基于Simulink的電力測功機算法模型研究

邵方閣 郭朋彥，2 劉子川 申方

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450045；2.華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院，河南鄭州 450045）

基于Simulink的電力測功機算法模型研究

邵方閣1郭朋彥1，2劉子川1申方1

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450045；2.華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院，河南鄭州 450045）

根據交流電力測功機工作原理，搭建基于直接轉矩控制技術的交流電力測功機數學模型；根據轉矩和磁鏈需求，設計最優電壓矢量開關控制表，輸出電壓矢量來控制IGBT模塊的開關頻率，從而控制三相交流電機的電磁轉矩。在電動狀態下，通過對三相交流電機調速來拖動負載到一定轉速；在發電狀態下，通過設置不同的工作模式進行各個工況點的測試。最終基于Simulink平臺對算法模型在交流電力測功機動態加載特性的實現進行論證。

直接轉矩技術；電壓矢量開關；算法模型；動態加載

隨著車輛工程及重型機械設備等自動化產業的日益發展，對測試設備的功能性、可操作性和穩定性的要求也越來越高。電力測功機不僅能夠實現倒拖功能，還同時具備測試設備在低速和高速工況下的測量動態誤差小、穩定性高等優點；在結構上，由轉矩觀測器模型可以觀測出實時轉矩，實現機械結構上的簡化。與其他測功機相比，電力測功機在性能和維護方面都有較好的優勢。將現代交流測功機技術應用于電機性能測試領域，可以充分發揮其優異的轉速和轉矩控制特性，以及動態響應快、結構靈活多樣、高效節能、可靠性高等優點［1］。此外，交流電力測功機可以工作在電動和發電狀態，可以利用直接轉矩控制技術進行轉速和轉矩控制。直接轉矩控制技術是繼矢量控制技術之后發展起來的一種新型高性能的交流變頻調速技術，其具有瞬態響應良好，受電機參數變化影響小等優點［2］，克服了轉子磁場定向控制時產生的魯棒性差，轉子磁鏈不易精確觀測，矢量變換過于復雜等問題［3］。

1 三相交流電機電壓電流檢測

交流電力測功機的主要控制對象為三相異步交流電動機，也是本次控制算法的對象模型，本次設計搭建了基于dq0坐標系的三相交流電機動態物理模型[4]，該模型以轉子為中心建立動態坐標系，將模型簡化為直流電機模型，有著較穩定的動態性能。建立算法模型時只需要檢測其輸出的電壓、電流、轉速。電壓為逆變器模型中的IGBT開關電路輸出的三相電壓，電流為三相交流電機模型輸出的三相電流，為了減少磁鏈及轉矩的復雜程度，在本著不同坐標系下磁動勢一致的原則下對其進行坐標變換，得到其在αβ靜態坐標系下的電壓和電流。

2 直接轉矩技術方案

直接轉矩控制技術就是直接控制三相交流電機的電磁轉矩，根據檢測到的三相交流電壓和電流，利用觀測器檢測出此刻磁鏈和轉矩的瞬時響應值，與設定的Te*和ψ*進行比較，根據差值的變化和輸入磁鏈所在扇區即可根據map尋找最優電壓矢量開關，電壓矢量開關對逆變器的IGBT電路進行驅動，得到不同扇區下的開關響應，以此來控制定子磁鏈的旋轉速度，從而直接控制其輸出電磁轉矩的大小［5］。為了減小系統脈動，利用PI轉速-轉矩控制進行系統空間矢量的補償［4］。直接轉矩控制原理如圖1所示。

2.1 磁鏈觀測器

磁鏈觀測器采用u-i-n觀測模型，該模型將u-i模型與i-n模型結合使用。

u-i模型是根據定子電阻來進行觀測，如式（1）所示。在高速時，定子反電勢較大，us值較大，而定子電阻上的壓降相比很小，所以可以忽略，可以近似用式（2）來表示。在高速時，采用該模型可以較精確地進行觀測。

圖1 直接轉矩原理框圖

當轉速較低時，反電勢較小，us值較小，定子壓降此時較大，加上一些溫度、耦合等誤差，使得輸出的值幾乎為誤差的積分。所以，此時的觀測值非常不穩定，在低速時一般采用i-n模型來進行觀測。

i-n模式下，定子磁鏈與定子電流由轉速來決定，在低轉速時，測量的精度誤差小，可以很準確地估計磁鏈。但是，在高速時轉速測量誤差增加，此時應該采用u-i模型來進行觀測［6］。

2.2 轉矩觀測器

三相交流電機的定子磁場在兩相靜止坐標系下的電磁轉矩公式如下：

將磁鏈觀測器觀測的磁鏈分量代入轉矩公式（3），即可得到轉矩，此即為無轉矩傳感器的轉矩觀測。其中，對于磁鏈的估計是算法精度的核心，采用低高速協調估計是目前最廣泛采用的方案。磁鏈觀測器不僅僅影響圓形磁鏈的穩定性，還會影響轉矩的輸出。可見，磁鏈的精確估計對提高電力測功機整體穩定性和實時響應起著關鍵作用。

3 電壓矢量控制

根據定子電流與轉子磁鏈的推導關系可得：

將轉矩公式里的定子電流用轉子磁鏈來替代，推理可得：

在直接轉矩控制中一般保持定子磁鏈的幅值不變，而轉子磁鏈由負載決定。所以，只需改變磁通角θ，即可改變電磁轉矩的大小。轉子的轉速一般由被測機決定，所以通過控制逆變器的開關頻率來調節定子磁鏈的旋轉速度，即可實現對磁通角的控制。

三相交流電機的驅動是根據逆變器開關的不斷切換來產生旋轉磁場，根據逆變器驅動電路可知其IGBT有8種開關狀態，在星形接法和幅值恒定情況下，在電機的三相上，其輸出電壓的合成Park矢量式為：

將不同的開關狀態代入即可得到對應的電壓空間矢量。除了2個零矢量電壓位于原點外，其余6個電壓矢量的幅值均為2Udc/3，根據每路開關輸出電壓合成如圖間隔60°角分布。當電壓矢量選擇模塊接收到轉矩和磁鏈差值時，經過比較輸出1、0和-1信號，作為其判斷轉矩和磁鏈變化的標志，根據磁鏈觀測器可以推導出此時的磁鏈矢量，從而得出其旋轉角度，進而判斷所在扇區，兩者結合，按照給定最優電壓矢量開關狀態表即可得出此時的開關矢量。

4 仿真分析

實驗選擇三相交流電機的額定功率為37kW，頻率50Hz，額定轉速為1 450r/min，定子繞組阻值為0.082 33Ω，定子自感為0.724mH，轉子繞組阻值為0.050 3Ω，轉子自感為0.724mH，互感值為0.027 11H，轉動慣量為0.37kg·m2。

當選擇測功機模式為恒轉速模式時，其輸出的轉速保持恒定，電力測功機通過調節踏板開度來調節轉矩，測功機輸出轉矩隨負載轉矩變化。在轉速恒定時進行加載試驗時，模擬負載轉矩線性上升，0.8s時選擇發動機工況點為100N·m，1 600rpm，隨著油門開度增大，負載轉矩的增加，測功機輸出的轉矩也隨之增加，從而保持恒速模式，在1.5s時將負載轉矩隨時間增加到設定值150N·m，加載過程完成，實現加載。測試其輸出轉矩、轉速和磁鏈圖像，結果見圖2、3、4。

圖2 轉矩變化曲線

圖3 轉速變化曲線

由圖4可知，測功機輸出轉矩隨負載變化跟隨性較好，圓形磁鏈穩定，證明該直接轉矩算法可以穩定控制三相交流電機實現倒拖、加載等功能，其轉矩輸出的瞬態響應特性能力較好，轉速變化±3rpm內，穩定的輸出可以滿足現在發動機測試的要求。

圖4 磁鏈變化曲線

5 結論

本次仿真以三相交流電力測功機的恒轉速控制工況為背景，首先進行了三相交流電機的對象模型分析，確定了直接轉矩技術方案。根據對象模型輸出的三相電壓電流推導出其在兩相靜態坐標系下的電壓和電流，再利用對象模型公式推導來建立其磁鏈和轉矩觀測器，根據磁鏈矢量確定其所在扇區，結合磁鏈滯環和轉矩滯環得出最優開關電壓矢量，在最優矢量下得到磁鏈和轉矩的快速響應。本次建模將直接轉矩算法和現在的三相交流電力測功機相結合，在仿真測試中論證了算法的科學性和可行性，對于電力交流測功機控制的實現具有一定的指導意義。

［1］李宗帥，董春，劉顏.國內外電力測功機發展現狀［J］.電機與控制應用，2007（5）：1-4.

［2］黃智宇，鮮知良，李景俊，等.基于模型開發方法的電動汽車永磁同步電機矢量控制算法研究與應用［J］.電機與控制應用，2014（6）：45-50.

［3］范杰，王明渝，劉述喜.基于直接轉矩控制的測功機動態負載研究［J］.微特電機，2007（8）：55-57.

［4］Ye Z，Li L，Garces L，et al.A new family of active antiis?landing schemes based on DQ implementation for grid-connected inverters［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference，2004（1）：235-241.

［5］Buja GS，Kazmierkowski MP.Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors-a survey［J］.Industrial Electronics IEEE Transactions on，2004（4）：744-757.

［6］Xu Z，Rahman MF.An adaptive sliding stator flux observ?er for a direct-torque-controlled IPM synchronous motor drive［J］. Industrial Electronics IEEE Transactions on，2007（5）：2398-2406.

An Algorithm Model Study of Electric Dynamometer Based on Simulink

Shao Fangge1Guo Pengyan1,2Liu Zichuan1Shen Fang1
（1.Mechanics Institute，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Institute of Vehicles and New Energy Technology，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

According to the working principle of AC electric dynamometer,the mathematical model which based on direct torque control technology was built,the optimal voltage vector switching control table based on the torque and flux demand was designed,the switching frequency of the IGBT module was controlled by the output voltage vector, thereby the electromagnetic torque of the three-phase AC motor was controlled.In electric mode,by adjusting the three-phase AC motor speed to drag the load to certain speed;In the power generation state,by setting different oper?ating modes to test each operating point.Finally,based on the Simulink platform,the realization of the algorithm mod?el in the dynamic load characteristics of AC power dynamometer was demonstrated.

direct torque；voltage vector switching；algorithm model；dynamic load

TM933

：A

：1003-5168（2017）01-0057-03

2016-12-23

河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃（13A460693）；華北水利水電大學大學生創新計劃項目資助（HSCX2014112）。

邵方閣（1989-），男，碩士，研究方向：車輛、發動機測試。