張文浩¹ 崔連成² 慕曉靜³

（青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(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)展起來的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，于20世紀80年代由德國學(xué)者M. Depenbrock和日本學(xué)者I. Takahashi首先針對異步電動機提出，90年代由Zhong. L, Rahman M F, Hu Y W等學(xué)者提出永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制理論。它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制(Band-Band控制)產(chǎn)生脈寬信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。

DTC具備控制結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)迅速、對電動機參數(shù)依賴少、對電動機參數(shù)變化魯棒性好等優(yōu)點。目前廣泛應(yīng)用于異步電動機、永磁同步電動機中，在家用電器、汽車工業(yè)、電力機車牽引等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。

本文分析三相異步電機的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹了三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理，基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立三相異步電動機直接轉(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現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，該系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能，有效地減小了電動機磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

1. 異步電動機的數(shù)學(xué)模型

異步電機是一個高階次、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，因此對異步電機的數(shù)學(xué)模型進行分析時，通常作以下假設(shè)：

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

（2）忽略磁路飽和現(xiàn)象。

（3）不計鐵心損耗。

（4）不考慮頻率和溫度變化對繞組的影響。

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

電壓方程為：

2  異步電動機直接轉(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系中分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈的算法模型，計算和控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，借助于滯環(huán)控制器（Bang-Bang 控制）產(chǎn)生PWM 信號，通過開關(guān)表直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。

基本原理是充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機的轉(zhuǎn)矩及其變化率，從而使交流電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。

異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)由逆變器、三相異步電機、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。控制系統(tǒng)將電機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(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；同時系統(tǒng)根據(jù)檢測的電機三相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，計算電機轉(zhuǎn)子的位置、電機給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實際值的誤差；最后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)電壓矢量，使電機能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最終達到調(diào)速的目的。該系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示：

3  異步電動機DTC控制系統(tǒng)仿真模型組建

基于上述建立的異步電動機數(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下進行仿真，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：

電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子磁鏈矢量的仿真波形分別如圖（a）、（b）、（c）、（d）。

由仿真結(jié)果可以看出：電機啟動速度很快，實際的速度能迅速的變化且無超調(diào)，在給定轉(zhuǎn)速變化較大的情況下，能快速跟蹤，說明直接轉(zhuǎn)矩控制確實具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。定子電流諧波影響小。除啟動時磁場建立的過程外，在靜、動態(tài)過程中定子磁鏈運行軌跡保持近似圓形，定子賦值基本保持不變，有效地減小了電動機參數(shù)變化時磁鏈的脈動。加負載轉(zhuǎn)矩之后，電機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)較快，脈動波動小，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

5 結(jié)束語

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20 世紀80年代中期繼矢量變換控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動控制技術(shù)。隨著直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛, 需要不斷對其技術(shù)進行改造, 本文針對其主要控制對象定子磁鏈幅值及電動機轉(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, 減少了電動機的諧波成分、 噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動, 獲得高性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在MATLAB/Simulink仿真平臺上實現(xiàn)圓形磁鏈的直接控制, 驗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)可以有效地實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的快速跟蹤， 有效地減小了電動機磁鏈以及轉(zhuǎn)矩的脈動，動態(tài)響應(yīng)迅速,對電機參數(shù)依賴性小, 動態(tài)和靜態(tài)性能良好。

作者簡介:

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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