直接转矩控制与DTC

电压矢量的选择

下面以定子磁链逆时针在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：u2 减小转矩： u0/u7 电压空间矢量分布图
大幅减小转矩：u1
开关状态选择表
(N )
D1 DT
0 1
1 -1 1 -1
+
SA SB iA iB
SC iC
U dc
-
PMSM
电压型逆变器
电压空间矢量



SA、SB、SC分别表示逆变器三相的开关状态 ， SA =1，表示U相的上桥臂导通， SA =0， 表示U相的下桥臂导通。 三个开关量SA、SB、SC共有八种组合，分别 是： (SA、SB、SC) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。 这八种组合中，组合(000)和(111)状态下，电 动机的电压均为零，称为零电压状态，其他 六种组
定子电压空间矢量与磁链的关系

在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什 么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小 ，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当 s处于扇区U6时，为了控制s沿顺时针方 向旋转，应当选择U4（100）、U5（101） 。当磁链幅值达到上限时应选择U5（101） ，当磁链幅值达到下限时选择U4（100）。 反之，当需要磁链作逆时钟旋转时，对应 扇区U6时应选取U2（010）、U3（011）。

由图可推导出转矩角的表达式为：
tan ( sq / sd ) tan (
1 1
Lq iq Ld id f
)




式中： 、 ：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb ）； ：转子永磁磁链（Wb）； id、iq：定子电流 is 在d、q坐标系下的分量（A）； L q ：定子电感 的d轴分量，即交轴电感（H）； L d ：定子电感 的q轴分量，即直轴电感（H）。
二. 矢量控制技术

1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基
于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制 （VC）原理，由此交流电机矢量控制得到 了广泛地应用。 矢量控制借助于坐标变换，将实际的定子 三相电流变换成等效的力矩电流分量和励 磁电流分量，以实现电机的解耦控制，把 交流电动机模拟成直流电动机，控制概念 明确。

U2 U3 U1

U6 n U4 U5 θ
i s s r

电压空间矢量
定子电压空间矢量与磁链的关系

定子磁链s(t)与定子电压us(t)之间的关系为
：

s (t ) (u s (t ) i s (t ) Rs )dt
公式表示：忽略定子电阻Rs上压降，定子磁 链空间矢量s沿着电压空间矢量Us的方向， 以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合 理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量s 的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨 迹移动。
PMSM的两种调速策略



矢量控制和直接转矩控制（DTC）是两种基于 动态模型的高性能的交流电动机调速系统。 矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将 电机电流分解为转矩电流和励磁电流， 并分别 加以控制，从而获得高性能的控制效果。 直接转矩控制基于定子磁场定向， 以电机转矩 为控制对象， 通过实时观测电机转矩和定子磁 链， 利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器 功率器件的开关状态， 输出合理的电压矢量, 达到对转矩和定子磁链控制的目的。
四. 矢量控制与DTC特点与性能比较
性能与特点
磁链控制 转矩控制 电流控制 坐标变换 磁链定向 调速范围 转矩动态响应
矢量控制
转子磁链闭环控制
DTC
定子磁链闭环控制
连续控制，比较平滑 砰-砰控制，有转矩 脉动 闭环控制 无闭环控制 旋转坐标变换，较复 静止坐标变换，较简 杂 单 按转子磁链定向 需知道定子磁链矢量 的位置，但无需定向 比较宽 不够宽 不够快 较快
电压空间矢量


Us是由逆变器的开关状态（ SA、SB、SC ）得到的，六种有效电压状态可以得到 六个空间电压矢量。 用下式可以计算出U1 、 U2 ……U6六个 空间电压矢量的幅值和位置。
2 j 2 j 3 U s (ua ub e uc e 3 4 3
)
电压空间矢量

根据计算出其它 电压矢量的幅值 和位置。 由U1 、 U2 ……U6将 定子空间圆等分 为6个扇区，如 右图所示。
定子电压空间矢量对转矩的影响

当施加超前定子磁链的电压矢量时， 使定子磁链的旋转速度大于转子磁链 的旋转速度，磁链夹角加大，相应转 矩增加。如果施加零矢量或滞后矢量 时，相当于定子磁链矢量停滞不前或 反转，而转子磁链继续旋转，相应转 矩减小。
转矩和磁链砰-砰控制控制

直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过 滞环比较器来实现，采用砰-砰控制。转矩 滞环和磁链滞环的控制原理如图所示。
Fβ Fb
60° 60°
Fa
Fα
Fc
Clarke变换
矢量控制的数学模型
β T i1 （F1） iT
φ
iβ iTcosφ
γ θ1 φ
Ф ,M iM iα iMcosφ iTsinφ
iMsinφ
α
Park 变换
空间坐标变换
矢量控制的数学模型

经过坐标变化从而 得到等效成直流电 动机模型，可以采 用控制直流电动机 方法控制交流电动 机，实现对电机电 磁转矩的动态控制 ，获得良好的调速 性能。
Te p(1i 1 1i1 )
转矩模型结构
定子磁链模型


（1）定子电压模型法 定子磁链可以在坐标下写出如下关系式： 1 (u 1 R1i 1 )dt ； 1 (u 1 R1i 1 )dt 由此，用下图所示的电压模型结构可求得定子 磁链。


磁通的计算
（2）电流模型法 转子磁通Ф2与励磁电 流i1M成正比，转子电 路具有阻碍磁通变化 的作用，成为一阶滞 后环节：
i1T
Kr'2
ω1-ω 2
ω1
cosφ 两相 振荡器 sinφ
ω2 （测速机）
i1M
LM 1+T2S
Ф2
LM 2 i1M 1 T2 S
电流模型法的磁通运算器
基于SVPWM的矢量控制
Ⅰ u u u u u
Ⅱ u u u u u
Ⅲ u u u u u
Ⅳ u u u u u
Ⅴ u u u u u
Ⅵ u u u u u
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
Esβ
优 电 化 压 开 矢 关 量 表
PW M 控 制
逆变器 a b c
转矩观测 Te Ψ× i is α is β Rs Rs + +
+ Te * 2
ia 3 ib ua ub 3 uc M 3～ - r
*
us α us β 2
速度调节器 +
直接转矩控制原理图
直接转矩控制特点


坐标变换等效结构图
磁通的计算


矢量变换的关键是将 1 LM L1 i1 LM i2 电流和磁通矢量变换 u1 ri 1 1 dt 到磁场定向的M-T坐 ' 标系上来。因此，能 2 LM L2 i2 LM i1 否准确地计算磁通Ф LM L2' ，将直接影响到控制 1 L i1 系统的精度。 LM （1）电压模型法 电压模型计算法只适用于 磁通计算公式： 高速运行，在低速运行时， 难以进行精确计算。


SVPWM 控制也称作磁链跟踪控制，着眼 于逆变器和电机构成的整体，目的是使交 流电机通入三相对称正弦电流后在电机的 定子内圆形成圆形的旋转磁场，从而产生 恒定的电磁转矩。 控制系统原理图如下图所示，共由速度环 PID 控制和速度检测模块、电流环与磁链 模块、坐标变换模块、SVPWM 模块和逆 变器模块五部分组成

矢量变换运算

矢量控制原理：矢量控制是以矢量变换 为工具，将定子电流矢量分解为两个相 互垂直的分量：一个相当于直流电动机 磁场电流称为励磁电流分量；另一个相 当于电枢电流称为转矩电流分量。对各 自独立的两个电流分量进行控制就构成 了转矩瞬时值的矢量控制。
矢量控制的数学模型

将定子电流iA、iB、iC 通 过三相／二相坐标变换 (Clarke 变换)等效成两 相静止坐标系下的交流 电流isα、isβ，再通过按 转子磁场定向的旋转变 换(Park 变换)，可以等 效成同步旋转坐标系下 的直流电流ism、ist ，如 式（1）和（2）。
不需要旋转坐标变换，有静止坐标系实行 Te 与Ψs 砰-砰控制，简化控制结构。 选择定子磁链做被控量，计算磁链模型不 受转子参数变化的影响，提高系统的鲁棒 性。 采用直接转矩控制，能获得快速的转矩响 应。
直接转矩存在问题




由于转矩和磁链采用砰-砰控制，开关频率不确定 ，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒 定的。 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。 系统的定子磁链的轨迹是正六边 形，因而定子电 流含有高次谐渡分量，其中五次和七次 谐波对控 制系统和电网的影响最为严重。 在低速运行时，开关频率越低转矩脉动越大，影 响系统调速性能。
特点
存在
问题
三. 直接转矩控制技术

Hale Waihona Puke Baidu
1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提 出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种 交流电机调速控制原理——直接转矩控制 （即DTC）。 DTC技术采用定子磁场定向，借助于离散 的双位式调节器（砰-砰控制器）对转矩 和磁链调节产生PWM，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，其控制简单，转矩响应迅速。
直接转矩控制的核心问题
除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核 心问题就是：

转矩和定子磁链反馈信号的准确获得。 如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来 选择电压空间矢量和逆变器的开关状态 。
电压空间矢量

在直接转矩控制中 ，电机的定子磁链 是通过控制电机的 端电压来加以控制 的。下图是电压型 逆变器供电的永磁 同步电机直接转矩 控制系统的主电路 。
转矩滞环比较器
磁链滞环比较器
开关状态的选择

规则如下：
| s* || s |
| s* || s |
D1 =1 D1 =0
（增加磁链） （减小磁链） （增加转矩） （减小转矩）
| T || Te |
* e
| Te* || Te |
=1 DT =-1
DT
开关状态选择（函数）是一个三元函数 DT ， (N ) ） U=f（ D1 ，
基于SVPWM的矢量控制系统
基于SVPWM的矢量控制系统结构图
矢量控制的特点及存在问题
• 转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量与转 矩分量的解耦。 • 采用连续PID控制，转矩与磁链变化平稳。 • 电机转子参数（特别是电阻）受环境温度影 响较大，干扰磁链定向的准确性。 • 需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
交流同步电机矢量控制与DTC
系统的原理分析与比较
交流同步电动机


交流同步电动机具有非线性、强耦合、多变量的 性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型 出发，分析交流电动机的转矩和磁链控制规律， 研究高性能交流电动机的调速方案。 以永磁式同步电机（PMSM）为例研究和分析交 流同步电机的调速方案。永磁式同步电机控制系 统具有更高的运行速度，运行性能更稳定，位置 控制能力更强。永磁式同步电动机具有简单的结 构、小巧的体积、良好的功率因素、较高的效率 和易于维护保养等特点。


定子电压磁链模型框图
定子磁链模型

（2）电流模型法 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：
电流磁链模型电路框图
直接转矩控制系统
+ Esα 磁 链 观 测 ψsα 磁链 角与 磁链 ψsβ 幅值 s 计算 +
s
*
Udc
-
( n)
s
一. PMSM的数学模型

永磁同步电机的空间矢 量图如右图所示。图中 :θr为转子的位置角;β为 定子电流矢量is为 在d-q 坐标系中的相位角;δs为 定子磁链矢量ψs在 D-Q 坐标系中的相位角;δsm 为定子磁链与转子磁链 之间的夹角 ,又称之为负 载角。
PMSM的矢量图
PMSM的数学模型