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 αββα=-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+=--2.5 磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁疗都采用滞环控制，磁通和转矩滞环控制器（Flux&Torque hystore-sis）结构如图2-7所示。

转矩控制是三位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为ed T时，当转矩偏差*()2ee e dTT T->+和*()2ee e dTT T-<-时，滞环模块2edT和2edT-分别输出状态1和3，滞环模块2edT和2edT-分别输出为0时，经或非门NOR输出状态2，磁链控制是二位滞环控制方式，在磁链滞环宽度设为dψ时，当磁链偏差*()2ee e dTT T->+和*()2ee e dTT T-<-时，模块dPhi分别输出状态“1”和“2”。

图2.7 磁通和滞环控制器2.6 磁链选择器图2.8 磁链选择器模块输入是磁链计算模块输出的磁链位置角angle通过比较和逻辑运算输出磁链所在偏号。

2.7 开关表图2.9 Magnetisation模块开关表2.10用于得到三相逆变器6个开关期间的通断状态，开关表中，Magnetisation 模块结构如图2.9所示，其作用是将磁链反馈与设定值比较，当反馈值大于设定值时，S-R-flip-flop触发器Q端输出1，当反馈值小于设定值时，触发断输出0，从而控制电机起动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机起动时产生初始磁通。

图2.10 开关表2.8 开关控制模块开关控制模块如图2.11所示，包括三个D触发器（D Flip-Flop），目地是限制逆变器开关的切换频率，并且确保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态，开关的切换频率可以在模块对话框中设置。

图2.11 开关控制模块3 实验仿真、实验波形记录及分析异步电机直接转矩控制仿真图形如图3.1所示，系统由三相交流电源、直接转矩系统模块和检测单元等模块组成。

三相电源线电压360V、60HZ，电源内阻0.02 ，电感0.05mL。

电动机参数：149kW、460V、60HZ，图3.2是电动机和控制器参数页，系统有转速（speed reference）和转矩（Torque reference）两项输入，在调速的同时负载转矩也在变化。

转速和转矩给定使用离散控制模型库中的timer模块，speed reference设定值为：t=0、1s时转速分别为500、0r/min。

Torque reference设定值为：t=0、0.5、1.5s时转速分别为0、792、-792N*m。

模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts=0.2us，转速调节器采样时间为1.4us，仿真波形如图3-3所示。

图3.1 转矩控制系统仿真模型从仿真波形可以看到在t=0时，转速按设定的上升率（900r/min）平稳升高，在起动0.6s时达到设定的转速500r/min。

在0~0.5s范围内电动机是空载起动，电动机为200A；0.5s时加载792T*m，电流上升到400A，加载时电磁转矩瞬间达到1200N*m，但是在控制系统控制下，加载对转速的上升和稳定运行没有明显影响。

1s后电动机开始减速，定子电流减小，并且电流频率下降，在t=1.5s时转速下降为0，这时转矩给定从792变化为-792。

转速仍稳定为0r/min，表明系统有很好的转矩和转速响应能力。

图3.2 模块参数a)转速响应b）a相定子电流c)电磁转矩d）直流电压图3.3 仿真波形本设计是三相异步电机直接转矩控制系统（DTC ）仿真，直接转矩采用e T 和s ψ双位式控制，根据定子磁链幅值偏差s ψ∆、电磁转矩偏差e T ∆的符号以及期望电磁转矩的极性P/N ，再根据当前定子磁链矢量s ψ所在的位置，直接选取输入电压矢量，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转自磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地残生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。

通过此次课程设计，使我对直接转矩控制系统有了基本理解，大大提高了自己的动手能力，在学科综合运用方面的能力也有了很大的提高，更重要的是学会了使用MATLAB SIMULINK 进行仿真。