直接转矩控制应用实例
直接转矩控制
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
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。
ABB变频器直接转矩控制
直接转矩控制直接转矩控制（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（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。
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。
直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。
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：（1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。
ABB变频器控制方式在煤矿电机车中应用
ABB变频器简介
01
ABB变频器是一种高性能的变频 器，具有调速精度高、稳定性好 、易于操作和维护等特点。
02
ABB变频器采用先进的控制算法 和电力电子技术，能够实现电机 速度的精确控制，满足各种复杂 工况下的运行需求。
02 ABB变频器控制方式
直接转矩控制（DTC）
总结词
直接转矩控制是一种先进的电机控制方式，通过直接控制电机的转矩和磁通量，实现电机的快速响应和精确控制。
高效节能
精确控制
ABB变频器能够根据电机车运行需求动态调 整输出频率，有效降低能耗，提高能源利 用效率。
通过调节变频器的输入输出电压或频率， 可以精确控制电机车的运行速度，实现精 确的位置控制和速度跟踪。
延长设备寿命
提高安全性
ABB变频器能够平滑启动和停止电机车，减 少对机械部件的冲击，从而延长设备的使 用寿命。
详细描述
在煤矿电机车中，直接转矩控制能够实现电机转矩的快速响应和精确控制，从而提高电机车的牵引力和制动性能， 确保电机车在复杂多变的矿井环境下稳定运行。此外，直接转矩控制还可以有效抑制电机低速时的电流波动，减 小电机噪音和振动，提高电机车运行的舒适性和安全性。
矢量控制（VC）
总结词
矢量控制是一种通过控制电机的磁场和转矩 分量来优化电机性能的控制方式。
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参考文献2
变频器在煤矿运输系统中的应用，该文从煤矿运输系统的角度出发，分析了变频器在提高 运输效率和安全性方面的作用。文章重点介绍了ABB变频器在电机车控制中的优势和实际 效果，为相关工程提供了实践指导。
参考文献3
变频器技术的发展及其在矿山设备中的应用，该文对变频器技术的发展历程进行了概述， 并重点介绍了其在矿山设备中的应用情况。文章中提到了ABB变频器在煤矿电机车中的应 用实例，为变频器技术的进一步推广和应用提供了理论支持。
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)
ABB变频器直接转矩控制
直接转矩控制直接转矩控制（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（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。
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。
直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。
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：（1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。
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。
u
u
u
u
u
01 u u u u u u
-1 u u u u u u
11 u u u u u u
-1 u u u u u u
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。
1t rt
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
us
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
DTC-直接转矩控制
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、教研室审批意见指导教师（签字）：学⽣（签字）：⽬录摘要 (3)⼀异步电机DTC基本原理分析 (4)1.1 异步电机数学模型 (4)1.2 DTC控制系统基本思想 (4)1.3 DTC按定⼦磁链控制模型 (5)1.4 定⼦电压⽮量控制 (7)⼆单元电路设计 (10)2.1 DTC模型 (10)2.2 转速控制器 (10)2.4 转矩和定⼦磁链计算 (11)2.5 磁通和转矩滞环控制器 (12)2.7 开关表 (13)2.8 开关控制模块 (15)2.9 矩阵变频器 (15)三实验仿真 (16)3.1 仿真模型及说明 (16)总结与体会 (19)附录 (20)参考⽂献 (21)摘要直接转矩控制是近些年来备受关注的⼀种异步电机控制⽅法，是⾼性能调速系统中最为常见的⽅法之⼀。
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���������∗��� (k)、 ���������∗��� (k-1) ：分别为当前时刻和上一时刻的电磁矩 给定值 e(k)、e(k-1) ：分别为当前时刻和上一时刻的转速误差； ������������、������������ ：分别为比例和积分常数； ������������������������为电磁转矩的限幅值。
定子电阻对磁链轨迹的影响
������������ ������ = න ������������ ������ − ������������������������(������)
根据定子磁链与电压的关系知，定子磁链 为定子电压的积分，同时也受电机定子电 阻的影响。 由������������ − ������������������������产生的磁链增量较������������产生的磁 链增量在方向上更加接近圆心。当定子磁 链的相位处于磁链区间的分界处时，由于 ������������不会对磁链幅值产生影响，但������������ − ������������������������ 却使磁链的幅值减小。这时，即使系统发 出的控制信号是增加磁链的幅值，而实际 却是使磁链的幅值减小。
Te Te
Te* HT Te* HT
ST为磁链滞环比较器的输出信号，
ST为0时表示减小转矩，ST为1时表 示增大转矩； ���������∗��� 为转矩给定值； ������������ 转矩滞环
确定电压矢量表
S2 S6
β S3
S1
S4
S5
磁链扇区
ST
SF
S1
S3
S2
S6
S4
S5
于转
0
的 情 况
矩 滞 环 容
差
等
低 速 情
况
下
转
矩
滞
10%
于转
环
矩
容
滞
差
的环
对
情容
电
况差
流
等
谐
波
的
影
响
于转
0
的 情 况
矩 滞 环 容
差
等
高 速 条
件
下
不
同
转
矩
容
于转
差
10%
矩
对
滞
电
的环
流
情容
谐
况差
波
等
的
影
响
结论
电子电阻在低速情况下会导致定子磁链轨迹的畸变; 磁链滞环容差会对定子电流的谐波产生严重的影响,且主要分布在低频段上; 转矩滞环容差对转矩的影响比较复杂,在低速和高速情况下都会导致转矩周期性的锯
直接转矩控制应用实例
第十三组
童乐 2120150863
魏苗苗 2120150868
直接转矩控制的特点
直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控制磁链 和转矩，计算简单。
直接转矩控制用电压矢量直接控制转矩，控制信号的物理概念明确。 直接转矩控制方法，转矩和磁链都采用两点式调节器，把误差限制在容许
0
0
001 101 100 110 010 011
0
1
101 100 110 010 011 001
1
0
010 011 001 101 100 110
1
1
110 010 011 001 101 110
根据转矩信号ST、磁链信号SF以及扇区S查开关表确定电压 矢量，确定了作用的开关量后，就可以写PWM寄存器。
Te p(ψsαiβ ψsαiα )
转速调节器
转速调节器采用带输出限幅的数字增量式PI调节器，其输入为转速误差，输出为电磁转矩 的给定值。
Te* (k) Te* (k 1) (KP KI )e(k) KPe(k 1)
TTee**
Tmax , if Te* Tmax Tmax , if Te* Tmax
确定三相定子电压和电流
PWM逆变电路输出的定子电压计算：
电压和电流的3/2变换：
磁链与转矩观测模型
磁链观测模型：电压—电流模型
ψsα (uα iα Rs )dt
ψsβ (uβ iβ Rs )dt
ψs ψs2α ψs2β
依据上式计算定子磁链幅值和幅角
转矩观测模型：磁链—电流模型
确定三相定子电压和电流
在DTC实现程序中，执行AD转换后，获得采样数据： 两相定子电流������������、������������和直流母线电压������dc。由开关状 态和直流母线电压������dc，可以计算得到PWM逆变电 路输出的三相定子电压，记为 ������������、������������ 、������������
的范围内。 直接转矩控制中定子磁场定向，只要定子电阻确定就可以观测出磁链，减
少了电机参数对系统性能的影响。
磁链闭环直接转矩控制原理框图
应用实例
控制对象：可功率回收的电机交流调速驱动电路 控制芯片：TMS320F28335 编译器：CCS3.3 程序下装：JTAG仿真器
系统软件设计
系统仿真结果
定子磁链
转子转速
系统仿真结果
电磁转矩
定子电流
电压空间矢量对定子磁链的影响
（1）当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的 夹角的绝对值小于90°时，该矢量作用的结果是使 得磁链幅值增加； （2）当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的 夹角的绝对值大于90°时，该矢量作用的结果是使 得磁链幅值增加； （3）当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的 夹角的绝对值等于90°时（包括零矢量），该矢量 作用的结果是使得磁链幅值基本保持不变；
系统软件设计包括初始化程序和 DTC实现程序，DTC实现程序是 通过定时器中断实现的。
系统软件设计—初始化
初始化程序主要包括：设 定电机参数、变量赋初值、 以及定时器、ADC、I/O 、 ePWM等模块的初始化。
系统软件设计—DTC实现
DTC实现程序是通过定时器中断实 现的，其中断服务程序包括AD转 换、3/2变换、转矩和磁链观测模 型、读取转速并计算转矩给定值、 转矩和磁链滞环比较器、磁链扇区 的判断、查表确定电压矢量、写 PWM寄存器等。
对定子电阻补偿后定子电阻的轨迹
磁链滞环容差对电流谐波的影响
电机的输出转矩是定子磁链与定 子电流的函数，在保持恒定转矩 输出的情况下，定子电流谐波与 定子磁链就存在某种关系
异步电动机的空间等效电路图
在磁链滞环容差 等于零的条件下， 定子磁链轨迹为 较理想的圆形， 电流波形也呈比 较标准的正弦波。 但是，当磁链滞 环容差等于额定 值的10%时，定 子磁链轨迹呈多 边形，定子电流 也出现了较大的 波动，说明谐波 成分大
磁链滞环控制器
SF 0,if ψs ψs * Hψ
SF 0,if
ψs ψs * Hψ
SF为磁链滞环比较器的输出信号，
为0时表示减小磁链，为1时表示增 大磁链； ������������ ∗为磁链给定值；������������ 磁链滞环
转矩滞环控制器
ST=0, if ST=1, if
齿形波动.但是当电机运行于低速时,电机输出转矩的平均值会大于转矩的给定值,而 当电机运行于高速时,电机输出转矩的平均值小于转矩的给定值。 转矩滞环容差对转矩的影响比较复杂,在低速和高速情况下都会导致转矩周期性的锯 齿形波动.但是当电机运行于低速时,电机输出转矩的平均值会大于转矩的给定值,而 当电机运行于高速时,电机输出转矩的平均值小于转矩的给定值。
定子电阻对磁链轨迹的影响
未对定子电阻补偿时定子电阻的轨迹
为了补偿定子电阻影响，在 判断定子磁链所处的区间时 需要将当前的相位角度������减 去Δ������作为新的磁链定位角 度，这样即使是磁链处于磁 链区间的分界处，电压矢量 ������������ − ������������������������使定子磁链幅值增 量为0，也不会使其幅值减 小，能有效地改善定子磁链 轨迹的畸变。