直接转矩控制
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。
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
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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
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
直接转矩控制的原理
直接转矩控制的原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠直接转矩控制的原理。
你说这直接转矩控制啊，就好像是一位特别有个性的司机在开车。
他呀，不怎么在意那些复杂的路线规划啥的，就凭着自己的感觉和判断，直接去控制车子的速度和方向。
想象一下，电机就好比是那辆车，而直接转矩控制就是这位司机。
它不去管那些中间的弯弯绕绕，而是直接盯着电机的转矩，说：“嘿，转矩你得这么变！”然后就快速地做出反应，让电机按照它想要的方式运行。
它可不像有些方法那样，犹犹豫豫，思前想后。
它就是这么干脆利落，说干就干！比如说，它觉得转矩小了，立马就加大力度；觉得转矩大了，就赶紧调整。
就好像你开车的时候，觉得速度慢了就猛踩油门，速度快了就踩刹车一样。
这直接转矩控制啊，还有个厉害的地方，就是它反应特别快。
就跟武林高手似的，敌人一招过来，瞬间就能回击。
电机运行中出现啥变化，它能第一时间察觉到，然后迅速采取行动。
而且啊，它适应性还特别强。
不管是在平坦的大道上，还是在崎岖的小路上，它都能把车开得稳稳当当。
无论是啥样的工作环境，它都能很好地发挥作用，让电机乖乖听话。
你说这直接转矩控制是不是很神奇？它就这么直截了当地去控制，没有那么多啰嗦的步骤和计算，却能把电机管理得服服帖帖。
这可真是个了不起的技术啊！咱再想想，要是没有这直接转矩控制，那电机运行起来得多费劲啊！可能就像没头苍蝇一样，不知道该往哪儿走，转矩也不知道该怎么变。
但有了它，一切都变得井井有条，电机能高效地工作，为我们的生活带来便利。
所以啊，直接转矩控制可真是电机控制领域的一把好手，是让电机乖乖听话的妙招！咱可得好好感谢那些发明和研究它的人，让我们能享受到这么厉害的技术带来的好处呀！。
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
异步电机直接转矩控制
05
仿真与实验验证
仿真模型建立与参数设置
电机模型
选择合适的异步电机模型，如感 应电机模型，并设置电机参数， 如定子电阻、转子电阻、互感等 。
控制器模型
设计直接转矩控制器模型，包括 转矩和磁链观测器、开关表、滞 环比较器等部分，并设置相应的 参数。
开关表选择
根据电机的运行状态和误差信号，选择合适的开关表，实现对电机 的高效控制。
现代直接转矩控制策略
空间矢量调制技术
通过空间矢量调制技术，实现对 电机转矩和磁链的连续控制，提
高电机的运行性能。
无差拍控制
采用无差拍控制技术，实现对电 机转矩的快速响应和无超调控制
，提高系统的动态性能。
预测控制
基于电机的数学模型和实时运行 状态，采用预测控制技术对电机 的未来行为进行预测和控制，提
异步电机直接转矩控制
汇报人：XX
目录
• 引言 • 异步电机数学模型与特性分析 • 直接转矩控制策略与方法 • 异步电机直接转矩控制系统设计 • 仿真与实验验证 • 总结与展望
01
引言
异步电机概述
异步电机的基本结构
异步电机的分类
包括定子、转子、端盖、轴承等部分 ，其中定子和转子是电机的核心部分 。
性。
负载特性
研究异步电机在不同负载下的电压 、电流、功率因数和转速等特性变 化。
调速特性
探讨异步电机在不同转速下的电压 、电流、功率因数和转矩等特性变 化。
异步电机运行状态与转矩关系
电动状态
01
异步电机作为电动机运行时，电磁转矩与转速方向相同，驱动
负载转动。
直接转矩控制的特点
直接转矩控制的特点
直接转矩掌握（direct torque control）方法是1985年由的德国鲁尔高校的Depen-brock教授首次提出的，它是继矢量掌握技术之后进展起来的一种新型沟通变频调速技术。
尽管矢量掌握在原理上优于标量掌握，但是在实际上，由于转子磁链难以观测，系统性能受到电机参数的影响较大，以及简单的矢量变换，都使它的实际掌握效果难于达到理论分析的结果。
直接转矩掌握正是弥补了矢量掌握的不足，它避开了简单的坐标变换，削减了对电机参数的依靠性，以其新奇的掌握思想、简洁明白的系统结果、优良的动静态性能备受人们的青睐，得到快速的进展。
直接转矩掌握的特点：
（1）在定子坐标系下分析沟通机的数学模型，直接掌握磁链和转矩，不需与直流机做比较、等效、转化等，省去了简单的计算。
（2）直接转矩掌握以定子磁场定向，只需定子参数，而不需随转速变化的，难以测定的转子参数，大大削减了参数变化对系统性能的影响。
（3）采纳电压矢量和六边形磁链轨迹，直接掌握转矩
（4）转矩和磁链都采纳两点调整器（带滞环的band-band 掌握），把误差限制在容许的范围内，掌握直接又简化。
（5）掌握信号的物理概念明确，转矩响应快速，而且无超调，具有较高的动静态性能。
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NANCHANG UNIVERSITY题目：直接转矩系统仿真学院：信息工程学院系自动化专业班级：控制科学与工程学生姓名：刘涛学号：************ 任课教师：***日期：2014年5月18日直接转矩控制技术仿真分析1直接转矩控制的基本原理及特点与规律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外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，因此而得名为直接转矩控制。
1.1直接转矩控制系统原理与特点如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，在*T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。
因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。
图1-1直接转矩控制系统图的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。
在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。
直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：①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，直接控制电机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，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，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。
因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。
②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数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的转子电阻和电感。
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。
③直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。
④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。
⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。
由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。
1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统在DTC 系统中采用的是两相静止坐标（αβ坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换成两相是非常重要的，所以可以避开旋转变换。
由式（1-1）和式（1-2）可得ααααααψs s s s m s s s s s p i R pi L pi L i R u +=++= （1-1） ββββββψs s s s m s s s s s p i R pi L pi L i R u +=++= （1-2）移项并积分后得（1-3）（1-4）式（1-3）和式（1-4）就是图1-1中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图1-2所示。
它适合于中低速时切换到电流模型，这是上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃。
图1-2 定子磁链模型结构框图 在两相静止坐标系上的电磁转矩表达式为)(βααβs s r s m p e i i i i L n T -= （1-5） 整理可得)(βααβs s r s p e i i i i n T -= （1-6）⎰-=dt i R u s s s s )(αααψ⎰-=dt i R u s s s s )(αααψAu B u Cu Ai B i Ci αψS βψS2系统建模与仿真2.1模块模型实现建立如图2-1所示的直接转矩控制系统仿真模型，其中电动机采用基于αβ坐标系的数学模型，转速采用积分和输出限幅的PI 调节器，定子磁链和转矩调节器采用带有滞环的双位式控制器，电压矢量选择环节采用simulink 中的s 函数编写。
2-1直接转矩控制系统仿真模型2.1.1电机模型在进行异步电机的仿真时，没有必要对四种状态方程逐一进行，只要以一种为内核，在外围加上坐标变换和状态变换，就可得到在不同的坐标下、不同状态量的仿真结果。
因此在此处建立以定子磁链、转速和电流为状态变量的状态结构为核心，构建异步电机仿真模型，如图2-2.其中Rt=（Rs*Lr*Lr*Rr*Lm*Lm ）/(Lr*Lr)。
（2-1）1.定子磁链计算定子磁链的模拟和离散计算式为()s s s s u R i dt αβαβαβψ=-⎰ （2-2）()()()121s s s s s KT z u R i Z αβαβαβψ+=-- （2-3）式中，s u αβ和s i αβ为αβ两相坐标系上的钉子电压和电流，K 为积分系数，sT 为采样时间。
磁链计算采用离散梯形积分，模块给出磁链，并由Complex toMagnitude-Angle 计算磁链s ψ的幅值和转角。
2.转矩计算电动机转矩计算式为()32e s s s s T p i i βααβψψ=- （2-4） 式中，p 为电动积极对数。
图2-2异步电机仿真模型2.1.2磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁链都采用滞环控制，其控制器结构如图2-3所示。
转矩控制是三位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为e dT 时，当转矩偏差大于/2e dT +和小于/2e dT -时，滞环模块分别输出“1”和“3”，当滞环模块输出为“2”时，经或非门NOR 输出状态“2”。
磁链控制是二位滞环控制，分别输出“1”和“2”。
图2-3转矩滞环控制器模块2.1.3电压矢量选择电压矢量环节采用s_function 模块，如图2-6所示，s 函数见附录。
图2-4电压矢量选择环节2.1.5其他模块仿真模型其他模块结构如下图所示。
图2-5两相坐标变换图2-6K/P变换图2-7电流环图2-8 3/2变换附录function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=caotian(t,x,u,flag,u1, u2,u3,u4,k)switch flagcase 0[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes(k); case 1sys = mdlDerivatives(t,x,u,k);case {2,9}sys = [];case 3sys = mdlOutputs(t,x,u);otherwiseDAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag',num2str(flag));endfunction [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = mdlInitializeSizes(k)sizes = simsizes;sizes.NumContStates = 1;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1;sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 0;sizes.NumSampleTimes = 1;sys = simsizes(sizes);str = [];x0 = [];ts = [0 0];simStateCompliance = 'DefaultSimState';function sys = mdlDerivatives(t,x,u,k)if(u(1)==1&u(2)==1&u(3)==1)k=1;elseif(u(1)==1&u(2)==1&u(3)==0) k=2;elseif(u(1)==1&u(2)==0&u(3)==1) k=3;elseif(u(1)==1&u(2)==0&u(3)==0) k=4;elseif(u(1)==0&u(2)==1&u(3)==1) k=5;elseif(u(1)==0&u(2)==1&u(3)==0) k=6;elseif(u(1)==0&u(2)==0&u(3)==1) k=7;elseif(u(1)==0&u(2)==0&u(3)==0) k=8;endswitch u(4)case 1if(k==1)SA=1;SB=1;SC=0;else if(k==2)SA=1;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=0;SB=1;SC=0;else if(k==4)SA=0;SB=1;SC=1;else if(k==5)SA=1;SB=0;SC=0;else if(k==6)SA=1;SB=0;SC=1;else if(k==7)SB=1;SC=1;else if(k==8) SA=0;SB=0;SC=1;endcase 2if(k==1)SA=0;SB=1;SC=0;else if(k==2)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=0;SB=1;SC=1;else if(k==4) SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==5) SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==6) SA=1;SB=0;SC=1;else if(k==7) SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==8) SA=1;SB=0;SC=1;endcase 3if(k==1)SB=1;SC=1;else if(k==2)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=0;SB=0;SC=1;else if(k==4)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==5)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==6) SA=1;SB=1;SC=0;elseif(k==7)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==8)SA=1;SB=0;SC=0;endcase 4if(k==1)SA=0;SB=0;SC=1;else if(k==2)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=1;SB=0;else if(k==4) SA=1;SB=1;SC=1;elseif(k==5)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==6)SA=0;SB=1;SC=0;elseif(k==7)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==8)SA=1;SB=1;SC=0;endcase 5if(k==1)SA=0;SB=1;SC=0;else if(k==2)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=0;SB=1;SC=1;else if(k==4)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==5)SA=0;SB=0;SC=0;elseif(k==6)SB=0;SC=1;else if(k==7)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==8)SA=1;SB=0;SC=1;endcase 6if(k==1)SA=0;SB=1;SC=0;else if(k==2)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==3)SA=0;SB=1;SC=1;else if(k==4)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==5)SA=0;SB=0;SC=0;else if(k==6)SA=1;SB=0;SC=1;else if(k==7)SA=1;SB=1;SC=1;else if(k==8) SA=1;SB=0;endendendfunction sys = mdlOutputs(t,x,u) sys = x;。