三相异步电机直接转矩控制系统DTC仿真.doc

1、目录摘要 .I1 设计总体思路 .11.1 主电路的设计 .11.2 基本原理 .12 单元电路设计 .32.1 直接转矩控制系统模型 .32.2 转速控制器 .42.3 直接转矩控制器 .42.4 转矩和定子磁链的计算 .52.5 磁通和转矩滞环控制器 .62.6 磁链选择器 .62.7 开关表 .72.8 开关控制模块 .83 实验仿真、实验波形记录及分 析 .94 总结 .125 附录 .13参考文献 .1411 设计总体思路1.1 主电路的设计直接转矩控制系统简称 DTC(Direct torque control)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变

2、频调速系统。在他的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差 的正负符号和电磁转s矩偏差 的正负符号，再根据当前定子磁链的矢量 所在的位置，直接选取合适的eT s电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。 系统主电路如图 1.1 所示，由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成，2812DSP 的脉冲信号控制全控器件的导通。PW1 PW2 PW3 PW4 PW5 PW62812 DSP隔离驱动电路MFBSVD4VD2 VD3VD6VD5V1 V3 V5V2V6V4C图 1.1 系统

3、主电路图1.2 基本原理直接转矩控制系统的原理结构如图 1.2 示，途中的 和 ATR 分别为定子磁链调AR节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，他们的输出分别为定子磁链幅值偏差 的符号函数 sgn( )和电磁转矩偏差 的符号函数 sgn( )，如图 1.2sseTeT2所示。图中，定子磁链给定 与实际转速 有关，在额定转速以下， 保持恒定，*seT在额定转速以上， 随着 的增加而减小。P/N 为给定转矩极性鉴别器，当渴望的电*s磁转矩为正时，P/N=1，当渴望的电磁转矩为负时，P/N=0 ，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数 sgn( )的控制效果是不同的。 eT当渴望的电

4、磁转矩为正，即 P/N=1 时，若电磁转矩偏差 = - 0，其符号函eT*e数sgn( )=1，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩 加大；若电磁转矩偏差 = -eT e eT*e0，sgn( )T*eT=1，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩反向减小。FBS*s PWM控制电压矢量选择iASBSCSgn( )ssgn( )*eTsgn( )M定子磁链计算3/2变换转矩计算ARP/NATR sisis- Te*s- sASR*- usiBuAuBSA10 eTs图 1.2 带有滞环的双位式控制器sgn( )eTsgn( )s图 1.2 制系统原理结构图32 单元电路设计2.1 直接转矩控制系统模

5、型三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图 2.1 所示，仿真模型如图 2.2 所示。该模块由 7 个主要模块组成：三相不可控整流器（three-phase diode rectifier）、Braking chaopper、三相逆变器（three-phase inverter）、测量单元（Measures）、异步电动机模块（Induction machine）、直接转矩控制模块 DTC。直接转矩控制系统采用 6 个开关器件组成的桥式三相逆变器（Three-phase inverter），该逆变器有 8 种开关状态，可以得到 6 个互差 度的电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链 收到

6、电压空0 s间矢量 us 控制， ，因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链 的运行轨ssudt迹（磁链的幅值和旋转速度），从而控制电动机的运行。DTC Induction Motor Drive图 2.1 直接转矩控制系统图标42.2 转速控制器如图2.3所示，转速给定 N*经过加减速限制环节，使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降，转速反馈N经过了低通滤波器，得到转速偏差（N *-N）。Proportional gain、Integral gain 和 discrete 模块组成带限幅的离散 PI 调节器，调节输出经过了选择开关，根据对话框中设定的转矩或转速控制方式决定转速控制的输出。加

7、减速斜率、PI 调节器比例和积分系数、低通滤波器截止频率等参数都在对话框中设定。图 2.3 转速控制器 Speed Controller 结构2.2 直接转矩控制系统模型结构52.3 直接转矩控制器直接转矩控制模块由转矩给定 Torque*、磁通给定 Flux*，电流 I_abc 和电压 V_abc输入信号都经过采样开关，DTC 模块包括转矩和磁通计算（Torque&Flux calculator）、滞环控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通选择(Flux sector seeker)、开关表(Switching table)、开关控制(Switching control

8、)等单元。DTC 模块是输出三相逆变器 Three-phase inverter 开关器件的驱动信号。图 2.4 直接转矩控制模块结构2.4 转矩和定子磁链的计算转矩和定子磁链计算（Torque&Flux calculator）单元结构如图 2.5 所示，它首先检测到异步电机三相电压 V-AB 经模块 dq-transform 和 dq-transform 变换，得到二相坐标系上的电压和电流，dq-transform 和 dq-transform 变换模块结构如 2.6 所示。定子磁链的模拟和离散计算公式为（2-1） ()sssuRidt（2-2） 式中, 和 为 二相坐标系上定子电压和电流，

9、 K 为积分系数， 为采样时sui sT间。磁链计算采用离散梯形积分，模块 phi-d 和 phi-q 分别输出定子磁链的 和 轴分量 s和 s， s和 s经 Real-Imag to Complex 模块得到复数形式表示的定子磁链s，并由 Complex to Magnitude-Angle 计算定子磁链 s 的幅值和转角。电动机转矩计算公式为（2-3）3()2essTpii(12sssTz6图 2.5 转矩和定子磁链计算单元结构图图 2.6 dq-V-transform 和 dq-I-tranform 变换模块图2.5 磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁疗都采用滞环控制，磁通和转矩滞环控

10、制器（Flux&Torque hystore-sis）结构如图 2-7 所示。转矩控制是三位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为时，当转矩偏差 和 时，滞环模块 和 分别edT*()2eedT*()2eedT2edTe输出状态 1 和 3，滞环模块 和 分别输出为 0 时，经或非门 NOR 输出状态 2，磁链控制是二位滞环控制方式，在磁链滞环宽度设为 时，当磁链偏差d和 时，模块 dPhi 分别输出状态“1”和“2”。*()2eedT*()2eedT7图 2.7 磁通和滞环控制器2.6 磁链选择器图 2.8 磁链选择器模块输入是磁链计算模块输出的磁链位置角 angle 通过比较和逻辑运算输出磁链所

11、在偏号。2.7 开关表图 2.9 Magnetisation 模块开关表 2.10 用于得到三相逆变器 6 个开关期间的通断状态，开关表中，Magnetisation 模块结构如图 2.9 所示，其作用是将磁链反馈与设定值比较，当反馈值大于设定值时，S-R-flip-flop 触发器 Q 端输出 1，当反馈值小于设定值时，触发断输出0，从而控制电机起动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机起动时产生初始磁通。8图 2.10 开关表2.8 开关控制模块开关控制模块如图 2.11 所示，包括三个 D 触发器（ D Flip-Flop），目地是限制逆变器开关的切换频率，并且确保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态，开关的切换频率可以在模块对话框中设置。9图 2.11 开关控制模块3 实验仿真、实验波形记录及分析异步电机直接转矩控制仿真图形如图 3.1 所示，系统由三相交流电源、直接转矩系统模块和检测单元等模块组成。三相电源线电压 360V、60HZ，电源内阻 0.02 ，电感 0.05mL。电动机参数：149kW、460V、60HZ ，图 3.2 是电动机和控制器参数页，系统有转速（speed reference）和转矩（Torque reference）两项输入，在调速的同时负载转矩也在变化。转速和转矩给定使用离散控制模型库中的 timer 模块，speed reference