改进的三相感应电机直接转矩控制建模与仿真*

谢 莉 ，蒋 伟 ，周斌欣 ，吴 松

(1．扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州225127;2．扬州大得机电科技有限公司，江苏扬州225000)

0 引 言

随着现代电力电子、微电子技术和控制理论的发展，交流电机调速性能日益完善，足以和直流调速相媲美，被广泛应用于工农业生产、交通、国防和日常生活中［1-4］。

直接转矩控制直接将定子磁链和转矩作为控制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快速［5-7］。目前，它已成为各种交流调速方法中研究最多、应用前景最广的交流调速方法之一［8］。

直接转矩控制技术最早由德国鲁尔大学教授M．Depenbrock 提出。后来的学者针对直接转矩控制方法提出了很多改进［9-10］。

本研究利用Matlab/Simulink 平台构造改进的三相感应电机直接转矩控制系统，并给出仿真结果。

1 改进的直接转矩控制原理

在定子三相轴系中，定子磁链和转子磁链矢量可表示为:

电磁转矩可表示为:

式中:ψs—定子磁链矢量，ψr—转子磁链矢量，is—定子电流矢量，ir—转子电流矢量，Lm—励磁电感，Ls—定子电感，Lr—转子电感，p—极对数。

传统直接转矩控制由滞环比较器的输出信号来确定磁链和转矩的变化量，根据两者的变化量及磁链所在扇区直接选择两个相邻电压矢量。该方法仅仅是一个定性的分析，并未作定量计算，在运行过程中容易出现超出现象，且频率不固定，实际生产中不易实现。本研究针对其缺点进行了改进，计算出了确定的电压矢量及其所在扇区，将其分解为该扇区两个相邻矢量，并准确计算出两个矢量的作用时间，不会出现溢出现象。

控制原理如图1 所示。

图1 直接转矩控制系统原理图

本研究利用测得的电流和电压矢量辨识定子磁链和转矩，与磁链和转矩给定值相比较后，将其差值分别输入两个PI 控制器，分别产生电压矢量的两个分量ux、uy，将两个矢量分量合成后得到电压矢量的幅值和角度，进而控制磁链和转矩。

2 系统仿真模型

本研究根据改进的直接转矩控制理论和系统原理图，利用Matlab/Simulink2010b 构建了仿真模型。

2．1 dq 变换

为满足ABC 轴系定子三相电流iA、iB和iC产生的磁动势与两相定子电流iD和iQ产生的磁动势相等，可得

2．2 定子磁链和电磁转矩估计模型

定子磁链估计采用电压-电流模型，本研究通过其dq 分量来估计其幅值和相位:

式中:uD，uQ，iD，iQ—dq 轴系的坐标变化而得;Rs—定子绕组电阻阻值。

则定子磁链可表示为:

由式(2)可以得到电磁转矩的估计值，即有:

式中:ψD，ψQ—估计值;iD，iQ—实测值;ρs—定子磁链的角度。

2．3 定子磁链和电磁转矩调节器

本研究将估算得到的定子磁链和转矩与对应的给定值相比较，将其差值输入两个PI 控制器，分别产生电压矢量的两个分量ux、uy，定子磁链调节器如图2 所示。

图2 定子磁链、电磁转矩调节器

2．4 电压矢量选择

本研究将磁链调节器和电磁转矩调节器产生的电压矢量分量ux和uy进行合成，得到uxy的大小和方向，再将uxy分解到所在扇区的相邻两个分量usk、usk+1。各扇区电压矢量分解图如图3 所示。

以第一扇区为例，如图3(a)所示，根据正弦定理可知:

式中:um—向量us1的长度，un—向量us2的长度。

进而可得:

图3 各扇区电压矢量分解图

式中:T—PWM 周期，t1—向量us1的作用时间，t2—向量us2的作用时间，t0—零矢量的作用时间。

根据各电压矢量分量可以合成三相电压:

式中:UA，UB，UC—逆变器输出A、B、C 三相电压;Udc—电压源逆变器的直流输入。

其他扇区计算与此类似，此处不再赘述。

4 仿真结果及分析

仿真所用交流电机参数:

额定功率PN=75 kW，额定电压VN=400 V，额定电流IN=184 A，额定频率f =50 Hz，额定转速nN=1 484 r/min，极对数p =2，定子电阻Rs=0．035 52 ohm，转子电阻Rr=0．020 92 ohm，定子漏感Ls=0．000 335 H，转子电感Lr=0． 000 335 H，定转子之间互感Lm=0．015 1 H，额定磁链为1 Wb。参考速度为350 r/min［11］。

实际仿真中，磁链给定0．8 Wb，转速给定值为110 rad，笔者将传统直接转矩控制方法与本研究提出的方法进行对比。

转速曲线如图4 所示。

由图4(a)、4(b)可以看出，传统方法需要0．9 s 转速才能达到给定，而本研究提出的方法只需0．8 s 即可，响应速度明显较快，且能保持为110 rad/s。

图4 转速曲线

磁链轨迹如图5 所示。

由图5(a)、5(b)可以看出，本研究提出的方法比传统方法的磁链轨迹更圆，且没有超出现象。

电磁转矩曲线如图6 所示。

由图6(a)、6(b)可以看出，恒负载20 N·m 下，传统控制方法转矩脉动接近30 N·m，波动较大，本研究提出的方法响应快，稳定后转矩保持给定，基本无波动。

综上，采用本研究提出的方法，转速和转矩在很短的时间内达到给定值并保持稳定，磁链轨迹满足圆形，且波动小于±4‰。由此可见，采用本研究提出的直接转矩控制方法，三相感应电机具有响应速度快、暂态时间短，波动小、磁链幅值保持恒定和系统性能受转子参数影响小等优点，充分证明了其优越性和有效性。但该控制方法也有其不足之处，即稳定过程中电磁转矩也有纹波存在，这可以通过调节控制器参数来加以该改善。

图5 磁链轨迹

图6 电磁转矩曲线

4 结束语

本研究针对传统直接转矩控制的缺点进行了改进，提出了新型的控制方案，计算出了确定的电压矢量大小和方向，不会出现溢出现象，磁链和转矩脉动小;利用Matlab/Simulink 构造了改进的三相感应电机直接转矩控制系统模型，并给出了仿真结果。

仿真结果证明，三相感应电机具有响应速度快、暂态时间短，波动小、磁链幅值保持恒定、系统性能受转子参数影响小等优点，该方法能够高速、有效地实现定子磁链定向和转速调节，较好地实现了磁链和转矩控制。

［1］朱军丽． 基于模糊控制的交流电机直接转矩控制研究［D］．沈阳:东北大学信息科学与工程学院，2013．

［2］李 玥，解大琴．三相交流电机直接转矩控制研究［J］．宝鸡文理学院学报:自然科学版，2013，33(2):45-48．

［3］程启明，程尹曼，王映斐，等．交流电机控制策略的发展综述［J］．电力系统保护与控制，2011，39(9):145-154．

［4］郭建华．三相交流电机直接转矩控制研究［J］． 科技风，2014(13):59．

［5］王德友，田运涛，熊维兵．交流电机直接转矩控制策略的分析与比较［J］．机电技术，2012(5):107-110．

［6］李海军，卢云峰．电动自卸车驱动电机直接转矩控制系统的实现［J］．长春理工大学学报(高教版)，2010，5(2):169-170．

［7］王 琳．矢量控制与直接转矩控制技术［J］． 价值工程，2014(28):64-65．

［8］刘昆汶，郭俊宇，赵 鑫．基于DTC 技术的交流电机控制方法研究［J］．机械工程与自动化，2011(3):202-205．

［9］张 伟．直接转矩控制系统的仿真研究［J］．黑龙江科技信息，2011(17):18．

［10］陈 静，张省伟．交流电机直接转矩控制改进方案［J］．电子设计工程，2009，5(17):112-114．

［11］张 莹．交流电机变频调速控制的设计［J］．机械制造与自动化，2013(4):152-155．