DO I :10.13800/j .cnki .xakjdxxb.2010.02.021 第 30卷　第 2期 西 安 科 技 大 学 学 报 2010年 3月 JOURNALOFXI′ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY Vol.30　No.2 Mar.2010 　　文章编号:1672 -9315(2010)02 -0227-05 直接转矩控制的磁链控制方法仿真与分析 ＊ 蔡文皓 , 刘 　庚 , 程 　红 , 蔡明威 (西安科技大学 电气与控制工程学院, 陕西 西安 710054) 摘 　要 :以异步电动机直接转矩控制基本原理为基础, 利用 Matlab/Simulink搭建 2种磁链控制方 法 :六边形磁链控制方法和近似圆形磁链控制方法的仿真模型。 通过改变转速给定值, 得出在不 同给定条件下的仿真结果 , 并对其结果加以分析。 通过 2种方法的对比 , 给出在全速范围内 2种 控制方法实现平滑切换的仿真模型 。仿真结果验证了 2种控制方法平滑切换的可行性 , 对直接转 矩控制技术应用于工程技术等方面有一定的实用价值。 关键词 :直接转矩控制;六边形磁链 ;圆形磁链;Simulink 中图分类号 :TM 343　　　文献标志码:A 0　引 　言 直接转矩控制技术(DirectTorqueControl-DTC)是继矢量变换控制技术之后发展起来的一种新型异步 电动机变频调速技术 。矢量控制采用的是转子磁链定向, 其磁链检测受转子参数的影响较大, 在一定程 度上影响了系统的性能;而直接转矩控制所采用的定子磁链定向, 只需知道的电机参数是易于确定的定 子电阻 。因此, 相对矢量控制来说, 直接转矩控制在很大程度上减少了矢量控制中性能易受参数变化影 响的问题。 与此同时 , 直接转矩控制与矢量控制不同 , 它是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学 模型, 控制电动机的磁链和转矩 [ 1] 。 在直接转矩控制系统中, 当转速较高时, 采用六边形磁链控制方法可以大大减小逆变器的开关频率 , 从而减小器件开关损耗;当电机转速较低时, 定子电阻上的压降相对高速时对磁链的影响较大 , 导致磁链 轨迹和电流发生畸变 , 影响其低速性能 。为此在某一区段采用多种电压矢量进行控制, 使磁链轨迹近似 圆形, 从而减小磁链和电流的畸变。 因此为实现全速范围调速需要综合考虑高速和低速范围的磁链和转 矩控制性能 。通常在高速时采用六边形磁链控制方法 , 而在低速范围内采用近似圆形磁链控制方法 。将 2种模型相结合 , 通过对电机转速进行判断, 实现 2种控制方法的平滑切换 , 会取得良好的动态性能指 [ 2] 。 标 1　直接转矩控制系统的仿真 1.1　六边形磁链控制系统的仿真 图 1所示为六边形磁链控制系统仿真图 。 由图 1可知 , 定子三相电压与电流经过坐标变换后 , 由式 ψsα, β = ∫(usα, β -isα, β Rs)dt. (1)计算得出 再对 ψsα, ψsβ 进行 2/3坐标变换得到 ψβ a, ψβb, ψβc, 将根据式(6)求得磁链幅值 ψs与磁链给定值 ψ＊ s比较, 得 到相应的控制信号 ψQ.图中 T＊ 与实际转速 n的偏差经转速调节器 ASR后得到 , 并与 Te进 行比较 。经转矩滞环比较器得到控制信号 TQ.区间判断控制信号 SN由 S函数编写得出, 即图 1中的 “区间 判断”模块。控制信号 ψQ, TQ, SN经“开关表 ”“脉冲发生”两模块(两模块也均由 S函数编写 )最终得到触 e由给定转速 n＊ ＊ 收稿日期 :2009-05 -19 通迅作者 :蔡文皓(1957 -), 男 , 江苏盐城人 , 副教授 , 主要从事自动化专业的教学和科研工作 . 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

228 　　　　　西 安 科 技 大 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　 2010年　　 发逆变器的开关信号 , 从而实现了六边形磁链控制方案 [ 3, 4] 。 图 1　 六边形磁链控制系统仿真图 Fig.1　Simulationofhexagonfluxlinkagecontrolsysterm 图 1中“计算模块” 中包括电压、电流的 3/2变换, 磁链分量 ψα和 ψβ , 转矩 Te的计算, 以及 ψsα, ψsβ 与 β磁链分量 ψβa, ψβb, ψβc之间的变换。β磁链分量 ψβa, ψβb, ψβc可由下式变换得到。 ψβa=ψsβ , ψβb=- 3 2 ψsα -1 2 ψsβ , ψβc= 3 2 ψsα -1 2 ψsβ . 对于六边形磁链 , 磁链量由 ψβa, ψβb, ψβc来构成。 由于 3个 β磁链分量对称, 即 ψβa(t)+ψβb(t)+ψβc(t)=0, ψs =0.5( ψβa + ψβb + ψβc ). 定子磁链的幅值为 式中　 ψs 为定子磁链幅值 ; ψβa , ψβb , ψβc 为定子磁链各 β分量的幅值 。 (5) (6) 采用的电机参数 :额定功率 PN =3.73 kW, 额定电压 UN =380 V, 定子电阻 Rs=1.115 Ψ, 转子电阻 Rr =1.083 Ψ, 互感 Lm =0.203 7 H, 定子(转子)电感 Ls=Lr=0.209 6 H, 机械转动惯量 J=0.02 kg· m2 , 极 对数 p=2. 图 2是采用六边形磁链控制方法的仿真结果。 其负载转矩 TL=20 N· m.给定转速发生阶跃性变化 , 先从 1 200 r/min降为 100 r/min, 然后再上升为 600 r/min, 记为:n＊ =[ 1 200 -100 -600] r/min. 由图 2(a)可以看到, 在电机启动阶段 , 由于转速比较低, 磁链轨迹发生了畸变 。这是因为低速时定子 电阻压降对磁链影响较大 。当电机转速升高时, 定子磁链轨迹为近似六边形。 当转速突变到 100 r/min 时 , 定子磁链也随之发生变化, 偏离了原正六边形轨迹。 从图 2(b)中可以看到, 定子电流波形中存在很多 谐波分量。 由图 2(c)(d)可以看到, 转矩和转速响应较快, 而且稳态性能较好。 图 2　负载 转矩 TL=20 N· m, 给定转速发生阶跃变化 n＊ =[ 1 200 -100 -600] r/min Fig.2　LoadtorqueTL=20 N· m, givenspeedn＊ =[ 1 200 -100 -600] r/min (a)定子磁链轨迹　(b)定子电流 ia曲线 　(c)转矩响应曲线 　(d)转速响应曲线 图 3是低速时采用六边形磁链控制方法的仿真结果 。给定转速 n＊ =100 r/min, TL =20 N· m.从图 3 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

　　　　　　 第 2期 蔡文皓等:直接转矩控制的磁链控制方法仿真与分析 229 (a)中可以看到 , 低速时 , 磁链轨迹畸变严重 , 由于定子电阻压降的影响, 定子磁链空间矢量的顶点发生了 偏离。 从图 3(b)中可以看到, 定子电流畸变比较厉害。 这是由于定子磁链的畸变导致了定子电流也相应 地发生较大的畸变。 因此 , 一般在低速范围不宜采用六边形磁链控制方法, 而采用近似圆形磁链控制方 法 。 图 3　给定转速 n＊ =100 r/min, 负载转矩 TL=20 N· m Fig.3　Givenspeedn＊ =100 r/min, loadtorqueTL=20 N· m (a)定子磁链轨迹 　(b)定子电流 ia曲线 　(c)转矩响应曲线 　(d)转速响应曲线 六边形磁链控制方法简单 , 功率器件的开关次数少 , 器件的损耗小 , 但电流谐波大, 转矩脉动大, 噪声 大 , 难以适合高性能交流传动的需要 。因此, 这种方案一般只有在大功率电机高速运转时采用 , 其他情况 一般不予采用 1.2　近似圆形磁链控制系统仿真 [ 5] 。 近似圆形磁链轨迹控制系统的局部仿真图如图 4所示 , 与六边形磁链轨迹控制系统仿真图 1相似, 只 是磁链幅值的算法不同。 近似圆形磁链控制的磁链幅值由式 (7)计算得出。 ψs = (ψsα)2 +(ψsβ )2 . 采用近似圆形控制系统的仿真结果如下。 图 5是 TL =20 N· m, 给定转速发生阶跃变化 [ 1 200 -100 -600] r/min时的仿真结果。 从图 5(a)中 可以看出, 定子磁链近似圆形, 定子电流波形也接近正弦波 。当给定转速突然发生阶跃时, 电机转速响应 比较快 , 说明其动态性能较好。 当转速变低时 , 即转速变为 100 r/min时 , 定子电流波形仍然接近正弦波 , 电流谐波分量小 。 图 6是 低速 下 的仿 真结 果, 给定 转速 为 100 r/min, TL =20 N· m.由图 6可以看出, 低 速时, 与六边形磁链控制方式 (图 3)相比 , 定 子磁链基本没发生畸变 , 定子电流畸变 较小, 转矩脉动小 , 且谐波分量也少。 近似圆形磁链控 制是通过合理的 选择有 效空间电压矢量和零矢量使逆变器的 开关状 态以一定的规律变化, 获得近似圆形的磁链轨 迹 , 因此控制 相对于 六边 形磁 链控 制较 为复 杂 。由于开关状态多 , 开关频率高, 器件的损耗也较大, 但电流畸变在近似圆形磁链控制中得到了很大改 善 。这种方法一般只在小功率场合使用。 2　全速范围内磁链控制系统的仿真 Fig.4　Partialsimulationofrotundityfluxlinkagecontrolsysterm 图 4　圆形磁链控制系统局部仿 真图 通过以上的分析可得 , 在电机转速较低时采用近似圆形磁链控制方法;转速较高时采用六边形磁链 控制方法。 将 2种磁链控制方法结合起来, 通过对电机转速进行滞环比较 , 实现了 2种控制方法的平滑切 换和全速范围内的调速要求。 仿真中的给定转速发生阶跃变化 [ 1 200 -200 -600] r/min, 对应时间分别为 [ 0 -0.5 -1.5s] , TL = 20 N· m.从图 7中可以看出, 当电机转速不低于 300 r/min时, 定子磁链以六边形磁链轨迹旋转;当转速 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

230 　　　　　西 安 科 技 大 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　 2010年　　 图 5　负载转矩 TL=20 N· m, 给定转速发生阶跃变化[ 1 200 -100 -600] r/min Fig.5　LoadtorqueTL=20 N· m, givenspeedn＊ =[ 1 200 -100 -600] r/min (a)定子磁链轨迹 　 (b)定子电流 ia曲线 　(c)转矩响应曲线 　(d)转速响应曲线 图 6　给定转速 100 r/min, 负载转矩 TL=20 N· m Fig.6　Givenspeedn＊ =100 r/min, loadtorqueTL=20 N· m (a)定子磁链轨迹　 (b)定子电流 ia曲线　(c)转矩响应曲线　(d)转速响应曲线 低于 300 r/min时, 近似圆形磁链控制起作用 , 定子磁链以近似圆形磁链轨迹旋转 。由图 7(b)可见定子 相电流波形在 0.5 ～ 1.0 s之间近似为较好的正弦波 。从图 7(c)(d)中可以看出 , 转矩和转速的跟随性较 好 。同时, 由于两种磁链控制模型采用同一速度调节器 , 因此对转矩和转速没有太大的影响。 图 7　负载转矩 TL=20 N· m, 给定转速发生阶跃变化[ 1 200 -200 -600] r/min Fig.7　LoadtorqueTL=20 N· m, givenspeedn＊ =[ 1 200 -200 -600] r/min (a)定子磁链轨迹 　(b)定子电流 ia曲线 　(c)转矩响应曲线 　(d)转速响应曲线 3　结 　论 通过以上的仿真可以得出 , 当转速较高时 , 采用六边形磁链控制方案 , 以大大减小逆变器的开关频 率 ;转速较低时, 定子压降对定子磁链 、定子电流的影响较大, 会产生磁链 、电流波形的畸变, 因此采用圆 形磁链控制方案 。将 2种模型完美的结合, 实现了 2种方案的切换 , 体现出了六边形磁链控制与圆形磁链 控制各自的优点 。全速范围内的仿真说明了 2种磁链模型平滑切换实现全速范围内调速的可行性, 为实 现实际系统提供了理论依据。 参考文献　　References [ 1] 　李　夙.异步电动机直接转矩控制[ M] .北京:机械工业出版社, 1999. LISu.Thedirecttorquecontrolofasynchronousmotors[ M] .Beijing:ChinaMachinePress, 1999. [ 2] 　李华德, 白　晶, 李志民 , 等.交流 调速控制系统[ M] .北京:电子工业出 版社, 2004. LIHua-de, BAIJing, LIZhi-min, etal.ACspeedmodulationcontrolsystem[ M] .Beijing:PublishingHouseofElectronics Industry, 2004. [ 3] 　崔江霞, 杨占社, 赵燕云 .感应电动机模型参考自适应辨识及其应用[ J] .西安科技大学学报, 2006, 26(2):263 -267. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

　　　　　　 第 2期 蔡文皓等:直接转矩控制的磁链控制方法仿真与分析 231 CUIJiang-xia, YANGZhan-she, ZHAOYan-yun.Modelreferenceadaptivecontrolofinductionmotoranditsapplicationindi- recttorquecontrolsystem[ J] .JournalofXi′anUniversityofScienceandTechnology, 2006, 26(2):263 -267. [ 4] 　洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB仿真 [ M] .北京:机械工业出版社, 2006. HONGNai-gang.Matlabcontrolofpowerelectronicsandpowerdrivecontrolsystem[ M] .Beijing:ChinaMachinePress, 2006. [ 5] 　王群京, 李　智.异步电 动机直接转矩控制的仿真分析[ J] .青岛大学学报(工程技术版), 2006, (4):54 -59. WANGQun-jing, LIZhi.Simulationandanalysisofthedirecttorquecontrolofasynchronousmotors[ J] .JournalofQingdao University(EngineeringEdition), 2006, (4):54 -59. Simulationandanalysisoffluxcontrol 　methodbydirecttorquecontrol CAIWen-hao, LIUGeng, CHENGHong, CAIMing-wei (CollegeofElectrical＆ ControlEngineering, Xi′anUniversityofScienceandTechnology, Xi′an710054, China) Abstract:Basedonthebasictheoryondirecttorquecontrol, bytheuseofMatlab/simulink, thesimula- tionmodelsforthetwomethodsofthedirecttorquecontrolsysterm, whicharehexagonandapproximate rotundityfluxlinkagecontrolmethods, weremade.Bythechangeofgivenspeed, simulationresultsin differentconditionaregainedandanalysed.Throughthecomparisonoftwomethods, thesmoothswitch modelinfullspeedbetweenthetwokindsofcontrolsumilationswasgiven, andthesimulationresults showthesmoothswitchbetweenthetwokindsofcontrolsumilationshasacertainpracticalvalueforthe directtorquecontrolinengineeringtechnology. Keywords:directtorquecontrol;hexagonfluxlinkage;rotundityfluxlinkage;simulink ＊ Correspondingauthor:CAIWen-hao, AssociateProfessor, Xi′an710054, P.R.China, Tel:0086-15829387520, E-mail:lgdyl1983@163.com (上接第 216页) 　StudyondiffusionkineticsforsynthesizingSiC＊ WANGXiao-gang, LIUXiang-chun, LIXiao-chi, FANZi-min, TIANXin-wei (CollegeofMaterialScienceandEngineering, Xi′anUniversityofScienceandTechnology, Xi′an710054, China) Abstract:ThekineticsofdiffusionforsynthesizingSiCwasstudied.Theeffectofpowersupplyprocess onmaterialdiffusiondynamicswasexplored.Andthendiscussingtheimportantimpactofpowersupply processontheenergyconsumptionlevelsandproductqualityfromthetheoryandexploringtherelation- shipbetweentherawmaterialparticlesizeandreactionkinetics.Withaviewtorealizethisindustryin Chinaareasonableenergyconsumptionlevel, high-qualityproductsandefficientproduction, fromthe fundamentalscienceandtechnologytoupgradetheindustrylevel, andenhancethecompetitivenessof productmarkets. Keywords:siliconcarbide;β -SiC;diffusiondynamics ＊ Correspondingauthor:WANGXiao-gang, Professor, Xi′an710054, P.R.China, Tel:0086 -13609202063, E-mail:xgwang56@hotmail.com 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net