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。

2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比

（1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。

（2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。

图1异步电动机的空间矢量等效电路

直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。

二、数学模型

1．异步电动机转矩的数学模型

异步电动机的空间矢量等效图如图1所示该等效电路是在正交坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。

其中：US（t）-----定子电压空间矢量

iS（t）-----定子电流空间矢量

ir（t）-----转子电流空间矢量

ΨU（t）----定子磁链空间矢量

Ψr（t）----转子磁链空间矢量

ω-----电角速度

则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：

电压方程：（1）

（2）

磁链方程：（3）

（4）

转矩方程：（5）

若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：

（6）或(7)

θ是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，而转子磁链的幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁通角θ来实现。

2．异步电动机磁链的数学模型

目前磁链模型主要有三种，分别适用于不同转速下应用。

（1）u-i模型

在30%额定转速以上，采用u-i模型，其表达式为：

（8）

从此式可看出，在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。同样，定子电压us（t）和转子电流is（t）也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（5）就可计算出电动机的转矩。此模型中关键是要准确确定定子磁链，即要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略，而只有在30%额定转速以上时才能达到这一要求。

（2）i-n模型

在30%额定转速以下，由于定子频率很低（仅有几赫兹），电动机端电压很小，定子电阻RS的变化导致u-i模型中积分项is（t）RS误差较大，故采用i-n模型，其表达式为：

（9）

（10）

在30%额定转速以下范围，磁链只能根据转速来正确计算。在i-n模型中正是用定子电流与转速来确定定子磁链。该模型在这个转速范围内是合适的。但要注意在使用i-n模型时要求准确测量角速度ω，这是因为角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差，再由转子磁链的误差引起定子磁链的误差，最终引起转矩误差，故对转速要求有较高精度的测量。

对于u-i模型和i-n模型的应用必须有合理的安排，不同的转速范围应采用不同的磁链模型。

在高速时采用u-i模型，因其模型不仅简单，而且精度也高，受参数的影响小；在低速时采用i-n模型，因为低速时受定子电阻的影响u-i模型已不能正确工作。