三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告

引言随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电动机调速技术发展到现在，有了长足的进步。

特别是20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电动机调速系统的性能可以与直流电动机调速系统的性能相媲美。

而交流电动机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电动机调速系统的优势强于直流电动机调速系统。

在交流电动机控制技术中调压调频控制、矢量控制以及直接转矩控制（Direct Torque Control简称DTC）具有代表性。

其中应用直接转矩控制技术是一种高性能的控制调速技术，直接转矩控制对交流传动来说是一种最优的电动机控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。

第1章绪论异步电动机调速系统的发展状况在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。

就变频调速而言，其形式也有很多。

传统的变频调速方式是采用v/f控制。

这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。

1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。

所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。

矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。

无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。

一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。

直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。

因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。

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，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。

异步电动机直接转矩控制系统仿真对比研究卢秉娟，黄会营，姬宣德（洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳471023）摘要：在详细分析异步电动机传统直接转矩控制(BASIC-DTC)系统和空间矢量调制直接转矩控制(S VM-DTC)系统的基础上，本文利用MATLAB仿真平台分别建立了异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型和SVM-DTC系统仿真模型，并对两种仿真模型进行了对比仿真。

仿真结果表明：与异步电动机BASIC-DTC系统相比，异步电动机SVM-DTC系统有效地抑制了转矩和磁链脉动，克服了开关频率不固定的缺陷，同时获得了与BASIC-DTC系统一样的动态响应。

关键词：交流调速系统；传统直接转矩控制；空间矢量调制直接转矩控制；系统仿真中图分类号：TM343 文献标识码：AComparative Study of Induction Motor Direct Torque Control System SimulationLU Bing-juan, HUANG Hui-ying, JI Xuan-de（Department of Electrical Engineering and Automation Luoyang Institute of Science and Technology ,Luoyang HeNan 471023, China）ABSTRACT：On the basis of analyzing in detail the Induction Motor BASIC-DTC System and SVM-DTC System, the BASIC-DTC System simulation model and SVM-DTC System simulation model were established with MATLAB simulation platform In this paper, and two kinds of simulation model were comparably simulated. Simulation results showed that Compared with the BASIC-DTC System, the SVM-DTC System makes the torque and flux ripple reduced, and overcomes the disadvantages of Non-constant switching frequency, and the same dynamic response is also acquired as the BASIC-DTC. KEYWORDS：AC Drive System; BASIC-DTC; SVM-DTC; System Simulation基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B470009)1 引言异步电动机直接转矩控制技术是继异步电动机矢量控制技术之后又一高性能的电动机控制方法，它很大程度上解决了矢量控制算法复杂、控制性能易受电机转子参数变化影响等缺点，为感应电动机的高性能控制开辟了崭新方向。

1设计总体思路1.1主电路的设计直接转矩控制系统简称DTC (Di rect torque controI) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。

在他的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差△/的正负符号和电磁转矩偏差口的正负符号，再根据当前定子磁链的矢量必所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

系统主电路如图1.1所示，由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成，2812DSP的脉冲信号控制全控器件的导通。

图l.i系统主电路图1.2基本原理直接转矩控制系统的原理结构如图1・2示，途中的APR 和ATR 分别为定子磁链调 节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，他们的输出分别为定子磁链 幅值偏差△匕的符号函数sgn(^)和电磁转矩偏差7；的符号函数sgn(AT r ),如图1.2所示。

图中，定子磁链给定応与实际转速。

有关，在额定转速以下，保持恒定，在额定转 速以上，応随着。

的增加而减小。

P/N 为给定转矩极性鉴别器，当渴望的电磁转矩为正 时，P/N=l,当渴望的电磁转矩为负时，P/N=O,对于不同的电磁转矩期望值，同样符号 函数sgn(A7；.)的控制效果是不同的。

图1.2制系统原理结构图 - 1 ,sgn(A7； )sgn( △/)图1.2带有滞环的双位式控制器 当渴望的电磁转矩为正，即P /N =I 时，若电磁转矩偏差AT=r ；-r>o,其符号函数co— PW M 控Sgn(A^v ) ------------------------ sgn«) sgn(A7；) ATRI ---------- B . A^RP/N ASR 转矩计算 电压 矢量 选择 3/2变换vrrsgn(A7；)=l,应使定子磁场正向旋转，使实际转矩7；加大：若电磁转矩偏差厶T. = T ；-T e < 0, sgn(A7；.)=0,一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。

基于MATLAB/Simulink的异步电机直接转矩控制研究方法丄I o引言直接转矩控制<DTC ）技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型变频调速技术，于20世纪80年代由德国学者M. Depenbrock和日本学者I. Takahashi首先针对异步电动机提出，90年代由Zhong. L, Rahman M F, Hu Y W 等学者提出永磁同步电动机直接转矩控制理论。

它采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制（Band-Band控制>产生脉宽信号，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。

DTC具备控制结构简单、转矩动态响应迅速、对电动机参数依赖少、对电动机参数变化鲁棒性好等优点。

目前广泛应用于异步电动机、永磁同步电动机中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中发挥着巨大的作用。

本文分析三相异步电机的数学模型的基础上，介绍了三相异步电动机直接转矩控制系统的控制原理，基于MATLAB/Simuli nk仿真平台建立三相异步电动机直接转矩控制系统的整体仿真模型以及该系统各组成的仿真模型。

仿真结果表明，该控制方法可以有效地实现电机转速的快速跟踪，该系统具有较高的动、静态性能，有效地减小了电动机磁链、转矩的脉动，改善了交流调速系统的稳态性能。

1.异步电动机的数学模型异步电机是一个高阶次、非线性、强耦合的多变量系统，因此对异步电机的数学模型进行分析时，通常作以下假设：<1）忽略空间谐波，假设三相绕组对称，产生的气隙磁场按正弦分布。

<2）忽略磁路饱和现象。

<3 ）不计铁心损耗。

<4）不考虑频率和温度变化对绕组的影响。

采用空间矢量分析法，在正交定子坐标系上描述异步电机。

电机在定子坐标系上的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程组成。

电压方程为：at(1-1>(1-2) 电磁转矩方程为:<1-1)运幼方程为：*式#乓为定子电惑厶为转子电虧匚为互感；R：为定子电阻］&为转子电10；©为转子甬速度；Z为电磁转矩匚兀为负载转無J为转动惯量『与为电机极对埶比船叫刖％，和赳护分别为定子、转子在圧轴和0轴的电压矢量；Q和知'■和L分别为定子、转于在口轴和0轴的电流分量，化口和楚护已加」分别为定子、转子在◎軸和0轴的磁链分量° "2异步电动机直接转矩控制VDTC ）原理直接转矩控制（DTC＞方法采用空间矢量分析方法直接在定子静止坐标系中分析交流电动机的数学模型，构建转矩和磁链的算法模型，计算和控制交流电机的转矩，借助于滞环控制器＜Bang-Bang控制）产生PWM信号，通过开关表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。

目录摘要 (I)1 设计总体思路 (1)1.1主电路的设计 (1)1.2 基本原理 (1)2 单元电路设计 (3)2.1 直接转矩控制系统模型 (3)2.2 转速控制器 (4)2.3 直接转矩控制器 (4)2.4 转矩和定子磁链的计算 (5)2.5 磁通和转矩滞环控制器 (6)2.6 磁链选择器 (6)2.7 开关表 (7)2.8 开关控制模块 (8)3 实验仿真、实验波形记录及分析 (9)4 总结 (12)5 附录 (13)参考文献 (14)1 设计总体思路1.1主电路的设计直接转矩控制系统简称DTC(Direct torque control)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。

在他的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差s ψ∆的正负符号和电磁转矩偏差e T ∆的正负符号，再根据当前定子磁链的矢量s ψ所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

系统主电路如图1.1所示，由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成，2812DSP 的脉冲信号控制全控器件的导通。

图1.1 系统主电路图1.2 基本原理直接转矩控制系统的原理结构如图1.2示，途中的A R ψ和ATR 分别为定子磁链调节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，他们的输出分别为定子磁链幅值偏差s ψ∆的符号函数sgn(s ψ)和电磁转矩偏差e T 的符号函数sgn(e T ∆)，如图1.2所示。

图中，定子磁链给定*s ψ与实际转速ω有关，在额定转速以下，e T ∆保持恒定，在额定转速以上，*s ψ随着ω的增加而减小。

P/N 为给定转矩极性鉴别器，当渴望的电磁转矩为正时，P/N=1，当渴望的电磁转矩为负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数sgn(e T ∆)的控制效果是不同的。

邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学号题目名称三相异步电动机直接转矩控制(DTC)系统仿真设计时间2011年6月20日-2011年7月1日课程名称运动控制系统课程编号121203204 设计地点电力电子与电力拖动实验室/综合仿真实验室一、课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。

运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电机与拖动基础》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

二、已知技术参数和条件异步电动机的参数：380V，60Hz，2对极，Rs=0.435欧，Lls=0.002mH，Rr=0.816欧，Llr=0.02mH,Lm=0.069mH,J=0.19kg.m2，逆变器直流电源510V,Ls=0.71mH,Lr=0.071mH,Tr=0.87三、任务和要求1. 完成主电路的参数设置和仿真2. 完成开关控制模块的仿真3. 控制策略采用直接转矩控制，结合主电路完成系统仿真。

4. 频率变化范围1-50Hz注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、电力电子与电力拖动实验室，4套DJDK-1电力电子与电力拖动实验装置；2、DJDK-1电力电子与电力拖动实验指导书；3. Matlab/Simulink仿真软件五、进度安排2011年6月20日-21日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2011年6月22日-23日：总体方案设计及主电路的仿真2011年6月24日-27日：各单元模块的仿真2011年6月28日-30日：整理并书写设计说明书2011年7月1日：答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签字）：年月日七|、主管教学主任意见主管主任（签字）：年月日八、备注指导教师（签字）：学生（签字）：目录摘要 (3)一异步电机DTC基本原理分析 (4)1.1 异步电机数学模型 (4)1.2 DTC控制系统基本思想 (4)1.3 DTC按定子磁链控制模型 (5)1.4 定子电压矢量控制 (7)二单元电路设计 (10)2.1 DTC模型 (10)2.2 转速控制器 (10)2.4 转矩和定子磁链计算 (11)2.5 磁通和转矩滞环控制器 (12)2.7 开关表 (13)2.8 开关控制模块 (15)2.9 矩阵变频器 (15)三实验仿真 (16)3.1 仿真模型及说明 (16)总结与体会 (19)附录 (20)参考文献 (21)摘要直接转矩控制是近些年来备受关注的一种异步电机控制方法，是高性能调速系统中最为常见的方法之一。

异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的不断发展，异步电动机直接转矩控制系统（Direct Torque Control, DTC）已成为电动机控制领域的重要研究方向。

该控制系统以其快速响应、高鲁棒性和简单的结构特性，在电力驱动、工业自动化、新能源汽车等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在通过MATLAB仿真平台，对异步电动机直接转矩控制系统进行深入研究和探讨。

本文将首先介绍异步电动机直接转矩控制的基本原理和主要特点，包括其与传统矢量控制方法的区别和优势。

随后，将详细阐述异步电动机的数学模型，以及DTC系统中转矩和磁链的控制策略。

在此基础上，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建异步电动机DTC系统的仿真模型，并对仿真模型中的关键参数和模块进行详细设计。

本文的重点在于通过仿真实验，分析异步电动机DTC系统的动态性能和稳态性能，探讨不同控制参数对系统性能的影响。

将针对仿真结果中出现的问题和不足，提出相应的改进措施和优化策略，以提高DTC系统的控制精度和稳定性。

本文将对异步电动机直接转矩控制系统的未来发展趋势和应用前景进行展望，为相关领域的研究人员和工程师提供参考和借鉴。

二、异步电动机直接转矩控制系统理论基础异步电动机直接转矩控制系统（Direct Torque Control, DTC）是一种高效的电机控制策略，旨在直接控制电机的转矩和磁链，从而实现快速动态响应和优良的控制性能。

与传统的矢量控制相比，DTC具有算法简单、易于数字化实现、对电机参数变化不敏感等优点。

异步电动机DTC系统的理论基础主要建立在电机转矩和磁链的直接控制上。

在DTC中，通过检测电机的定子电压和电流，利用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）或滞环比较器（Hysteresis Comparator）等控制手段，直接计算出所需的电压矢量，以实现对转矩和磁链的快速调节。