异步电机直接转矩控制系统及其仿真_曾国树

收稿日期:2005-04-281
曾国树 男 1952年生;毕业于华侨大学电气工程与自动化专业,实验室主任,现从事电机与控制专业实验教学工作1
异步电机直接转矩控制系统及其仿真
曾国树 方瑞明
华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州(362021)
摘 要 阐述了直接转矩控制的基本数学关系,直接转矩的控制系统构成,并在M ATLA B 环境下进行了仿真。

仿真结果表明该技术具有优异的静、动态性能,非常适合电力牵引,并阐述了直接转矩控制的发展前景。

关键词 电机 直接转矩 仿真
中图分类号TM 343 文献标识码A 文章编号1008-7281(2005)04-0023-03
Si m ulation of D irect -Torque Control Syste m of A synchronousM otor Zeng G uoshu and Fang Rui m ing
Abstract Th is paper i n tr oduces t h e basic m athe m atic re lationsh i p of direc-t torque contro l(DTC ),t h e constructi o n o f direc-t tor que .s contr o l syste m.The si m ulati o n results by usi n g Si m u li n k o fMA tlab i n d icates that this techno logy has pre m i u m dyna m ic and stati c properties and is app licab le to e lectric tracti o n .The fut u re of d irec-t to r que contro l is de -scri b ed .
K ey w ords A synchronousM otor ,d irec-t torque contro,l si m u lation .
1 引言
近年来随着交流控制技术的发展,以定子磁链为控制对象的异步电机直接转矩控制技术正受
到人们的广泛重视。

直接转矩控制(DTC)的基本思想是同时控制异步电机的定子磁链和电磁转矩。

与普通的矢量控制不同,在直接转矩控制闭环中没有电流环。

由于直接转矩控制不象矢量控制那样需要进行旋转3/2变换,所以与矢量控制相比大大地简化了控制算法。

对于一般的直接转矩控制而言,其逆变器开关状态的选择是通过查开关表得到的,因此它不需要进行脉宽调制也能保证转矩的快速响应,同时也能很简便地得到各相输出电压。

而且对于直接转矩控制而言,在高速运行段,除了电机的定子电阻外不需要知道电机的其它参数,所以直接转矩控制对电机参数的依赖度要比矢量控制低。

本文讨论了异步电机直接转矩控制系统,就所遇到的几个问题提出了相应的解决方法。

2 直接转矩控制原理
2.1 异步电机转矩观测模型
在静止两相坐标系下(其直轴A 轴在定子A 相轴线上),异步电机的定、转子磁链如下 定子磁链:7s =(L m +L R s )i s +L m i r (1) 转子磁链:7r =(L m +L R r )i r +L m i s (2) 气隙磁链:7m =L m i s +L m i r
(3)
式中,L m )互感;L R s )定子漏感;L R r )转子漏感;i s )定子电流;i r )转子电流。

不同于矢量控制系统,直接转矩控制方法是以定子磁链矢量为基准,并维持其幅值为恒定,其电磁转矩T e 模型可以表示为 T e =K m (7s A i s B -7s B i s A )
(4)
式中,K m )转矩系数;7s A 、7s B 、i s A 、i s B )7s 、i s
在A 、B 轴系上的分量。

根据式(4)构成的转矩观测模型框图如图1所示。

以定子磁链7s 为基准,在定子坐标系中计算定子磁链,受电机参数影响最小,只需知道定子
23
2005年第4期 第40卷(总第125期)
(EXPLOSI ON -PROOF ELECTR I C MAC H I N E )
防爆电机
2.2 异步电机的磁链模型
如下列各式所示,利用定子电压和转速可以获得定子磁链
T r
d 7r A
d t +7r A =L m i s A +T r X r 7r B T r d 7r B d t +7r B =L m i s B +T r X r 7r A
(5)
7s =Q (u s
-i s
R s
)d t 7s A =Q (u s A
-i s A
R s
)d t 7s B
=Q (u s B
-i s B
R s
)d t
(6)
7s A =7r A +L R i s A 7s B =7r B +L R i s B
(7)
式中,T r =L r
R r
)转子时间常数;L r 、R r )转子
电感与电阻;X r )转子角速度;L R =L R s +L R r 。

在输入量是定子电压和转速信号的前提下,由式(5)可以获得转子磁链信号7r A ,由式(6)可以获得电机的定子磁链信号7s A ,再由式(7)可以获得电机的定子电流i s A ,再结合式(4)还能获得电机的转矩信号,因此,该模型能够较好地模拟异步电机的各个物理量。

3 直接转矩控制系统构成
直接转矩控制异步电机调速系统原理图如图2所示。

将检测出的电机转速n 与给定值n
*
比较,经PI D 调节器生成转矩指令信号T e 。

直流母线电压U dc 和相电流i a ,i b 被检测出来后经过静止3/2变换得到两相静止坐标系下的直轴分量和变轴分量即u
A ,i A 和u
B ,i B 。

其定子磁链和电磁转矩分别由式(4
)、式(6
)得到,
定子磁链的位置角为N 7s =
tan
-1
7s A
7s B。

所得到的定子磁链和转矩的估计值与相应的给定值经滞环HC 1,H C 2比较后输出相应的逻辑信号连同定子磁链位置角一起输出给开关表以决定相应桥臂上的开关器件的开关状态。

图2 直接转矩控制系统结构框图
4 仿真结果分析
图3给出了异步电机高速直接转矩控制、磁
场削弱范围内的直接转矩控制的部分仿真结果。

(a)稳态运行时电磁转矩波形
(b)稳态运行时电流波形
(c)负载突然增大时的电磁转矩波形
(d)负载突然增大时的电流波形
(下转36页)
24
术培训班实习期间,在该大学自吸试验台上针对50BPZ-35做了性能试验。

泵被安装在5m 高的固定试验台架上,用电动机联轴器直接驱动,转速2900r /m in ,采用手动秒表计时,对如图4所示6种回流孔面积与位置进行了对比试验。

试验结果
见表2。

A 方案回流孔面积:S A =290mm 2
,位置在
蜗壳中心线最下方,为最佳回流孔面积及位置,其
自吸时间t =79s 。

表2 试验结果
项目
A B C D E F 回流孔面积(mm 2)
290235330250310310自吸时间(s)
79
145
116
150
148
152
图4 回流孔面积与位置
4 结论
(1)对一种特定的外混式自吸泵,目前尚无精确计算其回流孔面积及形状的方法,只能对其估算,在此基础上对比试验,找出最佳回流孔面积、形状、位置。

(2)用橡胶阀关闭回流孔的方法在泵大流量时效果不明显,在额定流量和小流量范围,泵的效率提高2%左右,扬程相应提高1m 左右。

参考文献
[1]
金树德,陈次昌.现代水泵设计方法.兵器工业出
版社,1993.
(上接24页)
(e)定子磁链矢量运动轨迹图3 异步电机直接转矩控制仿真结果
直接转矩控制以新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的静、动态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。

为了掌握这一先进的控
制技术,我们进行了大量的试验和仿真研究,并成功地将其应用到国产交流传动机车上,实践证明仿真是可信的。

5 直接转矩控制的发展前景
近年来各种高性能硬件的推出,如具有很高开关频率的I G BT 模块,具有高运算速度的数字信号处理器(DSP),也为直接转矩控制系统性能的改进提供了硬件基础,使许多需要很强运算能力,具有很高开关频率的改进方法得以实现。

可以预计,随着硬件性能的改进,各种更复杂、更高频率的控制方法会不断地被提出,控制性能还将会随之有进一步的改善。

由上述可以看出,直接转矩控制未来的发展方向主要在以下两个方面:
(1)为了进一步提高控制性能,消除脉动,交流调速必然向高频化方向发展;
(2)与智能控制相结合,这将使交流调速系统的性能有一个根本的提高,是直接转矩控制的未来。

现在,直接转矩控制已不仅仅应用于交流异步感应电机,它也开始应用于永磁直流电机。

相信在不久的将来,直接转矩控制必将在电机调速的各个方面发挥更大的作用。

参考文献
[1] 李辉,谢剑英,高卫华.感应电机调速系统的变结构控制[J].电器自动化.2000,22(4).
[2] 吴捷,薛峰,杨金明等.基于滑动模控制的感应电动机增益自适应锁相环速度控制[J].电工技术学报.2000,15(2).[3] 王聪.软开关功率变换器及其应用[M ].北京:科学出版社,1999.
36。