直接转矩控制

太原科技大学题目：直接转矩控制专业：电气工程班级：研1403姓名：安顺林学号：S2*******直接转矩控制摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点，是交流调速领域中一种新颖的控制算法。

直接转矩控制技术采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。

本文从异步机数学模型出发，系统阐述了异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。

针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。

关键字直接转矩控制，异步电动机一直接转矩控制系统介绍1.1 异步电动机调速系统的发展状况在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。

就变频调速而言，其形式也有很多。

传统的变频调速方式是采用v/f控制。

这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。

1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。

所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。

矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。

无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。

一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。

直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。

因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。

这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态重构的方法来观测电动机的磁链。

这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测的精度，但由于在异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究在状态重构过程中使用了电动机的参数，如果环境变化引起电动机参数的变化，就会影响到定子磁链的准确观测。

为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一一直接转矩控制。

这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大、控制结构复杂、系统性能受电动机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。

因此，直接转矩控制理论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。

1.2 直接转矩控制技术传统的交流调速系统通常采用恒压频比的方式，但是由于异步电动机是一种多变量系统，具有高阶、非线性、强耦合的特点，恒压频比控制这种基于电机的稳态方程的控制方式的动态响应始终不够理想，调节器参数设置很难达到精度要求。

由于电机控制方法并没有达到让人满意的程度，很多专家和研究人员就开始在该领域潜心研究。

终于在1971 年提出了矢量控制技术，从而使交流调频技术从理论山解决了以前交流调速系统在静、动态性能上不能与直流传动相媲美的问题。

尽管矢量控制存在诸多优点，但是其存在的问题也不可回避。

研究人员指出，矢量控制中存在特性易受电动机参数变化的影响、计算控制复杂、实际性能难于达到理论分析结果等重大问题，需要进一步改善或者寻找新的控制策略。

于是在1977年，在IEEE 杂志上A.B.Piunkett 提出了直接转矩控制思想，1985 年德国鲁尔大学的M.Depenbrock 教授将直接转矩控制思想应用于实际情况中，随后日本学者I.Takahashi 也提出了与之类似的控制方案，而且在1987 年把它推广到了弱磁调速范围。

直接转矩控制理论一经提出，便得到了交流调速控制领域专家的广泛关注，并且各国专家都投入了大量的精力去研究和发展该控制技术。

总体来说，直接转矩控制技术具有以下几个特点：1、直接转矩控制技术直接控制电动机的输出转矩，即直接给出转矩给定值，以输出转矩和磁链作为控制对象，对电动机的控制直接明了。

2、直接转矩只需掌握被测电动机的转子的电阻即可解决复杂的定子磁链的观测问题，在很大程度上解决了矢量控制中定子磁链的观测易受电动机各项参数影响的问题。

3、直接转矩控制是一种动态控制手段，不是稳态控制，其精度远远高于传统的控制策略。

直接转矩控制的总体思想就是采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。

直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。

它包含有两层意思：(1)直接转矩控制与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。

因此，它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。

相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。

(2)对转矩的直接控制直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。

其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。

因此它的控制效果不取决与电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。

它的控制既直接又简化。

对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。

综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助与离散的两点式调节产生PWM信号，直对逆变器的开关状态进行最佳的控制，以获得转矩的高动态性能。

它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。

它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。

该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。

但是 DTC系统存在的问题是：(1)由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。

(2)由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。

这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受限制。

1.3 与矢量控制系统的比较直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（ Band-Band 控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。

它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的 PWM 脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。

只要知道定子电阻就可以把它观测出来。

而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。

因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。

与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。

但也存在不足：一个是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题。

主要是定子电流和磁链的畸变非常严重。

另外低速时转矩脉动、死区效应、开关频率问题也比较突出。

上下桥臂同时导通造成直流侧短路，引入足够大的互锁延时，带来了死区效应。

死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧脉动和系统运行不稳定的问题。

如逆变器开关频率不固定、转矩、电流波动较大、低速性能差和系统调速范围受到限制等。

表1-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较二 直接转矩控制系统2.1.1 异步电动机的数学模型异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。

理想状态下（一般这样假设）电机三相（定、转子）均对称，定、转子表面光滑，无齿槽效应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。

在固定坐标系下（α，β，0），用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型（则有r u α＝r u β＝0）。

基本方程如下： ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+--+++=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡r r s s r r rmm rr r mm m ss m s s s s i i i i L R L L LL L R L L L L R L L R u u βαβαβαωωωω........000000 （1） )()(r s r s m p s s s s p e i i i i L n i i n T βααβαββαψψ-=-= （2） pe p n F TL T dt n Jd ωω--= （3）s R、s L ：定子电阻和自感 r R 、r L ：转子电阻和自感m L ：定子互感ω：电机转子角速度，即机械角速度s u α 、s u β：定子电压（α、β）分量 s i α 、s i β：定子电流（α、β）分量 r u α、r u β：转子电压（α、β）分量 r i α、r i β：转子电压（α、β）分量J ，F 分别为机械转动惯量和机械磨擦系数本文均采用空间矢量分析方法，图2-1是异步电机的空间矢量等效图，在正交定子坐标系（βα-各个物理量定义如下：)(t u s —定子电压空间矢量)(t i s —定子电流空间矢量 )(t i r —转子电流空间矢量)(t s ψ—定子磁链空间矢量ω —电角速度依图2-1以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程：s s s s i R U ψ+= (4)0 =r r i R -r ψ+j ωr ψ (5)s ψ=L u i (6) r ψ =s ψ-r i L σ (7)定子旋转磁场输出功率为（下式s ω表示定子旋转磁场的频率）：P=d s T ω=*}{23s s i RE ψ=)(23ββααψψs s s s i i + (8) 并且有 s .ψ＝)(βαωs s s ji i L j + (9)把表达式(9)分解到（βα-）坐标下得：ββαψωωψs s s s s Li -=-=.（10）ααβψωωψs s s s s Li -=-=.（11）把式（10）和式（11）代入式（8）得转矩表达式：)(23αββαψψs s s s d i i T -=（12） 从图1可得：r u s i i i +=，结合式（6）、式（7）得： )(231βααβσψψψr s r s d i L T -=（13） 上式也可以表示成（θ为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角）：θψψσsin 231r s d L T =（14） 定子磁链的幅值根据式（4）由定子电压积分来计算的，而转子磁链幅值由负载决定的，它根据式（5）由转子电流决定，而稳态转矩据式（14）则通过计算磁通角来实现。