直接转矩控制系统
研究生课件7 异步电动机直接转矩控制系统
转矩控制
n
按定子磁链定向将定子电压分解为两个分 量，usd 控制定子磁链幅值的变化率，usq 控制定子磁链矢量旋转角速度，再通过转 差频率控制定子电流的转矩分量 isq ，最后 控制转矩。
定子电压矢量的控制作用
n
当定子磁链矢量 位于不同扇区 时，同样的有效 工作电压矢量沿 d轴和q轴分解 所得的两个电压 分量不同，对定 子磁链与电磁转 矩的控制作用也 不同。
直接转矩控制系统特点
n
选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模 型可以不受转子参数变化的影响，提高了 控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导 按定子磁链控制的规律，显然要比按转子 磁链定向时复杂，但是，由于采用了非线 性的双位式控制，不受这种复杂性的限制。
直接转矩控制系统特点
n
由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化 的动态过程中，可以获得快速的转矩响应。直接 转矩控制系统的电流耦合程度大于矢量控制系 统，一般不采用电流反馈控制，这样就必须注意 限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件， 因此实际的转矩响应也是有限的。
（-，-）
（0，0）
定子电压矢量的控制作用分析
n
n
忽略定子电阻压降，当所施加的 u sd 为“+”时， 定子磁链幅值加大，为“0”时，定子磁链幅值维 持不变，为“-”时，定子磁链幅值减小。 当 u sq为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转差频 率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大，为“0” 时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电 流转矩分量和电磁转矩减小，当为“-”时，定子 磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产 生制动转矩。
直接转矩控制系统和矢量控制系 统特点与性能比较
性能与特点 磁链控制 转矩控制 电流控制 坐标变换 磁链定向 直接转矩控制系统 定子磁链闭环控制 双位式控制，有转矩脉动 无闭环控制 静止坐标变换，较简单 需知道定子磁链矢量的位 置， 但无须定向 不够宽 较快 矢量控制系统 转子磁链闭环控制， 间接定向时是开环控制 连续控制，比较平滑 闭环控制 旋转坐标变换，较复杂 按转子磁链定向
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
直接转矩控制系统
目录1概述 (1)2异步电机动态模型的建立 (2)2.1异步电机的三相数学模型 (2)2.2异步电机两相模型 (4)3直接转矩控制的基本原理及特点 (6)3.1直接转矩控制系统原理与特点 (6)3.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (7)4系统建模与仿真 (10)4.1 Matlab/Simulink简介 (10)4.2模块模型实现 (10)4.2.1电机模型 (11)4.2.2磁通和转矩滞环控制器 (12)4.2.3磁链选择器 (13)4.2.4电压矢量选择 (14)4.2.5其他模块 (15)附录 (18)5感受和体会 (17)参考文献 (24)直接转矩控制技术仿真分析1概述异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。
直接转矩控制就是一种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，直接转矩系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正、负符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。
直接转矩控制系统能够实现优良的静、动态特性，但是也有其不足之处。
基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的对象，就不能满足要求了。
要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计。
本说明书第二章主要讲述异步电机动态模型的建立，分析其动态模型以及控制特点。
第三章讲述直接转矩控制的特点。
第四章主要讲述仿真模型的构造。
2异步电机动态模型的建立电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。
交流电机不同于直流电机，不能简单地分析设计调速系统，由于其动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
2.1异步电机的三相数学模型研究异步电机数学模型时忽略空间谐波、磁路饱和、铁心磁损，也不考虑频率变化和温度变化对绕线电阻的影响。
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
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
第三十八讲%20异步电动机直接转矩控制
✓“+”：定子磁链矢量正向 旋转，转差率增大，电磁转 矩加大；
✓“-”：定子磁链矢量反向
旋转，产生制动转矩； ✓“0”：定子磁链矢量停在 原地，转差率为负，电磁转 矩减小 。
定子电压的控制作用
2.直接转矩控制系统
➢ 直接转矩控制系统原理结构图
直接转矩控制系统
Control)系统，是继矢量控制系统之后发展起 来的另一种高动态性能的交流电动机变压变 频调速系统。 ➢ 在转速环内，利用转矩反馈直接控制电动机 的电磁转矩，因而得名。
直接转矩控制
➢ 直接转矩控制利用转矩偏差和定子磁链 幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢 量所在的位置，直接选取合适的定子电 压矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电 磁转矩的偏差，实施电磁转矩和定子磁 链的控制。
✓ 选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型 可以不受转子参数变化的影响，提高了控制 系统的鲁棒性。
直接转矩控制系统的特点
➢ 直接转矩控制系统的特点：
✓ 采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化 的动态过程中，可以获得快速的转矩响应， 但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏 功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有 限的。
✓ 电磁转矩偏差ΔTe<0，Sgn（ΔTe）=0， 采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小 。
直接转矩控制系统
➢ 当期望的电磁转矩为负时，P/N=0
✓ 电磁转矩偏差ΔTe<0，Sgn（ΔTe）=0 ，应使定子磁场反向旋转，使实际转矩 反向增大。
✓ 电磁转矩偏差ΔTe>0，Sgn（ΔTe）=1 ，采用定子磁场停止转动，使反向电磁 转矩减小。
➢ AΨR和ATR分别为定子磁链调节器和转矩调 节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器。
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
异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真
异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的不断发展，异步电动机直接转矩控制系统（Direct Torque Control, DTC）已成为电动机控制领域的重要研究方向。
该控制系统以其快速响应、高鲁棒性和简单的结构特性，在电力驱动、工业自动化、新能源汽车等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在通过MATLAB仿真平台，对异步电动机直接转矩控制系统进行深入研究和探讨。
本文将首先介绍异步电动机直接转矩控制的基本原理和主要特点，包括其与传统矢量控制方法的区别和优势。
随后，将详细阐述异步电动机的数学模型，以及DTC系统中转矩和磁链的控制策略。
在此基础上，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建异步电动机DTC系统的仿真模型，并对仿真模型中的关键参数和模块进行详细设计。
本文的重点在于通过仿真实验，分析异步电动机DTC系统的动态性能和稳态性能，探讨不同控制参数对系统性能的影响。
将针对仿真结果中出现的问题和不足，提出相应的改进措施和优化策略，以提高DTC系统的控制精度和稳定性。
本文将对异步电动机直接转矩控制系统的未来发展趋势和应用前景进行展望，为相关领域的研究人员和工程师提供参考和借鉴。
二、异步电动机直接转矩控制系统理论基础异步电动机直接转矩控制系统（Direct Torque Control, DTC）是一种高效的电机控制策略，旨在直接控制电机的转矩和磁链，从而实现快速动态响应和优良的控制性能。
与传统的矢量控制相比，DTC具有算法简单、易于数字化实现、对电机参数变化不敏感等优点。
异步电动机DTC系统的理论基础主要建立在电机转矩和磁链的直接控制上。
在DTC中，通过检测电机的定子电压和电流，利用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）或滞环比较器（Hysteresis Comparator）等控制手段，直接计算出所需的电压矢量，以实现对转矩和磁链的快速调节。
8第八讲异步电动机的直接转矩控制系统-吴学智
2εΨ
s* s
定子磁链的控制
圆形轨迹控制原理
从A点到B点的路径有无 数条。
从A点出发沿顺时针方向 前进的矢量可以选择V4、 V2、V6
从保证电压矢量控制效果 考虑选择V2、V6
要有效地控制磁链轨迹，必须解决三个问题： 选择电压矢量；确定各电压矢量的作用时间；确定各电 压矢量的作用次序。
运动轨迹的关系
定子磁链的控制
电压型逆变器的输出电压矢量
三相电压型逆变器输出的8种 电压空间矢量。
6个有效矢量，2个零矢量；
改变逆变器输出状态可改变
U 3 (010)
输出电压矢量。
U 4 (011)
U 5 (001)
b
U 2 (110)
U 1 (100)
U0 (000)
a
U 7 (111)
直接转矩控制采用空间矢量的分析方法，直接在定 子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁 场定向，借助了离散两点式调节(Bang-Bang控制)产生 PWM信号，直接对逆变器开关状态进行最优控制， 以获得转矩的高动态性能。
直接转矩控制系统的原理
空间电压矢量 如果三相交流电压是正弦波，相电压为：
U s
U C0 c
直接转矩控制系统的原理
逆变器供电的空间电压矢量
三相电压型逆变器，有 六个功率开关，有8种可 能的开关组合。
规定a、b、c三相负载的 某一相与直流母线正极 接通时，该相开关状态 为“ 1 ”态，反之，与 负极接通时为“ 0 ”态， 则八种开关模式得出的 八种电压空间矢量
sa sb sc
电动机的定子磁链和转子磁链： 电流模型法计算 定子磁链，精度不受转速降低的影响，
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
异步电动机的直接转矩控制系统
异步电动机直接转矩控制系统1直接转矩控制简介直接转矩控制（ 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，这类“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不单控制转矩，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差别是，它不是经过控制电流、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剖析方法，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。
这类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，并经过磁链和转矩的直接追踪实现 PWM 脉宽调制和系统的高动向性能。
直接转矩控制系统的主要特色有：（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下剖析沟通电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
（2）直接转矩控制的磁场定向采纳的是定子磁链轴，只需知道定子电阻就能够把它观测出来。
（3）直接转矩控制采纳空间矢量的观点来剖析三相沟通电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单了然。
（4）直接转矩控制重申的是转矩的直接控制成效。
直接转矩控制技术用空间矢量的剖析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采纳定子磁场定向，借助于失散的两点式调理（ Band-Band ）产生 PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获取转矩的高动向性能。
它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化办理，没有往常的 PWM 信号发生器。
它的控制思想新奇，控制结构简单，控制手段直接，信号办理的物理观点明确。
为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理观点讲起。
2 直接转矩控制的基本物理观点2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的丈量在几种用于控制感觉电机的方法中，直接转矩控制（DTC ）据有很重要的地位。
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。
(完整word版)异步电动机直接转矩控制系统仿真
现代电力传动及其自动化—课程作业异步电动机直接转矩控制系统仿真1、直接转矩控制系统的基本思想直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 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，因而得名。
直接转矩控制是标量控制。
它借助于逆变器提供的电压空间矢量，直接对异步电动机的转矩和定子磁链进行二位控制，也称为砰-砰（bang-bang ）控制。
三相异步电动机电磁转矩表达式为:))()((m e t t K T r s ΨΨ⨯=)(sin m t K r s θψψ= (1.1)r s ψψ、分别为定子、转子磁链的模值，)(t θ为定子、转子磁链之间的夹角，称为磁通角。
对式（1.1）分析，电磁转矩决定于定子磁链和转子磁链的矢量积，即决定于两种幅值和其间的空间电角度。
若r s ψψ、 是常数,改变转矩角可改变转矩。
而且Ψr 的变化总是滞后于Ψs 的变化。
但是在动态过程中，由于控制的响应时间比转子的时间常数小得多，在短暂的过程中，就可以认为Ψr 不变。
可见只要通过控制保持Ψs 的幅值不变，就可以通过调节转矩角来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的基本原理。
图1.1 直接转矩控制系统原理图ω在定子两相静止坐标系下，根据磁链给定值与异步电机的实际磁链观测值相比较得到磁链误差，进而确定磁链的调节方向，根据给定的电磁转矩值与异步电机的实际电磁转矩观测值相比较得到转矩误差，进而确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链信号、转矩信号以及定子磁链所在位置确定选择合适的电压空间矢量，从而确定三相电压源逆变器的开关状态，使异步电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩值。
由图1.1得直接转矩控制系统仿真结构框图，如图1.2所示。
图1.2 直接转矩控制系统仿真结构框图2、单元模块说明2.1 定子电压与定子电流的三二变换三相/两相变换矩阵如式（2.1），其仿真结构框图如图2.1所示。
⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323212113223c（2.1）图2.1 三相/两相变换矩阵仿真结构框图2.2 磁链估算模型经计算得定子磁链计算公式为（2.2）（2.3）（2.4），结构框图如图2.2、2.3所示。
第8讲 异步电动机的直接转矩控制系统
4
ω *r
T*e ωr
2、直接转矩控 制系统的原理
Ψ *s Ψs
Te
和VC系统一样，直接转矩控制控制系统分别控制异步电动 机的转矩(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*e，在T*e后面设置转矩控制环，它可以抑制磁链 变化对转速的影响，从而使转速和磁链系统近似解耦。因此， 从总体控制结构上看，直接转矩控制系统(DTC)和矢量控制系 5 统(VC)是一致的，都能获得较高的静、动态性能。
3
鉴于电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起、制动时 需要快速瞬态转矩响应，1985年德国鲁尔大学的Depenbrock 教授研制了直接自控制系统(DSR)，并提出了直接转矩控制理 论，该理论采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间 矢量控制PWM逆变器，实现转速和磁链的砰－砰控制(BangBang Control) 。这在很大程度上解决了矢量控制中计算控 制复杂、特性易受电动机参数影响的问题。
a
U 5 ( 001)
U 6 (101) 14
图8-1 电压空间矢量
二、电压空间矢量对定子磁链和转矩的控制作用
1、定子磁链与定子电压的关系 d s u s Rs is (8 12) dt d s 忽略定子电阻的影响： s u (8 13) dt s u s t (8 14) 通过改变定子电压矢量的大小、方向及所作用的时间就 能对定子磁链矢量进行调节。
8
综前所述，直接转矩控制，采用电压空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁 场定向，借助了离散滞环调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号， 直接对逆变器开关状态进行最优控制，以获得转矩的高动态 性能。
析永磁同步电动机的直接转矩控制
析永磁同步电动机的直接转矩控制摘要：本文针对永磁同步电动机的直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）进行分析研究。
首先介绍了DTC的基本原理，然后详细阐述了DTC的实现方法和控制策略，实验结果表明，DTC可以实现快速的动态响应和高效的控制性能。
关键词：永磁同步电动机; 直接转矩控制; 方法1引言随着电力电子技术和计算机控制技术的快速发展，永磁同步电动机（PMSM）在工业、航空航天、汽车等领域得到了广泛应用。
直接转矩控制（DTC）是一种先进的控制技术，具有结构简单、动态响应快、控制精度高等优点，对于提高永磁同步电动机的性能具有重要作用。
本文将详细介绍永磁同步电动机的直接转矩控制技术，包括基本原理、实现方法、控制策略和实验验证等方面。
2永磁同步电动机的基本原理永磁同步电动机的基本原理是利用永磁体产生励磁，通过定子与转子之间的磁场相互作用产生转矩。
这种电动机主要由定子、转子和位置传感器组成。
定子由导电线圈组成，当电流通过线圈时会产生磁场。
转子由永磁体组成，产生的磁场与定子磁场相互作用产生转矩。
位置传感器用于检测转子的位置，以便控制电机运转[1]。
在永磁同步电动机的运行过程中，定子产生的磁场与转子产生的磁场之间相互作用，产生转矩。
这种相互作用使得转子能够转动起来。
位置传感器则不断检测转子的位置，并将信号传输给控制系统，控制系统根据转子的位置和转速来控制电流的流向和大小，进而控制电机的运转[2]。
3直接转矩控制的基本概念直接转矩控制是一种先进的电机控制方法，它通过直接控制电机的转矩来实现精确的转速控制。
相较于传统的电流或速度控制方法，直接转矩控制具有更高的控制精度和更快的响应速度。
该方法通过测量电机的电压和电流，利用电机数学模型计算出电机的磁链和转矩，并通过对电机的电压矢量进行控制来实现转矩的快速响应和精确控制[3]。
在直接转矩控制系统中，电机的电压矢量与磁链矢量之间的关系被用来进行转矩控制。
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
由于直接转矩控制是基于静止坐标系的，因此采用 由于直接转矩控制是基于静止坐标系的，因此采用α-β坐标 坐标 系上的数学模型。如下所示。 系上的数学模型。如下所示。 电压矩阵方程： 电压矩阵方程：
磁链方程： 磁链方程：
电磁转矩方程： 电磁转矩方程：
具有鲁棒性强、 不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态 响应速度快、控制结构简单等优点， 响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了 矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题， 矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题， 主要缺点是在低速时转矩脉动大。 主要缺点是在低速时转矩脉动大。
原理简介
系统模型结构如下： 系统模型结构如下：
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
根据要求搭建仿真模型如下： 根据要求搭建仿真模型如下：
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
由仿真模型可得转速曲线如下： 由仿真模型可得转速曲线如下：
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
电流波形如下： 电流波形如下：
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
如图为直接转矩控制系统整体结构图。 如图为直接转矩控制系统整体结构图。
感应电机直接转矩控制系统仿真分析
原理简介
如上图中可以看出，直接转矩控制系统， 如上图中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转 子磁链幅值保持恒定， 子磁链幅值保持恒定，然后选择合理的非零矢量和零矢量的作 用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度， 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。 变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控制 技术中， 技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁 链的旋转速度，控制定子磁链走走停停， 链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平 的大小，从而改变磁通角的大小， 均旋转速度 的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电 动机转矩的目的。 动机转矩的目的。
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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
u2(0 1 0)
β
u6(1 1 0) u0(0 0 0)
u3(0 1 1)
u4(1 0 0)
α
u7(1 1 1) u1(0 0 1) u5(1 0 1)
图 5 电压空间矢量图 [对应于书中图 5-1，其中 u0（0 0 0）与 u7（1 1 1）在原点处，它们分别表示 A，B，C 三相下桥臂或三相上桥臂同时导通，因它们相当于把电机三相绕组短接，故称为零矢量。] 定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：
（15）
[与佟书中（7-107）相对应，佟书中（7-107）是按照 α − β 坐标系分解后的表示形式，
上述公式没有在 α − β 坐标系下分解，对应书中公式（5-2） ， us 为定子电压空间状态矢量；
Rs 定子电阻， Rr 转子电阻， Ls 定子自感， Lm 定转子互感， Lr 转子自感； p 微分算子； is
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离 α 轴逆时针相差 π / 3 的角度上。 ⑥（Sa，Sb，Sc）=1 0 1 时，
ua = uc = ud / 3 ub = −2ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
2u 2 u 1 3 ud 1 3 us (t ) = [ d + (− d )(− + j ) + (− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 us (t ) = ud [ − j ] = u d e j 7π / 3 3 2 2 3
ua = ub = ud / 3 uc = −2ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
u 2u 2 u 1 3 1 3 us (t ) = [ d + d (− + j ) + (− d )(− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2
2 1 3 2 us (t ) = ud [ + j ] = ud e jπ / 3 3 2 2 3
usα = Rs isα + pψ sα usβ = Rs isβ + pψ sβ 0 = Rr irα + pψ rα + ωψ r β 0 = Rr ir β + pψ r β − ωψ rα
[对应书中公式（5-4） ， usα 、 usβ 为定子电压空间状态矢量在静止坐标系 α − β 下的分 量； isα 、 isβ 为定子电流空间状态矢量在静止坐标系 α − β 下的分量； irα 、 ir β 为转子电流 空间状态矢量在静止坐标系 α − β 下的分量；ψ sα 、ψ sβ 为定子磁链空间状态矢量在静止坐 标系 α − β 下的分量；ψ rα 、ψ r β 为转子磁链空间状态矢量在静止坐标系 α − β 下的分量； （17）
直接转矩控制
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，1985 年，德国学者 M.Depenbrock 首次提出了直接转矩控制的理论[1],[3]，随 后日本学者 I.Takahashi 也提出了类似的控制方案[2]，并获得了令人振奋的控制效果。它采用 空间矢量分析的方法， 直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链， 采用定子 磁场定向， 借助于离散的两点式控制产生脉宽信号， 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数学模型的简化处理， 具有动 态反应迅速，结构简单，易于实现等优点。和矢量控制不同，直接转矩控制摈弃了解耦的思 想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测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。 直接转矩控制的基本原理[21] 直接转矩控制系统的构成 在直接转矩控制系统中， 参考坐标系是定义在定子绕组上的， 也就是通常所说的 α − β 坐标系。 传统的直接转矩控制系统框图如下：
u a = ub = − u d / 3 uc = 2ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
u u 2 1 3 2ud 1 3 us (t ) = [(− d ) + (− d )(− + j )+ (− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 ] = u d e j 4π / 3 us (t ) = ud [− − j 3 2 2 3
1 2 iA 3 − iB 2 i 1 C 2 −
（18）
usα u A 2 u s β = CZ u B = 3 u u C s0
*
*
ud 为直流输入电压，它通常是经过整流器整流后的输出电压有效值。这里所用的逆变
器是常规的三相二点式电压型逆变器， 可以作为三相对称交流电压源对负载供电； 逆变器共 有 8 种电压空间状态矢量， 它的输入是系统开关选择表输出的脉冲序列电平， 用以触发逆变
器的三相桥臂，通过该脉冲序列电平控制逆变器的输出，使其输出相应的电压状态，它输出 三相交流电与异步电动机相连，给其供电。 M 代表电动机，这里通常指三相异步电动机。 它的输入为逆变器输出的三相电压， 当调节逆变器的输出电压 （即电动机端电压有效值） 时， 就可以完成电机的转速控制。3/2 变换器的作用是将三相电压和三相电流转换为 α − β 坐标 系下的两相电压和电流信号， 其目的在于实现电机转矩和磁链的估计。 它的输入为从逆变器 输出端测量的三相电压和三相电流值， 输出是静止坐标系 α − β 下的两相电压电流分量。 转 矩、磁链观测器的作用是计算出定子磁链、转矩的幅值和定子磁链与 A 轴的夹角，它的输 入为 3/2 变换器的输出 uα 1 、 uβ 1 、 iα 1 、 iβ 1 四个空间状态矢量，输出为所估测的电机转矩 Te 与电机磁链ψ 值以及定子磁链与 A 轴的夹角 θ 。速度调节器的作用是通过电动机检测的速 度反馈值与速度给定值之差， 形成系统的闭环控制， 它的输入是速度给定值与电动机检测的 速度反馈值之差， 输出为给定的电磁转矩值。 转矩调节器与磁链调节器的作用是完成转矩与 磁链的闭环调节， 它们的输入是给定转矩与实际转矩的估计值之间的差值以及给定磁链与实 际磁链的估计值之间的差值，输出为施密特触发器产生的 0、1 信号。开关选择表的作用是 根据输入选择恰当的空间矢量对逆变器进行触发， 它的输入是转矩调节器与磁链调节器产生 的 0、1 信号以及所观测的定子磁链角，输出是逆变器的触发脉冲序列。 空间矢量 PWM 逆变器 直接转矩控制系统采用三相二点式电压型逆变器向交流异步电机供电。 在任一时刻同一 桥臂只能有一个开关元件导通，这就决定 a、b、c 三相共有八个开关状态。这八个开关状态 分别对应八个电压空间矢量，可用（Sa、Sb、Sc）形式来表示，其中 Sa=1 表示 a 相上管接 通下管断开，Sa=0 表示 a 相下管接通上管断开。据此，八个电压空间矢量可描述为： u0（0 0 0）u1（0 0 1）u2（0 1 0）u3（0 1 1） u4（1 0 0）u5（1 0 1）u6（1 1 0）u7（1 1 1） 其中 u0、u7 代表零矢量，分别表示 A，B，C 三相下桥臂或上桥臂同时导通，因它们 相当于把电机三相绕组短接，故称为零矢量，其它空间电压矢量均为非零矢量。 电压矢量图如下：
1 0 1 2
−
1 2 3 2 1 2
1 2 uA 3 − uB 2 u 1 C 2 −
（19）
[与矢量控制公式 3/2 变换相同，isα ，isβ 是静止坐标系下 α − β 坐标系定子电流空间状 态矢量的分量； usα ， usβ 是静止坐标系下 α − β 坐标系定子电压空间状态矢量的分量； iA 、
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
2u u 2 1 3 ud 1 3 us (t ) = [(− d ) + d (− + j ) + (− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 2 us (t ) = − ud = ud e jπ 3 3