直接转矩控制与DTC讲述
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。
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。
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
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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
直接转矩控制技术(DTC)参考文档
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
1
Байду номын сангаас
电力电子与电机控制研究所
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。
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01 u u u u u u
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31
电力电子与电机控制研究所
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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6
电力电子与电机控制研究所
将定子电压的方程变形为：
s (us Rsis )dt
忽略定子电阻后为：
s usdt
ds dt
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将方程离散化得：
t2
s (t2 ) s (t1) t1 usdt
（2-3）
（2-4）
（2-5）
7
电力电子与电机控制研究所
定子磁链矢量 s 的轨迹将按式（2-5） 规律变化。这样，可 以通过控制定子电压 空间矢量来控制定子 磁链的幅值和旋转速 度，从而在保持磁通 恒定的情况下改变磁
三相异步电机直接转矩控制研究
毕 业 设 计2013 年 5 月 15日设计题目 三相异步电机直接转矩控制研究 学生姓名 学 号 20092252 专业班级 电气工程及其自动化09级—2班 指导教师 院系名称 电气与自动化工程学院目录中文摘要： (1)关键词： (1)Abstract: (2)Keywords: (3)1 绪论 (4)1.1 课题研究的背景、目的及其意义 (4)1.2 直接转矩控制算法的国内外研究现状 (6)2 直接转矩控制的理论基础 (6)2.1 三相异步电机的数学模型 (6)2.1.1三相异步电机的数学模型 (6)2.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响 (8)2.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响 (9)2.2 逆变器以及基本空间矢量的概念和原理 (10)3. 直接转矩控制的控制原理 (12)3.1定子磁链矢量空间位置检测 (13)3.2 定子磁链、转矩和扇区的计算 (14)3.2.1定子磁链估计 (14)3.2.2 电磁转矩估计 (18)3.3 定子磁链和电磁转矩的控制 (18)3.4磁链调节和转矩调节 (20)3.5 起动问题 (21)3.6 直接转矩控制与传统的矢量控制比较 (21)3.6.1 直接转矩控制的特点 (22)3.6.2 DTC与矢量控制的比较 (22)3.7 本章小结 (23)4. 直接转矩控制系统的仿真和性能分析 (23)4.1 关于MATLAB软件 (23)4.2 MATLAB软件简介 (24)4.3 直接转矩控制系统的Matlab／Simulink仿真 (24)4.4 直接转矩控制系统的性能优缺点分析 (26)4.5本章小结 (27)结论 (28)谢辞 (30)[参考文献] (31)三相异步电机直接转矩控制研究中文摘要：对于三相异步电机来说，直接转矩控制（DTC）是一种高性能的变频调速控制方案。
三相异步电机的直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。
直接转矩控制系统DTC
运动控制系统2020大作业摘要：三峡工程是世界瞩目的超大工程，其中升船机的设计有着许多难点。
本文针对三峡工程中升船机运行的一些实际问题进行了解答，并基于直接转矩控制（DTC ）策略，利用simulink 搭建了三相异步电机直接转矩控制系统仿真模型，采用了定子磁链圆形的控制策略，对系统进行仿真。
仿真结果表明，该直接转矩控制系统仿真模型能够很好地模拟实际调速系统的相关性能，体现了更优越的静动态性能。
关键词：DTC ；异步电动机；定子磁链控制；三峡工程 1引言 1.1 交流调速系统的发展与现状 长期以来，在调速传动领域大多采用磁场电流和电枢电流可以独立控制的直流电动机传动系统，它的调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良好的动态响应，然而出于在结构上存在的问题使其在设计容量上受到限制，不能适应高速大容量化的发展方向，交流电机以其结构简单，制造方便、运行可靠，可以以更高的转速运行、可用于恶劣环境等优点得到了广泛的运用，但交流电动机的调速比较困难。
在上个世纪20年代，人们认识到变频调速是一种理想的调速方法，由于当时的变频设备庞大，可靠性差，变频调速技术发展缓慢。
60年代至今，电力电子技术和控制技术的发展，使交流调速性能可以与直流调速相媲美。
现代电子技术的飞速发展、电动机控制理论的不断完善以及计算机仿真技术的日益成熟，极大的推动了交流电动机变频调速技术的发展。
1.1.1 直接转矩控制直接转矩控制（direct torque control ，简称DTC ）利用逆变器六个开关管的“开关特性”直接对电动机的转矩进行控制，即根据电动机的实际电磁转矩大于还是小于给定转矩，直接选择逆变器开关的状态。
从而输出合适的电压空间矢量，使得转矩减小或增大。
它省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，物理概念明确，转矩响应迅速，电机磁场可以接近圆形，谐波小，开关损耗小，噪声及温升较小；但它也存在转矩脉动大的不足。
整体上是一个非常优秀的控制策略。
三相异步电动机直接转矩控制(DTC)系统仿真
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。
直接转矩控制系统的主要特点有：（1）直接转矩控制是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。
（2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。
（3）直接转矩控制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，使问题变得简单明了。
（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。
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。
2 直接转矩控制的理论基础2.1直接转矩控制的原理ψ的正负符号和电磁直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差ΔSψ所在位置，直接选取合适的转矩偏差ΔTe的正负符号，再依据当前定子磁链矢量S电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩和定子磁链的控制。
直接转矩控制是为电压源型PWM逆变器传动系统提出的一种先进的转矩控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。
DTC
s
2
3
2
3
3
1
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。 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。
1 0 0
1 1 0
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(f)
g g
S g
图6.7.5 作为磁链比较器的施密特触发器
图6.7.4 磁链开关信号、逆变器开关状态与电压矢量的时序关系图 （a）磁链在 轴的投影 （b）磁链开关信号 ； （c）、（e) 逆变器开关状态 （c）、（f) 开关状态图
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
下面举例说明零电压矢量的作用。当依次 选取电压矢量 u 1 , u 2 , u 6 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u 0 ，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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DTC的基本控制原理
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(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。
dtc拖滞力矩控制
dtc拖滞力矩控制摘要：一、引言二、dtc拖滞力矩控制的定义和原理三、dtc拖滞力矩控制的应用领域四、dtc拖滞力矩控制的优势和局限性五、发展趋势和前景正文：dtc拖滞力矩控制是一种先进的控制策略，广泛应用于各种工业领域。
本文将从定义、原理、应用、优势、局限性和发展趋势等方面进行详细介绍。
首先，dtc拖滞力矩控制，全称为Direct Torque Control，是一种直接转矩控制技术。
其核心思想是通过控制电机的转矩和磁通来实现对电机的高效、高性能控制。
与传统的矢量控制相比，dtc拖滞力矩控制具有更好的动态响应和更高的控制精度。
其次，dtc拖滞力矩控制的工作原理主要包括三个部分：转矩观测、磁场定向控制和直接转矩控制。
转矩观测用于实时监测电机的转矩变化，磁场定向控制用于实现电机的精确磁场定向，直接转矩控制则通过调节电机的电压、频率和电流来实现对转矩和磁通的控制。
在应用领域方面，dtc拖滞力矩控制技术在工业生产中具有广泛的应用。
例如，在电梯控制系统中，dtc拖滞力矩控制可以实现电梯的快速、平稳启动和停止；在电动汽车领域，dtc拖滞力矩控制可以提高电动汽车的驱动性能和续航里程；在风力发电领域，dtc拖滞力矩控制可以提高发电机的并网性能和稳定性。
当然，dtc拖滞力矩控制技术也存在一定的局限性。
例如，在低速运行时，由于电机的反电动势较小，dtc拖滞力矩控制的效果可能会受到影响。
此外，dtc拖滞力矩控制的设计和实现相对复杂，对控制器的计算能力和精度要求较高。
尽管如此，随着电机控制技术的发展，dtc拖滞力矩控制技术仍具有很大的发展潜力。
未来的发展趋势主要包括提高控制精度、降低成本、简化设计和拓展应用领域等方面。
总之，dtc拖滞力矩控制技术是一种具有广泛应用前景和巨大发展潜力的电机控制策略。
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。
DTC直接转矩控制技术介绍
交流传动的发展
无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理 论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在 异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内 安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不 在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通 用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所 谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思 想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公 式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和 转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的 电压和频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指 令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量 控制。
ABB Industry Oy Drives Group - Product AC
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ACS 600 Evolution of AC drives
交流传动的发展
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可 在调速范围上与直流电动机相匹配，而 且可以控制异步电动机产生的转矩。由 于矢量控制方式所依据的是准确的被控 异步电动机的参数，有的通用变频器在 使用时需要准确地输入异步电动机的参 数，有的通用变频器需要使用速度传感 器和编码器，并需使用厂商指定的变频 器专用电动机进行控制，否则难以达到 理想的控制效果。
ABB Industry Oy Drives Group - Product AC
- Rectifier DC- circuit Inverter unit
Frequency converter
ABB Industry Oy Drives Group - Product AC
Page 3
Direct Torque Control basics
U3
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。
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Te p(1i1 1i1)
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：
1 (u1 R1i1)dt ；1 (u1 R1i1)dt
由此，用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
控制系统原理图如下图所示，共由速度环 PID 控制和速度检测模块、电流环与磁链 模块、坐标变换模块、SVPWM 模块和逆 变器模块五部分组成
基于SVPWM的矢量控制系统
基于SVPWM的矢量控制系统结构图
矢量控制的特点及存在问题
• 转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量与转
特点
矩分量的解耦。 • 采用连续PID控制，转矩与磁链变化平稳。
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。
直接转矩存在问题
由于转矩和磁链采用砰-砰控制，开关频率不确定 ，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒 定的。
由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积 分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁 链计算的准确度。
2 3
(ua
2
ube j 3
j 4
uce 3 )
电压空间矢量
根据计算出其它
电压矢量的幅值
U2
U6
和…U6将 U3
U4
is
定子空间圆等分 为6个扇区，如
U1
U5
右图所示。
s
θ
r
电压空间矢量
定子电压空间矢量与磁链的关系
定子磁链s(t)与定子电压us(t)之间的关系为
定子电压空间矢量对转矩的影响
当施加超前定子磁链的电压矢量时， 使定子磁链的旋转速度大于转子磁链 的旋转速度，磁链夹角加大，相应转 矩增加。如果施加零矢量或滞后矢量 时，相当于定子磁链矢量停滞不前或 反转，而转子磁链继续旋转，相应转 矩减小。
转矩和磁链砰-砰控制控制
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，采用砰-砰控制。转矩 滞环和磁链滞环的控制原理如图所示。
Ф,M
γ θ1
φ
iα
iMcosφ
iM
α
iTsinφ
Park 变换
空间坐标变换
矢量控制的数学模型
经过坐标变化从而 得到等效成直流电 动机模型，可以采 用控制直流电动机 方法控制交流电动 机，实现对电机电 磁转矩的动态控制 ，获得良好的调速 性能。
坐标变换等效结构图
磁通的计算
矢量变换的关键是将 电流和磁通矢量变换 到磁场定向的M-T坐 标系上来。因此，能 否准确地计算磁通Ф ，将直接影响到控制 系统的精度。
二. 矢量控制技术
1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基
于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制 （VC）原理，由此交流电机矢量控制得到 了广泛地应用。
矢量控制借助于坐标变换，将实际的定子 三相电流变换成等效的力矩电流分量和励 磁电流分量，以实现电机的解耦控制，把 交流电动机模拟成直流电动机，控制概念 明确。
由图可推导出转矩角的表达式为：
tan 1 ( sq
/ sd )
tan 1 ( Lqiq
Ld id
f
)
式中： 、 ：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb ）；
：转子永磁磁链（Wb）；
id、iq：定子电流 is 在d、q坐标系下的分量（A）； L q ：定子电感 的d轴分量，即交轴电感（H）； L d ：定子电感 的q轴分量，即直轴电感（H）。
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 确计算，定子电流、转速磁链模型结构图如下：
电流磁链模型电路框图
直接转矩控制系统
Esα 磁
链
Esβ
观 测
ψsα 磁链
角与
磁链
ψsβ 幅值 s -
计算
+
s*
转矩观测
Ψ×i
Te isα +Te*
isβ
Rs Rs ++
交流同步电机矢量控制与DTC
系统的原理分析与比较
交流同步电动机
交流同步电动机具有非线性、强耦合、多变量的 性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型 出发，分析交流电动机的转矩和磁链控制规律， 研究高性能交流电动机的调速方案。
以永磁式同步电机（PMSM）为例研究和分析交 流同步电机的调速方案。永磁式同步电机控制系 统具有更高的运行速度，运行性能更稳定，位置 控制能力更强。永磁式同步电动机具有简单的结 构、小巧的体积、良好的功率因素、较高的效率 和易于维护保养等特点。
（2）电流模型法
转子磁通Ф2与励磁电 流i1M成正比，转子电 路具有阻碍磁通变化 的作用，成为一阶滞 后环节：
2
LM 1 T2S
i1M
i1T
Kr'2
i1M
LM
1+T2S
ω1-ω2
ω1 两相
cosφ
振荡器 sinφ
ω2 （测速机）
Ф2
电流模型法的磁通运算器
基于SVPWM的矢量控制
SVPWM 控制也称作磁链跟踪控制，着眼 于逆变器和电机构成的整体，目的是使交 流电机通入三相对称正弦电流后在电机的 定子内圆形成圆形的旋转磁场，从而产生 恒定的电磁转矩。
PMSM的两种调速策略
矢量控制和直接转矩控制（DTC）是两种基于 动态模型的高性能的交流电动机调速系统。
矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将 电机电流分解为转矩电流和励磁电流， 并分别 加以控制，从而获得高性能的控制效果。
直接转矩控制基于定子磁场定向， 以电机转矩 为控制对象， 通过实时观测电机转矩和定子磁 链， 利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器 功率器件的开关状态， 输出合理的电压矢量, 达到对转矩和定子磁链控制的目的。
在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什 么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小 ，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当 s处于扇区U6时，为了控制s沿顺时针方 向旋转，应当选择U4（100）、U5（101） 。当磁链幅值达到上限时应选择U5（101） ，当磁链幅值达到下限时选择U4（100）。 反之，当需要磁链作逆时钟旋转时，对应 扇区U6时应选取U2（010）、U3（011）。
：
s (t) (us (t) is (t)Rs )dt
公式表示：忽略定子电阻Rs上压降，定子磁 链空间矢量s沿着电压空间矢量Us的方向， 以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合 理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量s 的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨 迹移动。
定子电压空间矢量与磁链的关系
（1）电压模型法
磁通计算公式：
1 LM L1 i1 LM i2
u1 r1i1 dt
2 LM L2' i2 LMi1
LM L2'
LM
1 L i1
电压模型计算法只适用于
高速运行，在低速运行时，
难以进行精确计算。
磁通的计算
+
U dc
-
SA iA
SB iB
SC iC
PMSM
电压型逆变器
电压空间矢量
SA、SB、SC分别表示逆变器三相的开关状态 ， SA =1，表示U相的上桥臂导通， SA =0， 表示U相的下桥臂导通。
三个开关量SA、SB、SC共有八种组合，分别 是： (SA、SB、SC) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。
相静止坐标系下的交流 电流isα、isβ，再通过按 转子磁场定向的旋转变 换(Park 变换)，可以等
效成同步旋转坐标系下 的直流电流ism、ist ，如 式（1）和（2）。
Fβ Fb
60°
Fa Fα
60°
Fc
Clarke变换
矢量控制的数学模型
T
iTcosφ iMsinφ
β
i1 （F1）
iβ
iT
φ
这八种组合中，组合(000)和(111)状态下，电 动机的电压均为零，称为零电压状态，其他 六种组
电压空间矢量
Us是由逆变器的开关状态（ SA、SB、SC ）得到的，六种有效电压状态可以得到 六个空间电压矢量。
用下式可以计算出U1 、 U2 ……U6六个 空间电压矢量的幅值和位置。
Us
系统的定子磁链的轨迹是正六边 形，因而定子电 流含有高次谐渡分量，其中五次和七次 谐波对控 制系统和电网的影响最为严重。
在低速运行时，开关频率越低转矩脉动越大，影 响系统调速性能。
四. 矢量控制与DTC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
调速范围 转矩动态响应
矢量控制
DTC
转子磁链闭环控制 定子磁链闭环控制
连续控制，比较平滑 砰-砰控制，有转矩 脉动
闭环控制
无闭环控制
旋转坐标变换，较复 静止坐标变换，较简
杂
单
按转子磁链定向
需知道定子磁链矢量 的位置，但无需定向
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
(n) s Te
电 压 矢
量
优 化 开 关
表
PW
M 控 制
ia
2 3