【正文】 the direct torque control system based on SimulinkP S function is deduced in the static? ?reference frame ,and the modules of the simulation model are introduced in detail . The dynamic simulating model of Direct Self Control of Inductioon Motor is founded in this the simulation research about hexagon flux trace and ring flux trace to DSCsystem,the result shows that the Simulation Model is a effective tool to the study of DSC system. Key words:direct selfcontrol。 MATLAB/SIMULINK。simulation 22 model 1 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，是 20世紀(jì) 80年代由德國魯爾大學(xué)的 Depenbrock教授和日本學(xué)者 Takahashi提出的。它用空間矢量分析方法，在二相靜止坐標(biāo)系下計算、控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生 PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài) 性能。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)自誕生起就以其新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的注意和得到迅速的發(fā)展。 直接轉(zhuǎn)矩控制 （ DTC） 是在空間矢量調(diào)速理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型交流電動機(jī)調(diào)速策略 ， 其基本思想是根據(jù)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求 ， 直接選擇合適的定子電壓空間矢量 ， 實現(xiàn)交流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng) 。 由于直接在定子兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ，將定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩作為被控制量 ， 根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩以及給定定子磁鏈與實 際定子磁鏈的偏差來直接選擇電壓矢量 ,從而避免了矢量控制中許多復(fù)雜的矢量變換計算 。 所以直接轉(zhuǎn)矩控制策略具有控制方式簡單 、 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 、 便于實現(xiàn)全數(shù)字化等優(yōu)點 。 直接轉(zhuǎn)矩控制在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟 ， 但在永磁同步電動機(jī) （ PMSM） 伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究相對滯后。由于永磁同步電動機(jī)具有體積小 、 重量輕 、 運行可靠 、 功率密度高等諸多優(yōu)點 ， 將DTC控制策略應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制中 ， 以提高電機(jī)的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng) ， 成為研究者關(guān)注的課題 究的熱點課題。 Matlab Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模 、仿真和分析的可視化軟件包，用戶利用該軟件包可以迅速建立起各種連續(xù)、離散或者混合的線性和非線性系統(tǒng)，可以在仿真過程中方便直觀地觀測系統(tǒng)各處的動態(tài)變化，方便地對結(jié)果進(jìn)行分析。 Simulink 包含許多的模塊庫，利用這個仿真軟件，使得研究人員不必再將大量的精力用于編寫程序，用戶只需要利用鼠標(biāo)點擊、拖動所需的模塊進(jìn)行操作?？傊?，利用 Simulink 軟件來建模仿真是非常方便的。 23 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的 簡介 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 直接轉(zhuǎn)矩 控制的核心思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、 轉(zhuǎn)矩的綜合控制。通過檢測電機(jī) 定子電壓和電流 ,利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法 ,直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ,計算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器 (Β andΒ and 控制 ) ,把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給 定值作比較 ,使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制 ,并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號 ,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制 ,以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 為了獲得高精度的速度控制，定子磁鏈軌跡就希望被控制成圓形。于是，日本學(xué)者提出了圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即控制定子磁鏈?zhǔn)?量沿著近似圓形的軌跡運動。 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場定向，借助于離散的二點式調(diào)節(jié) (Band 一 Band控制 )產(chǎn)生 PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。與空 間矢量控制相比，其主要優(yōu)點在于它摒棄了空間矢量控制 思想，直接對電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，并用定子磁鏈的定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向。避開了電機(jī)中不易確定的參數(shù) (轉(zhuǎn)子電阻 ):因定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量的定子電阻有關(guān)，所以使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電機(jī)參數(shù)變化的影響也更小。此外，直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接輸出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差來確定電壓矢量，與以前的調(diào)速理論相比，它具有控制直接、計算過程十分簡化的優(yōu)點。 這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，但是卻引起了電流和轉(zhuǎn)矩的脈動，低速性能差，調(diào)速范圍受到限制。 研究的主要內(nèi)容 目前在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中實際效果較 好的主要為磁場定向控制系統(tǒng)（矢量控制系統(tǒng)）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。本文在閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上， 對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和一些實驗研究，在定子磁鏈的觀測、低速性能的改 24 善方面都有一定的改進(jìn)和提高，內(nèi)容如下 。 (1) 對直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行了深入研究，充分總結(jié)了前人對該控制理論所提出的各種優(yōu)化措施及方案。 (2) 敘述了直接轉(zhuǎn)矩控制的原理，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。 討論了幾種定子磁鏈模型及其優(yōu)缺點。最后介紹了用于本文所研究的直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方案，并通過仿真實驗驗證方案的有效性。 (3) 利用現(xiàn)有條件結(jié)合硬軟件系統(tǒng)合理搭建實驗平臺，完成系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析。 直接轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)是定子磁鏈 定向控制，是一種特殊的定子磁鏈定向控制，采用此方案有以下優(yōu)點： (1) 控制算法較為簡單，可以直接在靜止坐標(biāo)系上進(jìn)行矢量分解運算，摒棄了復(fù)雜的矢量變換與計算，大大減少矢量控制的性能易受參數(shù)變化影響的問題，魯棒性好。 (2) 可較為方便的對定子磁鏈的幅值和形狀加以控制，并且能對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，使系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍具有快速的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，是 DTC 最突出的優(yōu)點。 (3) 定子磁鏈?zhǔn)噶俊⒍ㄗ与妷菏噶亢烷_關(guān)狀態(tài)關(guān)系一一對應(yīng)，系統(tǒng)特別適合利用 DSP 實現(xiàn)全數(shù)字化。 3 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 及方案 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理 25 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖 直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)原理如圖 31 所示 ,它由逆變器、 磁鏈估算、 轉(zhuǎn)矩估算、 磁鏈位置估算、 開關(guān)表和調(diào)節(jié)器等部分組成。其工作過程如下 :首先由檢測單元檢測出電機(jī)定子電流和電壓值、實際轉(zhuǎn)速ω。輸入到感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊計算出 Ψ ?、 Ψ ?和轉(zhuǎn)矩實際值 Te。 Ψ?和Ψ?通過磁鏈計算單元 ,得到了定子磁鏈Ψ s的幅值 |Ψ s| 和所在區(qū)間信號 SN。 磁鏈模型 ? ?dtiRu sSss ? ? ??????? ＝ 轉(zhuǎn)矩模型 ? ????? ?? sssspe iinT ?? 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想 任何電動機(jī)，無論是直流電動機(jī)還是交流電動機(jī)，都由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子產(chǎn)生定子磁勢矢量 Fs，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢矢量 Fr，二者合成得到合成磁勢矢量 FΣ 。 FΣ 產(chǎn)生磁鏈?zhǔn)噶? Ψ m。由電機(jī)統(tǒng)一理論可知，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由這些磁勢矢量的相互作用產(chǎn)生的，即等與他們中任何兩個矢量的矢量積。 Tei = Cm(Fs ╳ Fr) = Cm Fs Frsin ∠ (Fs， Fr) = Cm(Fs ╳ FΣ ) = Cm Fs FΣ sin ∠ (Fs， FΣ ) = Cm(Fr ╳ FΣ ) = Cm Fr FΣ sin ∠ (Fr， FΣ ) （ ） 式中， Fs、 Fr、 FΣ 分別為矢量 Fs、 Fr、 FΣ 的模；∠（ Fs、 Fr） 、∠（ Fs、FΣ ） 、∠（ Fr、 FΣ ）分別是矢量 Fs 和 Fr、 Fs 和 FΣ 、 Fr 和 FΣ 之間的夾角。 異步電動機(jī)的 Fs， Fr， FΣ （Ψ m）在空間以同步角速度 ω s 旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止。因此，可以通過控制兩磁勢矢量的幅值和兩磁勢矢量之間的夾角來控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。但是，由于這些矢量在異步電動機(jī)定子軸系中的各個分量都是交 流量，故難以計算和控制。 在矢量變換控制系統(tǒng)中是借助于矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（定子靜止坐標(biāo)系→空間 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）把交流量轉(zhuǎn)化為直流控制量，然后再經(jīng)過相反矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（空 26 間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系→定子靜止坐標(biāo)系）把直流控制量變?yōu)槎ㄗ虞S系中可實現(xiàn)的交流控制量。顯然，矢量變換控制系統(tǒng)雖然可以獲得高性能的調(diào)速特性，但是往復(fù)的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換及其他變化大大增加了計算工作量和系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且由于異步電動機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)是采用轉(zhuǎn)子磁場定向方式，設(shè)定的磁場定向軸易受電機(jī)參數(shù)變化的影響，因此異步電動機(jī)矢量變換系統(tǒng)的魯棒性較差，當(dāng)采取參 數(shù)自適應(yīng)控制策略時，有進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和計算工作量。 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DSC）系統(tǒng)不需要往復(fù)的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，直接在定子坐 標(biāo)系上用交流量計算轉(zhuǎn)矩的控制量。 由式（ ）知道，轉(zhuǎn)矩等于磁勢矢量 Fs 和 FΣ 的矢量積，而 Fs 比例于定子電流矢量 is， FΣ 比例于磁鏈?zhǔn)噶? Ψ m，因而可以知曉轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量 is 及磁鏈?zhǔn)噶喀?m的模值大小和二者之間的夾角有關(guān)，并且電子電流矢量 is 的模值可直接檢測得到，磁鏈?zhǔn)噶喀?m的模值可從電機(jī)的磁鏈模型中獲得。在異步電動機(jī)定子坐標(biāo)系中求的轉(zhuǎn)矩的控制量后，根據(jù) 閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成原則，設(shè)置轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得與矢量變換控制系統(tǒng)相接近的靜、動態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)。 異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型 異步電動機(jī)各量的空間矢量關(guān)系如圖 32 所示。并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在?軸上的投影稱為?分量，在正交的?軸上的投影稱為?分量。 27 圖 32 異步電動機(jī)各量空間矢量圖 圖中： is(t)為定子電流空間矢量； ir(t)為轉(zhuǎn)子電流空間矢量； Ψ s(t)為定子磁鏈空間矢量； Ψ r(t)為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；ω為電角速度（機(jī)械角速度和極對數(shù)的積）； Lm 為互感； Lσ s 為定子 漏感； Ls 為定子全電感； Lr為轉(zhuǎn)子電感 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機(jī)在定子坐標(biāo)系上由下列方程式表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈： 定子磁鏈 ? ? rmssmmss iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii 轉(zhuǎn)子磁鏈 ? ? smrsmrmr iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii （ ） 氣隙磁鏈 rs ii mmm LL ＋＝? 不同與矢量變換控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制方法是以定子磁鏈?zhǔn)噶繛榛鶞?zhǔn)，并維持其幅值為恒定，為此中的第二式計算異步電動機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩 Tei。 Tei = Cm(Fs ╳ FΣ) = Cm Fs FΣsin ∠ (Fs， FΣ) = KmΨm is sin∠ （ Ψm， is） 由于 Ψm sin∠ （ Ψm， is） =Ψssin∠ （ Ψs， is） ，所以 Tei = KmΨsissin∠ （ Ψs， is） （ ） 式中， Km 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 把 Ψ s 和 is 置于定子正交坐標(biāo)系? ? 中，如圖 33 所示，得到 sin∠ （ Ψs， is） = sin（ θ1－ θ2） = sinθ1cosθ2－ cosθ1sinθ2 從而在定子坐標(biāo)系中，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型可以表達(dá)為 Tei = Km（ Ψsαisα－ Ψsβisβ） （ ） 式中， is? 、 is? 、 Ψ s? 、 Ψ s? 分別是 is、 Ψ s 在 αβ軸系上的分量。需要明確的是