异步牵引电动机直接转矩控制系统建模与仿真

第３１卷第１期　电力机车与城轨车辆　Ｅｋｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．１　２００８年１月２０日　Ｊａｎ．２０ｔｈ，２００８　・计算机应用・　异步牵引电动机直接转矩控制　系统建模与仿真　范文进，冯晓云，葛兴来　（西南交通大学电气工程学院，四川成都摘６１００３１）　要：根据直接转矩控制原理及其特点，利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立一种适合异步牵引电动机直接转矩控制系统　的仿真模型，仿真结果验证了控制方法的正确性。　关键词：直接转矩控制；仿真；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中图分类号：Ｕ２６４．９１　１；ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１８７（２００８）０１—００４８—０４　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｓｖｎｃｈｒ０ｎ０ｕｓ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ＦＡＮ　Ｗｅｎ－ｊｉｎ，ＦＥＮＧ　Ｘｉａｏ－ｙｕｎ，ＧＥ　Ｘｉｎｇ－ｌａｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈｔｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｏｒｌ（ＤＴＣ），ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｓｙｎｃｈｍｎｏｕｓ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｈ　ＭＡＴＬＡＢ／ｔＳｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｈａｔｔ　ｈｉｓｔ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　直接转矩控制法是２０世纪８０年代中期提出的一种　新的控制方法，它是在矢量控制和电流跟踪型ＰＷＭ控制　变流器的开关频率不可能做得太高。当机车牵引力接近　黏着限制的时候，若牵引电动机给出的电磁转矩脉动过　的基础上发展起来的。在直接转矩控制系统中，用电机定　子侧参数计算出磁通和转矩，并用两点式调节器直接控　制逆变器的开关状态，对电机磁通和转矩进行直接自调　整控制，它不仅能获得快速的动态响应，而且具有最佳的　开关频率和最小的开关损耗。直接转矩控制系统中有两　大，导致机车牵引力的瞬时值大于轮轨间能够提供的最　大黏着力时，则会出现空转和打滑现象。所以在低速（是　指３０％额定转速以下的范围）运行时适合采用圆形磁链　轨迹控制方式；在高速时（是指从３０％到１００％额定转速　之间的范围）可以忽略定子电阻压降的影响，这时采用六　边形磁链轨迹控制方式可满足大功率牵引变流器开关频　率低的要求。系统仿真结构如图１所示。　种磁链轨迹控制方式：磁链沿六边形轨迹运动（德国教授　Ｍ．Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ提出）和磁链沿近似圆形轨迹运动（１３本学　者Ｔａｋａｈａｓｈｉ提出）。六边形磁链轨迹的优点是逆变器的　开关次数少，开关频率小，其缺点是在低速时磁链和转矩　有较大的脉动。近似圆形磁链轨迹（或叫圆形磁链轨迹）　的特点是磁链和转矩的脉动小，但是开关次数多，开关频　２系统仿真模型的实现　为了便于说明，将磁链轨迹按顺时针来解释。　２．１　六边形磁链轨迹控制方式　率大。本文基于它们各自的特点建立起一种适合机车异　步牵引电动机直接转矩控制系统仿真模型。　２．１．１定子磁链和转矩观测器仿真模型　磁链观测器采用定子磁链的　．，模型，通过检测定　子电压、电流计算出定子磁链，即：　＝１　系统仿真策略及仿真结构图　机车上的变流器由于其电压和电流都比较大，所以　ｆ（ｕｓ—Ｒ　×ｉ￣）ｄｔ　收稿１３期：２００７—０６－４）４　作者简介：范文进，在读硕士研究生，研究方向为电力牵引传动控制系统。　—．４８—．　维普资讯 http://www.cqvip.com

范文进等・异步牵引电动机直接转矩控制系统建模与仿真・２００８年第１期　在空间停止不动，转矩开始下降。当两者　偏差小于负的允许偏差时，转矩调节器输　出状态量为０，这时逆变器由磁链环来控　制其输出状态，输出适当的有效空间电压　矢量使定子磁链向前旋转，转矩上升。偏　差在允许偏差范围内时，维持原控制状态　不变。　．　２．１．４磁链调节器仿真模型　六边形磁链轨迹控制在１，６周期中，　仅采用某一种有效空间电压矢量和零电　压矢量。控制时不需实时计算磁链矢量的　幅值和相角，只需建立如图５所示的　ｄ（ｄ　，ｄｂ，ｄｅ）坐标系，通过磁链变换得到定　子磁链的分量，其变换公式为：　图１系统仿真结构　ｆ　．］ｆ　１　０　１　㈦　根据定子磁链和定子电流计算出电磁转矩，即：　２　ｌ’　－　（　一　）　（２）　ｌ　ｊ　Ｉ一１，２一、／　，这样根据式（１）和式（２）构成磁链和转矩观测器仿真　ｄ　模型（见图２）。　／／　／／（　．ｏ　１）＼　／／Ｇ　　（Ｉ＼　Ｉ）＼　（ｏｏｏ）＼　图２磁链、转矩观测器仿真模型　一　图５六边形磁链及ｄ三相坐标系　２．１．２转速ＰＩ调节模型　通过对给定转速与反馈转速之间的差值进行调节可　然后利用３个容差是±　．自的施密特触发器（　．８是　以得到控制系统的给定转矩，其仿真模型如图３所示。　定子磁链给定值）。通过这３个施密特触发器，用磁链给　定值，分别与３个磁链分量　，　，　进行比较，得到３　ｒ　个磁链开关信号ｓ粕，Ｓ奶，Ｓ％，输出状态量为１和０。由磁　ｌ　’ｒｏｐｏ６ｏｎａｌ　ｌ链开关信号ｓ％，Ｓ奶，Ｓ％可以很方便地构成逆变器开关信　～　厂　＾　厂　…　号　，ｓ　，　，状态量设置为１和０。它们之间的关系如下：　Ｓｏ＝Ｓ奶　图３转速ＰＩ调节模型　Ｓ　Ｓ％　（４）　Ｓｃ＝Ｓ％　２．１．３转矩调节器仿真模型　磁链调节仿真模型见图６。　转矩控制采用两点式调　节器来实现，如图４所示。当　实际测得的电机输出转矩和　给定转矩之差大于允许偏差　△　时，转矩调节器输出状　态量为１。此时逆变器输出零　Ｔ　电压矢量，磁链的综合矢量　图４　转矩调节器仿真模型　图６磁链调节仿真模型　—４９—　维普资讯 http://www.cqvip.com

电力机车与城轨车辆・２００８年第１期　有了转矩和磁链调节器的输出信号就可以构成整个　六边形控制方式的逆变器开关状态量。为了得到最小开　关次数，应当正确选择零电压矢量，因为使用零电压矢量　作用可以减小转矩，但是有两个零电压矢量　（１１１）和　ｖｏ（ｏｏｏ），解决这个问题只要采用一个零电压选择模块，　通过选择和切换合适的　电压矢量输出，就可以构成　的二维偏差带控制。实现　这一控制方法的称两点式调　节器，它的仿真模型见图９，　它是根据磁链调节器的输出来确定的，仿真模型见图７。　￥￣ｉｔｏｈ　ＦⅢ　图７开关信号模块　２．２圆形磁链轨迹控制方式　圆形磁链轨迹控制方式中，定子磁链和转矩观测器　仿真模型、转速ＰＩ调节模型、转矩调节器仿真模型均与　六边形磁链轨迹控制方式中相应模型一样。　２．２．１磁链调节器仿真模型　圆形磁链运动轨迹取决于相应电压矢量的作用时　间。空间电压矢量作用时间的控制有两种方法：直接计算　电压矢量的作用时间和根据磁链偏差值进行控制。本文　所采用的是第二种方法，它的基本思想是：实际定子磁链　矢量　的端点轨迹不允许超出以给定磁链模为半径的　圆形偏差带。即满足下面的不等式：　　Ｉ一　Ｉ＜￣２Ａｑｔ　（５）　在磁链旋转过程中，每一个区域里电压矢量的选择　不仅要根据磁链偏差的大小，同时还要考虑磁链的方向。　由于两电平逆变器的输出电压矢量依次相差６０。，因此　为便于选择电压矢量，将空间分成６个扇区，用（ｉ＝１，２，　…，６）表示。根据不同的扇区，可事先选定合适的电压矢　量。例如，当　在０（１）扇区时（见图８），为了控制　顺　时针方向旋转，选用　（１００）和　（１　１０）。　使磁链增加，　使磁链减小。切换规则为：　一　≥　，选　；　一　≤一　，选　。　ｄ　０（６）　Ｕ．　ｑ　０　）　△１王，　图８磁链分区　－５０－　设置输出的状态量为１和０。　２．２．２磁链扇区判断单元　磁链综合矢量所在的扇图９　磁链调节器仿真模型　区根据磁链的幅值Ｉ　Ｉ及其　）｛　㈦　０（２）　ｌ０＜　＜单３　２　　１１ｒ　￣１／／＇ｓ．．～，，嚣　４　１ｌ　一华＜：　＜　≤０　５　ｉ＿孚≤　＜孚　）　｜２　。　…　直接采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中各种比较模块进行逻辑判断所　构成的系统过于复杂，于是使用ＭＡＴＬＡＢ　Ｓ—Ｆｕｎｃｔｉｏｎ模　块。该模块可以在仿真过程中调用工作空间里编制的Ｓ一　函数，Ｓ一函数是根据式（６）一式（１１）的一系列不等式编　写。它的编制很简单，直接使用ＭＡＴＬＡＢ语言的条件判　断语句，就可以确定磁链综合矢量所在的扇区。磁链扇区　离　一　图１０磁链扇区判断仿真模型　维普资讯 http://www.cqvip.com

范文进等・异步牵引电动机直接转矩控制系统建模与仿真・２００８年第１期　２．２．３电压矢量选择模块　此模块根据磁链调节器输出状态量Ｆｉｔｊ，转矩调节器　状态量Ｔｌｉ，磁链扇区判断单元输出状态量ｆｅｎｑｕ制定出　换值前的轨迹形状，因而无法顺利完成模型切换。为了避　免这个问题的发生，使用段切换代替点切换，即在速度增　加或减小到一定的程度时才进行模型切换。系统采用一　一个优化的电压矢量切换表格，如表１所示。　表１　电压矢量切换表格　Ｔｔｊ　Ｆ　（１）　（２）　ｏ（３）　（４）　（５）　（６）　０　１　ｌ１０　０１０　０１１　００１　１０１　１００　０　０　１００　１１０　０１０　０１１　００１　１０１　１　１　ｌ１１　０００　１ｌ１　０００　ｌ１１　０００　１　０　０００　１１１　０００　１１１　０００　１１１　本文在构造此模型时再一次使用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　库中的Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ模块，ｓ一函数根据表１来编写，电压矢　量选择仿真模型如图１　１所示。　２．２．４模型切换方式　如前所述，在低速范围，即３０％额定转速以下的范围　内，采用圆形磁链轨迹控制方式；在高速时，即从３０％到　１００％额定转速之间的转速范围内采用六边形磁链轨迹　控制方式。如果选择的速度等于３０％作为转换点，则可能　导致系统在转速变化过程中越过速度切换值后，当转速　稍有变化回到切换值前时，磁链轨迹将会返回到速度切　图ｌ２输出转矩　ｆ　／　７　ｆ　７　ｔ｜ｓ　图１４转子角速度　４结束语　仿真结果表明，采用直接转矩控制方法的机车牵引　系统有很快的转矩速度响应。在低速时采用圆形磁链轨　迹控制方式使系统具有良好的低速性能；在高速时采用　六边形磁链轨迹控制方式能够大大降低逆变器开关频　率，又使得系统可满足大功率牵引变流器开关频率低的　要求。转矩和转速都达到了要求，为了顺利完成模型切　换，采用段切换使系统有比较好的切换过程，从而证明了　该模型具有可行性和正确性。　个施密特触发器很好地实现了模型切换。　图１１电压矢量选择仿真模块　３系统仿真结果　用小型鼠笼式异步电动机代替压缩机进行仿真，具　体的参数如下：额定功率ＰＮ＝１．５　ｋＷ，额定电压Ｕｓ＝３８０　Ｖ，　额定频率ｆＮ＝５ｏ　Ｈｚ，Ｒｓ＝０．５　ｎ，　ｒ＝０．５　ｎ，Ｌｓ＝０．３８６　Ｈ，ＬＩ＝　０．３８６　Ｈ，Ｌｍ＝０．３６３　Ｈ，极对数ｐ＝２，电机惯量Ｊ＝０．０１５　ｋｇ・　ｍ　，模型切换采用施密特触发器，其容差是［３９，４１１　ｒａｄ／ｓ。　仿真结果如图１２至图１５所示。　巨　－２　—１　０　１　２　／Ｗｂ　图１３定子磁链轨迹　｛ｌ　’　图１５定子电流波形　参考文献：　［１］沈本荫．现代交流传动及其控制系统［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，　１９９７．　［２］李夙．异步电机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９４．　［３］薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿真技术与应用　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１．　［４］张彦林．异步牵引电动机直接转矩控制及其低速区控制方法的研　究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２００６．　［５］吴勇，刑杰，畅玉亮．基于ＭＡＴＬＡＢ６．５的异步电动机直接转矩控　制系统仿真［Ｊ］＿沈阳化工学院学报，２００６（２）．　一５１—