基于Matlab_Simulink的异步电机直接转矩控制系统仿真
收稿日期 : 2006203211 ; 修订日期 : 2006204216
文章编号 : 167220792(2006) 0220059204
基于 Matlab/ Simulink 的异步电机
直接转矩控制系统仿真
张俊喜 , 张春喜
(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040)
Simulation of Induction Motor Direct Torque Control System
Based on Matlab/ Simulink
ZHAN GJun2xi , ZHAN G Chun2xi
(Harbin University of Science and Technology , Harbin 150040 , China)
Abstract : According to the principle of Direct Torque Control
(DTC) , a DTC system model of induction motor is constructed
with Matlab/ Simulink. Based on the control method of round
flux linkage trace , the parameters of DTC system are suggested.
The results show that the control method is effective. Compared
with the control method of hexagonal flux linkage trace , its ad2
vantage is found.
Key words : induction motor ; Direct Torque Control (DTC) ;
simulation ; model
摘要 : 根据直接转矩控制原理 , 使用 Matlab/ Simulink 建立了
异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。模型基于圆形磁
链轨迹控制方案 , 得到了系统各项参数的仿真结果 , 验证了
控制方案的有效性 , 并与六边形磁链轨迹控制方案仿真结果
作了比较 , 得出圆形磁链轨迹控制方案的优点。
关键词 : 异步电动机 ; 直接转矩控制 ; 仿真 ; 模型
中图分类号 : TM343 文献标识码 : A
0 引 言
直接转矩控制理论是德国鲁尔大学的 Depen2
brock 教授于 1985 年首先提出的[1 ] 。该理论直接对
转矩进行控制 , 避免了矢量控制中计算量大、效果
易受电动机参数变化影响的缺点 , 使异步电动机的
瞬态性能得到了显著改善。但它是使定子磁链轨迹
趋于六边形 , 转矩脉动大 , 调速性能受到影响。本
文采用的控制方法是使定子磁链轨迹近似圆形[2 ] 。
目前的直接转矩控制理论与智能控制、无速度
传感器等技术相结合 , 发展前景广阔。
Matlab 是国际控制界应用最广泛的计算机软件。
以往的系统仿真多是作者自己搭建电机、逆变器等
模型 , 费时费力。本文利用 Matlab615/ Simulink510
中 SimPowerSystems 库提供的模块组建仿真平台 ,
对异步电动机的直接转矩控制进行了仿真研究。
1 直接转矩控制原理
图 1 所示为直接转矩控制系统框图 , 该系统采
用定子磁场定向 , 直接在定子坐标系下计算和控制
异步电动机的转矩 , 将实际转矩、磁链分别与给定
值比较 , 形成转矩、磁链的闭环控制。
图 1 直接转矩控制系统框图
Fig11 Block diagram of DTC system
定、转子磁链与电动机转矩之间的关系可用式
(1) 表示 , 具体推导详见参考文献[3 ] 。
Td = 1
Lσ
3
2 | ψs| | ψr| sinθ (1)
式中 :ψs 为定子磁链空间矢量;ψr 为转子磁链空间
矢量;θ为定子磁链与转子磁链间的夹角; Td 为电动
机转矩。
为了充分利用电机铁心 ,应保持定子磁链幅值为
·95·
№2
2006 电力科学与工程
EL ECTRIC POWER SCIENCE AND EN GINEERIN G
额定值 ,而转子磁链幅值由负载决定[3 ] 。因此 , 可以
通过改变θ来改变异步电动机的转矩 , 进而改变转
速。具体办法就是通过改变电压空间矢量来控制定
子磁链的旋转速度 ,使其断续旋转 ,从而使θ不断变
化 ,达到调节电动机转矩的目的。
2 仿真模型的建立
本系统仿真模型完全基于实际情况 ,实际中存在
的异步电动机、逆变器均采用 SimPowerSystems 模块
中的模型 ,而且 ,异步电动机的三相定子电压、电流和
转速都是可以方便测出的 , 这些都可以归为硬件部
分;其它模块则属于算法 , 归为软件部分。这样使整
个系统条理清晰 ,为以后的实际系统开发做好铺垫。
采用以下的建模步骤 :首先 , 将整个系统按照算法分
成几个子模块;然后 ,利用 Simulink 中的基本模块分
别构建各个子系统 ,通过封装技术将它们封装[4 ] ;最
后 ,把各个子模块连接起来 , 构成整个系统的仿真模
型。系统的仿真模型如图 2 所示。
图 2 异步电动机直接转矩控制系统仿真模型
Fig12 Simulation model of induction motor DTC system
211 磁链与转矩观测模块
磁链观测模块根据式 (2) 、(3) 建立 u - n 模型 ,
详细资料可参阅相关书籍。
ψs = ∫( us - is R s) d t (2)
Td = 3
2 (ψsαisβ - ψsβisα) (3)
式中 :ψs 为定子磁链空间矢量; Td 为电动机电磁转
矩; us , is , R s 为定子电压空间矢量、电流空间矢量、电
阻; Pn 为电动机极对数;ψsα,ψsβ分别为定子磁链的
α,β分量; isαisβ分别为定子电流的α,β分量。
212 磁链、转矩与 PN 调节模块
磁链调节模块用施密特触发器的两点式调节[5 ] ,
如图 3。Ψ 3 为定子磁链幅值给定值 , Ψ 为定子磁链
在三相坐标轴上的投影值。ΨQ 为比较输出信号 ,为
后边的电压空间矢量开关信号模块提供参考。
·06· 电力科学与工程 2006
图 3 磁链调节模块
Fig13 Simulation model of flux linkage modulation
转矩与 PN 调节模块同磁链调节模块类似也采
用两点式调节 ,如图 4。图 4 中 : T 3 为来自速度调节
器的转矩给定值; T 为实际转矩值; TQ , PN 分别为
各自的比较输出信号。为后边的电压空间矢量开关
信号模块提供参考。
图 4 转矩与 PN 调节模块
Fig14 Simulation model of torque and PN modulation
PN 调节的作用是使定子磁链反向旋转 ,实现转
矩的迅速减小 , PN 为 1 , 定子磁链正转; PN 为 0 , 定
子磁链反转。其容差应大于转矩调节的容差 ,即只有
在实际转矩与给定转矩相差很大的时候 , PN 调节才
起作用。
213 磁链区间的判断
按照图 5 所示的电压空间矢量和磁链空间矢量
关系划分磁链区间 S x ( x = 1～6) 。电压空间矢量为
括号里的三位逻辑值 , 表示逆变桥上桥臂的开关状
态 ,“1”表示导通 ,“0”表示截止。如 : (100) 表示逆变
桥上桥臂 A ,B ,C 三相的开关状态分别为导通、截止
和截止。
图 5 电压空间矢量与磁链空间矢量关系
Fig. 5 Relation ship between voltage space vector and flux
linkage space vector
将磁链向三相坐标轴 βabc 投影 , 得到各轴分量。
然后 ,通过图 6 所示的磁链区间判断模块得到逻辑值
zone。根据 zone 值便可以得到定子磁链所属区间。
zone 与磁链区间的关系见表 1。
图 6 磁链区间判断模块
Fig16 Simulation model of flux linkage section judge
表 1 zone 与磁链区间的关系
Tab11 Relationship between zone and flux linkage section
zone 100 110 010 011 001 101
区间 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6
214 电压空间矢量开关信号模块
以磁链逆时针旋转方向为正方向 ,超前正方向
60°的方向为 + 60°方向 ,使磁链向着 + 60°方向运动的
电压空间矢量称为 + 60°电压 ;相反 ,滞后正方向 60°时
分别定义 - 60°方向和 - 60°电压。同理可以得到 + 120°,
- 120°电压 ,如图 7 ,这 4 种电压均对磁链幅值和转矩
产生影响 ,如 + 60°电压可减小磁链幅值 ,提高磁链旋
转速度 ,进而增大转矩。其它电压读者可自己分析。
因此 ,可采用这 4 种电压和零电压空间矢量对磁链、
转矩进行控制。
图 7 电压空间矢量对磁链轨迹的影响
Fig17 Infection of voltage space vector on flux linkage trace
由磁链、转矩调节信号 ΨQ , TQ 和 PN 以及区间
判断模块得出的磁链区间 ,决定采用哪个电压空间矢
量 ,利用 Simulink 中的 table 模块列出电压空间矢量
开关信号选择真值表 , 如表 2 , 该模块可根据此表构
建。表中三位逻辑值的含义与 213 节介绍的相同。
表 2 电压矢量的选取
Tab12 Selection of voltage space vector
ΨQ TQ PN
区间
S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6
0 0 0 101 100 110 010 011 001
0 0 1 000 111 000 111 000 111
0 1 0 011 001 101 100 110 010
0 1 1 001 101 100 110 010 011
1 0 0 110 010 011 001 101 100
1 0 1 111 000 111 000 111 000
1 1 0 100 110 010 011 001 101
1 1 1 010 011 001 101 100 110
·16·№2 张俊喜等 :基于 Matlab/ Simulink 的异步电机直接转矩控制系统仿真
3 仿真结果
仿真中的主要参数 :三相鼠笼异步电动机额定功
率 P = 15 kW ,极对数 = 2 ,额定电压 U = 380 V ,额定
频率 f = 50 Hz ,定子电阻 R s = 01435 Ω,转子电阻 R r
= 01816Ω,定子漏电感 L s = 01002 H ,转子漏电感 L r
= 01002 H ,定子、转子之间的互感 L m = 01069 31 H ,
转动惯量 J = 01091 8 kg·m2 ; 定子磁链幅值给定值
Ψ 3 = 1Wb ,磁链调节模块容差 0. 01 Wb;转矩调节模
块容差 0. 5 N·m; PN 调节模块容差 1 N·m;角速度
给定值 40 rad/ s;负载转矩给定值在 0 ≤t ≤2 s 范围
内为 0 N·m ,当 t ≥2 s 时为 50 N·m。在以上参数设
置下 ,获得的仿真结果如图 8 所示。为了做对比 , 这
里将我们以前做的六边形磁链轨迹控制方案部分仿
真结果给出 ,如图 9 所示。
t/ s
(a) A 相电压
(a) A2phase voltage
t/ s
(b) A 相电流
(b) A2phase current
t/ s
(c) 转速(角速度)
(c) Motor speed
t/ s
(d) 电磁转矩
(d) Electromagnetism torque
Ψα/ Wb
(e) 定子磁链轨迹
(e) Stator flux linkage trace
图 8 圆形磁链轨迹控制方案仿真结果
Fig18 Simulation result of control method of round flux
linkage trace
t/ s
(a) 电磁转矩
(a) Electromagnetism torque
Ψα/ Wb
(b) 定子磁链轨迹
(b) Stator flux linkage trace
图 9 六边形磁链轨迹控制方案仿真结果
Fig19 Simulation result of control method of hexagonal
flux linkage trace
(下转 70 页)
·26· 电力科学与工程 2006
图 4 系统数据通讯图
Fig14 Communication diagram of system data
数据采集容错模块将来源于 DAS 的实时数据直
接写入内存页面文件中 , 性能计算模块直接读取内
存中的相关数据 , 由于计算机访问内存的速度远远
高于访问数据库的速度 , 这样就可以大大减少数据
的访问时间 , 极大提高性能计算模块的实时性 , 从
而提高整个系统的实时性。
412 数据库的设计
一般情况下 , Web 页面的显示速度比包含同样
显示信息的 Windows 界面的显示速度要慢一些 , 如
何提高实时数据 Web 页面的显示速度是需要解决的
一个问题。
为了提高实时数据 Web 页面的显示速度 , 本文
设计了实时数据表以存储实时 DAS 数据和实时计算
数据 , 实时数据 Web 页面显示模块从实时数据表而
不是历史数据表中读取实时数据 , 由于实时数据表
的记录远远少于历史数据表的纪录 , 这样就可以大
大减少实时数据的访问时间 , 提高实时数据 Web 页
面的显示速度。
413 历史数据 Web 页面显示
当系统运行一段时间以后 , 历史数据表中的记
录就比较多 , 如果通过一个 Web 页面显示历史数据
表中所有的纪录 , 一般显示速度非常慢 , 有时还会
导致系统死机。本文通过分页显示来解决这个问题。
首先 , 将需要显示纪录中的 1 页记录从数据库
中取出存入 1 个记录集 DataSet 中 ; 然后 , 系统自动
断开与数据库的连接 ; 最后 , 从断开式记录集[4 ]
DataSet 中取出记录通过 Web 页面显示出来。由于
只从数据库读取 1 页记录 , 因此 , 从数据库读取的
数据量、从数据库服务器传递到 Web 服务器的网络
数据流量和通过 Web 页面显示数据量都减少 , 这样
就可以提高历史数据 Web 页面的显示速度。
5 结束语
本文作者使用 ASP1NET 技术成功开发了 B/ S
模式的 3 层应用程序结构的火电机组耗差分析系
统[5 ] , 并将该系统成功应用到某电厂中 , 现场运行
表明 , 系统运行速度快 , 稳定性强 , 用户使用方便 ,
开发和维护简单 , 有利于提高电厂的运行管理水平 ,
具有重要的推广价值。
参考文献 :
[1 ] 杨官平 , 王会明 , 潘朝红. 基于 ASP1NET 的电厂 MIS
综合查询系统的开发 [J ]. 电力科学与工程 , 2004 ,
(3) : 68 - 71.
[2 ] 王培红. 热能转换过程中水和水蒸气性质计算模型 [J ].
汽轮机技术 , 1993 , 35 (3) : 31 - 38.
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滨义 , 董清波 , 译. 北京 : 人民邮电出版社 , 2002.
[5 ] 闫顺林 , 周猛 , 李永华. 面向对象的火电机组能损在线分
析模型 [J ]. 华北电力大学学报 , 2004 , (1) : 48 - 52.
作者简介 : 杨官平 (1967 - ) , 男 , 湖北天门人 , 华北电力大学
副教授 , 从事热能工程和环境工程管理信息系统的设计与开发。
(上接 62 页)
4 结 论
利用 Matlab/ Simulink 这一优良的仿真工具可以
方便地模拟异步电动机在突加负载时 , 磁链轨迹、
定子电压、定子电流、转速 (角速度) 以及电磁转
矩等参数的变化情况。通过仿真可以看出 , 直接转
矩控制具有理论清晰 , 结构简单 , 响应迅速 , 易于
实现等优点。从与六边形磁链轨迹控制方案的仿真
结果对比来看 , 圆形磁链轨迹控制方案的转矩脉动
较小 , 调速性能较好。仿真对于以后实际系统开发
具有很好的指导意义。
参考文献 :
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420 - 429.
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IEEE Trans on IA , 1986 , 22 (5) : 820 - 827.
[3 ] 李夙. 异步电动机直接转矩控制 [ M]. 北京 : 机械工业
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[4 ] 薛定宇 , 陈阳泉. 基于 Matlab/ Simulink 的系统仿真技术
与应用 [ M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2002.
[5 ] 杨祖泉 , 姚绪梁 , 舒小芳. 异步电动机直接转矩控制系统
的仿真研究 [J ]. 电机与控制学报 , 2004 , (8) : 329 - 332.
作者简介 : 张俊喜 (1981 - ) , 男 , 河北唐山人 , 哈尔滨理工大
学硕士生 , 研究方向为变频调速 ; 张春喜 (1964 - ) , 男 , 河北唐山
人 , 哈尔滨理工大学教授 , 研究方向为电力电子与电力传动。
·07· 电力科学与工程 2006
基于Matlab_Simulink的异步电机直接转矩控制系统仿真.pdf
