異步電動機直接轉矩控制系統的研究與仿真

馮娜，郭濤

[摘 要] 針對異步電動機的直接轉矩控制系統進行了Matlab/Simulink的建模與仿真研究。并在原有基礎上對轉速調節器進行了改進，通過對仿真波形的比較與分析，表明系統的動態性能有了很大提高，為實際的異步電機直接轉矩控制系統的設計提供了思路。

[關 鍵 詞] 直接轉矩控制；Matlab；動態性能

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）31-0192-02

一、直接轉矩控制的基本原理

直接轉矩控制系統原理框圖圖1所示：

交流電經整流器整流后輸出直流，為逆變器提供工作電壓。電動機側測得電壓和電流值，并經3/2坐標變換成兩相靜止坐標系下的對應值uα、uβ、iα、iβ，然后經磁鏈觀測器得到電機的定子磁鏈分量ψα、ψβ，經轉矩觀測器得到轉矩實際值Tf。定子磁鏈給定值ψg和反饋值ψf比較輸出偏差信號，經磁鏈調節器后產生磁鏈開關信號ψQ。轉矩給定值Tg和轉矩實際值Tf比較后輸出的偏差信號經轉矩調節器后產生轉矩開關信號。通過判斷、的位置可得到磁鏈所處扇區，此功能由扇區判斷模塊實現。開關信號選擇模塊綜合三個輸入信號：磁鏈開關信號ψQ、轉矩開關信號TQ、扇區N號，產生正確的電壓開關信號給逆變器，完成該閉環控制。

二、系統改進與建模

進行電機速度的控制，本質就是是對電機輸出轉矩的控制。要想使系統穩定運行在某一轉速n1時，必須在該轉速下使Te=TL，若要使系統穩定在一個比n1高的轉速n2時，則首先在n1轉速下使Te>TL，電機加速，當到達轉速n2后，再使Te=TL，則電機就在新的轉速下穩定運行了。本文采用比例積分控制器，構成轉速PI調節器的無靜差系統。

改進后的速度調節器模型如圖2所示：

模型中利用條件模塊來實現積分作用與不作用狀態的切換，當轉速偏差大于給定值（u值）時只接通上面的一路即只比例部分起作用；當轉速偏差小于給定值時，開關接通下面一路比例積分同時作用。這樣，無論轉速降低或升高時均可以實現轉速比例和比例積分的分離式調節，大大提高了系統的動態性能。

建立直接轉矩控制系統的整體仿真模型圖3：

針對常用的單相220 V交流輸入三相輸出的變頻器，本仿真系統設計了整流和逆變電路。由單相交流220 V經倍壓整流后得到約622 V的直流，并經逆變過程輸出三相交流的380 V額定電壓給電機，并通過磁鏈和轉矩的配合調節實現了異步電機的直接轉矩控制方法。

三、仿真結果分析

采用Simulink中simpowersystems工具箱中的已有電機模塊，將其設置成鼠籠式異步電動機，仿真參數設置如下：

電機參數，極對數np=1，額定功率PN=3.73 kw，額定電壓UN=380 V，額定頻率f=50HZ，定子電阻Rs=1.115 ？贅，轉子電阻Rr=1.083 ？贅，定子漏感LS=0.005974 H，轉子漏感lr=0.005974 H，定轉子互感Lm=0.2037 H，轉動慣量J=0.02 kg·m。

調節器參數設置如下：

kp=0.4，ki=2，eo=500 r/min，磁鏈給定值為1.5 wb，磁鏈滯環比較器容差εψ為0.01 wb，轉矩滯環比較容差εm±1N·m。

定子磁鏈仿真波形如圖4所示：

定子輸入電壓仿真波形如圖5所示：經電壓型逆變電路，為定子提供的電壓波形。

轉速仿真波形如下：

仿真情況：在1s后負載轉矩由10 N·m增加到

20 N·m，2s后轉速由1000 r/min降到500 r/min，得到

的轉速波形如圖6所示：

可以看到，由于積分器的作用轉速基本上是無靜差的。通過調節轉速PI調節器的比例與積分參數，使得轉速上升速度較快且基本上無超調。當1s加負載后轉速有所下降但很快跟隨到給定，而且由于負載轉矩已變所以實際速度和給定值有較小的差值。當調節給定速度時，系統雖然有一個笑得超調，但也在很短的時間內進行跟隨。

速度調節器改進前后轉速的仿真波形如圖7所示：

可以看出速度調節器改進后，系統的超調量明顯減小甚至消失，表明了積分分離式PI調節器的優越性，而且結果表明轉速的波動性減小，提高了系統的穩

定性。

可以看出該仿真模型實現了對異步電機的直接轉矩控制，得到了理論分析中的定子磁鏈近似圓形的軌跡，并在設定的加減轉速的情況下能很好地跟隨給定變化，表明本實驗采用的直接轉矩控制系統具有較好的穩態和動態性能。經比較分析后由仿真結果可以看出經過轉速調節器的改進，系統的動態性能提高了，在原有基礎上達到更好的靜動態性能。

四、總結

本文介紹了一種基于Matlab的異步電動機直接轉矩控制系統仿真模型，并對轉速調節器進行了改進。在仿真調試過程中，通過反復調節PI調節器的參數進行匹配使系統的動態響應達到較好的狀態，而且對直接轉矩控制技術有了更深層次的理解。仿真結果表明各仿真波形符合理論分析，系統能夠平穩運行，具有較好的靜動態性能。

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