直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真.pdf

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ELECTRICDRTVE2011V0141No1电气传动2011年第41卷第1期直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真张令霞，张兴华（南京工业大学自动化学院，江苏南京210009）摘要：

为解决传统的对控制系统建模方法复杂的问题，给出一种基于SimulinkPowerSystemBlocks的异步电机空间矢量脉宽调制直接转矩控制系统的建模方法。

采用结构化和模块化的设计方法，利用Simulink和PSB，建立了异步电机直接转矩控制变频调速系统的仿真模型。

详细介绍了各子模块的组成、功能及构造方法。

该仿真模型可以真实地模拟实际系统，实现简单，便于修改。

仿真和理论分析的结果一致，验证了该建模方法的可行性和有效性。

关键词：

异步电机；直接转矩控制；空间矢量脉宽调制；建模；仿真中图分类号：

TM3432；TP3919文献标识码：

AModelingandSimulationofDirectTorqueControlSystemBasedonMatlabZHANGLing-xia，ZHANGXing-hua（AutomationInstitute，Na可ingUniversityofTechnology，Nanjing210009，Jiangsu，China）Abstract：

Tosolvetheproblemofcomplexlymodelingcontrolsystemintheconventionalmethods，amodelingmethodfordirecttorquecontroldrivingsystemofasynchronousmotorsusingspacevectorpulsewidthmodulation（SVPWM）wasproposedbasedonSimulinkPowerSystemBlockThestructureandblockingmodelingmethodisemployed，byusingSimulinkandPowerSystemBlocksets，thesimulationmodelofasynchronousmotorDTCdrivingsystemwasobtainedAndthefunctionofeverysubmodelwasintroducedindetailsTheproposedmodelcanfactuallysimulatetheactualsystemAndthisschemeisimplementedsimplyandmodifiedconvenientlyThesimulationresultsarealignedwiththetheoreticalanalysis，whichprovethefeasibilityandvalidityofthemodelingmethodKeywords：

asynchronousmotor；directtorquecontrol；spacevectorpulsewidthmodulation；modeling；simulation1引言交流异步电机具有结构简单、可靠性高，宽调速范围和价格低廉等优点，广泛应用于现代交流传动系统。

然而，异步电机又是一个多变量、强耦合、参数时变的非线性对象，很难对其进行高性能的控制【l_3。

近年来，随着电力电子技术与计算机技术的进步，特别是高速单片数字信号处理器（DSP）、高性能的智能功率模块（IPM）以及功能齐全和界面友好的仿真工具的出现，许多复杂算法得以在异步电机控制中运用，大大提高了异步电机的调速性能。

目前高性能的交流调速系统主要采用矢量控制和直接转矩控制1卅技术。

与矢量控制5j比较，直接转矩控制根据定子磁链和转矩偏差，直接得到逆变器的开关状态，实现对电机输出转矩的控制。

具有转矩动态响应快，控制算法简单和鲁棒性强的特点。

本文研究基于空间矢量脉宽调制（SVPwM）16的异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真，利用构建的仿真模型与实际直接转矩控制系统几近一致，可为实际的异步电机直接转矩控制系统设计提供参考依据。

该系统为高性能的异步电机变频调速系统的设计与调试提供了一类数字化的验证平台。

2异步电机直接转矩控制原理21异步电机的数学模型假设磁路线性且不考虑磁路饱和，忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗。

在静止a一口正交定基金项目：

国家自然科学基金项目资助（60974009）；江苏省六大人才“高峰”项目资助作者简介：

张令霞（1984一）女，硕士研究生，Ernail：

lingxia8400126conl9万方数据电气传动2011年第41卷第1期张令霞，等：

直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真子坐标系上，异步电机的数学模型为磁链方程广A=I（uLiLR。

）dr

（1）rA知2I（“知一i茹R。

）d

（2）AP撕，哥（3）磁链角O=arctan等（4）翱转矩方程t。

号琊净sj删（5）式中：

I乏，A私为定子磁链的口，卢轴分量；“二，“知为定子电压的口，卢轴分量；i：

，i知为定子电流的口，9轴分量；A；为合成的定子磁链值；0为定子磁链角；印坐标系中T。

为电磁转矩；咒，为电机极对数。

22基于SVPWM的异步电机DTC系统图1是基于空间矢量脉宽调制的异步电机DTC系统结构图。

磁链和转矩P1控制器分别根据转矩和磁链的差值生成参考电压的d，g分量，经过坐标系变换后，由SVPWM模块产生相应的逆变器开关状态，驱动电机运行。

其中电机的输出转矩和定子磁链矢量由电压电流估计模型估计得到。

壤掀I刊嚣吲翟叫图1异步电机SVMDTC系统图Fig1InductionmachineSVMDTCsystemdiagram3基于MatlabPSB异步电机DTC系统仿真模型在Matlab环境下，利用Simulink和PowerSystemBlocksetsE川，采用结构化和模块化的方法，构建异步电机直接转矩控制系统的仿真模型。

其主要功能模块包括：

异步电机模块，功率变换模块，转速控制器模块，SVMDTC模块，信号检测模块。

系统仿真模型结构如图2所示。

其中异步电机由一个通用逆变桥组成的PWM电压源逆1O变器馈送能量。

速度控制模块中的PI控制器产生DTC模块所需的转矩和磁通参考值。

DTC模块计算电磁转矩和磁通估计值，分别和参考值比较，然后由独立的PI调节器计算参考电压矢量。

再通过DTC控制器模块，得到控制电机运行的逆变器开关状态。

以下详细介绍各功能模块的组成及其构造方法。

图2SVMDTC系统仿真模型Fig2SVMDTCsystemsimulationmodel31异步电机模块异步电机采用PowerSystemBlocksets中的AsynchronousMachineSIUnits来构成，该模块可模拟任意两相旋转坐标系（包括静止两相坐标系、转子坐标系和同步旋转坐标系）下的绕线式或鼠笼式异步电机。

不同坐标系下的电机数学模型可通过该封装模块的一个对话框选项Referenceframe（stationary，rotor或synchronous）进行设置；异步电机的转子类型则可通过对话框的另一选项Rotortype（squirrelcage或wound）设置。

模块的A，B，C是异步电机三相定子绕组的输人端，与IGBT逆变器的3个输出端相连，构成由逆变器供电驱动的异步电机子模块。

Tm为电机负载接人端，用于对电机进行加载实验。

仿真时电机参数及电机运行的状态初值可以在该封装模块的对话框中直接设定，模块使用十分方便。

32功率变换模块功率变换模块主要包含3个子模块：

三相二极管整流器、制动斩波器和三相逆变器。

三相交流电源产生的交流电经整流器整流、滤波并且经逆变器逆变以后驱动电机运行。

图3是异步电机与功率变换模块结构图。

其中制动斩波器（缓冲电路）用于吸收电机减速时产生的能量，以保持直流母线电压基本不变。

万方数据张令霞等：

直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真电气传动2011年第41卷第1期如图4所示，模块中制动单元根据直流回路的电压高低来接通或断开耗能回路。

制动电阻值设定在一定范围内，此回路正常情况是断开的，当储能电容器的电压上升到设定的上限值，制动电阻通电耗能，直流母线电压下降，达下限值时则断开回路。

三相_极管整流器制动斩波器LkLMt二协目丁_幽三相电压源逆变器LMt-IcII一一【；叫=：

l。

赢压涮量Mt图3异步电机与功率变换模块结构图Fig3Inductionmachineandpowerconversionmodulestructure图4制动斩渡器模块结构图Fig4Brakingchoppermodulestructure33转速控制器模块此模块通过PI调节器来调节输出用于符合DTC控制的磁通和转矩的设定值。

PI调节器的输入是参考转速与实测转速的差值，输出是电机参考转矩T：

。

积分器采用模块库中的离散时间积分器构建。

K。

与Ki分别为比例增益系数和积分增益系数，调节器输出的转矩由Saturation环节来限定幅值。

图5为模块封装结构图。

图5转速控制器模块结构图Fig5Speedcontrollermodulestructure34SVMDTC模块空间矢量脉宽调制（SVPWM）着眼于使电动机获得幅值恒定的圆形磁场。

以三相对称正弦电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆。

如图6所示模块结构，转矩给定和转矩反馈的差值输入PI调节器中，经过PI调节得到q轴电压矢量Vq，由定子磁链给定和反馈获得的磁链误差输入PI调节器中，经PI调节得到d轴电压矢量W。

两电压矢量经坐标变换和SVPWM来获得驱动电机的逆变器开关状态。

图6SVMDTC模块结构图Fig6SVMDTCmodulestructrue341转矩和磁链计算模块此模块用于估计电机磁通值、电磁转矩以及磁链角，图7是其模块结构图。

三相坐标系中的电压值和电流值经坐标变换，代人异步电机的磁链估计模型，估计出转矩值和磁链值，以及磁链角目。

模块中三相电压经过三相静止abc坐标系到二相旋转dq坐标系的变换，变换式为阶即-钢122朝IUa|（6）同理，二相电流经坐标变换的变换式为阶号一彩郴图7转矩和磁链计算模块结构图Fig7Torqueandfluxcalculationmodulestructure11万方数据电气传动2011年第41卷第1期张令霞，等：

直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真342dqabc模块和abc印模块PI调节得到的dq轴的电压矢量”和W，需要旋转变换到三相静止abc坐标系上，用于空间电压矢量的输出。

幽坐标系到abc坐标系中的变换式为rCOS0sin口1：

5l雩。

in伊一号。

口雩。

口+。

in口I：

8）模块可由SimulinkLibrary中用户自定义函数Fcn来构建，图8给出了dqabc结构。

图8dqabc坐标变换模块Fig8Coordinatetransformationmodule343矢量扇区选择模块根据所求的电压矢量角度0，判断电压矢量所在的扇区，判断方法如表1所示。

图9为其模块内部结构图。

表1扇区判断裹Tab1Sectorjudgingtable0范围（o。

，60。

（60。

120。

（120。

180。

扇号l230范围（一180。

120。

（一120。

，一60。

（一60。

，o。

扇区号456图9矢量扇区选择模块Fig9Sectorvectorchosingmodule344导通时间计算模块如图10所示模块，根据空间电压矢量所处的扇区和直流母线电压可以确定所需的开关状态，12进而确定所选电压矢量的导通时间。

图10导通时间计算模块Fig10Conductiontimecalculationmodule345开关逻辑信号选择模块开关逻辑选择模块如图11所示。

由计算得到的磁链值经过限幅以后作为控制信号，与SVPWM开关逻辑信号和磁链设定值做比较，来决定最终驱动逆变器的开关信号。

系统启动时由设定值信号驱动，磁通从零始逐渐增加，当达到设定值时触发门极信号，开始SVPWM调制，最终达到期望的近似磁链圆。

图11开关逻辑选择模块Fig11Switchlogicehosingmodule3S信号检测模块异步电机变频调速控制系统的信号检测模块，由PowerSystemBlocksets中的MachineMeasurementDemux模块实现。

该检测模块的输入与异步电机DTC控制环模块的输出连接，输出为仿真相关信号量（包括定子电流、转子速度、电磁转矩和直流母线电压等），输出信号量可通过该封装模块的对话框进行选择。

模块可同时对多个电机模型变量进行检测，使用非常方便。

4仿真结果及分析采用上述异步电机直接转矩控制系统仿真模型，设定离散仿真周期为110一S，系统由额定电压460V、频率50Hz的三相交流电源供电。

异步电机定子电阻R。

一001470Q，转子电阻R，一009290Q，定子电感L。

=00003025H，转子电感万方数据张令霞等：

直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真电气传动2011年第41卷第1期L，=L，互感L。

=001046H。

电机极对数为2，初始转差率s=1，转子惯量J，=31kgm2，摩擦系数B=008；PI参数K。

一30，K。

一200，转矩输出范围设定为一1200I200Nm。

逆变器最大开关频率20kHz，而且DTC采样时间L必须是仿真时间步长的倍数，整个系统离散时间步长为2肛s。

转速控制器采样时间设为140肛s。

对系统运行仿真，通过示波器观察各变量的变化。

为验证SVMDTC系统在减小转矩和磁链脉动方面的有效性，同时也进行了传统的DTC系统的仿真。

图12为电机定子电流、转子速度、电磁转矩和直流母线电压的仿真波形。

21q一1图12电机定子电流、转子速度、电磁转矩和直流母线电压波形Fig12Simulationwaveformsofstatorcurrent，rotorspeed，electromagnetictorqueandDCbusvoltage逆变器开关频率设为5kHz。

仿真过程中，当=0S时，速度设定为500rmin，观察到速度精确地以设定的加速斜坡曲线增大。

t=05S时，满载转矩应用于电动机轴，此时转速仍然沿斜坡向设定值增加。

这促使电磁转矩增加到设定的最大值（1200Nm），而当转速达到设定值500rrain时转矩固定在某个值。

=1s时，速度设定值改为0rmin，转速又精确地沿设定的减速斜坡曲线向0rmin减小，此过程中机械负载突然倒置，即电机反转。

=15s时，转速固定在0rmin，此时电机停止旋转。

同时，直流母线电压在整个仿真期间都能够很好的调整。

本系统用PI控制取代了传统的DTC系统中的滞环比较器，用SVMDTC取代开关电压矢量表。

图13是两种DTC系统的磁链仿真波形。

两种控制方法的定子磁链运动轨迹都为圆形，转矩响应快，在启动开始很短的时间内磁通达到最大值（此处最大值为08Wb）。

但同传统DTC相比，显然SVMDTC产生的磁链圆更加平滑，可明显减小磁链和转矩脉动，改善了控制系统性能。

5结论图13磁链波形图Fig13Fluxwaveforms本文给出了一种基于SimulinkPSB的直接转矩控制系统的建模方法，在Matlab环境下构建SVPWM和PI调节的DTC控制系统模型，仿真结果表明了此建模方法的可行性。

利用此仿真模型，可以通过修改系统参数或人为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动、静态性能，为设计实际系统提供了一种有效的验证手段。

该系统仿真模型还可以方便地进行改进与扩展，只需对少量模块做有限的修改，即可用于其它高性能的异步电机变频调速控制系统的设计。

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