异步电动机直接转矩控制基本基本知识
异步电动机直接转矩控制基本原理
从1985年德国鲁尔大学德彭布洛克（Depenbrock ）教授首次提出直接转矩控制理论以来，短短十几年时间，直接转矩控制理论以它简明的系统结构，优良的静、动态性能得到迅猛发展和应用。
1 异步电动机的数学模型
异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。理想状态下（一般这样假设）电机三相（定、转子）均对称，定、转子表面光滑，无齿槽效应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。在固定坐标系下（α，β，0），用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型（则有r u α＝
r u β＝0）。基本方程如下：
⎥⎥⎥⎥
⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢⎢⎣
⎡
+--+++=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡r r s s r r r
m
m r r r m
m m s
s m s s s s i i i i L R L L L
L L R L L L L R L L R u u βαβαβαωωωω..
.
..
.
.
.
000
000 （1） )()(r s r s m p s s s s p e i i i i L n i i n T βααβαββαψψ-=-= （2）
p
e p n F TL T dt n Jd ω
ω--= （3） s R 、s L ：定子电阻和自感
r R 、r L ：转子电阻和自感 m L ：定子互感
ω：电机转子角速度，即机械角速度
s u α 、s u β：定子电压（α、β）分量
s i α 、s i β：定子电流（α、β）分量 r u α、r u β：转子电压（α、β）分量
r i α、r i β：转子电压（α、β）分量
J ，F 分别为机械转动惯量和机械磨擦系数
本文均采用空间矢量分析方法，图1是异步电机的空间矢量等效图，在正交定子坐标系（βα-
各个物理量定义如下：
)(t u s —定子电压空间矢量
)(t i s —定子电流空间矢量
)(t i r —转子电流空间矢量
)(t s ψ—定子磁链空间矢量 ω —电角速度
依图1以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程：
s s s s i R U ψ
+= (4) 0 =r r i R -r ψ
+j ωr ψ (5)
s ψ=L u i (6)
r ψ =s ψ-r i L σ (7) 定子旋转磁场输出功率为（下式s ω表示定子旋转磁场的频率）：
P=d s T ω=
*}{2
3s s i RE ψ
=)(23
ββααψψs s s s i i + (8) 并且有 s .
ψ＝)(βαωs s s ji i L j + (9)
把表达式(9)分解到（βα-）坐标下得：
ββαψωωψs s s s s Li -=-=.
（10） ααβψωωψs s s s s Li -=-=.
（11） 把式（10）和式（11）代入式（8）得转矩表达式：
)(2
3
αββαψψs s s s d i i T -=
（12） 从图1可得：
r u s i i i +=，结合式（6）、式（7）得：
)(2
3
1βααβσψψψr s r s d i L T -=
（13） 上式也可以表示成（θ为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角）：
θψψσsin 2
3
1r s d L T =
（14） 定子磁链的幅值根据式（4）由定子电压积分来计算的，而转子磁链幅值由负载决定的，它根据式（5）由转子电流决定，而稳态转矩据式（14）则通过计算磁通角来实现。
2 电压型逆变器的模型
逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要部分，本系统采用的是电压型逆变
器。如图2，每个桥臂各有上、下两个开关管（a S 、b S 、c S 、-a S 、-b S 、-
c S ），在同一时刻总有一个开关管断开，另 一个闭合。其中a S 与-
a S ，
b S 与-
b S
c S 与-
c S 均互为反向，也即一个导
通而另一个断开。a 、b 、c 表示异 步电机的三相。逆变器总共有8种
开关状态，如表1：
表1 逆变器8种开关状态
从表1可以看出，开关状态0、7属于同一状态，其相当于把电机三相A 、B 、C 同时接到同一电位上，这两种状态称为零状态；而另外状态1～6则称为工作状态。所以实际上电压逆变器共有7种不同状态。由图2可知，当电压型逆变器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对应关系如图3，图中1s u 、2s u 、3s u 、4s u 、5s u 、6s u 分别对应状态（011）、（001）、（101）、（100）、（110）、（010）。
a u b
u c
u
S (t u s 图2-3 工作状态三相电压波形
把逆变器的输出电压用空间矢量来表示，电压空间顺序见图4。)(t u t 表示电压矢量，则7有个离散的电压空间矢 量。每个工作电压空间矢量在空间位置 相差60°，矢量以逆时针顺序旋转，即顺序为1s u →2s u →3s u →4s u →5s u →6s u 。其中六边形的中心是零电压矢量。 对异步电机三相分析，将三维矢
量转化为二维矢量，在这用Park 变换。将异步电机三相定子坐标 系的α轴与Park 矢量复平面的实 轴α重合，则三相物理量)(t X a 、
1s 2s )
1013s 010(6s u 图2-4 六边形电压空间矢量
)(t X b 、)(t X c 的Park 矢量)(t X 为：
)(t X ＝3
2[)(t X a +ρ)(t X b +2ρ)(t X c ] （15）
其中ρ＝︒
120j e
。
由图 2的接法，其输出电压空间矢量)(t u s 的Park 矢量变换表达式为：
)(t u s ＝3
2[a u ＋3/2πj b e u +3/4πj c e u ] （16）
a u 、
b u 、
c u 分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。依图3给出的a u 、b u 、c u 并代入式（16）可以计算出从1～6各个状态输出的电压空间矢量)(t u s 。
直接转矩控制是根据定子磁链s ψ，转矩e T 的要求，从1～7状态中选出一个最佳控制矢量使电机运行在特定的状态。
3磁链控制
磁链控制的任务是识别磁链的运动轨迹的区段或位置，给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制六边形轨迹或圆形轨迹正确地旋转。
3.1 磁链轨迹的控制
由式（4）可得：
⎰-=dt R t i t u t s s s s ))()(()(ψ （17）
如果忽略s R 则式（17）可表示成
dt t u t s s )()(⎰≈ψ （18）
由式（18）可以看出电机定子磁链s ψ的运动方向是依)(t u s 方向进行的。当电压逆变器开关状态不发生变化时，定子电压矢量不变，此时电机采用非零空间电压矢量，则s ψ的运行方向与幅值将发生变化；但当采用零电压矢量时s ψ的运行将
受到抑制。按照状态1s u →5s u →4s u →6s u →2s u →3s u 顺序运行一周后，将形成一个六边形磁链轨迹，如图4。而合适地施加非零矢量顺序和合理的作用时间比例，可以形成一个多边形磁链轨迹，以致近似圆形轨迹。把（βα-）复平面分成6个区域，如图5，
6)12()(6)32(π
φπ-<
≤-N N N N ＝1，2，3，4，5，6 （19） 假设测得的定子磁链为s ψ，给定磁链为sref ψ， 将s ψ与sref ψ之间的偏差进行滞后比较，当误差 不在所允许的范围之内时就进行电压切换，以 减小误差。实现这种功能的环节称为磁链调节器， 实际上它是一个施密特触发器。图6为磁链 调节器的功能图。图中ψY 为磁链调节器的输出，
ψσ为磁链误差带宽。 当 sref ψ－s ψ≥
2
ψ
σ 时，磁链调节器输 出ψY ＝1，即选择电压矢量使s ψ增加。 当 2
ψ
σψψ<
-s sref 时，磁链调节器输出ψY
当sref ψ－s ψ≤－
2
ψ
σ 时，磁链调节器输出ψY ＝0，即选择电压矢量使s ψ减少。 根据以上的控制方法可以使磁链幅值在给定的范围内变化，s ψ轨迹接近圆形。
3.2 磁链轨迹区段的确定
在直接转矩控制中，为了能够选取合适的电压空间矢量，必须确定磁链所在区段的具体位置。只有这样才能结合磁链与转矩开关信号给出当前所需要接通
的电压矢量。
1. 六边形磁链轨迹区段的确定
2.3.1节指出电机定子磁链s ψ的运动方向是依)(t u s 方向进行，六种工作状态电压形成磁链轨迹六个边。将定子磁链分解成三相（如图7）：
定子磁链三相分量为a βψ、b βψ、c βψ。a βψ、b βψ、c βψ通过施密特触发器得磁链开关信号a S ψ、b S ψ、c S ψ，这三个磁链信号与电压开关信号关系为： a S ψ＝c SU ；b S ψ＝a SU ；c S ψ＝b SU ，
其中a SU 、b SU 、c SU 是开关信号a SU 、b SU 、c SU 的反相。定子磁链与六边形区段对应关系如表2：
表2 定子磁链与六边形区段对应关系表
α
β 图8 (βα-)坐标下 圆形磁链轨迹区域图
α
b
β
2． 圆形磁链轨迹区段的确定
圆形磁链轨迹磁链幅为：2
2
βαψψψs s += ，αψs ，βψs 为定子磁链在（坐
标βα-）下的投影。如图8将圆形轨迹分成六个区域，根据αψs ，βψs 的正负值可以确定磁链轨迹在哪个区域中。；例如在第一象限，θ＝30°，在ab 弧θ≤30°，而在bc 弧段θ≥30°。通过这种方式可以确定磁链在圆形轨迹的任何一个区域。
4转矩控制
从式（14）可知，异步电机的转矩由定、转子磁链的幅值、磁通角θ决定的。而转子磁链幅值由负载决定的。为了充分利用电机铁芯，保持定子磁链为恒量。改变转矩可以通过磁通角来实现，即通过改变电压空间矢量)(t u s 来控制定子磁链旋转速度，使其走走停停，以达到改变定子磁链的平均速度s ϖ，从而实
现改变磁通角θ
刻定子与转子磁链分别为)(1t s ψ、
)(1t r ψ，磁通角为)(1t θ，从1t 运 行到2t 时刻，此时对定子所加的 电压空间矢量)(t u s 为)101(3s u ， 定子磁链从位置)(1t s ψ到位置
)(2t s ψ所运行的轨迹为s ψ∆， 轨迹方向与)101(3s u 所指的方向
一致，而且沿着3S 。由式子：0=r r i R -r ψ
+j ωr ψ可知在此运行期间转子磁链不直接跟随超前于它的定子磁链，实际上在此运行期间转子磁链变化位置受到定子
平均频率s ω的影响。综上所述，在1t 时刻到2t 时刻期间，定子磁链旋转速度大于转子旋转速度；磁通角)(t θ（即磁通角由)(1t θ到)(2t θ的夹角）增大，相应地，根据式（14）转矩也增大。而如果在2t 时刻引入零电压空间矢量，此时定子磁链
)(2t s ψ则保持在2t 时刻位置不动，而转子磁链空间矢量则继续以s ω速度向前运行，必然的，磁通角减小，即转矩减小。转矩控制实际上是通过两点式调节来选择电压空间矢量，使其交替于电压空间矢量的工作状态和零状态，由此来控制空间矢量的平均角速度s ω的大小。两点式调节实际上就是一个转矩调节器，其工作过程如下：
由于对任何电机来说，从转矩到转速均为一个积分时间常数s T ，s T 由电机
和机械惯性决定而不受控的积分环节。转矩变化率dt
dT e 近似与瞬时滑差s .θ成正
比（当定子磁链s ψ为常数）。在直接转矩控制中采用滞后调节器对转矩进行控制，通过选择合理电压空间矢量，以产生期望的s .
θ来控制转矩。转矩与滑差的关系式如下：
dt dT e 0|=t =)}|Im(.)]|Re(.{[0000==--t s r s t d r s i R i l I L l
I
L θ (20) 上式中：s m s r L L L L l )(2
-=，Im 、Re 分别表示取虚、实部；0I 表示定子磁化电流
矢量幅值；根据定子磁链s ψ旋转的方向，转矩调节器可以分成两个调节环节。当s ψ顺时针旋转时：0≤-≤∆-e ref T T T ；当s ψ逆时针旋转时：
T T T e ref ∆-≤-≤0。如图10，ref T 表示转矩给定值，T ∆表示转矩误差带宽，out
T 表示转矩调节器输出。从图10可以看出当out T ＝1或－1时，根据s ψ需要所选的电压矢量可以获得转矩；当out T
通过以上所述瞬态调节就可
以达到较高的转矩动态特性。
5 直接转矩的开关矢量表
将上述磁链调节器与转矩调节器结合起来，共同控制逆变器开关状态，这样既能保证磁链在限定范围内，也能使电机的输出转矩快速跟随给定转矩，从而保证系统有很高的动态特性。开关状态表如表3：
表3 开关状态表
6 直接转矩控制的基本结构
直接转矩控制基本结构原理图如图11，以下分别介绍各个部分。
1．坐标变换单元（UCT ），它将定子磁链αψ、βψ（βα-坐标系下）转换为三个β磁链分量。它们的对应转换关系如下：
ββψψ=a （21）
βαβψψψ2
1
23--
=b （22） βαβψψψ2
1
23-=
c （23） 2． 磁链自控单元（DMC ），它将输入的β坐标系下的定子磁链a βψ、b βψ、c βψ通过施密特触发器与磁链给定值ug ψ比较，输出开关信号a S ψ、b S ψ、c S ψ。信
号a SU 、b SU 、c SU 与a S ψ、b S ψ、c S ψ对应关系如下：
a S ψ＝c SU ；
b S ψ＝a SU ；
c S ψ＝b SU
3．异步电机磁链模型（AMM ）。本文采用简单的积分关系得到磁链模型。其中
αe 、βe 为定子电动势在βα-坐标系下的分量。磁链模型的积分关系如下：
αψ＝dt e ⎰α＝dt R i u s ⎰-)(αα （24）
dt e ⎰=ββψ＝dt R i u s ⎰-)(ββ （25）
式（24）和式（25）中的αu 、βu 可由a u 、b u 、c u 通过2
3坐标变化得到。而αi 、
βi 则可以直接从电机测量得到。
4． 零状态选择单元（AZS ），它提供零电压，转矩大小是通过改变定子磁链运动轨迹平均速度来实现的，为了能够改变磁链轨迹的平均速度就必须引入零电压矢量。而给出零电压工作时间是转矩调节器（ATR ）。
5．转矩调节器（ATR ），控制转矩输出信号TQ ，它的原理与磁链调节器一样，也是施密特触发器。如图10所示，当转矩实际值f T 与转矩给定值g T 的差值小于容差m ε-，即f T －g T
3
αββαψψs u s u d i i T -=
，通过输入量αψ、βψ以及测量量αi 、βi 计算得到转矩的大小。
7 异步电动机定子磁链和转矩的估算
在前述均假设s ψ、e T 为已知，而实际上它们一般需要采用间接法，即状态重构方法对它们估计获得值。
7.1 异步电机定子磁链的估算
定子磁链的估算可以分为电压和电流模型两种，电压模型结构图如12。它的结构简单，理论上很精确，只受定子电阻s R 的影响。但是积分器容易漂移，而且当转速比较低时因为定子电阻压降的存在引入较大的误差。
电流模型如图13，它在低速时比电压模型精确，但是它易受电机参数特别转子时间常数的影响，在高速运行时不如电压模型精确。所以两种模型可以结合起来运用，即低速时采用电流模型，而高速时用电压模型，两种频率分别通过转折频率相同的低、高通滤波器，然后两者相加，用此方法就可以获得精确的定子磁链s ψ。
7.2 异步电机转矩的估计
转矩可以根据计算式)(s s s s p e i i n T αββαψψ-=，通过已获得的定子磁链以及所测得的定子电流来计算。它的结构如图14。
8 无速度传感器系统转度的估计
本系统采用模型参考自适应 （MRAS ）法进行速度辨识 ,其思路如下：在静止标系下 ,将含有真实速度r ω的转子回路方程视为参考模型，将含有待辨识的速度 r ∧
ω的转子回路方程视为可调模型 ,根据波波夫（POPOV ）超稳定性定理可得到转速r ω的辨识结果 r ∧
ω,r ∧
ω与定子电流、参考模型和可调模型的状态变量
r ψ，r ∧
ψ有关 。采用模型参考自适应 （MRAS ）法可以获得较好的稳定性及较高的控制精度。下面简单介绍模型参考自适应 （MRAS ）的原理。辨识器方程如下。 被辨识过程：
U B X A X P p +=.
（26）
且0)0(X X = 并联估计模型：
U t V B Y t V A Y S S ),(),(.
+= （27）
且0)0(Y Y =,0)0(A A S =,0)0(B B S = 输出误差为：
Y X e -= （28） 辨识规律：
De V = （29）
)0()(),(0s T a t
A s A d Y G V F t V A +=⎰τ （30）
)0()(),(0
s T b t
B s B d U G V F t V B +=⎰τ （31）
上述方程X 是n 维的过程状态变量，Y 是n 维估计模型的状态变量，U 是m 维输入变量，属于分段连续函数，p A 、p B 是被辨识的恰当维的矩阵，),(t V A s 、
),(t V B s 是估计模型的可调矩阵，它们提供p A 、p B 的一个估计，D 是满足下面
条件的正定矩阵：
1．使传递阵1)()(--=p A sI D s H 为严格正实，所谓的严格正实的条件是：
a 、 传递阵1)()(--=p A sI D s H 右闭平面无极点。
b 、 对应所有的实p ,矩阵)()(jp H jp H T -+均为半正定埃而来特矩阵。 则对于任何初始条件)0(X 、)0(Y 、)0(s p A A -、)0(s p B B -及对任何分段连续的输入变量函数U ，保证0lim =∞
−→−t e 。
2．A F 、B F 、a G 、b G 是任意正定矩阵。
对于异步电机及被辨识对象和并联估计模型如下： 辨识对象：
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡s s r r r r i i b A dt d
dt d βαβαβαψψψψ （32） 其中⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=r r r
r L R L
R A ωω，r r m L R
L b = （33） 并联可调模型：
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡∧∧∧∧
∧∧s s
r r r r i i b A dt d dt d βαβαβαψψψψ （34） 其中⎥⎥
⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎢⎢⎣⎡---=∧∧∧
∧∧
r r r
r L R L R A ωω，r r m L R L b ∧∧
= 式中r R 、ω认为是时变的，而其他变量认为是常数。 输出误差为：
r r e ∧
-=ψψ （35） 由式（32）－式（34）（假设r ω为常数）得误差方程为：
s r i b b A A Ae e dt
d
)()(∧∧∧-+-+=ψ （36） 令r T a 11=，r a ω=2，r
T a 1
1=∧，r a ∧∧=ω2，r T 为转子时间常数
记：r s m r j a a i L a a W ∧
∧∧∧-+--=ψψ)22())(11( （37） 自适应律为：
)0(1),(),,(120
1∧
∧
++=⎰a t v F d t v F a t
ττ （38）
)0(2),(),,(220
1∧
∧
++=⎰a t v F d t v F a t
ττ （39）
由于上面已经提得自适应系统是稳定的，假设转子时间常数r T 可以准确获得，转速r ω与转子阻值的自适应律分别如下：
)0(][][220
21r r r r r r r r t
r r e e k d e e k ∧
∧∧∧∧+-+-=⎰ωψψτψψωβααββααβ （40）
+-+-=∧
∧∧
⎰])()([0
11τψψβββαααd i L e i L e K L R r s m r r s m r t
r r
)0()]()([12r r s m r r s m r r R i L e i L e K L ∧
∧∧+-+-βββαααψψ （41）
式中r r r e αααψψ∧-=，r r r e βββψψ∧
-= 双并联型转速观测器如图15：
9 低速范围内的解决方案
本系统工作在低速范围内。在这个范围内，由于转速低（包括零转速），定子电阻压降比较大，可能造成磁链波形畸变，在低频时保持转矩和磁链基本不变等等。对于以上的问题必须实现如下控制目的。（注：在整个转速范围内异步电
机的转矩和磁链计算数学模型仍然实用）
1. 控制定子磁链为圆形轨迹，而不用六边形轨迹。
2. 转矩调节器和磁链调节器多功能地调节工作。
3. 用符号比较器确定区段。
4. 调节每个区段的磁链量。
为实现以上四点必须对应采取如下措施： 1. 每个区段电压状态的选择
由于电压型逆变器只有六种工作电压状态，仅能输出六种电压空间矢量。定子磁链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，只能在六个方向上运行。如果要产生多于六边的多变形的磁链轨迹，就必须通过多个电压空间矢量的组合来形成。控制六边形磁链轨迹只需在每个工作区段接通“工作电压”或“零电压”即可。要实现圆形磁链轨迹可以用足够多的多边形来近似圆形磁链轨迹。在每个工作区段采用四个工作电压状态（0°，＋60°，－60°－120°）和两个零电压状态结合使用（具体使用过程在3.8.1节介绍）来实现足够多的多边形轨迹。 2. 磁链与转矩之间的协调调节
低速情况下（一般指15％额定转速以下）转矩调节器的组成部分不变，而磁链调节器却不一样。此时磁链的模为：2
2
βαψψψ+=（六边形磁链的模：
2
c
b a βββψψψψ++=
）。在低速情况下磁链调节器如（图16）：
图2-16 磁链与转矩协调器
其中10873.1362
2=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡=πk
当转速大于15％额定转速，开关S 切换到A 处，执行六边形磁链轨迹，当转速小于15％时开关S 切换到B 处，执行圆形磁链轨迹（具体实现如2.3.1节）。磁链开关信号Q ψ与所需的电压状态关系如下：
Q ψ＝0时，不需要接通工作电压 Q ψ＝1时，接通＋60°电压 Q ψ＝－1时，接通－60°电压
归纳起来，转矩调节器与磁链调节器的协调控制关系为：由转矩调节器决定应该接通的是零状态电压还是工作电压，在接通工作电压的时间内来选择接通的是－0°、－60°还是+60°电压。
矢量控制与直接转矩控制的区别
矢量控制与直接转矩控制技术 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机（同步电机是指转子定子同时通电，异步机就是电机的转子转动速度与定子所产生的旋转磁场的旋转速度不一样,有转差值，顾名思义,同步机则不存在转差）等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 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的频率使励磁电流（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。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。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。 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
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。 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概念讲起。 2 直接转矩控制的基本物理概念 2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的测量 在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（DTC）占有很重要的地位。DTC 将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内，这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范围内。
直接转矩控制
目录 摘要 (2) 一．直接转矩控制系统的原理和特点 (3) 二．直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型 (4) 三．直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 (7) 四．直接转矩控制的应用 (8) 4.1 直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用 (8) 4.2 直接转矩控制技术在电动机车上的应用 (10) 五．直接转矩控制发展 (11) 参考文献 (14)
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，因而得名。本文首先介绍了直接转矩控制的原理，分析了它的模型，并且与矢量控制系统相比较，最后描述了直接转矩控制在挖掘机和电动机车方面的应用。 关键字：直接转矩控制、挖掘机、电动机车
一．直接转矩控制系统的原理和特点 图1所示为按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统原理图。 图1 按定子磁链控制的直接转矩控制系统 1.结构特点： （1）转速双闭环： ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。 （2）转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器。 2.控制特点： 与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是： （1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，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，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。 （2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，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。
异步电动机基本知识
异步电动机基本知识 异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。 基本特点 转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。 应用
由于异步电动机生产量大,使用面广,要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。因此，异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化。在各类系列产品中，以产量最大、使用最广的三相异步电动机系列为基本系列；此外还有若干派生系列（在基本系列基础上作部分改变导出的系列）、专用系列（为特殊需要设计的具有特殊结构的系列）。异步电动机的种类繁多，有防爆型三相异步电动机、ys系列三相异步电动机、y、y2系列三相异步电动机、YVP系列变频调速电动机等等. 新中国第一台异步电动机于50年代初在合肥工业大学诞生。 如何判断是机械故障还是电气故障 异步电动机出现异常声音有机械方面和电气方面的原因。首先确定是哪方面引起的，其方法是接上电源，有不正常的声音存在，切断电源。不正常声音仍存在，为机械故障，否则为电气方面故障。 机械方面 (1)轴承损坏或润滑油严重缺少，油中有杂质等。消除方法：更换或清洗轴承并换新油。清洗轴承要先将轴承中旧油除去，然后用毛刷或布块蘸汽油煤油等溶剂来清洗。一定要清洗干净，否则轴承会损坏。正在刷扫时轴承不要转动，避免有毛、线等杂物轧入轴承滚道。洗净后的轴承，用干净的布擦干，不能用棉纱等多绒毛的东西擦，以免有绒毛等杂物落入轴承，也不要用手摸，免得轴承沾染汗水而锈蚀。洗净并干燥后的轴承要按照规定重新加入纯净的润滑脂，一般润滑脂占轴承内腔容积的1/2～1/3为宜。(2)风罩或转轴上零件(风扇、联轴器等)松动。消除方法：固紧风罩或其他零件。(3)风罩内有杂物。消除方法：用毛刷或布清除杂物。(4)轴承内圈和轴配合太松。消除方法：堆焊转轴轴承档，并按规定尺寸车好，使其配合紧密。(5)定
DTC-直接转矩控制
邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学号 题目名称三相异步电动机直接转矩控制 (DTC)系统仿真设计时间 2011年6月20日-2011 年7月1日 课程名称运动控制系统课程编号121203204 设计地点 电力电子与电力拖动实 验室/综合仿真实验室一、课程设计（论文）目的 课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电机与拖动基础》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。 二、已知技术参数和条件 异步电动机的参数：380V，60Hz，2对极，Rs=0.435欧，Lls=0.002mH，Rr=0.816欧，Llr=0.02mH,Lm=0.069mH,J=0.19kg.m2，逆变器直流电源510V,Ls=0.71mH,Lr=0.071mH,Tr=0.87 三、任务和要求 1. 完成主电路的参数设置和仿真 2. 完成开关控制模块的仿真 3. 控制策略采用直接转矩控制，结合主电路完成系统仿真。 4. 频率变化范围1-50Hz 注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等） 1、电力电子与电力拖动实验室，4套DJDK-1电力电子与电力拖动实验装置； 2、DJDK-1电力电子与电力拖动实验指导书； 3. Matlab/Simulink仿真软件 五、进度安排 2011年6月20日-21日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求 2011年6月22日-23日：总体方案设计及主电路的仿真 2011年6月24日-27日：各单元模块的仿真 2011年6月28日-30日：整理并书写设计说明书 2011年7月1日：答辩并考核 六、教研室审批意见 教研室主任（签字）：年月日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）：年月日八、备注 指导教师（签字）：学生（签字）：
异步电动机直接转矩控制基本基本知识
异步电动机直接转矩控制基本原理 从1985年德国鲁尔大学德彭布洛克（Depenbrock ）教授首次提出直接转矩控制理论以来，短短十几年时间，直接转矩控制理论以它简明的系统结构，优良的静、动态性能得到迅猛发展和应用。 1 异步电动机的数学模型 异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。理想状态下（一般这样假设）电机三相（定、转子）均对称，定、转子表面光滑，无齿槽效应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。在固定坐标系下（α，β，0），用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型（则有r u α＝ r u β＝0）。基本方程如下： ⎥⎥⎥⎥ ⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤ ⎢⎢ ⎢⎢⎢⎢⎣ ⎡ +--+++=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡r r s s r r r m m r r r m m m s s m s s s s i i i i L R L L L L L R L L L L R L L R u u βαβαβαωωωω.. . .. . . . 000 000 （1） )()(r s r s m p s s s s p e i i i i L n i i n T βααβαββαψψ-=-= （2） p e p n F TL T dt n Jd ω ω--= （3） s R 、s L ：定子电阻和自感 r R 、r L ：转子电阻和自感 m L ：定子互感 ω：电机转子角速度，即机械角速度
s u α 、s u β：定子电压（α、β）分量 s i α 、s i β：定子电流（α、β）分量 r u α、r u β：转子电压（α、β）分量 r i α、r i β：转子电压（α、β）分量 J ，F 分别为机械转动惯量和机械磨擦系数 本文均采用空间矢量分析方法，图1是异步电机的空间矢量等效图，在正交定子坐标系（βα- 各个物理量定义如下： )(t u s —定子电压空间矢量 )(t i s —定子电流空间矢量 )(t i r —转子电流空间矢量 )(t s ψ—定子磁链空间矢量 ω —电角速度 依图1以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程： s s s s i R U ψ += (4) 0 =r r i R -r ψ +j ωr ψ (5)
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。
异步电机直接转矩控制
通过磁通减弱速度的操作来研究对异步电机直接转 矩控制 概要-对于异步电机直接转矩控制，弱磁运行时需要当电机的运动速度超过额定速度。确定弱磁运行点的关键是速度的控制。在本文中，定子磁链的定义是通过最大平均同步速度来直接控制算法以及计算公式。在此基础上，通过torque-slip定子磁场来定向控制模型的建立。弱磁运行区域可通过2个必要条件，最大平均同步转速和扭矩必须分别超过额定转速和阻尼力矩（阻尼转矩和负载转矩时加载），并且弱磁运行点是根据定子铁芯确定的。功率和电流的公式，分别给出了弱磁通过运行点来检查安全领域的。实验结果证明了文中方法的正确性和有效性来确定弱磁的。 关键词—直接转矩控制，弱磁，感应电机。 一、简介 直接转矩控制（直接转矩控制）已发展为一个新的技术的交流驱动器[ 1]-[ 2]。今天，直接转矩控制和风险投资（向量控制）已成为最常用的方法在交流传动控制领域[ 3]-[ 7]。与传统的磁场定向控制技术，直接转矩控制算法不需要坐标变换和脉宽调制调节器，从而使控制策略与结构变得简单。在直接转矩控制提出和发展后[ 8]，该算法也被发扬光大在永磁同步电机[9]和[13 - 17]无刷直流电机控制领域。 电机在弱磁区的运作所需的许多应用中，[ 18 ]提出了最大转矩电流控制比方案，并在[ 19]永磁同步电机直接转矩控制，弱磁运行
中进行分析。对于无刷直流电机弱磁的运行，[ 20]和[ 21]已经作出的假设磁场分别是班轮和正弦。[ 22]用谐波分析方法，它采用d - q 模型分析了基波和谐波。 在本文中，定子磁链最大平均同步速度被定义，然后给出的估算公式之间的关系和对定子磁链给定最大平均同步转速和定子磁链振幅的分析，因此第一个必要条件异步电机磁通减弱的速度也就是定子磁链在弱磁点最大平均同步速度必须大于电机运行速度。然后torque-slip异步电机模型推导出最大平均同步速度，其中第二个必要条件，异步电动机的磁通减弱操作速度被获得，最大平均同步速度在弱磁点的扭矩必须大于阻尼力矩（当加载时的阻尼转矩和负载转矩）对于被两个必要条件和最佳的弱磁运行点获得的弱磁区的定子铁芯做出的利用分析。在权力的限制和目前的操作点进行检查。电机弱磁运行点所确定的算法，本文提出说明了实验结果。 二、最大平均同步速度 在异步电动机直接转矩控制算法中，定子磁链最大平均同步速度的定义是：当定子磁链继续循环转动时（这儿是非零向量和反向向量），这个平均速度就是定子磁链最大平均同步速度。 如图1所示的是定子磁链最大平均同步速度计算图表。在那里， D是滞后的带宽，它已被假定为。点A是在α固定轴和以下方程获得的：
异步电动机直接转矩控制原理与展望
异步电动机直接转矩控制原理与展 望 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，后来出现了矢量控制和直接转矩控制调速系统。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，德国的和日本的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．矢量控制和直接转矩控制的简略对比 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。
直接转矩控制
直接转矩控制 一. 矢量控制理论简介: 70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。 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。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 二. 直接转矩控制简介:
在80年代中期，德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。 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。 直接转矩控制系统(DTC) 直接转矩控制系统简称DTC(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。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，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
异步电动机直接转矩控制系统方案设计
异步电动机直接转矩控制系统方案设计 摘要：针对直接转矩控制系统的基本原理进行了分析，给出了直接转矩控制系统的基本组成和控制方案，并利用MATLLAB建立了相应的仿真模型。在此基础上，采用六边形和在圆形磁链轨迹控制的方法，分别建立了相应的仿真模型，并进行了仿真研究。 关键词：直接转矩控制；异步电动机；仿真 1直接转矩控制系统的总体设计 1.1设计思想 在一些交流传动应用场合，要求实现快速的转矩控制，显然直接转矩控制非常适合这一类控制系统的应用。即使在转速是重要控制目标的场合，转矩控制也仍然显得非常重要，因为只有转矩才能影响转速。如果转矩控制性能好，则不难设计一速度调节器使速度环有良好的品质[1]。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的调速性能也好不了。因此调速的关键在于转矩控制。除了使系统具有较高的转矩动态性能外，还应使生产出来的设备经济、实用。本设计系统的基本思想是： （1）具备高可靠性。由于系统要用于现场，和经济效益直接联系，系统如果运行不可靠，将会对用户造成很大的经济损失。 （2）满足实时性。在很多场合，感应电动机在运行过程中，希望在转矩或磁链等发生变化时能够及时对其进行调节，这就要求对感应电动机进行闭环控制。并且设计是控制系统对各种数据的检测及运算进行实时处理，同时给电动机提供相应的控制信号[2]，以满足实时性的要
求。
（3）获得转矩的高动态性能。感应电动机转矩的动态响应效率直接影响着直接转矩控制系统的应用范围，因此开发高动态响应的直接转矩控制系统，使其应用范围更广是有重大意义的。 （4）尽可能减少逆变器的开关频率，减小定子电流、电磁转矩的脉动、逆变器的开关器件的开关频率都有一个上限，在符合开关频率上限的前提下，通过优化空间电压矢量的方法来减少逆变器的开关频率并提高磁链和转矩的控制精度，从而减小定子电流、电磁转矩的脉动以减少电力公害。 1.2直接转矩控制系统的总体结构 在立足于直接转矩控制规律的基础上，根据感应电动机的调速要求和调速发展的趋势，设计了一套具有高动态性能的直接转矩控制系统。包含了异步电动机的U-I模型，电流、电压坐标变换，转矩的闭环控制，磁链位置的测定，磁链的闭环控制，速度闭环控制，起动控制，磁链幅值计算，转矩计算，逆变器，优化开关表等控制环节[3]。 2电压空间矢量的优化设计 系统运行期间可供选择传统的直接转矩控制系统都是采用六电压矢量来实现磁链和转矩的控制，非零电压空间矢量只有六个，这样就无法实现磁链和转矩的精确控制，导致定子电流和转矩的大幅度脉动。为了能改善这方面的问题本论文采用二电压逆变器，这样每一相桥臂都有三个开关状态可供选择[4] 是一种有两个输入电压的逆变器，它是由普通逆变器和一个Boost电路组合而成，Boost电路是由功率开关S1控制的，其输出电压为：
异步电机的直接转矩控制
异步电机的直接转矩控制 异步电机通过直接转矩控制，有效结语了适量变化模式对应的坐标变换及计算和为解耦，使得异步电动机数学模型得以进一步简化。因此，其主要具有系统转矩响应速度快、控制信号处理概念明确以及控制简单等优势。作为一种具备动态、高静功能的交流调速控制模式，电机对应转矩具体大小和定、转子磁链的幅值和它们的火角的乘积表现为正相关的联系。现实使用过程中，额定值指的是保障定子磁链幅值，使得电动机铁芯能够得以充分利用，负债则直接决定转子磁链的幅值。所以，通过控制定、转子磁链，就能够实现针对电机转矩实施控制的目标。转矩要想得以改变，则需要通过针对磁链角实施控制来达成，而磁链角的变化需要电压矢量控制来达成，工作电壓矢量可以促进定子磁链走，而零电压则可以促使定子磁链停，通过针对电压矢量实施控制，能够促使定子磁链实现走走停停的目标。 标签：异步电机；直接转矩；控制 4 仿真结果 从图1中可以看出：圆形磁链控制的磁链增加的很快，自我调节性能很好，磁链一直在被限定的范围内。 起动时，转矩以平滑的曲线迅速上升，符合快速起动的要求；与六边形磁链控制相比，转矩上升的速度更加的迅速，因而起动性能比六边形优越。 5 结论 （1）直接转矩控制系统本身的性能通常不会受到电机参数造成的干扰。处在超低频状态下，定子电阻中的电压则会干扰整个系统，所以必须要进行准确的判断，并进行精准的补偿。 （2）直接转矩控制系统形成PWM。脉冲是以产生圆形气隙磁场为主要目标，使得电机的谐波损耗、温升、转矩波动和噪声降低。但是，根据开关频率和微机运行速度选择开关状态需要很大技巧。所以最佳开关策的研究是需要探讨的问题。 （3）方便数字化、结构简单以及容易实现属于直接转矩控制系统的主要优势。所以，达成数字化的目标具有重要的现实意义。当前索要解决的关键问题在于实时性，寻找折中的方案就成为社会各界共同关注的焦点。 参考文献： [1]陈时伯，电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2003.
设计三相异步电机直接转矩控制
目录 摘要： (1) Abstract： (2) 1 前言 (3) 1.1 交流电机控制技术的发展与展望 (3) 1.2 直接转矩控制技术的优点 (5) 1.3 直接转矩控制技术的现状及发展趋势 (6) 2 三相异步电机直接转矩控制基本原理 (8) 2.1 三相异步电动机的数学模型 (8) 2.1.1 三相异步电机的数学模型 (8) 2.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响 (9) 2.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响 (11) 2.2三相异步电机直接转矩控制系统的实现 (11) 2.2.1逆变器的开关状态和电压状态 (11) 2.2.2电压空间矢量 (12) 2.2.3圆形磁链轨迹的形成 (13) 2.3电压空间矢量开关信号的选择 (14) 2.4本章小结 (16) 3 三相异步电机直接转矩控制策略 (17) 3.1定子磁链矢量空间位置检测 (17) 3.2 定子磁链和电磁转矩的估计 (18) 3.2.1定子磁链估计 (18) 3.2.2 电磁转矩估计 (22) 3.3磁链调节和转矩调节 (22) 3.4 起动问题 (23) 3.5 直接转矩控制技术 (23) 3.6 本章小结 (25) 4 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真 (26) 4.1 仿真软件MATLAB简介 (26) 4.2 三相异步电机直接转矩控制系统的仿真 (28) 4.3直接转矩控制系统的仿真结果与分析 (29) 4.4本章小结 (30) 结论 (31) 谢辞 (32) 参考文献 (33)
三相异步电动机直接转矩控制研究 摘要： 异步电动机以其结构简单、制造方便、经济耐用的优点，在工、农、国防等诸多领域得到了广泛应用，其总用电量占全国工业用电量的60%以上。直接转矩控制是上世纪80年代继矢量控制之后的又一新型高性能交流电机控制技术，它直接对电机转矩进行控制，解决了矢量控制计算复杂、特性易受电机参数影响等问题。 本论文在掌握直接转矩控制理论的基础上，对异步电动机直接转矩控制系统进行了仿真研究。 本文首先概述了交流电机控制技术和直接转矩控制技术的发展过程，并对它们的发展趋势做了展望。 然后，阐述了直接转矩控制的基本概念，理论基础，数学模型。分析了电压空间矢量对磁链和转矩的作用及圆形磁链的形成原理。介绍了异步电动机直接转矩控制系统的各部分组成。 最后，运用MATLAB/SIMULINK进行了基于六矢量异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，搭建了系统的仿真模型。仿真结果体现了直接转矩控制的优点。 关键词:异步电动机;直接转矩控制;空间矢量;定子磁链观测; MATLAB仿真
矢量控制和直接转矩控制
矢量控制与直接转矩控制的比较 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制与直接转矩控制技术 矢量控制与直接转矩控制技术矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的.具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f =恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能.早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 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
异步电动机恒转矩-概述说明以及解释
异步电动机恒转矩-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 概述是文章开头的部分，用于介绍异步电动机恒转矩的主题和背景。在这部分中，我们可以提及异步电动机的基本概念和其在工业领域中的广泛应用。此外，我们还可以简要讨论异步电动机转矩控制的重要性以及对于电动机性能和效率的影响。以下是一个潜在的概述内容供参考： 异步电动机恒转矩概述： 异步电动机作为一种重要的电动机类型，广泛应用于各个工业领域，包括制造业、交通运输、石油化工、能源等。它具有结构简单、成本低廉、可靠性高等优点，因此被广泛应用于各种场景。 概述中的主要目标是讨论异步电动机的恒转矩控制。恒转矩控制是指通过控制电机的输入功率来实现恒定的输出转矩。在很多工业应用中，恒转矩的需求是非常关键的，如机床加工、电动汽车等。而实现恒转矩控制可以提高系统的可靠性、稳定性和效率，从而提高整体生产效率和降低能源消耗。 本文将重点介绍异步电动机的基本原理和恒转矩控制技术。在了解异
步电动机基本原理的基础上，我们将探讨恒转矩控制的几种常见方法和技术，如矢量控制、直接转矩控制等。同时，我们还将讨论这些技术在实际应用中的局限性和优化方向。 通过深入理解异步电动机恒转矩控制的概念和方法，我们可以更好地应用于实际工程中，并为未来的电机控制技术提供有益的参考和指导。在接下来的章节中，将详细介绍异步电动机的基本原理以及恒转矩控制的相关内容。 1.2 文章结构 文章结构部分的内容可以按照以下方式编写： 文章结构部分旨在概述本篇长文的框架和组织结构，以便读者能够更好地理解文章的内容和逻辑流程。 本篇长文分为引言、正文和结论三个部分。 引言部分将首先对异步电动机的恒转矩问题进行概述，介绍异步电动机的基本原理和恒转矩控制的重要性。接着，文章将详细介绍本文的结构和组成部分，以帮助读者更好地把握整篇文章的内容。 正文部分将分为两个小节。首先，我们将介绍异步电动机的基本原理，包括其工作原理、结构特点和基本运行方式等。其次，我们将重点探讨异
直接转矩控制系统的原理和特点
直接转矩控制系统的原理和特点 直接转矩控制的原理 1、定子磁链和电压空间矢量的关系 结论：非零电压矢量能产生定子磁链并使它运动，这样控制电压矢量的顺序和作用时间就可以迫使磁链按所需的轨迹运动。 2、电压矢量对电机转矩的影响电机的转矩大小不仅与定、转子的磁链幅值有关,还与它们的夹角有关。当幅值不变时，夹角从0变到90度是电磁转矩从0变到最大，所以对它们的夹角开展控制也能控制转矩，这就是直接转矩控制的思想。电压矢量对转矩的影响表达在定、转子磁链夹角的控制作用运行中定子磁链幅值恒定为额定值，转子磁链由负载决定，要改变转矩只有改变它们的夹角，由改变电压矢量完成。工作电压矢量使定子磁链走，零矢量使定子磁链停，控制定子磁链的走停，就控制了磁通角的大小。也就是控制了转矩。 图1所示已知t1时刻定子、转子和磁通角如下图，t2时刻给出电压矢量下面分析一下t1和t2时刻间定、转子间的磁通角的变化大小。图1 期间如果定子的磁链的速度大于转子磁链的速度即增大相应的转矩增大，如果t2时刻给出零电压矢量，定子磁链不动，由于惯性转子磁链继续运动磁通角减小，转矩减小。 如要加大电磁转矩按上述规律加载电压矢量，只要电压幅值够大，定子磁链的速度会大于转子磁链的速度，使电磁
转矩增大。加零电压矢量，可以减小转矩，这就是直接转矩控制的基本原理控制策略上不用对夹角准确控制只需对定子的磁链开展走停的开关控制即可。 3、对电压矢量的正确选择 （1）选择正确的电压矢量的次序 （2）选择给出电压矢量的时刻 才能得到六边形磁链的轨迹。 1系统组成（如图104） AMC转矩计算单元 AZS零矢量 DMC磁链自控单元 ASR转速调节器 ATR转矩调节器 控制特点 与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是： 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，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，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的构造。 2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样
直接转矩控制系统培训讲学
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 (11) 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。