课程设计(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
学 号
系专业 电气工程电气
指导教师
20XX年X月X号
课程设计（文）务书
年级专业
电气
学生姓名
学 号
题目名称
三相异步电机直接转矩控制(DTC)系统仿真
设计时间
20XX年6月20日20XX年7月1日
课程名称
运动控制系统
课程编号
设计点
电力电子电力拖动实验室综合仿真实验室
课程设计（文）目
课程设计校学生素质教育重环节理实践相结合桥梁纽带运动控制系统课程设计求学生更实践方案解决目前学生课程设计程中普遍存缺乏动手力现象 运动控制系统课程设计继电机拖动基础运动控制系统课程开出实践环节课程目务训练学生综合运已学课程基知识独立进行电机调速技术设计工作掌握系统设计调试应电路设计分析调试检测
二已知技术参数条件
异步电动机参数：460V60Hz2极Rs001485欧Lls003027mHRr0009295欧Llr03027mHLm0069mHJ31kgm2变器直流电源510VLs071mHLr0071mHTr087
三务求
1 完成电路参数设置仿真
2 完成开关控制模块仿真
3 控制策略采直接转矩控制结合电路完成系统仿真
4 频率变化范围160Hz
注：1．表指导教师填写系教研室审批指导教师学生签字生效
2．表1式3份学生指导教师教研室1份
四参考资料现基础条件（包括实验室仪器设备等）
1电力电子电力拖动实验室4套DJDK1电力电子电力拖动实验装置
2DJDK1电力电子电力拖动实验指导书
3 MatlabSimulink仿真软件
五进度安排
20XX年6月20日21日：收集课程设计关资料熟悉课题务求
20XX年6月22日23日：总体方案设计电路仿真
20XX年6月24日27日：单元模块仿真
20XX年6月28日30日：整理书写设计说明书
20XX年7月1日：答辩考核
六教研室审批意见
教研室（签字）： 年 月 日
七|教学意见
（签字）： 年 月 日
八备注
指导教师（签字）： 学生（签字）：
XX学院课程设计（文）评阅表
学生姓名 XX 学 号 XX
系 电气工程系 专业班级 电气班
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
学生总结
异步电机直接转矩控制变频调速系统建模仿真程中拓宽专业知识领域期间遇困难系统仿真模型正确建立模型参数设置调整系统模型模块化调试调试中出现错误警告分析排等等整务完成离开努力更离开指导老师悉心指导帮助提高身仿真研究力发现问题解决问题力掌握运专业知识力次认识时老师学交流沟通重性
学生签名： 年 月 日
二指导教师评定
评分项目
时成绩
文
答辩
综合成绩
权 重
30
40
30
单项成绩
指导教师评语：
指导教师（签名）： 年 月 日
注：1表学生课程设计（文）成绩评定装订设计说明书（文）务书页面
2表中评分项目权重根系考核细评分标准确定
摘
直接转矩控制技术电力机车牵引汽车工业家电器等工业控制领域广泛应运动控制系统中直接转矩控制作种新型交流调速技术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运动控制领域中发挥着巨作
文分析异步电动机数学模型基础提出种基MATLABSIMULINK交流电机直接转矩控制系统仿真模型通搭建独立功模块模块机整合 完整异步电动机控制系统仿真模型仿真模型中定子磁链控制器电磁转矩控制器均采双电方式 仿真结果证明该方案合理性效性
仿真结果表明DTC系统具动态响应速度快精度高易实现优点仿真结果验证该模型正确性该控制系统效性
关键词异步电机直接转矩控制MATLAB仿真
目 录
摘……………………………………………………………………I
1直接转矩控制系统概述………………………………………………1
2 直接转矩控制理基础…………………………………………3
21基思想……………………………………………………………3
22定子电压分析………………………………………………………3
23 电压空间矢量定子磁链影响…………………………………5
24电压空间矢量定子电磁转矩影响……………………………6
3直接转矩控制系统建模仿真………………………………7
31仿真模型建立…………………………………………………7
32仿真模块分析…………………………………………………8
321转速控制器……………………………………………………8
322直接转矩DTC模块………………………………………………9
323转矩定子磁链计算模块………………………………………10
324磁通转矩制环控制器…………………………………………11
325磁链选择器………………………………………………………11
326开关表……………………………………………………………12
327开关控制模块……………………………………………………12
4仿真结果分析…………………………………………………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
直接转矩控制技术世纪80年代中期继矢量控制变换技术发展起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1977年ABPiunkettIEEE杂志首先提出1985年德国鲁尔学德彭布罗克（Depenbrock）教授首先取实际应成功
接着1987年推广弱磁调速范围矢量控制技术直接转矩控制着特点程度解决矢量控制中计算复杂特性易受电动机参数变化影响实际性难达理分析结果重技术问题直接转矩控制技术诞生新颖控制思想简洁明系统结构优良静动态性受普遍关注迅速发展实际应表明采直接转矩控制异步电动机调速系统电机磁场接圆形谐波损耗低噪声温升均般逆变器驱动电机直接转矩控制系统特点：
(1)直接转矩控制直接定子坐标系分析交流电动机数学模型控制电动机磁链转矩需交流电动机直流电动机进行较等效转化需模仿直流电动机控制需解耦简化交流电动机数学摸型省掉矢量旋转变换等复杂变化计算需信号处理工作较简单控制信号易观察者交流电动机物理程作出直接明确判断
(2)直接转矩控制磁场定采定子磁链轴知道定子电阻观测出矢量控制磁场定转子磁链轴观测转子磁链需知道电动机转子电阻电感直接转矩控制减少矢量控制技术中控制性易受参数变化影响问题
(3)直接转矩控制采空间矢量概念分析三相交流电动机数学模型控制物理量问题变简单明
(4)直接转矩控制强调转矩直接控制效果著名矢量控制方法直接控制转矩步通控制电流磁链等量间接控制转矩转矩直接作控量进行控制强调转矩直接控制效果控制方式通转矩两点调节器转矩检测值转矩定值作滞环较转矩波动限制定容差范围容差频率调节器控制控制效果取决电动机数学模型否够简化取决转矩实际状况控制直接简单转矩种直接控制方式称直接控制种直接控制思想仅转矩控制磁链量控制转矩中心进行综合控制
综述直接转矩控制技术空间矢量分析方法直接定子坐标系计算控制交流电动机转矩采定子磁场定助离散两点式（BangBang 控制）产生PWM信号直接逆变器开关状态进行佳控制获转矩高动态性省掉复杂矢量变换运算电动机数学模型简化处理程控制结构简单控制手段直接信号处理物理概念明确该控制系统转矩响应迅速限制拍超调种具较高动态响应交流调速技术
2 直接转矩控制理基础
21 基思想
直接转矩控制系统基思想根定子磁链幅值偏差Δ正负符号电磁转矩偏差ΔTe正负符号前定子磁链矢量位置直接选取合适电压空间矢量减定子磁链幅值偏差电磁转矩偏差实现电磁转矩定子磁链控制
22 定子电压分析
电压源型逆变器(图21)三组六开关（SaSaSbSbScSc）组成SaSaSbSbScSc间互反断开三相开关8种开关组合Sabc表示三相开关SaSbSc规定：abc三相负载某相+极接通时开关状态1态反极接通时该相开关状态0态8种开关状态分成两类：类6种工作状态表21中状态1状态6特点三相负载接相电位类开关状态零开关状态表21中状态0状态7特点三相负载接相电位
Sc
Sc
Sb
Sa
Sb
Sa
图21 理想电压源型逆变器结构图
表21 六开关器件八种状态
状态
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
应逆变器8种开关状态外部负载说逆变器输出7种电压状态7种电压状态分两类：类6种工作电压状态应开关状态16类零电压状态应开关状态07外部负载说输出电压零统称零电压状态
电压空间矢量表示离散电压状态图22示6种工作电压空间矢量两两相隔顶点构成正六边形6顶点应开关状态100110010011001101果符号表量
Us2（110）
Us1(100)Us2(110)Us3(010) Us4(011)Us5(001)Us6(101)零电压矢量位正六变形中心
Us3（010）
Us6（101）
Us1（100）
Us5（001）
Us4（011）
图22 电压空间矢量表示离散电压状态
23 电压空间矢量定子磁链影响
逆变器输出电压直接加三相异步电动机定子绕组定子磁链：
忽略定子电阻压降影响：
式表示定子磁链空间矢量定子电压空间矢量间积分关系图23表示定子磁链空间矢量定子电压空间矢量关系
Us6（101）
Us1（100）
Us5（001）
Us4（011）
Us3（010）
Us2（110）
图23 定子电压空间矢量定子磁链空间矢量关系
图23中表示定子电压空间矢量表示定子磁链空间矢量S1S2S3S4S5S6正六边形六条边定子磁链空间矢量图23示位置时(顶点边S1)果逆变器加定子电压空间矢量(010)根式子定子磁链空间矢量轨迹着电压空间矢量(010)作方运动着边SS1S2交点时果逆变器加定子电压空间矢量(011)定子磁链空间矢量顶点着S2轨迹着电压空间矢量(011)作方运动样方法次出(001)(101)(110)磁链空间矢量顶点着S3S4S5S6轨迹运动分析程出结：
(1)定子磁链空间矢量运动轨迹相应定子电压空间矢量应定子磁链空间矢量运动方行相应定子电压空间矢量作方定子电阻压降起足够种行够似
(2)适时刻次出定子电压空间矢量定子磁链运动轨迹次边S1S2S3S4S5S6形成正六边形磁链
(3)正六边形六条边代表定子磁链空间矢量周期运动轨迹电压空间矢量定子磁链幅值变化关系结：
(1)加电压矢量前定子磁链夹角时定子磁链增
(2)加电压矢量前定子磁链夹角时定子磁链减
(3)加零电压矢量时定子磁链零
假设某时刻定子磁链矢量施加电压矢量时定子磁链幅值增加施加电压矢量时定子磁链幅值减施加零电压矢量时定子磁链零加电压矢量前定子磁链夹角时述结定子磁链幅值应该减严谨结种情况然存定子磁链幅值变增情形
24 电压空间矢量电磁转矩影响
根前面分析施加电压空间矢量时果忽略定子磁链幅值变化考虑定子磁链相位角变化转子磁链电压矢量作程中变化缓慢似认保持变转矩角发生变化转矩变化趋势取决转矩角变化趋势
假设转矩角时转矩转矩角严格单调增函数种情况电压空间矢量电磁转矩影响出结：
(1)加电压矢量超前前定子磁链时转矩增
(2)加电压矢量滞前定子磁链时转矩减
(3)加零电压矢量时转矩变
3 直接转矩系统建模仿真
31 仿真模型建立
直接电动机实际运行中保持定子磁链幅值额定值便充分利电动机铁心转子磁链幅值负载决定通控制定子磁链转子磁链间夹角转矩角控制电动机转矩直接转矩控制中基控制方法通选择电压空间矢量控制定子磁链旋转速度控制定子磁链走走停停改变定子磁链均旋转速度改变转矩角达控制电动机转矩目直接转矩控制采两滞环控制器分较定子定磁链实际磁链定转矩实际转矩差值然根两差值查询逆变器电压矢量开关表需加异步电动机恰电压开关矢量通PWM逆变器实现异步电动机控制整控制系统框图图31示：
图31 直接转矩控制系统原理结构图
系统原理实现：三相交流电源次三相二极整流三相逆变器电压电流测量模块异步电机供电定转速加速度控制器磁链查表输出定磁链定速度速度反馈（实际速度）较PI调节器输出定转矩信号时速度控制器模块输出控制信号加电机信号分离器
异步电机直接转矩控制分析simulink基础建立仿真模型图附录I示
子系统包括转矩磁链滞环控制模块转矩磁链观测模块磁链扇区判模块电压矢量开关表开关控制器定转矩磁链分实际转矩磁链取差值然分转矩磁链滞环较器磁链扇区sector起输入电压开关矢量表中选择合适电压矢量电压电流测量模块输出i_abV_abc送入转矩磁链观测模块计算磁链直接转矩控制系统采6开关器件组成桥式三相逆变器八中开关状态六互差60度电压空间矢量两零矢量交流电动机定子磁链受电压空间矢量Us控制改变逆变器开关状态控制定子磁链运行轨迹控制交流电动机运行状态系统结构七模块组成：三相控整流器Braking chopper三相逆变器测量单元异步电动机模块组成系统电路转速控制器直接转矩控制模块
32 仿真模块分析
321 转速控制器
转速控制器结构图33示转速定N*加减速限制环节阶跃输入时实际转速定定升降斜率转速反馈N低通滤波N*转速偏差（N*N）通PI调节器调节输出符合DTC控制磁通转矩设定值PI调节器输入参考转速实测转速差值输出电机参考转矩Torque*参考磁链Flux*积分器采模块库中离散时间积分器构建KpKi分例增益系数积分增益系数调节器输出转矩Saturation环节限定幅值
图32 转速控制器结构图
322 直接转矩DTC模块
直接转矩DTC模块结构图34示转矩定Torque*磁通定Flux*电流Iab电压Vabc输入信号采样开关包括转矩磁通计算（Torque & Flux calculator）滞环控制（Torque & Flux hysteresis）磁通选择（Flux sector seeker）开关表（Switching table）开关控制（Switching control）等单元DTC模块输出三相逆变器开关器件驱动信号
图33 直接转矩DTC模块结构图
323 转矩定子磁链计算
转矩定子磁链计算（Torque & Flux calculator）单元结构图34示首先检测异步电动机三相电压Vabc电流Iab模块dqVtransformdqItransform 变换二相坐标系（αβ）电压电流dqVtransformdqItransform变换模块图35
图34 转矩定子磁链计算单元结构图
模块估计电机磁通值电磁转矩磁链角图模块结构图三相坐标系中电压值两相坐标系中电流值坐标变换代入异步电机磁链估计模型估计出转矩值磁链值磁链角θ
该模块中三相静止坐标系旋转坐标系坐标变换原理图36示：
变换式：
两相静止坐标系旋转坐标系坐标变换变换式：
图35 三相坐标二相坐标变换实现模块结构图
定子磁链模拟离散计算式
式中isαβαβ两相坐标系定子电压电流K积分系数Ts采样时间磁链采离散梯形积分模块phidphiq分输出定子磁链αβ轴分量ΨsαΨsβΨsαΨsβRealImag to Complex模块复数形式定子磁链Ψscomplex to MagnitudeAngle计算定子磁链幅值转角电动机转矩计算式
式中p电动机极数
324 磁通转矩滞环控制器
电动机转矩磁链采滞环控制磁通转矩滞环控制器（Torque&Flux
时模块dPhi分输出态12
hysteresis）结构图36 示转矩控制三位制环控制方式转矩滞环宽度设dTe时转矩偏差 制环模块 分输出31制环模块输出0时非门NOR输出状态2磁链控制制环二位控制方磁环制环宽度设时磁链偏差结果
图36 磁通转矩制环控制器结构图
325 磁链选择器
直接转矩控制磁链空间划分6区间见表31磁链选择模块（Flux sector seeker）根定子磁链位置角判断定子磁链运行分区磁链选择器（lux sector seeker）结构图37
表31 磁链扇区判表
值
扇区S
1
2
3
4
5
6
图37 磁链选择器结构图
326 开关表
开关表模块图见39 三相逆变器六开关器件通断状态两张Lookup Table（2D）表格（Flux1Flux﹣1）三路选择器组成两张Lookup Table（2D）表格应输出见表32表格输出加1通选择开关2输出应6开关器件8种开关状态V0~V7包括两种零状态V0V7
图38 开关表模块结构图
表32 Lookup Table（2D）表格
H phi状态
H Te状态
磁链选择器状态 Flux sector seeker
1
2
3
4
5
6
1 (表格Flux1)
1
2
3
4
5
6
1
2
0
7
0
7
0
7
3
6
1
2
3
4
5
2（表格Flux1)
1
3
4
5
6
1
2
2
7
0
7
0
7
0
3
5
6
1
2
2
4
开关表中Magnetisation模块结构图310示作磁链反馈值（Flux est）（见图37）设定值（in_Flux）较反馈值设定值时SRflipflop触发器Q端输出1反馈值设定值时SRflipflop触发器Q端输出0控制电动机起动时逆变器转速调节器工作状态电动机起动时产生初始磁通
图39 Magnetisation模块结构图
327 开关控制模块
开关控制模块（Switching control）（见图310）包含三D触发器（D flipflop）目限制逆变器开关切换频率确保逆变器相两开关处相反工作状态开关切换频率模块话框中设置
图310 开关控制模块结构图
4 仿真结果分析
异步电动机直接转矩控制系统仿真模型图41
图41 直接转矩控制仿真系统图
系统参数：三相电源电压360V60Hz电源阻002Ω电感005Mh电动机额定参数：149kW460V60Hz图42 43 直接转矩系统模块电动机控制器参数设置页
图43 DTC控制器参数
图42 电动机参数
系统转速转矩两项输入调速时负载转矩变化转速转矩定离散控制器模型库中Discrete Control Block中timer模块Speed refrence设定值：t 01s时转速分5000 rminTorque reference设定值：t 00515s时转矩分0 792 ﹣792N·m模型采混合步长离散算法基采样时间Ts＝14μs仿真结果图44
图44 仿真结果图
仿真波形出t0s时转速设定升率（900rmin）稳升高启动06s时达设定速度（500rmin）0~05s范围电动机空载起动电动机电流200A（幅值）05s时加载792 N·m电流升400A（幅值）加载时电磁转矩瞬间达1200N·m系统控制加载转速升稳定运行没明显影响1s电动机开始减速定子电流减电流频率降t15s时转速降0时转矩定792N·m﹣792N·m转速稳定0rmin表明系统转矩速度响应力
5 总结
次设计完成程中加深学基理专业知识理解综合运学知识解决实际问题学软件仿真基技基程序基方法针交流异步电机变频调速系统直接转矩控制方案进行系统化建模仿真Matlab 环境利Simulink Power System Blockset采结构化模块化方法构建系统仿真模型动态稳态性进行仿真实验
异步电机直接转矩控制变频调速系统建模仿真程中拓宽专业知识领域期间遇困难系统仿真模型正确建立模型参数设置调整系统模型模块化调试调试中出现错误警告分析排等等整务完成离开努力更离开指导老师悉心指导帮助提高身仿真研究力发现问题解决问题力掌握运专业知识力次认识时老师学交流沟通重性
参考文献
[1]阮毅 陈伯时电力拖动动控制系统[M]北京：机械工业出版社200326(20)1922
[2]洪刚电力电子电机控制系统建模仿真[M]北京：机械工业出版社20111
[3]王兆安电力电子技术[M]北京：机械工业出版社2005
附录I
直接转矩仿真系统图
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课程设计(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
学 号
系专业 电气工程电气
指导教师
20XX年X月X号
课程设计（文）务书
年级专业
电气
学生姓名
学 号
题目名称
三相异步电机直接转矩控制(DTC)系统仿真
设计时间
20XX年6月20日20XX年7月1日
课程名称
运动控制系统
课程编号
设计点
电力电子电力拖动实验室综合仿真实验室
课程设计（文）目
课程设计校学生素质教育重环节理实践相结合桥梁纽带运动控制系统课程设计求学生更实践方案解决目前学生课程设计程中普遍存缺乏动手力现象 运动控制系统课程设计继电机拖动基础运动控制系统课程开出实践环节课程目务训练学生综合运已学课程基知识独立进行电机调速技术设计工作掌握系统设计调试应电路设计分析调试检测
二已知技术参数条件
异步电动机参数：460V60Hz2极Rs001485欧Lls003027mHRr0009295欧Llr03027mHLm0069mHJ31kgm2变器直流电源510VLs071mHLr0071mHTr087
三务求
1 完成电路参数设置仿真
2 完成开关控制模块仿真
3 控制策略采直接转矩控制结合电路完成系统仿真
4 频率变化范围160Hz
注：1．表指导教师填写系教研室审批指导教师学生签字生效
2．表1式3份学生指导教师教研室1份
四参考资料现基础条件（包括实验室仪器设备等）
1电力电子电力拖动实验室4套DJDK1电力电子电力拖动实验装置
2DJDK1电力电子电力拖动实验指导书
3 MatlabSimulink仿真软件
五进度安排
20XX年6月20日21日：收集课程设计关资料熟悉课题务求
20XX年6月22日23日：总体方案设计电路仿真
20XX年6月24日27日：单元模块仿真
20XX年6月28日30日：整理书写设计说明书
20XX年7月1日：答辩考核
六教研室审批意见
教研室（签字）： 年 月 日
七|教学意见
（签字）： 年 月 日
八备注
指导教师（签字）： 学生（签字）：
XX学院课程设计（文）评阅表
学生姓名 XX 学 号 XX
系 电气工程系 专业班级 电气班
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
学生总结
异步电机直接转矩控制变频调速系统建模仿真程中拓宽专业知识领域期间遇困难系统仿真模型正确建立模型参数设置调整系统模型模块化调试调试中出现错误警告分析排等等整务完成离开努力更离开指导老师悉心指导帮助提高身仿真研究力发现问题解决问题力掌握运专业知识力次认识时老师学交流沟通重性
学生签名： 年 月 日
二指导教师评定
评分项目
时成绩
文
答辩
综合成绩
权 重
30
40
30
单项成绩
指导教师评语：
指导教师（签名）： 年 月 日
注：1表学生课程设计（文）成绩评定装订设计说明书（文）务书页面
2表中评分项目权重根系考核细评分标准确定
摘
直接转矩控制技术电力机车牵引汽车工业家电器等工业控制领域广泛应运动控制系统中直接转矩控制作种新型交流调速技术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运动控制领域中发挥着巨作
文分析异步电动机数学模型基础提出种基MATLABSIMULINK交流电机直接转矩控制系统仿真模型通搭建独立功模块模块机整合 完整异步电动机控制系统仿真模型仿真模型中定子磁链控制器电磁转矩控制器均采双电方式 仿真结果证明该方案合理性效性
仿真结果表明DTC系统具动态响应速度快精度高易实现优点仿真结果验证该模型正确性该控制系统效性
关键词异步电机直接转矩控制MATLAB仿真
目 录
摘……………………………………………………………………I
1直接转矩控制系统概述………………………………………………1
2 直接转矩控制理基础…………………………………………3
21基思想……………………………………………………………3
22定子电压分析………………………………………………………3
23 电压空间矢量定子磁链影响…………………………………5
24电压空间矢量定子电磁转矩影响……………………………6
3直接转矩控制系统建模仿真………………………………7
31仿真模型建立…………………………………………………7
32仿真模块分析…………………………………………………8
321转速控制器……………………………………………………8
322直接转矩DTC模块………………………………………………9
323转矩定子磁链计算模块………………………………………10
324磁通转矩制环控制器…………………………………………11
325磁链选择器………………………………………………………11
326开关表……………………………………………………………12
327开关控制模块……………………………………………………12
4仿真结果分析…………………………………………………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
直接转矩控制技术世纪80年代中期继矢量控制变换技术发展起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1977年ABPiunkettIEEE杂志首先提出1985年德国鲁尔学德彭布罗克（Depenbrock）教授首先取实际应成功
接着1987年推广弱磁调速范围矢量控制技术直接转矩控制着特点程度解决矢量控制中计算复杂特性易受电动机参数变化影响实际性难达理分析结果重技术问题直接转矩控制技术诞生新颖控制思想简洁明系统结构优良静动态性受普遍关注迅速发展实际应表明采直接转矩控制异步电动机调速系统电机磁场接圆形谐波损耗低噪声温升均般逆变器驱动电机直接转矩控制系统特点：
(1)直接转矩控制直接定子坐标系分析交流电动机数学模型控制电动机磁链转矩需交流电动机直流电动机进行较等效转化需模仿直流电动机控制需解耦简化交流电动机数学摸型省掉矢量旋转变换等复杂变化计算需信号处理工作较简单控制信号易观察者交流电动机物理程作出直接明确判断
(2)直接转矩控制磁场定采定子磁链轴知道定子电阻观测出矢量控制磁场定转子磁链轴观测转子磁链需知道电动机转子电阻电感直接转矩控制减少矢量控制技术中控制性易受参数变化影响问题
(3)直接转矩控制采空间矢量概念分析三相交流电动机数学模型控制物理量问题变简单明
(4)直接转矩控制强调转矩直接控制效果著名矢量控制方法直接控制转矩步通控制电流磁链等量间接控制转矩转矩直接作控量进行控制强调转矩直接控制效果控制方式通转矩两点调节器转矩检测值转矩定值作滞环较转矩波动限制定容差范围容差频率调节器控制控制效果取决电动机数学模型否够简化取决转矩实际状况控制直接简单转矩种直接控制方式称直接控制种直接控制思想仅转矩控制磁链量控制转矩中心进行综合控制
综述直接转矩控制技术空间矢量分析方法直接定子坐标系计算控制交流电动机转矩采定子磁场定助离散两点式（BangBang 控制）产生PWM信号直接逆变器开关状态进行佳控制获转矩高动态性省掉复杂矢量变换运算电动机数学模型简化处理程控制结构简单控制手段直接信号处理物理概念明确该控制系统转矩响应迅速限制拍超调种具较高动态响应交流调速技术
2 直接转矩控制理基础
21 基思想
直接转矩控制系统基思想根定子磁链幅值偏差Δ正负符号电磁转矩偏差ΔTe正负符号前定子磁链矢量位置直接选取合适电压空间矢量减定子磁链幅值偏差电磁转矩偏差实现电磁转矩定子磁链控制
22 定子电压分析
电压源型逆变器(图21)三组六开关（SaSaSbSbScSc）组成SaSaSbSbScSc间互反断开三相开关8种开关组合Sabc表示三相开关SaSbSc规定：abc三相负载某相+极接通时开关状态1态反极接通时该相开关状态0态8种开关状态分成两类：类6种工作状态表21中状态1状态6特点三相负载接相电位类开关状态零开关状态表21中状态0状态7特点三相负载接相电位
Sc
Sc
Sb
Sa
Sb
Sa
图21 理想电压源型逆变器结构图
表21 六开关器件八种状态
状态
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
应逆变器8种开关状态外部负载说逆变器输出7种电压状态7种电压状态分两类：类6种工作电压状态应开关状态16类零电压状态应开关状态07外部负载说输出电压零统称零电压状态
电压空间矢量表示离散电压状态图22示6种工作电压空间矢量两两相隔顶点构成正六边形6顶点应开关状态100110010011001101果符号表量
Us2（110）
Us1(100)Us2(110)Us3(010) Us4(011)Us5(001)Us6(101)零电压矢量位正六变形中心
Us3（010）
Us6（101）
Us1（100）
Us5（001）
Us4（011）
图22 电压空间矢量表示离散电压状态
23 电压空间矢量定子磁链影响
逆变器输出电压直接加三相异步电动机定子绕组定子磁链：
忽略定子电阻压降影响：
式表示定子磁链空间矢量定子电压空间矢量间积分关系图23表示定子磁链空间矢量定子电压空间矢量关系
Us6（101）
Us1（100）
Us5（001）
Us4（011）
Us3（010）
Us2（110）
图23 定子电压空间矢量定子磁链空间矢量关系
图23中表示定子电压空间矢量表示定子磁链空间矢量S1S2S3S4S5S6正六边形六条边定子磁链空间矢量图23示位置时(顶点边S1)果逆变器加定子电压空间矢量(010)根式子定子磁链空间矢量轨迹着电压空间矢量(010)作方运动着边SS1S2交点时果逆变器加定子电压空间矢量(011)定子磁链空间矢量顶点着S2轨迹着电压空间矢量(011)作方运动样方法次出(001)(101)(110)磁链空间矢量顶点着S3S4S5S6轨迹运动分析程出结：
(1)定子磁链空间矢量运动轨迹相应定子电压空间矢量应定子磁链空间矢量运动方行相应定子电压空间矢量作方定子电阻压降起足够种行够似
(2)适时刻次出定子电压空间矢量定子磁链运动轨迹次边S1S2S3S4S5S6形成正六边形磁链
(3)正六边形六条边代表定子磁链空间矢量周期运动轨迹电压空间矢量定子磁链幅值变化关系结：
(1)加电压矢量前定子磁链夹角时定子磁链增
(2)加电压矢量前定子磁链夹角时定子磁链减
(3)加零电压矢量时定子磁链零
假设某时刻定子磁链矢量施加电压矢量时定子磁链幅值增加施加电压矢量时定子磁链幅值减施加零电压矢量时定子磁链零加电压矢量前定子磁链夹角时述结定子磁链幅值应该减严谨结种情况然存定子磁链幅值变增情形
24 电压空间矢量电磁转矩影响
根前面分析施加电压空间矢量时果忽略定子磁链幅值变化考虑定子磁链相位角变化转子磁链电压矢量作程中变化缓慢似认保持变转矩角发生变化转矩变化趋势取决转矩角变化趋势
假设转矩角时转矩转矩角严格单调增函数种情况电压空间矢量电磁转矩影响出结：
(1)加电压矢量超前前定子磁链时转矩增
(2)加电压矢量滞前定子磁链时转矩减
(3)加零电压矢量时转矩变
3 直接转矩系统建模仿真
31 仿真模型建立
直接电动机实际运行中保持定子磁链幅值额定值便充分利电动机铁心转子磁链幅值负载决定通控制定子磁链转子磁链间夹角转矩角控制电动机转矩直接转矩控制中基控制方法通选择电压空间矢量控制定子磁链旋转速度控制定子磁链走走停停改变定子磁链均旋转速度改变转矩角达控制电动机转矩目直接转矩控制采两滞环控制器分较定子定磁链实际磁链定转矩实际转矩差值然根两差值查询逆变器电压矢量开关表需加异步电动机恰电压开关矢量通PWM逆变器实现异步电动机控制整控制系统框图图31示：
图31 直接转矩控制系统原理结构图
系统原理实现：三相交流电源次三相二极整流三相逆变器电压电流测量模块异步电机供电定转速加速度控制器磁链查表输出定磁链定速度速度反馈（实际速度）较PI调节器输出定转矩信号时速度控制器模块输出控制信号加电机信号分离器
异步电机直接转矩控制分析simulink基础建立仿真模型图附录I示
子系统包括转矩磁链滞环控制模块转矩磁链观测模块磁链扇区判模块电压矢量开关表开关控制器定转矩磁链分实际转矩磁链取差值然分转矩磁链滞环较器磁链扇区sector起输入电压开关矢量表中选择合适电压矢量电压电流测量模块输出i_abV_abc送入转矩磁链观测模块计算磁链直接转矩控制系统采6开关器件组成桥式三相逆变器八中开关状态六互差60度电压空间矢量两零矢量交流电动机定子磁链受电压空间矢量Us控制改变逆变器开关状态控制定子磁链运行轨迹控制交流电动机运行状态系统结构七模块组成：三相控整流器Braking chopper三相逆变器测量单元异步电动机模块组成系统电路转速控制器直接转矩控制模块
32 仿真模块分析
321 转速控制器
转速控制器结构图33示转速定N*加减速限制环节阶跃输入时实际转速定定升降斜率转速反馈N低通滤波N*转速偏差（N*N）通PI调节器调节输出符合DTC控制磁通转矩设定值PI调节器输入参考转速实测转速差值输出电机参考转矩Torque*参考磁链Flux*积分器采模块库中离散时间积分器构建KpKi分例增益系数积分增益系数调节器输出转矩Saturation环节限定幅值
图32 转速控制器结构图
322 直接转矩DTC模块
直接转矩DTC模块结构图34示转矩定Torque*磁通定Flux*电流Iab电压Vabc输入信号采样开关包括转矩磁通计算（Torque & Flux calculator）滞环控制（Torque & Flux hysteresis）磁通选择（Flux sector seeker）开关表（Switching table）开关控制（Switching control）等单元DTC模块输出三相逆变器开关器件驱动信号
图33 直接转矩DTC模块结构图
323 转矩定子磁链计算
转矩定子磁链计算（Torque & Flux calculator）单元结构图34示首先检测异步电动机三相电压Vabc电流Iab模块dqVtransformdqItransform 变换二相坐标系（αβ）电压电流dqVtransformdqItransform变换模块图35
图34 转矩定子磁链计算单元结构图
模块估计电机磁通值电磁转矩磁链角图模块结构图三相坐标系中电压值两相坐标系中电流值坐标变换代入异步电机磁链估计模型估计出转矩值磁链值磁链角θ
该模块中三相静止坐标系旋转坐标系坐标变换原理图36示：
变换式：
两相静止坐标系旋转坐标系坐标变换变换式：
图35 三相坐标二相坐标变换实现模块结构图
定子磁链模拟离散计算式
式中isαβαβ两相坐标系定子电压电流K积分系数Ts采样时间磁链采离散梯形积分模块phidphiq分输出定子磁链αβ轴分量ΨsαΨsβΨsαΨsβRealImag to Complex模块复数形式定子磁链Ψscomplex to MagnitudeAngle计算定子磁链幅值转角电动机转矩计算式
式中p电动机极数
324 磁通转矩滞环控制器
电动机转矩磁链采滞环控制磁通转矩滞环控制器（Torque&Flux
时模块dPhi分输出态12
hysteresis）结构图36 示转矩控制三位制环控制方式转矩滞环宽度设dTe时转矩偏差 制环模块 分输出31制环模块输出0时非门NOR输出状态2磁链控制制环二位控制方磁环制环宽度设时磁链偏差结果
图36 磁通转矩制环控制器结构图
325 磁链选择器
直接转矩控制磁链空间划分6区间见表31磁链选择模块（Flux sector seeker）根定子磁链位置角判断定子磁链运行分区磁链选择器（lux sector seeker）结构图37
表31 磁链扇区判表
值
扇区S
1
2
3
4
5
6
图37 磁链选择器结构图
326 开关表
开关表模块图见39 三相逆变器六开关器件通断状态两张Lookup Table（2D）表格（Flux1Flux﹣1）三路选择器组成两张Lookup Table（2D）表格应输出见表32表格输出加1通选择开关2输出应6开关器件8种开关状态V0~V7包括两种零状态V0V7
图38 开关表模块结构图
表32 Lookup Table（2D）表格
H phi状态
H Te状态
磁链选择器状态 Flux sector seeker
1
2
3
4
5
6
1 (表格Flux1)
1
2
3
4
5
6
1
2
0
7
0
7
0
7
3
6
1
2
3
4
5
2（表格Flux1)
1
3
4
5
6
1
2
2
7
0
7
0
7
0
3
5
6
1
2
2
4
开关表中Magnetisation模块结构图310示作磁链反馈值（Flux est）（见图37）设定值（in_Flux）较反馈值设定值时SRflipflop触发器Q端输出1反馈值设定值时SRflipflop触发器Q端输出0控制电动机起动时逆变器转速调节器工作状态电动机起动时产生初始磁通
图39 Magnetisation模块结构图
327 开关控制模块
开关控制模块（Switching control）（见图310）包含三D触发器（D flipflop）目限制逆变器开关切换频率确保逆变器相两开关处相反工作状态开关切换频率模块话框中设置
图310 开关控制模块结构图
4 仿真结果分析
异步电动机直接转矩控制系统仿真模型图41
图41 直接转矩控制仿真系统图
系统参数：三相电源电压360V60Hz电源阻002Ω电感005Mh电动机额定参数：149kW460V60Hz图42 43 直接转矩系统模块电动机控制器参数设置页
图43 DTC控制器参数
图42 电动机参数
系统转速转矩两项输入调速时负载转矩变化转速转矩定离散控制器模型库中Discrete Control Block中timer模块Speed refrence设定值：t 01s时转速分5000 rminTorque reference设定值：t 00515s时转矩分0 792 ﹣792N·m模型采混合步长离散算法基采样时间Ts＝14μs仿真结果图44
图44 仿真结果图
仿真波形出t0s时转速设定升率（900rmin）稳升高启动06s时达设定速度（500rmin）0~05s范围电动机空载起动电动机电流200A（幅值）05s时加载792 N·m电流升400A（幅值）加载时电磁转矩瞬间达1200N·m系统控制加载转速升稳定运行没明显影响1s电动机开始减速定子电流减电流频率降t15s时转速降0时转矩定792N·m﹣792N·m转速稳定0rmin表明系统转矩速度响应力
5 总结
次设计完成程中加深学基理专业知识理解综合运学知识解决实际问题学软件仿真基技基程序基方法针交流异步电机变频调速系统直接转矩控制方案进行系统化建模仿真Matlab 环境利Simulink Power System Blockset采结构化模块化方法构建系统仿真模型动态稳态性进行仿真实验
异步电机直接转矩控制变频调速系统建模仿真程中拓宽专业知识领域期间遇困难系统仿真模型正确建立模型参数设置调整系统模型模块化调试调试中出现错误警告分析排等等整务完成离开努力更离开指导老师悉心指导帮助提高身仿真研究力发现问题解决问题力掌握运专业知识力次认识时老师学交流沟通重性
参考文献
[1]阮毅 陈伯时电力拖动动控制系统[M]北京：机械工业出版社200326(20)1922
[2]洪刚电力电子电机控制系统建模仿真[M]北京：机械工业出版社20111
[3]王兆安电力电子技术[M]北京：机械工业出版社2005
附录I
直接转矩仿真系统图
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