=mdlOutputs(~,~,u)
if u(1)==0
sys(1)=3;
sys(2)=(sqrt(u(1)*u(1)+u(2)*u(2))); else
sys(1)=4*S(-0.5*u(1)+sqrt(3)*u(2)/2)+2 *S(-0.5*u(1)-sqrt(3)*u(2)/2)+S(u(1));
sys(2)=sqrt(u(1)*u(1)+u(2)*u(2));
end
function y=S(x)
if x>0
y=0;
elseif x<=0
y=1;
end
磁链控制模块
转速控制模块
转矩控制模块
开关表控制
开关表（switch table）s函数switchtable.m如下：function
[sys,x0,str,ts]=swichtable(t,x,u,flag) switch flag,
case 0
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 3
sys=mdlOutputs(t,x,u);
case{1,2,4,9}
sys=[];
otherwise
error(['Unhandled
flag=',num2str(flag)]);
end;
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeS izes
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=6;sizes.NumInputs=3;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=0;
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
ts=[];
function sys=mdlOutputs(~,~,u)
Ktable=[7,7,0,7,0,0;5,3,1,6,4,2;0,0,7, 0,7,7;1,2,3,4,5,6];
Ksa=[0,0,0,0,1,1,1,1];
Ksa1=[1,1,1,1,0,0,0,0];
Ksb=[0,0,1,1,0,0,1,1];
Ksb1=[1,1,0,0,1,1,0,0];
Ksc=[0,1,0,1,0,1,0,1];
Ksc1=[1,0,1,0,1,0,1,0];
X=2*u(2)+u(3)+1;
Y=u(1);
Kus=Ktable(X,Y)+1;
sys(1)=Ksa(Kus);
sys(2)=Ksa1(Kus);
sys(3)=Ksb(Kus);
sys(4)=Ksb1(Kus);
sys(5)=Ksc(Kus);
sys(6)=Ksc1(Kus);
电压3/2变换模块
电流3/2变换模块
3/2变换s函数bian32.m如下：
function [ sys,x0,str,ts ] =
bian32( t,x,u,flag)
A = [sqrt(2)/sqrt(3) -1/sqrt(6) -1/sqrt(6)
0 sqrt(2)/2 -sqrt(2)/2];
switch flag,
case 0
[sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes; % Initialization
case 3
sys = mdlOutputs(t,x,u,A); % Calculate outputs
case { 1,2,4,9 } % Unused flags
sys = [ ];
otherwise
error(['Unhandled flag =
',num2str(flag)]);
end
function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes sizes = simsizes;
sizes.NumContStates = 0;
sizes.NumDiscStates = 0;
sizes.NumOutputs = 2;
sizes.NumInputs = 3;
sizes.DirFeedthrough = 1; % Matrix D is nonempty.
sizes.NumSampleTimes = 0;
sys = simsizes(sizes);
x0 = [];
str=[];
ts = [];
function sys = mdlOutputs(~,~,u,A)
sys = A*u;
2.3系统分析
2.3.1磁链波形图
2.3.2电压波形图
2.3.3电流波形图
x 104 2.3.4转矩波形图
2.3.5转速波形图
3结论
这个论文所述的工作目的在于发展一个直接转矩控制的simulink模型。直接转矩控制允许独立的，相分离的转矩和电子磁通控制。直接转矩控制模型的实现已经十分透彻的描述并且合理的实现。为了展示该模型的作用，建立在交换表的基础上，在一个通过门极可关断晶闸管（IGBT）脉冲调变的换流器启动的7.5千瓦感应电机上进行的一次数值模拟演示已经被在转矩控制模式下获得的模拟结果所证实。
4 设计体会
通过对异步电机数学模型和直接转矩控制原理的进一步的学习，使我对异步电机是一个多变量、强耦合、参数时变的非线性对象这一特征有了更深的理解。同时也了解到，直接转矩控制是通过选择电压空间矢量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，进而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。总之，这次针对交流异步电机变频调速系统的直接转矩控制方案进行的系统化的建模和仿真，使我收获颇丰
参考文献(References)
[1]直接转矩控制系统的相关技术研究刘，永超 --《中小
型电机》 2004 第3期；
[2]直接转矩控制型变频器的选型及相关问题，崔江海--
《电工技术》 2000 第8期；
[3]直接转矩控制系统中感应电机定子电阻模糊观察，陈其
工-- 《电子科技大学学报》1999 第3期；
[4]基于MA TLAB的异步电机直接转矩控制系统仿真，高
辉李翔江明陈其工-- 《机电工程》2007 第3期；
[5]转矩滞环幅值可调的直接转矩控制方法研究，高圣伟
蔡燕汪友华张闯--《天津工业大学学报》2010 第3
期；
[6]直接转矩控制电励磁同步电机初始转子位置估计，周扬
忠胡育文黄文新--《电工技术学报》2007 第12期；[7]基于模糊理论的异步电机直接转矩控制研究，黄武梅
--《现代计算机：下半月版》2008 第9期；
[8]永磁同步电机直接转矩控制理论基础与仿真研究，张德
宏--《中国新技术新产品》2010 第15期；
附录：