直接转矩控制
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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)
第5章三相永磁同步电动机直接转矩控制
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
te p
1 f s sin sf Ls
(5-5)
式(5-5)中， 转子磁链矢量 ψ f 的幅值不变， 若能控制定子磁链矢量 ψ s 的 幅值为常值，电磁转矩就仅与 sf 有关， sf 称负载角，通过控制 sf 可 以控制电磁转矩，这就是 PMSM 直接转矩控制基本原理。 在 ABC 轴系中，定子电压矢量方程为
便成为式(5-5)的形式。虽然插入式和内装式 PMSM 产生了磁阻转矩，但是两者直 接转矩控制原理相同。 电动机电磁功率可表示为
p e t e Ωs
(5-23)
式中， Ωs 为机械角速度， Ωs ωs p 。
13
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
在正弦稳态下， ωr ωs ， e0 ωs f ；在忽略定子电阻 Rs 情况下，
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1 控制原理与控制方式
5.1.1 转矩生成与控制 5.1.2 滞环比较控制与控制系统 5.1.3 磁链和转矩估计 5.1.4 电机参数和转速影响 5.1.5 预期电压直接转矩控制
3
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1.1 转矩生成与控制
δsr 为定子磁链矢量 ψ s 与转子磁链矢量 ψ r 间的相位差。
10
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
2. 插入式和内装式 PMSM
对于插入式和内装式 PMSM，由式(3-57)已知，电磁转矩方程为
t e p[ f iq ( Ld Lq )id iq ]
(5-15)
(5-16) (5-17)
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
14
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
图 4-9
t e 与转速 ωr 关系
15
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
Lm Lr
图中，以转子磁链矢量 ψ r 为参考坐标， jωr
ψ r 超前 ψ r 90° 电角度，
以矢量 OM 表示。PQ 是通过 M 点与定子磁链矢量 ψ s 平行的斜线。当感应 电压矢量 υ 落在斜线 PQ 上时，ψ s υ jωr m ψ r 0 ， 电磁转矩增量应为 Lr 零；当 υ 处于 PQ 斜线上方时， t e 0 ；当 υ 处于 PQ 下方时， t e 0 。电 机转速 ωr 不同，斜线 PQ 会上下浮动，对于同一感应电压矢量 υ ，将会产 生不同的转矩增量 t e 。图 4-9 中，随着 ωr 变小， t e 将逐渐增大。这说明， 在低速区，外加电压矢量的控制作用明显，转矩增幅加大。在高速区，随 着 ωr 增大，外加电压矢量的控制作用逐渐减弱，当 jωr 外加电压矢量对转矩的控制作用就消失了。
ψ s Ls i s Lm i r ψ r Lm i s Lr i r
(4-2) (4-3)
3
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
4.1.2 定子电压矢量作用与定子磁链轨迹变化
在定子三相轴系中，定子电压矢量方程为
u s Rs i s dψ s dt
(4-11)
若忽略定子电阻的影响， 则有
us dψ s dt
(4-12)
可近似地表示为
ψ s us t
(4-13)
由以上分析可知， 定子磁 链矢量 ψ s 和定子电压矢量 us 间具有积分和微分关系。 us 在
直接转矩控制
交流异步电动机直接转矩控制理论是由德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首次 提出，后经过 ABB 公司 10 多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成 为当今交流传动的最先进的控制方法之一。直接转矩控制技术是在变频器内部建 立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态 和电流计算出一组精确的电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用 于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味 着可以产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应，并将转矩相应限 制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。 4.无测速传感器及零速满转矩
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
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
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(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。
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概述.................................................................................................................................................... 17 性能.................................................................................................................................................... 18 应用.................................................................................................................................................... 24
第一步 电压电流检测......................................................................................................... 29 第二步 自适应电机模型.................................................................................................... 29 第三步 转矩比较器和磁通比较器................................................................................ 30 第四步 最优脉冲选择器.................................................................................................... 30 速度控制.......................................................................................................................................... 31 第五步 转矩给定控制器.................................................................................................... 31 第六步 速度控制器............................................................................................................. 31 第七步 磁通给定控制器.................................................................................................... 31
第四章-基本控制理论............................................................................................................................. 28
DTC 如何工作................................................................................................................................. 28 转矩控制环..................................................................................................................................... 29
4
技术指导1 - 直接转矩控制
目录
第一章-介绍. ..................................................................................................................................................7
第三章-问与答............................................................................................................................................ 17
交流传动-介绍.............................................................................................................................. 10 交流传动-使用PWM的频率控制........................................................................................... 11
特点............................................................................................................................................. 11 优势............................................................................................................................................. 12 缺点............................................................................................................................................. 12 交流传动-使用PWM的矢量控制........................................................................................... 12 特点.................................................................................................................................பைடு நூலகம்........... 12 优势............................................................................................................................................. 13 缺点............................................................................................................................................. 13 交流传动-直接转矩控制........................................................................................................... 14 控制变量................................................................................................................................... 14 调速器对比..................................................................................................................................... 15
概述.......................................................................................................................................................7 本手册的用途...................................................................................................................................7 使用本指导........................................................................................................................................7 什么是调速器...................................................................................................................................8 概述.......................................................................................................................................................8
第一步 电压电流检测......................................................................................................... 29 第二步 自适应电机模型.................................................................................................... 29 第三步 转矩比较器和磁通比较器................................................................................ 30 第四步 最优脉冲选择器.................................................................................................... 30 速度控制.......................................................................................................................................... 31 第五步 转矩给定控制器.................................................................................................... 31 第六步 速度控制器............................................................................................................. 31 第七步 磁通给定控制器.................................................................................................... 31
第四章-基本控制理论............................................................................................................................. 28
DTC 如何工作................................................................................................................................. 28 转矩控制环..................................................................................................................................... 29
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技术指导1 - 直接转矩控制
目录
第一章-介绍. ..................................................................................................................................................7
第三章-问与答............................................................................................................................................ 17
交流传动-介绍.............................................................................................................................. 10 交流传动-使用PWM的频率控制........................................................................................... 11
特点............................................................................................................................................. 11 优势............................................................................................................................................. 12 缺点............................................................................................................................................. 12 交流传动-使用PWM的矢量控制........................................................................................... 12 特点.................................................................................................................................பைடு நூலகம்........... 12 优势............................................................................................................................................. 13 缺点............................................................................................................................................. 13 交流传动-直接转矩控制........................................................................................................... 14 控制变量................................................................................................................................... 14 调速器对比..................................................................................................................................... 15
概述.......................................................................................................................................................7 本手册的用途...................................................................................................................................7 使用本指导........................................................................................................................................7 什么是调速器...................................................................................................................................8 概述.......................................................................................................................................................8