探索电机控制新领域

张文浩、崔连成、慕晓静

（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042）

基于MATLAB/Simulink的皖南电机三相异步电动机直接转矩控制研究

张文浩、崔连成、慕晓静

中国青岛科技大学自动化与电子工程学院，青岛 266042，中国

摘要：本研究以皖南电机三相异步电动机为研究对象，基于MATLAB/Simulink仿真平台，深入探讨了三相异步电动机直接转矩控制（DTC）的理论基础。通过构建皖南电机直接转矩控制系统的仿真模型，验证了该控制策略在实现电机转速精确跟踪方面的有效性。仿真结果表明，该系统展现出卓越的动态和静态性能，显著降低了电机的磁链和转矩波动，大幅提升了交流调速系统的稳态性能。

关键词：异步电动机；直接转矩控制；仿真平台；磁链；皖南电机

引言

直接转矩控制（DTC）技术，作为继矢量控制技术后的新型变频调速技术，自20世纪80年代由德国学者M. Depenbrock和日本学者I. Takahashi首次提出以来，得到了迅速发展。在90年代，Zhong. L, Rahman M F, Hu Y W等学者进一步丰富了永磁同步电动机直接转矩控制理论。该技术通过空间矢量分析方法，在定子静止坐标系下直接计算并控制交流电动机的转矩和磁链，利用定子磁场定向和离散的两点式控制（Band-Band控制）产生脉宽信号，实现对逆变器的*佳开关控制，从而实现转矩的高动态性能。

DTC技术以其结构简单、转矩动态响应快、对电机参数依赖性小、对参数变化鲁棒性好等优势，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等行业得到广泛应用。本文在分析皖南电机三相异步电动机数学模型的基础上，阐述了皖南电机直接转矩控制系统的控制原理，并在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了皖南电机直接转矩控制系统的整体仿真模型及各模块仿真模型。

异步电动机的数学模型

异步电动机是一个高阶次、非线性、强耦合的多变量系统。在分析其数学模型时，通常作以下假设：忽略空间谐波，假设三相绕组对称，产生的气隙磁场按正弦分布；忽略磁路饱和现象；不计铁心损耗；不考虑频率和温度变化对绕组的影响。采用空间矢量分析法，在正交定子坐标系上描述异步电动机。电动机在定子坐标系上的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程组成。

直接转矩控制（DTC）原理

直接转矩控制（DTC）方法采用空间矢量分析方法直接在定子静止坐标系下分析交流电动机的数学模型，构建转矩和磁链的算法模型，计算和控制交流电机的转矩，借助滞环控制器（Bang-Bang 控制）产生PWM信号，通过开关表直接对逆变器的开关状态进行*佳控制，以实现转矩的高动态性能。

异步电动机直接转矩控制（DTC）系统由逆变器、三相异步电动机、磁链估算、转矩估算、转子位置估算、开关表、PI调节器、滞环比较器等组成。控制系统将电机给定转速和实际转速的误差，经PI调节器输出作为转矩的给定信号；同时系统根据检测的电机三相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别计算电机的磁链和转矩的大小，计算电机转子的位置、电机给定磁链和转矩与实际值的误差；*后根据它们的状态选择逆变器的开关电压矢量，使电机能按控制要求调节输出转矩，*终达到调速的目的。

异步电动机DTC控制系统仿真模型组建

基于上述建立的异步电动机数学模型以及直接转矩控制原理，在MATLAB环境下，利用Simulink工具，建立了皖南电机异步电机直接转矩控制系统的整体仿真模型。

仿真结果及分析

利用上述在MATLAB/Simulink下建立的仿真模型，在MATLAB R2010a下进行仿真，系统参数设置如下：电机转速、电磁转矩、定子电流、定子磁链矢量的仿真波形分别如图（a）、（b）、（c）、（d）。

由仿真结果可以看出：电机启动速度很快，实际的速度能迅速变化且无超调，在给定转速变化较大的情况下，能快速跟踪，说明直接转矩控制确实具有优良的动、静态性能。定子电流谐波影响小。除启动时磁场建立的过程外，在静、动态过程中定子磁链运行轨迹保持近似圆形，定子赋值基本保持不变，有效地减小了电动机参数变化时磁链的脉动。加负载转矩之后，电机的转矩动态响应较快，脉动波动小，改善了交流调速系统的稳态性能。

结论

直接转矩控制技术作为20世纪80年代中期继矢量变换控制技术后的新型高性能交流调速传动控制技术，随着其应用越来越广泛，需要不断对其进行改进。本文针对其主要控制对象定子磁链幅值及电动机转矩提出了相应的控制方法，使得定子磁链轨迹近似为圆形，转矩响应迅速，减少了电动机的谐波成分、噪声及转矩脉动，获得了高性能的转矩响应。在MATLAB/Simulink仿真平台上实现圆形磁链的直接控制，验证了这种新控制方法的优良性能。仿真结果显示，采用直接转矩控制系统可以有效地实现电机转速的快速跟踪，有效地减小了电动机磁链以及转矩的脉动，动态响应迅速，对电机参数依赖性小，动态和静态性能良好。

作者简介：

张文浩（1988-）男，青岛科技大学，硕士研究生，专业：控制理论与控制工程

崔连成（1986-）男，青岛科技大学，硕士研究生，专业：控制理论与控制工程

慕晓静（1986-）女，青岛科技大学，硕士研究生，专业：控制理论与控制工程

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