《运动控制系统》课程设计
学 院：班 级：姓 名：学 号：同组成员：日 期：成 绩：
物联网工程学院 自动化 1001 AAA 0704000000 BBB 2014.1.5- 2014.1.11
设计题目：
感应电机直接转矩控制系统的仿真
设计要求：
1.分析直接转矩控制的基本工作原理；
2.在Matlab/Simulink 环境下建立感应电机直接转矩控制系统的仿真模型； 3.在不同给定、负载下进行仿真分析； 4.按规范撰写课程设计报告。
分工安排：
许钦臻：
1.分析直接转矩控制的基本工作原理；
2.在Matlab/Simulink 环境下建立感应电机直接转矩控制系统的仿真模型。 於和琦：
1.在不同给定、负载下进行仿真分析； 2.按规范撰写课程设计报告。
正文（下页起）
感应电机直接转矩控制系统的仿真
於和琦，许钦臻
（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）
摘 要：直接转矩控制（DTC）借助于滞环调节器产生脉冲信号，直接对逆变器的导通状态进行最优控制，以获取转矩的高动态性能，并省去了复杂的矢量坐标变换. 具有动态响应迅速，控制简单，易于实现等优点. 本文采用自行设计的电压开关矢量表，建立了异步电动机直接转矩控制系统的基于MATLAB的仿真模型. 仿真结果表明，所设计的直接转矩控制系统是正确的.
关键词：异步电动机；直接转矩控制；定子磁链；电压空间矢量 中图分类号：××× 文献标识码：××× 文章编号：×××
Simulation of Direct Torque Control
System for Induction Motor
YU He-qi,XU Qin-zhen
(School of IOT, JNU, Wuxi 214122, China)
Abstract: Direct Torque Control generates pulse signal with Hysteresis regulator, controls the inverter-state of opti?mum directly to obtain high dynamic performance of torque and eliminates the need for complex vector coordinate transformation, with rapid dynamic response, simple control, and easy implementation. The simulation model of DTC was set up by using the self-designed voltage switch vector table with the soft of MATLAB. According to the result of the simulation, the model designed in this paper was proved correct, and the result was satisfying.
Key words: asynchronous machine; direct torque control; stator flux; voltage space vector
直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一种变频调速技术. 与矢量控制技术相比，DTC 在很大程度上解决了矢量控制中计算量大、运行特性易受电动机参数改变的影响、性能很难达到理论分析的一些技术问题. DTC 技术以其新颖的控制思想，简明的系统结构，优良的静、动态性能得到了迅速发展。目前，国内不少高校和科研院所对DTC 技术进行了深入研究，提出了一些有益的改进方法，对DTC 技术的实际应用做出了贡献.
本文基于MATLAB 仿真软件，采用三点式滞环调节器，运用自行设计的开关矢量表，对以定子磁链为圆形的异步电动机直接
转矩控制系统进行了仿真验证.
1直接转矩控制系统的基本理论
DTC 系统只需检测电压、电流信号，运
用空间矢量的思想，在定子坐标系下就可以实现对交流电动机磁链和转矩的计算与控制. 如图1 所示是异步电动机直接转矩控制系统的基本组成. 通过对转矩和磁链的控制，产生转矩开关信号、磁链开关信号和扇区信号，与最优开关矢量表对照，输出逆变器控制信号，实现对电动机转矩的直接控制
图1 直接转矩控制系统的基本组成
1.1 异步电动机的数学模型
在DTC 的控制系统中，采用空间矢量的分析方法，使电动机模型得以简化. 如图2 是异步电动机在定子坐标系下的等效电路图.
图2 异步电动机的空间矢量等效电路图 其中：为定子电压空间矢量；为
定子电流空间矢量；为转子电流矢量；为定子感应电动势；为转子感应电动势；为电角速度. 可以得到如下方程：
式中θ为定子磁链和转子磁链的夹角。实际应用中，保持定子磁链的幅值恒定，而转子磁链的幅值有负载决定。对异步电动机转矩的控制，是通过改变磁通角θ来实现的.
1.2 电压空间矢量在坐标系中的离散位置
本文采用的是电压型逆变器，其输出电压共有八种组合，如图3 所示.
图3 电压空间矢量在坐标系中的离散位置
电压空间矢量中的三位逻辑数字表示逆变器的开关状态，“1”表示上桥臂导通，
“0”表示下桥臂导通. 例如（110）表示逆变桥上桥臂A、B、C 的开关状态分别为导通、导通、断开. 按照电压空间矢量的离散位置划分扇区为S1-S6，根据定子磁链在β三相坐标系βa, βb, βc轴上的投影，可以判断定子磁链所在的扇区.
1.3 调节器
如图4，磁链调节器是采用滞环控制. 磁链调节器的输入信号是磁链给定值与
磁链量反馈值之差，其输出值是磁链量开关信号. 当磁链量反馈值与磁链给定值之差大于容差上限时，输出0，需要减小磁链；小于容差下限时输出1，需
要增加磁链.
图4 磁链调节器
传统的转矩调节器也是采用滞环控制，如图5，本文采用的改进型的转矩调节器，它是由转矩两点式调节器与P/N 调节器两部分组成，也称为三点式调节器. 采用P/N 调节器，可以加快转矩的调节过程. P/N 调节器可以控制定子磁链的反向旋转，以实现转矩的迅速减小. 但P/N 调节器的容差ε
P/N要大于转矩调节容差εm. 在转矩给定值变化较大时，P/N 调节器才参与调节，加快调节过程.
表1 直接转矩控制系统开关表
图5 转矩三点式调节器
1.4 电压开关矢量表
结合转矩开关信号、磁链量开关信号、正反转P/N 信号以及扇区信号，共同控制逆变器的开关状态. 表1 是本文设计的基于转矩三点式控制系统的开关矢量表.根据该表控制电动机能够保证定子磁链在给定的范围内变化，又能使电动机输出转矩快速跟随给定值变化，从而实现调速系统的高动态性能.
2 基于MATLAB/SIMULINK的仿真
仿真参数：电动机额定功率P=7.5KW，频率f=50Hz，额定转速为1440r/min，额定电压U=400V，极对数为2，定子电阻=0.7384Ω，转子电阻=0.7402Ω，定子漏感=0.003045H，转子漏感=0.003045H，定子和转子之间的互感 =0.1241H，转动惯量J=0.0343kgm2，定子磁链幅值给定值=0.8Wb，速度给定值为764r/min，直流侧输入电压Ud=600V. DTC 的仿真系统见图6.
图6 直接转矩控制系统的仿真系统
本文对电动机负载变化时进行了仿真验证，2s 时刻，负载转矩由45NM 变为空载，仿真结果见图7（a）-7（f）. 其中，图（a）为定子磁链轨迹，（b）为其放大图；图（c）为电动机的转矩响应；（d）为定子电流变化图；（e）为速度变化图，（f）为其放大图.