3.5直接转矩控制技术(DTC)

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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
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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）
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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
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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 )
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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。
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空间矢量的求法，即从三相静止坐标 到两相静止坐标的变换（3φ~3φ变换）
2
和矢量控制不同，直接转矩控制摒 弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单的通过电机定子电压和电流，借助 瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转 矩，并根据与给定值比较所得差值，实 现磁链和转矩的直接控制。
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直接转矩控制的特点：
• 控制思想简单 • 控制系统简洁明了 • 动、静态性能优良
4
二、直接转矩控制的基本原理
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图 3-8 电压矢量与相电压波形图 a) b) 选用非零电压矢量时的波形 选用零电压矢量时的波形
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下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选 取电压矢量 u1 , u2 ,u6 时，磁链矢量的轨迹为一 正六边形，而电机定子绕组相电压为一凸字形波 如上图a)所示，如果在选用每一个非零电压矢量 的期间中间分段两次插入零电压矢量u0 ，则原来 凸字形相电压被斩波，变为上图所示b)所示的不 连续的脉冲，相电压的周期增大，这是因为在选 取零电压矢量的期间，磁链矢量的旋转速度为零， 因而磁场旋转一周的时间变长，即电机的转速变 慢。
图 3-11 定子电流转速磁链模型
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六、直接转矩控制技术与 矢量控制技术比较
由上表看出，如果能够在现有的直接转矩控制系统和 矢量控制系统中取长补短，应该能够构成性能更优越 的控制系统，这正是当前国内外的研究方向。
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本章小结
）系下分析交流电动 • 直接转矩控制是在定子坐标（ 机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转 变换对异步电动机的 数学模型解耦简化，计算简单明 了，物理概念清楚。 • 直接转矩控制仅用到了定子磁链，不用转子回路的 参 数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响。 • 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电 动机的数学模型，用离散的电压空间矢量来描述逆变 器对交流电动机的控制，这既合乎实际，又特别简单 明了。
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由电压和磁链的矢量图看，零电压矢量对 应的是一个点，在该点磁链矢量原地不动，等 转换到非零电压矢量后才继续旋转。从磁链的 轨迹来看，仍是一个正六边形，只是每条边上 多了两个点。然而由于这些点上的停顿，使磁 链矢量旋转一周的时间变长，旋转磁场的平均 速度减小，电机的转速降低。 采用零电压矢量改变电机的电压，实际上 是对电机的端电压进行斩波调压，使其幅值减 小，从而达到降低磁链矢量旋转速度的目的。
u1 (1,0,0) 2 Ud 3
2
j 2 u2 (1,1,0) U d e 3 3 2 u4 (0,1,1) U d 3 j 2 u6 (1,0,1) U d e 3 3 5

j 2 u3 (0,1,0) U d e 3 3 4 j 2 u5 (0,0,1) U d e 3 3
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（2）定子电压电流磁链模型法优缺点
优点：
只需要确定电动机的定子电阻，定子电压和电流也是 易于检测的物理量。
缺点：
（1）积分器存在漂移问题 （2）电机转速很低时，由于定子电压的减小，被积分 的差值很小，产生积分误差很大。 （3）电机不转时，定子电压为零，算不出定子磁链值， 此模型无法使用。
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（3）定子电流转速模型法 在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速 来正确计算，定子电流、转速磁链模型结构图 如下
1 1 T 2 2 T 3 3 0 2 1 T a 2 T b 3 T c 2
T T 为空间矢量在坐标轴上的分量 其中，
Ta
Tb Tc 为三相轴线的矢量的模
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用电压型逆变器供电的交流调速系统如下 图所示，假设逆变器的功率开关器件用开关SA、 SB、SC来代替，并且当上臂开关接通时为1，下 臂开关接通时为0。每一个桥臂的上下两个开关 是互补动作的，则定子各相电压对中心点分别 1 1 为 或者 Ud 。 Ud
3.5 直接转矩控制技术(DTC)
• • • • • • 概述 直接转矩控制的基本原理 定子电压矢量与定子磁链 定子电压矢量对磁链和转矩的影响 直接转矩控制系统的介绍 直接转矩控制技术与矢量控制技术的比较
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一、概 述
继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大 学的Depen Brock 又提出了交流电动机的 直接转矩控制方法，其特点是直接采用空 间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并 控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定 向，借助于离散的两点式调节产生PWM （空间矢量SPWM）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。
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在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得
* * Te* K p ( r r ) K I ( r r )dt
磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在 额定转速以下，使它保持常数，超过额定转速 时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转矩和定子 磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转 换，通过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。
图3-7 扇区的划分
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例如，当定子原有磁链位于θ(Ⅱ)区域内， s 的值，如图 s 并有 3-6 所示，如果要求s 逆时针旋转，则分别选择 u2 和 u3 就能满足式 （3-8）的关系。只要定子磁链不出θ(Ⅱ)区， 则反复施加 u2 和u3 。但是，当进入θ(Ⅲ)区后， 则反复选用 u3 和 u1 才能满足式（3-8）。这种控 制叫电压空间矢量PWM控制，也叫磁链跟踪 型PWM控制。 显然，如果给定允许误差越小，那么一周 内电压矢量改换的次数越多，电压矢量构成的 多边形的边数越多，其轨迹越接近于半径为指 定值的圆。
2
2
图 3-4 电压型逆变器供电
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的交流调速系统示意图
根据电压空间矢量的定义，用三相开关量表示 瞬时空间电压为：
2 u ( S A , S B , SC ) U d ( S A S B e 3
其中，
2 j 3
SC e
4 j 3
) （3-6）
2 为绝对变换系数。 3
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逆变器上下臂开关组合共有 23 8 种状态， 逆变器输出瞬时空间电压矢量分别有下列8种电压
根据异步电机的数学模型，在 坐标下空间矢量电压方程及转矩方程为： （3-1） u R i p
s s s s
Tem Pn Lm (is ir ir is ) Pn (is s is s ) Pn (s is )
Ks r Ks r sin
（3-2）
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其中，us、is、s、r 均为空间矢量
在转矩公式中， 为定 子磁链和转子磁链之间的 夹角，称为磁通角。在控 制过程中，为了充分利用 铁心，应保持定子磁链的 幅值为额定值，而转子磁 链是由负载决定的，不能 突变，因此要改变转矩的 大小，可以通过改变磁通 角来实现。
图1 磁链矢量图
u0 (0,0,0) u7 (1,1,1) 0
（3-7）
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由式（3-6）可以看出， 空间电压矢量只与三相桥 臂的开关状态有关。由式 （3-7）可以看出电压型逆 变器的基本输出矢量共有8 u 个（ ），其中 0状态 0 ~ u7 和7状态称为零矢量，其余 6个为非零基本矢量，称为 有效矢量。这6个非零矢量 平面上， 均匀分布在 如右图所示：
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开关状态的选择规则如下：
| || s | | || s |
* s * s
D1
=1 D1 =0
DT
（增加磁链） （减小磁链） （增加转矩） （减小转矩）
| Te* || Te |
| Te* || Te |
=1 DT =-1
开关状态选择（函数）是一个三元函数 (N ) DT ， U=f（ D1， ）
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五、直接转矩控制系统
图 3-9 直接转矩控制系统图
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上图为德国Dephenbrock教授提出的直接转 矩控制系统，因为具有控制手段直接、结构简 单、性能优良等特点而引起了人们的广泛关注。 该方法摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子 磁场定向转变为定子磁场定向，由于定子磁通 只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性 大大减小。另外，直接转矩控制通过转矩偏差 和定子磁链偏差来确定电压矢量，不象矢量控 制那样进行复杂的坐标转换，计算大大简化。