异步电动机直接转矩控制及其数字仿真(本科设计)

张伟：直接转矩控制的异步电机调速系统仿真研究
安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）

引 言
随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电动机调速技术发展到现在，有了长足的进步。特别是20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电动机调速系统的性能可以与直流电动机调速系统的性能相媲美。而交流电动机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电动机调速系统的优势强于直流电动机调速系统。

在交流电动机控制技术中调压调频控制、矢量控制以及直接转矩控制（Direct Torque Control简称DTC）具有代表性。其中应用直接转矩控制技术是一种高性能的控制调速技术，直接转矩控制对交流传动来说是一种最优的电动机控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。绪论
1.1 异步电动机调速系统的发展状况
在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。

1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。

矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。

直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态重构的方法来观测电动机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测的精度，但由于在异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究在状态重构过程中使用了电动机的参数，如果环境变化引起电动机参数的变化，就会影响到定子磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大、控制结构复杂、系统性能受电动机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。
1.2 直接转矩控制系统的现状与展望

十几年来，在国内外直接转矩控制不断得到发展和完善，许多文章从不同的角度提出了新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现出了许多基于模糊控制和人工神经网络的DTC系统，控制性能得到了进一步的改善和提高。对于研究直接转矩控制系统的人们来说了解直接转矩控制系统的发展现状有助于他们更好的改进直接转矩控制系统的性能，以便于用自己的研究更好服务社会。

直接转矩控制系统的性能是借助于控制环节来实现的，改善和优化各个环节的结构，必然有利于控制系统性能的提高。下面简要介绍一些对直接转矩控制中各控制环节的改进研究情况。

(l)磁链调节器和转矩调节器的细化改进

传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据各滞环的输出结果来确定当前的电压矢量。因为不同的电压矢量在不同的瞬间对转矩和定子磁链的调节作用互不相同，所以，只有根据当前转矩和磁链的实时偏差合理地选择电压矢量，才有可能使转矩和定子磁链的调节过程达到比较理想的状态。有人提出了通过改进转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了转矩和定子磁链的偏差区分，提高了系统的性能。磁链调节器和转矩调节器在结构上相同。

(2)新型开关状态选择器的研究

用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁链调节时，需要人为设定触发器的容差，其大小与系统的性能密切相关。为减少人为因素对系统性能的影响，有文章提出了将各种先进的智能控制理论应用于直接转矩控制的新方案，通过应用各种智能控制理论如模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态，异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究完全抵消了触发器的容差影响，使性能改善更加明显。

(3)电压矢量选择方式的改进

直接转矩控制通过定子磁链定向对转矩进行直接控制从而选择电压矢量，虽然在各控制周期的开始时刻控制效果最佳，但是整个控制周期内的效果却未必最好。为了改善这种情况，减小转矩的脉动，一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方法—预期电压法:首先根据转矩偏差、磁链偏差和转速计算出一个能达到最佳控制的预期电压，然后用电压型逆变器的6个工作电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它，计算出各自的工作时间,然后用零电压补足采样周期’。

(4)低速性能的改善

传统的直接转矩控制系统中，低速时定子磁链的观测受定子电阻影响较大，因此如何准确地检测定子电阻的实时变化，一直是改善系统低速性能的首要问题。近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题。在一些文献里提到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器。该观测器把对定子电阻值影响比较大的三个因素—定子电流、转速和运动时间作为输入量，以定子阻值的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速性能有了比较好的改善。最近又有人提出了用神经网络来实现定子电阻观测器，实验结果也证明是可行的，但具体的网络结构还有待研究完善。

(5)无速度传感器理论

在速度检测方面，传统的控制系统要求有速度传感器，存在成本高、安装维护困难、系统易受干扰、可靠性降低、不适于恶劣环境等弊端。采用无速度传感器技术是当今交流传动发展的趋势。A.Abbondati等人首次报道了无速度传感器矢量控制的异步电动机调速系统;T.Ontani首次提出了理论意义上的转速辩识方法;1987年， Tamaishinzo采用模型参考自适应(MARS)的方法实现了对电动机转速的自适应辩识。后来， Kubotahisao.， MatsuseKouki又在电动机全阶观测器的基础上分别采用李亚普诺夫理论和波波夫理论推导出了电动机转速以及电动机定转子电阻的磁链观测器，我国也有这方面的论文发表。

上述方法均是针对矢量控制系统设计的，采用的状态变量是定子电流和转子磁链。目前，我国学者胡育文等也在其文章中提出了新型自适应速度观测器的理论，直接将闭环观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中，同时能够辩识出电动机的转速及电动机参数。

总之，直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步，科技的进步又进一步促进了直接转矩控制技术的迅猛的发展，相信在不久的将来应用了高科技的直接转矩控制技术会给社会带来巨大的生产力。

1.3 问题的提出与解决问题的途径
在感应电动机直接转矩控制系统中电路模型采用的是空间矢量等效电路模型，并且利用矢量变换将三个电压标量三维变换为一个电压矢量二维，这样可得到七个电压状态。通过转矩调节器来控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小，从而控制转矩。正确选择电压空间矢量，可以形成六边形定子磁链。从转矩控制的角度来看，只关心转矩的大小，即电流和磁链的乘积，但从电动机合理运行的角度出发，仍希望磁链幅值不变。

为了得到高动态性能的转矩特性，还应使定子磁链的平均值尽可能为恒定值，这就需要对最初提出的直接转矩控制系统进行改进，最为理想的情况当然是采用三相正弦波给感应电动机供电，定子磁链轨迹为圆形，谐波、噪音及转矩脉动最小，这需要增加开关数量及其切换频率。这对直接转矩控制提出了更高的要求，也说明研究高性能的直接转矩控制系统是非常必要的。

为了减小直接转矩控制系统中的转矩脉动，提高感应电动机的调速性能，采用了定子磁链轨迹近似为圆形的控制方法，也就是将定子磁链的幅值限定在一个比较小的范围内，而不是使定子磁链按照六边形轨迹运动，定子磁链的幅值一旦超出这个范围，相应改变定子电压向量，控制其回到限定的范围内。

为实现这一控制，并且考虑到逆变器件所能承受的开关频率，将定子磁链的轨迹分为六个区，对定子磁链实行分区控制，不同区域采用不同定子电压切换向量，使得定子磁链的轨迹近似为一圆形。对于转矩调节采用三值调节器，可以控制定子磁链正转、反转或静不动，从而控制转矩，以实现转矩的快速调节。
1.4 本章小结
本章介绍了交流调速技术的发展与应用，阐述了直接转矩控制技术的优点，并介绍了直接转矩控制技术的发展。直接转矩控制的基本原理
自从70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制方法，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全控制。它的提出具有跨时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难于准确观测、系统特性受电动机参数的影响较大以及在模拟直流电动机过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。直接转矩控制针对电动机的核心变量作直接控制。本章从异步电动机的数学模型入手，阐述了直接转矩控制系统的基本原理，对系统的各部分结构进行了介绍和分析。
2.1 异步电动机的数学模型
交流异步电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强祸合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论交流异步电机的数学模型前假设电机有如下特性:

(l)电动机三相定、转子绕组完全对称。

(2)电动机定、转子表面光滑，无齿槽效应。

(3)电动机气隙磁动势在空间正弦分布。

(4)铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。

在满足上述理想电动机假设条件下，经推导可得异步电动机在静止坐标系下的数学模型。对于分析直接转矩控制系统，采用空间矢量的数学分析方法，以定子磁链定向，建立在静止正交定子坐标系上，图2-1是异步电动机的等效电路。图2-1 电动机空间矢量等效电路图

图2-1中各变量的意义如下：

—电角速度（机械角速度与极对数的积）

—定子电压空间矢量

、—定子、转子电流空间矢量

、—定子、转子磁链空间矢量

、—单相定子电阻、电感

—折算到定子侧的单相转子电阻

—单相转子漏感与定子漏感之和

由图2-1可以得出定子电压方程转子电压方程：

（2-1）

（2-2）

而定子磁链与转子磁链：

（2-3）

（2-4）

转矩方程：消去电压方程和磁链方程中的和，可以得到以定子磁链、为状态变量的异步电动机的状态方程。

（2-5）

其中电机漏感系数 （2-6）

电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式:

（2-7）

此外电磁转矩还可以表示成定子磁链和定子电流形式：

（2-8）

运动方程： （2-9）

式2-7中，为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机，而转子磁链幅值由负载决定。式(2-13)表明，当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒定不变时，只要改变它们两者之间的夹角就可以改变转矩，这实际上就是直接转矩控制之所以简单的根本所在。

2.2 逆变器的数学模型与电压空间矢量
逆变器如图2-2所示，每一组的上下两个开关器件的状态相反，这样逆变器共有8种开关状态组合。逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同时导通，一个处于开通的状态另一个必须处于断开的状态，两者处于开关互逆状态。
图2-2 电压型逆变器原理图
由于同一相上下桥臂的两个开关器件一个导通，则另一个关断，所以三组开关器件有八种可能的开关组合。分别用、、来表示三相上桥臂的开关状态，以a相为例，当a相上桥臂导通时，记作=1，

当a相上桥臂关断时，记作=0。这样八种可能的开关状态如表2-1所示：
表2-1 逆变器的开关状态

状态

0

1

2

3

4

5

6

7
0

0

0

0

1

1

1

1
0

1

1

0

0

0

1

1
0

0

1

1

1

0

0

1

八种可能的开关状态可以分成两类：一类是六种所谓的工作状态，即如上表中的状态“1”到“6”，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，即表中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。对于逆变器的八种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出七种不同的电压状态。这七种不同的电压状态也分成两类：一类是六种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”，分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“0”和“7”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态。

逆变器输出电压状态的空间矢量的数学表达式为： （2-12）

式2-12为逆变器的数学模型

把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间的概念。在这里我们引入Park矢量变换，选三相定子坐标系中的a轴和Park矢量复平面正交的实轴重合，则其三相物理量、、的Park矢量为：

（2-13）

从而我们可以得到逆变器的7个电压状态，(000和111为零状态)六个为有效电压矢量，幅值均为，相邻矢量相差60度，把整个平面均匀的划分成六个扇区如图2-3所示。
图2-3电压空间矢量在坐标系里的离散位置

2.3 本章小结

本章介绍了异步电动机直接转矩控制技术的原理，并阐述了通过调节空间电压矢量的方法来控制异步电动机的运行。

直接转矩控制系统的设计

3.1 直接转矩控制系统的组成
直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。
图3-1 直接转矩控制系统的典型框图

图3-1为典型的直接转矩控制系统框图，整个系统是一个磁链转矩双闭环系统。速度给定与电机的速度观测值进行比较后经过一个PI调节器输出转矩给定信号。另一方面系统检测三相定子电流和电压，经坐标变换转化到静止坐标系，由此计算电机的电磁转矩、磁链幅值和磁链所在的扇区N。磁链和转矩的给定和反馈信号送入转矩和磁通比较器，其差值经控制器输出转矩和磁链控制信号。开关状态选择器根据不同的扇区、转矩和磁链控制信号确定下一个时刻逆变器的开关状态，从而确定电机的端电压，保证电机在定子磁通不变情况下转矩满足负载的要求。

从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几部分组成:

(l)磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;

(2)磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号;

(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩;

(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态来控制逆变器驱动电机稳定运行。

直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到坐标下的分量，再按照异步电机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩和定子磁链的两个分量、，这样就可以计算出定子磁链幅值和磁链位置。将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩。将给定转矩和送入转矩调节器，得到转矩控制信号，磁链调节器根据给定子磁链幅值和转子磁链幅值的差值输出磁链控制信号。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号、转矩控制信号和磁链位置，查逆变器开关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。

下面简要地分析一下这些基本组成部分。

(l)速度PI调节器单元

由图3-1可知，给定转矩由给定转速和实际转速。偏差经过速度PI调节器得到。根据异步电动机运动方程可知电磁转矩与速度偏差之间是比例积分的关系。因此，通过速度调节器能获得理想中的转矩值，实现转速的闭环控制。而公式中的字母所代表的参数通常根据控制系统的实际情况进行整定。

(2)磁链和转矩滞环比较单元

定子磁链计算采用较为简单的U-I模型，磁链与定子电压之间的关系为：

（3-1）

由于定子电阻通常比较小，在分析时忽略钉子电阻压降的影响，则有：

（3-2）

式(3-2)表明单位时间内的定子的电压矢量实际上就是磁链矢量的增量，定子电压的大小和方向决定了磁链轨迹的运行速度和方向。由此可知控制异步电机的输入电压矢量，就可以控制定子磁链的大小、旋转方向和速度。
3.2 磁链调节
磁链的调节通过磁链滞环比较器实现。滞环比较器如图3-2所示。磁链误差为，将误差进行滞环比较，当误差超过允许值就进行电压切换，使误差控制在滞环宽度内。调制规则为:

当时，，此时选择电压矢量使增加;当时，此时选择择电压矢量使得减小;当时，不变，此时电压矢量不变。
图3-2 磁链滞环调节器

磁链位置检测单元:

为了检测定子磁链的位置，将坐标系分为六个区域：

（3-4）

其中N=1,2,3,4,5,6，每个区域占角度，定子磁链在第n区域，我们就称其在n区域。转矩调节器的结构与磁链调节器的结构一样，也采用滞环比较器(见图3-3)输入量为转矩给定值及转矩观测值，输出量为，为转矩滞环范围。
3.3 转矩调节
转矩调节器的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节器必须具备两个功能:(l)转矩调节器直接调节转矩;(2)在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。通过电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电机转矩的目的，用定转子磁链矢量积来表达异步电机的电磁转矩。

（3-3）

在实际运行中要确保要保证定子磁链矢量的幅值为定值，使电动机的铁芯得到充分的利用；转子磁链矢量的幅值由电动机带动的负载决定。可以通过改变磁通角的大小来改变电动机转矩的大小。通过加载有效空间电压矢量，改变空间电压矢量，使空间电压矢量的幅值更合理，定子磁链的转速大于转子磁链转速的大小使磁通角增大，从而增加转矩；加载零电压矢量，控制定子磁链停止运行使磁通角变小，从而使转矩减小。

转矩调节器的控制规律为:
逆时针旋转时：

若时，则；

若时，则；

若时，则保持不变。

顺时针旋转时：

若时，则;

若时，则；

若时，则保持不变图3-3 转矩滞环调节器
3.4 空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响
3.4.1 空间电压矢量对定子磁链的影响
与磁链运动轨迹成-60度和-120度的两种空间电压矢量的电压状态可以让定子磁链的幅值增大，我们称在这两种电压状态的电压为定子磁链电压。图3-4为圆形磁链运动轨迹调节过程示意图。定子

磁链处于第一扇区，假设运动至A点，则有，此时，磁链滞环比较器输出信号为,输出电压矢量应使增加。综合考虑转矩滞环比较器输出，如果需要作逆时针旋转时，可选择电压矢量;如果需要作顺时针旋转，可选择电压矢量。同理，对于B点有，磁链滞环比较器输出信号=l，此时应选择电压矢量使减小。如果需要作逆时针旋转时，可选择电压矢量;如果需要作顺时针旋转时，可选择电压矢量或。因此，

磁链调节使得定子磁链空间矢量在旋转的过程中，其幅值始终在系统允许的波动范围之内变化。

将异步电机的定子磁链方程式(2-14)离散化得:

(3-5)

式中，为采样周期中电动机的定子磁链与电压矢量的关系如图3-5所示。从图2-3可以看出:如对异步电动机施加工作状态的电压矢量，则定子磁链的运动方向和幅值都将发生变化;施加零电压矢量的时候，则定子磁链就会相应的停止运动。因此直接转矩控制就是让工作电压矢量和零电压矢量交替作用，这样就可以控制定子磁链走走停停，实现了对磁链的相位和幅值的控制。
图3-4 圆形磁链运动轨迹调节过程示意图
图3-5 定子磁链与电压矢量的关系示意图
在定子电压压降比起足够小的前提下，至此可以得到以下结论:

(l)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角的绝对值小于90度的时候，作用的结果使磁链幅值增加。

(2)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角的绝对值大于90度的时候，作用的结果使磁链幅值减小。

(3)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角的绝对值等于90度或施加零电压矢量的时候，作用的结果使磁链幅值基本保持不变。
3.4.2 空间电压矢量对电磁转矩的影响
从前面的分析可知，转矩对转速起决定性的影响作用，转矩控制性能的好坏直接关系到直接转矩控制系统的动、静态特性能。

电磁转矩表达式为：

（3-6）

由(2-19)式表明，电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的幅值以及它们之间的夹角（磁通角)决定。

式2-19也可以写成：

(3-7）

对式3-7两边进去微分计算，再乘以，可得以下式子：

(3-8)

式中

(3-9)

将代入式2-21可得

(3-10）

因此，单纯从数学式(3-10)上来看，可以得到以下结论:

(l)当施加超前于当前定子磁通的电压矢量，使得时，转矩增加。

(2)当施加落后于当前定子磁通的电压矢量，使得时，转矩减小。

在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心;转子磁链的幅值由负载决定;要改变电动机的转矩大小，可通过改变磁通角的大小来实现。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，达到控制定子磁链的目的，从而控制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，达到控制电动机转矩的目的，如图3-6所示
图3-6 电压空间矢量对电机转矩的影响

时刻的定子磁链和转子磁链及磁通角的位置如图3-6。从时刻考察到时刻，若此时给出的定子电压空间矢量，则定子磁链空间矢量由的位置旋转到的位置。转子磁链的位置变化实际上不受该期间定子频率的平均值的影响。因此从时刻到时刻这段时间里，定子磁链的旋转速度要大于转子磁链旋转的速度，磁通角由变大为，相应的转矩也会增大。

若从时刻考察到时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量的位置保持静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以定子频率的平均速度旋转，从而磁通角将减小，转矩因磁通角的减小变小。因此，通过合理控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均速度的大小。直接转矩控制通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。
3.4.3 空间电压矢量开关信号的选择
对应于磁链和转矩调节的两种形式，空间电压矢量开关信号的选择也有两种形式。

一种是通过磁链、转矩的两点式或三点式调节信号和定子磁链所在的区间，确定所需施加的电压空间矢量，从而将所有状态列表依次列出，最后通过所选空间电压矢量输出开关脉冲信号输出给逆变器。

另一种是根据磁链和转矩的PI调节得到的参考的空间电压矢量的两个分量，合成所需要的参考的空间电压矢量。但是，此时的空间电压矢量是旋转坐标系下的，还需叠加磁链旋转角度，将其转换成静止坐标系下的空间电压矢量，最后通过SVPWM方式输出开关脉冲信号给逆变器。
3.5 直接转矩控制系统的调速方案
在研究直接转矩控制系统的时候必须对异步电动机在不同运行速度下，电动机空间电压矢量以及磁链的变化进行分析。因为只有进行必要的分析才能对异步电动机在不同的速度下运行存在的问题进行有目的的改进。

虽然在现实工业生产中我们对异步电动机在中速（正常的运行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情况的研究也要投入我们的研究。下面就简单介绍几种调节方案，他们分别是低速调节方案、高速调节方案、低磁范围内的调节方案。
3.5.1 低速调节方案
异步电动机的低速范围是指额定转速30%以下的异步电动机转速范围。在这个范围内，由于存在转速低(包括零转速)、定子电压影响大等特点，会造成:如磁链波形畸变，在低定子频率乃至零频时保持转矩和磁链基本不变等问题。为此要求在控制方法上做相应的考虑。低速范围的调节方案有如下特点:

一.用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。

二.为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量要实现正反向变化控制。

三.转矩调节器和磁链调节器的多功能的协调工作。

四.用符号比较器确定区段。

五.调节每个区段的磁链量。

六.圆形磁链轨迹与六边形磁链轨迹，圆形磁链轨迹用于15%额定转速以下范围，六边形磁链轨迹用于15%-30%额定转速的范围。

七.每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用与选择。在低速调节范围内，可以采用0o电压矢量、-60o “电压矢量、+60o电压矢量和-120o电压矢量协调控制。

通过上述电压矢量的调节可以对磁链进行补偿，从而使磁链达到近圆形，得到比较好的控制结果。
3.5.2 高速调节方案
高速范围是指从30%到100%额定转速之间的转速范围。这个范围内的调节方案是典型的DSR控制的转速范围。高速范围的调节方案有以下几个特点:

一.用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。电动机模型主要工作在U-I模型下，且有模型电流和实际电流相比较的电流调节器来补偿校正。

二.用磁链自控制环节内的施密特触发器(也叫磁链给定值比较器)来确定区段。

三.转矩两点式调节。

四.磁链两点式调节。

五.六边形磁链轨迹。

在这个转速范围内工作的DSR控制，主要由磁链自给定环节和转矩两点式调节起作用。磁链自控制环节给出正确的区段。转矩两点式调节控制转矩。由于这个转速范围内的转速较高，因此定子电阻压降的影响可以忽略，定子磁链的畸变也可忽略，六边形磁链能得到很好的保持，因此磁链调节只是起辅助作用。
3.5.3 弱磁范围内的调节方案
弱磁范围的工作特点与基速以下时有很多不同。首先，弱磁范围内进行的是恒功率调节，而不是恒转矩调节。其次，弱磁范围是工作在基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中起作用。逆变器的电压波形与普通电压型逆变器时一样。由此带来弱磁范围工作的两个特点:一是转速的提高，即定子频率的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁。二是电机转矩的调节，不是靠工作电压和零状态电压交替工作从把转矩限制在容差内的方法，而是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。弱磁范围内的调节方案有如下特点.

一.用电动机模型测量、计算磁链和转矩。

二.用磁链自控制环节确定区段。

三.六边形磁链轨迹。

四.用功率调节器实现恒功率调节。

五.通过改变磁链给定值实现的平均转矩的动态调节。

六.每个区段上用一个工作电压状态。

在弱磁范围内，转矩调节器的输出由转矩给定值变为功率给定值，借以控制功率调节器进行弱磁范围的功率调节。功率调节器的输出作为磁链给定值，以控制磁链自控制单元。通过磁链给定值的调节变化，一方面实现对平均转矩的动态调节，另一方面实现弱磁升速的恒功率调节。转矩调节器的输出一直为“1”态，电压为全工作电压控制，不出现零电压状态。磁链自控制单元控制六边形磁链轨迹。
3.6 本章小结

本章介绍了直接转矩控制系统的基本构成，。本章重点介绍了直接转矩控制的几种调节方案，其主要包括低速、中速、高速三类，在本论文中中速调节方案是研究的重点。

第4章 异步电动机直接转矩控制系统的仿真
4.1 系统仿真工具的介绍
4.1.1 MATLAB简介
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB环境是由美国New Mexico大学的Clever Moler于1980年开始开发的，1984年由Clever Moler等人创立的MathWorks公司推出了第一各商业版本。MATLAB的两个显著的特点，即强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广泛的首选计算机工具。

现在MATLAB软件不但广泛的应用于控制领域，也应用与其他的工程领域和非工程领域。在控制界，很多著名的专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多的工具箱已成为该领域的标准。

MATLAB语言的特点：

A.起点高每个变量代表一个矩阵，它可以有n×m个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。

B.人机界面适合科技人员MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员的交流。MATLAB是以解释的方式工作的，若有错误立即就会作出反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。

C.强大而简洁的作图功能能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出图形。

D.智能化程度高绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动

选择算法；数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。

E.功能丰富，可扩展性强MATLAB软件包括基本部分和专业部分。基本部分包括：矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技人员在此基础上，根据专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这些工具箱就是专业部分。现在它们已有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。

4.1.2 MATLAB特点及优势

MATLAB特点：

1、此高级语言可用于技术计算

　　2、此开发环境可对代码、文件和数据进行管理

　　3、交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题

　　4、数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等

5、二维和三维图形函数可用于可视化数据

6、各种工具可用于构建自定义的图形用户界面

　　7、各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成

8、不支持大写输入，内核仅仅支持小写

MATLAB优势：

（1）简单易用的程序语言

MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。

（2）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。

（3）应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

（4）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。

（5）出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。

（6）实用的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。

（7）应用软件开发（包括用户界面）

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。
4.2 动态仿真工具Simulink
Simulink是MATLAB的一个应用工具箱，它用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及混合系统的仿真，也支持具有多种采用速率的系统仿真。Simulink采用可视化组态技术建模，具有直观、方便的优点。Simulink包含Liner等一系列具有广泛功能的子模型库，用户也可以自己定制、创建功能模块。

Simulink创建的模型具有递阶的结构，用户可以自上而下或自下而上的建立模型。这种方法使得用户可以深入的立即模型的组织结构和各部分是如何相互作用的。在定义完模型后，可以通过Simulink菜单或MATLAB的命令来对它进行仿真，MATLAB提供强大的可视化输出功能模块，方便用户进行分析；下面就具体介绍应用Simulink建立直接转矩控制系统的仿真系统。
4.3 直接转矩控制系统仿真模型
4.3.1 异步电动机仿真模块
由第二章知两相静止坐标系下的异步电机的电压方程:

(4-1)

磁链方程：

（4-2）

异步电机的仿真程序主要部分如下所示。

1.function [sys,x0,str,ts]=motor 1(t,x,u,flag,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)

%输入:Uds, Uqs, Wr

%输出:Uds, Ids, Uqs, IQs, Te

%state variable: Ids, Iqs, Idr, Iqr

%outputs: Uds, Uqs

Switch flag,

Case 0

[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes (Rs, Rr, Ls, Lr, Lm);

case 1

sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm);

case 3

sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm);

case {1, 2, 4, 9 }

sys= [];

otherwise

error (['Unhandled flag=', num2str (flag)]);

end

function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)

sizes = simsizes;

sizes.NumContStates= 4;

sizes.NumDiscStates= 0

sizes.NumOutputs= 5;

sizes.NumInputs= 3;

sizes.DirFeedthrough=1;

sizes.NumSampleTimes = 1;

sys=simsizes (sizes);

x0= [0; 0;0; 0];

str= [];

ts=[-1 0];

function sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)

a=1-Lm*Lm/(Ls*Lr);

sys(1)=(-Rs*Lr*a*x(1)+Lm*Lm*u(3)*x(2)+Rr*Lm*a*x(3)+Lr*Lm*u(3)*x(4)+Lr*u(1))/2

sys(2)=(-Lm*Lm*u(3)*x(1)-Rs*Lr*a*x(2)-Lr*Lm*u(3)*x(3)+Rr*Lm*a*x(4)+Lr*u(2))/2;

sys(3)=(Rs*Lm*a* x(1)-Lm*Ls*u(3)*x(2)-Rr*Ls*a*x(3)-Lr*u(3)*x(4)-Lm*u(1))/2;

sys(4)=(Lm*Ls*u(3)*x(1)+Rr*Lm*a*x(2)+Lr*u(3)*x(3)-Rr*Ls*a*x(4)-Lm*u(2))/2;

function sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)

sys(1)=u(1);

sys(2)=u(2);

sys(3)=x(1);

sys(4)=x(2);

sys(5)=3 *Lm*(x(2)*x(3)-x(1)* x(4));
4.3.2 定子磁链与转矩观测器的模块
磁链模块的输入是电机的定子电压、电流和定子电阻，输出是电子磁通和电磁转矩，其仿真模块的建立是根据第二章定子磁链电压模型。仿真模块如4-1所示。图4-1 定子磁链和转矩观测器的仿真模块

4.3.3电压和电流的坐标变换模块
电压的三相坐标/两相坐标的变换关系如式(4-3 )所示：

（4-3）

电压2/3的变换关系：

（4-4）
图4-2 电压坐标3/2变换仿真模块


图表4-3 电流2/3坐标变换仿真模块

4.3.4 磁链、转矩控制模型
磁链控制采用两点式调节、转矩控制采用三点式调节图4-4 磁链控制器

图4-5 转矩控制器
4.3.5 磁链幅值计算与区域判定模型

图4-6 磁链幅值，磁链当前扇区判断模型

磁链幅值计算采用matlab函数，其表达式为Sqrt(u(1) 2+u(2) 2)。磁链当前所在扇区判定选用simulink的s一Funetion来实现。

磁链幅值计算与区域判定可用S函数实现如下:
Function[sys,x0,str,ts]=sector(t,x,u,flag)

Switch flag

Case 0,

[sys,x0,str,ts] =mdllnitializesize

Case 3,

Sys=mdloutputs(u) ;

Case {2,4,9},

Otherwise

Error([’Unhandled flag=’,num2str(flag)]) ;

end

function [sys,x0,str,ts]=mdllnitializeSizes

sizes=simsizes

sizes.NumContstStates=0;

sizes.NumDisestates=0;

sizes.NumOutPuts=2;

sizes.NumInPuts=2:

sizes.DirFeedthrough=1;

sizes.NumSamPleTimes=l;

sys=simsizes(sizes);

xo=[];

str=[]:

ts=[-1 0]

funetion sys=mdlOutPuts(u)

faial=u(l)/2+sqrt(3)*u(2)/2;

faibl=u(l)/2-sqrt(3)*u(2)/2;

faiel=-u(l);

if faial>=0

Sal=O;

else

Sal=1;

end

if faibl>=0

Scl=0;

else

Scl=l;

end

sys(l)=4*Sal+2*Sbl+Sel;

sys(2)=abs(sqrt(u(l)*u(1)+u(2)*u(2)));
4.3.6 逆变器开关状态选择模块
由可控电压源实现的简单模型，可以极大的提高系统仿真速度。其输入为逆变器三相输入开关信号，输出为异步电机的三相定子电压。


图4-7 逆变器开关状态选择模块

funetion[sys，x0，str，ts]=lookuptablel(t，x，u，flag)

switeh flag

case 0，

[sys，x0，str，ts]=mdllnitializesizes ;

case 3，

sys=md1outputs(t，x，u) ;

case{2，4，9}，

sys=〔〕 ;

otherwise

error([’Unhandledflag=’，numZstr(flag)]) ;

end

funetion[sys，x0，str，ts〕=mdllnitializesizes

5IZeS=SlmSIZeS;

sizes.NumContstates=0;

sizes.NumDisestates=0;

sizes.NumoutPuts=3 ;

sizes.NumlnPuts=3 ;

sizes.DirFeedthrough=1 ;

sizes.NumsamPleTimes=l ;

sys=[0 ;0 ;2 ;3 ;0 ;0] ;

sys=simsizes(sizes) ;

xo=[] ;

str=[] ;

ts=[一10] ;

funetion sys=md1outputs(t，x，u)

Ktable=[2，1，3，4，6，5:0，0，7，0，7，7:1，4，5，2，3，6:6，3，2，l，4，l:7，7，0，7，0，，6，4，3，1，2:]:

KSa=[l，一l，一1，一1，1，1，1，l]:

KSb=[一l，一1，1，l，一1，一l，1，l]:

KSe=[一l，l，一1，l，一1，l，一l，l]:

m=3*u(2)+u(3)+l;

n=u(l):

Us=Ktable(m，n):

Kus=Us+1;

Sa=KSa(KUs) ;Sb=KSb(KUs) ;Se=KSe(KUs) ;

sys(1)=Sa ;

sys(2)=Sb ;

sys(3)=Sc ;
4.4 异步电动机直接转矩控制系统的仿真参数与结果

仿真电机参数如下:额定功率为2.354KW，额定电压为380V，额定转速为1500r/min;转动惯量为0.09kg·mZ，极对数为2，定子电阻为0.54。，转子电阻为0.79。，定子电感为2.smH，转子电感为2.smH，定转子互感为66.24mH，频率为工频50赫兹，取摩擦系数为0。

系统给定值如下:给定磁链为0.5，给定转矩为30N·M，负载转矩为0N*M，给定直流电压为308V；给定磁链容差为0.01Wb，给定转矩容差为0.1N*M。图4-8 直接转矩控制系统的磁链轨迹
图4-9 转矩响应波形

图4-10直接转矩控制系统的三相定子电流波形图4-11直接转矩控制系统的定子电压波形
图4-12电动机相电压波形

通过图可以看出，采用直接转矩控制时，电机运行平稳，输出转矩脉动小，电机启动快，系统的转矩响应都比较快。同时转矩的脉动从波形上看频率很高，对转矩变化跟随比较好。说明直接转矩控制系统的动态和稳态时的性能优良。结论与展望

直接转矩控制系统是通过直接控制逆变器的开关状态进而控制电动机的电压状态，从而控制电动机的磁链和转矩，使磁链轨迹近似为圆形。直接转矩控制系统的结构简单，性能良好，应用范围较大，具有很大的实用价值。将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究，无疑是这种新技术的发展趋势，也是当今值得深入研究的课题。

在做本毕业设计的时候我对异步电机数学模型做了一个简单的了解，了解了定子转子的磁链的模型，查阅了大量的资料了解了直接转矩控制系统在运动控制中的优点与缺点。我利用 Matlab软件对直接转矩控制系统进行仿真，验证了直接转矩控制理论的正确性。

随着现代科技的进步在研究直接转矩控制的时间加入现代的最新科技是提升生产力的必然选择。直接转矩控制中定子电阻的观测、无速度传感器理论、电压矢量细化等研究的不断深入，与神经网络、模糊控制等新技术的融合，以及研究将直接转矩控制技术应用于同步电机的趋势，使得直接转矩控制在理论上日趋成熟。相信在不久的将来直接转矩控制系统必将占据交流电机控制的主导地位。致谢

时间过得很快，转眼间我就毕业了。大学期间的生活是多姿多彩的，有甘甜，也有苦涩。如今大学生活即将结束了，但我发现这还只是一个开始，我面前的路还很长。虽然时间短暂，我也得到了很多人的帮助。回首来路，唯心存感激

本文在方俊初老师的精心指导下完成的。在做毕业设计期间我遇到了很多缺点，专业知识掌握的还不是很牢，方俊初老师就给我悉心的指导，直到我能理解。老师在我这几个月的时间里提出了很多具有指导性的意见，使我受益匪浅。在此对方俊初老师表示感谢。

功夫不负有心人，在经历了不断修改后，毕业设计终于成稿了。通过这几个月来的学习与撰写我学到了很多专业的知识，把自己的知识有了一个串连。在此对帮助过我的导师、同学、朋友表示感谢。参考文献

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[22]The free encyclopedia（Wikipedia）. Direct torque control[N]附录A：英文参考文献及其翻译
Direct torque control

Direct torque control

(DTC) is one method used in variable frequency drives to control the torque (and thus finally the speed) of three-phase AC electric motors. This involves calculating an estimate of the motor's magnetic flux and torque based on the measured voltage and current of the motor.

Method

Stator flux linkage is estimated by integrating the stator voltages. Torque is estimated as a cross product of estimated stator flux linkage vector and measured motor current vector. The estimated flux magnitude and torque are then compared with their reference values. If either the estimated flux or torque deviates from the reference more than allowed tolerance, the transistors of the variable frequency drive are turned off and on in such a way that the flux and torque will return in their tolerance bands as fast as possible. Thus direct torque control is one form of the hysteresis or bang-bang control.

This control method implies the following properties of the control:

Torque and flux can be changed very fast by changing the references

High efficiency & low losses - switching losses are minimized because the transistors are switched only when it is needed to keep torque and flux within their hysteresis bands

The step response has no overshoot

No coordinate transforms are needed, all calculations are done in stationary coordinate system

No separate modulator is needed, the hysteresis control defines the switch control signals directly

There are no PI current controllers. Thus no tuning of the control is required

The switching frequency of the transistors is not constant. However, by controlling the width of the tolerance bands the average switching frequency can be kept roughly at its reference value. This also keeps the current and torque ripple small. Thus the torque and current ripple are of the same magnitude than with vector controlled drives with the same switching frequency.

Due to the hysteresis control the switching process is random by nature. Thus there are no peaks in the current spectrum. This further means that the audible noise of the machine is low

The intermediate DC circuit's voltage variation is automatically taken into account in the algorithm (in voltage integration). Thus no problems exist due to dc voltage ripple (aliasing) or dc voltage transients

Synchronization to rotating machine is straightforward due to the fast control; Just make the torque reference zero and start the inverter. The flux will be identified by the first current pulse

Digital control equipment has to be very fast in order to be able to prevent the flux and torque from deviating far from the tolerance bands. Typically the control algorithm has to be performed with 10 - 30 microseconds or shorter intervals. However, the amount of calculations required is small due to the simplicity of the algorithm

The current and voltage measuring devices have to be high quality ones without noise and low-pass filtering, because noise and slow response ruins the hysteresis control

In higher speeds the method is not sensitive to any motor parameters. However, at low speeds the error in stator resistance used in stator flux estimation becomes critical

The direct torque method performs very well even without speed sensors. However, the flux estimation is usually based on the integration of the motor phase voltages. Due to the inevitable errors in the voltage measurement and stator resistance estimate the integrals tend to become erroneous at low speed. Thus it is not possible to control the motor if the output frequency of the variable frequency drive is zero. However, by careful design of the control system it is possible to have the minimum frequency in the range 0.5 Hz to 1 Hz that is enough to make possible to start an induction motor with full torque from a standstill situation. A reversal of the rotation direction is possible too if the speed is passing through the zero range rapidly enough to prevent excessive flux estimate deviation.

If continuous operation at low speeds including zero frequency operation is required, a speed or position sensor can be added to the DTC system. With the sensor, high accuracy of the torque and speed control can be maintained in the whole speed range.

History

Direct torque control was patented by Manfred Depenbrock in U.S. Patent 4,678,248 filed originally on October 20, 1984 in Germany. He called it "Direct Self-Control" (DSC). However, Isao Takahashi and Toshihiko Noguchi presented a similar idea only few months later in a Japanese journal. Thus direct torque control is usually credited to all three gentlemen.

The only difference between DTC and DSC is the shape of the path along which the flux vector is controlled to follow. In DTC the path is a circle and in DSC it was a hexagon. Today DTC uses hexagon flux path only when full voltage is required at high speeds.

Since Depenbrock, Takahashi and Noguchi had proposed direct torque control (DTC) for induction machines in the mid 1980s, this new torque control scheme has gained much momentum. From its introduction, the Direct Torque control or Direct Self Control (DSC) principle has been used for Induction Motor (IM) drives with fast dynamics. Despite its simplicity, DTC is able to produce very fast torque and flux control, if the torque and flux are correctly estimated.

Among the others, DTC/DSC was further studied in Ruhr-University in Bochum, Germany at the end of 80's. A very good treatment of the subject 。

DTC has also been applied to three-phase grid side converter control (U.S. Patent 5,940,286). Grid side converter is identical in structure to the transistor inverter controlling the machine. Thus it can in addition to rectifying AC to DC also feed back energy from the DC to the AC grid. Further, the waveform of the phase currents is very sinusoidal and power factor can be adjusted as desired. In the grid side converter DTC version the grid is considered to be a big electric machine (which, actually, there are many in the grid!).

In the late 1990s DTC techniques for the Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM) appeared.

Further, in the beginning of 2000's DTC was applied to doubly fed machine control (U.S. Patent 6,448,735). Doubly fed generators are today commonly used in wind turbine applications.

During 2000's several papers have been published about DTC. Also several modifications such as space vector modulated DTC that has constant switching frequency, has been presented.

直接转矩控制

直接转矩控制

（DTC）是一种在变频驱动器中用于控制力矩（因而控制最终的速度）的三相交流电动机的一种方法 。This involves calculating an estimate of the motor's magnetic flux and torque based on the measured voltage and current of the motor.他涉及到计算电动机的磁通和转矩，磁通和转矩以测得的电压和电机电流为基础。[ edit ] Method挤出挤出

方法

通过定子磁通估计与定子电压相结合。转矩为定子磁链估计矢量的叉积和测量电机电流矢量，The estimated flux magnitude and torque are then compared with their reference values .估计磁通和转矩的大小，然后比较其参考价值。如果不是从参考更多流量或转矩的估计超过允许公差偏离，变频驱动晶体管处于关闭状态，并以这样一种方式，将磁链和磁通的公差带尽可能快的带回到标准值。 Thus direct torque control is one form of the hysteresis or bang-bang control .因此，直接转矩控制是一种滞后或Bang – Bang的控制形式。

这种控制方法意味着控件的下列属性：

Torque and flux can be changed very fast by changing the references转矩和磁通是可以通过改变参考值而迅速改变

高效率，低损失 - 损失最小化的开关。因为只有当晶体管需要保持在其滞后带转矩和磁通The step response has no overshoot内的滞后阶段的时候才会被改变

No coordinate transforms are needed, all calculations are done in stationary coordinate system阶跃响应无超调

没有变换坐标的需要，所有计算都使用固定坐标系There are no PI current controllers .

不需要单独的调制器，滞后直接控制和定义开关的控制信号

Due to the hysteresis control the switching process is random by nature.这里没有PI电流控制器。 Thus there are no peaks in the current spectrum .因此必需的控制是不调整

The intermediate DC circuit's voltage variation is automatically taken into account in the algorithm (in voltage integration).晶体管的开关频率是不恒定的。但是通过控制公差带的宽度和平均开关频率可维持其在其参考值。这也保持了当前转矩脉动小。因此，转矩和电流脉动比具有相同的向量控制驱动器的开关频率的幅度相同

由于滞环控制的开关过程是随机的性质。目前的频谱没有波峰，这进一步意味着机器的声响和噪音低

Synchronization to rotating machine is straightforward due to the fast control; Just make the torque reference zero and start the inverter.中间直流电路的电压变化会自动考虑到在电压积分法（在电压一体化）来解决。 The flux will be identified by the first current pulse因此直流电压纹波（别名）或直流电压瞬变不存在问题

Digital control equipment has to be very fast in order to be able to prevent the flux and torque from deviating far from the tolerance bands.同步旋转机由于是直接快速控制，就使转矩参考零启动逆变器。 因此磁链Typically the control algorithm has to be performed with 10 - 30 microseconds or shorter intervals.将首先确定电流脉冲

The current and voltage measuring devices have to be high quality ones without noise and low-pass filtering , because noise and slow response ruins the hysteresis control数字控制设备的速度是非常快的，以便能够防止公差带偏离远通量和扭矩。通常情况下，控制算法要进行10 - 30微秒或更短的时间间隔。然而，由于该算法简单所需的计算量小

由于噪音和反应迟缓废墟的滞后控制，电流和电压测量装置必须是无噪音和低通滤波高品质的

任何电机的参数在较高速度的运行下变化不敏感。然而成为在定子磁链估计错误使用低速的关键阻力

The direct torque method performs very well even without speed sensors .直接转矩方法执行得很好，即使没有速度传感器 。 However, the flux estimation is usually based on the integration of the motor phase voltages.然而，磁通估计通常是基于电机的相电压的作用。 Due to the inevitable errors in the voltage measurement and stator resistance estimate the integrals tend to become erroneous at low speed.由于在电压测量和定子电阻不可避免的错误估计往往成为低速的主要错误。 Thus it is not possible to control the motor if the output frequency of the variable frequency drive is zero.因此，无法控制电机的变频驱动器的输出频率为0。 However, by careful design of the control system it is possible to have the minimum frequency in the range 0.5 Hz to 1 Hz that is enough to make possible to start an induction motor with full torque from a standstill situation.然而，通过精心设计的控制系统是可能在范围内都在0.5赫兹至1赫兹的最低频率是足以让可能从一开始停滞状况的充分磁通感应电动机运行的。如果速度是通过零到足够快的变化，以防止过度的扭矩估计偏差通过，一种旋转方向逆转是有太多可能的。

If continuous operation at low speeds including zero frequency operation is required, a speed or position sensor can be added to the DTC system.如果在包括零频率运行速度低，需要连续作业，速度或位置传感器可以被添加到DTC系统。 With the sensor, high accuracy of the torque and speed control can be maintained in the whole speed range.随着传感器的转矩和速度控制精度的提高，可以在整个范围内将速度保持下去。

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Direct torque control was patented by Manfred Depenbrock in US Patent 4,678,248 filed originally on October 20, 1984 in Germany.直接转矩控制的专利最初是由在德国曼弗雷德德彭布罗克在1984年10月20号向美国专利局提交的第4678248号专利。 He called it "Direct Self-Control" (DSC).他称之为“直接自控制”法（DSC）。 However, Isao Takahashi and Toshihiko Noguchi presented a similar idea only few months later in a Japanese journal .然而，高桥和野口在几个月后的日本杂志提出了类似的想法。因此，直接转矩控制通常是记住这三个绅士。。

The only difference between DTC and DSC is the shape of the path along which the flux vector is controlled to follow.在DTC和DSC之间的唯一区别沿该磁通矢量控制遵循的路径形状。在DTC的路径是一个循环，在DSC这是一个六边形。今天DTC只有在全电压是在高速行驶才有使用六角通量路径的需要。 Today DTC uses hexagon flux path only when full voltage is required at high speeds.

Since Depenbrock, Takahashi and Noguchi had proposed direct torque control (DTC) for induction machines in the mid 1980s, this new torque control scheme has gained much momentum.由于德彭布罗克，高桥和野口在20世纪80年代中期提出的直接转矩控制的理论，这种新的转矩控制方案使感应电机控制（DTC）获得了巨大的发展。自从它的推出，直接转矩控制或直接转矩控制系统（DSC）的理论已被用于异步电动机（IM）的快速动态驱动器。由于它的简单，如果转矩和磁通的正确估计直接转矩控制能够非常快的产生扭矩和磁链的控制。

Among the others, DTC/DSC was further studied in Ruhr-University in Bochum, Germany at the end of 80's.在其他人看来接受DTC/DSC进一步研究是在鲁尔的波鸿大学。在80年代底德国在研究A very good treatment of the subject can be found from the doctoral thesis:这个问题的人都会得到很好的待遇。

DTC也适用于三相电网侧变换器的控制（ 美国专利5940286）， Grid side converter is identical in structure to the transistor inverter controlling the machine.电网侧变换器在晶体管逆变器控制的机器的结构上是相同的。Thus it can in addition to rectifying AC to DC also feed back energy from the DC to the AC grid.因此，除了可以在整顿交直流反馈也从直流到交流电网的能源。Further, the waveform of the phase currents is very sinusoidal and power factor can be adjusted as desired.此外，可根据需要调整改变该相电流波形是非常正弦和功率因数。In the grid side converter DTC version the grid is considered to be a big electric machine (which, actually, there are many in the grid!).在电网侧变换器DTC的版本的网格被认为是一大电机（其中，其实，有许多在电网侧变换器中！）

In the late 1990s DTC techniques for the Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM) appeared.出现在20世纪90年代末的DTC的永磁同步电机技术（永磁同步电动机）。

此外，在2000年开始DTC的应用于双馈电机控制（美国专利6448735）。成为双馈发电机的风力涡轮机在今天普遍使用的应用程序。

During 2000's several papers have been published about DTC.在2000年的数篇论文已发表过关于接受DTC。DTC也有若干修改，如已提交空间矢量调制直接转矩控制具有恒定开关频率.附录B：参考文献题录及摘要

[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003

摘要：本书在内容上包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。编写思路继承了前两版的特色，理论和实际相结合，应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，以控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，主要论述了系统的静、动态性能，并发展了实用价值很高的工程设计方法。



[2] 陈伯时.电气传动系统的智能控制[J].电气传动1997(1)

摘要：电气传动系统的智能控制是目前的一个研究热点．本文系统地阐述了这一研究方向所属的基本问题。首先指明在电气传动系统中采用智能控制的意义和方法．进而具体介绍了模糊控制与神经元控制这两种最常见的智能控制方法应用于电气传动系统的特点，并提供了相应的实验结果。在此基础上进一步控讨了智能控制电气传动系统的有关理论问题：系统的稳定性和鲁棒性。



[3] 窦汝振,许镇琳.预测控制在异步电动机直接转矩控制系统中的应用研究[J].电气自动化 2001(5)

摘要：本文提出一种模型算法控制（MAC）作为异步电动机直接转矩控制系统的转速环控制器，该方法设计简单、易于实现，进一步有效地降低了该系统对定子电阻参数的依赖，系统具有良好的动、静态特性。
[4]关丽敏 异步电动机直接转矩控制系统的设计与仿真研究[D] 辽宁工程技术大学硕士论文，2003

摘要：本论文基于传动的控制方案与新技术，提出了一种新的直接转矩控制方法。由于矢量控制技术中出现的运算复杂、特性易受感应电动机参数的影响和实际运行结果难于达到理论分析的结果等缺点，以及传统的直接转矩控制方法的不足之处，设计了新的直接转矩控制方案。这种方案是应用三值调节器来获得快速的转矩控制，并且采用磁链恒定的控制方法以提高异步电动机的调速性能。



[5] 何志国．交流异步电动机直接转矩系统研究与实践[D]．大连理工大学硕士论文，2005

摘要：本文将模糊控制技术和电压空间矢量调制技术相结合应用在传统的直接转矩控制中,进一步提高了系统的性能。 本文在分析交流电动机数学模型的基础上,首先介绍了直接转矩控制的原理。然后在传统直接转矩控制中应用模糊控制技术以进一步提高系统在起动和负载阶跃变化时的转矩响应。为方便在数字控制系统中使用此方法,首先通过离线计算得到一个模糊控制表,然后运用查表运算来实现开关状态的选择,从而实现模糊直接转矩控制;由于数字控制系统的滞后性,稳态输出的转矩波动往往超过所设定的容差。为此本文提出了在模糊直接转矩控制中使用电压空间矢量调制技术,从而增加可用电压空间矢量的数量,以优化电压空间矢量的选择。



[6] 韩安太，刘峙飞，黄海．DSP 控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京：清华大学出版社，2003.

摘要：为了满足高性能运动控制系统的开发需要，结合工程上的实际应用，奉书介绍了数字信号处理器的发展概况和美国德州仪器(TI)等公司生产的DSP芯片的特点，以及运动控制系统的发展概况，并对现有的系统实现方法作了对比：在此基础上，详细介绍了TI公司生产的TMS320x24x系列DSP控制器的芯片结构、功能外设、指令系统、集成开发环境和系统开发、调试工具等内容：通过对无刷直流电动机控制器、交流伺服电动机控制器等实现方案的设计思路和程序代码的翔实介绍，对利用x24x系列DSP控制器进行系统开发过程中出现的主要问题及其解决办法进行了总结。


[7] 李华德．交流调速控制技术[M]．电子工业出版社，2003

摘要：本书全面、系统、深入地阐述了现代交流电动机调速系统的基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计：方法。本书包括电力拖动计算基础、电动机变频调速的原理、变频器的基本功能和合理使用、高性能变频调速、公众电动机的控制方法，以及电动机控制系统的数字仿真等。全书以异步电动机变频调速为主，着重介绍电力拖动与控制的基础知识，同时适当地加入最新的研究成果。



[8] 李冀昆，高仕斌等．异步电动机直接转矩控制的仿真[J]．控制工程，2004(5)：194~197

摘要：在研究和分析直接转矩控制原理的基础上,利用图形仿真工具Matlab/simulink完成了直接转矩控制系统的六边形磁链控制方法和近似圆形磁链控制方法的仿真实验。结合直接转矩控制的算法,通过改变控制系统中直接影响电机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环调节器的参数,对仿真结果进行了具体分析。验证了直接转矩控制系统方法的可行性和有效性,并且分析了参数的改变对电机运行性能的影响,同时给出了在基速范围内两种控制方法实现平滑切换的仿真结果。



[9] 李夙．异步电动机直接转矩控制[M]．北京：机械工业出版社，2001

摘要：异步电动机直接转矩控制技术是继矢量变换控制技术之后，于本世纪80年代中发展起来的一种新型的高性能的控制技术。其方案新颖，控制简单，对电动机参数变化不敏感，且某些动静态性能更好。它在交流调速传动技术领域里，是一种很
有发展前途的新技术。本书主要介绍异步电动机直接转矩控制的基本原理、基本组成、
数学模型、检测方法、在不同转速范围内控制系统的各种调节方案，以及直接转矩控制的数字化方法。

 

[10]黎英邵,宗凯.基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机建模与仿真[J].电气传动自动 化1999(3)

摘要：从异步电动机的数学模型着手介绍了一种基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机仿真模型，该模型封装后可置入SIMULINK的模型库中，使用时只需调用该模型交置入相应的电机参数即可。最后通过仿真实验验证了模型的正确性。
[11] 孙笑辉,韩曾晋.异步电动机直接转矩控制启动方法仿真研究[J].电气传动2000(1)

摘要：针对直接转矩控制的异步电动机的启动方法，本文提出了串行启动法、并行启动法、混合启动法这3种不同的启动控制策略，仿真研究结果表明，利用混合启动法可以获得比较满意的综合性能指标。
[12] 王伟，金新民，童亦斌．基于空间矢量调制的感应电机直接转矩控制[J]．电力机车与城轨车辆，2005，28(4)：22

摘要：介绍了一种基于空间矢量调制的感应电机直接转矩控制的新方法，即通过定子磁链偏差与转矩偏差计算出下一个控制周期内需要加在电机定子绕组上的电压，采用空间矢量调制方法得到逆变器的开关控制信号。它具有开关频率恒定，转矩和磁链波动小等特点。仿真结果验证了所述方法的有效性和正确性。



[13] 王树．交流调速系统设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，2005

摘要：本书从一般调速规律入手，介绍了变频器的原理及结构，较详细地讲解了U/F控制、矢量控制和直接转矩控制三大模式，以使读者了解高性能应用的变频调速原理；从共性角度探讨了变频调速系统的设计规律；最后按负载类型和应用特征分类阐述了变频调控的应用。针对风机和泵类、起重机和提升机以及常见反抗性恒转矩负载，本书分类介绍了节能型应用、位能型负载设计要点及常规变频调速应用规律；针对实践中出错较多的多动机同步运行，介绍了同步类型判据和同步控制手段的分类，以便正确选择同步方案。本书提供了一些工程实例，具体体现了书中讲述的规律，以便读者更好地理解和掌握书中所述内容。



[14] 薛定宇，陈阳泉．基于 MATLAB/SIMULINK 的系统仿真技术与应用[M]，清华大学出版社，2002

摘要：基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用》首先介绍了SIMULINK语言的程序设计的基本内容，在此基础上系统介绍了系统仿真所必要的数值计算方法及MATLAB实现，并以SIMULINK为主要工具介绍了系统仿真方法与技巧，包括连续系统、离散系统、随机输入系统和复数系统的仿真，由浅入深介绍了模块封装技术、电力系统模块集、非线性系统设计模块集、s-函数编写与应用、Stateflow有限状态机、虚拟现实工具箱等中高级使用方法，最后还介绍了半实物仿真技术与实时控制技术。



[15] 杨祖泉,姚绪梁,舒小芳.异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究[N].电机与控制学报2004(8)

摘要：介绍了异步电动机直接转矩控制系统的基本组成和工作原理。采用异步电动机α-β坐标系下的磁链和转矩观测模型，按照磁链的圆形与六边形控制方法，基于MATLAB6.5/SIMULINK5.0构建了直接转矩控制调速系统的仿真模型。提出了一种新的判断磁链运行区间的方法，该方法简单可行、计算量小。
[16] 张俊喜．异步电动机直接转矩控制系统研究[D]．哈尔滨工业大学硕士论文，2007

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，并对系统软、硬件进行了设计。



[17] 祝龙记,王汝琳.采用矢量细分的异步电动机直接转矩控制系统[J].微特电机2004，(4)

摘要：介绍了一种采用矢量细分和SVPWM调制的直接转矩控制方法,实现对电机转矩的控制。将该控制方法应用到异步电动机调速系统,通过系统仿真实验验证,该控制方法的输出转矩脉动小、电流谐波低、开关频率固定,调速系统有着良好的动态性能和调速精度。

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