直接转矩控制
直接转矩控制知识整理
直接转矩控制技术整理Vicho_HU1. 电机的数学模型直接转矩控制是基于电机定子两相静止坐标系数学模型而构建的控制算法。
电机的数学模型作为表征电机完备的电气特性与机械特性，则必须由以下几个方程组成：电压方程，磁链方程，转矩方程，运动方程。
其中电压方程和磁链方程表征了电机的电气特性，而转矩方程作为电气与机械系统的桥梁，实现能量的转换；而运动方程则表征了电机的机械特性。
下面主要总结的电机数学模型为最常见的主流电机模型：异步电机（鼠笼式），永磁同步电机（表贴式）。
(1) 异步电机（鼠笼式） 磁链方程： s s s r s βs s βr βr s r r r βs βr r βL i M i L i M i M i L i M i L i ψψψψαααααα=+=+=+=+电压方程：s s s s s βs βs s βr r r r r r βr βr βr r βr r d dt d dt d 0dt d 0dtu R i u R i u R i u R i ψψψωψψωψααααααα=+=+=++==+-=转矩方程：e n s s βs βs 3()2T p i i ψψαα=-运动方程：r e L n d dtJ T T p ω-=(2) 永磁同步电机（表贴式） 磁链方程：sd d sd f sq q sq L i L i ψψψ=+=电压方程：sd s d sd r q sqsd r d sd s q sq r f()()u R pL i L i u L i R pL i ωωωψ=+-=+++转矩方程：e n sd sq sq sd nf sq d q sd sq 33()(())22T p i i p i L L i i ψψψ=-=--运动方程：r e L n d dtJ T T p ω-=2. 直接转矩控制直接转矩控制思想的实质：由方程02π4πj j33s dc a b c s s s s s|t =t 2U ()3S S eS eT R i T K ψψ=++-+可知通过控制空间电压矢量可以控制定子磁链矢量模的大小，又可以控制定子磁链矢量旋转。
直接转矩控制
交流电机的数学模型
交流电机综合矢量的概念
在xy坐标系中，磁链方程与dq坐标系下的方 程完全一样，只不过多了几个约束条件： 定子磁链在x轴上的分量为定子磁链的幅值。 定子磁链在y轴上的分量及其对时间一阶微 分为零。
转矩控制的本质
稳态分量
暂态分量
六边形定子磁链轨迹控制
B βa β
S1
S2 u2 u3 u6
S6
u4 S3
βb u1 u5
α A
S5
βc
Ψs*
ψs
C S4
在忽略定子电阻的情况下，定子磁链矢量端 点的运动方向与所施加的电压矢量方向一 致。若在定子绕组上顺序施加运动电压矢 量u4、u6、u2、u3、u1、u5,定子磁链则会相 应的逆时针运动。
图中磁链六边形的六条边分别用s1~s6表示， 分别称之为区段s1~s6.每个区段上两个运动 的电压矢量（如s1段上的u3、u4）定义为 该区段的区段电压矢量。当区段电压矢量 与区段方向一致时定义为0°电压矢量。 定义坐标原点到六条变的垂直距离为定子磁 链量，用Ψs*表示。
交流电机中常用的坐标及其变换
在分析和改善运行性能的控制策略中需要站在不 同的坐标系中对问题进行分析求解。直接转矩控 制交流电机中常用的坐标系有 两大类： 1 坐标轴线放在定子上的静止坐标系，如ABC和αβ0 坐标系。 2 坐标轴放在转子上随转子一起旋转的坐标系，如 dq0、MT0坐标系。 对于零序分量为零的系统， αβ0、 dq0、MT0简记 为αβ、 dq、MT。
永磁同步电机的转矩直接控制
永磁同步电机的转矩直接控制一、本文概述本文旨在探讨永磁同步电机（PMSM）的转矩直接控制策略。
永磁同步电机作为现代电力传动系统中的核心组件，具有高效率、高功率密度和优良的控制性能。
转矩直接控制作为一种先进的电机控制技术，能够实现对电机转矩的快速、精确控制，从而提高电机系统的动态响应性能和稳定性。
本文首先将对永磁同步电机的基本结构和原理进行简要介绍，为后续转矩直接控制策略的研究奠定基础。
随后，将详细阐述转矩直接控制的基本原理和实现方法，包括转矩计算、控制器设计和优化等方面。
在此基础上，本文将重点分析转矩直接控制在永磁同步电机中的应用，探讨其在实际运行中的优势和局限性。
本文还将对转矩直接控制策略的性能进行仿真和实验研究，评估其在不同工况下的控制效果。
通过对比分析，本文将提出改进和优化转矩直接控制策略的方法，以提高永磁同步电机的控制性能和运行效率。
本文将对转矩直接控制在永磁同步电机中的应用前景进行展望，探讨其在新能源汽车、工业自动化等领域的发展潜力。
本文的研究成果将为永磁同步电机的转矩直接控制提供理论支持和实践指导，推动其在现代电力传动系统中的广泛应用。
二、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机（PMSM）是一种特殊的同步电机，其磁场源由永磁体提供，无需外部电源供电。
PMSM利用磁场相互作用产生转矩，从而实现电机的旋转运动。
PMSM的定子部分与常规电机相似，由三相绕组构成，用于产生电磁场。
而转子部分则装有永磁体，这些永磁体产生的磁场与定子绕组的电磁场相互作用，产生转矩。
PMSM的转矩大小和方向取决于定子电流的大小、方向以及永磁体与定子绕组磁场之间的相对位置。
PMSM的控制主要依赖于对定子电流的控制。
通过改变定子电流的大小、频率和相位，可以实现对PMSM转矩和转速的精确控制。
与传统的感应电机相比，PMSM具有更高的转矩密度和效率，以及更低的维护成本。
PMSM的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律。
当定子绕组通电时，会产生一个旋转磁场，这个磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，产生转矩。
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
直接转矩控制
Ⅱ
u5 (001) u0 (000) u1 (100) u4 (011) u0 (111) u2 (110)
扇区
Ⅲ
Ⅳ
u4 (011) u0 (111) u6 (101) u3 (010) u0 (000) u1 (100)
u3 (010) u0 (000) u5 (001) u2 (110) u0 (111) u6 (101)
* 1
1
1
1
ST
T
0
1
T T * T
(a)磁链比较器
(b)转矩比较器
逆时针旋转时，磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出与开关逻辑关系
比较器输出
扇区
S
ST
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
+1 u2 (110)
+1
0
u0 (111)
-1
u6 (101)
+1 u3 (010)
-1
0
u0 (000)
-1
u5 (001)
u3 (010) u0 (000) u1 (100) u4 (011) u0 (111) u6 (101)
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离 d 轴的 方向上。
⑤ （Sa，Sb，Sc）=0 0 1 时，u5矢量
ua ub ud /3 uc 2ud /3 将 u a u b u c 代入 u S 的表达式得：
u S 2 3 [ ( u 3 d ) ( u 3 d ) ( 1 2 j2 3 ) 2 3 u d ( 1 2 j2 3 ) ]
j
u3
010
u2
110
到如右图所示 8 个静态电压矢量：
u0 (000,111)
直接转矩控制
原理
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
变频器控制三相马达转矩的方式
01 信息介绍
03 控制特点
目录
02 原理 04 技术改进
基本信息
直接转矩控制（Direct torque control，简称DTC）是一种变频器控制三相马达转矩的方式。其作法是依 量测到的马达电压及电流，去计算马达磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制马达的速度。
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调 速技术。20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直 接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。
4）定子坐标系下分析电机的数学模型直接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、等效、转化，省去复杂 的计算 。
技术改进
技术改进
针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以 下几个方面：
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
直接转矩控制和DTC讲述
杂
单
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
按转子磁链定向
盅知道定子磁链矢量
的位置，f曰无需定向
比较宽
不够宽
不够快
较快
五.PWM控制的基本原理
■ PWM控制技术重要理论基础——面积等效原理 ・冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时, 其效果基本相同
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
三相SPWM逆变电路
麵三角波载波公用, 三相正弦调制波相位依次 差 120° ■同一三角波周期内三相的脉宽分别为丸、dv 和dw, 脉冲两边的间隙宽度分别为d't；、d\ 和d' w, 同一时刻三相调制波电压之和为零 利用下式:
磁
阽u 坫^
磁
I f e i t
a t f t i &
Vxi
I优
U
化 开
JX
P W
K农
M
矢
S
直接转矩控制原理图
直接转矩控制特点
■不需要旋转坐标变换, 有静止坐标系实行 Te与Vs砰-砰控制, 简化控制结构。
■选择定子磁链做被控量, 计算磁链模型不 受转子参数变化的影响, 提高系统的鲁棒 性。
■采用直接转矩控制, 能获得快速的转矩响 应。
转矩模型结构
定子磁链模型
■ (1)定子电压模型法
定子磁链可以在坐标下写出如下关系式:
\~
; ^p\ = J(^1-^1)^
■由此，川下图所示的电压模型结构可求得定子
磁链。
定子电压磁链模型框图
定子磁链模型
■ (2)电流模型法 在额定转速30%以下时, 磁链只能根据转速来正
电流磁链模型电路框图
直接转矩控制系统
交流同步电机矢量控制与DTC
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
直接转矩控制技术(DTC)
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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 U s ( S A , S B , S C ) 使 跟踪给定的 ，使 压矢量 s s 其满足下述关系 s s s s s （2-8）
图2-6 恒定圆轨迹控制
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电力电子与电机控制研究所
2 3 2 3
U de
j
u 4 ( 0 ,1,1)
u 6 (1, 0 ,1) 2 3
2 3
Ud
j 5 3
4 3
U de
U de
u 0 ( 0 , 0 , 0 ) u 7 (1,1,1) 0
（2-7）
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电力电子与电机控制研究所
由式（2-6）可以看出， 空间电压矢量只与三相桥 臂的开关状态有关。由式 （2-7）可以看出电压型逆 变器的基本输出矢量共有8 个（ u ~ u ），其中0状态 和7状态称为零矢量，其余 6个为非零基本矢量，称为 有效矢量。这6个非零矢量 均匀分布在 平面上， 如右图所示：
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电力电子与电机控制研究所
空间矢量的求法，即从三相静止坐标 到两相静止坐标的变换（3φ~2φ变换）
T T 1 2 3 0 1 2 3 1 T a 2 T b 3 Tc 2
2
T 其中， Ta
4
电力电子与电机控制研究所
二、直接转矩控制的基本原理
根据异步电机的数学模型，在 坐标下空间矢量电压方程及转矩方程为： （2-1） u R i p
s s s s
Tem Pn L m ( i s ir i r i s )
Pn ( i s s i s s ) Pn ( s i s )
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
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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
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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
直接转矩控制
摘要：直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。
在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。
本文对直接转矩控制原理进行了简介，以及目前应用直接转矩控制的产品介绍。
关键词：直接转矩控制，异步电机目录1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 (3)1.1直接转矩控制系统原理与特点 (3)1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (5)2 直接转矩控制的基本原理和仿真模型 (7)2.1直接转矩控制的基本原理 (7)2.2直接转矩控制的仿真模型总图 (8)3 三相异步电机的数学模型 (8)4 磁链信号和转矩信号产生 (10)4.1定子磁链的观测控制 (10)4.2 电磁转矩的有效控制 (12)总结 (13)参考文献 (14)1直接转矩控制的基本原理及特点与规律直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。
1.1直接转矩控制系统原理与特点如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，在*T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。
因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。
图1-1直接转矩控制系统图的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。
《直接转矩控制》课件
工业机械
交通运输
直接转矩控制被广泛应用于工业机械，包括机床、 风机和泵等，以提供高效、稳定和精确的运动控 制。
直接转矩控制在电动汽车和混合动力汽车的电机 控制系统中发挥着重要作用，提高了车辆的动力 性能和能效。
直接转矩控制的优势和局限性
1 优势
2 局限性
直接转矩控制具有高精度、快速响应和高 效节能等优势，适用于对电机转矩要求较 高的应用。
《直接转矩控制》PPT课件
本PPT课件将深入探讨直接转矩控制（DTC）的定义、原理和应用，并展望 其未来的发展方向。让我们一起开始本次精彩的分享吧！
直接转矩控制的定义和原理
直接转矩控制是一种用于电机控制的高级技术，通过直接测量和控制电机转矩来实现精确控制。它基于先 进的算法和控制策略，提供了高效、灵活和精确的电机性能。
可靠性提高
改进控制算法、优化系统 设计和增强故障检测能力， 提高直接转矩控制的系统 可使直接转矩控制能够适应 不同的工况和工作环境。
总结和要点
直接转矩控制是一种用于电机控制的高级技术，具有高精度、快速响应和高 效节能等特点。它在工业机械、交通运输和可再生能源等领域的应用广泛， 未来的发展方向包括降低成本、提高可靠性和增强适应性。
概念
直接转矩控制通过直接测量和控制电机转矩，而 不需要通过中间变量，实现了对电机的高精度控 制。
原理
直接转矩控制基于对电机状态进行实时监测和调 节，通过将制动转矩与电机转矩进行比较，并根 据误差调节开关器和逆变器的状态，实现电机输 出转矩的精确控制。
直接转矩控制的系统框图
直接转矩控制的系统框图展示了各个主要组成部分之间的关系和交互作用。它包括传感器、控制器、开 关器和逆变器等元件，并通过信号传递和处理实现对电机的转矩控制。
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
直接转矩控制直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）是一种电机控制技术，用于直接控制交流电机的转矩和转速。
它是由法国斯特拉斯堡理工大学的Andrzej M. Trzynadlowski 教授于1985年提出的。
相比传统的电机向量控制（Field Oriented Control，简称FOC），DTC具有更快的响应速度、更宽的可调速范围和更精确的转矩控制能力，因此在工业应用中得到了广泛的应用。
直接转矩控制的基本原理是根据电机的状态变量，即电机电流和转速，直接计算所需的转矩控制量，并通过适当的电压矢量选择器生成相应的电压矢量，从而实现对电机的转矩和转速控制。
与FOC相比，DTC不需要进行逆变器电流矢量的坐标变换和空间矢量调制，因此减少了计算开销，提高了控制系统的响应速度。
在直接转矩控制中，最重要的是转矩和磁通的估算。
转矩估算一般通过测量电机绕组的电流和电压来实现，可以利用数学模型、数据曲线和反演算法等方式进行估算。
而磁通估算则是通过测量电机反电动势来实现，反电动势的测量可以利用传感器或者观测器等方法进行。
直接转矩控制的优点主要体现在以下几个方面：1. 响应速度快：由于DTC不需要坐标变换和空间矢量调制，可以更快地响应转矩和转速的变化，提高了系统的动态性能。
2. 转矩和转速控制精度高：DTC可以直接计算所需的转矩控制量，精确地控制电机的转矩和转速，使系统响应更加准确和稳定。
3. 拓扑简单：DTC的控制电路结构相对简单，不需要传统的坐标变换和PWM技术，减少了电路复杂性和硬件实现难度。
4. 高可靠性：由于DTC的拓扑简单，减少了电路元器件的数量和故障点，提高了系统的可靠性和稳定性。
5. 宽工作范围：DTC适用于大范围的转矩和转速控制需求，可以满足不同工况下的运行要求。
然而，直接转矩控制也存在一些缺点和挑战。
首先，由于DTC直接计算所需的控制量，对参考值的变化非常敏感，因此对速度和磁通参数的准确测量和估算至关重要。
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。
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直接转矩控制技术的研究热点
•磁链与转矩观测器研究
磁链观测的误差关系到电动机的稳定运行和动态性能，甚至导致控制失败。对于直 接转矩控制来说，定子磁链的幅值和空间位置是决定电压矢量选择的关键因素。
•无速度传感器技术研究
直接转矩控制中，低速运行时， 如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链， 那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制, 需要转速反馈进行闭环 控制，同样需要知道转速信息。如果采用速度传感器，不仅增加成本，而且使系统 的稳定性和可靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速 度传感器技术显得突出重要。
(2) 输入零电压矢量时，定子磁链矢量将保持幅值和相角不变。
以第Ⅰ扇区为例，设磁链空间矢量逆时针旋转，对转矩和磁链 的控制进行分析。
① ψ s 增大和 T 增大
ψ s 的幅 在电压空间矢量 u2 的作用下，
u3
u2
ψ 's
值比 ψ s 的幅值增加， 电机的磁通角 sr 也增加，因此得到电机定子磁链与电 机转矩都增加的结论。
ψs
第I扇区
u5
u6
② ψ s 减小和 T 增大
在电压空间矢量 u3 的作用下， ψ s 的幅值比
ψ s 的幅值减小，得到电机定子磁链减小的
u3
u2
ψ 's
ψ s 第I扇区
结论；但电机的磁通角 sr 增大，并且磁通 角 sr 增加值一定比磁链减小值大， 可得到电 机转矩增大的结论。
u5
u6
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
5 / 3
方向上。
j
第Ⅲ扇区
根据逆变器的开关模式，将电压 空间矢量的分布划分为六个扇 区。
第Ⅳ扇区
u3
u2
第Ⅱ扇区
010
110
u4
011
u0
000 111
u1
100
第Ⅰ扇区
实线代表电压空间状态矢量， 虚线代表磁链轨迹的区间的边 界
001 第Ⅴ扇区
基本知识：
（1）三相感应电动机
T pLMisir sin sr pLM i s i r
pLMi r i s p( LSi s LMi r ) i s pψs i s
量 i s 至 i r 的空间电角度。 (7-0-1) 式(0-1)表明，电磁转矩可表示为定、转子电流矢量的矢量积(叉积)形式，sr 为矢
2 2 uS ud ud e j 3 3
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
方向上。
⑤ （Sa，Sb，Sc）=0 0 1 时，u5矢量
ua ub ud / 3
将
uc 2ud / 3 ua u u 代入 u b c S
的表达式得：
ud ud 2 1 3 2ud 1 3 uS [( ) ( )( j ) ( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 uS ud [ j ] ud e j 4 / 3 3 2 2 3
滞环比较器
(1) 磁链滞环比较器有两种输出，即 S 1 或 S 1 ；
(2) 转矩滞环比较器有两种输出， 即 ST 1 、ST 0 或 ST 1 ；
1 ：要求 1 或 12 增加
1 ：要求 1 或 12 减小
0 ：代表没有变化
：磁链比较器滞环带宽
T ：转矩比较器滞环带宽
u0 (000,111)
010
u3
u2
110
u4
011
u0
000 111
u1
100
u1 (100)
u2 (110)
u3 (010)
u5
001
u4 (011)
u5 (001)
u6 (101)
u6
101
坐标系的电压矢量分布
定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：
2 uS [ua ub e j 2 / 3 uc e j 4 / 3 ] 3
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
4 / 3
方向上。
⑥
（Sa，Sb，Sc）=1 0 1 时，u6矢量
ua uc ud / 3 ub 2ud / 3
将
ua u u 代入 u 的表达式得： b c S
2u 2 u 1 3 ud 1 3 uS [ d ( d )( j ) ( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 u S ud [ j ] ud e j 5 / 3 3 2 2 3
状态空间矢量的位置： ①（Sa，Sb，Sc）=1 0 0 时，u1矢量
ua 2ud / 3 ub uc ud / 3
将 ua
ub uc 代入 uS 的表达式得： ud ud 2 2ud 1 3 1 3 uS [ ( )( j ) ( )( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2
Ⅲ
u4 (011)
Ⅳ
u5 (001)
Ⅴ
u6 (101) u0 (111)
u4 (011) u1 (100)
Ⅵ
u1 (100)
+1 +1 0 -1 +1 -1 0 -1
u0 (111) u6 (101) u3 (010) u0 (000)
u5 (001)
u0 (111)
u2 (110) u5 (001)
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。
7.3 开关逻辑
j
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 间矢量的定义及逆变器的开关模式可得 到如右图所示 8 个静态电压矢量：
ψs (t2 )
ψ s
由于 u 的作用使得 定子磁链及定转子
us
sr (t2 )
sr (t1)
ψs (t1)
ψr (t2 )
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。
ψr (t1)
r s
定子电压空间矢量控制转ຫໍສະໝຸດ 变化A 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。
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
/3
方向上。
③ （Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，u3 矢量
ua uc ud / 3 ub 2ud / 3
将
ua u u 代入 u 的表达式得： b c S
ud 2ud 1 ud 2 3 1 3 uS [( ) ( j ) ( )( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 uS ud [ j ] ud e j 2 / 3 3 2 2 3
S
ST
0
1
1
T
1 1* 1
1
0
1
T T * T
(a)磁链比较器
(b)转矩比较器
逆时针旋转时，磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出与开关逻辑关系
比较器输出
S
ST
扇区 Ⅰ
u2 (110)
Ⅱ
u3 (010) u0 (000)
u1 (100) u4 (011)
③ ψ s 增大和 T 减少
在电压空间矢量 u6 的作用下，ψ s 的幅值比
u3
u2
ψs
ψ
' s
ψ s 的幅值增大，得到电机定子磁链增加的
结论； 但电机的磁通角 sr 减小，并且磁通角
sr 减小值一定比磁链增加值大， 可得到电机
第I扇区
转矩减小的结论。
u5
u6
④ ψ s 减小和 T 减小
ψ s 的幅值 在电压空间矢量 u5 的作用下，
u3
u2
ψs
ψ
' s
比 ψ s 的幅值减小，得到电机定子磁链减 小的结论； 并且电机的磁通角 sr 也减小， 得到电机转矩减小的结论。
第I扇区
u5
u6
⑤ ψ s 不变和 T 减小
在电压空间矢量 u0 的作用下，ψ s 不动，其幅值不变，得到电机 定子磁链不变的结论；由于定子磁链空间矢量保持不动，所以 电机的磁通角 sr 有所减小， 可得到电机转矩减小的结论。 其中， 零矢量 u0 的（000）和（111）的选取是根据“最少开关动作原 则”进行的。
第7部分 直接转矩控制系统
7. 1 直接转矩控制发展 7. 2 直接转矩控制原理 7.3 开关模式 7.4 直接转矩控制系统 7.5 直接转矩与矢量控制的比较 7.6 仿真和应用举例
7.1 直接转矩的发展
• 1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随 后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控 制效果。
• 直接转矩控制（Direct Torque Control， DTC）是继矢量控制技术之后 交流调速领域中新兴的控制技术。
• 直接转矩控制是直接在定子坐标系下，采用定子磁场定向，直接将电机 瞬时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。转矩和定子磁链闭环都 采用双位式bang-bang控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置 直接选择电压空间矢量的开关状态。 • 直接转矩着眼于快速的转矩响应，以获得良好的静、动态控制性能。
•先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究