机电装置运行的调控与模拟

 
      1 直 接 转 矩 控 制 又 称 为 直 接 自 调 整 控 制 ； 即 DSC （ Directself － control ） 或
DTC（DirectTorque－Control），就是利用空间电压矢量的分析方法直接在定子坐标系下
计算和控制交流电机的转矩，借助磁链和转矩滞环调节产生开关信号，直接对逆变器的
开关状态进行最优控制，获得转矩的高动态性能。本文使用 MATLAB 软件设计了一种异
步电机直接转矩控制的仿真系统，提出了一种定子磁链运动轨迹近似为圆形的控制仿真
方案，通过实时计算电机转矩和磁链的误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应
的开关矢量，控制异步电机运转。

2 直接转矩控制系统的仿真
2.1 它包括转矩控制环节和磁链控制环节等，通过转矩和磁链的滞环控制选择出合适

的电压矢量来调节定子磁链，并通过控制定子磁链的前进或停止来控制电机转矩，使之
快速跟踪给定信号，同时通过对定子磁链形状的控制来选择合适的开关状态，产生合适
的信号控制电机运转。
　　2.2 定子磁链观测和磁链滞环调节定子磁链观测器模型使用 u－i 模型，即用定子电压
和电流来确定定子磁链。u sα（U1）、u sβ（U2）、i sα（I1）、i sα（I2）分别是定子在静止
两相坐标系下的电压和电流幅值；ψsα（Flux1）、ψsβ（Flux2）为静止两相坐标系下对应
的定子磁通分量。（2）磁链滞环调节模型利用施密特触发器，令 εψ 为磁链容差的一半，
ψ＊s 为给定磁链幅值，为观测得到的磁链幅值。
　　ψs＝ψ2 sα＋ψ2 sβ"（3）Δψ＝ψ＊s－ψs（4）当 Δψ＞εψ 时，此时应加电压矢量使磁
链幅值增大；当 Δψ＜εψ 时，此时应加电压矢量使磁链幅值减小。根据 Δψ 与 εψ 之间的关
系，选择合理的定子电压矢量，就可使磁链在容差为 2εψ 的圆环内运动，形成圆形运动
的磁链轨迹。这样当电机空间磁链矢量沿六个电压矢量方向走折线逼近圆形磁链时，变频
器(变频器在新型式矿藏提升机的运用)的各相电流就近似为正弦电流，从而带动交流电
机运转。
　　2.3 转矩观测与转矩滞环调节转矩观测模型是采用间接法来求的，根据定子电流 i 
sα 、i sβ 及定子磁链 ψsα、ψsβ 来计算电动机的电磁转矩 T e，公式如下：T e＝3 2 p n（ψsαi 
sβ－ψsβi sα）（5）转矩滞环调节模型采取三点式转矩调节器，转矩参考值 T＊e 由参考
转速 ω＊与实际转速 ω 的偏差经过 PI 调节后得到，然后与 T e 进行比较，就可以得到转
矩滞环调节信号 TA1、TA2。
　　2.4 定子磁链所在空间位置的判定为了实现对定子磁链的闭环控制，需要检测定子磁
链所在空间的位置（扇区 m）。根据 ψsd、ψsB 与 ψs＊的幅值，可以计算出定子磁链在静
止两相 α－β 坐标系下的空间角度 θ，从而得出 m，再经过比较逻辑表，得出定子磁链所
在空间位置信号 Sector1、（假如 Sector1Sector2Sector3＝001，则表示定子磁链所在空间位
置在扇区 1）。
　　2.5 直接转矩控制系统的仿真模型根据上述建立的各仿真子模型中定子磁链调节信号
FA，转矩调节信号 TA1，TA2，以及定子磁链位置信号 Sector1、Sector2、Sector3，依据直
接转矩理论中的定子电压矢量选择原理，可以得到控制逆变器工作的开关选择表。其表中
零电压矢量的选择与切换前的定子电压矢量有关，为了减少逆变器开关的次数，应选择
与切换前定子电压矢量只有一位不同的零电压矢量。
　　依据各子模型和逆变器的开关选择表，使用 MATLAB 软件的 Simulink 电气系统模块
库，我们设计了下面的异步电机直接转矩控制系统的仿真模型。
　　3 仿真结果按照以上设计的 MATLAB 仿真系统进行仿真实验。仿真算法选用 ode23 算
法。仿真相关参数如下：电机额定功率为 2.238kW，额定电压为 220V，转动惯量为