三相異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)(DTC)仿真

1、1 設計總體思路1.1主電路的設計直接轉矩控制系統(tǒng)簡稱DTC(Direct torque control)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)。在他的轉速環(huán)里面，利用轉矩反饋直接控制電動機的電磁轉矩，因而得名。直接轉矩控制系統(tǒng)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負符號和電磁轉矩偏差的正負符號，再根據(jù)當前定子磁鏈的矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉矩的偏差，實現(xiàn)電磁轉矩與定子磁鏈的控制。 系統(tǒng)主電路如圖1.1所示，由三相不控橋、交流母線、三相逆變器和異步電機組成，2812DSP的脈沖信號控制全控器件的導通。PW1

2、 PW2 PW3 PW4 PW5 PW62812 DSP隔離驅動電路MFBSVD4VD2VD3VD6VD5V1V3V5V2V6V4C圖1.1 系統(tǒng)主電路圖1.2 基本原理直接轉矩控制系統(tǒng)的原理結構如圖1.2示，途中的和ATR分別為定子磁鏈調節(jié)器和轉矩調節(jié)器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器，他們的輸出分別為定子磁鏈幅值偏差的符號函數(shù)sgn()和電磁轉矩偏差的符號函數(shù)sgn()，如圖1.2所示。圖中，定子磁鏈給定與實際轉速有關，在額定轉速以下，保持恒定，在額定轉速以上，隨著的增加而減小。P/N為給定轉矩極性鑒別器，當渴望的電磁轉矩為正時，P/N=1，當渴望的電磁轉矩為負時，P/N=0，對于不同的

3、電磁轉矩期望值，同樣符號函數(shù)sgn()的控制效果是不同的。 PWM控制電壓矢量選擇iASBSCSgn()sgn()sgn()M定子磁鏈計算3/2變換轉矩計算P/NATR- Te- ASR- iBuAuBSAFBSFBS圖1.2制系統(tǒng)原理結構圖 sgn()sgn()10圖1.2 帶有滯環(huán)的雙位式控制器當渴望的電磁轉矩為正，即P/N=1時，若電磁轉矩偏差=-0，其符號函數(shù)sgn()=1，應使定子磁場正向旋轉，使實際轉矩加大；若電磁轉矩偏差=-0，sgn()=0,一般采用定子磁場停止轉動，使電磁轉矩減小。當期望的電磁轉矩為負，即P/N=0時，若電磁轉矩偏差=-0，sgn()=1，一般采用定子磁場停止

4、轉動，使電磁轉矩反向減小。2 單元電路設計2.1 直接轉矩控制系統(tǒng)模型DTC Induction Motor Drive圖2.1 直接轉矩控制系統(tǒng)圖標三相異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)模塊圖標如圖2.1所示，仿真模型如圖2.2所示。該模塊由7個主要模塊組成：三相不可控整流器（three-phase diode rectifier）、Braking chaopper、三相逆變器（three-phase inverter）、測量單元（Measures）、異步電動機模塊（Induction machine）、直接轉矩控制模塊DTC。直接轉矩控制系統(tǒng)采用6個開關器件組成的橋式三相逆變器（Three-pha

5、se inverter），該逆變器有8種開關狀態(tài)，可以得到6個互差度的電壓空間矢量和兩個零矢量。交流電動機定子磁鏈收到電壓空間矢量us控制，因此改變逆變器開關狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運行軌跡（磁鏈的幅值和旋轉速度），從而控制電動機的運行。2.2直接轉矩控制系統(tǒng)模型結構2.2 轉速控制器 如圖2.3所示，轉速給定N*經過加減速限制環(huán)節(jié)，使階躍輸入時實際轉速給定有一定的上升和下降，轉速反饋N經過了低通濾波器，得到轉速偏差（N*-N）。Proportional gain、Integral gain和discrete模塊組成帶限幅的離散PI調節(jié)器，調節(jié)輸出經過了選擇開關，根據(jù)對話框中設定的轉矩或轉速控制

6、方式決定轉速控制的輸出。加減速斜率、PI調節(jié)器比例和積分系數(shù)、低通濾波器截止頻率等參數(shù)都在對話框中設定。圖2.3 轉速控制器Speed Controller結構2.3 直接轉矩控制器直接轉矩控制模塊由轉矩給定Torque*、磁通給定Flux*，電流I_abc和電壓V_abc輸入信號都經過采樣開關，DTC模塊包括轉矩和磁通計算（Torque&Flux calculator）、滯環(huán)控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通選擇(Flux sector seeker)、開關表(Switching table)、開關控制(Switching control)等單元。DTC模塊是輸出三

7、相逆變器Three-phase inverter 開關器件的驅動信號。 圖2.4 直接轉矩控制模塊結構2.4 轉矩和定子磁鏈的計算轉矩和定子磁鏈計算（Torque&Flux calculator）單元結構如圖2.5所示，它首先檢測到異步電機三相電壓V-AB經模塊dq-transform和dq-transform變換，得到二相坐標系上的電壓和電流，dq-transform和dq-transform變換模塊結構如2.6所示。定子磁鏈的模擬和離散計算公式為 （2-1） （2-2） 式中, 和為二相坐標系上定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，為采樣時間。磁鏈計算采用離散梯形積分，模塊phi-d和phi-q分

8、別輸出定子磁鏈的和軸分量s和s，s和s經Real-Imag to Complex模塊得到復數(shù)形式表示的定子磁鏈s，并由Complex to Magnitude-Angle計算定子磁鏈s的幅值和轉角。電動機轉矩計算公式為 （2-3）圖2.5 轉矩和定子磁鏈計算單元結構圖 圖2.6 dq-V-transform和dq-I-tranform變換模塊圖2.5 磁通和轉矩滯環(huán)控制器 電動機的轉矩和磁療都采用滯環(huán)控制，磁通和轉矩滯環(huán)控制器（Flux&Torque hystore-sis）結構如圖2-7所示。轉矩控制是三位滯環(huán)控制方式，在轉矩滯環(huán)寬度設為時，當轉矩偏差和時，滯環(huán)模塊和分別輸出狀態(tài)1和3，滯環(huán)

9、模塊和分別輸出為0時，經或非門NOR輸出狀態(tài)2，磁鏈控制是二位滯環(huán)控制方式，在磁鏈滯環(huán)寬度設為時，當磁鏈偏差和時，模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“1”和“2”。圖2.7 磁通和滯環(huán)控制器2.6 磁鏈選擇器 圖2.8 磁鏈選擇器模塊輸入是磁鏈計算模塊輸出的磁鏈位置角angle通過比較和邏輯運算輸出磁鏈所在偏號。2.7 開關表圖2.9 Magnetisation模塊開關表2.10用于得到三相逆變器6個開關期間的通斷狀態(tài)，開關表中，Magnetisation模塊結構如圖2.9所示，其作用是將磁鏈反饋與設定值比較，當反饋值大于設定值時，S-R-flip-flop觸發(fā)器Q端輸出1，當反饋值小于設定值時，觸發(fā)斷

10、輸出0，從而控制電機起動時逆變器和轉速調節(jié)器工作狀態(tài)，使電動機起動時產生初始磁通。圖2.10 開關表2.8 開關控制模塊 開關控制模塊如圖2.11所示，包括三個D觸發(fā)器（D Flip-Flop），目地是限制逆變器開關的切換頻率，并且確保逆變器每相上下兩個開關處于相反的工作狀態(tài)，開關的切換頻率可以在模塊對話框中設置。 圖2.11 開關控制模塊3 實驗仿真、實驗波形記錄及分析異步電機直接轉矩控制仿真圖形如圖3.1所示，系統(tǒng)由三相交流電源、直接轉矩系統(tǒng)模塊和檢測單元等模塊組成。三相電源線電壓360V、60HZ，電源內阻0.02，電感0.05mL。電動機參數(shù)：149kW、460V、60HZ，圖3.2是

11、電動機和控制器參數(shù)頁，系統(tǒng)有轉速（speed reference）和轉矩（Torque reference）兩項輸入，在調速的同時負載轉矩也在變化。轉速和轉矩給定使用離散控制模型庫中的timer模塊，speed reference設定值為：t=0、1s時轉速分別為500、0r/min。Torque reference設定值為：t=0、0.5、1.5s時轉速分別為0、792、-792N*m。模型采用混合步長的離散算法，基本采樣時間Ts=0.2us，轉速調節(jié)器采樣時間為1.4us，仿真波形如圖3-3所示。圖3.1 轉矩控制系統(tǒng)仿真模型從仿真波形可以看到在t=0時，轉速按設定的上升率（900r/min）平穩(wěn)升高，在起動0.6s時達到設定的轉速500r/min。在00.5s范圍內電動機是空載起動，電動機為200A；0.5s時加載792T*m，電流上升到400A，加載時電磁轉矩