三相异步电机直接转矩控制系统(DTC)仿真

目录

摘要 .................................................................................................................. I 1 设计总体思路 (1)

1.1主电路的设计 (1)

1.2 基本原理 (1)

2 单元电路设计 (3)

2.1 直接转矩控制系统模型 (3)

2.2 转速控制器 (4)

2.3 直接转矩控制器 (4)

2.4 转矩和定子磁链的计算 (5)

2.5 磁通和转矩滞环控制器 (6)

2.6 磁链选择器 (6)

2.7 开关表 (7)

2.8 开关控制模块 (8)

3 实验仿真、实验波形记录及分析 (9)

4 总结 (12)

5 附录 (13)

参考文献 (14)

1 设计总体思路

1.1主电路的设计

直接转矩控制系统简称DTC(Direct torque control)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在他的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差s ψ∆的正负符号和电磁转矩偏差e T ∆的正负符号，再根据当前定子磁链的矢量s ψ所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

系统主电路如图1.1所示，由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成，2812DSP 的脉冲信号控制全控器件的导通。

图1.1 系统主电路图

1.2 基本原理

直接转矩控制系统的原理结构如图1.2示，途中的A R ψ和ATR 分别为定子磁链调节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，他们的输出分别为定子磁链幅值偏差s ψ∆的符号函数sgn(s ψ)和电磁转矩偏差e T 的符号函数sgn(e T ∆)，如图1.2所示。

图中，定子磁链给定*s ψ与实际转速ω有关，在额定转速以下，e T ∆保持恒定，在额定转速以上，*s ψ随着ω的增加而减小。P/N 为给定转矩极性鉴别器，当渴望的电磁转矩为正时，P/N=1，当渴望的电磁转矩为负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数sgn(e T ∆)的控制效果是不同的。

当渴望的电磁转矩为正，即P/N=1时，若电磁转矩偏差e T ∆=*e T -e T >0，其符号函数 sgn(e T ∆)=1，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩e T 加大；若电磁转矩偏差e T ∆=*e T -e T <0，sgn(e T ∆)=0,一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。当期望的电磁转矩为负，即P/N=0时，若电磁转矩偏差e T ∆=*e T -e T <0，其符号函数sgn(e T ∆)=0，应使定子磁场反向旋转，使时机电磁转矩e T 方向增大；若电磁转矩偏差e T ∆=*e T -e T >0，sgn(e T ∆)=1，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩反向减小。

s

图1.2 带有滞环的双位式控制器

图1.2制系统原理结构图

2 单元电路设计

2.1 直接转矩控制系统模型

三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图2.1所示，仿真模型如图2.2所示。该模块由7个主要模块组成：三相不可控整流器（three-phase diode rectifier ）、Braking chaopper 、三相逆变器（three-phase inverter ）、测量单元（Measures ）、异步电动机模块（Induction machine ）、直接转矩控制模块DTC 。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（Three-phase inverter ），该逆变器有8种开关状态，可以得到6个互差60︒度的电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链s ψ收到电压空间矢量u s 控制，s ψ≈s u dt ⎰，因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链s ψ的运行轨迹（磁链的幅值和旋转速度），从而控制电动机的运行。

DTC Induction Motor Drive 图2.1 直接转矩控制系统图标

2.2直接转矩控制系统模型结构

2.2 转速控制器

如图2.3所示，转速给定N*经过加减速限制环节，使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降，转速反馈N经过了低通滤波器，得到转速偏差（N*-N）。Proportional gain、Integral gain和discrete模块组成带限幅的离散PI调节器，调节输出经过了选择开关，根据对话框中设定的转矩或转速控制方式决定转速控制的输出。加减速斜率、PI调节器比例和积分系数、低通滤波器截止频率等参数都在对话框中设定。

图2.3 转速控制器Speed Controller结构

2.3 直接转矩控制器

直接转矩控制模块由转矩给定Torque*、磁通给定Flux*，电流I_abc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（Torque&Flux calculator）、滞环控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通选择(Flux sector seeker)、开关表(Switching table)、开关控制(Switching control)等单元。DTC模块是输出三相逆变器Three-phase inverter 开关器件的驱动信号。

图2.4 直接转矩控制模块结构

2.4 转矩和定子磁链的计算

转矩和定子磁链计算（Torque&Flux calculator ）单元结构如图2.5所示，它首先检测到异步电机三相电压V-AB 经模块dq-transform 和dq-transform 变换，得到二相坐标系上的电压和电流，dq-transform 和dq-transform 变换模块结构如2.6所示。 定子磁链的模拟和离散计算公式为

()s s s s u R i dt αβαβαβψ=-⎰

（2-1） （2-2）

式中, s u αβ和i αβ为αβ二相坐标系上定子电压和电流，K 为积分系数，s T 为采样时间。磁链计算采用离散梯形积分，模块phi-d 和phi-q 分别输出定子磁链的α和β轴分量Ψsα和Ψsβ，Ψsα和Ψsβ经Real-Imag to Complex 模块得到复数形式表示的定子磁链Ψs ，并由Complex to Magnitude-Angle 计算定子磁链Ψs 的幅值和转角。 电动机转矩计算公式为

3

()2e s s s s T p i i αββ

α=

-ψψ （2-3）

图2.5 转矩和定子磁链计算单元结构图

图2.6 dq-V-transform 和dq-I-tranform 变换模块图

(1)()

2(1)

s s s s KT z u R i z αβαβαβψ+=--