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1 引言
直接转矩控制（DTC）技术是矢量控制技术的升级，是一种新颖的变频调速技术，从1980年M.Depenbrock和I.Takahashi开始提出该理论，到90年代Zhong.L, Rahman M F, Hu Y W等人提出直接转矩控制的理论，并将其应用于异步电机的控制方面，主要是通过磁链闭环和转矩闭环实现电机的控制，从而达到与直流电机相似的控制特性。
20世纪，M.Depenbrock教授提出并不断研究直接转矩控制异步电机的理论和方法，且同时现实了磁链和转矩的一起控制。随着其理论思想的不断传播，使得其控制技术和方法得到了快速的发展。
在这之后，日本的Takahashi学者在转矩控制理论的基础上提出了磁链轨迹的控制理论，使得磁链矢量的运动轨迹趋近于圆形运动，于此同时使得异步电机控制的精度和稳定性得到不断的提高。
2 系统结构设计及原理分析
在利用电压型逆变器的开关特性的基础上，在改变电压状态的情况下使得定子磁链的运行轨迹趋近于六边形或近似于圆形的形状，在零电压矢量的不断插入的情况下使得转差的频率不断发生改变，从而进一步控制电机转矩和磁链的不断变化。从而实现异步电机能够及时响应磁链和转矩的变化。异步电机控制系统的核心功能即在通过磁通角的变换控制磁链和转矩量，使得电动机的输出转矩的变化严格按照输入转矩的给定值进行变化。
直接转矩控制系统的原理结构图如图2-1所示，图中ASR、AFR和ATR分别为速度调节器、定子磁链调节器和转矩调节器。速度调节器ASR采用PI调节器，定子磁链调节器AFR采用带有滞环的双位式控制器，转矩调节器ATR采用带有滞环的双位式控制器。图中，定子磁链给定ψ_s*与实际转速有关，在额定转速以下，ψ_s*保持恒定，在额定转速以上，ψ_s^*随着实际转速的增加而减小。
2.1定子磁链调节
常规的PID控制器，因其PID的参数的自整定十分的复杂和繁琐，且严重影响控制系统的动静稳定性，因此选择采用滞环比较器进行异步电机的控制，其控制框图如图2-2所示。定子磁链幅值偏差可以表达为△ψ_s=|ψ_s^* |-|ψ_s |，得到定子磁链幅值的偏差值则通过滞环比较器进行调节，其控制规律如下所示：
1）当△ψ_s>c时，Sign(△ψ_s )=1，选择合适的矢量使定子磁链加大。
2）当△ψ_s<c时，Sign(△ψ_s )=0，选择合适的矢量使定子磁链减小。
2.2电磁转矩调节
为了实现对转矩的直接控制，需要进行转矩调节。其控制框图如图2-3所示，为了控制转矩，转矩调节器必须能实现2个功能：
1）转矩调节器直接调节转矩。
2）调节转矩的同时调节定子磁链的旋转方向。
电磁转矩偏差可以表达为△T_e=|T_e^* |-|T_e |，转矩调节的控制规律如下所示：
1）当△T_e>c_2时，Sign(△T_e )=1，定子磁场正向旋转，实际电磁转矩T_e加大。
2）当-c_1<△T_e<c_1时，Sign(△T_e )=0，定子磁场停止转动，电磁转矩减小。
3）当△T_e<-c_2时，Sign(△T_e )=-1，定子磁场反向旋转，实际电磁转矩T_e反向加大。
2.3电压空间矢量选择
当定子磁链矢量位于第Ⅰ扇区中的不同位置时，按Sign(△ψ_s )和Sign(△T_e )值用查表法，如表2-1所示，选取电压空间矢量，如磁链控制与转矩控制发生冲突时，以转矩控制优先，零矢量可按开关损耗最小的原则选取。其他扇区磁链的电压空间矢量选择可依次类推。
3 系统仿真模型
3.1仿真模型搭建及参数设计
该系统的异步电机的主要参数如下所示：额定功率的大小是p_N=4000W，额定电压的大小是U_N=400V，额定频率的大小是f_N=50Hz，额定转速n_N=1430rpm。
基于Matlab/Simulink的感应电机直接转矩控制系统的仿真模型如图3-1所示，其主要包括以下模块：
①转速调节器ASR
②定子磁链调节器AFR
③转矩调节器ATR
④3/2变换环节
⑤定子磁链计算环节
⑥转矩计算环节
⑦电压矢量选择环节
⑧三相全桥逆变环节
3.2转速调节器ASR
通过转速设定值与当前转速反馈值相比较得到的偏差送到PI调节器中来进行调节输出相应的T_e^*。
3.3定子磁链调节器AFR
与定子磁链设定值相比较，计算出定子磁链偏差值△ψ_s。另外还需要计算当前定子磁链所在的位置，这里使用一个S-Function来计算当前定子磁链的位置。
（psi_to_fai函数详见微信公众号源文件）
3.4转矩调节器ATR
通过从转矩T_e计算环节中计算得到当前转矩值T_e，与转矩设定值T_e^*相比较，再经过滞环控制器来得到转矩的偏差值△T_e。
3.5 3/2变换环节
该环节用于将当前主电路的三相静止电压和电流分别转化为两相静止电压和电流。
3.6定子磁链计算环节
需要根据电压模型计算定子磁链在静止两相坐标系上的两个分。
3.7转矩计算环节
根据教材上的静止两相坐标系中电磁转矩的表达式来得到相应的电磁转矩T_e。
3.8电压矢量选择环节
计算出的定子磁链偏差△ψ_s，转矩偏差△T_e，以及当前定子磁链所在的位置作为输入，设计一个S-Function（详见微信公众号源文件）计算6个电压空间矢量的选择，进而输入到IGBT逆变桥的控制端。
3.9三相全桥逆变环节
逆变环节选择采用三相全桥逆变电路。
4 系统仿真结果及分析
4.1给定转速为1000rpm，负载为5
4.2给定转速为600rpm，负载为5
4.3给定转速为1400rpm，负载为5（采样周期为0.2）
4.4给定转速为1000rpm，负载为0
4.5给定转速为1000rpm，负载为20
4.6磁链图形
5 结论
该设计通过检测输出相电压和相电流，在静止和旋转坐标系下经过变换和计算得到定子转矩和磁链的大小，并通过Matlab/Simulink建立仿真模型，主要体现直接转矩的控制思想和理论，通过计算和总结得出定子磁链和转矩的数据，再通过对磁链和转矩进行控制，仿真结果表明：该控制系统具有良好的动态和静态稳定性。
在经PI调节的作用下实现启动阶段的效果图的放大，因此造成转矩均出现不同程度上的放大，进而使得转速不断的增大并很快达到一种平衡状态，于是当转速达到平衡的阶段，转矩也达到了平衡的阶段。
改变负载转矩的大小，电机平衡状态转矩变大，进而造成异步电机启动时间变长。
6 综合设计心得
异步电机由于其动作速度快，效率高等特性得到广泛应用，但是对其控制的方法也具备较高的要求，随着直接转矩控制方法的出现，使得变频调速在异步电机的应用领域更加广泛和深入。
通过运动控制系统感应电机直接转矩控制系统课程设计，我不仅加深了对交流异步电机控制理论的理解，将理论更好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养创新精神，从而不断地战胜自己。
该课程设计使得我对直接转矩控制有了深入的了解，平时我们较少接触到生产过程中实际的大功率电动机，所以对于其的控制比较陌生。通过查阅资料，搜集到了不少有关交流异步电动机控制的知识。
