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- 79 -工 业 技 术０ 前言基于交流调速具有显著的优越性，以电力电子器件及计算机技术的不断发展为支撑，20世纪90年代以来，异步电动机变频调速技术得到了快速发展。
目前广泛研究应用的调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。
相比于其他变频调速技术，直接转矩控制具有系统结构简单、动态性能更好、鲁棒性强等优势。
该文就异步电动机的直流转矩控制做了简要分析。
１ 直接转矩控制技术的应用背景及发展现状直接转矩控制技术是20世纪80年代中期诞生的，美国学者A．B．Plunkett 1977年在IEEE 杂志上首次提出，德国鲁尔大学的德彭伯罗克教授于1985年第一次进行实际应用。
该技术的提出较大程度地解决了矢量控制等技术存在的问题，如计算量较大、控制系统结构复杂等。
但是传统的直接转矩控制也存在低速范围内转矩脉动大等缺陷，随着技术的发展，新型直接转矩控制技术不断出现，传统技术存在的问题得以不断改善。
当前，日、美、德等国家都致力于该技术的开发，其趋势不断向最优的全数字化发展。
如直接转矩控制中引入DSP 芯片，加强了数据处理的实时性、快速性以及数字控制功能，实现了数据监视、诊断和保护等。
再如，将现代控制理论的多种控制策略如非线性控制、模糊控制、神经网络控制等应用到直接转矩控制中，弥补其固有的一些缺陷，提高系统的动态和鲁棒性能等。
目前，主要的新型直接转矩控制技术有3种。
1）直接转矩无差拍控制。
该技术是一种离散化的直接转矩控制系统。
依据异步电动机的数学模型，得出转矩偏差与电动机各物理量间的数学关系，可消除定子磁链模值以及电磁转矩动、静态误差。
从技术上，该系统逆变器的开关频率得以提高并保持稳定，无滞环比较器，电压谐波减少，电机的低速性能提高，缺点是该技术依赖电机参数，计算量较大，算法实现难度高[1]。
2）直接解耦控制（DDC）。
有2种方法，一种含有PI 调节器即PI-DDC，该法消除转矩脉动能力强，动、静态特性较好，纵使转速极低（5rad/sec），转矩脉动也很小，主要问题是计算量比较大，因为该法需同时估计定子磁链和转子磁链；另一种就是预测直接解耦控制即P-DDC。
异步电动机直接转矩控制基本原理从1985年德国鲁尔大学德彭布洛克（Depenbrock ）教授首次提出直接转矩控制理论以来，短短十几年时间，直接转矩控制理论以它简明的系统结构，优良的静、动态性能得到迅猛发展和应用。
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 r r 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。
异步电动机直接转矩控制原理与展望一、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。
直接转矩控制的原理框图
直接转矩控制的工作过程为:
被测信号有两个，即Us、和Is。
这两个信号由异步电动机数学模型处理后得到ѱα，ѱβ和转矩实际值界T f。
，ѱα，ѱβ通过坐标变换器
后得到磁链的三个分量信号ѱ
βa，ѱβb和ѱβc。
再由磁链自控制单元得到磁链开关信a，Sѱb和c
确的区段，即确定磁链区域θ。
T f与转矩给定值T g经转矩调节器处理后得到转矩开关信号TQ。
转矩调节器的容差宽度由εf调节。
磁链给定值ѱg和磁链反馈值ѱf由磁链幅值构成综合产生磁链量开关信号ѱQ，ѱf由磁链幅值构成根据ѱβa，ѱβb和ѱβc计算得到，开关信号选择单元综合四个输入信号:磁链开关信号，转矩开关信号，磁链量开关信号和零状态开关信号，产生正确的电压开关信号a b, SU c。
异步电动机直接转矩控制系统1直接转矩控制简介直接转矩控制（ Direct Torque Control — DTC ），国外的原文有的也称为 Direct self-control — DSC，直译为直接自控制，这类“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不单控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。
直接转矩控制与矢量控制的差别是，它不是经过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的剖析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。
这类方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并经过磁链和转矩的直接追踪实现 PWM 脉宽调制和系统的高动向性能。
直接转矩控制系统的主要特色有：（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下剖析沟通电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
（2）直接转矩控制的磁场定向采纳的是定子磁链轴，只需知道定子电阻就能够把它观测出来。
（3）直接转矩控制采纳空间矢量的观点来剖析三相沟通电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单了然。
（4）直接转矩控制重申的是转矩的直接控制成效。
直接转矩控制技术用空间矢量的剖析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采纳定子磁场定向，借助于失散的两点式调理（ Band-Band ）产生 PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获取转矩的高动向性能。
它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化办理，没有往常的 PWM 信号发生器。
它的控制思想新奇，控制结构简单，控制手段直接，信号办理的物理观点明确。
为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理观点讲起。
2 直接转矩控制的基本物理观点2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的丈量在几种用于控制感觉电机的方法中，直接转矩控制（DTC ）据有很重要的地位。
异步电动机直接转矩控制基本原理从1985年德国鲁尔大学德彭布洛克（Depenbrock ）教授首次提出直接转矩控制理论以来，短短十几年时间，直接转矩控制理论以它简明的系统结构，优良的静、动态性能得到迅猛发展和应用。
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 r r 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。
2 电压型逆变器的模型逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要部分，本系统采用的是电压型逆变器。
如图2，每个桥臂各有上、下两个开关管（a S 、b S 、c S 、-a S 、-b S 、-c S ），一个闭合。
其中a S与-a S ，b S 与-b Sc S 与-c S 均互为反向，也即一个导通而另一个断开。
a 、b 、c 表示异 步电机的三相。
逆变器总共有8种开关状态，如表1：表1 逆变器8种开关状态从表1可以看出，开关状态0、7属于同一状态，其相当于把电机三相A 、B 、C 同时接到同一电位上，这两种状态称为零状态；而另外状态1～6则称为工作状态。
所以实际上电压逆变器共有7种不同状态。
由图2可知，当电压型逆变器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对应关系如图3，图中1s u 、2s u 、3s u 、4s u 、5s u 、6s u 分别对应状态（011）、（001）、（101）、（100）、（110）、（010）。
a u bu cuS (t u s 图2-3 工作状态三相电压波形把逆变器的输出电压用空间矢量来表示，电压空间顺序见图4。
)(t u t 表示电压矢量，则7有个离散的电压空间矢 量。
每个工作电压空间矢量在空间位置 相差60°，矢量以逆时针顺序旋转，即顺序为1s u →2s u →3s u →4s u →5s u →6s u 。
其中六边形的中心是零电压矢量。
对异步电机三相分析，将三维矢 量转化为二维矢量，在这用Park 变换。
将异步电机三相定子坐标 系的α轴与Park 矢量复平面的实 轴α重合，则三相物理量)(t X a 、)(t X b 、)(t X c 的Park 矢量)(t X 为：)(t X ＝32[)(t X a +ρ)(t X b +2ρ)(t X c ] （15）其中ρ＝︒120j e。
由图 2的接法，其输出电压空间矢量)(t u s 的Park 矢量变换表达式为：)(t u s ＝32[a u ＋3/2πj b e u +3/4πj c e u ] （16）a u 、b u 、c u 分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。
依图3给出的a u 、b u 、c u 并代入式（16）可以计算出从1～6各个状态输出的电压空间矢量)(t u s 。
直接转矩控制是根据定子磁链s ψ，转矩e T 的要求，从1～7状态中选出一个最佳控制矢量使电机运行在特定的状态。
3磁链控制磁链控制的任务是识别磁链的运动轨迹的区段或位置，给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制六边形轨迹或圆形轨迹正确地旋转。
1s 2s )1013s 010(6s u 图2-4 六边形电压空间矢量3.1 磁链轨迹的控制由式（4）可得：⎰-=dt R t i t u t s s s s ))()(()(ψ （17）如果忽略s R 则式（17）可表示成dt t u t s s )()(⎰≈ψ （18）由式（18）可以看出电机定子磁链s ψ的运动方向是依)(t u s 方向进行的。
当电压逆变器开关状态不发生变化时，定子电压矢量不变，此时电机采用非零空间电压矢量，则s ψ的运行方向与幅值将发生变化；但当采用零电压矢量时s ψ的运行将受到抑制。
按照状态1s u →5s u →4s u →6s u →2s u →3s u 顺序运行一周后，将形成一个六边形磁链轨迹，如图4。
而合适地施加非零矢量顺序和合理的作用时间比例，可以形成一个多边形磁链轨迹，以致近似圆形轨迹。
把（βα-）复平面分成6个区域，如图5，6)12()(6)32(πφπ-<≤-N N N N ＝1，2，3，4，5，6 （19） 假设测得的定子磁链为s ψ，给定磁链为sref ψ， 将s ψ与sref ψ之间的偏差进行滞后比较，当误差 不在所允许的范围之内时就进行电压切换，以 减小误差。
实现这种功能的环节称为磁链调节器，实际上它是一个施密特触发器。
图6为磁链 调节器的功能图。
图中ψY 为磁链调节器的输出，ψσ为磁链误差带宽。
当 sref ψ－s ψ≥2ψσ 时，磁链调节器输 出ψY ＝1，即选择电压矢量使s ψ增加。
当 2ψσψψ<-s sref 时，磁链调节器输出ψY 不变。
当sref ψ－s ψ≤－2ψσ 时，磁链调节器输出ψY ＝0，即选择电压矢量使s ψ减少。
根据以上的控制方法可以使磁链幅值在给定的范围内变化，s ψ轨迹接近圆形。
3.2 磁链轨迹区段的确定在直接转矩控制中，为了能够选取合适的电压空间矢量，必须确定磁链所在区段的具体位置。
只有这样才能结合磁链与转矩开关信号给出当前所需要接通的电压矢量。
1. 六边形磁链轨迹区段的确定2.3.1节指出电机定子磁链s ψ的运动方向是依)(t u s 方向进行，六种工作状态电压形成磁链轨迹六个边。
将定子磁链分解成三相（如图7）：定子磁链三相分量为a βψ、b βψ、c βψ。
a βψ、b βψ、c βψ通过施密特触发器得磁链开关信号a S ψ、b S ψ、c S ψ，这三个磁链信号与电压开关信号关系为： a S ψ＝c SU ；b S ψ＝a SU ；c S ψ＝b SU ，其中a SU 、b SU 、c SU 是开关信号a SU 、α图8 (βα-)坐标下 圆形磁链轨迹区域图αbβb SU 、c SU 的反相。
定子磁链与六边形区段对应关系如表2：表2 定子磁链与六边形区段对应关系表2． 圆形磁链轨迹区段的确定圆形磁链轨迹磁链幅为：22βαψψψs s += ，αψs ，βψs 为定子磁链在（坐标βα-）下的投影。
如图8将圆形轨迹分成六个区域，根据αψs ，βψs 的正负值可以确定磁链轨迹在哪个区域中。
；例如在第一象限，θ＝30°，在ab 弧θ≤30°，而在bc 弧段θ≥30°。
通过这种方式可以确定磁链在圆形轨迹的任何一个区域。
4转矩控制从式（14）可知，异步电机的转矩由定、转子磁链的幅值、磁通角θ决定的。
而转子磁链幅值由负载决定的。
为了充分利用电机铁芯，保持定子磁链为恒量。
改变转矩可以通过磁通角来实现，即通过改变电压空间矢量)(t u s 来控制定子磁链旋转速度，使其走走停停，以达到改变定子磁链的平均速度s ϖ，从而实现改变磁通角θ，最后达到控制转矩的目的。
这个过程可以用图9来解释。
1t 时刻定子与转子磁链分别为)(1t s ψ、)(1t r ψ，磁通角为)(1t θ，从1t 运 行到2t 时刻，此时对定子所加的 电压空间矢量)(t u s 为)101(3s u ， 定子磁链从位置)(1t s ψ到位置)(2t s ψ所运行的轨迹为s ψ∆， 轨迹方向与)101(3s u 所指的方向一致，而且沿着3S 。
由式子：0=r R直接跟随超前于它的定子磁链，实际上在此运行期间转子磁链变化位置受到定子平均频率s ω的影响。
综上所述，在1t 时刻到2t 时刻期间，定子磁链旋转速度大于转子旋转速度；磁通角)(t θ（即磁通角由)(1t θ到)(2t θ的夹角）增大，相应地，根据式（14）转矩也增大。
而如果在2t 时刻引入零电压空间矢量，此时定子磁链)(2t s ψ则保持在2t 时刻位置不动，而转子磁链空间矢量则继续以s ω速度向前运行，必然的，磁通角减小，即转矩减小。
