异步电动机直接转矩控制及其数字仿真

1、异步电动机直接转矩控制及其数字仿真张丽娟 刘晓平（北京邮电大学 自动化学院 北京 100876）摘 要 异步电动机直接转矩控制是近年来兴起的一种交流调速方法，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，并且具有优良的控制性能。本论文即是对这一新型的控制方法进行研究，根据直接转矩控制的原理对其构成的系统进行了数字仿真，仿真结果表明，该控制方法是行之有效的，是一种比较好的交流电机调速方法。关键字 直接转矩控制 定子磁场定向 数字仿真1 直接转矩控制的产生直接转矩控制变频调速技术DTC(Direct Torque Control是继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的

2、具有高性能的交流变频调速技术。矢量控制技术的发展，使得交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静态性能上与直流传动相媲美的问题，矢量控制技术模仿了直流电动机的控制，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现了交流电动机的转矩和磁链控制完全解耦，它的提出促成了交流电动机在工业上的广泛应用，具有划时代的意义，然而，在这种控制系统中，由于要模仿直流电动机，因而有两次矢量的旋转变化，这就增加了系统的复杂性。而且，由于客观上转子磁链是难以准确观测的，并且，在控制方程中，用到了极易受温度影响的转子参数，参数的变化直接影响了电动机的调速性能，使得实际上的控制效果远不如理论分析的完美，虽然，后来提出许多的改进方

3、法，并且也取得了良好的控制效果，例如：增加实时的转子参数辨识环节，但是，同时也增加了系统的复杂性，使得交流电机固有的简单、廉价、维护方便等优势被削弱。异步电动机的直接转矩控制技术的提出，摒弃了传统的矢量控制中的解耦思想，直接从定子边入手，运用受温度影响较小的定子电阻，计算出定子磁链和电磁转矩，用“BangBang”控制的方法直接对其进行控制，该方法思路清晰、简单、控制直接，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，实际性能难以达到理论分析的结果等一系列重大问题。因此，它一经提出就受到了各国交流传动界的广泛重视，并在最近几年中得以迅速发展。2 直接转矩控制工作原理2

4、.1 空间矢量的概念2.1.1 逆变器的开关状态由自关断器件构成的电压型逆变器有三组六个开关，其中两两互补，即一个接通，另一个断开，故三相开关有8种可能的开关组合，这8种开关状态构成了8个离散的电压矢量，直接转矩控制正是利用了这8个离散的电压矢量来进行控制的，其中，除全闭合和全断开状态，共6种工作状态，通过分析三相电压波形可知，它相当于180度异电型方波输出逆变器的波形，各相只是相位上相差120度电角度。2.1.2 电压空间矢量电压空间矢量选择是异步电动机直接转矩控制中一个重要环节，这里引入Park变换，将三个标量（三维）变换为一个矢量（二维），会带来很多的方便，假定选定定子坐标系中三相负载接

5、成星形，则其输出的电压矢量 的Park的轴与Park矢量复平面的实轴复合，矢量变换表达式为： j j 233U s (t =(U a +U b e +U c e 3 (1 24其中U a 分别是三相定子负载的相电压。由此可知，在逆变器的6个工作状态中，电压幅值相同，只是空间位置不同，这就构成了电压矢量空间分布。2.1.3 磁链空间矢量逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定子上，则定子电压也为U s (t ，定子磁链u (t 与定子电压U s (t 之间的关系为：u (t =(U s (t i s (t R s dt (2 忽略定子电阻压降的影响，即可得：u (t =U s (t dt (3 即

6、定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，依次给电机施加电压空间矢量，则将在电机气隙中产生正六边形的磁链轨迹，并且只要定子电阻压降比起足够小，则正六边形可以得到很好的近似。2.2 直接转矩控制和转矩直接控制直接转矩控制技术不仅是对转矩的直接控制，而且包含了对磁链的直接控制，以转矩为主，对磁链和转矩进行综合控制，磁链直接控制保证了定子磁链的近似额定值，以便充分利用电动机，转矩直接控制保证快速的转矩响应，以获得优良的动、静态控制性能。U s (t 来合理地选择各电压空间矢量及作用时间，就有可能获得幅值不变而又旋转的定子磁链，借助于磁链位置检测和磁链滞环控制技术实现磁链的限幅控制，获得近似于

7、圆形的旋转定子磁链轨迹，其中定子磁链向哪个方向旋转由所选择的电压空间矢量决定，这种调制的频率越高，所得的平均旋转速度越均匀，同时电机的电磁转矩脉动也越小。其中转矩方程式可写为： T e =13u r sin L 2 (4 在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机的铁芯，转子磁链幅值由负载决定，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变电动机磁通角的大小实现，在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就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，从而改变磁通角的大小，这样就达到了控制电动机转矩的目的。3 工作特点直接转矩控制直接

8、在定子边坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算；采用定子磁链，只要知道定子电阻就能把它观测出来，因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题；采用空间矢量的概念来控制分析三相交流电机的数学模型和各物理量，使问题简单明了；它把转矩作为直接被控量，直接控制转矩，从控制转矩的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果；通过两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一定的范围内，这种“直接自控制”的思路不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生PWM信号

9、，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。4 系统仿真及结论图1为直接转矩控制系统框图，磁链幅值将用来与磁链给定值进行比较，以便实现磁链的闭环控制，磁链矢量的两个分量经过反三角变换，可以计算出瞬时定子磁链在定子坐标系上的角度，从而可以判断出定子磁链所在的区间来。磁链比较环节将磁链反馈值与磁链给定值的差值经过滞环比较器与容差进行比较，提高磁链响应的速度。采用Simulink仿真软件对系统进行数字仿真，对控制系统进行参数初始化，仿真电机参数如下：表1 电动机参数表额定功率3.5KW转子电感68.93mH转子电阻0.39欧 额定相电压 220V 极对数p2 互感65mH 定子电感

10、70.32mH 定子电阻0.53欧 转动惯量0.056Nm利用仿真环境我们可以得到速度响应曲线（如图2 所示），磁链曲线（如图3所示）。通过对直接转矩控制系统仿真研究，我们得出了以下结论：直接转矩控制是一种新颖的、简洁的、高效的交流电机调速方法，不用进行复杂的矢量变换，不用为了解耦进行电机模型的简化处理，不受电机转子参数的影响，分别对转矩和磁链进行控制，它能对磁链和转矩的动态情况的任意组合进行合理控制，响应速度快，有利于磁场的快速建立和动态过程的快速响应，无论是在启动时还是在稳态时，磁链响应都能很快达到给定值，而且它的误差限制在给定范围内，转矩响应也是如此。在仿真过程中，我们在动态和稳态采用了不同的转速控制策略，该策略能够保证电机动态时转速响应的快速性和稳态时的抗干扰性能，从仿真结果可以看出，动态时转速以最大的速度上升，而稳态时则近似保持一条直线。对直接转矩控制系统的仿真结果研究表明，该方法是一种高性能的交流电机调速方法。 图1 直接转矩控制系统框图图2 速度响应曲线 图3磁链曲线 参考文献： 1 2 3 4 5 6 7 8 李夙 熊世和 异步电动机直接转矩控制 机电系统计算机控制技术 机械工业出版社 电子科技大学出版社 西安电子科技大学出版社 楼顺天 施阳