基于Saber的異步電動機直接轉矩控制系統仿真

摘 要： 為了驗證基于三電平逆變器異步電動機直接轉矩控制系統的可行性和有效性，利用Saber仿真軟件優良的模塊化和分級式的系統仿真能力，建立了異步電動機直接轉矩控制系統中定子磁鏈與電磁轉矩觀測器、扇區判斷、空間電壓開關矢量表以及二極管箝位型三電平逆變器等子系統的仿真模型，并根據直接轉矩控制原理最終構建了完整的系統仿真模型。利用所構建的系統仿真模型進行了仿真實驗，仿真分析結果證明建立的系統模型是有效的，表明直接轉矩控制系統具有良好的動態響應性能。

關鍵詞： 直接轉矩控制； 仿真模型； Saber； 仿真實驗

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0118?04

Simulation of Saber?based direct torque control system for asynchronous motor

WANG Gang

（The 710 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation， Yichang 443003， China）

Abstract： To demonstrate the validity of the direct torque control system for asynchronous motor based on three?level inverter， a subsystem simulation models in the direct torque control system for asynchronous motor were established by means of excellent modular and hierarchical system simulation capability of simulation software Saber. The subsystem models were integrated into a complete system model according to the theory of direct torque control. The simulation experiment was carried out with the system simulation model. The result of simulation analysis shows that the system simulation model is effective， and the direct torque control system has excellent dynamic response performance.

Keywords： direct torque control； simulation model； saber； simulation experiment

0 引 言

直接轉矩控制理論（Direct Torque Control）是由德國Depenbrock.M教授于20世紀80年代中期首先提出的，這是繼矢量控制技術（Field Oriented Control）之后又一種高性能的交流變頻調速技術[1]。該理論以定子磁場為控制對象，利用滯環比較器（BangBang控制）產生的信號，直接對逆變器的開關狀態進行最優控制，以獲得轉矩的高動態性能，從而避免了矢量控制中結構復雜、計算量大、對參數敏感等問題。本文利用Saber仿真軟件的基本模塊及MAST語言搭建仿真平臺，對基于三電平逆變器的異步電動機直接轉矩控制系統進行了仿真研究。

1 直接轉矩控制原理

圖1為直接轉矩控制系統的結構框圖，主要由定子磁鏈與電磁轉矩觀測器、速度調節器、轉矩調節器、磁鏈調節器、空間電壓矢量開關表、電壓源型（VSI）逆變器以及三相交流異步電動機等組成[2]。異步電動機定子的三相電壓和電流經過三相/兩相坐標變換（Clarke變換），可計算出磁鏈[α]相和[β]相的分量，進而估算出定子磁鏈幅值和電磁轉矩，估算值分別與磁鏈調節器、轉矩調節器的給定值比較得到相應的誤差極性信號，用來確定最優的空間電壓開關矢量，以控制逆變器的輸出，從而達到調節電動機運行狀態的目的。

圖1 三相異步電動機直接轉矩控制系統的結構框圖

2 仿真模型的建立

仿真模型的建立采用了自下而上的模塊化建模思想，并充分利用了Saber仿真軟件分層設計、模塊化的仿真特點。首先，利用Saber的基礎元件及MAST語言搭建各子模塊，然后分別搭建各子系統，并進行了封裝，最后根據直接轉矩控制系統的原理結構，構建整個系統的仿真模型，如圖2所示。仿真模型中的異步電動機可以直接使用軟件中的三相鼠籠式異步電動機模塊，逆變器采用的是二極管箝位型三電平逆變器，按照其拓撲結構搭建模型并加以封裝。

2.1 定子磁鏈與電磁轉矩觀測器的仿真模型

根據磁鏈電壓模型法（[u ]?[i]模型），可以利用異步電機的定子電阻、定子電壓和定子電流估算定子磁鏈在靜止兩相坐標系下[α]相、[β]相的分量[3]：

根據以上公式可以搭建定子磁鏈與電磁轉矩觀測器（Torque and Flux Estimator）的底層模型，如圖3所示。其中定子磁鏈幅值計算模塊（Psis模塊）、磁鏈觀測模塊（Flux Observer）的底層模型分別如圖4，圖5所示。

2.2 轉矩調節器與磁鏈調節器的仿真模型

直接轉矩控制系統通過轉矩調節器、磁鏈調節器實現對定子磁鏈幅值、電磁轉矩的雙閉環控制，從而對異步電動機進行快速、精準地調速。

轉矩調節器為三級滯環比較器，其輸入值是轉矩給定值[T*e]與實際值[Te]的差值[ΔTe，]經過與轉矩滯環寬度[ξTe]比較，輸出一個轉矩誤差極性信號[HTe，]為后續的空間電壓矢量開關信號提供參考，在Saber軟件中可通過直接調用BangBang控制模塊實現。

圖5 磁鏈觀測模塊底層模型

磁鏈調節器為兩級滯環比較器[5]，其輸入值是定子磁鏈給定值[ψ*s]與估算值[ψs]的差值[Δψs，]經過與轉矩滯環寬度[ξψs]比較，輸出一個磁鏈誤差極性信號[Hψs，]同樣為后續的空間電壓矢量開關信號提供參考，在Saber軟件中可通過直接調用Saber元件庫中的C_Relay模塊實現。

2.3 空間電壓矢量開關表的仿真模型

空間電壓矢量開關表的作用是根據所接收的實時誤差極性信號[HTe，][Hψs]以及轉矩角信號[θs]來決定所需要輸出的空間電壓矢量，輸出的空間電壓矢量開關信號可以控制逆變器各橋臂的開關狀態，從而調節電動機的運行狀態。

基于三電平逆變器的直接轉矩控制一般采用的是基于虛擬合成矢量的優化矢量表，如表1所示。以各虛擬合成矢量為中心線，可以將[αβ]坐標面均分為[12]個角度為30°的扇區，并且每個扇區的編號與該虛擬合成矢量編號保持一致，如圖6所示。通過虛擬合成矢量的方法，可以將傳統兩電平的直接轉矩控制方法直接移植到三電平逆變電路上進行應用[6]。

4 結 語

利用Saber軟件可以方便地實現基于三電平逆變器異步電動機直接轉矩控制系統的仿真，通過仿真結果可以看到直接轉矩控制技術具有結構簡單，動態響應迅速，調速控制精確等優點；同時，Saber軟件自身集成的各種工具可對仿真結果進行詳細分析，對于實際系統的開發及調試具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] DEPEN B M. Direct self?control （DSC） of inver?fed induction machine [J]. IEEE Transactions on PE，1988， 3（5）： 420?429.

[2] TAKAHASHI I， OHMORI Y. High?performance direct torque control of an induction motor [J].IEEE Transactions on Industry Application， 1989， 25： 257?264.

[3] 李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京：機械工業出版社，2001.

[4] 陳堅.交流電機數學模型及調速系統[M].北京：國防工業出版社，1989.

[5] 楊祖泉，姚緒梁，舒小芳.異步電動機直接轉矩控制系統的仿真研究[J].電機與控制學報，2004（8）：329?332.

[6] 李永東，侯軒，譚卓輝.三電平逆變器異步電動機直接轉矩控制系統（Ⅱ）：合成矢量法[J].電工技術學報，2004，5（19）：12?16.