异步电机的直接转矩控制仿真研究本科毕设论文.doc

华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 题目：异步电机的直接转矩控制仿真研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录摘 要1关键词 1Abstract 1Key words 2前 言 31.绪 论41.1课题背景41.2异步电机发展概况 41.3直接转矩控制的产生与概况51.4国内外研究现状62.电动机直接转矩控制的基本原理72.1异步电动机的数学模型 72.1.1异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型 82.1.2异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 92.1.3异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型102.1.4仿真结果分析112.2直接转矩控制的基本原理 13 2.3定子磁链的估计模型17 2.3.1定子磁链估计的u-i模型 17 2.3.2定子磁链估计的i-n模型 17 2.3.3定子磁链估计的u-n模型 183. 直接转矩控制系统的仿真研究19 3.1系统的总体构成19 3.2仿真模型的建立19 3.3仿真结果及分析25总结与展望27参考文献28致谢 292华中科技大学文华学院毕业设计（论文）异步电机的直接转矩控制仿真研究摘 要本文先简单介绍了该研究的背景和发展概况，随即又介绍了异步电机直接转矩控制的生产概况和国内外的研究现状，最后对异步电机的直接转矩控制仿真进行了研究。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统，依然能够减小转矩脉动和转速的稳态误差。关键词：异步电动机 ； 直接转矩控制 Asynchronous motor directly to the control of simulation studyABSTRACTThis paper first introduced the research background and development situation, and immediately and involves asynchronous motor direct torque control of production situation and domestic and foreign research present situation, finally began to asynchronous motor direct torque control simulation. As for the DTC system based on duty cycle control and the DTC system based on sliding mode control，this paper discusses four instanc of the load torque with disturbance and no disturbance，the constant and variabl assigned revSimulation shows that both improved DTC methods Can reduc torque ripple and the steadystate error of rev effectivelyFor the opptunity above base-frequency，three different DTC methods are utilizedSimulatio shows that both improved DTC systems are superior tothe traditional one inabove base-frequency operationKey words：asynchronous motors ； diret torque control 前 言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，因而得名。直接转矩控制(DTC)交流调速技术是继矢量控制变频之后发展起来的一种新型的具有高性能的变频调速技术。DTC借助瞬时空间矢量理论在定子静止坐标系下计算电动机的磁链和转矩，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与给定值做滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，其控制效果取决于转矩的实际状况，具有结构简单和动态响应快的优点。从算法分析和系统仿真分析讨论的结果，可以得出扩展卡尔曼算法在无速度传感器应用中的优点是：利用扩展卡尔曼滤波器可以不必了解电机的机械参数知识(可以克服电机参数反应灵敏的问题)，在电机启动过程中不必知道电机转子初始位置(可以解决电机的启动问题)，此外，EKF算法可以确保系统的全局稳定性(其他一些通过状态观测器实现电机无速度传感器控制的方法，通常仅在标称状态的轨迹上将电机非线性化，不能保证系统的全局稳定性)，而且整个系统易于数字化实现。但是扩展卡尔曼算法复杂，需要矩阵求逆运算，计算量大，为满足实时控制的要求，需要高速，高精度的数字信号处理器。另一方面，扩展卡尔曼滤波器要用到很多随机误差的统计参数，由于模型复杂，涉及因素多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试才能确定合适的随机参数，而且调速范围有一定的局限性，只适合中高速调速系统。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枪挑调频控制、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。1 绪论1.1课题背景运动控制系统包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统。相比直流拖动，交流拖动省去了电刷和换向器的经常维修带来的成本。同时，由于电力电子技术的飞速发展，大规模集成电路和计算机控制技术的出现，以及交流拖动在节能减耗方面的优势，交流拖动在异步电动机和同步电动机控制系统中得到了广泛的应用，这些应用包括风机、造纸厂、地铁和机车牵引、电动汽车、机床和机器人、家用电器和风力发电系统等。交流电机的各种控制方法，包括标量控制、向量控制（磁场定向控制）、直接转矩控制和自适应控制等。标量控制只对变量的幅值进行控制，忽略电机的耦合效应，其动态性能较差，但实现起来较为方便。与标量控制不同，向量控制中变量的幅值和相位都被控制。采用向量控制可以使异步电动机像他励直流电动机那样实现高性能的解耦控制，因此向量控制也被称为解耦控制或向量变换控制。向量控制既可以应用于异步电动机控制系统，也可以应用于同步电动机控制系统H1。向量控制在交流拖动中的优势是明显的，然而也存在一系列不能忽视的问题。在向量控制过程中，转子磁链难以准确观测，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控制过程中所用向量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的程度。直接转矩控制解决了上述一系列问题，在交流拖动控制系统中发挥着举足轻重的作用。直接转矩控制于1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，并获得了令人满意的控制效果。不同于向量控制，直接转矩控制不需要估计转子磁链，只需要估计定子磁链，涉及到的电动机参数只有定子电阻，因而对电动机参数的依赖性大大减弱。相比向量控制，直接转矩控制省去了复杂的向量旋转变换，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，因而是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。目前广泛应用于三相异步电动机、单相异步电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中也发挥着巨大的作用。1.2异步电机发展概况电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直流调速系统和交流调速系统。用直流电机可方便地进行调速，其具有优良的转矩控制性能，但由于本身结构特点，直流调速有几个主要缺点：(1)直流电动机容易出现故障，维修困难。(2)使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能采用。(3)由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。(4)直流电动机的价格高于交流电动机。随着现代科技的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动方式逐步占据了主要地位。异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系，还随着负载的大小发生变化。负载转矩越大，转子的转速越低。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。异步电机具有下面几个优点：(1)异步电动机特别是鼠笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。(2)异步电动机不易出现故障，维修简单。(3)异步电机使用场合没有限制。(4)电动机的单机容量远大于直流电动机。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种不同型式，以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时，必须从电网吸取无功功率，使电网的功率因子变坏。因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差，对要求较宽广和平滑调速范围的设备采用直流电机较经济、方便。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。1.3直接转矩控制的产生与概况自从20世纪70年代向量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓向量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速回应特性。尽管向量控制从理论上可以使交流拖动控制系统的动态特性得到改善，但是在向量解耦时需要用到电动机参数。在电动机运行过程中，随着电动机温度的升高和磁路的饱和，这些参数可能在大范围内变化，而使用不精确的参数则难以实现动态过程的完全解耦。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数的补偿算法和在线辨识，但这些算法使得系统复杂化，并且由于向量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果很难达到理论分析的程度，这是向量控制在实践上的不足之处。直接转矩控制（DirectTorqueControlDTC）是在向量控制基础之上发展起来的，是继向量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压向量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩。与向量控制相比，直接转矩控制的主要优点是：在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了向量控制中的解耦思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数（转子电阻）。由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压向量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。因此，直接转矩控制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。1.4国内外研究现状直接转矩控制虽然有以上诸多优点，但目前在理论上尚不成熟，不够完善，其经典模型固有的缺陷一直阻碍着直接转矩控制的进一步发展。其主要问题是：定子磁链的准确估计，电磁转矩脉动较大，逆变器开关频率不恒定等。围绕直接转矩控制存在的问题，国内外学者做了大量工作。2 应电动机直接转矩控制的基本原理2.1异步电动机的数学模型认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接转矩控制系统的保证。异步电动机的动态数学模型和直流电动机的动态数学模型相比有着本质上的区别，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设：(1)忽略空间谐波；(2)忽略磁路饱和；(3)忽略铁心损耗；(4)忽略频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线型，并折算到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。这样，电机绕组就等效成图-所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线A,B,C在空间是固定的，A轴与参考坐标轴的X轴重合；转子三相绕组轴线a,b,c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。 图2-1三相异步电动机的物理模型直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。为了能将异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的形式，需要引入坐标变换。坐标变换包括三相-两相变换和两相-两相旋转变换。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完全相同。 (a)三相交流绕组 (b)两相交流绕组 (c)旋转的直流绕组图2-2等效的电动机绕组物理模型图2-2等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型以产生相同的旋转磁动势为原则，图2-2中的三种物理模型彼此等效。通过坐标变换，可以得到异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标系、两相同步坐标系三种不同坐标系下的数学模型。2.1.1异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型设两相坐标d轴与三相坐标A轴的夹角为，而为两相任意速旋转坐标系（dq坐标系）相对于定子的角转速，数学模型由以下方程表述：(1)磁链方程 (2-1)式中，dq坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量；, , , dq坐标系下定子电流与转子电流的两个分量；定子与转子同轴等效绕组间的互感定子等效两相绕组的自感；转子等效两相绕组的自感；(2)电压方程 (2-2)式中，-dq坐标系下定子电压与转子电压的两个分量；, -定子电阻与转子电阻, -dq坐标系分别相对于定子、转子的角转速 (3)转矩方程 (2-3)式中电动机转矩 电动机极对数； (4)运动方程 (2-4)负载转矩；电动机转速； J电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。它比异步电动机在三相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所降低，但是其非线性、多变量、强耦合的性质没有改变。2.1.2异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型异步电动机在两相静止坐标系（坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。当=0时, =,即转速的负值。数学模型由以下方程表述(1)磁链方程 (2-5)式中，dq子磁链的两个分量；,dq系下定子电流与转子电流的两个分量；定子与转子同轴等效绕组间的互感；定子等效两相绕组的自感；转子等效两相绕组的自感；(2)电压方程 (2-6)式中，dq坐标定子电压与转子电压的两个分量；,电阻；, dq坐标系分别相对于定子,转子的角速度 (3)转矩方程 (2-7)式中电动机转矩 电动机极对数； (4)运动方程 (2-8)式中负载转矩电动机转速电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。这种模型又称为Kron的异步电动机方程式或双轴原型电机（Two Axis Primitive Machine）基本方程式。2.1.3异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型此模型的坐标轴用dq表示，只是坐标系相对于定子的旋转速度等于定子频率（旋转磁场）的同步角速度，而转子的转速为，因此坐标系相对于转子的角速度-，即转差频率。数学模型由以下方程表述：（1） 磁链方程 (2-9)式中,dq 坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量；, , , dq 坐标系下定子电流与转子电流的两个分量；定子与转子同轴等效绕组间的互感；定子等效两相绕组的自感；转子等效两相绕组的自感；（2） 电压方程 (2-10)式中，dq 坐标定子电压与转子电压的两个分量；, 定子电阻与转子电阻定子同步角转速,转差频率（3） 转矩方程 (2-11)式中电动机转矩 电动机极对数；（4）运动方程 (2-12)式中负载转矩电动机转速电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型。这种坐标系的突出特点是：当三相坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到两相同步旋转坐标系上就成为直流量.异步电动机直接转矩控制系统所用到的数学模型，是异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。2.1.4两相静止坐标系下的动态数学模型的仿真本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型进行了仿真验证Matlab仿真环境下模块化的方法。采用模块化的方法构建的异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型的总的结构图2-3所示。图2-3异步电动机在两相静止坐标系下的总结构图在图2-3中， Subsystem1表示三相交流电源模块，Subsystem2表示三相-相变换模块，Subsystem3表示异步电动机模块，三部分的具体结构图如图2-4，图2-5，图2-6所示：图2-4三相交流电源模块结构图图2-5三相-相变换模块结构图图2-6异步电动机模块结构图仿真所用到的电机参数如下：额定电压u=220v，频率f=50Hz，额定转速v=1480r/min，定子电阻，转子电阻，定子等效两相绕组的自感0.666H，转子等效两相绕组的自感0.671H，定子与转子同轴等效绕组间的互感0.651H，极对数，转动惯量。仿真时间。分别对负载转矩为零和负载转矩为10n m两种情形对恒电压作用下电机的运行情况进行了仿真，仿真结果如图2-7，图2-8，图2-9，图2-10所示。图2-7转速曲线（负载转矩为零） 图2-8转矩曲线（负载转矩为零）图2-9转速线(负载转矩为10nm) 图2-10转矩曲线(负载转矩为10nm)仿真结果表明：当负载转矩为零时，电机可以达到额定转速1480r/min，电磁转矩在0.2s以后稳定为零；当负载转矩为10nm时，电机只能达到转速，电磁转矩在以后稳定为10nm。2.2直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是为电压源型逆变器传动系统提出的一种先进的标量控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。其控制原理如下：首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数： （2-13）式中,定子磁链、转子磁链, , 定子电感、转子电感、定子转子之间的互感电动机极对数电磁转矩转矩角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择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，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过逆变器来实现对异步电动机的控制。整个控制系统框图如图2-11所示：图2-11直接转矩控制系统框图磁链滞环控制器为两电平输出，原理图如图2-12所示： 图2-12磁链滞环控制器数学表达式如下： （2-14）式中，为磁链控制器的总滞环带宽。转矩滞环控制器为三电平输出，原理图如图2-13所示图2-13转矩滞外控制器数学表达式如下： （2-15）式中，2为转矩控制器的总滞环带宽给定定子磁链矢量的圆形轨迹在滞环内沿逆时针方向旋转，如图2-14所示。实际的定子磁链矢量被控制在滞环带内并以之字形轨迹跟踪给定定子磁链矢量。图2-11中的信号计算模块根据电机端电压和电流信号计算出磁链和转矩反馈信号，还计算出定子磁链矢量所在的扇区S(k)。如图2-14所示，共有6个扇区(每个扇区占60。)。图2-11中的电压矢量表模块输入信号、和S(k)，通过查表方式得到需要加在逆变器上的适当的电压矢量，如表2-1所示。图2-15表示了逆变器的8个电压矢量(6个非零电压矢量和2个零矢量)和典型的矢量。如果忽略定子电阻，可得下式： (2-16)或者 (2-17)上式表明，定子磁链矢量的增量为电压矢量K与时间增量出的乘积，也就是说它与逆变器的六个非零电压矢量之间存在着一定的对应关系，如图2-14，2-15所示。图2-14DTC控制下定子磁链矢量的轨迹图2-15逆变器电压矢量及时间段内相应定子磁链的变化表2-1给出了磁链滞环控制器的输出、转矩滞环控制器的输出、定子磁链所在扇区S(k)三者与所加在逆变器上的电压矢量之间的关系。通过查表2-1，可以选择适当的电压矢量作用于电机，其电压矢量实际上同时对电机的转矩和磁链进行控制。表2-1逆变器电压矢量开关表110-1-110-1表2-2归纳了图2-15中各个电压矢量作用下，定子磁链和转矩变化量大小和方向。可见，电压矢量、和作用时，磁链会增大；而当、和作用时，磁链会减小。同样的，电压矢量、和作用时，转矩会增大；、和作用时，转矩会减小。零矢量(或)使电机终端短路，此磁链和转矩保持不变。但是由于存在一定的定子电阻压降，转矩和磁链在电机终端短路时会略有减小。表2-2电压矢量引起的磁链和转矩的变化电压矢量 0例如，当系统运行在图2-14中扇区s(2)的B点，此时磁链过高，转低，即=-1，=1，由此查表2-1，可知下一步电压矢量将作用变器，即产生轨迹BC 段。在点c，=1，=1，又查表可知为电压矢量由此类推，系统很容易在四个象限运行。如果需要，系统还可以加上速度控制环节和弱磁控制。以上详细讨论了在三相静止坐标系下异步电动机直接转矩控制的基本原理，因为三相-两相变换不改变转矩的计算方法和控制方法，所以在两相静止坐标系下同样适用。2.3定子磁链的估计模型在异步电动机直接转矩控制系统中，在电动机全速运行范围内准确无误地估计定子磁链是实现控制系统高动态性能的前提和保证。定子磁链估计的基本模型分为电压-电流模型(u-i模型)、电流-转速模型(i-n模型)和电压-转速模型(u-n模型)三种。2.3.1定子磁链估计的u-i模型u-i模型是用定子电压和定子电流来确定定子磁链的模型。这种模型最简单，在计算过程中所唯一需要知道的电机参数是易于确定的定子电阻。这种模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果，只有在10额定转速以上，特别是在30额定转速以上时，才能够非常准确地估计定子磁链。模型的基本方程式如下： (2-18)2.3.2定子磁链估计的i-n模型i-n模型是用定子电流和转速来确定定子磁链的模型。在30额定转速下范围内，由于定子电阻压降不可忽略，故定子磁链只能根据转速来计算。这种方法受转子电阻、漏电感和定子电感变化的影响，观测方法的鲁棒性较低。模型的基本方程式如下： (2-19) (2-20)2.3.3定子磁链估计的u-n模型u-n模型是u-i模型和i-n模型的综合。将30