直接转矩控制
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直接转矩控制知识整理
直接转矩控制技术整理Vicho_HU1. 电机的数学模型直接转矩控制是基于电机定子两相静止坐标系数学模型而构建的控制算法。
电机的数学模型作为表征电机完备的电气特性与机械特性，则必须由以下几个方程组成：电压方程，磁链方程，转矩方程，运动方程。
其中电压方程和磁链方程表征了电机的电气特性，而转矩方程作为电气与机械系统的桥梁，实现能量的转换；而运动方程则表征了电机的机械特性。
下面主要总结的电机数学模型为最常见的主流电机模型：异步电机（鼠笼式），永磁同步电机（表贴式）。
(1) 异步电机（鼠笼式） 磁链方程： s s s r s βs s βr βr s r r r βs βr r βL i M i L i M i M i L i M i L i ψψψψαααααα=+=+=+=+电压方程：s s s s s βs βs s βr r r r r r βr βr βr r βr r d dt d dt d 0dt d 0dtu R i u R i u R i u R i ψψψωψψωψααααααα=+=+=++==+-=转矩方程：e n s s βs βs 3()2T p i i ψψαα=-运动方程：r e L n d dtJ T T p ω-=(2) 永磁同步电机（表贴式） 磁链方程：sd d sd f sq q sq L i L i ψψψ=+=电压方程：sd s d sd r q sqsd r d sd s q sq r f()()u R pL i L i u L i R pL i ωωωψ=+-=+++转矩方程：e n sd sq sq sd nf sq d q sd sq 33()(())22T p i i p i L L i i ψψψ=-=--运动方程：r e L n d dtJ T T p ω-=2. 直接转矩控制直接转矩控制思想的实质：由方程02π4πj j33s dc a b c s s s s s|t =t 2U ()3S S eS eT R i T K ψψ=++-+可知通过控制空间电压矢量可以控制定子磁链矢量模的大小，又可以控制定子磁链矢量旋转。
直接转矩控制
三相异步电机只记转矩控制系统中定子磁链 的轨迹可以控制为圆形也可以控制为六边 形。当按圆形轨迹控制定子磁链时，磁链 的幅值基本不变，电流的脉动比较小，但 是在1/6周期内必须交替使用多个空间电压 矢量。按六边形轨迹控制定子磁链时，磁 链的幅值存在6倍频脉动，脉动的幅值约为
交流电机的数学模型
交流电机综合矢量的概念
在xy坐标系中，磁链方程与dq坐标系下的方 程完全一样，只不过多了几个约束条件： 定子磁链在x轴上的分量为定子磁链的幅值。 定子磁链在y轴上的分量及其对时间一阶微 分为零。
转矩控制的本质
稳态分量
暂态分量
六边形定子磁链轨迹控制
B βa β
S1
S2 u2 u3 u6
S6
u4 S3
βb u1 u5
α A
S5
βc
Ψs*
ψs
C S4
在忽略定子电阻的情况下，定子磁链矢量端 点的运动方向与所施加的电压矢量方向一 致。若在定子绕组上顺序施加运动电压矢 量u4、u6、u2、u3、u1、u5,定子磁链则会相 应的逆时针运动。
图中磁链六边形的六条边分别用s1~s6表示， 分别称之为区段s1~s6.每个区段上两个运动 的电压矢量（如s1段上的u3、u4）定义为 该区段的区段电压矢量。当区段电压矢量 与区段方向一致时定义为0°电压矢量。 定义坐标原点到六条变的垂直距离为定子磁 链量，用Ψs*表示。
交流电机中常用的坐标及其变换
在分析和改善运行性能的控制策略中需要站在不 同的坐标系中对问题进行分析求解。直接转矩控 制交流电机中常用的坐标系有 两大类： 1 坐标轴线放在定子上的静止坐标系，如ABC和αβ0 坐标系。 2 坐标轴放在转子上随转子一起旋转的坐标系，如 dq0、MT0坐标系。 对于零序分量为零的系统， αβ0、 dq0、MT0简记 为αβ、 dq、MT。
交流电机的数学模型
交流电机综合矢量的概念
在xy坐标系中，磁链方程与dq坐标系下的方 程完全一样，只不过多了几个约束条件： 定子磁链在x轴上的分量为定子磁链的幅值。 定子磁链在y轴上的分量及其对时间一阶微 分为零。
转矩控制的本质
稳态分量
暂态分量
六边形定子磁链轨迹控制
B βa β
S1
S2 u2 u3 u6
S6
u4 S3
βb u1 u5
α A
S5
βc
Ψs*
ψs
C S4
在忽略定子电阻的情况下，定子磁链矢量端 点的运动方向与所施加的电压矢量方向一 致。若在定子绕组上顺序施加运动电压矢 量u4、u6、u2、u3、u1、u5,定子磁链则会相 应的逆时针运动。
图中磁链六边形的六条边分别用s1~s6表示， 分别称之为区段s1~s6.每个区段上两个运动 的电压矢量（如s1段上的u3、u4）定义为 该区段的区段电压矢量。当区段电压矢量 与区段方向一致时定义为0°电压矢量。 定义坐标原点到六条变的垂直距离为定子磁 链量，用Ψs*表示。
交流电机中常用的坐标及其变换
在分析和改善运行性能的控制策略中需要站在不 同的坐标系中对问题进行分析求解。直接转矩控 制交流电机中常用的坐标系有 两大类： 1 坐标轴线放在定子上的静止坐标系，如ABC和αβ0 坐标系。 2 坐标轴放在转子上随转子一起旋转的坐标系，如 dq0、MT0坐标系。 对于零序分量为零的系统， αβ0、 dq0、MT0简记 为αβ、 dq、MT。
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)
直接转矩控制
原理
原理
在直接转矩控制中，电机定子磁链的幅值通过上述电压的矢量控制而保持为额定值，要改变转矩大小，可以 通过控制定、转子磁链之间的夹角来实现。而夹角可以通过电压空间矢量的控制来调节。由于转子磁链的转动速 度保持不变，因此夹角的调节可以通过调节定子磁链的瞬时转动速度来实现。
假定电机转子逆时针方向旋转，如果实际转矩小于给定值，则选择使定子磁链逆时针方向旋转的电压矢量， 这样角度增加，实际转矩增加，一旦实际转矩高与给定值，则选择电压矢量使定子磁链反方向旋转。从而导致角 度降低。通过这种方式选择电压矢量，定子磁链一直旋转，且其旋转方向由转矩滞环控制器决定。
直接转矩控制
变频器控制三相马达转矩的方式
01 信息介绍
03 控制特点
目录
02 原理 04 技术改进
基本信息
直接转矩控制（Direct torque control，简称DTC）是一种变频器控制三相马达转矩的方式。其作法是依 量测到的马达电压及电流，去计算马达磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制马达的速度。
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。
4）定子坐标系下分析电机的数学模型直接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、等效、转化，省去复杂 的计算 。
技术改进
技术改进
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：
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
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
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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
将交流调速系统应用于挖掘机的电控系统中，主要着手解决以下几方面的关 键技术:
1
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。
6
三．直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
DTC 系统和 VC 系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用
转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但
两者在控制性能上却各有千秋。
1.矢量控制系统的特点
VC 系统强调 Te 与Ψr 的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连
关键字：直接转矩控制、挖掘机、电动机车
2
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。
续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影响，
降低了系统的鲁棒性。
2.DTC 系统特点
DTC 系统则实行 Te 与Ψs 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制
结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地
产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差 无几，大约为额定转速的±0.01%。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零 速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只 有额定转速的±1-3%，很难保证电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和 推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加 转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起 两个机构的缓慢上升或下滑。
开关状态。 1.定子磁链反馈计算模型
DTC 系统采用的是两相静止坐标（αβ 坐标），为了简化数学模型，由三相坐标 变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。由于
usα Rsisα Ls pisα Lm pirα Rsisα p sα
usβ Rsisβ Ls pisβ Lm pirβ Rsisβ p sβ
链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好Ψ*s = f (ω*) 函数发 生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。
在电压空间矢量按磁链控制的同时，也接受转矩的砰-砰控制。 例如：以正转（T*e > 0）的情况为例： 当实际转矩低于 T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间 矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升； 当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压 矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降； 稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。 3.DTC 系统存在的问题 （1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定 的。 （2）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。 这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使 DTC 系统的调速范围受到限 制。 为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的 改善，但并不能完全消除。
5
3.电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择 在图 1 所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，
按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。 （1）正六边形的磁链轨迹控制： 如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频
率低，但定子磁链偏差较大； （2）圆形磁链轨迹控制： 如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁
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
比较宽
[注] 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。
7
从表 1 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。
四．直接转矩控制的应用
4.1 直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用
(1)采用无速度传感器的控制策略 由于挖掘机工作在露天环境中，灰尘污染严重，易覆盖和堵塞测速编码器， 影响其正常工作。另外，挖掘机工作过程中会产生很强烈的自身震动，而强烈震 动将很有可能导致编码器的损害。 (2)低频时能保证电机的满转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不 动负载的现象。 (3)满负载时在空中制动停车或再提升时，在不允许采用机械制动抱闸的情 况下，提升和推压机构不会出现下滑或溜车的现象。 在挖掘机工作过程中，每完成一次铲料—提升—回转—下放—卸料的过程， 提升和推压机构就需要在空中制动停车一次。若采用机械抱闸的制动方法来保证 提升和推压结构的零速悬停，虽然可保障两机构不会出现下滑或溜车的现象，然 而频繁的抱闸动作一方面会严重缩短抱闸的使用周期，另一方面抱闸的打开和闭 合所需的延时时间会极大地限制挖掘机的工作效率，同时抱闸与变频器加减速时 间的配合不当还会引起溜车或变频器堵转跳闸的现象。 (4)对再生制动能量的处理必须迅速可靠。 (5)系统具有高的过载能力以及快速的堵转、过流等保护功能。 (6)挖掘机行走机构和回转机构由于采用同一套控制系统，二者的切换必须
在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为
Te np Lm (isβirα isαirβ )
并且
irα
1 Lm
( sα
Lsisα )
irβ
1 Lm
( sβ
Lsisβ )
代入上式并整理得
Te np (isβ sα isα sβ )
（3）
这就是 DTC 系统所用的转矩模型，其结构框图示于图 3。
图 3 转矩模型结构框图
移向并积分后得
sα (usα Rsisα )dt
（1）
sβ (usβ Rsisβ )dt
上式就是图 1 中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图 2 所示。
（2）4图 2源自定子磁链型结构框图上图所示，显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低 速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上 述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。 2.转矩反馈计算模型
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
将交流调速系统应用于挖掘机的电控系统中，主要着手解决以下几方面的关 键技术:
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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。
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三．直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
DTC 系统和 VC 系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用
转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但
两者在控制性能上却各有千秋。
1.矢量控制系统的特点
VC 系统强调 Te 与Ψr 的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连
关键字：直接转矩控制、挖掘机、电动机车
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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。
续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影响，
降低了系统的鲁棒性。
2.DTC 系统特点
DTC 系统则实行 Te 与Ψs 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制
结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地
产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差 无几，大约为额定转速的±0.01%。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零 速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只 有额定转速的±1-3%，很难保证电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和 推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加 转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起 两个机构的缓慢上升或下滑。
开关状态。 1.定子磁链反馈计算模型
DTC 系统采用的是两相静止坐标（αβ 坐标），为了简化数学模型，由三相坐标 变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。由于
usα Rsisα Ls pisα Lm pirα Rsisα p sα
usβ Rsisβ Ls pisβ Lm pirβ Rsisβ p sβ
链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好Ψ*s = f (ω*) 函数发 生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。
在电压空间矢量按磁链控制的同时，也接受转矩的砰-砰控制。 例如：以正转（T*e > 0）的情况为例： 当实际转矩低于 T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间 矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升； 当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压 矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降； 稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。 3.DTC 系统存在的问题 （1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定 的。 （2）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。 这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使 DTC 系统的调速范围受到限 制。 为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的 改善，但并不能完全消除。
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3.电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择 在图 1 所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，
按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。 （1）正六边形的磁链轨迹控制： 如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频
率低，但定子磁链偏差较大； （2）圆形磁链轨迹控制： 如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁
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
比较宽
[注] 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。
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从表 1 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。
四．直接转矩控制的应用
4.1 直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用
(1)采用无速度传感器的控制策略 由于挖掘机工作在露天环境中，灰尘污染严重，易覆盖和堵塞测速编码器， 影响其正常工作。另外，挖掘机工作过程中会产生很强烈的自身震动，而强烈震 动将很有可能导致编码器的损害。 (2)低频时能保证电机的满转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不 动负载的现象。 (3)满负载时在空中制动停车或再提升时，在不允许采用机械制动抱闸的情 况下，提升和推压机构不会出现下滑或溜车的现象。 在挖掘机工作过程中，每完成一次铲料—提升—回转—下放—卸料的过程， 提升和推压机构就需要在空中制动停车一次。若采用机械抱闸的制动方法来保证 提升和推压结构的零速悬停，虽然可保障两机构不会出现下滑或溜车的现象，然 而频繁的抱闸动作一方面会严重缩短抱闸的使用周期，另一方面抱闸的打开和闭 合所需的延时时间会极大地限制挖掘机的工作效率，同时抱闸与变频器加减速时 间的配合不当还会引起溜车或变频器堵转跳闸的现象。 (4)对再生制动能量的处理必须迅速可靠。 (5)系统具有高的过载能力以及快速的堵转、过流等保护功能。 (6)挖掘机行走机构和回转机构由于采用同一套控制系统，二者的切换必须
在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为
Te np Lm (isβirα isαirβ )
并且
irα
1 Lm
( sα
Lsisα )
irβ
1 Lm
( sβ
Lsisβ )
代入上式并整理得
Te np (isβ sα isα sβ )
（3）
这就是 DTC 系统所用的转矩模型，其结构框图示于图 3。
图 3 转矩模型结构框图
移向并积分后得
sα (usα Rsisα )dt
（1）
sβ (usβ Rsisβ )dt
上式就是图 1 中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图 2 所示。
（2）4图 2源自定子磁链型结构框图上图所示，显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低 速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上 述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。 2.转矩反馈计算模型