无速度传感器直接转矩控制系统的MATLAB仿真

在全速范围内都实用的磁链模型。通过解决 ｕ－ ｉ 模
型和 ｉ－ ｎ 模型两者之间的平滑过渡问题， 使得在高
速时， 实际工作在 ｕ－ ｉ 模型下， 而在低速时， 实际工
作在 ｉ－ ｎ 模型下。本文采用这种磁链观测方法， 该
模型所用到的方程有：
"ｓ# ＝!（ ｕｓ# － ｉｓ# Ｒｓ） ｄｔ "ｒ ＝"ｓ － Ｌσｉｒ "ｓβ＝!（ ｕｓβ－ ｉｓβＲｓ） ｄｔ "ｒ’ ＝Ｒｒ ／Ｌσ（ "ｓ’ － "ｒ’） － ω"ｒβ "ｒβ＝Ｒｒ ／Ｌσ（ "ｓβ－ "ｒβ） ＋ω"ｒα "ｓ ＝Ｌｓ ｉｍ
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电气传动自动化
２００８ 年 第 ２ 期
型不仅要结构简单， 易于实现， 还要有较宽的工作
范围。
电动机的转速估计依赖于转子磁链， 未知的
转子磁链可以由定子磁链计算得到。根据异步电
动机在定子的 α－ β坐标系下的数学模型， 可以得
到两种不同的转子磁链观测方法。
电压模型：
"
Ｌ $
ψ $ ＝ $
ｒα
关键词： 异步电动机； 直接转矩控制； 无速度传感器； ＭＲＡＳ
中图分类号： ＴＭ３４３
文献标识码： Ａ
ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｌｅｓｓ ｄｉｒ ｅｃｔ ｔｏｒ ｑｕｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ－ ｙａｎ， ＣＨＥＮ Ｚｈｉ－ ｃｈｕａｎ
ｒ
Ｌ $$
ｍ
!（
ｕｓα－ Ｒｓ ｉｓα） ｄｔ－ Ｌσｉｓα
#
$
$
Ｌ $ ψ ＝ $$
ｒβ
ｒ
Ｌ %
ｍ
!（
ｕｓβ－ Ｒｓ ｉｓβ） ｄｔ－ Ｌσｉｓβ
电流模型：
（ ７）
&
$$$ｐψｒα＝－
$$
１ Ｔｒ
ψｒα－
ωｒ ψｒβ＋
Ｌｍ Ｔｒ
ｉｓα
#
$
$$$$ｐψｒβ＝－
%
１ Ｔｒ
ψｒβ＋ωｒ ψｒα＋
Ｌｍ Ｔｒ
２００８ 年 第 ３０ 卷 第 ２ 期 第 １６ 页
电气传动自动化 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．２ ２００８， ３０（ ２） ： １６～１９
文章编号： １００５—７２７７（ ２００８） ０２—００１６—０４
无速度传感器直接转矩控制系统的 ＭＡＴＬＡＢ 仿真
Ｏｂｓｅｒｖｅｒ［ Ｊ］ ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，
２０００， ３６（ ３） ： ７７８－ ７８５．
［ ４］ Ｍｉｎｅｏ Ｔｓｕｊｉ， Ｙｏｕｓｕｋｅ Ｕｍｅｓａｋｉ， Ｒｙｏ Ｎａｋａｙａｍａ， Ｋａｔｓｕｈｉｒｏ
Ｉｚｕｍｉ． Ａ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ＭＲＡＳ ｂａｓｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ
观测以及转速估计都能达到较好的效果， 具有动
态响应速度快， 控制精度高等优点， 验证了方法的
有效性。
参考文献：
［ １］ 龚熙 国 ， 陶生 桂． 无 速度 传 感 器直 接 转 矩控 制 方 案的 设
计和仿真［ Ｊ］ ． 电气传动， ２００５，（ ３５） ： ３－ ５．
［ ２］ 姬志艳， 李永东， 司保军． 无速度传感器异步电机直接转
（ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ＤＴＣ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ， ｔｈｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕ － ｎ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｇｉｖｅｓ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｐｅｅｄ
ｒａｎｇｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ； ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ； ＭＲＡＳ
３ 定子磁链计算
在直接转矩控制方案中， 定子磁链观测尤其
重要。实际中通过测量定子电压、定子电流和转速
等物理量建立控制中定子磁链观测模型， 再实时
计算出定子磁链的幅值和相位。异步电动机磁链
观测模型一般有 ｕ－ ｉ 模型、ｉ－ ｎ 模型和 ｕ－ ｎ 模型。其
中 ｕ－ ｎ 模型综合了 ｕ－ ｉ 模型和 ｉ－ ｕ 模型的优点， 是
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张敏燕， 陈治川 无速度传感器直接转矩控制系统的 ＭＡＴＬＡＢ 仿真
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比较选择， 反馈值与给定值比较后经滞环比较器 形成转矩调节信号 ＴＱ 和磁链调节信号 ψＱ， 开关 状 态 选 择 单 元 根 据 ＴＱ、ψＱ 和 Ｎ 去 控 制 逆 变 器 的 开关状态， 输出相应的电压空间矢量， 实现异步电 动机的转矩和转速调节。其中转速的反馈值 ωｆ 由 ＭＲＡＳ 转速估算环节来实现， 定子磁链估算环节采 用 ｕ－ ｎ 定子磁链模型； 磁链调节器与转矩调节器 分别采用两点式和三点式调节器。
（ １） （ ２） （ ３） （ ４） （ ５） （ ６）
４ 转速估计［ ４］
本文采用模 型参考自适应 （ ＭＲＡＳ） 的方法来 估计转速。ＭＲＡＳ （ ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ） 的基本原理为： 对 于一个可以建立 数学模型并且参 数或变量不完全 可测的系统， 利用 参考模型和可调 模型的输出误差， 设计一个可以改
矩控制系统的研究［ Ｊ］ ． 电工技术学报， １９９７， １２（ ４） ： １５－ １９．
０
０．５
１
１．５
２
［ ３］ Ｊｅｈｕｄｉ Ｍａｅｓ， Ｊａｎ Ａ Ｍｅｌｋｅｂｅｅｋ， Ｓｐｅｅｄ－ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ
（ ｆ） 低速时实际转速
Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｆｌｕｘ
算实际转速； 转矩在起动时设定上限， 电机能快速
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达到转速给定值， １ｓ 后突加额定负载转矩， 可快速 重新达到稳定， 转速波动较小， 具有良好的抗扰性 能， 转矩脉动较小， 系统性能良好。仿真结果证明了 本文所构建的异步电动机仿真模型的合理性和有 效性。
在高性能交流传动系统中， 速度闭环控制是 必须的， 但在实际应用中速度传感器的使用不仅 增加了成本， 又降低了系统的可靠性， 因此无速度 传感器是传动系统的发展趋势。近年来已将模型 参考自适应（ ＭＲＡＳ） 理论应用于 ＤＴＣ 系统中， 以转 子 磁 链 方 程 为 参 考 模 型 ， 利 用 ＭＲＡＳ 方 法 实 现 ＤＴＣ 系统的速度辨识［ ２］ 。
６ 结论
本 文 基 于 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 计 算 机 仿 真 平 台 ，
构建了无速度直接转矩仿真系统。其中定子磁链
观测采用 ｕ－ｎ 模型， 并运用模型参考自适应
（ ＲＡＳ） 理论， 进行基于转子磁链模型的 ＭＲＡＳ 转
速观测， 实现了无速度传感器直接转矩控制仿真
系统。从仿真结果可以看出， 在全速范围内， 磁链
张敏燕， 陈治川 （ 上海大学， 上海 ２０００７２）
摘要： 采用定子磁链 ｕ－ ｎ 模型计算定子磁链， 并在此基础上将模型参考自适应应用于直接转矩控制系统中，
实现了系统的无速度传感器运行。针对 ３ｋＷ 异步电动机， 采用 ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ 软件进行了仿真。仿真
结果表明， 该系统对电机定子磁链的观测精度高， 速度运算较准确， 在全速范围内能保持较高的性能。
１ 引言
１９８５ 年， 德国鲁尔 大学的 Ｍ．Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ 教授 通过对瞬时空间理论的研究， 首次提出了直接转 矩控制的理论。这种技术不同于矢量控制技术， 它 摒弃了矢量控制中解耦的思想， 不去考虑如何通 过解耦将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电 流分量， 而是简单地通过检测得到的定子电压和 电流采用空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标 系下计算电机的磁链和转矩， 并根据与给定值比 较所得的差值， 借助于离散的 Ｂａｎｄ－ Ｂａｎｄ 控制， 产 生 ＰＷＭ 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳 控制， 实现磁链和转矩的直接控制， 以获得快速的 转矩响应以及优良的控制性能［ １， ８］ 。
本 文 利 用 Ｍａｔｌａｂ６．５／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ５．０ 所 提 供 的 模
块构造直接转矩仿真平台， 并在此基础上采用 ＭＲＡＳ 速度辨识方法， 对无速度传感器的直接转矩 控制系统进行了仿真研究。
２ 直接转矩控制原理
如图 １ 所示为无速度直接转矩控制系统框图， 该系统直接在定子坐标系下计算和控制异步电机 的 转 矩 ， 将 实 际 转 矩 、磁 链 分 别 与 给 定 转 矩 、磁 链 比较， 形成转矩、磁链的闭环控制。系统由两部分 组成 ： ①电 动机状态观 测， 包 括 转 矩 反 馈 值 Ψｆ、磁 链反馈值 Ｔｆ、转速反馈值 ωｆ 和磁链扇区信号 Ｎ； ②
变系统的某一个或某些参数（ 或不可测量变量） 的 自适应机构， 通过参数或变量调节动作改变可调 模型的输出量， 使得参考和可调模型的输出误差 为零［ ５］ 。即将不含未知参数的方程作为参考模型， 而将含有待估计参数的方程作为可调模型， 两个 模型具有相同物理意义的输出量， 利用这两个相 同输出量的广义误差构成合适的自适应律来实时 调节可调模型的参数， 通过使得可调模型的输出 跟踪参考模型输出而达到转速估计的目的。用 ＭＲＡＳ 设计无速度传 感器直接转 矩控制系统 的关 键在于参考模型和可调模型的选取， 所选取的模