基于最大转矩控制的异步电机直接转矩弱磁控制方法
一种转矩优化的异步电机弱磁控制方法
Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ４ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｓ ｔ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ｏ ｎ ａ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｍｅ ｔ ｗａ ｓ ｋ ｎ ｏ ｗ ｎ，ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｉ Ｍ’ Ｓ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍｏ ｄ ｅ １ ．Ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄ — ｌ ｏ ｏ ｐ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ
种 场合 ， 伴 随着异 步 电机 日益广泛 应用 ， 大 范 围 的 调 速系 统变 得越 来 越 重 要 ， 尤 其 是在 铁 路 电力 牵 引、 电动汽 车 、 高速 风 机 等行 业 ， 交 流 电机 弱 磁 控 制 调速 系统 更 是 不 可替 代 。对 于异 步 电机 而 言 ，
度响应上效果 明显 。
关键词 ： 异步电机 ； 弱 磁 控 制 ；转 矩 优 化 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ ３ ０ １ ． ２ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ６ ５ ４ ０ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ － ０ ０ １ ７ － ０ ５
Ｔｏ ｒ ｑ ｕ ｅ Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｉ ｎ ｇ Ｆｉ ｅ ｌ ｄ－ Ｗｅ ａ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｏ ｎ Ａｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ
异步电机弱磁区转矩最大化策略
异步电机弱磁区转矩最大化策略摘要异步电机因其结构简单、控制方便及其鲁棒性，使其在电机驱动系统中占据重要的地位。
异步电机一个非常重要的应用是在高速区，比如机床、主轴驱动和牵引驱动中，这就要求异步电机在整个运行区域内都能获得高转矩，实现高性能控制。
电动汽车运行过程中频繁的启停、加减速等各种复杂工况的相互切换对异步电机的控制提出更高的要求，既要适应稳态运行，又要兼顾动态需求。
本文针对异步电机弱磁区的控制进行了深入的分析和研究。
本文首先讨论了异步电机矢量控制系统的基本原理。
将三相A-B-C坐标系下具有非线性、多参量、强耦合、高阶时变微分方程的电机模型转化到两相d-q 同步旋转坐标系下，完成对复杂数学方程的简化，实现磁链与转矩的解耦，方便系统的分析和控制。
之后，本文讨论了异步电机运行过程中发生过压、过流、过载时的电压、电流限制方法，并根据电机运行约束条件将电机运行划分为三个区域，根据三个区域的不同特点，提出了能同时适应弱磁区稳态运行和瞬态波动，实现转矩最大化的控制策略。
在弱磁区，充分利用电机和逆变器电压、电流容限，无需d轴电流控制器，通过控制定子电流转矩分量，稳定异步电机高速失步状态，实现稳态工作时转矩最大化。
当电机工作在最大电压的动态需求时，根据速度波动的大小输出一个旋转角，旋转定子电压矢量，产生瞬态电压边缘，确保驱动系统的迅速响应。
同时分析整个驱动系统的能量流动和损耗发生，考虑铁损对电机运行全区域的影响，尤其是在弱磁区，引入铁损补偿机制，提高系统的响应和转矩输出能力，从而提高电机的工作效率。
最后，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，并在LEVDEO电动汽车专用72V/5KW交流异步电机上测试。
仿真和实验证明，该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化，能同时适应稳态运行和瞬态波动，具有很强的鲁棒性。
关键词：异步电机, 弱磁区, 转矩最大化, 瞬态响应, 铁损Torque-maximizing field-weakening control of induction motorsAbstractThe induction motor plays an important role in variable drive systems, which owes to its simple construction, convenient control and ruggedness. Operation at field weakening is required for applications like machine tools, spindle drives and traction drives. So i t’s necessary for induction motor to obtain high torque and achieve high performance in all ranges. Frequent start-stop, accelerate-decelerate and many other complicated situations often occur in electric vehicle, which calls for higher demands to the control system. We should consider both the steady-state and transient requirement. The paper focuses on the key control techniques of high drives for induction motors.Firstly, the paper discusses the basic principles of vector control for induction motor. In A-B-C coordinate system, the motor model equations are series of multi-variable, nonlinear, strong-coupling, high-order, and time-varying differential equations. So we transform the three-phase static coordinate system to d-q coordinate system, which realizes the decoupling between the flux linkage and torque, brings convenience to the analysis and control of the system.Then, the paper discusses the limiting methods when over-current, over-voltage, over-load occurs. The current and voltage limiting conditions permit defining three different operating regions. Based on the different characters of three regions, we present the control scheme. The proposed method fully exploit the machine and converter capabilities without the use of d-axis current controller. Maximum torque production in a higher speed range of field weakening is achieved by stabilizing the operating point at the pullout point through the q-axis component of the current applied across the stator. Operation at the voltage limit to dynamic changes, a temporary voltage margin is therefore created in a dynamic condition by deviating the trajectory of stator voltage vector which improves the transient response of the system. Iron losses, which are traditionally ignored in the vector control scheme, increase rapidly in the high speed ranges and affect the magnitude of rotor flux and outputtorque. The compensation of iron losses is necessary to ensure the torque maximized and promote the work efficiency of induction motor.Lastly, the paper builds up the model in MATLAB/Simulink and tests on the LEVDEO 72V/5KW induction motor. Simulation and experiments results prove that the proposed scheme provides good performance on the steady-state and transient，get the torque maximized in the field weakening ranges.KEY WORDS:Induction Motor, Field Weakening, Maximum Torque, Dynamic Requirement, Iron Loss目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景与意义 (1)1.2 异步电机弱磁区控制研究现状 (2)1.3 本文提出的异步电机弱磁区控制策略 (3)第二章异步电机数学模型及矢量控制系统 (4)2.1 三相坐标系下数学模型 (4)2.2 两相坐标系下数学模型 (6)2.2.1 三相转两相坐标变换 (6)2.2.2 任意两相旋转坐标系下数学模型 (7)2.2.3 两相静止坐标系下数学模型 (8)2.2.4 两相同步旋转坐标系下数学模型 (10)2.3 异步电机转子磁场定向控制 (10)2.4 本章小结 (12)第三章异步电机运行约束分析 (14)3.1 异步电机电流约束 (14)3.2 异步电机电压约束 (14)3.3 异步电机运行区域划分 (16)3.3.1 定子电阻对电压限制的影响 (16)3.3.2 电机运行区域的划分 (17)3.4 本章小结 (18)第四章异步电机弱磁区转矩最大化策略 (19)4.1 弱磁区稳态转矩最大化策略 (19)4.1.1 弱磁一区控制策略 (19)4.1.2 弱磁二区控制策略 (20)4.2 基于瞬态响应的鲁棒性设计 (23)4.3 考虑铁损的补偿机制 (24)4.3.1 驱动系统损耗分析 (24)4.3.2 考虑铁损的补偿方案 (25)4.3.3 等效铁损电阻的测量 (28)4.4 整体控制架构 (30)4.5 本章小结 (30)第五章仿真及实验分析 (31)5.1仿真研究 (31)5.1.1 仿真模型概况 (31)5.1.2 考虑瞬态响应的控制仿真 (34)5.1.3 考虑铁损补偿的控制仿真 (35)5.2 实验研究 (37)5.2.1 系统硬件测试平台 (37)5.2.2 系统软件测试平台 (39)5.2.3 瞬态响应系统测试 (42)5.2.3 铁损补偿机制系统测试 (42)5.3 本章小结 (43)第六章总结与展望 (44)参考文献 (45)作者简介 (48)致谢 (49)图表清单图2.1 A-B-C坐标系下的异步电机等效物理模型 (4)图2.2 3s-2s变换 (6)图2.3 2s-2r变换 (7)图2.4 异步电机T e- s曲线 (12)图3.1 定子电流参考矢量限制 (14)图3.2 定子电压参考矢量限制 (15)图3.3 电机全运行范围内的约束条件及R s对电压限制的影响 (16)图3.4 异步电机全运行区域内的参数特性 (18)图4.1 弱磁一区控制策略 (19)图4.2 高速时编码器信号图 (20)图4.3 失步转矩T ep示意图 (21)图4.4 不同工作区域的视在功率轨迹 (21)图4.5 弱磁二区控制策略 (22)图4.6 瞬态响应机制控制框图 (24)图4.7 驱动系统的能量转换和损耗分析 (24)图4.8 考虑铁损的异步电机等效电路 (26)图4.9 铁损补偿机制控制框图 (28)图4.10 异步电机T型等效电路 (29)图4.11 P′-V s2曲线 (29)图4.12 考虑暂态响应的异步电机弱磁区转矩最大化控制架构.. 30 图5.1 仿真模型整体结构 (31)图5.2 MotorControl模块图 (32)图5.3 FOC模块图 (32)图5.4 Motor模块图 (33)图5.5 仿真模型中异步电机参数 (33)图5.6 考虑瞬态响应的仿真模型 (34)图5.7 角度补偿对速度阶跃命令的瞬态响应仿真 (34)图5.8 角度补偿前后的电角度示意图 (35)图5.9 考虑铁损补偿机制的仿真模型 (36)图5.10 铁损补偿对速度的影响仿真图 (36)图5.11 铁损补偿对转矩、转子磁链影响仿真图 (37)图5.12 硬件测试平台 (37)图5.13 控制系统模型框架 (39)图5.14 底层程序框架 (41)图5.15 监控设备 (41)图5.16 角度补偿前后速度响应实验图 (42)图5.17 铁损补偿前后电机外特性曲线实验图 (43)表5.1 实验用控制器技术参数表 (38)表5.2 实验用异步电机参数表 (38)表5.3 电涡流测功机参数表 (39)第一章绪论1.1 课题研究背景与意义传统汽车所带来的尾气污染和能源减少使其发展受到严重阻碍，新能源汽车已逐渐成为世界汽车领域的发展方向。
异步电机直接转矩弱磁控制研究
异步电机直接转矩弱磁控制研究
在高速列车用感应电机直接转矩控制系统中，有时需要电机工作在高
于额定转速的情况，对于感应电机，可以通过弱磁控制达到比较高的速度要求。
在弱磁阶段，电机的转矩性能主要取决于电机的控制策略,其方法和基速也有所不同。
其一，在弱磁范围内不是恒转矩调速，而是恒功率调节; 其二，在弱磁范围内，都是全电压工作，没有零电压状态，工作电压在整个区段中起作用。
传统的直接转矩控制弱磁方法是在弱磁区将定子磁链参考值与转速成反
比变化。
定子磁链参考值的过高过低，都会导致输出转矩的下降。
传统的弱磁
方法不能在已有的限制条件下获得电机的最大转矩输出能力[ 2] 。
文献[ 3] 提出了基于电压闭环控制的弱磁方法,是基于转子磁链定向的方案，不适合于定子磁链定向的方案。
文献[4] 提出了最大转矩弱磁控制算法，但是其算法过多的依赖于电机参数，如电机电阻、漏感和互感,这些参数都有可能影响弱磁的性能。
文献[ 5] 提出了鲁棒弱磁控制算法，但是只针对转子磁链进行给定的，而且对于一些低惯性的电机很难取得很好的电机性能。
越来越多的研究正在向定子磁场定向方面进行转移，电机的性能受电机
参数的影响很小，定子磁链相对于转子磁链易观测。
论文在深入分析异步电机
直接转矩控制系统弱磁控制原理的基础上，提出了一种弱磁控制策略，保证升
速过程中输出最大转矩，实现快速升速。
并通过仿真研究进行验证。
1 异步电机的数学关系
定子磁链下的电机方程如下所示:
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
仅供参阅！。
异步电机直接转矩控制策略
DTC策略的高性能算法改进
无差拍控制
采用无差拍控制技术，减少转矩和磁链的脉动，提高动态响应性 能。
空间矢量调制
引入空间矢量调制技术，优化电压矢量分配，降低谐波损耗，提高 运行效率。
滑模变结构控制
采用滑模变结构控制方法，增强系统的鲁棒性，抑制参数摄动和干 扰影响。
基于先进控制理论的DTC策略优化
1 2 3
控制方法
DTC采用滞环比较器和开 关表进行非线性控制，而 传统矢量控制通常采用PI 调节器等线性控制方法。
响应速度
DTC具有更快的转矩响应 速度，因为其直接控制转 矩而无需经过电流环。
DTC策略的优势与局限性
优势 01
• 快速转矩响应：DTC策略能够实现对电机转矩 的快速、精确控制。
02
• 简单实现：相较于其他复杂控制策略，DTC策 略实现起来较为简单，成本较低。
无速度传感器DTC策略
无速度传感器原理
该方法通过观测电机的电流、电 压等易测量，估计电机的速度和 位置，实现无需速度传感器的直
接转矩控制。
优点
无需安装速度传感器，降低了系 统成本和复杂度，提高了系统的
可靠性和适应性。
缺点
由于速度和位置的估计是基于电 机参数的，因此参数准确性和鲁 棒性对控制性能影响较大。同时
工作原理
当定子绕组通入三相交流电时，会在气隙中产生旋转磁场。这个旋转磁场与转子导体产生相对 运动，从而在转子导体中产生感应电动势和感应电流。根据楞次定律和左手定则，感应电流与 旋转磁场相互作用产生电磁力，驱动转子转动。
异步电机在电力系统中的应用
01 拖动各种生产机械
异步电机由于结构简单、维护方便、价格适中， 被广泛应用于拖动各种生产机械，如风机、水泵 、压缩机、机床等。
异步电机的直接转矩控制
通过磁通减弱速度的操作来研究对异步电机直接转矩控制概要-对于异步电机直接转矩控制，弱磁运行时需要当电机的运动速度超过额定速度。
确定弱磁运行点的关键是速度的控制。
在本文中，定子磁链的定义是通过最大平均同步速度来直接控制算法以及计算公式。
在此基础上，通过torque-slip定子磁场来定向控制模型的建立。
弱磁运行区域可通过2个必要条件，最大平均同步转速和扭矩必须分别超过额定转速和阻尼力矩（阻尼转矩和负载转矩时加载），并且弱磁运行点是根据定子铁芯确定的。
功率和电流的公式，分别给出了弱磁通过运行点来检查安全领域的。
实验结果证明了文中方法的正确性和有效性来确定弱磁的。
关键词—直接转矩控制，弱磁，感应电机。
一、简介直接转矩控制（直接转矩控制）已发展为一个新的技术的交流驱动器[ 1]-[ 2]。
今天，直接转矩控制和风险投资（向量控制）已成为最常用的方法在交流传动控制领域[ 3]-[ 7]。
与传统的磁场定向控制技术，直接转矩控制算法不需要坐标变换和脉宽调制调节器，从而使控制策略与结构变得简单。
在直接转矩控制提出和发展后[ 8]，该算法也被发扬光大在永磁同步电机[9]和[13 - 17]无刷直流电机控制领域。
电机在弱磁区的运作所需的许多应用中，[ 18 ]提出了最大转矩电流控制比方案，并在[ 19]永磁同步电机直接转矩控制，弱磁运行中进行分析。
对于无刷直流电机弱磁的运行，[ 20]和[ 21]已经作出的假设磁场分别是班轮和正弦。
[ 22]用谐波分析方法，它采用d - q 模型分析了基波和谐波。
在本文中，定子磁链最大平均同步速度被定义，然后给出的估算公式之间的关系和对定子磁链给定最大平均同步转速和定子磁链振幅的分析，因此第一个必要条件异步电机磁通减弱的速度也就是定子磁链在弱磁点最大平均同步速度必须大于电机运行速度。
然后torque-slip异步电机模型推导出最大平均同步速度，其中第二个必要条件，异步电动机的磁通减弱操作速度被获得，最大平均同步速度在弱磁点的扭矩必须大于阻尼力矩（当加载时的阻尼转矩和负载转矩）对于被两个必要条件和最佳的弱磁运行点获得的弱磁区的定子铁芯做出的利用分析。
三相异步电机弱磁
三相异步电机弱磁三相异步电机弱磁控制：原理、问题与解决方案一、弱磁控制的原理三相异步电机是一种广泛应用于工业和家庭用电动机的设备。
其工作原理基于电磁感应定律，通过气隙中的磁场与转子电流相互作用产生转矩，从而驱动转子旋转。
在异步电机中，磁场是由电源电压产生的，因此调节磁通也就意味着调节电压。
然而，单独改变磁通是不可能的，因此需要采用弱磁控制来达到调速的目的。
弱磁控制主要是通过调节电机的磁通来达到调速的目的。
当电机转速升高时，反电动势也会随之增加，导致定子电流减小。
此时，如果保持电压不变，则磁通会相应减小，导致电机转速进一步升高。
为了保持电机的转速稳定，可以通过降低电源电压来减小磁通，从而实现弱磁控制。
二、弱磁控制的问题在进行弱磁控制时，电压扩展区域可能存在两个问题：过调制导致的转矩脉动和电压裕度不足导致的电机动态性能下降。
过调制是指电机在低速时产生的转矩脉动过大，这会影响电机的平稳运行。
而电压裕度不足则是指在电机高速运行时，逆变器的母线电压已经达到极限值，无法再继续升高，从而限制了电机的动态性能。
三、解决方案为了解决这些问题，通常会通过降低异步电动机的磁链来实现弱磁控制。
降低磁链可以减小反电动势，从而降低定子电流和转矩脉动。
此外，电机的运行状态主要受限于逆变器的母线电压与逆变器所能承受的最大电流。
因此，需要进行相关的技术控制，使电机的运行状态束缚在有限的范围内，同时又能满足转矩和转速的输出需求。
四、总结三相异步电机弱磁控制是电机调速中的一种重要方法。
通过降低电源电压来减小磁通，可以实现电机的调速。
然而，在弱磁控制过程中，需要注意过调制和电压裕度不足等问题，并采取相应的解决方案来提高电机的性能和稳定性。
异步电机弱磁区转矩最大化策略
异步电机弱磁区转矩最大化策略杨阳;王庆年;龚依民;田恬【摘要】When an induction motor operates in the field weakening ranges , the output torque reduces while the speed increases .How to get the maximum torque becomes the main target .Based on the control schemeof rotor-flux-oriented, the proposed method fully exploited the machine and converter capabilities without the use of d-axis currentcontroller .Maximum torque production in a higher speed range of field weakening was achieved by stabilizing the operating point at the pullout point through the q -axis compo-nent of the current applied across the stator .Operation at the voltage limited to dynamic changes , a tem-porary voltage margin was therefore created in a dynamic condition by deviating the trajectory of stator voltage vector which improved the transient response of the system .Iron losses, which are traditionally ig-nored in the vector control scheme , increased rapidly in the high speed ranges and affected the magnitude of rotor flux and output torque .The compensation of iron losses is necessary to ensure the torque maxi-mized.Simulation and experiments results prove that the proposed scheme provides good performance on the steady-state and transient ,and get the torque maximized in the field weakening ranges .%异步电机工作在弱磁区时,转矩随着转速的升高急剧下降,在转子磁场定向系统中,充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制,无需d轴电流控制器,通过调节q轴分量,稳定高速失步状态,实现弱磁区转矩最大化.异步电机在电压极限状态遇到干扰时,通过旋转定子电压矢量产生动态电压边缘,提高系统的瞬态响应.当异步电机运行在弱磁区,铁损增大,影响电机的磁链水平和转矩输出,引入铁损补偿机制,确保弱磁区的转矩最大化.仿真和实验证明,该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化,且具有很强的鲁棒性.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2017(021)012【总页数】9页(P51-59)【关键词】异步电机;弱磁;转矩最大化;瞬态响应;铁损【作者】杨阳;王庆年;龚依民;田恬【作者单位】吉林大学汽车工程学院,吉林长春130021;吉林大学汽车工程学院,吉林长春130021;吉林大学物理学院,吉林长春130012;吉林大学物理学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TM343异步电机因其结构、控制简单及其鲁棒性，使其在电机驱动系统中占据重要的地位。
电动汽车用异步电机弱磁运行的最大转矩控制
当 C 点是电压限制 圆与电流限制圆 的交点
时, 联立式 ( 6)和式 ( 7)可进一步求得:
X1
=
1 RL s
1 + R2 Vsm 2 Ism
( 10)
为了充分利用母线电压, 采用恒压弱磁控制
策略。此时若电机转速不变, 由式 ( 4)可知: 区域
1中, 增大转矩电流分量 iq, 则 |usd |随之增大, 而 usq随之减小, 输出转矩随之增大; 例如, 工况从 A 点移至 B 点, 则 F 也由 F1 增大至 F2。区域 2中, 转矩电流分量 iq 增大时, |usd |随之增大, 而 usq随 之减小, 输出转矩随之减小; 如工况从 C 点移至 D 点, 则 F 也由 F3 减小至 F 2。电机转速变化时的 分析与上述分析类似。
上述分析表明: 在满足电流限制的条件下, C
点是电机能够获得的最大转矩输出能力工作点。
在电机的恒转矩运行区和弱磁区域 1, 转矩电流 分量 isq的大小变化与电机输出 转矩的变化趋势 是一致的; 而在区域 2, 由于 C 点对应电机的最大
转矩输出能力, 此时转矩电流分量 isq的大小变化 与电机输出转矩的变化趋势相反。
T e = K v usd usq
( 8)
其中, K v =
-
1.
5np
RL
Lm2
rL
2 s
X2e。
设 F = T e /K v = usd usq, 则在某一转速下, F 与
电机转矩的大小成正比。
2 异步电机弱磁运行分析
根据式 ( 4)和式 ( 6), 异步 电机在 |usd | - usq 平面上的电压限制圆、电流限制圆及运行轨迹如 图 1所示。其中, F 族曲线与电压限制圆的交点 是电机在该转矩和转速 下的工作点。A、B、C、D 为电机弱磁运行时, 不同转速下的运行工作点, 其 中, F1 < F2 < F3。
异步电机直接转矩控制策略研究
在实际应用中，还需要考虑异步电机及其控制系统的硬件设计、电磁兼容性、热损耗和安全保护等问题，以确保整个系统的性能和可靠性。
本文所提出的控制策略主要针对异步电机，对于其他类型的电机如直流电机、永磁同步电机等尚未进行研究和比较，未来可以进一步拓展研究范围，探索不同类型电机的最优控制策略。
THANKS
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研究现状
随着技术的不断发展，对异步电机控制策略的研究也在不断深入，未来将会有更加先进的控制策略应用于异步电机控制中，进一步提高电机的性能和效率。同时，随着人工智能、机器学习等技术的不断发展，这些技术也将被应用于异步电机控制领域，为电机控制策略的研究带来新的思路和方法。
发展趋势
异步电机直接转矩控制理论基础
控制系统的性能指标
异步电机直接转矩控制策略研究
03
电压型直接转矩控制策略是通过控制异步电机的定子电压，以实现对其电磁转矩的直接控制。
电压型直接转矩控制策略
控制原理
该策略通过观测异步电机的转速和转子位置，计算所需的电磁转矩，进而调节定子电压以达到控制要求。
控制流程
电压型直接转矩控制策略具有控制简单、易于实现等优点，同时能够适应非线性负载和复杂环境。
实验结果分析
控制策略比较
将提出的控制策略与其他常用的控制策略进行比较，评估其性能和优势。
控制策略优化
针对实验结果进行分析，对控制策略进行优化，提高控制效果和性能。
讨论
对实验结果进行深入讨论，分析不同控制策略下的性能差异和优缺点，为进一步改进提供依据。
控制策略比较与讨论
结论与展望
05
本文提出了一种新的异步电机直接转矩控制策略，该策略基于矢量控制理论，通过直接控制转矩和磁通来实现对异步电机的精确控制。
一种异步电机定子磁链弱磁控制方法
输出能力依赖于控制策略, 参考磁链过高或过低 都 将导致输出转矩下降。传统的弱磁方法不能在已有 的限制条件下获得电机的最大转矩输出能力[ 6] 。文 献[ 7] 和文献[ 8] 分别提出的基于电压闭环控制和稳 态电机方程的弱磁方法, 能够输出最大转矩, 却都基 于转子磁链准确定向, 不适合需要定子磁链闭环的 方案。文献[ 9] 提出的方法避开了复杂的电机方程, 却需要引入电压电流调节器来控制定子磁链给定。
用文献[ 10] 所述的间接转矩控制方案, 对异步电机
直流电机系统进行了仿真和实验研究。
实验平台 中主电路为三 相两电平电压型 逆变
器, 控 制 电 路 的 核 心 由 TMS320C32 主 控 芯 片 和 FPGA( Field Programmable Gate Array, 即 现场可编程
门阵列) 构成, 控制周期为 200%s。采用离散模型进
图 2 为电机从静止开始加速到 3 倍额定转速的过程
中, 电机输出的电磁转矩和定子磁链幅值的变化情
况。所有 变量均 为标 么值, 其 中电 磁转矩 基值 为
26#53N!m, 定子磁链基值为 1#71Wb。可以看出, 弱 磁区, 使用本文方法电机的电磁转矩输出大于传统
的转速反比法, 且整个过程过渡平滑。如图 2 中虚
Iq
( 10)
i* sd=Um Nhomakorabeax2
- ( L∀s Imax ) 2
e
L
2 s
-
L
∀2 s
;
i = * sq,m ax
降功率区
I2 max
-
i* 2 sd
电动汽车用异步电机弱磁运行的最大转矩控制
《 电机 与控制心用￣ ０ ６ ３ （２ ２ ０ ，３ １ ）
电动汽 乍用异步 电机弱 磁运行的最大转矩 控制
电机 的稳 态 电压方 程 ：
Ｍ ＝一 ｃ ｒ ｉ Ｌ Ｍ ＝ Ｌｉ … （） ４ （） ５
将“ ＝“ ＝ ／ 代 入 式 （ ） 式 （ ） 可 ４ 和 ５ ，
ｔ ｌ ｔ ｄｗ ｓｐｏｏｅ ｒ ｈ ｉ ｄｗ ａ ｅｉ ｌ ｓｎ ｈｏｏｓｍ ｔｒ ｏｓｔｉ ｔｅｈ ｈｒｔ ｑ ｅｏ ｔｕ ｏ ｍ ｔ ｒ ｈ ａ ｒｐｓｄｆ ｅｆｌ ｅｋ ｎ ｇｅ ａｙ ｃｒｎｕ ｏ ａ ｓ￣ ｈ ｉ ｅ ｒｕ ｕｐ ｔ ｆ ｏ ｒ ｏ ｍｅ ｏ ｏｔ ｅ ｎ ｏ ｔ ｉ！ ｇ ｏ ｏ
维普资讯
电动汽车用异 步电机弱 磁运行 的最 人转矩控 制
《 电机 与控制应用 ）０６３ （ ２ ２０ ３ １ ）
，
蓬
电 汽车用 动 异步电 磁运 机弱 行
的最 大 转 矩控 制
窦汝振 ， 吴 志新 ， 赵 春 明 （ 国汽 车技 术研 究 中心 ， 中 天津 ３０６ ０ １ ２）
摘
要 ：对异步电机 的弱磁 运行 作 厂深入分析 ， 出 厂弱磁运行 Ｉ 最 人转矩柠 制的实现 方法 ， 给 卜 ｆ 町满 足电
动汽 车对 电机驱动 系统 的『 岛转矩输 ｝要求 ， ｆ ｊ 实现 法简 可靠 。碑 沦分析和仿真结果都验 证了ｌ 亥方法 的正确
性和 Ⅱ行性 。 ｆ 关键词 ：异步电机 ； 弱磁 ； 矩控 制 转
中图分类号 ： Ｍ ０ ．： Ｍ ４ 文献标识码 ： 文章编 号 ：６３６４ （ ０ ６ １ － ４ －３ Ｔ ３ １２ ｒ ３ ３ Ａ １７ —５ ０ ２０ ）２０ ００ ０
Ｍ ａ ｉ ｕ ｒ ｕ ｎｔｏ ｏ ｅｄ Ｗ ｅ ｋ ｎｉ ｇ Ｏｐｅ ａ ｉ ｎ ｘｍ ｍ Ｔｏ ｑ ｅ Ｃｏ ｒ ｌｆ ｒ Ｆｉｌ ａ ｅ ｎ ｒ ｔｏ
永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究
永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究摘要：永磁同步电机作为一种新型的高效率电机，广泛应用于各个领域。
然而，在一些应用场景下，如机械载荷突变、运行参数的快速变化等，永磁同步电机的直接转矩控制存在一定的局限性。
为解决这个问题，本文针对永磁同步电机直接转矩控制中的转矩控制策略进行了研究和分析。
通过对永磁同步电机工作原理及转矩控制策略进行深入研究，提出了一种基于弱磁模型的转矩控制方法，旨在提高永磁同步电机在快速变化负载的工况下的运行性能。
关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；弱磁模型；运行性能第一章引言永磁同步电机作为一种高效率、高功率密度的电机，具有转矩密度大、响应时间短等优点，已被广泛应用于汽车、船舶、风力发电等领域。
然而，在一些特殊的工况下，如机械载荷突变、运行参数的快速变化等，直接转矩控制策略存在转矩跟踪性差、系统不稳定等问题。
因此，研究永磁同步电机直接转矩控制策略，提高其在复杂工况下的运行性能，具有重要的理论和应用价值。
第二章永磁同步电机工作原理2.1 永磁同步电机结构及工作原理2.2 直接转矩控制策略简介2.3 存在的问题及其原因第三章转矩控制策略研究3.1 弱磁模型理论在弱磁模型理论中，通过引入额外的励磁电流，使磁场的强度减小，从而实现转矩控制。
该方法能够有效地应对转矩的突变，提高了系统的鲁棒性和稳定性。
3.2 弱磁模型在直接转矩控制中的应用在直接转矩控制策略中，通过优化弱磁模型的参数，使永磁同步电机在变化负载下有更好的控制效果。
通过实验验证，该方法能够提高永磁同步电机的转矩响应速度和跟踪性能。
第四章实验与结果分析4.1 实验平台及参数设置4.2 弱磁模型的控制效果分析通过对永磁同步电机在不同负载下的实验测试，对比分析了传统直接转矩控制与弱磁模型转矩控制的性能指标，结果显示弱磁模型转矩控制方法在转矩响应时间和跟踪性能上均优于传统方法。
第五章结论与展望通过研究与实验分析，本文提出了一种基于弱磁模型的永磁同步电机直接转矩控制策略。
异步电机直接转矩控制策略
汇报人：日期:CATALOGUE 目录•异步电机概述•直接转矩控制（DTC）策略简介•异步电机DTC策略的实现方法•异步电机DTC策略的性能优化•异步电机DTC策略的应用案例与未来展望01异步电机概述异步电机的定义和工作原理定义异步电机，又称感应电机，是一种基于电磁感应原理工作的电动机。
与同步电机不同，异步电机的转子速度与定子磁场旋转速度存在一定的转速差。
工作原理当定子绕组通入三相交流电时，会在气隙中产生旋转磁场。
这个旋转磁场与转子导体产生相对运动，从而在转子导体中产生感应电动势和感应电流。
根据电磁感应原理，这个感应电流会与旋转磁场相互作用，产生电磁力，驱动转子转动。
发电机的励磁异步电机可以作为发电机的励磁机，通过控制励磁电流来调节发电机的输出电压和频率。
电力系统的调峰填谷异步电机可以作为电力系统的调峰填谷手段，通过控制其运行状态来调节电力系统的有功功率和无功功率。
拖动各种生产机械异步电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，因此被广泛应用于拖动各种生产机械，如风机、水泵、压缩机等。
异步电机在电力系统中的应用异步电机控制的重要性提高运行效率01通过采用先进的控制策略，可以提高异步电机的运行效率，降低能耗，实现节能减排。
改善电能质量02异步电机的运行状态直接影响到电力系统的电能质量。
通过有效控制异步电机，可以减少谐波、降低电压波动和闪变，提高电能质量。
增强系统稳定性03异步电机作为电力系统的重要组成部分，其稳定性对于整个系统的稳定运行至关重要。
采用适当的控制策略，可以提高异步电机的稳定性，增强整个电力系统的稳定性。
02直接转矩控制（DTC）策略简介电压矢量选择DTC策略中，根据电机的当前状态和期望的转矩，选择合适的电压矢量来驱动电机。
这种选择通常基于查找表或者优化的算法。
原理概述DTC策略基于电机的电磁转矩方程，通过直接调节电机的电压矢量来控制转矩，从而实现对电机速度和位置的精确控制。
转矩和磁链观测为了实时调节电机的转矩，DTC 策略需要实时观测电机的转矩和磁链。
浅析异步电机直接转矩控制
经 过磁链控 制 的 ｌ Ｉ 可 近似地 看作 是恒 定的 ，而在足够 小 的 △ｔ 内，可 以认为 Ｉ 也是恒定的。那么，式 （ １ Ｏ ） 两边对时 间ｔ 求导可得：
电机存定子ｄ — ｑ 坐标 系下的电压方程 为 ：
¨ ； ｄ ｌ １ Ｒ ＋ Ｌ Ｐ
“ Ｕｒ ｄ
电机 的运动方程为 ：
ｅ ｒ 【 ４ ｊ
式 中： Ｓ 、 ｒ 分别代表 电机定子和转子的全磁链 矢量。 Ｕ Ｓ 、ｕ ｒ 分别代表定子和转子电压矢量 。 ｉ ｓ 、ｉ ｒ 分别代表定子和转子 电流矢量。 Ｒ ｓ 、Ｒ ｒ 分别代表定子和转子 电阻。 Ｌ ｓ 、Ｌ ｒ 和Ｌ ｍ 分别代表定子和转子的全 电感及 定、转子 间的互感 。 。为电机 转子 电角速度 。 Ｔ ｅ 为 电机 电磁转矩 。 Ｎ ｐ 为 电机极对数 。 Ｔ ｆ 为 电机 负载 。 ｐ ＝ ｄ ／ ｄ ｔ ，称为Ｐ 算子 。 式（ １ ） ～（ ４ ） 组成 了异步 电动机的基本方程式。 ３ ． 直接转矩控制 电磁转矩 可表 示为：
＝
Ｎｐ ｘ ｉ ｓ
（ ５ ）
在 定子三相轴 系中，定子磁链和转子磁链空 间磁链可表示为：
‰
＼嘶
￡ 。 ＋￡ 三 ‘＋ 厶‘ 由式 （ ７ ） ，可得 ：
＝ ＝
（ ６ ） （ ７ ）
＼
Ａ
ｉ ｒ ＝ ÷（ 一 ）
将式 （ ８ ） 代入 式 （ ６ ） ，可将定子 电流空间矢量表示为：
程 如下：
转矩的大 小仅 由负载 角 ６ 决定 。只要控 制了转子磁 链的旋转速度 ，就 能控制 ６ 大小 ，也就是能够控制转矩 。 （ １ ） 磁链控制 磁链 控制 的 目的就 是根据 估算 出的磁链 判断磁链 运动 轨迹 的位置 （ 也就是磁链所在 的扇 区） 以及磁链滞环的输 出信号 ，来选择 正确的 电压 空间矢量，控 制磁链基 本按 照圆形轨迹旋转 。 （ ２ ） 转矩控制 原理
异步机在弱磁区的最大输出转矩控制
整 理后 得 ：
『 ＋ ‘≤
【 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ＋ ≤ Ｖ ２
收 稿 日期 ：０ １— ９— ７ 修 回 日期 ： ０ １—１ ２１ ０ ２ ； ２１ ０—２ ４ 基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ７ １２ ； 南 理 工 大 学 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 （０ ９ Ｚ ０ ３ 国 ６９３３ ）华 ２０ Ｚ ０ ５ ）
（ ｃ ｏｌｏ ｕｏ ｔ ｎ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ｕｈ ｈｎ ｎｖｒｉ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ， Ｇ ａ ｇｈ ｕ Ｓ ｈ ｏ ｆ Ａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ， ｏ ｔ ｍａ ｏ ｅ ｎ Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓｙ ｏ ｅｈ ｏ ｙ ｔ ｏ ｕ ｎ ｚｏ ５ ０４ １ ６ ０，Ｃ ｉａ ｈｎ ）
② 基 于 电压 闭环 的 弱 磁控 制 方 法 。 第 一种 方 法 由于
励磁 电流 是 人 为 给 定 ， 方 法 与 个 人 的 经 验 有 很 大 该
关系 ， 很难 达 到 当前 工 况下 的最 优 控 制 ； 二 种 方 第
法不 依赖 于 电机 参 数 ， 较 强 的鲁 棒 性 ， 传 统 的 电 有 但
０ 引 言
电机 速度 在 基 速 以 下 时 磁 通 恒 定 ， 最 大 输 出 其
转 矩 公 受 逆 变 器 最 大 允 许 输 出 电 流 的 限 制 ； 机 速 电 度 在基 速 以上时 ， 于受 电机 绕 组 端 电 压 的 限 制 ， 由 随 着 绕 组 反 电 势 的 增 加 ， 须 进 行 弱 磁 控 制 ， 实 现 电 必 以
２ ≤
，
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基于最大转矩控制的异步电机直接转矩弱磁控制方法李迅;刘五陵;桂卫华;喻寿益【摘要】提出一种基于最大转矩控制的弱磁控制方法,用于异步电机直接转矩控制的弱磁运行,其基本思想是在弱磁阶段采用六边形磁链轨迹,使磁链给定值跟随转矩变化磁链自发削弱,转矩给定值限幅.该方法不需要精确的异步电机运行参数,能实现弱磁运行方式进入和退出的平滑过渡.在整个运行过程中将定子磁链给定值限制在设定区间,在不同的速度区段修改定子磁链给定值,不需要复杂计算.仿真结果表明:异步电机直接转矩控制系统在弱磁升速和降速过程中的运行性能得到改善；在弱磁运行到同一速度时,弱磁升速或降速过程中输出转矩小和过渡时间长的问题得到有效解决,六边形磁链和圆形磁链之间能够平滑过渡.%A new control scheme for flux-weakening operation of direct-torque-control induction motor drive was proposed. Its philosophy is to adapt hexagon flux track and make the flux reference respond to the change of the torque, thus weaken the spontaneous flux and limit the torque reference. The smooth transition into and out of the flux-weakening operation mode can he realized without any work parameters of the induction motor. The stator flux value is also restricted by a setting value in the whole process. It is easy to realize the control strategy by giving the flux reference in different speed stages without complicated calculation. Simulation verifies that the application of the control strategy improves the high speed performance of direct torque control effectively. With the premise of accelerating to the same speed, the problems of small output torque and long time for speed-up or slow-down are solved remarkably, and the smoothly transition between hexagon flux track and circular flux track is also implemented.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)001【总页数】7页(P177-183)【关键词】异步电机;直接转矩;弱磁;最大转矩【作者】李迅;刘五陵;桂卫华;喻寿益【作者单位】中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆,401326;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TM301.2目前，高速列车多采用异步电动机驱动。
由于需要准确停车和高速运行，要求电机有较宽的调速范围，在变流器有限容量条件下，高于额定转速运行。
异步电动机可以通过弱磁控制来实现。
在弱磁阶段，电机的转矩特性与基速以下调速不同，不是恒转矩调速而是恒功率调速，在弱磁范围内都采用工作电压矢量，而没有零电压矢量[1-3]。
传统的直接转矩控制弱磁方法是在弱磁区将定子磁链参考值跟随转速成反比变化。
定子磁链参考值的高或低都不能使电机产生最大的输出转矩[4-5]。
Sanghoon[6-7]提出基于电压闭环控制的弱磁方法，基于转子磁链定向，不适于直接转矩控制定子磁链定向控制方案。
Casadei[8]提出的方法避开了复杂的电机方程，却引入了电压电流调节器来控制定子磁链给定值。
Xu等[9]提出了最大转矩弱磁控制方法，但该方法过多依赖于电机参数，如电机电阻、漏感和互感等，这些参数在电机运行过程中发生变化，影响弱磁的性能。
Kim等[10]提出了一种鲁棒弱磁控制算法，但该算法修改转子磁链的给定值；列车用低惯性电机难以获得良好性能。
目前，人们对磁场定向方面的研究越来越多[11-16]。
在此，本文作者分析异步电机直接转矩控制系统工作原理，提出一种基于最大转矩的弱磁控制算法，以便在升速过程中输出最大转矩，实现快速升速。
1 异步电动机的数学模型定子磁链定向坐标系下的电机方程为：其中：rs为定子绕组电阻；rr为转子电阻；为定子电压；为定子电流；为转子电流；为定子磁链；为转子磁链；T为电磁转矩；sω为定子磁链旋转角速度；rω为转子旋转角速度；Ls为定子自感；Lr为转子自感；Lm为定转子互感；p为极对数。
将式(1)在d-q坐标系进行分解可得：将式(3)和(4)联立求解得到然后分别代入式(2)得：式中：由此，异步电机在直接转矩控制系统下的电磁转矩方程可以表示成：其中：θ为定子磁链和转子磁链之间的夹角，即磁通角。
在实际运行中，通过调节定子磁链可以充分利用电动机；转子磁链由负载决定。
2 异步电动机直接转矩控制弱磁运行分析异步电动机直接转矩控制的基本思想是：在保持定子磁链不变的条件下，控制电动机定子磁链的运动方向和速度来改变定子磁链与转子磁链的夹角，调节电磁转矩，达到电动机调速的目的。
其基本原理是：采用Band-Band控制直接控制电动机的磁链和转矩，获得转矩和转速的快速响应。
采用开关表控制定子磁链沿近似圆形(或六边形)轨迹运动的直接转矩控制的系统结构框图如图1所示，它包括电流坐标变换、逆变器数学模型、磁链模型、转矩计算、区段辨别和电压矢量选择等单元模块。
根据异步电动机在不同速度范围下运行时的机械功率和磁链等特性，可将它分为不同阶段，如图2所示。
基速范围又称为恒转矩调速，为了研究方便，有时又将它们进一步分为低速范围和中速范围。
区域Ⅱ和Ⅲ对应弱磁运行时的功率范围，其中，Ⅱ对应恒功率范围，Ⅲ对应降功率范围。
在基速范围内，当电机转速低于额定转速的10%～15%时，为了维持磁链幅值恒定以减小转矩脉动，可以控制磁链轨迹为圆形；当转速较高时，采用六边形磁链轨迹控制可以大大减小逆变器的开关频率，减少逆变器开关器件损耗。
图1 异步电机直接转矩弱磁模型框图Fig.1 Structure diagram of induction DTC system with flux-weekening图2 在全速范围内转矩和功率特性Fig.2 Torque and power characteristics in wide speed range2.1 弱磁状态下的转矩给定分析在弱磁过程中，由于电机反电动势低于定子电压极限值，可通过应用零电压矢量和工作电压矢量将转矩控制在滞环宽度内。
工作电压矢量用来增加转矩，当转矩要求满足后则采用零电压矢量。
在直接转矩控制控制算法里，当电机运行在高速状态时，由于电机本身的特点，应当优先考虑磁链跟踪而不是转矩跟踪。
假设某一时刻电压工作矢量由us,d和us,q 组成被激活。
从式(6)可知，只有us,d对磁链有影响。
当us,d＞0时，磁链增加；us,d＜0时，磁链减小。
us,q不仅会影响定子磁链角频率，而且会影响转矩(通过转子角速度)。
在电机稳定运行状态下，由式(8)和(9)得：将式(14)和(15)代入式(13)可得：从式(15)和(16)可知：当ωs＞rω时，转矩T增加，但是，在弱磁领域并不会增加。
实际上，由式(7)可知，对于1个给定的定子磁链，定子磁链角速度与q坐标上的电压相关。
若电机的定子磁链幅值为恒值，则当θ=π/4时，电磁转矩存在最大值：相应的定子磁链转角频率为：由于在实际应用中定子磁链转角频率一般高于，故实际转矩会低于式(17)所示的电磁转矩最大值。
在直接转矩控制系统中，对于1个给定的定子磁链sφ，当时，电机的转矩达到最大。
但在高速状态下，由于定子电压不足，导致sω无法达到因而，对于1个给定的磁链值，不可能获得最大的转矩输出。
考虑到弱磁过程中速度很快，会导致转矩高于最大值，从而造成电机运行不稳定。
若转矩要求一直不满足，则电机的定子磁链不断地减小，直到电机停止运行。
为了防止出现这种情况，考虑到最大转矩正比于转矩给定值应该不大于同时，为了保证定子电流不超过额定电流值，转矩给定值不能高于式中：Trated为额定转矩。
总之，转矩给定值 *T应该满足下面的条件：2.2 六边形磁链轨迹控制随着电机转速升高，逆变器的开关频率相应增加。
为了将开关频率限制在一定范围之内，通常在弱磁控制中采用六边形磁链轨迹。
电机运行于六边形磁链轨迹方式时，6个工作电压空间矢量构成正六边形(如图3所示)。
图3中实线矢量箭头方向前进为顺时钟方向，虚线矢量箭头方向前进为逆时针时钟方向。
当定子磁链幅值和给定值之差在定子磁链滞环宽度内时，则选择与磁链旋转方向一致的电压矢量，否则，就选择相反方向旋转的矢量。
定子电压空间矢量的选择如表1所示。
2.3 弱磁给定的控制图3 正六边形电压空间矢量Fig.3 Hexagonal voltage space vector表1 六边形磁链开关表Table 1 Switch table of hexagonal fluxθφ 0～π/3π/3～2π/3 2π/3～π π～4π/3 4π/3～5π/3 5π/3～2π逆时钟 010 011 001 101 100 110顺时钟 101 100 110 010 011 001根据前面的分析可知：当给定一个初始的磁链给定值sφ时，若sφ过大，则电机就达不到要求的转矩，相应的电机转速也就达不到给定值。
因此，电机转速变化将为弱磁控制提供有用信息，研究认为可利用电机转速对定子磁链进行控制。
考虑到当电机运行到某一速度时(这个速度可能小于额定速度，也有可能大于额定速度，具体由实际情况决定)，由于这个速度仍然小于给定转速，若继续采用相同的方法而不对电机进行弱磁，转矩就不能达到要求，速度不能继续上升，则电机转速将会稳定在该速度附近，并且伴随较大的波动。