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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(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。
蓝色部分还未看关于近期对直接转矩控制技术的学习总结直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是通过磁链观测器确定定子磁链在在空间中的位置及其磁链大小，并且能够保证定子磁链的大小在一定的范围之内，且估算电磁转矩的大小，通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢就可以控制电机定子磁链的旋转速度，从而改变负载角的大小，达到迅速控制电机输出转矩的目的。
2.3 直接转矩控制的发展方向直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。
它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。
由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。
当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开始改变状态，终止电压矢量的作用。
因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。
为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，目前专家提出了几种解决方法。
这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。
一、对传统的直接转矩控制的空间电压矢量开关表进行改进。
以永磁同步电机的直接转矩控制为例，可以在原有的开关表的基础上加上两个零矢量，即000和111，把开关表从4行扩充到6行。
插入了零矢量后，有效地把转矩的变化维持在一定的范围内。
这样，转矩的脉动频率和电压逆变器的开关次数就相应减少了。
此外，有专家提出了把空间电压矢量细分的方法。
把原来的6等份扩大到12等份或者24等份，从而减小转矩的脉动。
但是这两种方案还是存在不足，插入零矢量虽然能有效把转矩维持在一定范围内，却同时使转矩响应变慢了。
这样一来就失去了直接转矩控制转矩响应快的优势。
课程设计(论文)题目名称异步电动机直接转矩控制系统仿真课程名称运动控制系统学生姓名曾斌学号0841229082系、专业电气工程、电气指导教师林立2011年7月4号邵阳学院课程设计（论文）任务书注：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。
指导教师（签字）：学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名曾斌学号0841229082系电气工程系专业班级电气一班题目名称三相异步电动机直接转矩控制课程名称运动控制系统一、学生自我总结二、指导教师评定注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
摘要直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。
在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。
本文分析异步电动机数学模型的基础上,提出了一种基于MATLAB/SIMULINK的交流电机直接转矩控制系统的仿真模型.通过搭建独立的功能模块和模块的有机整合, 得到一个完整的异步电动机控制系统的仿真模型在仿真模型中,定子磁链控制器电磁转矩控制器均采用双电平方式, 仿真结果证明了该方案的合理性和有效性。
仿真结果表明:DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。
仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。
关键词:异步电机；直接转矩控制；MATLAB仿真目录摘要 (I)1直接转矩控制系统概述 (1)2 直接转矩控制的理论基础 (3)2.1基本思想 (3)2.2定子电压分析 (3)2.3 电压空间矢量对定子磁链的影响 (5)2.4电压空间矢量对定子电磁转矩的影响 (6)3直接转矩控制系统的建模与仿真 (7)3.1仿真模型的建立 (7)3.2仿真模块的分析 (8)3.2.1转速控制器 (8)3.2.2直接转矩DTC模块 (9)3.2.3转矩和定子磁链计算模块 (10)3.2.4磁通和转矩制环控制器 (11)3.2.5磁链选择器 (11)3.2.6开关表 (12)3.2.7开关控制模块 (12)4仿真结果及其分析 (14)5总结 (16)参考文献 (17)附录I (18)1 直接转矩控制系统概述直接转矩控制技术是在上世纪80年代中期继矢量控制变换技术之后发展起来的一种异步电动机调速技术，直接转矩控制变频调速系统。
直接转矩控制思想于1977年ABPiunkett在IEEE杂志上首先提出，1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克（Depenbrock）教授首先取得了实际应用的成功。
接着1987年把它推广到弱磁调速范围。
不同与矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。
直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。
实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。
直接转矩控制系统的主要特点有：(1)直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；即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摸型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变化与计算。
因此，它所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。
(2)直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。
而矢量控制的磁场定向所用的转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。
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矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了。
(4)直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。
与著名的矢量控制的方法不同直接控制转矩步是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。
其控制方式是，通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。
因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。
它的控制即直接又简单。
对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。
这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制也用于磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控制。
综上所述，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交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式（Bang-Bang 控制）产生PWM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。
它省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。
该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。
2 直接转矩控制的理论基础2.1 基本思想直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差ΔS ψ的正负符号和电磁转矩偏差ΔTe 的正负符号，再依据当前定子磁链矢量S ψ所在位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩和定子磁链的控制。
2.2 定子电压分析电压源型逆变器(如图2.1)是由三组、六个开关（Sa 、Sa 、S b b 、Sc 、Sc ）组成。
由于Sa 与Sa 、S b 与S b 、S c 与S c 之间互为反向，即一个另一个断开，所以三相开关有32=8种可能的开关组合。
用S abc 表示三相开关S a 、S b 和S c 若规定：a 、b 、c 三相负载的某一相与“+”极接通时，该项的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，该相的开关状态为“0”态。
8种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种工作状态，即表2.1中的状态“1”到状态“6"，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上；另一类开关状态是零开关状态，如表2.1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上。
EEc图2.1 理想电压源型逆变器结构图表2.1 六个开关器件的八种状态对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。
这7种不同的电压状态也分为两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于开关状态“0”和“7”，对于外部负载来说，输出的电压都为零，所以统称为零电压状态。
用电压空间矢量表示的离散电压状态如图2.2所示。
6种工作电压空间矢量两两相隔60 ，其顶点构成正六边形的6个顶点。
所对应的开关状态是100-110-010-011-001-101。
如果用符号()s u t 表表示逆变器的输出电压空间矢量，Us1(100)-Us2(110)-Us3(010)- Us4(011)-Us5(001)-Us6(101)。
零电压矢量图2.2 用电压空间矢量表示的离散的电压状态2.3 电压空间矢量对定子磁链的影响逆变器的输出电压()s u t 直接加到三相异步电动机的定子绕组上，由此得到定子磁链()s t ψ为：[]()()()s s s s t u t i t R dt ψ=-⎰若忽略定子电阻压降的影响，则：()()s s t u t dt ψ≈⎰上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。
图2.3表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量的关系。
图2.3 定子电压空间矢量与定子磁链空间矢量的关系图 2.3中,()s u t 表示定子电压空间矢量，()s t ψ表示定子磁链空间矢量,S1,S2,S3,S4,S5,S6是正六边形的六条边。
当定子磁链空间矢量()s t ψ在图2.3所示位置时(其顶点在边S1上)，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量()s u t 为3s u (010)，则根据式子，定子磁链空间矢量()s t ψ轨迹，朝着电压空间矢量3s u (010)所作用的方向运动。
当()s t ψ沿着边S 到S1与S2的交点时，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量是4s u (011)，则定子磁链空间矢量()s t ψ的顶点将沿着S2的轨迹，朝着电压空间矢量4s u (011)，所作用的方向运动。
按同样的方法依次给出5s u (001)、6s u (101)、1s u (100)、2s u (110)，则磁链空间矢量()s t ψ的顶点将沿着S3、S4、S5、S6的轨迹运动。
从以上分析过程可以得出如下结论：(1)定子磁链空间矢量()s t ψ的运动轨迹和相应的定子电压空间矢量()s u t 对应，定子磁链空间矢量()s t ψ的运动方向平行于相应的定子电压空间矢量()s u t 的作用方向，只要定子电阻压降()s s i t R 比起()s u t 足够小，那么这种平行就能够得到很好的近似。
(2)在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量345612s s s s s s u u u u u u -----。
则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S1-S2-S3-S4-S5-S6形成了正六边形磁链。
(3)正六边形的六条边代表定子磁链空间矢量的一个周期的运动轨迹。
对于电压空间矢量与定子磁链幅值的变化关系，有如下结论：(1)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角小于90 时，定子磁链增大； (2)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于90 时，定子磁链减小； (3)所加零电压矢量时，定子磁链为零。
假设某一时刻定子磁链矢量为s ψ，当施加电压矢量1s u ，2s u ，6s u 时，定子磁链幅值增加；当施加电压矢量3s u 、4s u 、5s u 时，定子磁链幅值减小；当施加零电压矢量时，定子磁链为零。
当所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于90 时，按照上述结论，定子磁链幅值应该减小。
但是这不是一个严谨的结论，这种情况依然存在定子磁链幅值不变和增大的情形。
2.4 电压空间矢量对电磁转矩的影响根据前面分析，当施加电压空间矢量时，如果忽略定子磁链幅值的变化，只考虑定子磁链相位角的变化，由于转子磁链在电压矢量作用过程中变化缓慢，可以近似认为保持不变，因此转矩角发生了变化。
