直接转矩控制技术(DTC)
从几个方面了解变频器dtc方式
电动机知识从几个方面了解变频器dtc方式直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。
和矢量变频器的控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（band—band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生pwm脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。
它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的pwm脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。
只要知道定子电阻就可以把它观测出来。
而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。
因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。
直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。
与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。
直接转矩控制对交流传动来说是一个优秀的电动机控制方法，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。
ABB变频器直接转矩控制
直接转矩控制直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。
直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。
这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。
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。
直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。
它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。
它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。
直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。
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：（1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。
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
直接转矩控制系统
从上式可看出（0 1 0）对应位于距离 α 轴逆时针相差 2π / 3 的角度上。 ④（Sa，Sb，Sc）=1 0 0 时，
ua = 2ud / 3 ub = uc = −ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
2 us (t ) = [ua + ub e j 2π / 3 + uc e j 4π / 3 ] 3
[式中 ua ， ub ， uc 为 a 、 b 、 c 三相定子负载绕组的相电压。] 下面举例说明状态空间矢量的位置； ①（Sa，Sb，Sc）=0 1 1 时，
ua = −2ud / 3 ub = uc = ud / 3
为定子电流空间状态矢量， ir 为转子电流空间状态矢量； ω 为电机角速度；]
ψ s = Ls is + Lmir ψ r = Lmis + Lr ir
（16）
[对应书中公式（5-3） ，ψ s 为定子磁链空间矢量；ψ r 为转子磁链空间矢量； Ls 定子自 感， Lm 定转子互感， Lr 转子自感； is 为定子电流空间状态矢量， ir 为转子电流空间状态矢 量；] 实部和虚部分离可得
从上式可看出（0 0 1）对应位于距离 α 轴逆时针相差 4π / 3 的角度上。 ③（Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，
ua = uc = −ud / 3 ub = 2ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
u 2u u 2 1 3 1 3 us (t ) = [(− d ) + d (− + j ) + (− d )(− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2
DTC-能适应各种环境的电机控制技术
DTC: 能适应各种环境的电机控制技术通过电机速度和转矩与被传动负载需求的匹配，变速传动（VSD）已经为电机提供了前所未有的性能，节约了大量的能源。
市场上的多数VSD都依赖调制级。
它能够调节对电机的电压和频率输入，但会在工艺控制信号中造成先天性的延时。
与之相反，优秀的ABB传动采用创新性的直接转矩控制（DTC），极大的增强了电机的转矩响应。
DTC技术提供的其它好处还包括上至系统级的功能。
ABB提供的高性能交流传动提供了一种被称为直接转矩控制（DTC）的技术。
顾名思义，这种方法直接控制电机的磁通和转矩，而不是像交流矢量传动和直流传动一样尝试间接控制电机电流。
这意味着，与被传动系统的负载需求的匹配精度更高。
DTC源自ABB的一家创办公司，于20世纪80年代中期获得专利。
它免除了额外调制级的需求，因此能实现接近理论最大值的控制动力。
在ABB于1995年向市场推出它的首台直接转矩控制交流传动时，DTC就已经成为了领先的技术。
之后处理器计算能力、应用编程和通信接口方面的改进使DTC性能持续提升，为多种应用提供了高质量的电机控制。
一、为何选择DTC？除优异的转矩响应外，DTC提供的其它客户利益还包括：▪在95%的应用中不需要电机速度或位置反馈。
因此，可避免安装昂贵的编码器或其它反馈设备。
▪DTC控制可用于不同类型的电机，包括永磁电机和新的同步磁阻电机。
▪通过精确的力矩和速度控制下降到低速，以及通过全启动力矩下降到零速。
▪优秀的力矩线性度。
▪高的静态和动态速度精度。
▪无预设开关频率。
为每个控制循环确定最佳的晶体管开关方案，使传动与被传动负载需求的匹配更容易。
二、超越感应电机因为交流感应电机在庞大的工业和商业应用中的普及，DTC最初是为交流感应电机而开发。
可指示感应电机的DTC性能的是接近电机的电气时间常数限值的力矩响应时间（达到100%的力矩给定步长）。
在传动的整个速度范围内，相同给定命令下的力矩重复性的不确定性一般低至1%。
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
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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(DTC)技术概述
直接转矩控制(DTC)技术概述作者：同济大学电气工程系袁登科陶生桂王志鹏刘洪1 引言交流电机传动系统中的直接转矩控制技术是基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹(预先设定的轨迹，如六边形或圆形等)运动，对交流电机的电磁转矩与定子磁链直接进行闭环控制。
最早提出的经典控制结构是采用bang-bang控制器对定子磁链与电磁转矩实施砰砰控制，分别将它们的脉动限制在预先设定的范围内。
bang-bang调节器是进行比较与量化的环节，当实际值超过调节范围的上、下限时，它就产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。
然后由该控制量直接决定出电压型逆变器输出的电压空间向量。
这种经典的直接转矩控制技术具有:(1) 非常简单的控制结构;(2) 非常快速的动态性能;(3) 无需专门的pwm技术;(4) 把交流电机与逆变器结合在一起, 对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能力;(5) 前面叙述的实际被控量必须发生脉动才能产生合适的数字控制量，所以它不可避免地存在着一种与其特有的pwm技术密切相关的定子磁链与电磁转矩的脉动。
2 传统的直接转矩控制(dtc)方案直接转矩控制技术于上世纪80年代中期提出, 当时的控制系统有两种典型的控制结构:德国学者的直接转矩自控制方案与日本学者的直接转矩与磁链控制方案。
两者都属于直接转矩控制的范围，但仍有着较大的不同。
下面对各种方案进行介绍与分析。
2.1 德国depenbrock教授的直接自控制(dsc)方案[1]直接自控制方案是针对大功率交流传动系统电压型逆变器驱动感应电机提出来的控制方案。
由于当时采用大功率gto半导体开关器件，考虑到器件本身的开通、关断比较慢，还有开关损耗和散热等实际问题，gto器件的开关频率不能太高。
当时的开关频率要小于1khz，通常只有500~600hz。
而即便到现在，大功率交流传动应用场合中开关频率也只能有几khz。
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。
4 直接转矩控制(DTC)方式 ff
4. 直接转矩控制(DTC)方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5.矩阵式交—交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：? 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；? 自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；? 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；? 实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2%，无PG反馈)，高转矩精度(<＋3%)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150%～200%转矩。
变频器的使用中遇到的问题和故障防范由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。
高性能永磁同步电机直接转矩控制
高性能永磁同步电机直接转矩控制一、概述随着能源危机和环境污染问题的日益严重，节能减排和提高能源利用效率已经成为全球性的研究热点。
在这个大背景下，永磁同步电机（PMSM）作为一种高效、节能的电机类型，受到了广泛的关注和应用。
直接转矩控制（DTC）作为一种先进的电机控制策略，因其具有控制结构简单、动态响应快、转矩脉动小等优点，在永磁同步电机的控制中得到了广泛的应用。
本文旨在探讨高性能永磁同步电机的直接转矩控制技术。
我们将对永磁同步电机和直接转矩控制的基本原理进行介绍，阐述其在电机控制中的优势和适用场景。
我们将重点分析高性能永磁同步电机直接转矩控制的实现方法，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的应用、转矩和磁链的直接控制策略、以及转速和位置的精确检测等。
我们还将讨论在实际应用中可能遇到的挑战和问题，如参数变化、外部干扰等，并提出相应的解决方案和优化策略。
通过本文的研究，我们期望能够为高性能永磁同步电机直接转矩控制技术的发展提供有益的参考和借鉴，推动其在工业、交通、能源等领域的广泛应用，为实现节能减排和提高能源利用效率做出积极的贡献。
1. 永磁同步电机（PMSM）概述永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是一种利用永磁体产生磁场，通过电子换相实现电能与机械能转换的高效电动机。
它结合了传统直流电机和同步电机的优点，具有高功率密度、高效率和良好的调速性能。
PMSM的转子通常由永磁体构成，无需额外供电，从而减少了能量损失和复杂性。
定子则通过三相电流驱动，实现与转子磁场的同步旋转。
PMSM的控制策略对于其性能至关重要，其中直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）是一种广泛应用的先进控制方法。
DTC通过直接对电机转矩和磁链进行调控，能够迅速响应负载变化，实现高精度的速度控制和位置控制。
与传统的矢量控制相比，DTC具有结构简单、计算量小、动态响应快等优点，特别适用于高性能和快速响应的应用场景。
直接转矩控制(DTC)技术概述
直接转矩控制(DTC)技术概述作者：同济大学电气工程系袁登科陶生桂王志鹏刘洪1 引言交流电机传动系统中的直接转矩控制技术是基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹(预先设定的轨迹，如六边形或圆形等)运动，对交流电机的电磁转矩与定子磁链直接进行闭环控制。
最早提出的经典控制结构是采用bang-bang控制器对定子磁链与电磁转矩实施砰砰控制，分别将它们的脉动限制在预先设定的范围内。
bang-bang调节器是进行比较与量化的环节，当实际值超过调节范围的上、下限时，它就产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。
然后由该控制量直接决定出电压型逆变器输出的电压空间向量。
这种经典的直接转矩控制技术具有:(1) 非常简单的控制结构;(2) 非常快速的动态性能;(3) 无需专门的pwm技术;(4) 把交流电机与逆变器结合在一起, 对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能力;(5) 前面叙述的实际被控量必须发生脉动才能产生合适的数字控制量，所以它不可避免地存在着一种与其特有的pwm技术密切相关的定子磁链与电磁转矩的脉动。
2 传统的直接转矩控制(dtc)方案直接转矩控制技术于上世纪80年代中期提出, 当时的控制系统有两种典型的控制结构:德国学者的直接转矩自控制方案与日本学者的直接转矩与磁链控制方案。
两者都属于直接转矩控制的范围，但仍有着较大的不同。
下面对各种方案进行介绍与分析。
2.1 德国depenbrock教授的直接自控制(dsc)方案[1]直接自控制方案是针对大功率交流传动系统电压型逆变器驱动感应电机提出来的控制方案。
由于当时采用大功率gto半导体开关器件，考虑到器件本身的开通、关断比较慢，还有开关损耗和散热等实际问题，gto器件的开关频率不能太高。
当时的开关频率要小于1khz，通常只有500~600hz。
而即便到现在，大功率交流传动应用场合中开关频率也只能有几khz。
《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。
电机转矩控制方法综述与比较
电机转矩控制方法综述与比较引言：电机转矩控制是控制电机输出转矩大小的一项关键技术。
随着现代工业的发展和需求的不断增加，电机转矩控制方法的研究和应用变得越来越重要。
本文对电机转矩控制的常见方法进行综述与比较，包括直接转矩控制、间接转矩控制和预测控制等。
一、直接转矩控制方法1. 理论原理直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）是一种基于瞬时磁链和瞬时电流的控制方法。
它通过实时监测电机绕组电流和磁链信息，从而实现对电机转矩的精确控制。
2. 优点与局限性直接转矩控制具有动态响应快、控制精度高的优点。
然而，由于其直接控制电机的瞬时转矩和瞬时电流，所以对电机参数变化、非线性等因素较为敏感，稳定性较差。
二、间接转矩控制方法1. 理论原理间接转矩控制方法采用频率维持、电流维持等控制策略来间接控制电机的转矩输出。
其中，磁链维持方法是最常见的一种间接转矩控制方法。
2. 优点与局限性间接转矩控制方法相对于直接转矩控制方法更为稳定，对电机参数变化和非线性因素的敏感度较低。
然而，其相对于直接转矩控制方法来说，动态响应速度较慢，控制精度较低。
三、预测控制方法1. 理论原理预测控制是一种基于模型的控制方法，通过预测电机状态的未来变化，并根据预测结果进行转矩控制。
预测控制方法常用的技术包括模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）和神经网络预测控制等。
2. 优点与局限性预测控制方法具有较好的动态响应特性和较高的控制精度，对电机参数变化和非线性因素的鲁棒性较强。
然而，预测控制方法的算法复杂度较高，实时性要求较高，有一定的计算成本。
四、方法比较与选择1. 性能比较直接转矩控制方法具有快速的动态响应和较高的转矩控制精度，但对电机参数变化和非线性因素较敏感。
间接转矩控制方法相对较稳定，但动态响应较慢，控制精度较低。
预测控制方法综合了两种方法的优点，具有较好的动态响应特性和控制精度，同时对参数变化和非线性因素具有较高的鲁棒性。
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。
异步电机直接转矩控制
直接转矩控制系统主要特点
在具体控制方法上，DTC系统和VC系统有所不同， ⑴ 转矩和磁链的控制采用Bang—Bang控制器，并在PWM逆变
器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而 避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了矢量旋 转变换和电流控制，简化了控制器的结构； ⑵ 选择定子磁链作为被控量，而不像VC系统那样选择转子 磁链，计算磁链的电压模型不受转子参数变化的影响，提 高了控制系统的鲁棒性。
•电压空间矢量 Vs V jV
•a-b-c系 系坐标变换（3 / 2)
Vs 23[Vab＋Vbcej23 Vcaej43 ]
(1)
•按3 / 2变换关系，可定出逆变器输出8个电压空间矢量的
空间位置
幅值大小
转向
以
开
关
状
态
（
S
a
S
b
S
）
c
＝1
0
0为
例
据
图
2
有
：
Va
＝
b
＋
Vbc＝0
E
Vca＝ － E
S0 不变－Te
0
Te
说明实际转矩 Te
瞬时值在
T
e
Te
间变化
平均值 Te＝ Te
3、转矩与定、转子磁链 s ，r的关系
•
Te
KT Lm
s
r
KT Lm
s
r s in
s , r
s ,
大
r
小
恒
定
时
，
T e s in
低速范围内的异步电动机直接转矩控制方法探究
低速范围内的异步电动机直接转矩控制方法探究一、引言异步电动机作为工业中最为常见的电动机之一，广泛应用于风机、水泵、压缩机等场合。
而在这些应用中，对于电动机的控制往往需要对其转矩进行精准的控制。
传统的异步电动机控制方法中，常常采用间接矢量控制或者感应电机速度闭环控制等方式来实现对电机转矩的控制，但是这些方法在低速范围内的性能往往无法满足要求。
近年来，研究者们开始关注直接转矩控制(DTC)方法在低速范围内的应用，以期望能够获得更好的低速性能。
本文将探讨在低速范围内的异步电动机直接转矩控制方法，包括其原理、控制策略、实现方式等方面的研究进展并进行分析，旨在为该领域的研究者和工程师提供一定的参考和借鉴。
二、低速范围内的异步电动机特性分析在低速范围内，异步电动机的矢量控制性能往往受到限制，主要表现在以下几个方面：1. 起动性能较差：在低速范围内，由于电机的电磁转矩较小，因此电机的起动性能较差，需要较大的起动电流才能使电机正常启动。
2. 转矩波动较大：在低速范围内，电机的电磁转矩受到电网频率的影响较大，因此电机的转矩波动较大，难以实现精准的转矩控制。
3. 饱和现象严重：在低速范围内，电机的磁通饱和现象较为严重，导致电机的转矩输出受到限制。
传统的矢量控制方法在低速范围内往往难以满足对电机转矩精准控制的需求，因此需要采用新的控制方法来解决这一问题。
三、直接转矩控制原理直接转矩控制(DTC)是一种基于转矩和磁链的控制方法，其核心思想是通过控制电机的定子电流和磁链来实现对电机转矩的精准控制。
在DTC控制系统中，通过测量和计算电机的定子电流和磁链，然后根据控制策略来调节定子电流和磁链的大小和方向，以实现对电机转矩的控制。
具体来说，DTC控制系统包括以下几个关键环节：1. 电流和磁链的测量：通过传感器或者估计算法来测量电机的定子电流和磁链。
2. 转矩和磁链的计算：根据测量得到的电机定子电流和磁链，通过数学模型来计算电机的转矩和磁链大小和方向。
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三、 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。
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。
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例如，当定子原有磁链位于θ(Ⅱ)区域内， 并有s s 的值，如图2-6 所示，如果要求s 逆时针旋转，则分别选择 u2 和 u3 就能满足式 （2-8）的关系。只要定子磁链不出θ(Ⅱ)区， 则反复施加 u2 和u3 。但是，当进入θ(Ⅲ)区后， 则反复选用 u3 和 u1 才能满足式（2-8）。这种控 制叫电压空间矢量PWM控制，也叫磁链跟踪 型PWM控制。
通角 的大小达到改
变转矩的目的。
图 2-2 定子磁链的轨迹
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在实际控制过程中，将测得的电机三相电 压和电流送入计算器，计算出电机的定子磁链
和s 电磁转矩 ，T分别与给定值 和s 相T比较，
然后选择开关模式，确定PWM逆变器的输出。
图2-3 直接转矩控制原理图
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其中，us、is、s均、为r空间矢量
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在转矩公式中， 为定 子磁链和转子磁链之间的 夹角，称为磁通角。在控 制过程中，为了充分利用 铁心，应保持定子磁链的 幅值为额定值，而转子磁 链是由负载决定的，不能 突变，因此要改变转矩的 大小，可以通过改变磁通 角来实现。
图2-1 磁链矢量图
匀分布在 平面 上，如右
图所示：
图 2-5 逆变器输出电压矢量
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四、定子电压矢量对磁链的调节作用
将（2-7）代入（2-4）中可得：
s usdt uiti s0
(i 0,1,,7)
也就是说，定子磁通 的运s 动方向基本
是沿 进us行的，其运动速度快慢由电压幅 值 来确u定s 。
如果某时刻选取的是零电压矢量，则该时 刻的磁链矢量的旋转速度近似为零。这样就可 以通过选用适当的零电压矢量来降低定子磁链 的平均旋转速度。
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图 2-8 电压矢量与相电压波形图
a) 选用非零电压矢量时的波形
b) 选用零电压矢量时的波形
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下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选
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本章小结
• 直接转矩控制是在定子坐标（ ）系下分析交流电动 机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转 变换对异步电动机的 数学模型解耦简化，计算简单明 了，物理概念清楚。
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5.2 直接转矩控制技术(DTC)
• 概述 • 直接转矩控制的基本原理 • 定子电压矢量与定子磁链 • 定子电压矢量对磁链和转矩的影响 • 直接转矩控制系统的介绍 • 直接转矩控制技术与矢量控制技术的比较
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一、概 述
继矢量控制之后，1984年德国鲁尔 大学的Depen Brock 又提出了交流电动 机的直接转矩控制方法，其特点是直接采 用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计 算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁 场定向，借助于离散的两点式调节产生 PWM（空间矢量SPWM）直接对逆变器 的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的 高动态性能。
2
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和矢量控制不同，直接转矩控制摒 弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单的通过电机定子电压和电流，借助 瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转 矩，并根据与给定值比较所得差值，实 现磁链和转矩的直接控制。
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直接转矩控制的特点：
• 控制思想简单 • 控制系统简洁明了 • 动、静态性能优良
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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
2 1
3
0
1 2 3
2
1 2 3 2
Ta T b Tc
其中，T T 为空间矢量在坐标轴上的分量
Ta Tb Tc 为三相轴线的矢量的模
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用电压型逆变器供电的交流调速系统如下
u
u
u
u
u
01 u u u u u u
-1 u u u u u u
11 u u u u u u
-1 u u u u u u
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电磁转矩模型
在直接转矩控制中，需要实测电磁转矩作 反馈值。直接测量电磁转矩在测量技术上有一 定困难。为此，采用间接法求电磁转矩。一般 是根据定子电流和定子磁链来计算电磁转矩。
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在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得
Te* K p (r* r ) KI (r* r )dt
磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在 额定转速以下，使它保持常数，超过额定转速 时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转矩和定子 磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转 换，通过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。
图2-9 磁通建立过程
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为了确定各电压矢 量作用区间，以 轴为 起点，沿顺时针方向把 整个圆周分为六个扇区， 如右图所示。每个扇区 内的磁通轨迹由该扇区 所对应的两个电压矢量 来形成，对逆时针磁通， 如扇区Ⅰ由 u2、u6 形成， 扇区Ⅱ由 u2 、u3 形成等 等。
图2-7 扇区的划分
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。
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五、直接转矩控制系统
图 2-9 直接转矩控制系统图
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上图为德国Dephenbrock教授提出的直接转 矩控制系统，因为具有控制手段直接、结构简 单、性能优良等特点而引起了人们的广泛关注。 该方法摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子 磁场定向转变为定子磁场定向，由于定子磁通 只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性 大大减小。另外，直接转矩控制通过转矩偏差 和定子磁链偏差来确定电压矢量，不象矢量控 制那样进行复杂的坐标转换，计算大大简化。
电磁转矩的表达式可写为：
Te p(1i1 1i1)
图 2-9 转矩模型结构
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定子磁链模型
（1）定子电压电流磁链模型法
定子磁链可以在 坐标下写出如下关系式
1 (u1 R1i1)dt 由此，用下图1 所 示(的u电1 压R电1i流1)d模t 型结构可求得
定子磁链。
4
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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：
us Rsis ps
（2-1）
Tem PnLm (isir iris )
Pn (is s is s ) Pn (s is )
Ks r Ksr sin （2-2）
显然，如果给定允许误差越小，那么一周 内电压矢量改换的次数越多，电压矢量构成的 多边形的边数越多，其轨迹越接近于半径为指 定值的圆。
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如前所述，当忽略定子绕组电阻压降（该 值一般很小）时，定子磁链的旋转速度与电压 矢量幅值成正比。因此通过改变电压矢量的大 小可以改变旋转磁场的速度即控制电机的转矩， 进而控制转速。
d
e
j
3
u3 (0,1,0) u5 (0,0,1)
2U 3
d
e
j
2 3
2U 3
d
e
j
4 3
u4 (0,1,1)
2
U 3
d
u6 (1,0,1)
2U 3
d
e
j
5 3
u0 (0,0,0) u7 (1,1,1) （ 02-7）
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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（ u0 ~）u7，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
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开关状态的选择规则如下：
| s* || s |
| s* || s |
| Te* || Te | | Te* || Te |
D1 =1 D1 =0
DT =1 DT =-1
（增加磁链） （减小磁链）
（增加转矩） （减小转矩）
开关状态选择（函数）是一个三元函数 U=f（ D1，DT， (N )）
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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