交流电机变频调速和应用第三章-直接转矩控制2013
3.5直接转矩控制技术(DTC)
29
下面以定子磁链在Ⅰ区的控制为例进行说明 （设定子磁链逆时针旋转）
增大磁链
增大转矩：u6 减小转矩：u0/u7 大幅减小转矩：u5
减小磁链
增大转矩：u3 减小转矩： u0/u7 大幅减小转矩：u1
30
开关状态选择表
(N )
D1 DT
0
1
1 -1 1 -1
Ⅰ u u u u u
Ⅱ u u u u u
1t r t
6
将定子电压的方程变形为：
s (u s Rs is ) dt
（3-3）
忽略定子电阻后为：
s u s dt
ds us dt
t2
（3-4）
将方程离散化得：
s (t2 ) s (t1 ) us dt
t1
（3-5）
7
定子磁链矢量 s 的轨迹将按式（3-5） 规律变化。这样，可 以通过控制定子电压 空间矢量来控制定子 磁链的幅值和旋转速 度，从而在保持磁通 恒定的情况下改变磁 通角 的大小达到改 变转矩的目的。
Ⅲ u u u u u
Ⅳ u u u u u
Ⅴ u u u u u
Ⅵ u u u u u
31
电磁转矩模型
在直接转矩控制中，需要实测电磁转矩作 反馈值。直接测量电磁转矩在测量技术上有一 定困难。为此，采用间接法求电磁转矩。一般 是根据定子电流和定子磁链来计算电磁转矩。 电磁转矩的表达式可写为：
Te p(1i 1 1i1 )
10
三、 定子电压矢量与定子磁链
对三相系统而言，空 间矢量是这样定义的：把 三个变量看成是三个矢量 的模，它们的位置分别处 于三相绕组的轴线上，当 变量为正时，矢量方向与 各自轴线方向相同，反之， 则取反方向，然后把三个 矢量相加并取合成矢量的 3/3倍，此矢量即为空间 矢量。
交流电机直接转矩控制基本原理和改进方案详解
交流电机直接转矩控制基本原理和改进方案详解1 前言随着现代电力电子、微电子技术和控制理论的发展，交流调速性能日益完善，足以和直流调速媲美，广泛应用于工农业生产、交通、国防和日常生活。
高性能的交流调速系统中主要有矢量控制和直接转矩控制两种。
直接转矩控制是由德国的Depenbrock教授于1985年提出的。
近年来，结合智能控制理论与直接转矩控制理论，提出诸多基于模糊控制和人工工神经网络的直接转矩控制系统，进一步提高其控制性能。
目前它已成为各种交流调速方法中研究最多、应用前景最广的交流调速方法之一。
2 直接转矩控制基本原理直接转矩控制原理是利用测得的电流和电压矢量辨识定子磁链和转矩，并与磁链和转矩给定值相比较，将其差值输入两个滞环比较器，然后根据滞环比较器的输出和磁链位置从开关表中选择合适的电压矢量，进而控制转矩。
其原理框图如图1所示。
交流电机的转矩表达式如下：式中：δ为定、转子磁链夹角，np为极对数。
转子磁链和定子磁链之间存在一个滞后惯性环节，当定子磁链改变时，认为转子磁链不变。
因此，从式(1)知道，如果保持定子磁链的幅值恒定，通过选择电压矢量，使定子磁链走走停停，改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变定、转子磁链夹角，就能够实现对转矩的控制。
从这里看，直接转矩控制的关键在于如何保持定子磁链恒定和改变磁链夹角。
直接转矩控制自提出以来，各国学者对其进行不断改进，完善性能。
这些方案虽然方法不同、原理各异，但都是期望选取适当电压矢量来保证磁链的圆形轨迹，从而减小脉动。
3 直接转矩控制改进方案3．1 改进磁链辨识方法直接测量定子磁链很麻烦而且成本很高，通常采用一些容易得到的变量(如U、I)来进行估。
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。
交流电机的直接转矩和矢量控制原理演示文稿
目前八页\总数九十七页\编于十六点
众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时， 所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空
间呈正弦分布，以同步转速 s （即电流的
角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。这样的物理
换式。
目前四十一页\总数九十七页\编于十六点
三相异步电动机在两相坐标系上的 数学模型
前已指出，异步电机的数学模型比较复杂， 坐标变换的目的就是要简化数学模型。异步电机 数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的， 如果把它变换到两相坐标系上，由于两相坐标轴 互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，仅此一 点，就会使数学模型简单了许多。
cos sin
C2s/2r sin cos
(5-11)
电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋 转变换阵相同。
目前三十七页\总数九十七页\编于十六点
4. 直角坐标/极坐标变换（K/P变换）
令矢量 is 和d轴
的夹角为 s ，已
q
知 id、iq ，求 is 和
s
is (Fs)
s ，就是直角坐标/
极坐标变换，简称
随时间而变化，因此 is 在 、 轴上的分量的
长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的
瞬时值。由图5-4可见， i、 i 和 id、iq 之间
存在下列关系
目前三十三页\总数九十七页\编于十六点
• 2s/2r变换公式
iαidcosiqsin iβidsiniqcos
目前三十四页\总数九十七页\编于十六点
以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示，例
如 Fs 可以直接标成 is 。但必须注意，这里的 电流都是空间矢量，而不是时间相量。
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
交流电动机调速方法
交流电动机调速方法
交流电动机调速方法有多种，以下是常见的几种方法：
1. 变频调速：通过调节电动机供电频率，改变电动机转速来实现调速。
变频器可以根据负载情况和工艺要求，自动调整输出频率，从而控制电动机的转速。
2. 阻抗调速：通过改变电动机回路的阻抗，来改变电动机的转速。
常用的方法有电阻调速、自耦变压器调速和感性电压调速等。
3. 矢量控制：利用矢量控制技术，通过改变电动机的电流和电压矢量，来实现对电动机转速的控制。
矢量控制可以实现高精度、高动态性能的调速效果。
4. 直接转矩控制：通过测量电动机的转子位置和转子电流，直接计算出电机的转矩，从而实现对电机转速的控制。
直接转矩控制具有响应速度快、控制精度高的特点。
5. 恒定电压调速：在给电动机供电时保持恒定的电压，通过改变电动机的绕组电阻或连接不同的绕组，来改变电动机的转速。
选择适合的调速方法需要考虑到具体的应用场景、负载要求和经济效益等因素。
在实际应用中，可以根据需要采用单一的调速方法，也可以结合多种调速方法进行组合使用，以达到更好的调速效果。
交流电机变频调速原理及应用
变频时, 输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常更 0
I mN
全面地被称为变压变频（VVVF）调速系统。
1
s
s
r2
H Im
2．基频以下调速时的电压控制方式
异步电动机在变频调速时，主导变量是频率 f1
常用的电压配合控制方式有如下三种：
（1）恒压频比控制 U1 f1C
20世纪70年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。 同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。
20世纪80年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。
20世纪90年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。 目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运
2 异步电动机调压调速系统（交调系统）
2.1 异步电动机调压时的开环机械特性
异步电动机的固有机械特性方程
S 恒转矩负载
0
风机泵类负载 Tl 2
Sm 0.5U1N
A
B 0.707U1N
1
Tl1
1.0U1N
T
Tm
低转差率电动机调压调速时的 开环机械特性
T
3pU12R2/s
1R1R2/s2x1x22
T U2 ，为减小损耗，电动机在额
无刷直流电动机 开关磁阻电动机 直流无换向器电动机 交流无换向器电动机
无刷直流电动机及 开关磁阻电动机都满足 “定子电流的频率与转 速有严格比例关系”的 条件，所以也把它归入 同步电动机。
交流调速系统的分类
电动机类别
调速原理
交流异步电机变频调速系统矢量控制与直接转矩控制算法比较
３ 直接 转 矩 控 制
直接转矩 控制 是 １ ９ ８ ５年 由德 国鲁 尔 大 学 Ｍ． Ｄ ｅ ．
由于矢量变换控制将一台三相感应电机等效为一台直 流 电机来 控 制 ， 因而获 得 了与直 流 电机调 速 系统 同样 优 良的静态 、 动态性能 ， 开创了交流调速与直流调速竞 争 的时代 。 虽 然矢 量变换 控制 在磁 场定 向坐标 系统 中实现 了
ｐ ｅ ｎ ｂ ｒ ｏ ｃ ｋ教授 首先 提 出的转矩 直接 自控 制 （ Ｄ ｉ ｒ ｅ ｋ ｔ ｅ Ｓ ｅ ｌ ｂ ｓ ｔ Ｒ ｅ ｇ ｅ ｌ ｕ ｎ ｇ ） 思想 ， 随后 日本 学 者 Ｉ ． Ｔ ａ ｋ ａ ｈ ａ ｓ ｈ ｉ 等也 提 出了类似 的控制 思想 。直接 自控 制 的基 本思想 是根 据交流电机转矩的需要 ， 直接选择合适的定子电压空 间矢量 ， 实现 交流 电机 电磁 转 矩 的快 速 响 应 。基 于这
（ Ｂ ｏ ｈ ａ ｉ Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｌ ｉ ａ ｏ ｈ ｅ Ｈ ｅ ａ ｖ ｙ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｎ ｙ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｃ ｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ ， Ｐ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ １ ２ ４ ０ １ ０ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
《 电气开关》 （ ２ ０ １ ３ ． Ｎ ｏ ． ４）
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表3-1列出了两种系统的特点与性能的比较。
表3-1 直接转矩控制和矢量控制的特点与性能比较
性能与特点 磁链控制
直接转矩控制系统 定子磁链
矢量控制系统 转子磁链
转矩控制
bang-bang控制，脉动
连续控制，比较平滑
坐标变换
转子参数变化影 响
Ψsα
t
0 (usα Rsisα )dt
t
Ψsβ 0 (usβ Rsisβ )dt
Ψ
* s
Ψ
2 sα
Ψ
2 sβ
4）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负
载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响
应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损
坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速
性也是有限的。
DTC系统存在的问题
3.5 无速度传感器变频调速系统
➢ 该系统实时检测定子电流和电压，作为转子磁 链观测器的输入信号。
➢ 磁链观测器根据定子电流和电压观测转子磁链， 并估算定子电流转矩分量。
➢ 利用定子电流转矩分量给定值与其估算值的误 差，通过PI自适应调节器获得转速观测值，
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 目前，实际使用的无速度传感器变频调速系 统的主要性能如下：
❖ 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效 果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形， 而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的 概念。
3.4.1 基本思路
❖ 定子电压空间矢量：
B
u
(010)
3
Im
u
(110)
2
u(4 011)
u1(R1e00A)
六边形磁链存在的问题 ▪圆形磁链的实现
u(5 001) C
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 无速度传感器变频调速技术是为了 实现与高性能有速度传感器矢量控制或 直接转矩控制相当的转速和转矩控制性 能，用于对转速控制有一定的要求，但 又不适宜安装速度传感器的场合。
*
AS Te*
PI iT*
+_
R
- Te
VR-1
+－
*
磁 链 iM*
2/3
+－
VSI
+
调节
➢ VC系统强调 Te 与Ψr的解耦，有利于分 别设计转速与磁链调节器；
➢ 实行连续控制，可获得较宽的调速范围； ➢ 但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影
响，降低了系统的鲁棒性。
• DTC系统特点
➢ DTC系统则实行 Te 与Ψs bang-bang控制，避 开了旋转坐标变换，简化了控制结构；
➢ 控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参 数变化的影响；
Torque Control) 系统，是继矢量控制系统
之后发展起来的另一种高动态性能的交流
电动机变压变频调速系统.
➢
1985年由德国鲁尔大学Depenbrock
教授提出。
3.4.1 基本思路
❖ 直接转矩控制是基于在定子坐标系下（ 坐标系）建立的交流电动机数学模型，直接控 制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代 替转子磁链定向。它不需要模仿直流电动机的 控制，所需要的信号处理工作比较简单。
3.5 无速度传感器变频调速系统
矢量控制和直接转矩控制技术需要通过测速发 电机或测速码盘实现转速闭环。但由此在实际应 用中带来了以下问题： ✓ （1）高精度的速度传感器价格昂贵，增加了系 统的成本； ✓ （2）速度传感器多数由电子电路构成，其抗电 磁干扰的能力较差， ✓ （3）速度传感器存在安装问题。
u（6 101）
3.4.1 基本思路
❖ 在直接转矩控制系统中，磁 链和转矩都是通过双位调节 器来控制的，其基本思路是 给定一个磁链圆环形误差带， 通过不断选取合适的电压矢 量，强迫 Ψs 的端点不超出 环形误差带，于是就控制了 定子磁链。
3.4.2 直接转矩控制系统的原理
逆变器异 步电动机
图3-19 直接转矩控制系统原理框图
❖ （1） 速度精度达到0.2%。 ❖ （2）在1：10的速度范围内，转速上升时间
小于100ms。 ❖ （3）系统的调速范围可以达到1：120，少数
可达到1：200。
本章小结
本章学习的重点是基于异步电动机动态数学 模型的高性能变频调速原理。要求学生了解和掌 握的内容有： 掌握异步电动机动态数学模型的性质。 掌握坐标变换的基本思路。 掌握矢量控制基本方程。 了解基于动态模型的变压变频调速系统的工作
结构特点
ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对 转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系 统实现了近似的解耦。
转矩和磁链的控制器 用滞环控制器或bang-bang控制器取代通常 的PI调节器。
电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择
在图3-19所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给 定和反馈信号进行bangbang控制，按控制程序查 表选取电压空间矢量的作 用顺序和持续时间。
1）由于采用bang-bang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系统的调速范围受到限制。
❖ 世界上的工业发达国家，如德国、日本、 美国等，都竞相发展此项新技术。如集 团总部位于瑞士苏黎世的ABB公司生产 的ACS600、ACS800系列变频器、 IGCT三电平高压变频器ACS1000。
❖ 目前，直接转矩控制技术已成功地应用 在电力机车牵引的大功率交流传动上。
3.4.5 直接转矩控制与矢量控制
DTC系统和VC系统都 是已获实际应用的高性能 交流调速系统。两者都采 用转矩（转速）和磁链分 别控制，这是符合异步电 动机动态数学模型的需要 的。两者在控制性能上各 有千秋。
• 矢量控制系统特点
❖ 现代交流调速统
第3章
高动态性能变频调速系统
主讲教师：崔纳新
本章提要
❖ 三相异步电动机的动态数学模型 ❖ 坐标变换和动态数学模型的简化 ❖ 矢量控制的变频调速系统 ❖ 直接转矩控制变频调速系统 ❖ 无速度传感器变频调速系统
3.4 直接转矩控制变频调速系统
❖概 述
➢
直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct
2）转矩和磁链的控制采用双位式 bang-bang控制器，并在 PWM 逆变器 中直接用这两个控制信号产生电压的 SVPWM 波形，从而避开了将定子电流 分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变 换和电流控制，简化了控制器的结构。
3）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型 可以不受转子参数变化的影响。
控制特点
与VC系统一样，它也是分别控制异步电动 机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC 系统与VC系统不同的特点是：
（1）直接转矩控制基于在定子坐标系下建立的 交流电动机数学模型，它不需要等效、模仿直 流电动机的控制，省掉了矢量旋转变换等复杂 的变换与运算，因此，它所需要的信号处理工 作比较简单。
调速范围
静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂
无
有
不够宽
比较宽
❖ 由于它们各自的特色，在应用领域上各有侧 重。矢量控制系统更适用于宽范围调速系统和伺 服系统，而直接转矩控制则更适用于需要快速转 矩响应的大惯量运动控制系统（如电气机车）。
❖ 鉴于两种控制策略都还有不足之处，目前两 种系统的研究和开发工作都在朝着克服其缺点的 方向发展，对矢量控制系统的进一步研究工作主 要是提高其控制的鲁棒性，对直接转矩控制系统 的进一步研究工作则主要集中在提高其低速性能 上。
原理和性能。
思考题
❖ 1.异步电机的坐标变换是在哪三个坐标系下?各有 何特点?
❖ 2.异步电机矢量控制方程包括哪些?是如何得到的? ❖ 3. 矢量控制与直接转矩控制的性能有何异同? ❖ 4.矢量控制的基本思路是什么？
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_
+－
磁链 观测
M
测速
3~
3.5 无速度传感器变频调速系统
❖ 在无速度传感器矢量控制变频调速系统中， 在不同速度范围和运行工况下准确地辩识电机的 转速一直是人们研究的重点，科研工作者在这方 面做了大量的工作。目前这方面的方法主要有模 型参考自适应辩识方法（MRAS）、扩展卡尔曼 滤波法（EKF）和齿谐波法等。