摘 要： 為了驗證基于三電平逆變器異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的可行性和有效性，利用Saber仿真軟件優(yōu)良的模塊化和分級式的系統(tǒng)仿真能力，建立了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩觀測器、扇區(qū)判斷、空間電壓開關(guān)矢量表以及二極管箝位型三電平逆變器等子系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理最終構(gòu)建了完整的系統(tǒng)仿真模型。利用所構(gòu)建的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了仿真實驗，仿真分析結(jié)果證明建立的系統(tǒng)模型是有效的，表明直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。

關(guān)鍵詞： 直接轉(zhuǎn)矩控制； 仿真模型； Saber； 仿真實驗

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0118?04

Simulation of Saber?based direct torque control system for asynchronous motor

WANG Gang

（The 710 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation， Yichang 443003， China）

Abstract： To demonstrate the validity of the direct torque control system for asynchronous motor based on three?level inverter， a subsystem simulation models in the direct torque control system for asynchronous motor were established by means of excellent modular and hierarchical system simulation capability of simulation software Saber. The subsystem models were integrated into a complete system model according to the theory of direct torque control. The simulation experiment was carried out with the system simulation model. The result of simulation analysis shows that the system simulation model is effective， and the direct torque control system has excellent dynamic response performance.

Keywords： direct torque control； simulation model； saber； simulation experiment

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control）是由德國Depenbrock.M教授于20世紀(jì)80年代中期首先提出的，這是繼矢量控制技術(shù)（Field Oriented Control）之后又一種高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)[1]。該理論以定子磁場為控制對象，利用滯環(huán)比較器（BangBang控制）產(chǎn)生的信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，從而避免了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)敏感等問題。本文利用Saber仿真軟件的基本模塊及MAST語言搭建仿真平臺，對基于三電平逆變器的異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

圖1為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要由定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩觀測器、速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器、空間電壓矢量開關(guān)表、電壓源型（VSI）逆變器以及三相交流異步電動機(jī)等組成[2]。異步電動機(jī)定子的三相電壓和電流經(jīng)過三相/兩相坐標(biāo)變換（Clarke變換），可計算出磁鏈[α]相和[β]相的分量，進(jìn)而估算出定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩，估算值分別與磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的給定值比較得到相應(yīng)的誤差極性信號，用來確定最優(yōu)的空間電壓開關(guān)矢量，以控制逆變器的輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的目的。

圖1 三相異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 仿真模型的建立

仿真模型的建立采用了自下而上的模塊化建模思想，并充分利用了Saber仿真軟件分層設(shè)計、模塊化的仿真特點。首先，利用Saber的基礎(chǔ)元件及MAST語言搭建各子模塊，然后分別搭建各子系統(tǒng)，并進(jìn)行了封裝，最后根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建整個系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。仿真模型中的異步電動機(jī)可以直接使用軟件中的三相鼠籠式異步電動機(jī)模塊，逆變器采用的是二極管箝位型三電平逆變器，按照其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建模型并加以封裝。

2.1 定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩觀測器的仿真模型

根據(jù)磁鏈電壓模型法（[u ]?[i]模型），可以利用異步電機(jī)的定子電阻、定子電壓和定子電流估算定子磁鏈在靜止兩相坐標(biāo)系下[α]相、[β]相的分量[3]：

根據(jù)以上公式可以搭建定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩觀測器（Torque and Flux Estimator）的底層模型，如圖3所示。其中定子磁鏈幅值計算模塊（Psis模塊）、磁鏈觀測模塊（Flux Observer）的底層模型分別如圖4，圖5所示。

2.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器與磁鏈調(diào)節(jié)器的仿真模型

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對定子磁鏈幅值、電磁轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制，從而對異步電動機(jī)進(jìn)行快速、精準(zhǔn)地調(diào)速。

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器為三級滯環(huán)比較器，其輸入值是轉(zhuǎn)矩給定值[T*e]與實際值[Te]的差值[ΔTe，]經(jīng)過與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度[ξTe]比較，輸出一個轉(zhuǎn)矩誤差極性信號[HTe，]為后續(xù)的空間電壓矢量開關(guān)信號提供參考，在Saber軟件中可通過直接調(diào)用BangBang控制模塊實現(xiàn)。

圖5 磁鏈觀測模塊底層模型

磁鏈調(diào)節(jié)器為兩級滯環(huán)比較器[5]，其輸入值是定子磁鏈給定值[ψ*s]與估算值[ψs]的差值[Δψs，]經(jīng)過與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度[ξψs]比較，輸出一個磁鏈誤差極性信號[Hψs，]同樣為后續(xù)的空間電壓矢量開關(guān)信號提供參考，在Saber軟件中可通過直接調(diào)用Saber元件庫中的C_Relay模塊實現(xiàn)。

2.3 空間電壓矢量開關(guān)表的仿真模型

空間電壓矢量開關(guān)表的作用是根據(jù)所接收的實時誤差極性信號[HTe，][Hψs]以及轉(zhuǎn)矩角信號[θs]來決定所需要輸出的空間電壓矢量，輸出的空間電壓矢量開關(guān)信號可以控制逆變器各橋臂的開關(guān)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

基于三電平逆變器的直接轉(zhuǎn)矩控制一般采用的是基于虛擬合成矢量的優(yōu)化矢量表，如表1所示。以各虛擬合成矢量為中心線，可以將[αβ]坐標(biāo)面均分為[12]個角度為30°的扇區(qū)，并且每個扇區(qū)的編號與該虛擬合成矢量編號保持一致，如圖6所示。通過虛擬合成矢量的方法，可以將傳統(tǒng)兩電平的直接轉(zhuǎn)矩控制方法直接移植到三電平逆變電路上進(jìn)行應(yīng)用[6]。

4 結(jié) 語

利用Saber軟件可以方便地實現(xiàn)基于三電平逆變器異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真，通過仿真結(jié)果可以看到直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)迅速，調(diào)速控制精確等優(yōu)點；同時，Saber軟件自身集成的各種工具可對仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，對于實際系統(tǒng)的開發(fā)及調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] DEPEN B M. Direct self?control （DSC） of inver?fed induction machine [J]. IEEE Transactions on PE，1988， 3（5）： 420?429.

[2] TAKAHASHI I， OHMORI Y. High?performance direct torque control of an induction motor [J].IEEE Transactions on Industry Application， 1989， 25： 257?264.

[3] 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，2001.

[4] 陳堅.交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.

[5] 楊祖泉，姚緒梁，舒小芳.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2004（8）：329?332.

[6] 李永東，侯軒，譚卓輝.三電平逆變器異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（Ⅱ）：合成矢量法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2004，5（19）：12?16.