异步电动机直接转矩控制的SIMULINK仿真研究 (2)

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 .
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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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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 !