异步电动机直接转矩控制系统仿真对比研究

卢秉娟，黄会营，姬宣德

（洛阳理工学院 电气工程与自动化系，洛阳 471023）

异步电动机直接转矩控制系统仿真对比研究

卢秉娟，黄会营，姬宣德

（洛阳理工学院 电气工程与自动化系，洛阳 471023）

0 引言

异步电动机直接转矩控制技术是继异步电动机矢量控制技术之后又一高性能的电动机控制方法，它很大程度上解决了矢量控制算法复杂、控制性能易受电机转子参数变化影响等缺点，为感应电动机的高性能控制开辟了崭新方向。但传统直接转矩控制(BASIC-DTC)系统[1]的转矩脉动与磁链脉动一直制约着异步电动机直接转矩控制系统的静动态性能。为了降低转矩脉动与磁链脉动，把空间电压矢量调制(SVM)引入异步电动机直接转矩控制系统，利用PI调节器代替滞环比较器，构成空间矢量调制直接转矩控制(SVM-DTC)系统[2]，实现转矩和磁链的控制。本文利用MATLAB仿真工具建立了异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型和SVM-DTC系统仿真模型，并对其进行仿真。仿真结果表明， 异步电动机SVM-DTC系统系统克服了BASIC-DTC系统的固有缺陷，同时获得了与BASIC-DTC系统一样的动态性能。

1 异步电动机BASIC-DTC系统和SVM-DTC系统的工作原理

1.1 异步电动机BASIC-DTC系统工作原理

异步电动机BASIC-DTC系统的工作原理就是利用速度调节器输出的给定转矩信号与转矩模型计算出的反馈转矩信号相比较生成转矩偏差信号，再利用给定定子磁链幅值信号与幅值模型计算出的反馈定子磁链幅值信号相比较生成定子磁链幅值偏差信号，然后将转矩偏差信号和定子磁链幅值偏差信号分别送入通过转矩滞环比较器和磁链滞环比较器，最终产生转矩开关信号和磁链开关信号，根据定子磁链矢量所在的区间，通过开关选择表选取所需的电压空间矢量，实现转矩和磁链的控制，图1是异步电动机BASIC-DTC系统框图。

异步电动机的BASIC-DTC方法是传统的控制策略，由于其转矩和磁链采用双位式控制器简化了控制器的结构；选择定子磁链作为被控量提高了控制系统的鲁棒性，采用直接转矩控制可以获得快速的转矩响应，因此，这种控制方法在交流调速领域得到广泛应用。但是开关选择表中电压空间矢量的个数有限，使得转矩和磁链往往不能同时得到最佳调节，最终导致转矩和磁链脉动；转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的使用又导致了PWM逆变器中的器件开关频率不固定。这些问题一直制约着异步电动机BASIC-DTC系统的发展。

1.2 异步电动机SVM-DTC系统工作原理

图1 异步电动机BASIC-DTC系统框图

为了解决异步电动机BASIC-DTC系统的转矩脉动、磁链脉动和开关频率不固定等问题，把空间矢量调制(SVM)引入异步电动机DTC系统，利用转矩调节器(ATR)和磁链调节器(AψR)取代转矩滞环比较器和磁链滞环比较器，利用空间矢量调制(SVM)取代电压空间矢量开关选择表，构成异步电动机SVM-DTC系统，实现对转矩和磁链的控制。图2是异步电动机SVM-DTC系统框图。

图2 异步电动机BASIC-DTC系统框图

在图2中，转矩调节器(ATR)输出控制转矩需要的电压空间矢量分量，磁链调节器(AR)输出控制磁链需要的电压空间矢量分量，然后利用旋转逆变换把坐标系下的和变换到坐标系下的和，最后利用空间矢量调制(SVM)算法生成驱动PWM逆变器的PWM信号。由于转矩调节器(ATR)和磁链调节器(AψR)可以实现连续平滑的调节输出，由固定开关周期的空间矢量调制(SVM)算法合成任意复制和相位的电压空间矢量，因而可以有效抑制转矩和磁链脉动，而且使得PWM逆变器的开关频率固定。如果说BASICDTC方法是实现了对异步电动机转矩和磁链的“定性”控制，那么SVM-DTC方法是实现了对异步电动机转矩和磁链的“定量”控制，因此异步电动机SVM-DTC系统在控制性能上优越于异步电动机BASIC-DTC系统。

2 异步电动机动态数学模型和磁链观测器

式中：Pn为极对数。

运动方程为：

3 异步电动机BASIC-DTC系统和SVM-DTC系统仿真模型

3.1 异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型

根据异步电动机BASIC-DTC系统框图(如图1所示)，应用利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型库建立异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型，如图3所示。仿真模型包括主电路和控制电路，主电路包含直流电源模块、PWM逆变器模块、异步电动机模块，控制电路主要包含速度调节器、滞环比较器、磁链区间判断模块和电压空间矢量开关选择表。这些模块在SimPowerSystems模型库都有封装好的模型，因此只要进行参数设置就可以应用，不要需要再进行建模，降低了仿真难度，极大地方便了模型仿真。

图3 异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型

3.2 异步电动机SVM-DTC系统仿真模型

图4 异步电动机SVM-DTC系统仿真模型

4 系统仿真

图5 定子磁链轨迹

图6 转矩波形

图7 速度波形

从图5可以看出：SVM-DTC的磁链脉动小于BASIC-DTC的磁链脉动。原因在于SVM-DTC中SVM算法可以产生任意幅值和相位的电压空间矢量，而BASIC-DTC开关选择表中的电压空间矢量个数有限。

从图6可以看出：由于SVM算法优越于开关选择表的原因，SVM-DTC的转矩脉动要小于BASICDTC的转矩脉动。

从图7可以看出：尽管SVM-DTC使用了转矩和磁链PI调节器，比BASIC-DTC的转矩和磁链滞环比较器反映慢，但是SVM-DTC系统的速度动态响应并不慢于BASIC-DTC系统的速度动态响应。

5 结束语

借助MATLAB仿真平台，利用Simulink仿真工具箱和SimPowerSystems模型库，建立了异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型和SVM-DTC系统仿真模型，并进行了系统对比仿真。仿真结果表明：与异步电动机BASIC-DTC系统相比，异步电动机SVM-DTC系统有效地抑制了转矩和磁链脉动，克服了开关频率不固定的缺点，同时获得了与BASIC-DTC系统一样的动态响应。

[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.

[3]Huang Wenxin,Li yong,Hu Yuwen. Direct Torque Control Strategy for Asynchronous Motor Based on Space Vector Modulation[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautic,2007,39(1):127-132.

[4]MarchesoniM,SegarichP,SoressiE.A simple approach to fl ux and speed observation in induction motor drives[J].IEEE Transaction Industrial Electronics,1997,4(4):528-535.

[5]ISAO TAKAHASHI.A New Quick Respouse and High Eff i ciency Control Strategy of an Induction Motor[J]. IEEE Transaction on Industry Applications,1986,22(5):820-827.

[6]黄文新,胡育文,李磊.一种新颖的空间电压矢量调制逆变器的死区补偿方法[J].南京航空航天大学学报,2002,34(2):143-147.

Comparative study of induction motor direct torque control system simulation

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

在详细分析异步电动机传统直接转矩控制(BASIC-DTC)系统和空间矢量调制直接转矩控制(SVM-DTC)系统的基础上，利用MATLAB仿真平台分别建立了异步电动机BASIC-DTC系统仿真模型和SVM-DTC系统仿真模型，并对两种仿真模型进行了对比仿真。仿真结果表明：与异步电动机BASIC-DTC系统相比，异步电动机SVM-DTC系统有效地抑制了转矩和磁链脉动，克服了开关频率不固定的缺陷，同时获得了与BASIC-DTC系统一样的动态响应。

交流调速系统；传统直接转矩控制；空间矢量调制直接转矩控制；系统仿真

卢秉娟（1961 -），女，河南洛阳人，副教授，硕士，研究方向为电力电子与电力传动。

TM343

A

1009-0134(2014)05(下)-0001-04

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

2013-12-06

河南省教育厅自然科学研究计划项目（2010B470009）