基于Matlab仿真设计的直接转矩控制技术
2018-01-04于楠楠
于楠楠
基于Matlab仿真设计的直接转矩控制技术
于楠楠
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）
直接转矩控制技术（DTC）采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制电动机的转矩和磁链；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制（Bang-Bang控制）产生脉宽信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。主要介绍了三相异步电动机直接转矩控制系统的控制原理，基于Matlab仿真平台建立三相异步电动机直接转矩控制系统的整体仿真模型以及该系统各组成的仿真模型。通过对轨迹的观测，检测是否达到控制要求，以检验直接转矩控制的效果。最后对仿真图进行分析，验证直接转矩控制技术的有效性和可靠性。
异步电机；直接转矩控制；定子磁链；空间矢量；Matlab仿真;可靠性
1 引言
直接转矩控制技术是上世纪80年代由德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本学者Takahashi提出并逐渐发展起来的新技术[1-2]，它是继矢量变换控制技术之后，与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动控制技术[3]。
直接转矩控制是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，借助双位模拟调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能[4]。它省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静态和动态性能的交流调速方法。在直接转矩控制分析中，一般选用空间矢量的数学分析方法[5]。主要介绍直接转矩控制系统的基本结构和原理，并利用Matlab/Simulink软件根据异步电动机的数学模型建立仿真模型。然后在Simulink环境下使用该模型组建异步电动机直接转矩控制系统[6]。通过改变控制系统中直接影响电动机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环调节器的参数，通过仿真得到仿真图，对仿真进行分析，验证直接转矩控制方法的有效性和可靠性。
2 直接转矩控制系统原理
直接转矩控制系统的基本控制方式如上所述，它的基本结构可分为以下几个部分[7]：
（1）控制部分：分为磁链滞环调节器、转矩滞环调节器；
（2）逆变部分：由逆变器组成；
（3）电机部分：为异步电动机。
系统原理图如图1所示，图中各个单元器件名称为：AMM—异步电机数学模型；UCT—坐标变换单元；DMC—磁链自控制单元；AZS—零状态选择单元；AMC—转矩计算单元；ATR—转矩调节；UT—逆变器。
图1 直接转矩控制系统原理图
由图可见，直接转矩控制系统工作原理为：通过AMM计算得到定子磁链，并分解到坐标轴，然后经过UCT进行坐标变换，通过将计算得到的磁链值与DMC给定的磁链值进行比较，得到磁链开关信号，通过AMC计算得到转矩值，根据转矩调节器ATR的输出量决定是否插入零状态，确定电压开关状态，对逆变器的输出电压进行控制，使其产生六边形磁链。
3 仿真模型的搭建
在利用MATLAB进行系统仿真时，首先根据原理图，把系统分成几个子系统，然后在Simulink环境下用模块库中的模块搭建每个子系统，加以封装利用，最后把所有模块连接起来构成一个完整的系统。根据系统设计思想构造出系统仿真模块结构，结构总图如图2所示。
三相异步电动机直接转矩控制系统仿真模型由7个主要模块组成：三相不控整流器（Three-phase diode rectifier）、制动斩波器（Braking chopper）、三相逆变器（Three-phaseinverter）、测量单元（Measures）、异步电动机模块（Induction machine）、转速控制器（Speed Controller）和直接转矩控制模块DTC。其中，前5个模块组成系统主电路；主电路模块和转速控制器模块结构基本与磁场定向矢量控制系统相同[8]。
图2 直接转矩控制仿真模型
系统原理的实现：三相交流电源依次经三相二极管整流、三相逆变器和电压电流测量模块给异步电机供电；给定转速加于转速控制器，经过磁链查表输出给定磁链；给定速度与速度反馈（实际速度）比较后经过PI调节器输出给定转矩信号。子系统包括转矩和磁链滞环控制模块，转矩和磁链观测模块，磁链扇区判别模块，电压开关表和开关控制器，给定转矩和磁链分别与实际转矩和磁链取差值，然后分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区sector一起输入到电压开关表中，选择合适的电压矢量；电压电流测量模块输出i_ab和V_abc，送入到转矩和磁链观测模块，用于计算磁链。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有八种开关状态，可以得到六个互差60度的电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链受电压空间矢量控制，因此改变逆变器的开关状态可以控制定子磁链的运行轨迹，从而控制交流电动机的运行状态。
4 仿真结果与分析
在直接转矩控制系统Simulink仿真中，异步电动机模型规定参数设定为：额定功率为5500W，额定电压为380V，定子电阻为0.0217Ω，转子电阻为0.329Ω，定子电感为0.0001048H，转子电感为0.000317H，定转子互感为0.01162H，极对数为2，转动惯量 0.0214kg·m2，给定转速为 1400 r/min，基本采样时间为0.1s。
（1）给定转矩为0.3时仿真波形如图3-4所示：
图3 磁链轨链
图4 三相电流、转矩波形
（2）给定转矩为1.5时仿真波形如图5-6所示：
图5 磁链轨链
图6 三相电流、转矩波形
由仿真图像可知，电机在启动过程中，在PI调节器作用下，对三相电流、转矩起到放大作用，使转矩迅速提高，然后达到稳定。磁链轨迹近似为圆形。
5 结束语
直接转矩控制技术作为电机控制领域一种新的控制策略，必然会不断发展和完善，相信今后对电机的控制必然会更加简单、可靠，更加令人满意。如何把已有的知识运用到实际中，实现运动控制的简单化、经济化和最优化，将是一个更为艰巨的任务。
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Direct Torque Control Technology Based on Matlab Simulation
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，辽宁省沈阳市人，工程师，主研方向：微电子设计。收期日期：2017-10-13
