7.直接转矩控制基础

忽略定子电阻 简写为：
d s Vs Rs I s dt

s


V s is Rs dt

d s Vs dt
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s
Vsdt
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离作用时间T （）磁链增矢量 （2）磁链矢量 s 矢头运动方向与vs同方向，即 同方向 即 s 方向
s , r
s、 r 大小恒定时
Te sin
s : S0 1, 有效电压矢量作用（全电压）， s以（0） max 运动， Te S0 0, 0 零电压矢量作用（零电压）， 零电压矢量作用（零电压） s停止运动 停止运动， Te r : 平均角速度0运动
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结论： (1) s 走走停停， r均速运行，夹角 不断变化，电磁转矩Te (t )脉动
(2) 转矩调节器容差 小，转矩脉动小 但 小时,零矢量插入多，逆变器开关频率高，损耗大。
4. 速度调节 零电压矢量控制 (1) s V0 T 0, s 保持原位置
s Vs T

（3） s 运动速度与Vs正比 零矢量V0， V7作用时， s 停止运动
S
如有效电压矢量 顺序作用，作用时间 T 相等 则定子磁链轨迹为正六边形。
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三相定子磁链（Ψa,Ψb,Ψc ）波形
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转矩调节器和定子磁通调节器采用两位Bang-Bang(开关)控制 （矢量变换控制 分量电流调节器为PI型连续调节） （矢量变换控制：分量电流调节器为PI型连续调节） 定子磁链控制在静止坐标系上完成 （2）效果： 响应快速（如何对静止 动态性能综合考虑） 响应快速（如何对静止、动态性能综合考虑） 控制精确，快速——无需静止→旋转的复杂坐标运算 控制方便——采用电压空间矢量对三相PWM调制做统一处理 调制做统 处理 对电机参数依赖性小——只需定子电阻参数，好测，易控，补偿方便 低速性能差、转矩脉动大、逆变器开关频率不固定 电动机起动电流较大
异步电机的直接转矩控制 DTC ( Direct Torque Control )
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矢量控制的不足： 矢量控制的不足 （1）计算复杂，需作 静止 旋转 坐标变换，影响实时性，效果不理想
（2）转子磁场空间位置难精确定，影响旋转坐标轴线定位及解耦效果 负载增大↑ s ↑ Sω1
E / 2 Vb 0 E / 2
E / 2 Vc 0 E / 2
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Sb 1 Sb 0
Sc 1 Sc 0
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三相组合开关量（SaSbSc )
有23＝8种组合开关状态
对应逆变器8种不同输出电压
对地：
Va 0 , Vb 0 , Vc 0
说 实 转 Te 说明实际转矩 Te 瞬时值在 间变化 Te 平均值 Te＝ Te

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3 转矩与定、转子磁链的关系 3. 转矩与定 转子磁链的关系
KT Te s r Lm KT s r sin Lm
可定出逆变器输出 8 个电压空间矢量的 空间位置 幅值大小 转向
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以开关状态（100）为例 Vab=E，Vbc=0，Vca=-E
2 2 3 j 6 j 4 3 V s V 1 （ E 0 Ee Ee ） 3 3
幅值为1.15E，距α轴30° 8种开关状态对应 6个有效电压空间矢量 V （ ）， V （ ）， V （ ） 1 100 2 110 3 010 V （ ）， V （ ）， V （ ） 4 011 5 001 6 101 2个零电压空间矢量
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三相线电压U ab , U bc , U ca 检测 三相线电流：ia , ib , ic
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定子磁链观测器——电压模型
矢量式表达： V R I dt s s s s





s 标量式表达： s
1 a ＋ a ＝不变 变 － a a ＋ a 0 a a
s


2 4 j j 2 3 3 a b e c e 3
2 3 j a e 6 3
a 2 3 s 2
线电压：
Vab Va 0 Vb 0
Vbc Vb 0 Vc 0
Vca Vc 0 Va 0
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电压空间矢量
Vs Vα jVβ
a bc
2 j 2 j 4 3 Vs [Vab＋Vbc e Vca e 3 ] 3
' 集肤效应使 R2 ' 挤流效应使 L2
转子时间常数 T 2
L 2 R2
'
'

转子全磁链空间位置随负载情况变变化 影响 Te 动态控制效果
磁场定向不精确，正交量解耦不完全
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无需坐标旋转变换的高性能控制——异步电机的直接转矩控制 直接转矩控制（ 接转 Direct Torque Control—DTC） 直接自控制 （Direct Self-Control—DSC） 1985年 由德国鲁尔大学 Depenbrock教授提出 （1）特点 1）在定子坐标上分析数学模型 2）采用定子磁链 3）采用空间矢量概念，转矩直接作为控制量 ）采用空间矢量概念 转矩直接作为控制量 4）对转矩进行直接控制 (直接自控制）
2. 转矩调节器
输入: Te Te Te Te:转矩给定，Te:转矩观测值
1 有效电压矢量作用，Te增大 输出: 开关量S0＝ 零电压矢量作用 Te减小 0 零电压矢量作用，
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转矩调节器 输入－输出关系
Te 1 S0 不变 － Te 0 Te
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输出 逻辑量： S , S , S
a
b
c
定子三相磁链波形 依据 调节器滞环特性
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换向逻辑 作用：将逻辑量 S a , S b , S c 变换成逆变器开关控制信号 确定有效电压矢量对应得开关状态。
输入——输出特性 输入 输出特性 Sa S c Sb S a S S b c
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优化插零（矢量）方法
V1 , V3 , V5 插V0 规律 V4 , V6 , V2 插V7
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转矩控制
• • • • 可以通过改变定转子磁链的夹角来实现转矩控制。 当所加的电压矢量超前于定子磁链，电磁转矩增加。 施加滞后的电压矢量时 ，电磁转矩减小。 选择零电压矢量时 定子磁链静止不动 转子因为惯性继续向前运 选择零电压矢量时，定子磁链静止不动，转子因为惯性继续向前运 动，从而会导致定转子磁链之间的夹角变小 ，转矩变小。
故零电压矢量插入时间长短控制旋转磁场转速1 （2） s ＝ V0 T ＝0, 不改变磁链圆直径（磁链幅值），实现恒磁通控制 （3） s U1 ，随f1变自动调U1 f1 实现调压、变频
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零矢量插入方式 (1)全部插V0 (000)
U U
s s
Rs i s dt Rs i s dt
输入Ψ αs ,Ψ Ψβs , 经 2
3
逆变换得Ψ a，Ψ b ,Ψ Ψc
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三相分别进行调节
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2. 调节器 Bang-Bang 控制 以a相为例：
S a
由 定 子 磁 链 给 定 值 确 定 s来 a 容 差 （ 滞 环 宽 ） 三 相 相 等 ＝ ＝ a b c
(2)全部插V 7 (111)
插 V 0 (0 0 0 )， 由 （1 0 1）（ 0 0 0） ， a 、 c 相 4 个 开 关 动 作 V 6 (1 0 1)区 间 ： （1 1 1） ， 仅 b 相 2 个 开 关 动 作 (1 1 1) )， 由 （1 0 1） 插 V7 ( 插 V 7 (1 1 1) 合 理 V1 (1 0 0 ) 按开关次数最少选零矢量 插 V 0 (0 0 0 ) 合 理
V （ ）V ）， （ ） 0 000 7 111
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二、定子磁链空间矢量 二 定子磁链空间矢量 s 1与Vs关系－交流电机定子电压方程

d a V R i s a a dt d b V R i b s b dt d c V R i s c c dt
(2) ( ) a , b , c 互差120
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三、直接转矩控制系统
磁链自控制： （1）定子磁链观测器 （2）2 / 3 变换 （3）磁链调节器 （4）换向逻辑
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转矩自控制： （1）转矩观测器 （2）转矩调节器
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1. 磁链自控制 （1）定子磁链观测器
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四、转矩自控制 四 转矩自控制 1. 转矩观测器
定子磁链分量 s , s 输入 定子电流分量 i s , i s
' 输出 :电磁转矩 Te KT s i s s i s L ' 转矩系数 KT KT ( 1 ) Lm