发布时间：2024-11-26 21:20:18 人气：
电机控制：直接转矩控制（DTC）
FOC、DTC、滞环三相电流控制、开环V/F等，这些都是电机控制的常用方法。
我的研究主要针对永磁同步电机（PMSM），因此以下内容将以PMSM作为被控对象。
电流矢量控制（FOC）中，通过电机dq轴解耦后的转矩和励磁电流来控制电机转矩。数学模型如下：
公式(1)
转矩方程：
公式(2)
其中，公式(1)表示电机极对数；公式(2)表示电机电磁转矩；公式(2)表示dq轴电机定子磁链；公式(2)表示电机永磁体磁链；公式(2)表示dq轴电机定子电流。
DTC中，仅需要两相静止坐标系变换，dq轴坐标变化将被省略。以下介绍一种1997年新南威尔士大学Dr. Limin Zhong提出的传统DTC方案。
静止坐标系下的转矩方程如下：
公式(3)
其中，公式(3)表示电机定子磁链矢量；公式(3)表示电机定子电流矢量。公式(3)表示叉乘运算符号。
控制电机电磁转矩只需要合理控制不旋转的电机定子侧，而不像电流FOC通过控制旋转的转子侧来控制电机电磁转矩。
DTC核心在于重新构建一个坐标系，即xy坐标系，来化解公式(3)，xy坐标系和定子磁链矢量保持同步旋转的坐标系，x轴方向与定子磁链矢量的方向一致。
为了方便理解DTC，以下图为电机在不同坐标系的关系图：
根据xy坐标系，公式(3)转化为了标量定子磁链公式(4)，不难看出公式(3)可以转化为下式：
公式(4)
值得注意的是公式(4)有点像SPMSM的公式(2)，但实质是不一样的。
为了方便陈述，本文仅考虑电机类型为SPMSM，因此xy坐标系下的定子磁链方程如下：
公式(5)
其中，公式(5)为定子磁链与转子磁链的夹角，定义为转矩角，由于当转矩增大时，转矩角增大，因此间接地把这个夹角称为转矩角。
由于公式(5)，下式成立：
公式(6)
代入公式(6)于公式(4)，可得：
公式(7)
因此在电机参数确定情况下，对电机电磁转矩进行控制仅需要对定子磁链大小和转矩角进行控制，相对于公式(3)，控制变量从原来的四个减小到了两个。
这里DTC可以扩展成很多种了...
1997年最传统的DTC方法利用电机电压矢量公式(8)来控制定子磁链大小和转矩角，
为了控制定子磁链大小及转矩角，可以通过电机电压方程看出内在联系：
公式(8)
忽略公式(8)影响后，利用前向欧拉公式，磁链大小可以表示为如下：
公式(9)
其中，公式(9)表示控制周期。
假设逆变器拓扑结构为three-phase-two-level，我们可以用下图来表示上述公式：
这个公式(9)很重要，可以理解为电压矢量公式(8)可以控制定子磁链大小及角度公式(9)，那么转矩角和定子磁链角度公式(9)怎么联系呢？传统的DTC方法的精髓就是直接把转矩角进一步简化了。
首先，转矩角可以这样表示：
公式(10)
对转矩角求微分，可以得：
公式(11)
由于电机控制器的控制频率较快，因此转子角度微分可以近似为零，因此公式(11)可以变换为：
公式(12)
因此，可以发现对定子磁链角度公式(9)控制也就是对转矩角进行控制。因此根据上图，有了下面的DTC开关表：
一种Sensorless的传统DTC方案如下所示：
然而，上述这种DTC方法没有应用零电压矢量，如果当电机转速进入中高速区域，上述假设的误差将增大，因此一种添加零矢量的DTC被提出：
在不忽略相邻时刻电角度为零的情况下，对公式(10)求微分，可以得：
公式(13)
因此可以得出零矢量的作用尽管不会增大定子磁链角度，但会轻微地减小转矩角，因此可以近似为作用于要求转矩变化较小的情况。得到这个结论之后，我们可以把零矢量添加到DTC开关表中，进而快速地控制电机转矩，带有零矢量的DTC开关表如下所示：
再来介绍一种基于SPMSM的无定子磁链闭环的DTC方法(胡育文提出的一种方法)：
首先，回顾公式(7)：
公式(7)
可以进一步地化简：
公式(14)
因此在电机参数确定情况下，对电机电磁转矩进行控制就仅需要对定子交轴磁链大小进行控制，相对于公式(3)和公式(7)，控制变量减小到了一个。
对公式(8)进行dq变化：
公式(15)
在不考虑直轴定子磁链饱和的情况下，仅对q轴电压方程进行分析：
公式(16)
忽略电阻压降后，得：
公式(17)
对公式(14)进行微分，在代入公式(17)，得：
公式(18)
可以看出，增大转矩需要增大交轴电压，反之亦然。由于交轴电压建立于dq轴坐标系，六个非零矢量的交轴电压分别如下所示：
公式(19)
根据上述方程，确定最大值和最小值的交轴电压需要利用转子磁链夹角公式(19)来判断扇区位置，离线算出后列入表中，同样零矢量用来作用于转矩变换不大的情况，因此，这种无定子磁链闭环DTC开关表如下所示：
这里我来解释一点，我们印象中的DTC相对于FOC具有快速动态响应，可以从如下式中获得：
电机转矩变化率如下：
公式(20)
其中，公式(20)表示转矩角的变化率，由于公式(20)在公式(20)度始终为正，因此电磁转矩的变化率正比于转矩角的变化率，因此可以通过调整转矩角的快慢来改变动态响应时间，以上就是DTC具有快速转矩动态响应的原因。
下面建立1997年传统DTC的仿真如下：给定目标转矩10Nm公式(20)20Nm，分别观测转矩，磁链，如下所示：
从上图中可以看出，定子磁链控制的很稳。
相对于电流FOC，传统的DTC由于没有调制技术的参与，频率不固定，稳态性能较差，但随着DTC的发展，结合调制技术的DTC已经被推广。传统的DTC优点在于：动态响应快（电流带宽大于1kHz），无需调制技术参与，电机参数参与运算较少，且不需要PI调参。
现代数字伺服系统及应用实验报告:数字万用电表的使用实验报告
《现代数字伺服系统及应用实验报告:数字万用电表的使用实验报告》
一、实验目的
通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的位置控制器设计与系统调试方法。
二、实验内容及结果
1. 系统理论分析
（1）永磁电动机
永磁同步电动机（PMSM）是由电励磁三相同步电动机发展而来。它用永磁体代替了电励磁系统，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，而定子与电励磁三相同步电动机基本相同，因此称为永磁同步电动机。
（2）矢量控制
在永磁同步电动机的控制方法中，目前矢量控制方案是使用最广泛的。矢量控制的基本思想是模拟直流电机的控制方法，将磁链与转矩通过坐标转换，进行解耦，形成以转子磁链定向的两相参考坐标系，这样就可以将交流电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统的静、动态性能。矢量控制的优点是能精确地实现转速控制并具有良好的转矩响应。但是矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常情况下通过安装转子位置传感器来获得转子磁场的准确位置。
对永磁电动机的矢量控制方式通常分为两种，一种是电压控制（SVPWM），另一种是电流滞环控制（HCC）。本系统采用的是电流滞环控制。电流滞环控制的目的是使三相定子电流严格跟踪给定电流信号。为了获得平稳的转矩，定子各相电流应是互相平衡、随转子位置正弦变化的。常规的电流滞环控制是将给定电流信号与实际检测的逆变器输出电流信号相比较，若实际电流值较大，调节逆变器开关状态使之减小；若实际电流值较小，调节逆变器开关状态使之增大。
在本系统中，位置信号指令与检测到的转子位置相比较，经过位置控制器的调整，输出速度指令信号，速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度调节器的调节，输出控制转矩的电流分量iq，电流分量信号iq经过坐标变换输出后，与电机实际电流分量iabc比较，再经PWM逆变器，输出三相电压，驱动电机工作。
2. 伺服系统实验
如图2.1为基于MA TLAB/SimPowerSystems的PMSM电机模型搭建伺服系统（Matlab2014a）；
PI控制器，图中第二个PID控制器为速度环PI控制器，根据电机实际速度及给定速度来确定电流转矩分量；PWM模块采用电流滞环控制（如图2.2），使电机实际电流跟随给定电流变化，具体实现如图2.3；模块dq2abc实现2r/3s变换，具体实现如图2.4，其中函数模块Fcn、Fcnl和Fcn2一起实现2r/3s变换；PMSM模块为MA TLAB提供了永磁同步电机模型，它的参数设置如图2.5。
3. 控制方式选定及仿真结果分析
PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp、Ki和Kd三个参数的设定。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
在本系统调试PID控制器时，主要PI控制器通过试凑法将速度环和位置环的PI参数进行整定。
首先确定速度环控制器PID参数。先确定下速度环控制器PID参数，不再改动。通过仿真，当位置环控制器的P值较大时，无论怎么调节位置环的P参数，总是无法同时满足3个输入信号的性能要求，当正弦信号满足要求时，阶跃输出信号总会有很大的振荡，导致系统超调量过大，系统不稳定。积分作用I较大时，阶跃信号的调节时间过大，超调量也增大，系统产生振荡。在实际调试过程中，当出现稳态误差时，先调节参数P，但是P不能过大，在1~3比较合适，再大阶跃输出信号就会完全不稳定。确定好P后，不再改动。再慢慢调节积分参数I，进一步消除误差。通过多次试凑，确定了速度环的PI参数为P=2.2，I=0.8，位置环的PI参数为P=2.3，I=0.9。
仿真结果如下：
（1）阶跃信号输入：幅值200
要求：调节时间≤0.1s，超调量≤0.095%
图3.1系统输入、输出曲线
图3.2系统误差曲线
从图3.1中可以看出，系统调节时间为0.1s，超调量为0.095%，从图3.2可以看出，系统稳态误差约为0.17，均满足要求。
（2）斜坡信号输入：斜率100
要求：稳态误差≤0.16
图3.3系统输入、输出曲线
图3.4系统误差曲线
最终系统稳态误差为0.16，满足要求。
（3）正弦信号输入：幅值60，频率2 rad/s
要求：稳态最大误差≤0.68
图3.5系统输入、输出曲线
图3.6系统误差曲线
从图3.6可以看出，系统误差为0.68，当系统满足阶跃信号全部要求时，正弦信号的稳态误差总是大于0.5。把位置环PID控制器的P参数调至3.5满足正弦信号稳态误差小于0.5，但是阶跃输出信号会产生严重的振荡。
四、延迟环节对系统的影响
在本系统中，将延迟时间增大至0.05ms。
（1）阶跃信号：
图4.1系统输入输出曲线
图4.2系统误差曲线
（2）斜坡信号：
图4.3系统输入、输出曲线
4.4系统误差曲线
（3）正弦信号：
图4.5系统输入、输出曲线
图4.6系统误差曲线
当延迟环节的延迟时间增加到0.1ms时，阶跃信号产生严重的振荡。加入延迟环节后，会造成系统的不稳定，延迟时间越大，稳定性就越差。
五、控制器作用学习心得
PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp、Ki和Kd三个参数的设定。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
（1）比例作用P：比例作用将加快系统的响应，减小误差。它能快速影响系统的控制输出值，但仅靠比例系数的作用，系统不能很好地稳定在一个理想的数值，其结果是虽较能有效地克服扰动的影响，但有稳态误差出现。过大的比例系数还会使系统出现较大的超调并产生振荡，使稳定性变差。
（2）积分作用I：积分作用是消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，消除稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统为有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。但是积分作用过大，也会引起系统振荡，超调量过大，调节时间也会变大。
（3）微分作用D：微分具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。微分项能预测误差变化的趋势，从而做到提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善了系统在调节过程中的动态特性。微分作用不能单独使用，需要与另外两种单元相结合，组成PD或PID控制器。
参考文献
[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，2006
[2] 胡寿松. 自动控制原理（第四版）[M].科学出版社,2001.
[3] 李伟光, 郭忺, 侯跃恩. 永磁同步电动机SVPWM 和电流滞环控制仿真分析[J
通信电源技术杂志目录
通信电源技术杂志的最新目录包含了丰富的内容，涵盖了研制开发和设计应用等多个领域。在研制开发部分，
冯鑫振和高捷合作的单周期控制三相VIENNA整流器研究展示了创新的电力转换技术；于岳川的开关变换器补偿网络设计，通过频域仿真提供了深入的理论支持；夏光滨等人对平均电流模式控制的DC-DC变换器进行了深入探讨，确保了高效并联运行；李陆军团队的滞环电流控制串联型双Buck逆变器设计则关注了逆变效率和性能优化。
行业信息部分，邢炜总经理的日本之行体现了公司间的国际合作与交流；王旭阳等人针对变频器逆变单元的死区效应进行了分析和补偿，对提升设备稳定性具有重要意义。同时，杂志也关注到性别平等，呼吁ICT行业接纳更多的女性力量。
在设计应用方面，汪定华设计的高功率因数电源基于NCP1654技术；姜翔文等人的感应加热电源采用74HC4046AD，实用性强；廖鸿飞等人则研究了变压器隔离的功率MOSFET驱动电路参数，以提升系统效率。新型电动汽车锂电池管理系统、均衡充电策略、以及蓄电池内阻测量技术，如董超、李立伟和刘险峰等人的贡献，展现了对电池管理的精细掌控。
最后，郑学庆等人探讨的变速恒频双馈风力发电转子侧控制技术，是清洁能源技术的重要突破。这些内容为通信电源领域的研究和实践提供了坚实的基础。
DTC仿真模型是什么
的简称，它是一种用于电机控制的先进技术。这种技术的核心目标是直接调节电机的转矩，通过控制定子磁链的旋转速度来实现。与传统的矢量控制方法不同，DTC技术不通过中间变量来间接控制转矩，而是直接对转矩进行调节。
DTC系统的主要组成部分包括磁链和转矩观测器、磁链调节器、转矩调节器以及逆变器开关状态选择器。在DTC中，电机的空间被划分为六个扇区，每个扇区角度为60度。通过确定定子磁链矢量角度所属的扇区，控制系统实施精确的转矩控制。
在DTC仿真模型中，通常使用U-I模型来计算定子磁链，该模型对电机参数的要求较低，只需要知道定子电阻即可。仿真模型设定了特定的转矩和转速参数，并输出关键波形，包括定子电流、电机转速、输出转矩和功率。此外，还提供了模型原理说明文件作为补充资料。
直接转矩控制技术通过滞环比较转矩的实时值与设定值，将转矩波动限制在一定范围内。这种控制方法的基本思想是利用逆变器产生的空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，进而调节电机的转矩。
DTC技术在精确控制电机转矩方面具有显著优势，它可以直接作用于转矩，通过两点式的转矩调节器把转矩检测值与给定值做滞环比较，实现对转矩的精确控制。这种控制策略的框图展示了其控制系统的主要组成部分，包括磁链、转矩观测器、磁链调节器、转矩调节器和逆变器开关状态选择器。
在实际应用中，为了建立表贴式永磁同步电机（PMSM）的DTC仿真模型，可以使用Matlab/Simulink或其他电力电子仿真软件。PMSM DTC控制方法通过直接使用滞环控制对转矩和磁链进行控制，不需要进行解耦变换。在仿真模型中，需要注意扇区判定和脉冲触发模块的处理，以及磁链和转矩计算模块的初始状态设置。
总之，DTC仿真模型是一种有效的电机控制仿真工具，可以帮助研究人员更好地理解和控制电机的性能。
电机的滞环电流控制
电机的两大方向：本体设计和电机控制就像华山派的气宗和剑宗，虽然同属于电机，但研究的内容区别很大。了解一些电机控制的基本原理对电机本体设计也是非常有好处的。我以一个电机本体研究生的角度，谈一谈对电机滞环电流控制的理解。
电机的滞环电流控制，就是通过实际电流与参考电流进行比较，若电流超出预设范围，则改变逆变器的开关状态，增大或降低电压，将电流控制在参考值附近。参考电流由电机额定转矩等参数逆推回来。
首先说一下逆变电路的一些知识。上图是一个经典的三相逆变器电路，有很多书详细介绍了这种电路的工作原理。然而，有时候书上介绍的过于详细，反而影响了我们的理解，一位哲学家曾经说过，一次学习很多知识的方法就是一次少学一些知识。关于电机的滞环电流控制，对这个电路，只需要知道一件事就够了。当T1导通，T4关断，当T1关断，T4导通，以上两种状态是理解电流滞环控制的关键。图2、图3仅仅是想说明通过T1、T4开关状态的改变可以对A相电压造成影响，并没什么实际意义，三相逆变器相电压和器件开关状态的表达式有些复杂，全部写出来反而妨碍理解最本质的原理。只要直观感觉出通过控制不同开关状态来改变A相电压即可。
通过控制不同的开关状态可以控制电压的大小。明白了这一点，才能理解电机的滞环电流控制。滞环电流控制实际上将实际电流与参考电流进行比较，若电流超出了预设范围，则改变逆变器的开关状态，增大或降低该相电压，将电流控制在参考值附近。
以下为永磁同步电机滞环电流控制中滞环控制器程序。可以看出，程序的滞环控制器部分就是通过不断比较实际电流与参考电流大小，并改变电压，只有理解了硬件电路才能理解程序含义。需要指出，程序中的vao并非A相电压。为了便于理解，本文忽略了对相电压的推导。只要明白vao=vdc/2可以导致A相电压增大，进而提高A相电流；vao=-vdc/2可以导致A相电压减小，进而降低A相电流。
再重复一下电机滞环电流控制的原理，通过实际电流与参考电流进行比较，电流超出预设范围，则改变逆变器的开关状态（在程序中体现为电压的变化），增大或降低电压，将电流控制在参考值附近。
电机滞环电流控制的基本原理是将实际电流与参考电流进行比较，若电流超出预设范围，则调整逆变器开关状态，从而控制电流在参考值附近波动。在程序中，这一过程通过判断实际电流与参考电流的差异来实现，通过调整电压来改变电流，实现电流的稳定控制。通过理解硬件电路和程序代码，可以深入掌握电机滞环电流控制的实现方式。
有关电流滞环跟踪pwm控制的三相逆变器的原理是
1. 在三相逆变器中，输出电流被检测并与其预设的参考电流进行比较。
2. 当实际反馈电流低于参考电流的一个阈值时，下桥臂的IGBT被关闭，而上桥臂的IGBT则被打开，从而增加输出电压，以提升输出电流。
3. 反之，若反馈电流超出参考电流的阈值，上桥臂的IGBT将被关闭，下桥臂的IGBT则被激活。
4. 由此，输出电流将在参考电流附近循环振荡，实现滞环跟踪控制。
5. 该方法的优点在于能够生成质量极高的电流波形，使其接近于预设的参考电流。
6. 然而，其缺点在于IGBT的开关频率是不固定的，它取决于参考电流变化的速度以及开关操作的区间大小。
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