直接转矩控制原理
交流电机直接转矩控制基本原理和改进方案详解
交流电机直接转矩控制基本原理和改进方案详解1 前言随着现代电力电子、微电子技术和控制理论的发展，交流调速性能日益完善，足以和直流调速媲美，广泛应用于工农业生产、交通、国防和日常生活。
高性能的交流调速系统中主要有矢量控制和直接转矩控制两种。
直接转矩控制是由德国的Depenbrock教授于1985年提出的。
近年来，结合智能控制理论与直接转矩控制理论，提出诸多基于模糊控制和人工工神经网络的直接转矩控制系统，进一步提高其控制性能。
目前它已成为各种交流调速方法中研究最多、应用前景最广的交流调速方法之一。
2 直接转矩控制基本原理直接转矩控制原理是利用测得的电流和电压矢量辨识定子磁链和转矩，并与磁链和转矩给定值相比较，将其差值输入两个滞环比较器，然后根据滞环比较器的输出和磁链位置从开关表中选择合适的电压矢量，进而控制转矩。
其原理框图如图1所示。
交流电机的转矩表达式如下：式中：δ为定、转子磁链夹角，np为极对数。
转子磁链和定子磁链之间存在一个滞后惯性环节，当定子磁链改变时，认为转子磁链不变。
因此，从式(1)知道，如果保持定子磁链的幅值恒定，通过选择电压矢量，使定子磁链走走停停，改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变定、转子磁链夹角，就能够实现对转矩的控制。
从这里看，直接转矩控制的关键在于如何保持定子磁链恒定和改变磁链夹角。
直接转矩控制自提出以来，各国学者对其进行不断改进，完善性能。
这些方案虽然方法不同、原理各异，但都是期望选取适当电压矢量来保证磁链的圆形轨迹，从而减小脉动。
3 直接转矩控制改进方案3．1 改进磁链辨识方法直接测量定子磁链很麻烦而且成本很高，通常采用一些容易得到的变量(如U、I)来进行估。
第六章直接转矩控制
第二节：定子磁链观测模型的切换
定子磁链的观测是直接转矩控制的核心，无 论是幅值还是相位的不准确，都会使得控制 性能变差
我们前面介绍的是定子电流电压的磁链观测模型， 但是有在低速时误差大的缺点
在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速来正 确计算，因此出现定子电流、转速观测模型
定子电流、转速磁链模型表达式及结构图如下
定子电压矢量与定子磁链
对三相系统而言，空间矢量是这样定义的： 把三个变量看成是三个矢量的模，它们的位置分 别处于三相绕组的轴线上，当变量为正时，矢量 方向与各自轴线方向相同，反之，则取反方向， 然后把三个矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此 矢量即为空间矢量。
在变压变频调速电路中我们讲述过逆变 器主电路的6个开关器件共有8种开关模 式，各种开关模式在α、β坐标系下有对 应的电压矢量。
矢量控制系统
磁链控制
定子磁链
转子磁链
转矩控制 砰-砰控制，有转矩脉动 连续控制，比较平滑
坐标变换 静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂
转子参数变 化影响
无
有
调速范围
不够宽
比较宽
有时为了提高调速范围，在低速时改用电 流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC 系统也有影响。
从上表可以看出，如果在现有的DTC系统和VC 系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够 获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研 究方向。
a1 u1ia1r1dt
1 u1i1r1dt
由此可以得到定子磁链的观测模型
定子磁链观测模型如下图：
uα1
uA
×
uB uc
3/2 uβ1
iA
iα1 r1
iB
3/2 iβ1
总结直接转矩控制-滞环控制总结
蓝色部分还未看关于近期对直接转矩控制技术的学习总结直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是通过磁链观测器确定定子磁链在在空间中的位置及其磁链大小，并且能够保证定子磁链的大小在一定的范围之内，且估算电磁转矩的大小，通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢就可以控制电机定子磁链的旋转速度，从而改变负载角的大小，达到迅速控制电机输出转矩的目的。
2.3 直接转矩控制的发展方向直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。
它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。
由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。
当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开始改变状态，终止电压矢量的作用。
因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。
为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，目前专家提出了几种解决方法。
这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。
一、对传统的直接转矩控制的空间电压矢量开关表进行改进。
以永磁同步电机的直接转矩控制为例，可以在原有的开关表的基础上加上两个零矢量，即000和111，把开关表从4行扩充到6行。
插入了零矢量后，有效地把转矩的变化维持在一定的范围内。
这样，转矩的脉动频率和电压逆变器的开关次数就相应减少了。
此外，有专家提出了把空间电压矢量细分的方法。
把原来的6等份扩大到12等份或者24等份，从而减小转矩的脉动。
但是这两种方案还是存在不足，插入零矢量虽然能有效把转矩维持在一定范围内，却同时使转矩响应变慢了。
这样一来就失去了直接转矩控制转矩响应快的优势。
直接转矩控制
8
快速可靠。 在上述的几项关键技术中，尤以无传感器技术和零速满转矩技术最为重要，
它对于保证挖掘机安全可靠的工作起着举足轻重的作用。 2.技术方案
根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控 制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难 题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需 要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静 态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化 相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和 200%的起动 转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在 这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。 3.直接转矩控制的原理
近年来，大型露天矿山中的装运设备的生产力逐年提高，主要体现在大型电 气设备-挖掘机上。将交流调速系统引入到挖掘机行业上，使电控系统具有了速 度更高、功率更大、可靠性更强、效率更高和维护费用更低的优点。 1. 挖掘机的关键技术
DTC的基本控制原理
ABB变频器中DTC的基本控制原理众所周知，在ABB的交流变频器中，DTC技术已经广泛应用，那DTC究竟是什么东西，它是如何工作的呢？下文我们就介绍一下DTC的基本控制原理。
DTC是英文 Direct Torque Control 的缩写，它是最先进的一种交流传动技术，由ABB公司发展应用成功的。
它将逐步取代传统的脉宽调制（PWM）传动。
它之所以叫做直接转矩控制，是因为它对电动机输出转矩和速度的控制是基于电动机的电磁状态，DTC与直流传动的控制相似，但与传统的脉宽调制控制完全不一样。
传统的PWM控制是基于电压和频率的控制方式。
关键词：DTC，速度控制环，转矩控制环，电机模型下面我们就根据框图逐步介绍一下DTC控制的基本原理。
Figure 1, 直接转矩控制(DTC)的控制原理框图.Figure 1: DTC 由两个关键部分组成：: Speed Control and Torque Control框图表明，DTC有两个基本部分： Torque Control Loop（转矩控制环）和the Speed Control Loop（速度控制环）. 现在我们根据框图分七步来逐步介绍每个基本部分以及它们是如何集成到一起的。
我们先从转矩控制环（Torque Control Loop）说起。
Figure 2 转矩控制环结构框图1.电压电流的测量正常情况下，电机的两相电流、直流电压是和变频器功率元件的导通位置是同时测量的。
2. 自适应电机模型来自电机的测量信息反馈到电机模型。
该电机模型非常复杂，但也只有这样复杂的电机模型才能对电机的数据进行精确的计算。
在运行DTC传动装置之前，首先需要将电机的一些参数诸如：定子电阻、公共阻抗、饱和系数等等输入到电机模型里。
这些参数是不需要手动输入的，而是在我们把正确的电动机铭牌数据输入到变频器后，再进行电动机识别运行后，它们就会自动输入到电机模型里。
当然，电机模型参数的识别也可以在不转动电机转子的情况下进行。
直接转矩控制的原理框图
直接转矩控制的原理框图
直接转矩控制的工作过程为:
被测信号有两个，即Us、和Is。
这两个信号由异步电动机数学模型处理后得到ѱα，ѱβ和转矩实际值界T f。
，ѱα，ѱβ通过坐标变换器
后得到磁链的三个分量信号ѱ
βa，ѱβb和ѱβc。
再由磁链自控制单元得到磁链开关信a，Sѱb和c
确的区段，即确定磁链区域θ。
T f与转矩给定值T g经转矩调节器处理后得到转矩开关信号TQ。
转矩调节器的容差宽度由εf调节。
磁链给定值ѱg和磁链反馈值ѱf由磁链幅值构成综合产生磁链量开关信号ѱQ，ѱf由磁链幅值构成根据ѱβa，ѱβb和ѱβc计算得到，开关信号选择单元综合四个输入信号:磁链开关信号，转矩开关信号，磁链量开关信号和零状态开关信号，产生正确的电压开关信号a b, SU c。
永磁无刷直流电机直接转矩控制
4、该系统具有很高的成本效益，可以在许多应用领域中进行推广应用。
谢谢观看
二、控制方法的特点和优势
直接转矩控制相较于其他控制方式，具有以下特点和优势：
1、直接扭矩控制：直接转矩控制通过实时计算电机的扭矩和磁链，直接控 制电机的输出扭矩，具有快速的动态响应性能。
2、高鲁棒性：直接转矩控制对电机参数变化具有较强的鲁棒性，可以在电 机参数发生变化时实现较好的控制效果。
3、高效节能：直接转矩控制可以实时调整电机的扭矩输出，使其与实际需 求相匹配，从而达到节能的目的。
结论与展望
本次演示通过对永磁无刷直流电机直接转矩控制系统进行深入研究，得出了 以下结论：
1、直接转矩控制技术可以实现对永磁无刷直流电机的精确控制，具有很快 的动态响应和良好的稳定性。
2、在开关模式选择时，需要考虑电机的电流、电压、转矩等参数，以及系 统的动态响应和稳定性。
3、基于模型的控制系统、PID控制系统、神经网络控制系统等都可以用于直 接转矩控制系统，但需要根据实际情况进行选择和参数整定。
案例二：工业机器人关节驱动
某工业机器人制造商要求设计一个具有高精度、快速响应的关节驱动系统。 通过采用永磁无刷直流电机直接转矩控制方法，实现了对机器人关节位置和速度 的高精度控制。此外，该系统还具有良好的鲁棒性和可靠性，可以在不同环境下 稳定运行。从而提高了机器人的整体性能和生产效率。
结论：
永磁无刷直流电机直接转矩控制是一种先进的电机控制技术，具有许多优点 和实际应用价值。本次演示介绍了该控制方法的基本原理、特点、实现所需硬件 和软件设计，并通过实际案例说明了其在实际应用中的效果。该技术的推广和应 用将有助于提高各种系统的性能、效率和稳定性。
系统设计
1、开关模式选择
直接转矩控制原理
-直接转矩控制原理在直接转矩控制中， 电机定子磁链的幅值通过上述电压的矢量控制而保持为 额定值，要改变转矩大小，可以通过控制定、转子磁链之间的夹角来实现。
而夹 角可以通过电压空间矢量的控制来调节。
由于转子磁链的转动速度保持不变，因 此夹角的调节可以通过调节定子磁链的瞬时转动速度来实现。
假定电机转子逆时针方向旋转，如果实际转矩小于给定值，则选择使定子磁 链逆时针方向旋转的电压矢量，这样角度增加，实际转矩增加，一旦实际转矩高 与给定值，则选择电压矢量使定子磁链反方向旋转。
从而导致角度降低。
通过这 种方式选择电压矢量， 定子磁链一直旋转， 且其旋转方向由转矩滞环控制器决定。
直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。
滞环比较器的 运行原理为： 当前值与给定值的误差在滞环比较器的容差范围内时，比较器的输 出保持不变，一旦超过这个范围，滞环比较器便给出相应的值。
直接转矩控制的原理框图如下所示，给定转速与估计转速相比较，得到给定 转矩； 经转矩调节器将转矩差做滞环处理得到转矩控制信号；将磁链估计值跟给 定磁链相比，经滞环比较器得到磁链控制信号；根据计算的得到的转子位移，划 分区段；根据区段，以及转矩和磁链控制信号，结合查找表得出空间矢量，生成 PWM 波；输出给逆变器，给电机供电。
.---矢量控制技术及直接转矩技术两种控制方案的比较2010-10-13 14:48目前， 直接转矩控制技术和矢量控制技术在工业现场均有成功的应用实例， 它们的应用研究 仍在如火如荼地进行着，但无论何种控制方法，研究中总会或多或少地发现其不足。
但随着 研究的深入、技术水平的提高、硬件条件的改善，许多问题都将会逐步得到解决。
从理论上讲， 矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上， 通过控制电机的电枢电流实现 电机的电磁力矩控制。
电流环的存在，使电机电枢电流动态跟随系统给定，满足实际对象对 电机电磁力矩的要求。
电机实际电流受到电机转子位置的实时控制， 保证电机电流形成的电 枢磁场与转子 d 轴垂直， 实际电机电流中的交轴电流分量和系统控制所需的交轴给定电流相 等，控制系统保证实际负载对象的力矩要求，电机所产生的电磁力矩平稳，电机可以运行的 转速较低，调速范围较宽。
总结直接转矩控制-滞环控制总结
蓝色部分还未看关于近期对直接转矩控制技术的学习总结直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是通过磁链观测器确定定子磁链在在空间中的位置及其磁链大小，并且能够保证定子磁链的大小在一定的范围之内，且估算电磁转矩的大小，通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢就可以控制电机定子磁链的旋转速度，从而改变负载角的大小，达到迅速控制电机输出转矩的目的。
2.3 直接转矩控制的发展方向直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。
它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。
由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。
当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开始改变状态，终止电压矢量的作用。
因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。
为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，目前专家提出了几种解决方法。
这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。
一、对传统的直接转矩控制的空间电压矢量开关表进行改进。
以永磁同步电机的直接转矩控制为例，可以在原有的开关表的基础上加上两个零矢量，即000和111，把开关表从4行扩充到6行。
插入了零矢量后，有效地把转矩的变化维持在一定的范围内。
这样，转矩的脉动频率和电压逆变器的开关次数就相应减少了。
此外，有专家提出了把空间电压矢量细分的方法。
把原来的6等份扩大到12等份或者24等份，从而减小转矩的脉动。
但是这两种方案还是存在不足，插入零矢量虽然能有效把转矩维持在一定范围内，却同时使转矩响应变慢了。
这样一来就失去了直接转矩控制转矩响应快的优势。
直接转矩控制
A
8
ψs (t2)
ψ s
us
sr (t2)
ψs(t1)
sr (t1)
r s
ψr (t2)
ψr (t1)
定子电压空间矢量控制转矩变化
A
由于 u 的作用使得
定子磁链及定转子 磁链之间的夹角都 有所增加，可以得到 电磁转矩增加的结 论。
A
9
实际运行时，为了充分利用电机铁心通常保持定子磁链的幅值不变（或在很 小的范围内变化）即磁链走圆形轨迹
转子磁链又完全由负载决定是不可控的。
定转子磁链之间的夹角sr ，是直接转矩控制的主要参数。
基本控制方法就是通过控制定子磁链的运动轨迹，使其走走停停， 以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达 到控制电动机转矩的目的。
A
10
7.3 开关逻辑
直接转矩控制系统采用三相两电平电压
型逆变器向交流异步电机供电。根据空
Pψr
jψ
r
（7-2）
结论：定子磁链由定子电压决定 转子磁链由负载决定
A
7
当忽略定子电阻时，式(7-2)定子电压方程可简化为：
us
dψ s dt
(7-3)
考虑到瞬时变化时，式（7-3）进一步可简化为：
ψs ust
(7-4)
结论： ψ s 与 us 的方向一致，且 ψ s 轨迹的变化速率等于| us | 。
uS 23ud 23udej0
从上式可看出（1 0 0）对应位于 d 轴的正方向上。
A
12
②（Sa，Sb，Sc）=1 1 0 时，u2 矢量
ua ub ud / 3 uc 2ud / 3
将 u a u b u c 代入 u S
§5.2直接转矩控制技术(DTC)
29
电力电子与电机控制研究所
下面以定子磁链在Ⅰ区的控制为例进行说明 （设定子磁链逆时针旋转）
增大磁链
增大转矩：u6 减小转矩：u0/u7 大幅减小转矩：u5
减小磁链
增大转矩：u2 减小转矩： u0/u7 大幅减小转矩：u1
30
电力电子与电机控制研究所
开关状态选择表
(N )
D1 DT
0
1
1 -1 1 -1
22
电力电子与电机控制研究所
图 2-8 电压矢量与相电压波形图 a) b) 选用非零电压矢量时的波形 选用零电压矢量时的波形
23
电力电子与电机控制研究所
下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选 取电压矢量 u1 , u2 ,u6 时，磁链矢量的轨迹为一 正六边形，而电机定子绕组相电压为一凸字形波 如上图a)所示，如果在选用每一个非零电压矢量 的期间中间分段两次插入零电压矢量u0 ，则原来 凸字形相电压被斩波，变为上图所示b)所示的不 连续的脉冲，相电压的周期增大，这是因为在选 取零电压矢量的期间，磁链矢量的旋转速度为零， 因而磁场旋转一周的时间变长，即电机的转速变 慢。
24
电力电子与电机控制研究所
由电压和磁链的矢量图看，零电压矢量对 应的是一个点，在该点磁链矢量原地不动，等 转换到非零电压矢量后才继续旋转。从磁链的 轨迹来看，仍是一个正六边形，只是每条边上 多了两个点。然而由于这些点上的停顿，使磁 链矢量旋转一周的时间变长，旋转磁场的平均 速度减小，电机的转速降低。 采用零电压矢量改变电机的电压，实际上 是对电机的端电压进行斩波调压，使其幅值减 小，从而达到降低磁链矢量旋转速度的目的。
17
电力电子与电机控制研究所
要保持磁链的幅值 s 不变，可选取电 压矢量 U s (S A, SB, SC ) 使 s 跟踪给定的 s ，使 其满足下述关系 s s s s s （2-8）
直接转矩控制原理
直接转矩控制原理直接转矩控制是现代交流电机控制的一种方法。
该方法是控制电机强制控制其转矩以满足用户需求。
最初用于永磁同步电机控制，但现在已被广泛使用于异步电机以及其他类型电机的控制中。
直接转矩控制原理基于电机的意图控制，这个意图是指在控制周期内，电机期望达到的转矩。
控制器的目标是根据电机的意图控制电流并直接通过反馈测量进行修正，以控制电机的转矩输出。
与传统的平衡系统控制不同，直接转矩控制借助测量或估算电机磁通，并通过控制电机的磁通与当前测量的电机的电流的相位差来直接控制电机的转矩输出。
这种方法允许在没有传感器的情况下实现更短的响应时间，同时还可以更加准确地控制电机的转矩输出。
直接转矩控制的控制器由径向和切向两部分组成。
在径向控制环中，电流被用来控制电机的轴向磁通，旨在单向控制电机的转矩输出。
在切向控制环中，电流被用来控制电机的切向磁通，旨在控制电机的速度和位置。
通过在磁通和电流之间建立一个直接关系，可以控制电机的转矩输出。
直接转矩控制的主要步骤包括：1. 局部变量采集控制器通过使用传感器来测量电机的电流、转速、位置和其他变量。
这些变量被用于计算电机的角度，以及对电机的转矩进行估算。
2. 确定电机意图控制器根据控制周期之间的差异来确定电机的意图控制转矩输出。
该意图旨在帮助控制器驱动电机的输出以满足一个给定的应用程序目标。
3. 估算磁通控制器利用传感器数据对电机的磁通进行估算。
这部分对控制系统的准确性至关重要。
4. 根据意图控制电流控制器比较意图转矩与测量的电流，通过调整控制之间的差异，来控制电机的电流输出，以实现所需的电机转矩输出。
5. 调整控制器参数根据测量的数据，控制器不断地调整其参数（如比例积分等），以实现更准确的转矩输出。
直接转矩控制具有高精度、响应迅速、动态能力强的优点。
通过采用现代微电子技术，可以实现实时监控与控制，提高了电机的效率、可靠性与低噪音的运行，促进了电机在现代自动化设备中的应用。
直接转矩控制原理与机理
第二章直接转矩控制的基本原理和结构2.1异步电动机的数学模型2. 1. 1电动机变量的空间矢量二相变量的空间矢量对十异步电动机的分析和控制是十分方便的，在直接转矩控制中，常用的矢量有电压空间矢量、电流矢量、磁通矢量等。
这里对它们的基本概念作简要介绍。
1)电压空间矢量为方便分析，这里针对一个理想的电压型逆变器进行讨论。
如图2.1所示，它由二组、六个开关(Sp, Sp, Sb, Sb, S}, S})组成。
上下两个按180。
导通模式，即一个导通(状态为1)，另一个断开(状态为0)。
二组开关有8种开关组合，对应8种电压状态，如表2. 1所示。
其中状态1-6对应的输出电压各不相同，称为工作状态，7和8对应上小桥全开和全关的状态，没有电压输出，称为零状态对于电压型逆变器，在六种工作状态电压作用下，逆变器输出的相电压波形、幅值及其与电压状态的对应关系如图2.2所示。
如果把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态就有了空间的概念。
在此，引入Park变换，Park矢量将二个表2.1逆变器开关状态与电压状态对照表┌────┬─────────────────┬─────┐│状态│工作状态│零状态││├──┬──┬──┬──┬──┬──┼──┬──┤││1 │2 │3 │4 │5 │6 │7 │8 │├────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤│Sa │0 │0 │1 │1 │1 │0 │0 │1 │├────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤│Sb │1 │0 │0 │0 │1 │1 │0 │1 │├────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤│Sc │1 │1 │1 │0 │0 │0 │0 │1 │├────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤│电压状态│U51 │Usz │U53 │U54 │U 55│Use │Uso │Use │└────┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘标量(二维)变换为一个矢量(二维)。
直接转矩控制原理
直接转矩控制原理直接转矩控制是一种用于电机控制的方法，它通过直接控制电机的转矩，实现对电机运动的精确控制。
该控制方法广泛应用于各种类型的电机，包括直流电机、交流电机和步进电机等。
直接转矩控制的原理是利用电机的数学模型，通过对电机的电流和转矩之间的关系进行建模和计算，从而实现对电机转矩的精确控制。
在直接转矩控制中，电机的电流和转矩是直接控制的变量，而电机的速度和位置则是通过对电流和转矩进行反馈控制来实现的。
直接转矩控制的关键是准确地测量和估计电机的转矩。
为了实现这一点，通常需要使用一些传感器来测量电机的电流和转矩。
例如，可以使用电流传感器来测量电机的电流，使用转矩传感器来测量电机的转矩。
此外，还可以利用电机的数学模型来估计电机的转矩，从而减少传感器的使用量和成本。
在直接转矩控制中，电机的控制器通常采用高性能的数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）来实现。
这些控制器具有强大的计算和处理能力，可以实时计算和调整电机的转矩，从而实现对电机运动的精确控制。
直接转矩控制的优点是具有较高的控制精度和响应速度。
由于直接控制了电机的转矩，可以实现对电机运动的精确控制，从而满足高精度和高性能的应用需求。
此外，直接转矩控制还可以实现对电机的快速响应，提高系统的动态性能和稳定性。
然而，直接转矩控制也存在一些挑战和限制。
首先，直接转矩控制需要准确地测量和估计电机的转矩，这对传感器和控制算法的设计提出了较高的要求。
其次，直接转矩控制对电机的参数和模型要求较高，需要精确地了解电机的特性和性能参数。
最后，直接转矩控制的实现复杂度较高，在控制器的设计和调试过程中需要投入较大的工作量和时间。
直接转矩控制是一种用于电机控制的高性能方法，通过直接控制电机的转矩，实现对电机运动的精确控制。
该控制方法具有较高的控制精度和响应速度，适用于各种类型的电机。
然而，直接转矩控制也存在一些挑战和限制，需要克服参数估计和模型精度等问题。
随着电机技术的不断发展和创新，直接转矩控制在各种应用领域有着广阔的发展前景。
5.2-直接转矩控制
X
A (t)
X
B
(t)
2
XC
(t)
2
3
e j2 /3
三相绕组空间分布
这样就可以用电压空间矢量表示逆变器三相输出电压 的各种状态。
二、电压空间矢量开关状态选择
2、电压空间矢量的概念
定子电压空间矢量与逆变器开关状态关系为：
u（s t)
2 3
X
A (t)
X B (t)
2 XC (t)
us (SA, SB , SC
ABC 磁链自
开关状态
2/3 控单元
S ABC 选择单元
ATR 零状态
3/2
转矩 定子磁
u
Teif 模型
链模型
i 3/2
nf
转速
检测器
转速调节器
电动汽车驱动技术
5.2 直接转矩控制
5.2 直接转矩控制
5.2.1 概述
学习内容
5.2.2 直接转矩控制的基本原理
5.2.3 异步电动机的直接转矩控制
5.2.1 概述
1 直接转矩控制技术的发展 2 直接转矩控制的主要特点
一、直接转矩控制技术的发展
直接转矩控制技术，简称 DSC（Direct self-control）， 是在本世纪 80 年代中期继矢量变换控制技术之后发展起来 的一种异步电动机变频调速技术。
（2）采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数 学模型和控制各物理量，使问题变的简单明了。
二、直接转矩控制的主要特点
（3）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。其 控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩 给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差大小由频率调节器来控制。
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直接转矩控制原理直接转矩控制原理比较简单，就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（开关状态）。
电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。
传统直接转矩控制方法偏差分类：磁链：1，需要增大2，需要减小转矩：1，需要增大2，不变3，需要减小可见共有6中要求控制状态。
在4个控制电压矢量和2个零电压矢量中选择合适的，即为滞环比较器的输出。
仿真系统中这个功能由滞环比较单元与查表单元结合产生。
一、引言电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。
直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。
交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。
直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。
1．交流传动的发展简述首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）调速系统。
由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。
矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。
但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。
1985年，德国的M.Depenbrock和日本的I.Takahashi先后提出直接转矩控制理论。
直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。
2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比（1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。
其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。
DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。
（2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。
DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。
图1异步电动机的空间矢量等效电路直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。
二、数学模型1．异步电动机转矩的数学模型异步电动机的空间矢量等效图如图1所示该等效电路是在正交坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。
其中：US（t）-----定子电压空间矢量iS（t）-----定子电流空间矢量ir（t）-----转子电流空间矢量ΨU（t）----定子磁链空间矢量Ψr（t）----转子磁链空间矢量ω-----电角速度则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：电压方程：（1）（2）磁链方程：（3）（4）转矩方程：（5）若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：（6）或(7)θ是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。
在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，而转子磁链的幅值由负载决定。
如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁通角θ来实现。
2．异步电动机磁链的数学模型目前磁链模型主要有三种，分别适用于不同转速下应用。
（1）u-i模型在30%额定转速以上，采用u-i模型，其表达式为：（8）从此式可看出，在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。
同样，定子电压us（t）和转子电流is（t）也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。
计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（5）就可计算出电动机的转矩。
此模型中关键是要准确确定定子磁链，即要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略，而只有在30%额定转速以上时才能达到这一要求。
（2）i-n模型在30%额定转速以下，由于定子频率很低（仅有几赫兹），电动机端电压很小，定子电阻RS的变化导致u-i模型中积分项is（t）RS误差较大，故采用i-n模型，其表达式为：（9）（10）在30%额定转速以下范围，磁链只能根据转速来正确计算。
在i-n模型中正是用定子电流与转速来确定定子磁链。
该模型在这个转速范围内是合适的。
但要注意在使用i-n模型时要求准确测量角速度ω，这是因为角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差，再由转子磁链的误差引起定子磁链的误差，最终引起转矩误差，故对转速要求有较高精度的测量。
对于u-i模型和i-n模型的应用必须有合理的安排，不同的转速范围应采用不同的磁链模型。
在高速时采用u-i模型，因其模型不仅简单，而且精度也高，受参数的影响小；在低速时采用i-n模型，因为低速时受定子电阻的影响u-i模型已不能正确工作。
（3）u-n模型由于在由u-i模型向i-n模型切换时，快速平滑切换的困难使得这种解决方案产生问题，而u-n模型是一个在全速范围都实用的磁链模型。
u-n模型综合了u-i模型和i-n模型的特点，由上面所提到的转子方程式（10）和定子方程式（1）及磁链方程式（3）、（4）组成。
关键在于使用了电流PI调节器，强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相等，同时精度大大提高，缺点是结构比较复杂。
通过使用u-n模型，解决了u-i模型向i-n模型快速平滑切换问题，并且使电动机在高速时工作在u-i模型下，低速时工作在i-n模型下。
图2直接转矩控制原理框图3．直接转矩控制的控制模型及控制原理综合上述的异步电动机转矩和磁链模型，采用直接转矩控制的控制思想，可得到直接转矩控制的控制模型。
直接转矩控制的控制原理框图如下图所示。
由此图可看到控制时需检测出直流母线电压和定子电流，再按下式(11)进行坐标变换到静止的定子坐标系（α，β）上。
其中：x a（t），x b（t），x c（t）是定子相应量的瞬时值，是空间矢量，xα（t），xβ（t）是（α，β）坐标系上的两个分量。
在α，β方向计算实际的磁通值和转矩值作为反馈分别与磁通给定构成闭环，同时还要计算出磁通所在扇区位置，最终通过转矩差、磁通差、磁通扇区，进行bang-bang控制，利用逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，即不断切换电压空间矢量，使定子磁链轨迹接近圆形，并通过零点压矢量的穿插来改变转差频率，以控制电动机的转矩及其变化率，从而使异步电动机的磁链和转矩同时按要求快速变化。
三、直接转矩控制的缺陷及改进方案直接转矩控制理论和技术有许多优点，如计算简便，控制结构相对简单，动态响应快，参数鲁棒性好。
然而作为一种诞生不久的新理论、新技术，自然有其不完善不成熟之处，有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍。
一个是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题。
主要是定子电流和磁链的畸变非常严重，尽管有前面提到的i-n模型，使其表达式中不含RS，不受定子电阻的影响，但它受转子电阻Rr、漏电感Lσ、主电感L 变化的影响。
此外还要求准确测量ω，ω的测量误差对i-n模型的影响很大。
不过在全速范围内调速应用改进方案即u-n模型还是切实可行的，对此模型前面已有详细说明，不再赘叙。
另外低速时转矩脉动、死区效应、开关频率问题也比较突出。
上下桥臂同时导通造成直流侧短路，引入足够大的互锁延时，带来了死区效应。
死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧脉动和系统运行不稳定的问题。
改进方案主要有三个（1）使用改进的开关表，改进控制参数与开关量之间的对应关系，使之产生更优的控制电压波形。
（2）以PWM和SVM技术实现DTC固定开关频率运行方案。
（3）引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。
（4）磁通轨迹改善。
采用矢量细分法，消除所选矢量在某些区域的不对称作用而使磁通的轨迹得到改善，并且在磁通旋转速度上也提高了对称性，消除了电流的畸变。
四、直接转矩控制技术发展的展望随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。
现代控制理论和智能控制理论应用于DTC技术，为改进DTC系统提供了坚实的理论依据；同时高性能的数字处理器（DSP）的出现，为改进DTC系统提供了强大的物质基础。
尤其是目前数字化潮流势不可挡，各行各业都向数字化靠拢。
如智能IPM整合了DSP控制器，将电机控制的大部分电路集成到标准封装的模块中，集成了IGBT模块，IGBT驱动电路、电压电流反馈、保护模块和DSP控制模块，使得控制结构愈发简单，控制性能与控制精度、响应速度均得到提高。
特别是DSP芯片在直接转矩控制系统中的应用为解决低速区的问题提供了可能，因为只要实现了对定子电阻的准确辨识，就能从根本上消除定子电流和磁链畸变，问题也就迎刃而解。
而全数字化的实现，将使采样精度更高，误差率更小，更易于实现最优控制。
因此利用现代控制理论、人工智能和神经网络理论，将之应用于直接转矩控制技术的研究，从软件着手改进系统将是这种新技术的发展方向。
DSP器件的进一步发展也为DTC技术难题突破提供了可能。
随着控制性能的不断提高，直接转矩控制在传动领域会有更广阔的应用前景。