异步电机直接转矩控制DTC系统仿真平台

资 源 简 介

该项目旨在开发一套完整的感应电机直接转矩控制方案，通过MATLAB/Simulink环境模拟电机驱动系统的实时运行状态。系统不再依赖传统的转子磁场定向矢量控制，而是直接在定子坐标系下通过采样得到的定子电压和电流，实时估算电磁转矩和定子磁链的幅值与位置。 在实现细节方面，项目构建了包括异步电机数学模型、逆变器模型、磁链与转矩计算模块、滞环控制器（Hysteresis Controller）以及最优开关表选择模块。通过对转矩和磁链偏差进行bang-bang控制，系统能够根据磁链所处的扇区位置，直接输出逆变器的

详 情 说 明

基于MATLAB的交流异步电机直接转矩控制（DTC）系统仿真平台

项目介绍

本平台是一套基于MATLAB环境开发的感应电机直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）仿真系统。该项目通过纯代码编写（非Simulink库模块拖拽）实现了感应电机动力学建模与高性能控制算法。与传统的矢量控制（FOC）不同，本系统直接在定子坐标系下通过对定子磁链和电磁转矩的直接操纵，实现极快的转矩响应。系统模拟了完整的物理环节，包括异步电机状态方程编制、电压源逆变器工作逻辑、磁链与转矩在线估算以及双闭环控制架构，为电机驱动系统的研究和算法验证提供了高自由度的仿真环境。

功能特性

1. 极速动态响应：利用滞环比较器（Bang-Bang Control）代替传统的PWM调制和PI电流内环，使转矩能够随负载变化瞬时调整。
2. 定子磁链控制：直接在静止Alpha-Beta坐标系下进行运算，无需复杂的旋转坐标变换及转子位置传感器（在基础算法中）。
3. 高精度数值仿真：系统内置了四阶龙格-库塔（RK4）数值积分算法，相比欧拉法具有更高的计算精度和数值稳定性，能准确模拟高频开关下的电流与转矩波动。
4. 抗负载波动能力：具备完善的速度外环调节能力，在0.4s突加负载时，系统能迅速恢复并维持稳定转速。
5. 可视化分析：自动生成涵盖转速跟踪、转矩脉动、定子磁链轨迹（圆形度）、三相电流及开关信号等维度的多图层仿真结果。

使用方法

1. 确保计算机安装有MATLAB R2016a或更高版本。
2. 将包含主脚本及子函数的文件置于当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入函数名称并回车运行。
4. 程序将自动执行0.8秒的实时仿真（步长为20微秒），并在仿真结束后弹出结果可视化窗口。

系统要求

• MATLAB (不依赖特定工具箱，代码采用基础矩阵运算及绘图函数)。
• 建议内存：8GB及以上（以保障高采样频率下大规模矩阵存储的性能）。

核心功能与逻辑实现

系统遵循DTC的经典控制方案，在主循环中实时执行以下逻辑：

1. 参数与状态初始化：设定采样频率为50kHz，定义2.2kW异步电机的阻感参数、转动惯量及直流母线电压。状态向量初始化为包含定转子电流、机械转速及转角的六维向量。
2. 磁链与转矩估算逻辑：通过定子电流与定子电感、互感的关系，在Alpha-Beta静止坐标系下计算定子磁链分量。根据公式计算实时的电磁转矩估计值。
3. 速度外环调节：采用PI控制器。通过比较目标转速与实际反馈转速，输出参考转矩，并加入转矩限幅控制（上/下限30 N.m）。
4. 扇区检测与滞环控制：

* 通过定子磁链在Alpha-Beta平面的角度，将360度空间划分为6个扇区。 * 磁链滞环器：将磁链幅值偏差转化为增磁（1）或减磁（0）指令。 * 转矩滞环器：将转矩偏差转化为增加（1）、保持（0）或减小（-1）指令。

1. 逆变器电压矢量输出：根据当前的磁链扇区、磁链指令及转矩指令，查阅开关表获取逆变器三相IGBT的开关状态（Sa, Sb, Sc），随后通过Clark逆变换将直流母线电压转化为Alpha-Beta轴的等效驱动电压。
2. 电机动力学积分：将计算出的电压输入异步电机状态空间方程，利用RK4算法更新下一时刻的电机电磁及机械状态。

关键算法解析

1. 异步电机模型算法：

子函数实现了定子静止坐标系下的电机微分方程。该模型重点考虑了定转子间的磁场互感以及转子运动产生的旋转电动势，能够捕捉到电流的暂态过程和转矩产生的物理机制。

1. 最优开关表查找逻辑：

基于经典Takahashi方案构建了三维索引查找表。该算法能根据磁链和转矩的误差方向，联合当前磁链所在的扇区位置，从8个基本电压矢量（含两个零矢量）中选择出最能补偿当前误差的矢量。

1. 数值解算算法：

采用RK4（Runge-Kutta 4th Order）方法。在每个采样步长内进行四次斜率计算并加权平均，有效克服了传统固定步长系统在处理逆变器高频阶跃信号时可能出现的数值震荡或发散问题。

1. 滞环容差机制：

代码中定义了h_torque和h_flux容差带，这一设计有效避免了在参考值附近的频繁高频翻转，起到了一定的软开关保护作用，同时也决定了系统的开关频率特性。