异步电动机直接转矩控制系统方案设计

摘 要：针对直接转矩控制系统的基本原理进行了分析，给出了直接转矩控制系统的基本组成和控制方案，并利用matllab建立了相应的仿真模型。在此基础上，采用六边形和在圆形磁链轨迹控制的方法，分别建立了相应的仿真模型，并进行了仿真研究。

关键词：直接转矩控制；异步电动机；仿真

1 直接转矩控制系统的总体设计

1.1设计思想

在一些交流传动应用场合，要求实现快速的转矩控制，显然直接转矩控制非常适合这一类控制系统的应用。即使在转速是重要控制目标的场合，转矩控制也仍然显得非常重要，因为只有转矩才能影响转速。如果转矩控制性能好，则不难设计一速度调节器使速度环有良好的品质[1]。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的调速性能也好不了。因此调速的关键在于转矩控制。除了使系统具有较高的转矩动态性能外，还应使生产出来的设备 经济 、实用。本设计系统的基本思想是：

（1）具备高可靠性。由于系统要用于现场，和经济效益直接联系，系统如果运行不可靠，将会对用户造成很大的经济损失。

（2）满足实时性。在很多场合，感应电动机在运行过程中，希望在转矩或磁链等发生变化时能够及时对其进行调节，这就要求对感应电动机进行闭环控制。并且设计是控制系统对各种数据的检测及运算进行实时处理，同时给电动机提供相应的控制信号[2]，以满足实时性的要求。

（3）获得转矩的高动态性能。感应电动机转矩的动态响应效率直接影响着直接转矩控制系统的应用范围，因此开发高动态响应的直接转矩控制系统，使其应用范围更广是有重大意义的。

（4）尽可能减少逆变器的开关频率，减小定子电流、电磁转矩的脉动、逆变器的开关器件的开关频率都有一个上限，在符合开关频率上限的前提下，通过优化空间电压矢量的方法来减少逆变器的开关频率并提高磁链和转矩的控制精度，从而减小定子电流、电磁转矩的脉动以减少电力公害。

1.2直接转矩控制系统的总体结构

在立足于直接转矩控制 规律 的基础上，根据感应电动机的调速要求和调速 发展 的趋势，设计了一套具有高动态性能的直接转矩控制系统。包含了异步电动机的u-i模型，电流、电压坐标变换，转矩的闭环控制，磁链位置的测定，磁链的闭环控制，速度闭环控制，起动控制，磁链幅值 计算 ，转矩计算，逆变器，优化开关表等控制环节[3]。

2 电压空间矢量的优化设计

系统运行期间可供选择传统的直接转矩控制系统都是采用六电压矢量来实现磁链和转矩的控制，非零电压空间矢量只有六个，这样就无法实现磁链和转矩的精确控制，导致定子电流和转矩的大幅度脉动。为了能改善这方面的问题本 论文 采用二电压逆变器，这样每一相桥臂都有三个开关状态可供选择[4]

是一种有两个输入电压的逆变器，它是由普通逆变器和一个boost电路组合而成，boost电路是由功率开关s1控制的，其输出电压为：

e2=kbe1 （1）

式中kb≥1为常数，由开关s1的占空比决定。控制开关s2截止时，逆变器由e1供电，控制开关s2导通时，由于e2≥e1，二极管d1截止，逆变器改由e2供电。

■=■e（s1+s2?琢+s3?琢2） （2）

式中e为输入逆变器的电压，α为单位复矢量?琢=e■。由该式可以得出上表中下标为奇数的非零电压矢量幅值为■e，而下标为偶数的非零电压矢量幅值为■e，而由上述的磁链和电压的关系式ψ1=v1t可知，磁链矢量的增长速度是由定子电压矢量的幅值决定的，因此为了保证磁链轨迹平滑则必须保证电压矢量的幅值相同，可以在逆变器选择下标为奇数的电压矢量时给逆变器施加较低的电压e1，而在逆变器选择下标为偶数的电压矢量时给逆变器施加较高的电压e2，这样也就可以得出e2=■e1。由式（2）经过三-二坐标变换可以得出12个非零电压矢量图，同时也可以把平面空间平均分为12个控制区域。

3 系统仿真

通过上述分析和设计，不难得到感应电动机直接转矩控制系统的仿真模型图[5]及部分仿真模块图。

系统的仿真结果是定子磁链轨迹很理想，与圆形很接近。磁链调节得很成功，其畸变程度很小。系统的速度调节性能很好，在转速突变时，转速响应迅速。转矩的突变响应很快，且在电机稳定运行时转矩的脉动很小。电动机的电流响应，电流平滑，脉动小，高次谐波含量较少。总之，从系统的一系列仿真参数可见，系统的控制性能很好，达到了预期的控制目的。

参考 文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[m].第3版.北京：机械 工业 出版社，2003.

[2]易继锴，侯媛彬．智能控制技术[m]．北京：北京工业大学出版社，2003.

[3]刘金琨.先进pid控制matlab仿真[m].北京：电工工业出版社，2006.

[4]何建国.电气传动[m].第1版.重庆：重庆大学出版社，2002.

[5]黄忠霖.控制系统matlab 计算 及仿真[m].第2版.北京：国防工业出版社，2004.