異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)探究

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1、異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)探究　　【摘要】介紹了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，詳細(xì)分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)矩控制的正確性和有效性?！娟P(guān)鍵詞】直接轉(zhuǎn)矩控制，異步電機(jī)，Matalb/Simulink1引言直接轉(zhuǎn)矩控制理論由德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock于1985年首次提出，日本學(xué)者I.Takahashi也相繼提出了類似的控制方案。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是：根據(jù)定子磁鏈幅值計(jì)算值與給定值的偏差？ψs的正負(fù)符號和電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算值與給定值的

2、偏差？Te的正負(fù)符號，再依據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻目前所在的位置，通過查表的方法，直接選取需要的空間電壓矢量，減小定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)已發(fā)展成為除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種高動(dòng)靜態(tài)性能的交流電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文主要介紹了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，詳細(xì)分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)基于Matlab6/Simulink仿真平臺搭建了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)矩控制的正確性和有效性。2直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理在三相靜止坐標(biāo)系下，將異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表示為定子磁鏈和

3、轉(zhuǎn)子磁鏈的函數(shù)：（1）式中ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈；σ為電機(jī)漏磁系數(shù)；γ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，為充分利用電機(jī)鐵心，保持定子磁鏈幅值恒定，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。由式（1）可以看出，通過選擇適合的空間電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，就可以改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角γ，進(jìn)而即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。6磁通和轉(zhuǎn)矩觀測器輸出三個(gè)信號：定子磁鏈幅值ψs及其位置角θ和實(shí)際轉(zhuǎn)矩觀測值Te。位置角信號θ用以選擇扇區(qū)，通過查表決定在該扇區(qū)中用哪兩個(gè)有效電壓空間基礎(chǔ)矢量來控制磁場。幅值信號ψs被送至磁鏈滯環(huán)控制器輸入，與磁鏈幅值給定ψ*s比

4、較，通過磁鏈滯環(huán)控制器來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)有效電壓空間矢量的交替使用，控制磁鏈幅值及構(gòu)造圓形磁場。轉(zhuǎn)矩觀測值Te被送至轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器輸入，與轉(zhuǎn)矩給定值比較，其值來自轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出，通過它來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器決定何時(shí)插入和撤出零矢量，實(shí)現(xiàn)變頻及轉(zhuǎn)矩控制。扇區(qū)選擇、磁鏈滯環(huán)控制器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的輸出都送至電壓矢量選擇環(huán)節(jié)，通過查表控制逆變器6個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1磁鏈計(jì)算模型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)）計(jì)算定子磁鏈，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。αβ坐標(biāo)系下的定子電壓方程為（2）移項(xiàng)積分后得（3）式（3）就是定子磁鏈計(jì)算模

5、型，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。顯然，這是一個(gè)電壓模型，適合中、高速運(yùn)行系統(tǒng)。對于低速運(yùn)行系統(tǒng)，該模型誤差較大，甚至無法使用。因此，低速時(shí)需切換到電流模型或混合模型，但這時(shí)的系統(tǒng)魯棒性也將相應(yīng)降低。3.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型由異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知，異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為（4）由式（4）可知轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。3.3磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器6定子磁鏈控制通過磁鏈滯環(huán)砰-砰控制器實(shí)現(xiàn)，它的輸入是定子磁鏈幅值給定以及來自定子磁鏈計(jì)算模型的定子磁鏈實(shí)際值ψs，滯環(huán)寬度為2δψ。磁鏈滯環(huán)控制器為兩電平輸出，其原理圖如圖4所示。轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)砰-砰控制器實(shí)現(xiàn)，它的輸入是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）輸

6、出的轉(zhuǎn)矩給定以及來自轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的定子磁鏈實(shí)際值Te，滯環(huán)寬度為2δT。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器為三電平輸出，其原理圖如圖5所示。3.4電壓矢量的選擇根據(jù)定子磁鏈幅值ψs和轉(zhuǎn)矩Te的偏差情況以及定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻所在扇區(qū)的位置，制定一個(gè)電壓矢量選擇表，如表1所示。磁鏈滯環(huán)控制器的輸出sgn（Δψs）、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的輸出sgn（ΔTe）和磁鏈?zhǔn)噶克谏葏^(qū)的扇區(qū)號S作為此電壓矢量選擇表的輸入，輸出為各空間電壓矢量。在每個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)控制器的輸出及定子磁鏈所在位置，通過電壓矢量選擇表選擇最優(yōu)的定子電壓矢量，進(jìn)而將定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩控制在兩個(gè)滯環(huán)內(nèi)。4仿真結(jié)果和分析為驗(yàn)證直接轉(zhuǎn)矩控

7、制策略的正確性和有效性，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件對異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果如下圖所示。6由圖6、7的仿真波形可以看出，第一階段轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值以前，轉(zhuǎn)矩急劇上升，轉(zhuǎn)速以恒定的速率上升。第二階段，轉(zhuǎn)速超過給定值以后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器迅速推出飽和，發(fā)揮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，它的輸出迅速減小，這時(shí)候轉(zhuǎn)矩急劇下降以便快速抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)，使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)持在1420r/min附近。第三階段突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出增大，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)迅速使得轉(zhuǎn)矩上升，以保證轉(zhuǎn)速不會大幅跌落。定子磁