第四章直接转矩控制系统
直接转矩控制
交流电机的数学模型
交流电机综合矢量的概念
在xy坐标系中，磁链方程与dq坐标系下的方 程完全一样，只不过多了几个约束条件： 定子磁链在x轴上的分量为定子磁链的幅值。 定子磁链在y轴上的分量及其对时间一阶微 分为零。
转矩控制的本质
稳态分量
暂态分量
六边形定子磁链轨迹控制
B βa β
S1
S2 u2 u3 u6
S6
u4 S3
βb u1 u5
α A
S5
βc
Ψs*
ψs
C S4
在忽略定子电阻的情况下，定子磁链矢量端 点的运动方向与所施加的电压矢量方向一 致。若在定子绕组上顺序施加运动电压矢 量u4、u6、u2、u3、u1、u5,定子磁链则会相 应的逆时针运动。
图中磁链六边形的六条边分别用s1~s6表示， 分别称之为区段s1~s6.每个区段上两个运动 的电压矢量（如s1段上的u3、u4）定义为 该区段的区段电压矢量。当区段电压矢量 与区段方向一致时定义为0°电压矢量。 定义坐标原点到六条变的垂直距离为定子磁 链量，用Ψs*表示。
交流电机中常用的坐标及其变换
在分析和改善运行性能的控制策略中需要站在不 同的坐标系中对问题进行分析求解。直接转矩控 制交流电机中常用的坐标系有 两大类： 1 坐标轴线放在定子上的静止坐标系，如ABC和αβ0 坐标系。 2 坐标轴放在转子上随转子一起旋转的坐标系，如 dq0、MT0坐标系。 对于零序分量为零的系统， αβ0、 dq0、MT0简记 为αβ、 dq、MT。
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
(4-18)
式(4-18)表明，通过控制切向电压 u sn 的作用速率，可以改变 ωs 的变化速 率。如果 Δu ns Δt 较大，可以加快 δ sr 的变化，就会使电磁转矩快速变化。 这也是直接转矩控制可使系统具有快速性的重要原因之一。
12
现代电机控制技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由式(4-2)和式(4-3)，可得
ψs Lm is = − ψr ′ Ls ′ Lr Ls
(4-4)
2 式中， Ls′ 为定子瞬态电感， Ls′ = σLs = Ls − L2 m Lr ， σ = 1 − Lm Ls Lr 。 将式(4-4)代入式(4-1)，即有
te = p =p
Lm L ψ r × ψ s = p m ψ s ψ r sin( ρ s − ρ r ) Ls′ Lr Ls′ Lr Lm ψ s ψ r sin δ sr Ls′ Lr
式中， ψ s 是定子磁链矢量， i s 是定子电流矢量，两者都是以定子三相轴系 表示的空间矢量。 在定子三相轴系中，定子磁链和转子磁链矢量可表示为
ψ s = Ls i s + Lm i r ψ r = Lm i s + Lr i r
(4-2) (4-3)
4
现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
第4章 三相感应电动机直接转矩控制
对 ψ s 运行轨迹的控制，通 常有两种选择， 一种是正六边形 轨迹控制，一种是圆形轨迹控 制。图 4-5 所示是六边形轨迹的 控制。 设定 ψ s 的 图中， 当 t = 0 时， 轨迹位于 M 点，若此时施加开 关电压矢量 us1 ，则 ψ s 会沿 MN 方向向右移动，当运动到 N 点 时，再施加 us2 ， ψ s 便会沿 NP 方向移动。于是，在六个开关电 压矢量的依次作用下， ψ s 的变 化轨迹便为一正六边形。
直接转矩控制原理
直接转矩控制原理直接转矩控制原理比较简单，就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（开关状态）。
电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。
传统直接转矩控制方法偏差分类：磁链：1，需要增大2，需要减小转矩：1，需要增大2，不变3，需要减小可见共有6中要求控制状态。
在4个控制电压矢量和2个零电压矢量中选择合适的，即为滞环比较器的输出。
仿真系统中这个功能由滞环比较单元与查表单元结合产生。
一、引言电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。
直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。
交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。
直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。
1．交流传动的发展简述首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）调速系统。
由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。
矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。
但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。
1985年，德国的M.Depenbrock和日本的I.Takahashi先后提出直接转矩控制理论。
直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。
第四章磁场定向控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)
（4-4）
在形式上与直流电动机的特性十分相似，即如 果设法保持异步电动机的转子磁链恒定，则电机的 转矩就和转子电流I2成正比。控制转子电流就能控 制电机的转矩。
矢量控制的提出(1)
基于这种想法，提出了一种所谓以转子磁链定向 (FOC-Field Orientated Control)的矢量变换控制 方法，简称矢量控制。 它是利用在第二章中所介绍的坐标变换的办法， 把电机的三相电流、电压、磁链，经过坐标变换 变到以转子磁链定向的M、T二相坐标系上。 这个二相坐标系的M轴（磁化轴）沿着转子磁链 的方向，而另一个T轴与M轴相差90°，和力矩电 流的方向相重合。
如转子磁链 2M 保持不变，即 p 2M 0 ，则
i 2M 0
i1M 2M / L m 或 2M L mi1M
（4-10）
说明：在转子磁链保持不变的情况下，转子磁链全 部由定子磁化电流所决定，与转子电流无关。
转矩电流分量 转子电流全部是转矩电流分量。 由（4-7）式可以求得定子电流的转矩分量：
异步电机的转矩
从产生电磁转矩的角度来看，异步电动机的转矩
T CT m I 2 cos 2
（4-3）
它是气隙磁场 m 和转子电流的有功分量 I 2 cos 2 相互作用而产生的。 即使气隙磁场保持恒定，电机的转矩不但与转 子电流I2的大小有关，而且还取决于转子电流的 功率因数角 2 。
m Lm (i1 i 2 )
L2 两边同乘 得： Lm
L2 m L2 (i1 i L ) (L 2l Lm )(i1 i 2 ) Lm L 2li1 Lmi1 L 2i 2 L2li1 2
（4-18） （4-19） （4-20） （4-21）
永磁同步电动机直接转矩控制系统
永磁同步电动机直接转矩控制系统的设计摘要直接转矩控制(DTC)，又称为转矩矢量控制(TVC)，是近年来发展起来的一种新型的异步电机控制方案，这种方案系统结构简单，转矩响应好，其控制思想已经推广用于永磁同步电动机的控制，本文介绍了永磁同步电动机的几种直接转矩控制方案，磁链转矩的估计方法等。
对永磁同步电动机直接转矩控制运行机理进行了研究,在此基础上开发了一套基于TMS320LF2407的永磁同步电动机直接转矩控制交流调速系统实验验证了该策略可用于永磁同步电动机控制,实验还表明永磁同步电动机直接转矩控制具有优良的转矩快速动态响应特性和对系统参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性等优点。
实验系统安全可靠运行表明该调速系统具有优良的故障检测和保护功能,硬件设计思想合理。
关键词:永磁同步电动机直接转矩控制故障检测与保护控制方案Study of Direct Torque Control of Permanent MagnetSynchronous MotorAbstractDirect Torque Control (DTC) technique, which is also called Torque Vector Control (T VC), is a new control scheme for induction motor drives recent years. The control system is very simple of a good dynamic performance and the control scheme has been extended to Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSM) Several control schemes of direct torque control for PMSM drives and estimation technique of flux linkage and torque.Direct torque control(DTC) of permanent magnet synchronous motor(PMSM) was research, and a PMSM DTC system based on TMS320LF2407 was developed ,Experimental results verified the feasibility of using DTC strategy on PMSM, and the merits of PMSM DTC including the rapid torque esponse, he good speed-adjustable performance, and the robustness to system parameters uncertainty and disturbance. The stem predated well and successfully, which showed the speed-adjustable system had good competence in fault detection and protection.Key words: PSWM DTC default detection and protection目录摘要 (I)Abstract (II)一、绪论 (1)二、系统设计 (2)(一) 磁同步电动机DTC机理 (2)(二) 永磁同步电机直接转矩控制理论 (2)(三) 零矢量在直接转矩控制中的作用 (3)(四) 永磁同步电动机DTC系统设计 (4)1. 3.3v和5v接口电路 (4)2. 故障检测与保护 (5)（1）过流检测与保护 (5)（2） IPM保护 (6)（3）二阶Butterworth滤波电路的设计 (6)(五) 实验结果 (7)三、结论 (10)致谢 (11)参考文献: (12)一、绪论永磁同步电机具有调速性能好、易于控制、无换向火花、无励磁损耗、寿命长等突出优点,现在多用于要求快速转矩响应和高性能运行的场合。
直接转矩控制
8
快速可靠。 在上述的几项关键技术中，尤以无传感器技术和零速满转矩技术最为重要，
它对于保证挖掘机安全可靠的工作起着举足轻重的作用。 2.技术方案
根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控 制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难 题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需 要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静 态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化 相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和 200%的起动 转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在 这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。 3.直接转矩控制的原理
近年来，大型露天矿山中的装运设备的生产力逐年提高，主要体现在大型电 气设备-挖掘机上。将交流调速系统引入到挖掘机行业上，使电控系统具有了速 度更高、功率更大、可靠性更强、效率更高和维护费用更低的优点。 1. 挖掘机的关键技术
第四章磁场定向控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)
2．计算确定法 最简单的是对反电势进行积分，由电压方程可 得：
d m u1 (R 1 pL1l )i1 dt
（4-23）
也就是：
m (u1 (R 1 pL1l )i1 )dt
（4-24） （4-25）
m (u1 (R1 pL1l )i1 )dt
Lm L2 Lm L2
p 2 M 1 2 M
L
L L1 L2 m / L2
(4-17)
电机模型（2）
图4-2 MT坐标系下转子磁场定向控制的异步电机模型
说明：
转子的磁链只决定于定子电流的磁化分量iM1，而 电机的转矩只与转子磁链及定子电流的转矩分量 iT1有关。 （4-10）、（4-12）、（4-14） 在M轴的磁化分量和T轴上的转矩分量之间已解 耦且相互独立，因此，电机转矩的控制就可以通 过分别对定子电流在M、T轴上的分量的独立控 制来实现，其情况和直流电机完全相似。 但是若控制iM1使磁通保持恒定，则通过控制iT1可 以实现对转矩的瞬时控制，从而使异步电动机具 有如同直流电机那样的控制特性。
第四章 磁场定向 控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
矢量控制思想的提出 矢量控制的基本原理 异步电动机矢量控制的实现 转差矢量控制方法 直接转矩控制的原理 直接转矩控制的实现
4.1 矢量控制思想的提出 现代自动控制系统和机电一体化产品普遍要求动 作灵活、行动快速、定位精确，对传动、伺服系 统的动态特性有很高的要求。 任何一个机电传动、伺服系统，在工作中都要服 从运动的基本方程式：
将 i 2 与 i 2 代入上式有： 1 2 (L mi1 r T2 2 ) T2 p 1
直接转矩控制系统
从上式可看出（0 1 0）对应位于距离 α 轴逆时针相差 2π / 3 的角度上。 ④（Sa，Sb，Sc）=1 0 0 时，
ua = 2ud / 3 ub = uc = −ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
2 us (t ) = [ua + ub e j 2π / 3 + uc e j 4π / 3 ] 3
[式中 ua ， ub ， uc 为 a 、 b 、 c 三相定子负载绕组的相电压。] 下面举例说明状态空间矢量的位置； ①（Sa，Sb，Sc）=0 1 1 时，
ua = −2ud / 3 ub = uc = ud / 3
为定子电流空间状态矢量， ir 为转子电流空间状态矢量； ω 为电机角速度；]
ψ s = Ls is + Lmir ψ r = Lmis + Lr ir
（16）
[对应书中公式（5-3） ，ψ s 为定子磁链空间矢量；ψ r 为转子磁链空间矢量； Ls 定子自 感， Lm 定转子互感， Lr 转子自感； is 为定子电流空间状态矢量， ir 为转子电流空间状态矢 量；] 实部和虚部分离可得
从上式可看出（0 0 1）对应位于距离 α 轴逆时针相差 4π / 3 的角度上。 ③（Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，
ua = uc = −ud / 3 ub = 2ud / 3
将 ua ， ub ， uc 代入 us (t ) 的表达式得：
u 2u u 2 1 3 1 3 us (t ) = [(− d ) + d (− + j ) + (− d )(− − j )] 3 3 3 2 2 3 2 2
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它们依次压逆时针方向旋转。 （4）零电压矢量状态“7”位于六边形中心。
4.2.5 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系
电流模型：
s r L is s r L is
电流模型用定子电流计算磁链，但精度与转速有关，也受电机参数， 特别是转子时间常数的影响，在高速时不如电压模型。
两个模型必须配合使用，高速时用电压模型，低 速时用电流模型。
4.2.2 异步电动机定子轴系的数学模型
异步电动机的定子磁链可以根据下式来确定：
s es dt s is Rs）dt （u
s s is Rs）dt （u s s is Rs）dt （u
优点:在计算过程唯一用到的参数是定子电阻。而定子电流和端电压都是 容易确定的物理量，能以满足的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再带 入转矩模型，就可以计算出电动机的转矩。
4.1.2 直接转矩控制系统的特点
实际表明，采用直接转矩控制的异步电动机变频调速， 电机磁场接近圆形，谐波小，损耗小，噪声及温升均比一 般的逆变器驱动的电动机小得多。直接转矩控制系统的主 要特点有： 直接转矩控制是直接在定子坐标下分析交流电动机的 数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要与直流电机 进行比较、等效、转化；所以不需要为解耦而简化交流电 动机模型，省掉了坐标变换。 采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模 型和控制各物理量，使问题变的简单明了。
4.2.2 异步电动机定子轴系的数学模型
由磁链模型可知，用两个积分器便可计算电机磁链， 但实现起来存在下列问题： （1）积分器存在漂移，为抑制漂移需引入反馈通道，反 馈通道使输出信号幅值和相移减小，随电机转速和频率的 降低，积分器误差增大。 （2）随电机转速和频率的降低，端电压模值减小，由定 子压降项补偿不准确带来的误差就越大。 （3）电机不转时，端电压为0，无法通过上式进行磁链， 也无法建立初始磁链。 借助于电机的电流模型可以解决上述问题。
2 us t ) X A (t ) X B (t ) 2 X C (t ) （ 3
旋转因子
2 3
e
j 2 /3
三相绕组空间分布
这样就可以用电压空间矢量表示逆变器三相输出电压 的各种状态。
4.2.4 电压空间矢量的概念
下面根据上式对电压空间矢量在坐标系中的离散位置 举例说明： 对于状态‘1“,SABC=011,由图可 知
4E 3
2 E 3 2 E 3 4 E 3 2 E 3 2 E 3
U2 U3
U4 U5 U6 U7
001 101
100 110 010 111
0
0
0
0
4.2.4 电压空间矢量的概念
4.2.4 电压空间矢量的概念
依次计算各开关状态的电压空间矢量，可以得到如下 结论： （1）逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向电 压空间矢量。他们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间 相差60度。 （2）电压空间矢量的幅值不变，都等于4E/3。因此六个 电压空间矢量的顶点构成了正六边形的顶点。 （3）六个电压空间矢量顺序是
1、异步电动机的电磁转矩模型
Tei Km ( s is s is）
由此构成的转矩观测模型。以定子磁链矢量为基准的 优越性是，在定子坐标系中计算定子磁链，受电机参数影 响最小（只受定子电阻的影响），而且定子电流可以直接 测取。
4.2.2 异步电动机定子轴系的数学模型
2、异步电动机的磁链模型
4.1.1 直接转矩控制技术的诞生与房展
不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的 特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、 特性容易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达 到理论分析结果的一些重要技术问题。它以自己新颖 的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态 性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。
电压模型和电流模型进行快速平滑切换的困难仍未得 到解决，取而代之的是在全速范围内都实用的高精度磁链 模型，称为u-n模型，也叫电动机模型。
u-n模型由定子电压和转速来获取定子磁链。它综合 了电压模型和电流模型的特点。
d r r Lmis Trr r dt d r Tr r Lmis Trr r dt Tr
A
S6 4 S5
C
3
S4
5
A
S1 6
us
B
S2
1
S3
2
C
B
4.2.7 电压空间矢量的正确选择
施密特触发器的容差为 sg ， 作为磁链给定值，通过 三个施密发器用磁链给定值分别与三个磁链分量进行比较。 当 A上升到正的磁链给定时，施密特触发器输出低电平， S A 为低电平。反之， 输出高电平。 得到磁链开关信号 S A 的时序图，同理可以得 到 S B S C 时序图。 磁链开关信号可以很方便地构成电压开关信号，其关 系为：
第四章
异步电动机 直接转矩控制变频调速系统
第4章
异步电动机直接转矩控制变 频调速系统
概述 异步电动机直接转矩控制系统的理论基础 异步电动机直接转矩控制（DSC）的基本组 成及工作原理
4.1.1 直接转矩控制技术的诞生与房展
直接转矩控制技术是在本世纪80年代中期继矢量 变换控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调 速技术。 自从70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技 术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与 直流传动相媲美的问题。
几种表示方式：
4.2.3 逆变器的八种开关状态和逆变器 的电压方程
uA
1 Ud 3 1 Ud 3 2 Ud 3
0
2 Ud 3
SA
SB
A B
SC
C
uB
0
Ud
SA
0
uC
SB
SC
0
SABC 011 001 101 100 110 010
4.2.4 电压空间矢量的概念
若其ABC三相负载的定子绕组接成星型，其输出电压空 间矢量的PARK矢量变换表达式应为：
4.1.2 直接转矩控制系统的特点
强调的是转矩的直接控制效果。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做滞环比较， 把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差大小由频率调 节器来控制。因此，他的控制效果不取决于电动机的数学 模型是否能简化，而是取决于转矩的实际状况。 总之，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 定子磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWM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。
u A 2ud / 3 uB uC ud / 3
有 带入
us t ) （
2 X A (t ) X B (t ) 2 X C (t ) 3
2 4 2 2 us 011) （ E ) Ee j 2 / 3 Ee j 4 / 3 （ 3 3 3 3 4 4 j E Ee 3 3
s r L is s r L is
s s is R
4.2.3 逆变器的八种开关状态和逆变器 的电压方程
一台电压性逆变器如图，由三组六个开关组成， 一组桥臂上下开关反向，即一个接通一个断开，所以 三组开关有8种开关组合。 若规定ABC三相负载的某一相与“+”接通时，该 相开关状态为“1”，反之，与“-”接通时，为“0” 态。则八种可能的开关状态如表。
4.2.6 电压空间矢量对电动机转矩的影响
通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度， 从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电 动机转矩的目的。
转矩=定子磁势气隙磁势 如果在某一时刻，加入零电压空间矢量，则定子 磁链空间矢量保持静止不动，而转子磁链空间矢量继 续以同步速度旋转，则磁通角减小，从而转矩减小。
定子电压 开关状态 空间矢量 SA,SB,SC U0 U1 000 011
A相 0
B相 0
2 E 3 2 E 3 4 E 3 2 E 3 2 E 3 4 E 3
C相 0
2 E 3 4 E 3 2 E 3 2 E 3 4 E 3 2 E 3
矢量表达 式 0
4 j Ee 3 4 j 4 Ee 3 3 4 j 5 Ee 3 3 4 j0 Ee 3 4 j 1 Ee 3 3 4 j 2 Ee 3 3
PWM
us，is
电机模型
sf
Teif
增加这个调节 器的意义？？
磁链大小与电机的运行性能有密切关系，与电机 的电压、电流、效率、温升、转矩、功率因数有关
4.2.2 异步电动机定子轴系的数学模型
在DSC中，采用空间矢量的数学分析方法，在电机的 定子坐标系上描述异步电动机，这使问题变得特别简单、 清晰。
第4章
异步电动机直接转矩控制变 频调速系统
概述 异步电动机直接转矩控制系统的理论基础 异步电动机直接转矩控制（DSC）的基本组 成及工作原理
4.2.1 异步电动机直接转矩控制系统 的理论基础
最终目的 （调节转速）
d TJ dt
间接手段 （控制转矩）
问题关键
解决思路： 转矩=定子磁势气隙磁势
SA
SB
A B
SC
C
0
Ud
SA
SB
SC
4.2.3 逆变器的八种开关状态和逆变器 的电压方程
这八种开关状态可分为两大类：一类是工作状态 （三相负载并不都接相同的电位）一类是零开关状态 （三相负载接相同的电位，负载电压为0） 按照本书分析方便，并使之与逆变器实际开关状 态顺序相符，编号如表。