于楠楠

基于Matlab仿真設(shè)計的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

于楠楠

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制（Bang-Bang控制）產(chǎn)生脈寬信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。主要介紹了三相異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理，基于Matlab仿真平臺建立三相異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型以及該系統(tǒng)各組成的仿真模型。通過對軌跡的觀測，檢測是否達(dá)到控制要求，以檢驗直接轉(zhuǎn)矩控制的效果。最后對仿真圖進(jìn)行分析，驗證直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的有效性和可靠性。

異步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；定子磁鏈；空間矢量；Matlab仿真;可靠性

1 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是上世紀(jì)80年代由德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授和日本學(xué)者Takahashi提出并逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)[1-2]，它是繼矢量變換控制技術(shù)之后，與之并行發(fā)展的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動控制技術(shù)[3]。

直接轉(zhuǎn)矩控制是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，借助雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能[4]。它省掉了復(fù)雜的矢量變換，其控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高靜態(tài)和動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。在直接轉(zhuǎn)矩控制分析中，一般選用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法[5]。主要介紹直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，并利用Matlab/Simulink軟件根據(jù)異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型。然后在Simulink環(huán)境下使用該模型組建異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[6]。通過改變控制系統(tǒng)中直接影響電動機(jī)性能的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器和磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，通過仿真得到仿真圖，對仿真進(jìn)行分析，驗證直接轉(zhuǎn)矩控制方法的有效性和可靠性。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本控制方式如上所述，它的基本結(jié)構(gòu)可分為以下幾個部分[7]：

（1）控制部分：分為磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器；

（2）逆變部分：由逆變器組成；

（3）電機(jī)部分：為異步電動機(jī)。

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，圖中各個單元器件名稱為：AMM—異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型；UCT—坐標(biāo)變換單元；DMC—磁鏈自控制單元；AZS—零狀態(tài)選擇單元；AMC—轉(zhuǎn)矩計算單元；ATR—轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)；UT—逆變器。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

由圖可見，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過AMM計算得到定子磁鏈，并分解到坐標(biāo)軸，然后經(jīng)過UCT進(jìn)行坐標(biāo)變換，通過將計算得到的磁鏈值與DMC給定的磁鏈值進(jìn)行比較，得到磁鏈開關(guān)信號，通過AMC計算得到轉(zhuǎn)矩值，根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電壓開關(guān)狀態(tài)，對逆變器的輸出電壓進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生六邊形磁鏈。

3 仿真模型的搭建

在利用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真時，首先根據(jù)原理圖，把系統(tǒng)分成幾個子系統(tǒng)，然后在Simulink環(huán)境下用模塊庫中的模塊搭建每個子系統(tǒng)，加以封裝利用，最后把所有模塊連接起來構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計思想構(gòu)造出系統(tǒng)仿真模塊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總圖如圖2所示。

三相異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型由7個主要模塊組成：三相不控整流器（Three-phase diode rectifier）、制動斬波器（Braking chopper）、三相逆變器（Three-phaseinverter）、測量單元（Measures）、異步電動機(jī)模塊（Induction machine）、轉(zhuǎn)速控制器（Speed Controller）和直接轉(zhuǎn)矩控制模塊DTC。其中，前5個模塊組成系統(tǒng)主電路；主電路模塊和轉(zhuǎn)速控制器模塊結(jié)構(gòu)基本與磁場定向矢量控制系統(tǒng)相同[8]。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

系統(tǒng)原理的實現(xiàn)：三相交流電源依次經(jīng)三相二極管整流、三相逆變器和電壓電流測量模塊給異步電機(jī)供電；給定轉(zhuǎn)速加于轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)過磁鏈查表輸出給定磁鏈；給定速度與速度反饋（實際速度）比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號。子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制模塊，轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，磁鏈扇區(qū)判別模塊，電壓開關(guān)表和開關(guān)控制器，給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別與實際轉(zhuǎn)矩和磁鏈取差值，然后分別經(jīng)過轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈扇區(qū)sector一起輸入到電壓開關(guān)表中，選擇合適的電壓矢量；電壓電流測量模塊輸出i_ab和V_abc，送入到轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，用于計算磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用6個開關(guān)器件組成的橋式三相逆變器有八種開關(guān)狀態(tài)，可以得到六個互差60度的電壓空間矢量和兩個零矢量。交流電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)茈妷嚎臻g矢量控制，因此改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運行軌跡，從而控制交流電動機(jī)的運行狀態(tài)。

4 仿真結(jié)果與分析

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)Simulink仿真中，異步電動機(jī)模型規(guī)定參數(shù)設(shè)定為：額定功率為5500W，額定電壓為380V，定子電阻為0.0217Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.329Ω，定子電感為0.0001048H，轉(zhuǎn)子電感為0.000317H，定轉(zhuǎn)子互感為0.01162H，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量 0.0214kg·m2，給定轉(zhuǎn)速為 1400 r/min，基本采樣時間為0.1s。

（1）給定轉(zhuǎn)矩為0.3時仿真波形如圖3-4所示：

圖3 磁鏈軌鏈

圖4 三相電流、轉(zhuǎn)矩波形

（2）給定轉(zhuǎn)矩為1.5時仿真波形如圖5-6所示：

圖5 磁鏈軌鏈

圖6 三相電流、轉(zhuǎn)矩波形

由仿真圖像可知，電機(jī)在啟動過程中，在PI調(diào)節(jié)器作用下，對三相電流、轉(zhuǎn)矩起到放大作用，使轉(zhuǎn)矩迅速提高，然后達(dá)到穩(wěn)定。磁鏈軌跡近似為圓形。

5 結(jié)束語

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為電機(jī)控制領(lǐng)域一種新的控制策略，必然會不斷發(fā)展和完善，相信今后對電機(jī)的控制必然會更加簡單、可靠，更加令人滿意。如何把已有的知識運用到實際中，實現(xiàn)運動控制的簡單化、經(jīng)濟(jì)化和最優(yōu)化，將是一個更為艱巨的任務(wù)。

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[2] Blaschke F．The principles of field orientation as applied to thenew TRANSVEKTORclosed loop controlsystemfor rotatingfield nachines[J].Sicmens Review1972,39(5)：217～220．

[3] 巫慶輝，邵誠，徐占國.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].信息與控制，2005,34(4)：28～30.Wu Qinghui,Shao Cheng,Xu Zhanguo.Survey of Research Status Quo and Development Trends about Direct Torque Control[J].Information and Control.2005,34(4)：28～30.

[4] 何萍，郭軍.基于Matlab/Simlink的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真[J].電氣應(yīng)用.2007,26(1)：50～53.He Ping,Guo Jun.Simulation of Asynchronous Motor Direct Torque Control System Based on Matlab/Simlink[J].Electrotechinal Application.2007,26(1)：50～53.

[5] 李夙.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．Li Su.Asynchronous Motor Direct Torque Control[M].Beijing：Mechanical Industry Press,1999.

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[8] 張麗麗，王叢嶺.異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.現(xiàn)代電子技術(shù)[J].2006,29(4)：33～37.Zhang Lili,Wang Congling.Matlab Simulation of DTCSystem of The Asynchronous Motor[J].Modern Electronics Technique.2006,29(4)：33～37.

Direct Torque Control Technology Based on Matlab Simulation

Yu Nannan
(The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China)

Direct torque control(DTC)with space vector analysis method directly calculates and controls the torque and flux linkage of the motor under the stator coordinate;using stator magnetic field orientation and generating pulse width signal by discrete two-point control(Bang-Bang control),the inverter switch state is directly under optimal contrl to obtain high dynamic performance of the torque.Introducing the control principle of direct torque control system of three-phase asynchronous motor,the simulation models of the whole and each part of three-phase asynchronous motor direct torque control system is established based on Matlab simulation platform.Through the observation to the trajectory,checking whether the control reauirements are satisfied,as to examine the effects of direct torque control.Finally,the simulation graph is analyzed to verify the effectiveness and reliability of the direct torque control technology..

Asynchronous motor;Direct torque control;Stator flux linkage;Space vector;Matlab simulation；Reliability

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.018

TP277

A

1002-2279-（2017）06-0078-04

于楠楠（1983—），男，遼寧省沈陽市人，工程師，主研方向：微電子設(shè)計。收期日期：2017-10-13