异步电机直接转矩控制系统探究

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1、异步电机直接转矩控制系统探究　　【摘要】介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理，详细分析了直接转矩控制系统的具体实现方法，同时基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了异步电机直接转矩控制系统仿真模型进行仿真研究，仿真结果验证了直接转矩控制的正确性和有效性。【关键词】直接转矩控制，异步电机，Matalb/Simulink1引言直接转矩控制理论由德国学者M.Depenbrock于1985年首次提出，日本学者I.Takahashi也相继提出了类似的控制方案。与矢量控制不同，直接转矩控制的基本思想是：根据定子磁链幅值计算值与给定值的偏差？ψs的正负符号和电磁转矩计算值与给定值的

2、偏差？Te的正负符号，再依据定子磁链矢量ψs目前所在的位置，通过查表的方法，直接选取需要的空间电压矢量，减小定子磁链幅值和电磁转矩的偏差，实现对电磁转矩与电机转速的实时控制。目前，直接转矩控制系统已发展成为除矢量控制系统之外的另一种高动静态性能的交流电机变压变频调速系统。本文主要介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理，详细分析了直接转矩控制系统的具体实现方法，同时基于Matlab6/Simulink仿真平台搭建了异步电机直接转矩控制系统仿真模型进行仿真研究，仿真结果验证了直接转矩控制的正确性和有效性。2直接转矩控制的基本原理在三相静止坐标系下，将异步电机电磁转矩表示为定子磁链和

3、转子磁链的函数：（1）式中ψs、ψr分别为定、转子磁链；σ为电机漏磁系数；γ为定子磁链与转子磁链的夹角。在电机实际运行中，为充分利用电机铁心，保持定子磁链幅值恒定，转子磁链幅值由负载决定。由式（1）可以看出，通过选择适合的空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，就可以改变定、转子磁链之间的夹角γ，进而即可控制电机的转矩。直接转矩控制系统框图如图1所示。6磁通和转矩观测器输出三个信号：定子磁链幅值ψs及其位置角θ和实际转矩观测值Te。位置角信号θ用以选择扇区，通过查表决定在该扇区中用哪两个有效电压空间基础矢量来控制磁场。幅值信号ψs被送至磁链滞环控制器输入，与磁链幅值给定ψ*s比

4、较，通过磁链滞环控制器来实现两个有效电压空间矢量的交替使用，控制磁链幅值及构造圆形磁场。转矩观测值Te被送至转矩滞环控制器输入，与转矩给定值比较，其值来自转速调节器（ASR）的输出，通过它来控制电动机转速。通过转矩滞环控制器决定何时插入和撤出零矢量，实现变频及转矩控制。扇区选择、磁链滞环控制器、转矩滞环控制器的输出都送至电压矢量选择环节，通过查表控制逆变器6个开关器件的开关状态。3直接转矩控制系统的实现3.1磁链计算模型直接转矩控制系统采用两相静止坐标系（αβ坐标）计算定子磁链，避开了旋转坐标变换。αβ坐标系下的定子电压方程为（2）移项积分后得（3）式（3）就是定子磁链计算模

5、型，其结构图如图1所示。显然，这是一个电压模型，适合中、高速运行系统。对于低速运行系统，该模型误差较大，甚至无法使用。因此，低速时需切换到电流模型或混合模型，但这时的系统鲁棒性也将相应降低。3.2转矩计算模型由异步电机数学模型可知，异步电机转矩计算公式为（4）由式（4）可知转矩计算模型，其结构图如图3所示。3.3磁链、转矩调节器6定子磁链控制通过磁链滞环砰-砰控制器实现，它的输入是定子磁链幅值给定以及来自定子磁链计算模型的定子磁链实际值ψs，滞环宽度为2δψ。磁链滞环控制器为两电平输出，其原理图如图4所示。转矩控制通过转矩滞环砰-砰控制器实现，它的输入是转速调节器（ASR）输

6、出的转矩给定以及来自转矩计算模型的定子磁链实际值Te，滞环宽度为2δT。转矩滞环控制器为三电平输出，其原理图如图5所示。3.4电压矢量的选择根据定子磁链幅值ψs和转矩Te的偏差情况以及定子磁链矢量ψs所在扇区的位置，制定一个电压矢量选择表，如表1所示。磁链滞环控制器的输出sgn（Δψs）、转矩滞环控制器的输出sgn（ΔTe）和磁链矢量所在扇区的扇区号S作为此电压矢量选择表的输入，输出为各空间电压矢量。在每个控制周期内，根据两个滞环控制器的输出及定子磁链所在位置，通过电压矢量选择表选择最优的定子电压矢量，进而将定子磁链和电磁转矩控制在两个滞环内。4仿真结果和分析为验证直接转矩控

7、制策略的正确性和有效性，本文基于Matlab/Simulink仿真软件对异步电机直接转矩控制系统进行了仿真研究，仿真结果如下图所示。6由图6、7的仿真波形可以看出，第一阶段转速达到给定值以前，转矩急剧上升，转速以恒定的速率上升。第二阶段，转速超过给定值以后，转速调节器迅速推出饱和，发挥转速调节作用，它的输出迅速减小，这时候转矩急剧下降以便快速抑制转速超调，使得转速稳持在1420r/min附近。第三阶段突加负载，转速减小，转速调节器输出增大，转矩滞环调节环节迅速使得转矩上升，以保证转速不会大幅跌落。定子磁