張文浩¹ 崔連成² 慕曉靜³

（青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042）

Study of Asynchronous Motor Direct Torque Control Based on MATLAB/Simulink

Zhang Wenhao, Cui Liancheng, Mu Xiaojing

College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China

Abstract: This paper introduces the control principle of three-phase asynchronous motor direct torque control based on the asynchronous motor mathematical model established in this paper. The whole and different components simulation models of three-phase asynchronous motor direct torque control system are established based on simulation platform MATLAB/Simulink. The simulation result shows that the motor speed can be tracked quickly by means of this control method with higher dynamic and static performance, meanwhile, motor flux and torque ripple can be lowered effectively. The steady state performance of the AC speed-regulating system is improved greatly.

Key Words: asynchronous motor; direct torque control; simulation platform; flux

0  引言

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，于20世紀(jì)80年代由德國(guó)學(xué)者M(jìn). Depenbrock和日本學(xué)者I. Takahashi首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出，90年代由Zhong. L, Rahman M F, Hu Y W等學(xué)者提出永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論。它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制(Band-Band控制)產(chǎn)生脈寬信號(hào)，直接對(duì)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(dòng)態(tài)性能。

DTC具備控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)依賴少、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)中，在家用電器、汽車工業(yè)、電力機(jī)車牽引等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。

本文分析三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理，基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)建立三相異步電動(dòng)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。仿真結(jié)果表明，該控制方法可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，該系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

1. 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)是一個(gè)高階次、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，因此對(duì)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析時(shí)，通常作以下假設(shè)：

（1）忽略空間諧波，假設(shè)三相繞組對(duì)稱，產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)按正弦分布。

（2）忽略磁路飽和現(xiàn)象。

（3）不計(jì)鐵心損耗。

（4）不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響。

    采用空間矢量分析法，在正交定子坐標(biāo)系上描述異步電機(jī)。電機(jī)在定子坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程以及運(yùn)動(dòng)方程組成。

電壓方程為：

2  異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方法采用空間矢量分析方法直接在定子靜止坐標(biāo)系中分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈的算法模型，計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，借助于滯環(huán)控制器（Bang-Bang 控制）產(chǎn)生PWM 信號(hào)，通過(guò)開關(guān)表直接對(duì)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(dòng)態(tài)性能。

基本原理是充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，通過(guò)不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形，并通過(guò)零電壓矢量的穿插來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其變化率，從而使交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)由逆變器、三相異步電機(jī)、磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、轉(zhuǎn)子位置估算、開關(guān)表、PI調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器等組成?？刂葡到y(tǒng)將電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出作為轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)三相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實(shí)際值的誤差；最后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)電壓矢量，使電機(jī)能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最終達(dá)到調(diào)速的目的。該系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示：

3  異步電動(dòng)機(jī)DTC控制系統(tǒng)仿真模型組建

基于上述建立的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型以及直接轉(zhuǎn)矩控制原理，在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink工具，建立了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型。整體仿真模型以及各組成仿真模型如下：

4  仿真結(jié)果及分析

利用上述在MATLAB/Simulink下建立的仿真模型，在MATLAB R2010a下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：

電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子磁鏈?zhǔn)噶康姆抡娌ㄐ畏謩e如圖（a）、（b）、（c）、（d）。

由仿真結(jié)果可以看出：電機(jī)啟動(dòng)速度很快，實(shí)際的速度能迅速的變化且無(wú)超調(diào)，在給定轉(zhuǎn)速變化較大的情況下，能快速跟蹤，說(shuō)明直接轉(zhuǎn)矩控制確實(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。定子電流諧波影響小。除啟動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)建立的過(guò)程外，在靜、動(dòng)態(tài)過(guò)程中定子磁鏈運(yùn)行軌跡保持近似圓形，定子賦值基本保持不變，有效地減小了電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化時(shí)磁鏈的脈動(dòng)。加負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，脈動(dòng)波動(dòng)小，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20 世紀(jì)80年代中期繼矢量變換控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)。隨著直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 需要不斷對(duì)其技術(shù)進(jìn)行改造, 本文針對(duì)其主要控制對(duì)象定子磁鏈幅值及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩提出了相應(yīng)的控制方法,使得定子磁鏈軌跡近似為圓形, 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速, 減少了電動(dòng)機(jī)的諧波成分、 噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 獲得高性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)圓形磁鏈的直接控制, 驗(yàn)證了這種新控制方法的優(yōu)良性能。仿真結(jié)果顯示, 采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤， 有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈以及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性小, 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能良好。

作者簡(jiǎn)介:

張文浩（1988-）男，青島科技大學(xué)，碩士研究生，專業(yè)：控制理論與控制工程

崔連成（1986-）男，青島科技大學(xué)，碩士研究生，專業(yè)：控制理論與控制工程

慕曉靜（1986-）女，青島科技大學(xué)，碩士研究生，專業(yè)：控制理論與控制工程

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