课程设计异步电机直接转矩控制

异步电机直接转矩控

制技术研究 课程设计

摘要

随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电动机调速技术发展到现在，有了长足的进步。异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，为非线性，所以控制起来极为不便。20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电动机调速系统的性能可以与直流电动机调速系统的性能相媲美。而交流电动机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电动机调速系统的优势强于直流电动机调速系统。

在交流电动机控制技术中调压调频控制、矢量控制以及直接转矩控制（Direct Torque Control简称DTC）具有代表性。其中应用直接转矩控制技术是一种高性能的控制调速技术，直接转矩控制对交流传动来说是一种最优的电动机控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。本文在理解了直接转矩控制原理的基础上，在MATLAB中进行了仿真，得到了较为理想的结果。

关键字：异步电动机、MATLAB仿真、直接转矩控制、电压矢量

目 录

摘要................................................................ I 第1章 绪论......................................................... 1

1.1 课题研究背景 ................................................ 1 1.2直接转矩控制技术的发展现状................................... 1

1.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势 ........................... 1 1.2.2目前的热点研究问题及解决方法 ........................... 2 1.3本文研究的主要内容........................................... 3 第2章 直接转矩控制系统理论......................................... 4

2.1概述......................................................... 4 2.2 异步电动机的数学模型 ........................................ 4 2.3 逆变器的数学模型与电压空间矢量 .............................. 6 2.4直接转矩控制系统的组成....................................... 8 2.5 磁链调节 ................................................... 10 2.6 转矩调节 ................................................... 10 2.7 空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响 ......................... 11

2.7.1 空间电压矢量对定子磁链的影响.......................... 11 2.7.2空间电压矢量对电磁转矩的影响 .......................... 13

第3章 直接转矩控制系统的MATLAB仿真............................... 15

3.1异步电机及PWM控制模块仿真.................................. 15 3.2三相-两相变换（3/2变换） ................................... 16 3.3转速调节器（ASR）........................................... 17 3.4定子磁链的计算和转矩计算模块................................ 18 3.5空间电压矢量的选择模块...................................... 18 第4章 仿真结果及分析.............................................. 20 致谢............................................................... 22 参考文献........................................................... 23

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

自从电气化时始以来，电动机就成为重要的动力来源。直流电机拖动系统和交流电机拖动系统在19世纪中期先后诞生。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样可以根据调速性能的要求，按照经典控制理论的方法设置调节器，分别对励磁磁场和转矩进行控制，因此直流调速系统具有良好的调速性能，调速平滑且易于控制，在高性能电气传动领域一直占据主导地位。

随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件如GTO、MOSFET、IGBT等的不断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到，换向能力了直流电机的容量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。

1985年，德国鲁尔大学的M．Depenbrock教授提出了一种新型交流调速理论——直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。

1.2直接转矩控制技术的发展现状

1.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势

直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得良好的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用。而传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进一步研究。仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊径。现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撑，它已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结：

(1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问

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题对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性能。

(2)磁链与转矩估计问题

对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚至会导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效．解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义。

(3)速度估计问题

近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。

(4)空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题。

1.2.2目前的热点研究问题及解决方法

异步电机直接转矩控制计算方便，控制结构简单，动态性能好。但在低速运行时，存在一些问题，这些问题成为目前DTC研究的热点。主要体现在以下两方面：

(1)低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流和磁链的畸变非常严重。

主要解决方法：

(1.1)采用u—n模型。使用电流PI调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流相等，精度大大提高，但结构比较复杂。

(1.2)模糊定子电阻辨识器(FLI)，以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过推论和解模，对定子电阻进行辨识御。

(2)低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。 主要解决方法：

(2.1)使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的控制电压波形。

(2.2)运用Fuzzy PI转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。

(2.3)引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低

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转矩脉动。

1.3本文研究的主要内容

本文主要研究和设计了异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统。首先阐述了异步电动机直接转矩控制系统的基本原理。通过了解定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用，以及对定子磁链和转矩计算模型的学习，利用Matlab／Simulink搭建直接转矩控制系统仿真模型，对系统进行仿真，验证理论的正确性和可行性。

本文的主要内容如下：

第 1 章为绪论部分，阐述了电机调速技术的发展概况，以及直接转矩控制的发展现状，提出异步电机的直接转矩控制理论以及目前的热点研究问题。最后论述论文研究的内容。

第 2 章阐述了课题设计的主要思想和直接转矩控制系统的基本原理。本章首先给出了最后搭建的仿真模型，介绍了异步电动机的数学模型，逆变器的数学模型和电压空间矢量。然后再对直接转矩控制系统的各部分模块作了理论的描述和分析，说明了设计的理论依据。

第3章利用 Matlab软件的Simulink模块对直接转矩控制系统进行仿真，针对直接转矩控制系统的各个组成环节分别建立仿真模型，构建直接转矩控制系统。

第4章对仿真的结果进行分析，并对所搭建的直接转矩控制系统进行简单评价。

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第2章 直接转矩控制系统理论

2.1概述

自从70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制方法，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全控制。它的提出具有跨时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难于准确观测、系统特性受电动机参数的影响较大以及在模拟直流电动机过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。直接转矩控制针对电动机的核心变量作直接控制。

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差s的正负符号和电磁转矩偏差Te的正负符号，再依据当前定子磁链矢量s所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。根据直接转矩控制系统原理搭建的MATLAB模型如图2.1所示。

图2.1 MATLAB中搭建的直接转矩控制系统仿真模型

接下来，本章将从异步电动机的数学模型入手，阐述直接转矩控制系统的基本原理，对系统各部分的结构设计进行介绍和分析。

2.2 异步电动机的数学模型

交流异步电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强耦合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论交流异步电机的数学模型

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前假设电机有如下特性:

(l)电动机三相定、转子绕组完全对称。 (2)电动机定、转子表面光滑，无齿槽效应。 (3)电动机气隙磁动势在空间正弦分布。 (4)铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。

在满足上述理想电动机假设条件下，经推导可得异步电动机在静止坐标系下的数学模型。对于分析直接转矩控制系统，采用空间矢量的数学分析方法，以定子磁链定向，建立在静止正交定子坐标系上，图2.2是异步电动机的等效电路。

isRsirussLRJRi图2.2电动机空间矢量等效电路图

图2.2中各变量的意义如下：

—电角速度（机械角速度与极对数的积） US—定子电压空间矢量

is、ir—定子、转子电流空间矢量

s、r—定子、转子磁链空间矢量

Rs、L—单相定子电阻、电感 Rr—折算到定子侧的单相转子电阻 L—单相转子漏感与定子漏感之和

由图2.2可以得出定子电压方程转子电压方程：

USRsisdsdt （2-1）

0Rrir 而定子磁链与转子磁链：

drjr （2-2） dtsLSisLmir （2-3）

rLrirLmis （2-4）

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转矩方程：消去电压方程和磁链方程中的is和ir，r可以得到以定子磁链s、为状态变量的异步电动机的状态方程。

RsRsLmdsLSLrLSLrs1 （2-5）USRr0drRRLmjrrLrLSLr

2Lm （2-6）其中电机漏感系数1LSLr电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式:

Te3PLmsr3PLm|s||r|sin （2-7）

2LsLr2LsLr

此外电磁转矩还可以表示成定子磁链和定子电流形式：

式2-7中，为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。

Te3P(sissis) （2-8）

2J(d/dt)运动方程： TeTL （2-9） rPn在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机，而转子

磁链幅值由负载决定。当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒定不变时，只要改变它们两者之间的夹角就可以改变转矩，这实际上就是直接转矩控制之所以简单的根本所在。

2.3 逆变器的数学模型与电压空间矢量

逆变器如图2.3所示，每一组的上下两个开关器件的状态相反，这样逆变器共有8种开关状态组合。逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同时导通，一个处于开通的状态另一个必须处于断开的状态，两者处于开关互逆状态。

V1V3V5EUaUbUcMEV2V4V6 图2.3电压型逆变器原理图

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由于同一相上下桥臂的两个开关器件一个导通，则另一个关断，所以三组开关器件有八种可能的开关组合。分别用Sa、Sb、Sc来表示三相上桥臂的开关状态，以a相为例，当a相上桥臂导通时，记作Sa=1，当a相上桥臂关断时，记作Sa=0。这样八种可能的开关状态如表2.1所示：

表2.1 逆变器的开关状态 状态 Sa Sb Sc 0 0 0 0 1 0 1 0 2 0 1 1 3 0 0 1 4 1 0 1 5 1 0 0 6 1 1 0 7 1 1 1 八种可能的开关状态可以分成两类：一类是六种所谓的工作状态，即如上表中的状态“1”到“6”，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，即表中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。对于逆变器的八种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出七种不同的电压状态。这七种不同的电压状态也分成两类：一类是六种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”，分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“0”和“7”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态。

逆变器输出电压状态的空间矢量的数学表达式为：

ua1E(2sss) （2-10）

3u1E(2sss) （2-11）

3u1E(2sss) （2-12）

3cabbbacccab把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间的概念。在这里我们引入Park矢量变换，选三相定子坐标系中的a轴和Park矢量复平面正交的实轴重合，则其三相物理量Ua、Ub、Uc的Park矢量us(t)为：

j2j42（2-13） us(t)uaube3uce3

3从而我们可以得到逆变器的7个电压状态，(000和111为零状态)六个为有效电

2udc压矢量，幅值均为，相邻矢量相差60度，把整个平面均匀的划分成六个扇

3区如图2.4所示。

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bUS(010)US(110)43US(011)20001115US(100)16US(001)US(101)

图2.4电压空间矢量在坐标系里的离散位置

2.4直接转矩控制系统的组成

直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。直接转矩控制系统的典型框图如图2.5所示。

s*磁链滞环FFT开关逆变器*r速度PI*调节器Te转矩滞环状态选择N扇区判断sTeri,i磁链观测u,ub3/2相坐标变换ia,ib,icu,ub,uc转矩计算速度检测（速度传感器）M 图2.5直接转矩控制系统的典型框图

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图2.5为典型的直接转矩控制系统框图，整个系统是一个磁链转矩双闭环系

*统。速度给定r与电机的速度观测值r进行比较后经过一个PI调节器输出转

*。另一方面系统检测三相定子电流和电压，经坐标变换转化到静矩给定信号Te止坐标系，由此计算电机的电磁转矩Te、磁链幅值e和磁链所在的扇区N。

磁链和转矩的给定和反馈信号送入转矩和磁通比较器，其差值经控制器输出转矩和磁链控制信号。开关状态选择器根据不同的扇区、转矩和磁链控制信号确定下一个时刻逆变器的开关状态，从而确定电机的端电压，保证电机在定子磁通不变情况下转矩满足负载的要求。

从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几部分组成:

(l)磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;

(2)磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号;

(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩;

(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态Sabc来控制逆变器驱动电机稳定运行。

直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到坐标下的分量，再按照异步电机的

s，定子磁链和转矩模型计算出实际转矩Te和定子磁链s的两个分量s、

这样就可以计算出定子磁链幅值|s|和磁链位置|n|。将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩Te*。将给定转矩Te*和T送入转矩调节器，得到转矩控制信号Ft，磁链

*调节器根据给定子磁链幅值|s|和转子磁链幅值|s|的差值输出磁链控制信号

F。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号F、转矩控制信号Ft和磁链位置|n|，查逆变器开关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机

正确运行。

下面简要地分析一下这些基本组成部分。 (l)速度PI调节器单元

*由给定转速*和实际转速。偏差经过速度由图2.5可知，给定转矩TerrPI调节器得到。根据异步电动机运动方程

JdrTeTL可知电磁转矩与速度

pdt偏差之间是比例积分的关系。因此，通过速度调节器能获得理想中的转矩值，实现转速的闭环控制。而公式中的字母所代表的参数通常根据控制系统的实际情况进行整定。

(2)磁链和转矩滞环比较单元

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定子磁链计算采用较为简单的U-I模型，磁链与定子电压之间的关系为：

s(usisRS)dt （2-14）

由于定子电阻通常比较小，在分析时忽略钉子电阻压降的影响，则有：

susdt （2-15）

式(2-15)表明单位时间内的定子的电压矢量实际上就是磁链矢量的增量，定子电压的大小和方向决定了磁链轨迹的运行速度和方向。由此可知控制异步电机的输入电压矢量，就可以控制定子磁链的大小、旋转方向和速度。

2.5 磁链调节

磁链的调节通过磁链滞环比较器实现。滞环比较器如图2.6所示。磁链误差为

*|||，将误差进行滞环比较，当误差超过允许值就进行s|ss当

电压切换，使误差控制在滞环宽度内。调制规则为:

s时，

F1，此时选择电压矢量使|s|增加;当

s时F0，此时选择择电压矢量使得|s|减小;当|s|时，F不变，此时电压矢量不变。

*|s||s|0F

图2.6磁链滞环调节器

为了检测定子磁链的位置，将坐标系分为六个区域：

(2n3)(n)(2n1) （2-16）

66其中N=1,2,3,4,5,6，每个区域占角度，定子磁链s在第n区域，我们就3称其在n区域。转矩调节器的结构与磁链调节器的结构一样，也采用滞环比较器

2T为转矩滞环范围。 输入量为转矩给定值Te*及转矩观测值Te，输出量为FT，

2.6 转矩调节

转矩调节器的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节器必须具备两个功能:(l)转矩调节器直接调节转矩;(2)在调节转矩的同时，控制定子

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磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。通过电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电机转矩的目的，用定转子磁链矢量积来表达异步电机的电磁转矩。

在实际运行中要确保要保证定子磁链矢量的幅值为定值，使电动机的铁芯得到充分的利用；转子磁链矢量的幅值由电动机带动的负载决定。可以通过改变磁通角

(t)的大小来改变电动机转矩的大小。通过加载有效空间电压矢量，改变

空间电压矢量，使空间电压矢量的幅值更合理，定子磁链的转速大于转子磁链转速的大小使磁通角增大，从而增加转矩；加载零电压矢量，控制定子磁链停止运行使磁通角变小，从而使转矩减小。

转矩调节器的控制规律为， s逆时针旋转时：

*TT时，则F若Tee*T0时，则F若Teett1；

0；

s顺时针旋转时：

*TT时，则F1; 若TeeT*T0时，则F0； 若TeeT若T*TT时，则F保持不变。 若0Teet*T0时，则F保持不变 TeeTTeTe*T1FT01T

图2.7转矩滞环调节器

2.7 空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响

2.7.1 空间电压矢量对定子磁链的影响

与磁链运动轨迹成-60度和-120度的两种空间电压矢量的电压状态可以让定

子磁链的幅值增大，我们称在这两种电压状态的电压为定子磁链电压。图2.8为圆形磁链运动轨迹调节过程示意图。定子磁链处于第一扇区，假设运动至A点，则有s

，此时，磁链滞环比较器输出信号为F,输出电压矢量应使

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|s|增加。综合考虑转矩滞环比较器输出，如果需要s作逆时针旋转时，可选择电压矢量U3或U4；如果需要s作顺时针旋转，可选择电压矢量U2。同理，对于B点有s，磁链滞环比较器输出信号F=l，此时应选择电

压矢量使|s|减小。如果需要要

s作顺时针旋转时，可选择电压矢量U6或U1。因此，磁链调节使得定子磁

s作逆时针旋转时，可选择电压矢量U5;如果需

链空间矢量在旋转的过程中，其幅值始终在系统允许的波动范围之内变化。

将异步电机的定子磁链方程式离散化得: s(n)=s(n1)usn(T1)S (2-17)

式中，电动机的定子磁链与电压矢量的关系如图2.9所示。,TS为采样周期，可以看出:如对异步电动机施加工作状态的电压矢量，则定子磁链的运动方向和幅值都将发生变化;施加零电压矢量的时候，则定子磁链就会相应的停止运动。因此直接转矩控制就是让工作电压矢量和零电压矢量交替作用，这样就可以控制定子磁链走走停停，实现了对磁链的相位和幅值的控制。

100S3U5110U4S2101U3S4010010S1U2U6S5011S6U1

图2.8圆形磁链运动轨迹调节过程示意图

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s(n)us(n1)TSus(n1)图2.9定子磁链与电压矢量的关系示意图

在定子电压压降比起us(t)足够小的前提下，至此可以得到以下结论: (l)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角于90度的时候，作用的结果使磁链幅值增加。

(2)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角于90度的时候，作用的结果使磁链幅值减小。

(3)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角

的绝对值小的绝对值大的绝对值等

于90度或施加零电压矢量的时候，作用的结果使磁链幅值基本保持不变。

2.7.2空间电压矢量对电磁转矩的影响

从前面的分析可知，转矩对转速起决定性的影响作用，转矩控制性能的好坏直接关系到直接转矩控制系统的动、静态特性能。

电磁转矩表达式为：

LTe3Pm（sr-sr）2LsLr （2-18）

3Lm||||sin =P2LsLrsr电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的幅值以及它们之间的夹角（磁通角)决定。 （t）可以写成：

Te3Psis （2-19）

2对式2-19两边进去微分计算，再乘以L，可得以下式子：

LdTeP(ruS)PsrRmTe (2-20)

dt式中

LLrRmRssRr (2-21)

LmLm13

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将

rs代入式可得

因此，单纯从数学式(2-22)上来看，可以得到以下结论：

(l)当施加超前于当前定子磁通的电压矢量，使得

LdTeP(ruS)PssRmTe (2-22）

dtdTe0时，转矩增加。 dtdTe0时，转矩减小。

(2)当施加落后于当前定子磁通的电压矢量，使得

dt在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心；转子磁链的幅值由负载决定，要改变电动机的转矩大小，可通过改变磁通角的（t）大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量u(t)来控制定子磁链的旋转速度，达到控制定子磁链的目的，从而控制改变定子磁链的平均旋转速度s的大小，从而改变磁通角的大小，达到控制电（t）动机转矩的目的，如图2.10所示。

Ss(t2)uS(010)s(t1)（t2）（t）1r(t2)r(t1)

图2.10电压空间矢量对电机转矩的影响

2.10所示。从t1时刻考察到t2时刻，若此时给出的定子电压空间矢量

t1时刻的定子磁链s(t1)和转子磁链r(t1)及磁通角(t1)的位置如图

us(t)us(010)，则定子磁链空间矢量由s(t1)的位置旋转到us(t2)的位置。

转子磁链的位置变化实际上不受该期间定子频率的平均值的影响。因此从t1时刻到t2时刻这段时间里，定子磁链的旋转速度要大于转子磁链旋转的速度，磁通角由(t1)变大为(t2)，相应的转矩也会增大。

矢量，则定子磁链空间矢量的位置s(t1)保持静止不动，而转子磁链空间矢量却

若从t1时刻考察到t2时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为零电压空间

继续以定子频率的平均速度旋转，从而磁通角将减小，转矩因磁通角的减小变小。因此，通过合理控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均速度的大小。直接转矩控制通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。

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第3章 直接转矩控制系统的MATLAB仿真

3.1异步电机及PWM控制模块仿真

异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。在本次仿真的设计中，为了减少设计时间，异步电机的模块直接在库中选择。异步电机的选取如图3.1所示。

图3.1异步电机仿真模块

异步电机的参数设置如图3.2所示。

图3.2异步电机参数设置

PWM控制模块即逆变器模块，这里根据书本的要求选取一个模块来实现。通过它的8种可能的开关组合。来控制异步电机的运行。逆变器模块的选取以及参数的设置如图3.3和3.4所示。

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图3.3逆变器模块选取

图3.4逆变器参数设置

3.2三相-两相变换（3/2变换）

在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2 变换。这里需要将电压和电流进行3/2变换。3/2变换的模块如图3.5和3.6所示。

在模块内部的设置如图3.7和3.8所示。

图3.5电压3/2变换 图3.6电流3/2变换

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图3.7电压3/2变换设置

图3.8电流3/2变换设置

3.3转速调节器（ASR）

转速调节器调节的目的是为了是转速等于给定值，实际上它是通过调节电流转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响最后达到平衡，但是这种调节只有在转速发生变化后才起作用，为了改善动态性能，可以采用转矩控制方式，常用的转矩控制方式有两种：转矩闭环控制和在转速调节器的输出增加除法环节。ASR的设置如图3.9所示。

图3.9转速调节器ASR的设置

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3.4定子磁链的计算和转矩计算模块

根据直接转矩控制系统的原理结构，定子磁链的计算模块需要将电压电流经过3/2变换后的信号转换为磁链。再经过转矩计算模块得到一个转矩与给定转矩进行比较。模块的设置如图3.10所示。

图3.10计算模块的设置

3.5空间电压矢量的选择模块

直接转矩控制是电机的量经过转化，转化为变频器需要的量。其中的转化是直接转矩控制，然后把最终量给变频器。在转换的过程中就要考虑到扇区的选择和空间电压矢量的选择。这里的选择方法采用了老师上课时讲到的方法。具体的模块如图3.11所示。

图3.11选择模块的设置

在模块的内部，对所采集到的信号进行了相关处理，最后生成一个控制信号给逆变器，达到控制异步电机的目的。模块内部的设置如图3.所示。

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图3.12选择模块内部的设置

图3.13扇区的选择

图3.14空间电压矢量的选择

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第4章 仿真结果及分析

根据第3章的仿真模块以及设置，运行的仿真结果如下图所示。仿真电机参数如下:额定功率为15KW，额定电压为400V，额定转速为1460r/min频率为工频50赫兹，取摩擦系数为0。

系统给定值如下:刚开始让异步电机运行到额定转速1460r/min，在0.6s时改变其转速变为1250r/min。

图4.1磁链结果

图4.2转速结果

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图4.3三相定子电流

图4.4转矩Te

在转矩计算模块后得出的转矩Te1也用一个示波器进行了测量，结果如图4.5所示。

图4.5转矩Te1

根据仿真的结果图显示，所得的结果比较理想，但是在0.6s时PI调节器还存在部分问题。这是后续需要改进的地方。

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致谢

本次课程是关于异步电动机直接转矩控制的MATLAB仿真，首先了解了电机的模型，还有原理图，这些都是我从书上找，网上查询资料。针对直接控制需要用到的理论知识，各个击破。熟悉其工作原理，并进行了相应的公式推导，最终在MATLAB中搭建模型，当然在这整个过程中遇到很多的问题，请教老师和同学们之后才得到解决，最终完成本次课题设计。

通过本次现代电力传动课程设计，提高了自己对理论知识的理解，而且锻炼了自己对所学知识的实际运用能力和我们的团队合作能力。这次课程设计也培养了我对团队任务的合理分配的能力，以及在整个过程中的协作能力。这对我以后的发展来说也是不小的财富。然而，单一的学好理论知识相当于纸上谈兵，学以致用才是学习的目的。最重要的是让我知道了如何把课本中复杂抽象的模型和公式用于实际的工程实践当中。让我更加深刻的认识到学以致用的重要性。

当然在本次课程设计中也遇到了许多问题，感谢帮助过我的老师和同学，实验室的师兄师姐。另外，通过本次课题的设计，是我让我又熟悉了一款新的软件MATLAB，虽然自己用的不是很熟练，但也为以后的工作和学习打下了坚实的基础。

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参考文献

[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统(第4版)．机械工业出版社．2004． [2]邱阿瑞.现代电力传动与控制.电子工业出版社.2004

[3]汤天浩.电力传动控制系统：运动控制系统.机械工业出版社.2010 [4]柴肇基.电力传动与调速系统.北京航空航天大学出版社.1992 [5] 张德丰.MATLAB控制系统设计与仿真.电子工业出版社.2009 [6]陈伯时.电力电子与电力传动自动化.机械工业出版社.2008

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