基于MatlabSimulink設(shè)計的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

師素娟 滿 達 馬少丹

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011）

基于MatlabSimulink設(shè)計的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

師素娟 滿 達 馬少丹

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011）

本文設(shè)計了一種基于MatlabSimulink軟件仿真的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過其數(shù)學(xué)仿真功能設(shè)計出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等模塊，組成三相異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了該方法能夠準(zhǔn)確的控制三相異步電動機的速度和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出。

異步電動機；數(shù)學(xué)仿真；直接轉(zhuǎn)矩

三直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過檢測定子電壓和電流，在定子坐標(biāo)系下觀測電機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并將觀測值與給定的磁鏈、轉(zhuǎn)矩相比較，綜合考慮磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號選擇電壓空間矢量，直接對電機定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩進行控制。本文通過Matlab Simulink的建模仿真功能，建立了一種三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型。

1　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

1.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理

直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制中解耦的控制思想，采用定子磁鏈定向和瞬時空間矢量理論，通過檢測定子電壓和電流，在定子坐標(biāo)系下觀測電機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并將觀測值與給定的磁鏈、轉(zhuǎn)矩相比較，差值經(jīng)滯環(huán)控制器調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的控制信號，綜合考慮磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號選擇電壓空間矢量，直接對電機定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩進行控制，在實現(xiàn)磁鏈控制的同時，也實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的直接控制，從而使得直接轉(zhuǎn)矩控制的交流感應(yīng)電機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)越的動靜態(tài)性能。

1.2三相異步電動機和逆變器

三相異步電動機和逆變器使用的是Matlab Simulink軟件中自帶模型庫中的模型。如圖1所示：

圖1　三相異步電動機和逆變器

逆變器在三相異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中是一個重要原件。本文采用的是三相兩點式電壓型逆變器，該逆變器有三個橋臂，六個開關(guān)組成，由于同一個橋壁上的兩個開關(guān)不能同時接通和斷開，故共有八種開關(guān)組合。該模型八個工作電壓在αβ正交定子坐標(biāo)系中可以輸出八個基本輸出矢量，其中有兩個零矢量，相當(dāng)于三相異步電動機繞組短接。另外六個非零矢量組成了電壓空間矢量。幅值為2Udc/3（Udc為直流電壓），如圖2所示（0、1代表逆變器A、B、C的開關(guān)狀態(tài)）。

圖2　三相電壓型逆變器的電壓空間矢量

1.3磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)

磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)的目的就是根據(jù)估算出的磁鏈判斷磁鏈的運動軌跡位置，并且能夠正確的反映變化的磁鏈開關(guān)信號來選擇相應(yīng)的電壓空間矢量。根據(jù)定子電壓和定子磁鏈之間的關(guān)系可以用公式（1）來表示：

也可以寫成微分形式：

由于定子電阻R_s對定子電壓核磁憐的影響小可忽略不計則：

由公式（2）可以看出三相異步電動機的定子磁鏈的運動方向是沿著定子電壓的方向運動的，這樣便在正交定子坐標(biāo)系中形成了六個磁鏈扇區(qū)。

磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)過程是通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)的。在允許的偏差范圍內(nèi)輸出磁鏈信號，當(dāng)磁鏈信號的磁鏈值達到了調(diào)節(jié)器的下限，此時應(yīng)該增加磁鏈的電壓空間矢量，反之當(dāng)磁鏈值達到了調(diào)節(jié)器的上限則減小磁鏈的電壓空間矢量；像這樣反反復(fù)復(fù)的對磁鏈進行調(diào)節(jié)，可以維持近似圓形的磁鏈軌跡。

轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)的作用就是對電機的轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)直接控制。如公式（4）所示：

轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)也是通過滯環(huán)比較器來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。輸入信號為轉(zhuǎn)矩的給定值和實際值之間的偏差。當(dāng)偏差值大于允許范圍內(nèi)最大偏差值時輸出信號應(yīng)選擇能增大電磁轉(zhuǎn)矩的電壓空間矢量；當(dāng)偏差值在允許范圍之內(nèi)時，轉(zhuǎn)矩保持不變；當(dāng)小于最小偏差值時，應(yīng)減小電壓空間矢量，降低轉(zhuǎn)矩。

1.4電壓矢量開關(guān)信號選擇

根據(jù)對磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)控制原理的分析可知，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是在于根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的要求合理的選擇電壓空間矢量，就是將兩個調(diào)節(jié)器和磁鏈所在扇區(qū)結(jié)合起來共同控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，既要保證三相異步電動機的定子磁鏈在給定的范圍內(nèi)變化，又要保證三相異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩快速的跟隨給定變化，是直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)性能。

電壓空間矢量開關(guān)信號選擇是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的精髓。為了實現(xiàn)對定子磁鏈的閉環(huán)控制，需要判斷定子磁鏈的空間位置，根據(jù)定子磁鏈在靜止兩相α-β坐標(biāo)系下的空間角度θ得出定子磁鏈所在扇區(qū)（如圖2所示）以及電壓矢量空間開關(guān)表最終得到電壓空間矢量開關(guān)信號。仿真模型如圖3所示。

圖3　電壓矢量開關(guān)信號選擇仿真模型

1.5定子磁鏈u-i模型觀測器

定子磁鏈u-i模型就是通過定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈，根據(jù)公式（1）來確定三相異步電動機的定子磁鏈優(yōu)點是計算方法簡單，只需要知道三相異步電動機的定子電阻參數(shù)，并且式中的定子電壓us和定子電流is可以通過電壓電流傳感器測量出來，方便觀測磁鏈。仿真模型如圖4、5所示。

圖4　定子磁鏈u-i觀測模型

圖5　定子磁鏈u-i觀測模型

2　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

針對上述設(shè)計的Matlab Simulink仿真模型進行空載和負載兩種情況的實驗。三相異步電動機相關(guān)參數(shù)如下：額定功率15kw，額定電壓400v，頻率50Hz，最高轉(zhuǎn)速1460r/min。定子磁鏈給定幅值0.8。

圖6　定子磁鏈運動軌跡

如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)開始運行時，定子磁鏈的幅值從0開始迅速增長，很快達到磁鏈的給定幅值0.8左右，然后通過直接轉(zhuǎn)矩控制理論對三相異步電動機的定子施加不同的電壓矢量，磁鏈幅值被限制在較小的容差范圍內(nèi)，從而利用此模型建立了一個運動軌跡近似為圓形的定子磁鏈。當(dāng)外部負載發(fā)生變化時，對定子磁鏈的運動軌跡影響仍然很小。

①電機空載運行試驗

轉(zhuǎn)速1200r/min，負載為0N*m。

如圖7、8所示，三相異步電動機的啟動時間為0.5s，啟動轉(zhuǎn)速峰值為1420 r/min。電機在啟動過程中，電機轉(zhuǎn)速不斷上升到峰值并保持。經(jīng)過0.5s后，啟動完成，電機轉(zhuǎn)速緩慢下降至1200 r/min并保持。波形顯示穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速波形達到穩(wěn)定值為1200.95r/min。響應(yīng)時間為0.1652s。

穩(wěn)態(tài)誤差：（1200.95-1200）/1200×100%=0.08%

超調(diào)量：（1420-1200.95）/1200.95×100%=18.2%

圖7　空載時定子電流

圖8　空載運行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對比圖

②電機負載運行試驗

轉(zhuǎn)速1200r/min，負載為100N*m

圖9　負載時定子電流圖

圖10　負載運行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對比圖

如圖9、10所示，同樣啟動時間為0.5s，啟動峰值為1420 r/min。啟動完成后，在0.7s時讓電機負載運行。從圖中可以看到在0.7s時定子電流發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)矩也從0N*m上升到了100N*m。

圖11　負載運行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩局部放大

圖11是圖10的局部放大，在0.7s時給電機加載，這時發(fā)生了一個細微的變化：負載轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速降低，隨后又回到了恒轉(zhuǎn)速的狀態(tài)并一直處于負載運行的狀態(tài)。

通過對空載、負載兩種情況的分析可以看出，在低速狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩脈動小，穩(wěn)態(tài)時，定子電流含有的諧波比重小。在運行過程中具有響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

3　結(jié)語

通過MatlabSimulink建立的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型在研究三相異步電動機速度控制穩(wěn)定性方面操作起來十分方便。

［1］林輝，王輝.電力電子技術(shù)［M］.武漢：武漢工業(yè)出版社，2002.

Simulation of Direct TorqueControl SystemDesigned by Matlabsimulink

Shi Sujuan Man Da Ma Shaodan
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

This paper designed a direct torque control system simulated by Matlabsimulink software，through its mathematical simulation capabilities designed the torque control，speed regulation and other modules of direct torque control system，to consist of a direct torque control system of three-phase asynchronous motor.Simulation results show that the method can accurately control the speed of three-phase asynchronous motor and the stable output of torque.

asynchronous motor；mathematical simulation；direct torque

TP273+.2

A

1003-5168（2015）12-0030-3

2015-12-15

師素娟（1960-），女，副教授，研究方向：機械CAD及仿真技術(shù)、工程車輛現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)方面的研究；滿達（1991-），男，碩士生，研究方向：自動控制、儀器儀表等方面的研究；馬少丹（1989-），女，碩士生，研究方向：機電一體化方面的研究。