基于全转速范围内的直接转矩控制调速系统的研究摘要：建立了一种包含弱磁控制的直接转矩调速控制系统仿真模型，实现了感应电动机全转速范围内的速度控制，既可以实现同步转速以下的恒转矩调速，又可以实现弱磁范围内的恒功率调节。

仿真结果显示系统的调速性能良好，在换向调速过程中，无抖动和超调现象，很好地实现了电动机调速的四象限特性，弱磁控制过程平稳。

对研究全转速范围内直接转矩调速控制具有较好的参考价值。

关键词：直接转矩控制；调速；弱磁；仿真Research of Direct Torque Control Speed Adjustment Systemwithin Full-speed RangeAbstract: A simulation system of direct torque control speed adjustment system is introduced, it include field-weakening control. The simulation system realized induction-motor speed control within full-speed range, constant torque adjustment less than foundation speed and constant power adjustment greater than foundation speed. The results of simulation show that system performance is excellent. The ripple and overshoot of speed are reduced; the four-quadrant characteristic of induction-motor varying speed is achieved successfully; the field-weakening control is very smooth. The simulation model has better reference meaning for researching direct torque control system within full-speed range.Keyword: direct torque control, adjustment speed, flux weakening, simulation1．引言直接转矩控制系统具有控制结构简单、动态响应快等特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题[1]。

直接转矩控制采用双滞环控制策略，电机在运行中转矩及定子磁链脉动较大，影响了电机运行的稳定性，所以研究的焦点大都集中在减小转矩及定子磁链脉动上[2-3]。

为了提高定子磁链的估计精度，改善直接转矩控制系统的动静态性能等，提出了多种行之有效的减小脉动方法[4-6]。

在直接转矩的调速控制方面，有同步转速以下恒转矩调速的研究[7]，也有基于弱磁范围内的速度控制等[8]，但基于全速度范围内的控制仿真研究还不多见[9，10]。

本文建立了一种直接转矩控制的感应电动机变频调速系统仿真模型，可以实现电动机全转速范围内的速度控制。

所谓全转速范围，是指电动机调速系统既可以实现同步转速以下的恒转矩调速，又可以实现弱磁范围内的恒功率调节，而且能实现转速的四象限运行特性。

2．直接转矩控制调速系统的建模直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC），是基于动态模型的双闭环控制系统。

外环采用转速闭环，控制转速的大小；内环采用磁链和转矩滞环比较控制，产生转矩的快速动态响应。

2.1 磁链与转矩控制要进行磁链和转矩滞环的闭环控制，必须取得异步电动机的定子磁链和电磁转矩，磁链观测和转矩观测通常采用的数学表达式为：dtRtitutssss))()(()(-=⎰ψ（1）)(23βααβψψsssseiiPT-=（2）式中：s(t)为定子磁链，u s(t)为定子相电压，i s(t)为定子相电流，R s为定子电阻，P 为电机极对数，s ，s 为定子磁链在坐标轴上的分量，i s ，s为定子电流在坐标轴上的分量。

12H ψ2bw F -2bw F Dψ12H Te 2bw T -2bw T 3（a ）磁链滞环 （b ）转矩滞环图1 磁链、转矩滞环调节器Fig.1 the relay adjustor of torque and flux[0 or 1][0 or 3][0 or 2][1 or 2]2H_Te1H_phidTe/2dPhiNORLogical Operator H_Te, phi2ConvertData Type Conversion -dTe/243Torque2Flux*1Torque*图2 转矩和磁链滞环调节器的仿真模型 Fig.2 the model of relay adjustor of torque andfluxβs 1αU 1（100）s 3s 5U 2（110）U 3（010）U 4（011）U 5（001）U 6（101）图3 磁链圆扇区的划分 Fig.3 the division of sector磁链、转矩控制仿真模型如图2所示，转矩滞环调节器由两个滞环比较器的输出相加，同时两个输出经过异或逻辑运算（NOR ），数据类型转换（Convert ），再乘以2，最终输出为0或2。

磁链滞环调节器调节器的输出为1或2。

磁链滞环环宽F bm 设定为0.02Wb ，转矩滞环环宽T bw 设定为10N.m 。

磁链和转矩滞环比较输出为H _Te 和H _phi 。

图4为转矩和磁链观测及磁链角计算仿真模型。

逆变器输出的三相电压u a,b,c 进行3/2 i_sai_sa 3angle2Flux 1TorqueK Ts (z+1)2(z-1)phi_sbK Ts (z+1)2(z-1)Vabcv_sav_sbVabc/VdqRe Im ComplexI_abI_qI_dIabc/Idq-1-K--K-|u|uComplex to Magnitude-Angle-K-3p/2-K-2V_abc1I_abi_sbi_sb图4 转矩和磁链观测及磁链角计算仿真模型Fig.4 the calculation mode of torque, flux and it ’s angle1sectorSaturation<=><=><=><=>>><=<=Relational Operator.ANDANDORANDANDAND654321ConvertConvertConvertConvertConvertConvert-90-150-150150*********-30-9030-301angle图5 磁链扇区的计算模型Fig.5 the calculation model of flux sector变换得到u s 、u s ，i a,b,c 进行3/2变换得到i s 、i s ，再通过离散积分模块（Discrete-Time Integrator ），可以计算出定子磁链分量s 、s 。

根据式（2），利用两个乘法器（Product ）和一个加法器（Sum ）模块，可以计算出实际转矩值T e 。

利用定子磁链分量s 、s ，可以计算出磁链幅值s 和磁链角。

为了简化计算，图4采用了将定子磁链分量s 、s 构成一个复数（Real-Imag to Complex ），然后用求复数模和复角模块（Complex to Magnitude -Angle ），输出磁链幅值s 和磁链角。

1.2 定子磁链扇区的计算定子磁链扇区将磁链圆等分为六等份，每个扇区间隔60o，用S n 表示，定子电压矢量和扇区的划分如图4所示。

磁链角的初始线（＝0）与电压矢量U 1（100）的方向相同，扇区S 1确定为U 1（100）的方向线±30o的扇形区域，S 2定为U 2（110）的方向线±30o的扇形区域，以此类推可定义出六个扇区S 1-S 6。

扇区计算模型如图5所示，六个扇区的判断主要采用关系比较模块和逻辑运算模块。

由于磁链角的取值范围为[-180o ,+180o]，所以S 4的确定关系式为＞150o 和≤-150o，两者为“或”的关系，其它扇区的关系均为“与”的关系。

1.3开关选择表的建立假定定子磁链位于扇区S 1，并以逆时针方向。

当实际磁链达到下限值，＞0，H ＝1，则需用非零电压矢量来增加磁链，此时分两种情况：（1）电磁转矩幅值达到下限，T ＞0， H Te ＝1，则选取电压矢量U 2（110），达到同时增加转矩和磁链的目的；（2）电磁转矩幅值达到上限，T ＜0，H Te ＝3，则用电压矢量U 6（101），达到增加磁链和减少转矩的目的。

如果此时T ＝0，H Te ＝2，可以插入零电压矢量U 0或U 7。

由此可以确定异步电动机直接转矩控制系统的开关选择表（见表1），零电压U 0、U 7的选择以减少开关切换次数为原则。

电压矢量U 0~U 7对应逆变器六只开关器件的开关状态如表2所示。

三相逆变器的开关状态顺序分别为[a+，a-，b+，b-，c+，c-]，例如[1，0，0，1，1，0]，表示a 相上桥臂、b 相下桥臂、c 相上桥臂开通，a 相下桥臂、b 相上桥臂、c 相下桥臂关断。

开关选择表的仿真模型如图6所示，开关表由两个二维查表函数（lookup2D ）来实现。

当＞0，H ＝1，选择第一个查表函数；当＜0，H ＝2，选择第二个查表函数。

查表函数（lookup2D ）参数的设置与开关表相对应，为3行6列矩阵，输出填入与开关表相对应的电压矢量值0~7。

当磁链偏差H 、转矩偏差H Te 、扇区S n 确定后，即可输出惟一的电压矢量值。

电压矢量值加1，送入8选1多路转换开关（Multiport switch ），电压矢量值转换成逆变器的开关状态，即6路PWM 脉冲。

1Gates(1 0 1 0 1 0)v7(1 0 0 1 1 0)v6(0 1 0 1 1 0)v5(0 1 1 0 1 0)v4(0 1 1 0 0 1)v3(1 0 1 0 0 1)v2(1 0 0 1 0 1)v1(0 1 0 1 0 1)v0Switch2Multiport Switch1Flux =2Flux = 113Sn2H Te 1H Phi t图6 开关选择表的仿真模型Fig.6 the simulation model of switching optiontable表1 电压矢量开关选择表Tab.1 switching option table of voltage vectorHH TeS n12345611U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 1 2 U 0 U 7 U 0 U 7 U 0 U 7 3 U 6 U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 21U 3 U 4 U 5 U 6 U 1 U 2 2 U 7 U 0 U 7 U 0 U 7 U 0 3U 5U 6U 1U 2U 3U 4表2 电压矢量与开关状态对应关系 Tab.2 the relation of voltage vectorand switching state 电压矢量逆变器的开关状态 U 0（000） 0，1，0，1，0，1 U 1（100） 1，0，0，1，0，1 U 2（110） 1，0，1，0，0，1 U 3（010） 0，1，1，0，0，1 U 4（011） 0，1，1，0，1，0 U 5（001）0，1，0，1，1，0 U 6（101） 1，0，0，1，1，0 U 7（111）1，0，1，0，1，01.4 速度控制器直接转矩控制系统外环为速度控制器，速度调节器一般采用带有饱和特性和带输出限幅的PI 调节器。