盧秉娟，黃會營，姬宣德

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動化系，洛陽 471023）

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真對比研究

盧秉娟，黃會營，姬宣德

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動化系，洛陽 471023）

0 引言

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼異步電動機矢量控制技術(shù)之后又一高性能的電動機控制方法，它很大程度上解決了矢量控制算法復(fù)雜、控制性能易受電機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響等缺點，為感應(yīng)電動機的高性能控制開辟了嶄新方向。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(BASIC-DTC)系統(tǒng)[1]的轉(zhuǎn)矩脈動與磁鏈脈動一直制約著異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的靜動態(tài)性能。為了降低轉(zhuǎn)矩脈動與磁鏈脈動，把空間電壓矢量調(diào)制(SVM)引入異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，利用PI調(diào)節(jié)器代替滯環(huán)比較器，構(gòu)成空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。本文利用MATLAB仿真工具建立了異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并對其進行仿真。仿真結(jié)果表明， 異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)系統(tǒng)克服了BASIC-DTC系統(tǒng)的固有缺陷，同時獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動態(tài)性能。

1 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)和SVM-DTC系統(tǒng)的工作原理

1.1 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)工作原理

異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)的工作原理就是利用速度調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩信號與轉(zhuǎn)矩模型計算出的反饋轉(zhuǎn)矩信號相比較生成轉(zhuǎn)矩偏差信號，再利用給定定子磁鏈幅值信號與幅值模型計算出的反饋定子磁鏈幅值信號相比較生成定子磁鏈幅值偏差信號，然后將轉(zhuǎn)矩偏差信號和定子磁鏈幅值偏差信號分別送入通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器，最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號和磁鏈開關(guān)信號，根據(jù)定子磁鏈矢量所在的區(qū)間，通過開關(guān)選擇表選取所需的電壓空間矢量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，圖1是異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)框圖。

異步電動機的BASIC-DTC方法是傳統(tǒng)的控制策略，由于其轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用雙位式控制器簡化了控制器的結(jié)構(gòu)；選擇定子磁鏈作為被控量提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，采用直接轉(zhuǎn)矩控制可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，因此，這種控制方法在交流調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是開關(guān)選擇表中電壓空間矢量的個數(shù)有限，使得轉(zhuǎn)矩和磁鏈往往不能同時得到最佳調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動；轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器的使用又導(dǎo)致了PWM逆變器中的器件開關(guān)頻率不固定。這些問題一直制約著異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)的發(fā)展。

1.2 異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)工作原理

圖1 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)框圖

為了解決異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動、磁鏈脈動和開關(guān)頻率不固定等問題，把空間矢量調(diào)制(SVM)引入異步電動機DTC系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)和磁鏈調(diào)節(jié)器(AψR)取代轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器，利用空間矢量調(diào)制(SVM)取代電壓空間矢量開關(guān)選擇表，構(gòu)成異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。圖2是異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)框圖。

圖2 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)框圖

在圖2中，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)輸出控制轉(zhuǎn)矩需要的電壓空間矢量分量，磁鏈調(diào)節(jié)器(AR)輸出控制磁鏈需要的電壓空間矢量分量，然后利用旋轉(zhuǎn)逆變換把坐標系下的和變換到坐標系下的和，最后利用空間矢量調(diào)制(SVM)算法生成驅(qū)動PWM逆變器的PWM信號。由于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)和磁鏈調(diào)節(jié)器(AψR)可以實現(xiàn)連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)輸出，由固定開關(guān)周期的空間矢量調(diào)制(SVM)算法合成任意復(fù)制和相位的電壓空間矢量，因而可以有效抑制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，而且使得PWM逆變器的開關(guān)頻率固定。如果說BASICDTC方法是實現(xiàn)了對異步電動機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“定性”控制，那么SVM-DTC方法是實現(xiàn)了對異步電動機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“定量”控制，因此異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)在控制性能上優(yōu)越于異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)。

2 異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型和磁鏈觀測器

式中：Pn為極對數(shù)。

運動方程為：

3 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

3.1 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)框圖(如圖1所示)，應(yīng)用利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型庫建立異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。仿真模型包括主電路和控制電路，主電路包含直流電源模塊、PWM逆變器模塊、異步電動機模塊，控制電路主要包含速度調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器、磁鏈區(qū)間判斷模塊和電壓空間矢量開關(guān)選擇表。這些模塊在SimPowerSystems模型庫都有封裝好的模型，因此只要進行參數(shù)設(shè)置就可以應(yīng)用，不要需要再進行建模，降低了仿真難度，極大地方便了模型仿真。

圖3 異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型

3.2 異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

圖4 異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

4 系統(tǒng)仿真

圖5 定子磁鏈軌跡

圖6 轉(zhuǎn)矩波形

圖7 速度波形

從圖5可以看出：SVM-DTC的磁鏈脈動小于BASIC-DTC的磁鏈脈動。原因在于SVM-DTC中SVM算法可以產(chǎn)生任意幅值和相位的電壓空間矢量，而BASIC-DTC開關(guān)選擇表中的電壓空間矢量個數(shù)有限。

從圖6可以看出：由于SVM算法優(yōu)越于開關(guān)選擇表的原因，SVM-DTC的轉(zhuǎn)矩脈動要小于BASICDTC的轉(zhuǎn)矩脈動。

從圖7可以看出：盡管SVM-DTC使用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈PI調(diào)節(jié)器，比BASIC-DTC的轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器反映慢，但是SVM-DTC系統(tǒng)的速度動態(tài)響應(yīng)并不慢于BASIC-DTC系統(tǒng)的速度動態(tài)響應(yīng)。

5 結(jié)束語

借助MATLAB仿真平臺，利用Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型庫，建立了異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并進行了系統(tǒng)對比仿真。仿真結(jié)果表明：與異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)相比，異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)有效地抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，克服了開關(guān)頻率不固定的缺點，同時獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動態(tài)響應(yīng)。

[1]Depenbrock M. Direct self-control of inverter fed induction machine[J].IEEE Trans on Power Electronics,1988,3(4):420-429.

[2]Lascu, C.I.Boldea,and f.Blaabjerg. A modified direct torque control of induction motor sensorless drive[J]. IEEE Trans on Industry Applications,2000,36(1):122-130.

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Comparative study of induction motor direct torque control system simulation

LU Bing-juan, HUANG Hui-ying, JI Xuan-de

在詳細分析異步電動機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(BASIC-DTC)系統(tǒng)和空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真平臺分別建立了異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)仿真模型和SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，并對兩種仿真模型進行了對比仿真。仿真結(jié)果表明：與異步電動機BASIC-DTC系統(tǒng)相比，異步電動機SVM-DTC系統(tǒng)有效地抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，克服了開關(guān)頻率不固定的缺陷，同時獲得了與BASIC-DTC系統(tǒng)一樣的動態(tài)響應(yīng)。

交流調(diào)速系統(tǒng)；傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制；系統(tǒng)仿真

盧秉娟（1961 -），女，河南洛陽人，副教授，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。

TM343

A

1009-0134(2014)05(下)-0001-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).01

2013-12-06

河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2010B470009）