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异步电动机直接转矩控制的SIMULINK仿真研究 (2)

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直接转矩控制基本原理和仿真研究报告

直接转矩控制基本原理和仿真研究报告

直接转矩控制的基本原理和仿真研究摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。

与矢量控制技术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。

由于直接转矩控制技术本身的固有优势，使直接转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。

本文将直接转矩控制技术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。

在深入剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形磁链控制系统仿真模型。

仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。

关键字：直接转矩控制，异步电机，simulinkThe Basic Principle and Simulation Study of DirectTorque ControlKong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu<Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, 214000, P. R. China）Abstract：Direct Torque Control (DTC> technology is a high-speed technology in the field of AC drive following the technique of vector control and it has rapid development in recent years.This control strategy attracts wide attention and research for its novel idea, simple structure and good performance. Differ from the vector control technologies, DTC technology uses the stator flux orientation and directly makes the flux and electromagnetic torque as the control volume, therefore the control of the electromagnetic torque is simple and fast, the system dynamic response capability is improved. Due to the inherent advantages of DTC technology, its theoretical research and technological development is receiving increasing attention, also the pace of progress faster and faster.In this article, we make direct torque control techniques applied to asynchronous motors. From a mathematical model of induction motor starting, introduced the basic theory of DTC technology. Based on depth analysis of the basis and principles, we module the DTC algorithm. In the Simulink environment, the asynchronous motor direct torque control system of quasi-circular flux simulation model is established. Simulation results show that the DTC technologies has fast dynamic response capability and directly control method, but the low-speed performance is poor, such as torque ripple is too large in low speed state and the stator current distortion is serious.Key words:direct torque control (DTC>,asynchronous motor,simulink1前言直接转矩控制技术作为一种新颖的电机控制策略，基本思想就是直接将电磁转矩作为被控制量，与矢量控制相比，无需进行复杂的坐标变换，对电机的控制更加快捷迅速，控制系统的动态响应能力得到进一步提高。

异步电动机直接转矩控制的SIMULINK仿真研究

异步电动机直接转矩控制的SIMULINK仿真研究

矩脉动这将是今 后 的 研 究 重 点 - 这 一 仿 真 平 台 的 建 立必将为 以 后 的 交 流 调 速 系 统 的 研 究 开 发 奠 定 基 础参考文献：
［# ］ 周平 - 交流异步电动机直接转矩控制系统 的 仿 真 建 模， 微 特电机， （!） ： $..! ， %! / %0 ［$ ］ 黄志武 - 基于 12345267 8 1 函数的直接转矩 控 制 系 统 仿 真 研 究， 自动化技术与应用， （9） ： $.." ， !$ / !" ［%］ 王聪， 等译 - 现代电力电子学与交流 传 动 :23;5 , - :<1= 著， ［ (］ 机械工业出版社， - 北京： $..! ［9］ &>;><? ;6@ A<><? B54C :;1=@ D=;@E=;> D2?=F> G<?H4= I<6>?<5 <J ’6@4F>2<6 (;FK26=1，:;?E;?; L - ,=66M，+N&N 8 G(— $..# / $###.. 8 AOP# ［!］ 李鹤轩 等 译， 异步电动机的控 N6@?Q=R ( - G?QM6;@5<S172 著； 制 ［ (］ 机械工业出版， - 北京： $..% ［" ］ 李翼昆 - 异步电 动 机 直 接 转 矩 控 制 的 仿 真 与 分 析 ［ T］ ， 控 制工程， （##） ： $..9 ， #U9 / #UV -
（(）
的硬件实现中对 控 制 系 统 有 较 高 的 要 求， 故采用通 过定子磁链矢量的分量的符号及其比值来判断扇区 的位置 , 其算法的实现较简单， 判断过程如下表 & 所 示：

15-基于Matlab_Simulink的直接转矩控制系统仿真研究

15-基于Matlab_Simulink的直接转矩控制系统仿真研究
【１０８】 第 ３２ 卷 第 １ 期 ２０１０－１
（７）
３．２．２ 磁链与转矩滞环调节模块
磁链允许容差通过定义施密特触发器的上下触 发点来设置，输出 ｓｆ （０ 或 １）即磁链滞环调节器的输 出状态量。图 ４ 所示为定子磁链滞环调节模块。
如图５所示为转矩滞环调节子系统，其中ωｒ、ωｒ＊ 分别为观测所得转速和给定转速参考值，将其 ＰＩ 调 节后得到给定转矩和实际转矩。转矩滞环调节的输 出状态量 ＳＴ 有两种状态值，分别为 １ 和 ０，将 ＰＩ 调 节得到的给定转矩和实际转矩的差值与容差逻辑比 较，即可得到 ＳＴ 的值，在查电压矢量最优开关表时
从图 ６ 圆形磁链轨迹可明显看到电压矢量在
图 ７ 相电流波 图 ８ 电磁转矩曲线
图 ６ 圆形磁链轨迹
图 ９ 电机转速曲线 【下转第 １７２ 页】
第 ３２ 卷 第 １ 期 ２０１０－１ 【１０９】
西门子重磅出击亚洲版 ＳＰＳ —— ＳＩＡＦ ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ
ＳＩＡＦ ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ 中国广州国际工业自动 化技术及装备展览会，是全球最大自动化展—— “ＳＰＳ／ＩＰＣ／ＤＲＩＶＥＳ 电气自动化展”与华南著名工 控展——“ＣＨＩＦＡ 中国（广州）国际工业控制自动 化及仪器仪表展”在中国的完美结合，２０１０ 年 ３ 月 ８～１１ 日在广州琶洲展馆举办。经过资源整合，展会 将借鉴 ＳＰＳ 成功办展经验和营销模式投入运行。
直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通 过控制电流、磁链等变量间接控制转矩，而是用空 间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子 磁链和电磁转矩进行直接控制［３］。该技术采用 Ｂａｎｇ － Ｂａｎｇ 控制从而可得到快速的转矩响应，并且由于 控制性能不受转子参数影响，所以可提高系统鲁棒 性，省去了旋转变换和电流控制，则可简化控制器 的结构。

三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告

三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告

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。

MATLABSimulink异步电机直接转矩控制研究报告方法

MATLABSimulink异步电机直接转矩控制研究报告方法

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。

异步电动机直接转矩控制系统的研究与仿真

异步电动机直接转矩控制系统的研究与仿真

异步电动机直接转矩控制系统的研究与仿真作者：冯娜，郭涛来源：《现代职业教育·高职高专》2017年第11期[摘要] 针对异步电动机的直接转矩控制系统进行了Matlab/Simulink的建模与仿真研究。

并在原有基础上对转速调节器进行了改进，通过对仿真波形的比较与分析，表明系统的动态性能有了很大提高，为实际的异步电机直接转矩控制系统的设计提供了思路。

[关键词] 直接转矩控制；Matlab；动态性能[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）31-0192-02一、直接转矩控制的基本原理直接转矩控制系统原理框图图1所示：交流电经整流器整流后输出直流，为逆变器提供工作电压。

电动机侧测得电压和电流值，并经3/2坐标变换成两相静止坐标系下的对应值uα、uβ、iα、iβ，然后经磁链观测器得到电机的定子磁链分量ψα、ψβ，经转矩观测器得到转矩实际值Tf。

定子磁链给定值ψg和反馈值ψf 比较输出偏差信号，经磁链调节器后产生磁链开关信号ψQ。

转矩给定值Tg和转矩实际值Tf 比较后输出的偏差信号经转矩调节器后产生转矩开关信号。

通过判断、的位置可得到磁链所处扇区，此功能由扇区判断模块实现。

开关信号选择模块综合三个输入信号：磁链开关信号ψQ、转矩开关信号TQ、扇区N号，产生正确的电压开关信号给逆变器，完成该闭环控制。

二、系统改进与建模进行电机速度的控制，本质就是是对电机输出转矩的控制。

要想使系统稳定运行在某一转速n1时，必须在该转速下使Te=TL，若要使系统稳定在一个比n1高的转速n2时，则首先在n1转速下使Te>TL，电机加速，当到达转速n2后，再使Te=TL，则电机就在新的转速下稳定运行了。

本文采用比例积分控制器，构成转速PI调节器的无静差系统。

改进后的速度调节器模型如图2所示：模型中利用条件模块来实现积分作用与不作用状态的切换，当转速偏差大于给定值（u 值）时只接通上面的一路即只比例部分起作用；当转速偏差小于给定值时，开关接通下面一路比例积分同时作用。

异步电机直接转矩控制系统研究(本科毕业设计)

目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1电机调速技术的发展概况 (1)1.2直接转矩控制技术的发展现状 (2)1.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势 (2)1.2.2目前的热点研究问题及解决方法 (2)1.3本文所做的工作 (3)第2章直接转矩控制理论 (4)2.1概述 (4)2.2直接转矩控制的基本原理 (4)2.2.1异步电机动态数学模型 (4)2.3逆变器的输出电压状态及电压空间矢量 (6)2.3.1逆变器输出电压状态 (6)2.3.2电压空间矢量 (7)2.4电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响 (8)2.4.1异步电机的磁链观测模型 (8)2.4.2电压空间矢量对定子磁链影响 (9)2.4.3电压空间矢量对转矩的影响 (10)2.5直接转矩控制系统的基本组成 (11)2.5.1磁链滞环调节器 (12)2.5.2转矩滞环调节器 (12)2.5.3开关信号选择单元 (13)2.6低速范围内的解决方案 (13)第3章异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 (16)3.1仿真软件MATLAB简介 (16)3.1.1MATLAB 语言 (16)3.1.2软件构成 (16)3.2仿真模型搭建及参数设置 (18)3.3仿真结果及分析 (20)第4章系统硬件电路的设计 (21)4.1控制电路结构简介 (21)4.2DSP(TMS320LF2407A) (21)4.3 3.3V DSP与5V逻辑器件的混合接口问题 (23)4.3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题 (23)4.3.2 系统接口实现方法 (24)4.4转子速度的测量 (26)4.5A/D采样电路 (26)4.6主电路结构框图 (27)4.7IPM智能模块7MBP50RA120功能简述 (28)4.8主电路的保护功能 (29)4.9主电路的控制电源 (30)第5章系统控制软件的设计开发 (31)5.1系统软件总体设计 (31)5.2软件模块 (34)5.2.1初始化模块 (34)5.2.2串口通讯模块 (35)5.2.3电流采样模块 (35)5.2.4电机转速采样模块 (36)5.2.5 Pl调节模块 (37)参考文献 (38)致谢 (40)异步电机直接转矩控制系统研究摘要：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。

基于MatlabSimulink的异步电机矢量控制系统仿真

基于Matlab/Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真摘要在异步电机的数学模型分析中以及矢量控制系统的基础之上，利用Matlab/Simulink运用建立模块的思想分别组建了坐标变换模块、PI调节模块、转子磁链个观测模块、SVPWM等模块，然后将这些模块有机的结合，最后构成了异步电动机矢量控制的仿真模块，并且进行了仿真验证。

仿真结果分别显示了电机空载与负载情况下转矩、转速的动态变化曲线，验证了该方法的有效性、实用性，为电机在实际使用中打下了坚实的基础。

本文主要研究异步电机在矢量控制下的仿真。

使用Matlab/Simulink中的电气系统模块(PowerSystem Blocksets)将其重组得到新的模型并对其仿真，最后分析仿真结果得出结论。

关键词: 异步电机矢量控制 MATLAB/SIMULINK 变频调速目录摘要 (I)Abstract......................................................................................... 错误!未定义书签。

1 绪论 (1)1.1 电机及电力拖动技术的发展概况 (1)1.2 异步电动机的控制技术现状................................................. 错误!未定义书签。

1.3 仿真软件的简介及其选择..................................................... 错误!未定义书签。

1.4 论文的主要内容及结构安排................................................. 错误!未定义书签。

2 异步电动机的数学模型 (4)2.1 异步电动机的稳态数学模型 (4)2.2 异步电动机的动态数学模型 (5)2.3 本章小结 (7)3 矢量控制系统基本思路 (8)3.1 矢量控制的基本原理 (8)3.2 坐标变换 (9)3.3SVPWM调制 (21)3.3本章小结 (11)4 异步电机矢量控制系统仿真 (14)4.1矢量控制系统模型 (14)4.2仿真结果与分析 (15)4.5本章小结 (17)5结论与展望 (18)5.1结论 (18)5.2后续研究工作的展望 (19)参考文献 ....................................................................................... 错误!未定义书签。

异步电动机直接转矩控制的SIMULINK仿真研究


率 ， 异步 电机 的转 矩和 磁链 能 同时按 要求 变 化 ． 使
实现 ， 给模 型 的搭建 带来诸 多 不便 ． 采用 Ｓ函数 能 而 使 系统 的 仿 真 结 构 原 理 清 晰 ， 于 移 植 ， 易 可操 作 性 强， 为直 接转矩 的研 究提 供 了一方 便 简洁 的途径 Ｊ ．
文 章 编 号 ： ０ —０ ２ （０ ７ ０ —０９ —０ １ ５ ５３２ ０ ）１ ０ ３ ４ ０
异 步 电动 机 直 接 转 矩 控 制 的 ＳＭＵ Ｉ Ｋ仿 真 研 究 Ｉ ＬＮ
陈 彬 ， 平 岗 ， 宋 何 鑫
（ 东 交 通大 学 电气 与 电 子工 程 学 院 ， 西 南 昌 ３０ １） 华 江 ３０３
子磁 场定 向的方 案实 现传 动系统 的转矩 和 磁链 的直
接控 制 ． １为异 步 电机 直接 转 矩控 制 的原 理 图 ， 图 将 电机 检 测 出的转 速与 目标转 速 比较 ， 通过 Ｐ 调 节器 Ｉ 生成 目标 转矩 指 令 ． 测 出的定 子 电 压 及 电 流 通过 检 磁链 和转矩 观测 器 Ｊ 出定子 磁链 观 测值 和实 际 电 得
本文 以基本 磁链 观 测 模 型 为 基 础 ， 用 两 电平 磁链 采
调 节 器 和 三 电平 转 矩 调 节 器 ， 合 Ｓｍ ｏ ｅ ｙｔ ｓ 结 ｉｐ ｗ ｒ ｓ ｍ ｓ ｅ 基本 模块 库和 Ｓ函数 构 建 出异 步 电机 的直接 转矩 控 的仿 真模 型 ， 为实 现异 步 电机 的直 接 转 矩研 究 提 供
磁转 矩 ， 经过 磁链 和转 矩 的滞环 调 节 ， 据 磁链 定子 根 磁链 所在 区域 ， 断 切 换 逆 变器 的 开关 态使 定 子 磁 不
链轨 迹逼 近 于 圆形 ， 通 过 零状 态 电 压 矢 量 的 穿插 并 调节 来 改变转 差 频 率 ， 以控 制 电 机 的转 矩 及 其 变化

基于Matlab_Simulink的异步电机直接转矩控制系统仿真_何萍


, 2# ! . ) ! # !’ 2 , ’ . ) # ! . " & , )’$ 2 # ! ! . "
［ ］
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" $ " 2 $ , ’$ ! " ! 式中，- 5 （ 。 .／ ’ ’ 6’$） * ) 磁链方程为
电气应用 ! " " #年第! $卷第%期
基于 8 5 ’ # 5 6／ . / 0 $ # / 1 2的异步电机直接转矩控制系统仿真
$* ’ 2 ’$ 2# * ! / * ! ! # ! ! # $* 2 ’ 2 ’$ * * * " " $ $* ’$ 2 ’ 2 * ! ) ) !
" $ "2 $* " 转矩方程为
（ ） -
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2
$ " $ ’ * ) ) " （ ） 7
（ ! 0( $ " * * * * !） 4 $* " ) $* " 运动方程为
, 引言
直接转矩控制变频调速技术，是% "世纪2 "年 代由德国鲁尔大学的 3 4 4 , 1 6 7 8 - 教授和日本学者 5 9 / / : / ; : (提出的。它用空间矢量分析方法，在二 相静止坐标系下计算、控制异步电动机的磁链和转 矩，采用两点式调节产生 < =. 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。直接转矩控制技术自诞生起就以其新颖的控 制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ! " ! 直接转矩控制系统仿真模型 直接转矩控制系统的仿真模型如图!所示，磁 链模型 （ ）的实现如图 & 所示，先将测得的三 " # $ % 相定子电压和定子电流经过三相 ／ 二相变换，然后 用积分模块建立起磁链模型。转矩模型 （ ） ’ ( ) $ + * 的实现比较简单，在此省略。
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陈 彬，宋平岗，何 鑫
（华东交通大学 电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）
摘要：分析了异步电动机直接转矩控制的基本原理，介绍了一种基于 SIMULINK 的异 步 电 动 机 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 仿 真 方 法 .
该方法包括编写 S 函数来实现异步电机磁链扇区的判断和逆变器开关矢量的选择，以及 利 用 Simpowersystems 基 本 模 块 库 来 实
! 系统仿真及分析
根据 上 述 分 析，最 终 构 建 出 笼 型 异 步 电 动 机 的
直接转矩控制仿真系统 . 异步电机的仿真参数：额定
功率 PN = 2 . 2 kw，额定电压 uN = 220 V，额定频率 fN
= 50 HZ，定 子 电 阻 Rs = 0 . 435 !，定 子 自 感 s = 0 .
2007 年
{ I !"s = （ U"s - Rs · i"s）dt
I !#s = （ U#s - Rs · i#s ）dt
电磁转矩观测模型可表示为：
Te :
3 4
P（!"si#s - !#si"s ）
其中参数 P 为电机的极数 .
定子磁链的幅值可通过下式计算出：
（l） （2）
M !s : !"2 s + !#2 s
3结论
异步电机的直接转矩控制系统具有动态响应速 度快，性能受电机 参 数 影 响 小，计 算 简 单 等 优 点，本 文在 SIMULINK 中建立 起 异 步 电 机 的 直 接 转 矩 控 制 的仿真模型，验证 了 异 步 电 机 在 高 速 范 围 内 的 这 一 动态性能，对于低 速 范 围 内 的 仿 真 只 需 修 改 磁 链 观 测模型即可，同时 我 们 也 发 现 如 何 在 全 速 范 围 内 建 立起一个算法简单的磁链观察模型以及如何减少转
为保证定子磁链的近圆形运转同时使电磁转矩 的 容 差 控 制 在 一 定 的 范 围 内 ，根 据 上 述 分 析 方 法 ，通 过磁链和转矩的滞环调节器可判断出作用于逆变器 的下一电压矢 量［6］，由 此 便 可 确 定 三 相 电 压 逆 变 器 的开关状态，开关状态选择表如表 2 所示：
在本仿真中，通过编 写 S - 函 数 来 实 现 表 2 逆 变器的开关状态选择，主程序略 .
" 直接转矩的基本原理
直接转矩控制是 建 立 在 电 压 源 型 PWM 逆 变 器 传动系统基础上 的 一 种 先 进 的 标 量 控 制 技 术，它 是 在定子坐标系下 分 析 异 步 电 机 的 数 学 模 型，采 用 定 子磁场定向的方案实现传动系统的转矩和磁链的直 接控制 . 图 1 为异步电机直接转矩控制的原理图，将 电机检测出的转速与目标转速比较，通过 PI 调节器 生成目标转矩指令 . 检测出的定子电压及电流通过 磁 链 和 转 矩 观 测 器［3］得 出 定 子 磁 链 观 测 值 和 实 际 电 磁 转 矩 ，经 过 磁 链 和 转 矩 的 滞 环 调 节 ，根 据 磁 链 定 子 磁链所在区域，不 断 切 换 逆 变 器 的 开 关 态 使 定 子 磁 链轨迹逼近于圆 形，并 通 过 零 状 态 电 压 矢 量 的 穿 插 调节来改变转差 频 率，以 控 制 电 机 的 转 矩 及 其 变 化 率，使异步电机的转矩和磁链能同时按要求变化 .
002 H，转 子 电 阻 Rr = 0 . 81 !，转 子 电 感 r = 0 . 002
H，互感 m = 69 . 31 mH，转 动 惯 量 ] = 0 . 005 kg·m2，
摩擦系数
F
= 0，定 子 磁 通!来自! s= 0.8
Wb，转 矩 偏 差
"T = 0 . 5 N·m，磁通偏差 "! = 0 . 005 Wb .
图 3— a 磁链调节器
图 3— b 转矩调节器
从图 4 中 可 以 看 出，电 压 矢 量 Ul、U2 和 U3 的
作用会使磁链增加；U4、U5 和 U6 的 作 用 会 使 磁 链 减
少 . 同样地，电压矢量 U3 和 U4 作用时，磁通角增大，
转矩会增加；Ul 和 U6 作 用 时，磁 通 角 减 小，转 矩 会
第 24 卷第 1 期 2007 年 2 月
华东交通大学学报 JournaI of East China Jiaotong University
文章编号：1005 - 0523（2007）01 - 0093 - 04
VoI . 24 No . 1 Feb . ，2007
异步电动机直接转矩控制的 SIMULINK 仿真研究
图 1 异步电机直接转矩控制系统原理图
"." 磁链观测和磁链区域判断 异步电机的磁链观测模型主要有三种磁链模
收稿日期：2006 - 93 - 04 作者简介：陈彬（1981-），男，湖北蕲春人，在读硕士，研究方向为电力电子与交流传动 .
94
华东交通大学学报
型：u - i 模 型，i - I 模 型 和 u - I 模 型，由 于 u - i 模 型结构简单［4］，在 计 算 过 程 中 所 需 的 电 机 参 数 是 电 机定子电阻，在本 仿 真 研 究 中 我 们 将 采 用 这 一 数 学 模型，u - i 磁链模型可表示为：
（3）
为了合理选择逆变器开关状态以实现异步电机
的近圆形旋转磁 场，将 定 子 磁 链 矢 量 的 空 间 位 置 划
分为 Sl——— S6 共六个扇区，如图 2：
图 2 磁链扇区的划分
磁链矢量所在的扇区的判断同电压空间矢量 的扇区判断方法 是 一 致 的，都 是 采 用 坐 标 变 换 的 方 式 通 过 求 幅 角 或 实 轴 、虚 轴 分 量 来 判 断 ，而 由 幅 角 来 判断扇区的方法 采 取 了 反 三 角 函 数 的 形 式，在 实 际 的硬件实现中对 控 制 系 统 有 较 高 的 要 求，故 采 用 通 过定子磁链矢量的分量的符号及其比值来判断扇区 的位置 . 其算法的实现较简单，判断过程如下表 l 所 示：
减少；当 U2 超前定子磁链 矢 量 时，U2 作 用 使 磁 通 角
增大转矩增 大，U5 作 用 使 磁 通 角 减 小 转 矩 减 小；当
第1期
陈彬，等：异步电动机直接转矩控制的 SIMULINK 仿真研究
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u2 滞后定子磁链 矢 量 时，u2、u5 对 转 矩 的 影 响 与 前 者相反 . 零矢量的作用时，定子磁链静止，幅值不变， 但由于转子磁链 继 续 旋 转，磁 通 角 会 变 小 使 转 矩 减 小［5］.
表 l 磁链扇区的判断
- 0 . 57S!"s / !#s < 0 . 577
Sl
!"s > 0
!"s / !#s E0 . 577
S2
!"s E0
!"s / !#s < - 0 . 577
S6
!"s / !#s < - 0 . 577
S3
!"s < 0
- 0 . 577S!"s / !#s < 0 . 577
现功率部分的仿真 . 实例的仿真结果表明该方法简单有效，为直接转矩控制系统的进一步研究奠定了基础 .
关 键 字：直接转矩控制；磁链；电压空间矢量；S 函数
中 图 分 类 号 ：TM343
文 献 标 识 码 ：A
! 引言
异步电动机的直接转 矩 控 制（DTC）作 为 一 种 新 型的交流变频调 速 技 术，它 抛 弃 了 矢 量 控 制 中 的 解 耦 思 想 ，直 接 从 定 子 坐 标 系 入 手 ，解 决 了 矢 量 控 制 中 转 子 磁 链 难 于 观 测 ；系 统 性 能 受 电 机 参 数 影 响 较 大 ； 矢量旋转变换较为复杂等缺陷 . 由于其简洁明了的 系统结构，优良 的 动 态 性 能，因 此 受 到 普 遍 的 关 注 . 目前对于直接转矩的研究主要集中在磁链观测模型 的研究、转矩脉动的研究以及无速度传感器的研究 . 其仿真大多采 取 MATLAB 这 一 基 本 工 具，普 遍 直 接 采用 SIMULINK 模 块 搭 建 系 统 的 仿 真 模 型［1］，但 由 于系统复杂性如 磁 链 扇 区 的 判 断、逆 变 器 开 关 表 的 实现，给模型的搭建带来诸多不便 . 而采用 S 函数 能 使系统的 仿 真 结 构 原 理 清 晰，易 于 移 植，可 操 作 性 强 ，为 直 接 转 矩 的 研 究 提 供 了 一 方 便 简 洁 的 途 径［2］. 本文以基本磁链 观 测 模 型 为 基 础，采 用 两 电 平 磁 链 调 节 器 和 三 电 平 转 矩 调 节 器，结 合 Simpowersystems 基本模块库和 S 函数构建出异步电机的直接转矩控 的仿真模型，为实 现 异 步 电 机 的 直 接 转 矩 研 究 提 供 了新的仿真平台 .
以定子绕组轴 线，在 空 间 建 立 abc 三 相 静 止 坐 标系，同时建立"# 两 相 静 止 坐 标 系，其 中 " 轴 与 a
轴重合 . 根 据 三 相 电 压 型 逆 变 器 的 不 同 开 关 状 态 sasbsc 可 得 到 8 个 空 间 矢 量，其 中 U0、U7 为 零 矢 量， 电压空间矢量的空间位置如图 2 中所示 . 下面以定 子磁链处于第 2 扇 区 时 为 例，介 绍 了 电 压 矢 量 的 选 择原理 .
u4
图 5 磁链轨迹曲线
图 6 直接转矩控制系统仿真特性曲线
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华东交通大学学报
2007 年
图 5，6 的仿真结果表 明：1，直 接 转 矩 控 制 系 统 的动态调节过程迅速 ! 由于系统在 速 度 环采 用 了 "# 调 节 ，在 负 载 转 矩 发 生 变 化 时 ，电 机 的 转 速 能 迅 速 达 到指令转速的要求 ! 2，合理设置系统的容差，可 使定 子磁链的轨迹接 近 于 圆 形，同 时 定 子 电 流 波 形 接 近 于正弦波 ! 3，直 接 转 矩 控 制 系 统 存 在 一 定 的 转 矩 脉 动，这与选取磁链观测模型以及系统容差有关 !