異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真對(duì)比研究

盧秉娟，黃會(huì)營，姬宣德

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系，洛陽 471023）

異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真對(duì)比研究

盧秉娟，黃會(huì)營，姬宣德

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系，洛陽 471023）

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼異步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)之后又一高性能的電動(dòng)機(jī)控制方法，它很大程度上解決了矢量控制算法復(fù)雜、控制性能易受電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響等缺點(diǎn)，為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高性能控制開辟了嶄新方向。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(BASIC-DTC)系統(tǒng)[1]的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與磁鏈脈動(dòng)一直制約著異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能。為了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與磁鏈脈動(dòng)，把空間電壓矢量調(diào)制(SVM)引入異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，利用PI調(diào)節(jié)器代替滯環(huán)比較器，構(gòu)成空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)系統(tǒng)[2]，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。本文利用MATLAB仿真工具建立了異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明， 異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)系統(tǒng)克服了BASIC-DTC系統(tǒng)的固有缺陷，同時(shí)獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動(dòng)態(tài)性能。

1 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)和SVM-DTC系統(tǒng)的工作原理

1.1 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)工作原理

異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)的工作原理就是利用速度調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)與轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算出的反饋轉(zhuǎn)矩信號(hào)相比較生成轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)，再利用給定定子磁鏈幅值信號(hào)與幅值模型計(jì)算出的反饋定子磁鏈幅值信號(hào)相比較生成定子磁鏈幅值偏差信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)和定子磁鏈幅值偏差信號(hào)分別送入通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器，最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)和磁鏈開關(guān)信號(hào)，根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶克诘膮^(qū)間，通過開關(guān)選擇表選取所需的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，圖1是異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)框圖。

異步電動(dòng)機(jī)的BASIC-DTC方法是傳統(tǒng)的控制策略，由于其轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用雙位式控制器簡化了控制器的結(jié)構(gòu)；選擇定子磁鏈作為被控量提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，采用直接轉(zhuǎn)矩控制可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，因此，這種控制方法在交流調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是開關(guān)選擇表中電壓空間矢量的個(gè)數(shù)有限，使得轉(zhuǎn)矩和磁鏈往往不能同時(shí)得到最佳調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)；轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器的使用又導(dǎo)致了PWM逆變器中的器件開關(guān)頻率不固定。這些問題一直制約著異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)的發(fā)展。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)工作原理

圖1 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)框圖

為了解決異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、磁鏈脈動(dòng)和開關(guān)頻率不固定等問題，把空間矢量調(diào)制(SVM)引入異步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)和磁鏈調(diào)節(jié)器(AψR(shí))取代轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器，利用空間矢量調(diào)制(SVM)取代電壓空間矢量開關(guān)選擇表，構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。圖2是異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)框圖。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)框圖

在圖2中，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)輸出控制轉(zhuǎn)矩需要的電壓空間矢量分量，磁鏈調(diào)節(jié)器(AR)輸出控制磁鏈需要的電壓空間矢量分量，然后利用旋轉(zhuǎn)逆變換把坐標(biāo)系下的和變換到坐標(biāo)系下的和，最后利用空間矢量調(diào)制(SVM)算法生成驅(qū)動(dòng)PWM逆變器的PWM信號(hào)。由于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)和磁鏈調(diào)節(jié)器(AψR(shí))可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)輸出，由固定開關(guān)周期的空間矢量調(diào)制(SVM)算法合成任意復(fù)制和相位的電壓空間矢量，因而可以有效抑制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，而且使得PWM逆變器的開關(guān)頻率固定。如果說BASICDTC方法是實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“定性”控制，那么SVM-DTC方法是實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“定量”控制，因此異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)在控制性能上優(yōu)越于異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)。

2 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和磁鏈觀測(cè)器

式中：Pn為極對(duì)數(shù)。

運(yùn)動(dòng)方程為：

3 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

3.1 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)框圖(如圖1所示)，應(yīng)用利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型庫建立異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。仿真模型包括主電路和控制電路，主電路包含直流電源模塊、PWM逆變器模塊、異步電動(dòng)機(jī)模塊，控制電路主要包含速度調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器、磁鏈區(qū)間判斷模塊和電壓空間矢量開關(guān)選擇表。這些模塊在SimPowerSystems模型庫都有封裝好的模型，因此只要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置就可以應(yīng)用，不要需要再進(jìn)行建模，降低了仿真難度，極大地方便了模型仿真。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型

3.2 異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

圖4 異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

4 系統(tǒng)仿真

圖5 定子磁鏈軌跡

圖6 轉(zhuǎn)矩波形

圖7 速度波形

從圖5可以看出：SVM-DTC的磁鏈脈動(dòng)小于BASIC-DTC的磁鏈脈動(dòng)。原因在于SVM-DTC中SVM算法可以產(chǎn)生任意幅值和相位的電壓空間矢量，而BASIC-DTC開關(guān)選擇表中的電壓空間矢量個(gè)數(shù)有限。

從圖6可以看出：由于SVM算法優(yōu)越于開關(guān)選擇表的原因，SVM-DTC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要小于BASICDTC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

從圖7可以看出：盡管SVM-DTC使用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈PI調(diào)節(jié)器，比BASIC-DTC的轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器反映慢，但是SVM-DTC系統(tǒng)的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)并不慢于BASIC-DTC系統(tǒng)的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

5 結(jié)束語

借助MATLAB仿真平臺(tái)，利用Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型庫，建立了異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比仿真。仿真結(jié)果表明：與異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)相比，異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)有效地抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，克服了開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，同時(shí)獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

[1]Depenbrock M. Direct self-control of inverter fed induction machine[J].IEEE Trans on Power Electronics,1988,3(4):420-429.

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Comparative study of induction motor direct torque control system simulation

LU Bing-juan, HUANG Hui-ying, JI Xuan-de

在詳細(xì)分析異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(BASIC-DTC)系統(tǒng)和空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真平臺(tái)分別建立了異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)兩種仿真模型進(jìn)行了對(duì)比仿真。仿真結(jié)果表明：與異步電動(dòng)機(jī)BASIC-DTC系統(tǒng)相比，異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC系統(tǒng)有效地抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，克服了開關(guān)頻率不固定的缺陷，同時(shí)獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

交流調(diào)速系統(tǒng)；傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制；系統(tǒng)仿真

盧秉娟（1961 -），女，河南洛陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

TM343

A

1009-0134(2014)05(下)-0001-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).01

2013-12-06

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2010B470009）