三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告

1、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 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 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 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； MATLABMATLAB 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

2、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

3、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。

4、 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

5、 1 1 直接转矩控制系统图标 直接转矩控制DTC模块结构图如 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s受电压空间 矢量us控制Ws ? /usdt，因此改变逆 变器开关状态可以控制定子磁链 s 的运行轨迹，从而控制交流电

6、机的运 行。图 2 所示，转矩给定 Torque* 、磁通给 图 2 2 直接转矩控制系统模型结构 图 3 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(aB)上的电压和电流,分，模块phi_d和phi_q分别输 dq_V_tra nsform 出定子磁链的 和轴分量 dq_transform 变换模块结构和 s , s 和 s 经 Real_Imag to 如图5所示。 图

7、4 4 转矩和定子磁链计算单元结构 Compels模块得到复数形式表示 的磁链s,并由Compels to3.1定子磁链计算 Magnitude_Angle计算定子磁链 定子磁链的模拟和离散计算 s的幅值和转角。 式为 3.2转矩计算 电动机转矩计算式为 (3-1) (3-3) 标系上的定子电压和电流, 积分系数，Ts为采样时间。 磁链计算采用离散梯形积 度设为dTe是，当转矩偏差 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 (Te* Te)号和 Z 号时，滞 环模块dTe/2和dTe/2分别输出 (u Rsis )dt (us Rsis 嚎嚎 1) 1) 3 Te p( s is

8、 s is ) (3-2) 式中，us 和is为 两相坐 式中，p为电动机极对数。 图 5 5 abc/abc/ 坐标系变换模块结构 4 模块结构 4.1磁通和转矩滞环控制器 位滞环控制方式，在转矩滞环宽 器( Flux & Torque hysteresis 结构如图6所示。转矩控制史三 dTe/2和dTe/2输出为“ 0”时,状态“ 1”和“ 3”，当滞环模块 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dW是，当 磁链偏差（；e）和 2 （:e） L时，模块dPhi分别 2 输出状态“ 1”和“ 2”。 分为6个区间，磁链选择模块s 的位置角

9、， 判断磁链s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4.2磁链选择器 直接转矩控制将磁链空间划 图 6 6 Flux Flux & Torque hysteresis Torque hysteresis 模块 图 7 7 磁链选择器模块结构 4.3开关表 表 1 1 Lookup Table Lookup Table 表格 H phi状态 H Te 状态 磁链选择器状态 1 2 3 4 5 6 1(Flux=1) 1 2 3 4 5 6 1 2 0 7 0 7 0 7 3 6 1 2 3 4

10、 5 1(Flux=-1) 4 3 4 5 6 1 2 5 7 0 7 0 7 0 6 5 6 1 2 2 4 图 8 8 switching table switching table 开关表 开关表（switching table ） 个开关器件的通断状态，它由两 （如图8）用于得到三相逆变器6 张Lookup Table表格（Flux=1在的分区编号 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V0V7其中 包含

11、了两种零状态 V0和V7。 开关表中， Magnetisation 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。 模块结构如图 9 所示，其作用是 图 9 9 Magnetisation Magnetisation 模块 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 10 开关控制模块 5 仿真结果 图 11 11

12、 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0.02 Q,电感0.05mH。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 re

13、ference 设定值为：t=0、0.5s、4.4 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 1.5s 时转矩分别为 0 N*m、792 转 速 调 节 器 采 用 时 间 为 N*m -792N*m。 1.4卩s。仿真得到的结果如图 模型采用混合步长的离散算 13所示。 法，基本采样时间Ts=0.2卩s, a a）转速响应 b b） a a 相定子电流 c c）电磁转矩 图 13 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 0.6s 时达到设定的转速 500r/min 。在 00.5s 范围内电动 机是空载启动，电动机电流为 200A（幅值）；0.5s 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=1.5s 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 0