直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，于20世紀(jì)80年代由德國(guó)學(xué)者M(jìn). Depenbrock和日本學(xué)者I. Takahashi首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出，90年代由Zhong. L, Rahman M F, Hu Y W等學(xué)者提出永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論。它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制(Band-Band控制)產(chǎn)生脈寬信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。
DTC具備控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)依賴少、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)中，在家用電器、汽車工業(yè)、電力機(jī)車牽引等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。
本文分析三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理，基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)建立三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型以及該系統(tǒng)各組成的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該控制方法可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，該系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。
異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型
異步電機(jī)是一個(gè)高階次、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，因此對(duì)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析時(shí)，通常作以下假設(shè)：
（1）忽略空間諧波，假設(shè)三相繞組對(duì)稱，產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)按正弦分布。
（2）忽略磁路飽和現(xiàn)象。
（3）不計(jì)鐵心損耗。
（4）不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響。
采用空間矢量分析法，在正交定子坐標(biāo)系上描述異步電機(jī)。電機(jī)在定子坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程以及運(yùn)動(dòng)方程組成。
電壓方程為：
2 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理
直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方法采用空間矢量分析方法直接在定子靜止坐標(biāo)系中分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈的算法模型，計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，借助于滯環(huán)控制器（Bang-Bang 控制）產(chǎn)生PWM 信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)表直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。
基本原理是充分利用電壓型逆變器的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，通過(guò)不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形，并通過(guò)零電壓矢量的穿插來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其變化率，從而使交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。
異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)由逆變器、三相異步電機(jī)、磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、轉(zhuǎn)子位置估算、開(kāi)關(guān)表、PI調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器等組成。控制系統(tǒng)將電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出作為轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)三相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實(shí)際值的誤差；最后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開(kāi)關(guān)電壓矢量，使電機(jī)能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最終達(dá)到調(diào)速的目的。該系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示：
3 異步電動(dòng)機(jī)DTC控制系統(tǒng)仿真模型組建
基于上述建立的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型以及直接轉(zhuǎn)矩控制原理，在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink工具，建立了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型。整體仿真模型以及各組成仿真模型如下：
4 仿真結(jié)果及分析
利用上述在MATLAB/Simulink下建立的仿真模型，在MATLAB R2010a下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：
電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子磁鏈?zhǔn)噶康姆抡娌ㄐ畏謩e如圖（a）、（b）、（c）、（d）。
由仿真結(jié)果可以看出：電機(jī)啟動(dòng)速度很快，實(shí)際的速度能迅速的變化且無(wú)超調(diào)，在給定轉(zhuǎn)速變化較大的情況下，能快速跟蹤，說(shuō)明直接轉(zhuǎn)矩控制確實(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。定子電流諧波影響小。除啟動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)建立的過(guò)程外，在靜、動(dòng)態(tài)過(guò)程中定子磁鏈運(yùn)行軌跡保持近似圓形，定子賦值基本保持不變，有效地減小了電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化時(shí)磁鏈的脈動(dòng)。加負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，脈動(dòng)波動(dòng)小，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。
5 結(jié)束語(yǔ)
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20 世紀(jì)80年代中期繼矢量變換控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)。隨著直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 需要不斷對(duì)其技術(shù)進(jìn)行改造, 本文針對(duì)其主要控制對(duì)象定子磁鏈幅值及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩提出了相應(yīng)的控制方法,使得定子磁鏈軌跡近似為圓形, 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速, 減少了電動(dòng)機(jī)的諧波成分、 噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 獲得高性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)圓形磁鏈的直接控制, 驗(yàn)證了這種新控制方法的優(yōu)良性能。仿真結(jié)果顯示, 采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤， 有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈以及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性小, 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能良好。
