直接转矩控制

A
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ψs (t2)
ψ s
us
sr (t2)
ψs(t1)
sr (t1)
r s
ψr (t2)
ψr (t1)
定子电压空间矢量控制转矩变化
A
由于 u 的作用使得
定子磁链及定转子 磁链之间的夹角都 有所增加，可以得到 电磁转矩增加的结 论。
A
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实际运行时，为了充分利用电机铁心通常保持定子磁链的幅值不变（或在很 小的范围内变化）即磁链走圆形轨迹
转子磁链又完全由负载决定是不可控的。
定转子磁链之间的夹角sr ，是直接转矩控制的主要参数。
基本控制方法就是通过控制定子磁链的运动轨迹，使其走走停停， 以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达 到控制电动机转矩的目的。
A
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7.3 开关逻辑
直接转矩控制系统采用三相两电平电压
型逆变器向交流异步电机供电。根据空
Pψr
jψ
r
（7-2）
结论：定子磁链由定子电压决定 转子磁链由负载决定
A
7
当忽略定子电阻时，式(7-2)定子电压方程可简化为：
us
dψ s dt
(7-3)
考虑到瞬时变化时，式（7-3）进一步可简化为：
ψs ust
(7-4)
结论： ψ s 与 us 的方向一致，且 ψ s 轨迹的变化速率等于| us | 。
uS 23ud 23udej0
从上式可看出（1 0 0）对应位于 d 轴的正方向上。
A
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②（Sa，Sb，Sc）=1 1 0 时，u2 矢量
ua ub ud / 3 uc 2ud / 3
将 u a u b u c 代入 u S
的表达式得：
u S 2 3 [u 3 d u 3 d( 1 2 j2 3 ) ( 2 3 u d)( 1 2 j2 3 )]
ψs
ψr sin(sr )
（7-1）
ψ s ：以定子 A 轴为参考的定子磁链空间矢量
ψr ：以 A 轴为参考的转子磁链空间矢量
1
L2M LS LR
为漏磁链系数
结论：异步电机的电磁转矩由 ψs 、ψr 的幅值及两者之间的夹角sr 共同决定。
A
6
异步电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的电压方程为：
us Rsis Pψs
0
Rr i r
间矢量的定义及逆变器的开关模式可得
到如右图所示 8 个静态电压矢量：
u0 (000,111)
u4
011
u1 (100)
u2 (110)
u3 (010)
u4 (011)
u5 (001)
u6 (101)
A
j
u3
010
u2
110
u0
000
u1
100
111
u5
001
u6 101
坐标系的电压矢量分布
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定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：
• 直接转矩控制（Direct Torque Control， DTC）是继矢量控制技术之后 交流调速领域中新兴的控制技术。
• 直接转矩控制是直接在定子坐标系下，采用定子磁场定向，直接将电机瞬 时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。转矩和定子磁链闭环都采用 双位式bang-bang控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置直接选 择电压空间矢量的开关状态。
uS2 3ud[1 2j 23]2 3udej/3
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离 d 轴的 / 3 方向上。
A
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③ （Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，u3 矢量
ua uc ud / 3 ub 2ud / 3 将 u a u b u c 代入 u S 的表达式得：
u S 2 3 [( u 3 d) 2 3 u d( 1 2 j2 3 ) ( u 3 d )( 1 2 j2 3 )] uS2 3ud[1 2j 23]2 3udej2/3
(2) 三相同步电动机
对于三相凸极同步电动机，还应考虑磁阻转矩。多极电机的电磁转矩矢量 方程为
T pψs is
(7-0-2)
式中， ψ s 称为定子磁链矢量，其与定子磁场相对应。
A
5
采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：
T
3 2
pLM LS LR L2M
(ψr ψs )
3 pLM
2 LS LR
4
7.2 直接转矩控制原理
基本知识：
（1）三相感应电动机
T pLMisir sinsr
pLMis ir
pLMir is p(LSis LMir ) is pψs is
(7-0-1)
式(0-1)表明，电磁转矩可表示为定、转子电流矢量的矢量积(叉积)形式，sr 为矢
量 is 至 ir 的空间电角度。
第7部分 直接转矩控制系统
A
1
7. 1 直接转矩控制发展 7. 2 直接转矩控制原理 7.3 开关模式 7.4 直接转矩控制系统 7.5 直接转矩与矢量控制的比较 7.6 仿真和应用举例
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2
7.1 直接转矩的发展
• 1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随 后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控 制效果。
uS2 3[uaubej2/3ucej4/3]
状态空间矢量的位置：
①（Sa，Sb，Sc）=1 0 0 时，u1矢量
ua 2ud / 3
ub uc ud / 3
将 u a u b u c 代入 u S 的表达式得： u S 2 3 [2 3 u d ( u 3 d)( 1 2 j2 3 ) ( u 3 d)( 1 2 j2 3 )]
•先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究
现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实 现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、 神经网络控制、变结构控制。
•先进器件与直接转矩控制技术集成研究
高频功率器件、高速DSP、FPGA/CPLD等。
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• 直接转矩着眼于快速的转矩响应，以获得良好的静、动态控制性能。
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直接转矩控制技术的研究热点
•磁链与转矩观测器研究
磁链观测的误差关系到电动机的稳定运行和动态性能，甚至导致控制失败。对于直 接转矩控制来说，定子磁链的幅值和空间位置是决定电压矢量选择的关键因素。
•无速度传感器技术研究
直接转矩控制中，低速运行时， 如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链， 那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制, 需要转速反馈进行闭环控 制，同样需要知道转速信息。如果采用速度传感器，不仅增加成本，而且使系统的 稳定性和可靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速度 传感器技术显得突出重要。