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趙  偉 （1983-）
男，江西進賢人，在讀碩士研究生，從事電力電子技術及現代電力傳動控制研究。

摘要：闡述了直接轉矩控制的基本原理，針對DTC系統的圓形磁鏈軌跡進行了MATLAB/Simulink的建模與仿真研究，通過仿真實驗，得到了定子磁鏈、轉速的仿真波形，仿真結果證明了該建模方法的合理性和有效性，為實際異步電機DTC系統的設計提供了思路，為進一步研究直接轉矩控制系統奠定了基礎。

    關鍵詞：異步電機；直接轉矩控制； MATLAB/Simulink

    Abstract: In this paper, we describe the basic principles of Direct Torque Control (DTC). We model and simulate the radio system for DTC flux path by the use of MATLAB / Simulink,Through the experiments, we obtain the simulating wave of stator flux and rotation speed. the simulation results demonstrate that the modeling approach, which provides an idea for designing the real asynchronous motor DTC system and gives a foundation for further studying DTC system, is reasonable and effective.

    Key words: Induction Motor; Direct torque control; MATLAB/Simulink

    1 引言

    20世紀80年代德國魯爾大學的得彭布如克教授和日本學者塔卡哈市分別提出了基于六邊形磁鏈軌跡的直接自控制(DSC)方法和基于近似圓形磁鏈軌跡的直接轉矩控制(DTC)方法。DTC利用空間矢量分析方法，采用兩點式Bang-Bang控制調節產生PWM信號，直接對逆變器開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。本文在MATLAB/Simulink下，設計了一種使定子磁鏈運動軌跡近似為圓形的異步電機直接轉矩控制仿真系統，通過實時計算電機轉矩和磁鏈誤差，結合定子磁鏈的空間位置來選擇相應的開關矢量，達到控制異步電機轉速的目的。

    2  直接轉矩控制原理

    直接轉矩控制系統原理框圖如圖1所示。

    它包括轉速調節器、轉矩控制器、磁鏈觀測器、逆變器等。通過轉矩和磁鏈的滯環控制，選擇合適的電壓矢量來調節定子磁鏈，并通過控制定子磁鏈的前進(或停止)來控制電機轉矩，使之快速跟蹤給定信號。同時，通過對定子磁鏈形狀的控制來選擇合適的開關狀態，產生合適的信號以控制電機運轉，從而實現了直接控制策略。

    3  異步電機數學模型

    3.1 二相靜止坐標系上異步電機的數學模型

    3.2 定子磁鏈觀測器及轉矩觀測器

    由轉矩方程(4)來構建轉矩觀測器，而為簡單起見，磁鏈觀測器采用u-i磁鏈模型，其數學表達式為：

    由此，可得到定子磁鏈和轉矩觀測器的仿真模塊如圖2所示。

    3.3 狀態開關表

    磁鏈和轉矩通過斯密斯觸發器輸出調節信號SF、ST， “0”表示應減小，“1”表示應增大。扇區的劃分如圖3所示，輸出磁鏈的位置信號為SN。根據這3個信號，可以在事先確定的電壓矢量開關表中查得相應的電壓矢量，從而得到逆變器的開關信號來控制逆變器的動作。電壓矢量開關表如表1所示。

                                             表1   電壓矢量開關表

    3.4 逆變器數學模型
 
    根據三相電壓型PWM逆變器的工作方式，可以得到電機線電壓與開關信號的數學關系：

    3.5 直接轉矩控制系統模型

    綜合以上分析，在Matlab/Simulink下，由（1）-（7）式就可以建立直接轉矩控制系統仿真模型如圖4所示。

    4  仿真實驗

    按照以上設計的MATLAB仿真系統進行仿真實驗。仿真算法選用變步長ode45算法。仿真相關參數如下：電機額定功率為5kW，額定電壓為220 V，轉動慣量為0.015 kg?m，極對數為2，定子電阻為0.659Ω，轉子電阻為0.472Ω，定子電感為0.06249 H，轉子電感為0.06249 H，定轉子互感為0.0582 H，頻率為50Hz，取摩擦系數F為0.0001。仿真過程中，異步電機采用并行方式起動，即磁通和轉矩幾乎同時增加到參考值。定子磁鏈幅值給定值Flux=1.0Wb，磁鏈滯環比較器容差為0. 01。仿真模型中磁鏈和轉速實驗結果如圖5、6所示。輸出轉矩如圖7所示。

    由圖5可以看出，電機磁鏈軌跡近似圓形，磁鏈控制效果良好；由圖6可以看出，電機轉速很好了跟蹤了給定值；由圖8可以看出，在電機啟動0.05s后，系統就已經建立穩定的電磁轉矩，響應迅速，抗干擾性強。

    由上面的仿真實驗可以得知，根據直接轉矩理論建立的MATLAB異步電機仿真模型，能夠得到正確的圓形定子磁鏈運動軌跡及良好的電機轉速曲線，可以依據此仿真系統設計一個實際應用的、基于直接轉矩理論的異步電機數控系統。

    5　結束語

    本研究依據異步電機在靜止坐標系下的動態數學模型，介紹了一種基于MATLAB的交流異步電動機直接轉矩控制系統仿真模型。仿真結果表明：波形符合理論分析，系統能夠平穩運行，具有較好的靜、動態特性。利用該交流異步電動機仿真模型，可以準確地產生圓形旋轉磁場，可以充分利用計算機仿真的便利性，修改系統各相關參數并考察在不同實驗條件下對電機系統的動、靜態性能的影響，為分析和設計交流異步電動機控制系統提供了有效的研究手段，也為實際電機控制系統的設計、調試提供了新思路，同時對異步電機直接轉矩控制系統的研究進行了有益的探索。

    參考文獻

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    [2] 李永東.交流電機數字控制系統[M].北京:機械工業出版社, 2003.

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    [4] 沈本蔭.現代交流傳動及其控制系統[M].北京:中國鐵道出版社，1997.

    [5] 劉國海，戴先中.交流電機轉速和轉子磁鏈自適應辨識的一種新方法[J]. 電氣轉動.2007.