三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998三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。
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）、Braking chopper、三相逆变器（Three-phase inverter）、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Torque*、磁通给定Flux*、电流I_ab和电压V_abc输入信号都经过采样开关，DTC模块包括转矩和磁通计算、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Ψs受电压空间矢量us控制Ψs?∫usdt，因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链Ψs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，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（αβ）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()s s s s tu R i dαβαβαβψ=-⎰ (3-1)(z1)()2(z1)ss s s sKTu R iαβαβαβ+ψ=-+(3-2)式中，suαβ和siαβ为αβ两相坐标系上的定子电压和电流，K为积分系数，sT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α和β轴分量s αψ和s βψ，s αψ和s βψ经Real_Imag to Compels 模块得到复数形式表示的磁链s ψ，并由Compels to Magnitude_Angle 计算定子磁链s ψ的幅值和转角。
转矩计算电动机转矩计算式为3()2e s s s s T p i i βααβ=ψ-ψ (3-3)式中，p 为电动机极对数。
图5 abc/αβ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 )2e e e dT ->+和*(T T )2ee e dT -<-时，滞环模块/2e dT 和/2e dT -分别输出状态“1”和“3”，当滞环模块/2e dT 和/2e dT -输出为“0”时，经或非门NOR 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d Ψ是，当磁链偏差*()2e e d ψψ-ψ>+和*()2e e d ψψ-ψ<-时，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s ψ的位置角ϕ，判断磁链s ψ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 ＆Torque hysteresis 模块图7 磁链选择器模块结构开关表表1 Lookup Table 表格图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后通过选择开关2（Multiport Switch2）输出对应的6个开关器件的8种开关状态V0~V7，其中包含了两种零状态V0和V7。
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。
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5 仿真结果图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360V、60HZ，电源内阻Ω，电感。
电动机额定参数：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型库Discrete Control Drive中的timer模块，Speed reference设定值为：t=0s、1s时转速分别为500 r/min、0r/min。
Torque reference设定值为：t=0、、时转矩分别为0 N*m、792 N*m、-792N*m。
模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts=μs，转速调节器采用时间为μs 。
仿真得到的结果如图13所示。
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t=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。
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