直接转矩控制调速仿真

直接转矩控制调速系统

一.直接转矩控制的基本思路

与前面的矢量控制调速不同，矢量控制模仿直流电动机的调速方法，采用磁场定向以及反复的坐标变换使得转矩磁链解耦，实现分别单独控制。直接转矩控制不需要复杂的坐标变换，它强调的是转矩的直接控制效果。

要想控制电磁转矩，就需要知道电磁转矩与哪些因素有关，以及这些因素的变化对电磁转矩有什么样的影响。由统一电机理论可知，异步电动机的电磁转矩等于定子磁链矢量、转子磁链矢量或合成磁链矢量中任意两者的矢量积，即电磁转矩可以表示为定子磁链矢量与转子磁链矢量的矢量积。转子磁链矢量的幅值由负载决定，现在我们只需要保持定子磁链幅值不变，改变两矢量间的角度大小就可以达到调节转矩的目的了。

在直接转矩控制中引入了空间电压矢量的概念。按照一定的顺序、时间依次给电动机加上空间电压，在忽略定子电阻的影响下，那么定子磁链的轨迹就是六边形，每个边称为磁链的的一个扇区。在某个扇区内，加上特定的电压矢量就会使定子磁链沿边旋转，此时定转子磁链矢量间角度加大，转矩加大，当加上另外一些电压矢量时，就会使得它们之间的角度变小，转矩变小。通过这样在每个扇区内不断施加相应的电压矢量就能达到控制转矩的目的。当然这是最简单的一种情况，没有考虑到磁链的调节，但却大致上描述了直接转矩控制的基本思路。

二．直接转矩控制的MATLAB仿真

下面是系统仿真模型图：

图1 直接转矩控制仿真模型图

以下是仿真模型中的各个模块以及功能介绍

图2 转矩磁链模型单元

如图2所示，转矩磁链模型的功能是在定子坐标系下计算出电动机的定子磁链幅值、空间中所处的位置，同时计算出电磁转矩的表达式，以便对转矩进行反馈控制。

图3 扇区选择单元

扇区选择单元根据前面转矩磁链模型单元输出的定子磁场的角度信息，确定定子磁场当前所处的扇区，扇区决定了该选用哪些空间电压矢量。

图4 转速调节器环节

转速调节器将转速实际值与给定值进行比较，经过PI调节器之后输出转矩给定值。PI调节器的参数为比例系数为15，积分比例系数为1，输出限幅为120.

图5 转矩磁链比较输出单元

这个单元的作用是将转矩、磁链的实际值与给定值进行比较，根据它们的差值输出不同的控制信号，再结合扇区选择的信号选择适合的空间电压矢量，以控制转矩、磁链在一定得范围之内。

图6 电压控制矢量选择单元

这个单元的作用是根据转矩磁链比较输出单元的输出信号以及扇区选择单元输出的信号来选择合适的空间电压矢量，它的输出用来控制逆变器器件的开通与关断。

图7 空间电压矢量选择表

这两张表格一个是磁链大于给定值时的选择表格，另一张是磁链小于给定值是的选择表格。两者的切换由磁链实际值与给定值的差值决定。

模型搭好后，对系统进行仿真。仿真参数如下所示：

（1）转矩容差为3，磁链容差为0.004

（2）给定转速为1200，给定磁链为0.8

（3）负载转矩在0.3秒时给出，幅值为20

（4）转速调节器参数为：比例系数15，积分比例系数1，输出限幅为120.

（5）直流侧电压幅值为500V

（6）电机参数为：额定功率15Kw，额定电压400V，额定频率50Hz,定子电阻0.2147

下面给出仿真结束后的输出波形，并进行分析。

时间/s

图8 定子三相电流波形

图9 电磁转矩波形

图10 定子磁链轨迹图

图11 转速输出波形

时间/s 转

矩时间/s 转速

仿照直流调速以及矢量控制调速系统的分析过程，直接转矩控制系统的分析和前两者类似。即第一阶段转速达到给定值以前，从图中可以看出转矩刚开始急剧上升，最后稳定在120附近，转速以恒定的速率上升。第二阶段，转速超过给定值以后，转速调节器迅速推出饱和，发挥转速调节作用，它的输出迅速减小，这时候转矩急剧下降以便快速抑制转速超调，使得转速稳持在1200附近。第三阶段负载突然加上，转速减小，转速调节器输出增大，转矩滞环调节环节迅速使得转矩上升，以保证转速不会大幅跌落。

三．关于仿真中几点现象的思考

1.与矢量控制相比，为什么直接转矩控制启动电流很大？

从仿真输出的定子电流波形发现，矢量调速中启动电流能够很好的稳定在一个幅值，但直接转矩控制中启动电流很大，而且与稳定后的电流相比，幅值差距相对于矢量控制大得多。

究其原因是因为矢量控制中转矩调节器以及磁链调节器的输出是经过限幅的，它们输出的定子电流T轴以及M轴分量给定值就被限制起来了，然后进过滞环比较后使得实际电流幅值不会超过给定值很多。但反观直接转矩控制，它的转矩调节和磁链调节均为滞环控制方式，它们的输出不是直接控制实际电流，而是作为空间电压选择信号的一部分，此外它们输出的是离散的量，也就无所谓限幅了。因为是滞环比较，它的任务就是迅速使得转矩磁链维持在给定值附近，而这个调节过程没有考虑电流的因素。能够对电流起到限制作用的是转速调节器的输出限幅，但没有矢量控制中转矩调节器限幅对电流的限

制作用好。

但是这种现象有缺点的同时也有优点，那就是转矩调节非常快，转速上升时间很短，转矩能够很好的维持在给定附近。

2.对于空间电压矢量的思考

空间电压矢量是由三相电压型逆变器的开关状态引出的，逆变器三个桥臂对应着8种开关状态，这8种开关状态又对应着7种输出电压状态，可以把每个电压状态进行编号即0,1,2,3,4,5,6.每一种电压状态又对应着3个相电压状态，所以这样看来电压状态只是描述某时刻三相输出电压状况的称呼，然而一般从电压状态中无法方便的知道相电压以及对应的开关状态。电压矢量的引入很好的解决了这个问题。所以电压空间矢量实质上是将三个标量变换为一个矢量，是一种描述电压状态的方法。它非常的直观形象，可以从矢量图中看出相电压的大小、正负以及对应的开关状态。

电压空间矢量还与定子磁场的轨迹有着密切的联系。若忽略定子电阻的影响，则每一相定子磁链与对应的定子电压是积分关系。定子合成磁链是三相定子磁链的矢量和，所以要想求得定子合成磁链，只需要求出每一相的磁链，然后矢量求和即可，它们之间的相位或者角度为120度。但引入了空间电压矢量后，只需要直接对电压空间矢量进行积分就可求出定子合成磁链，本质上和前面的方法一样，只不过是对叠加原理的简化。这么一来，空间电压矢量与定子磁链的关系就非常形象了。

3.磁链、转矩容差大小以及转速调节器限幅问题