1、第7章 直接轉矩控制與矢量控制7.1直接轉矩控制 DTC-Direct Torque Control直接轉矩控制方法是基于動態模型的閉環控制。雙閉環控制，外環采用轉速閉環，控制轉速的大小；其控制閉環中的內環，直接采用了轉矩反饋，并采用滯環比較控制來控制轉矩，可以得到轉矩的快速動態響應。并且控制相對要簡單許多。DTC控制脈沖屬于轉矩跟蹤PWM控制，利用轉矩給定T*與反饋轉矩Tf進行比較產生PWM控制脈沖。1、直接轉矩控制的基礎概念：Sa、Sb、Sc分別表示逆變器三相的開關狀態， Sa=1，表示U相的上橋臂導通， Sa=0，表示U相的下橋臂導通。三個開關量Sa、Sb、Sc共有八種組合，分別是：(S

2、a、Sb、Sc) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。這八種組合中，組合(000)和(111)狀態下，電動機的電壓均為零，稱為零電壓狀態，其他六種組合稱為有效電壓狀態 。用U0、U1、U2U7分別表示八種開關組合狀態下的電壓空間矢量 Us是由逆變器的開關狀態（Sa、Sb、Sc）得到的，六種有效電壓狀態可以得到六個空間電壓矢量。用上式公式可以計算出六個空間電壓矢量的幅值和位置。以（SaSbSc）=（011）為例：同理可以計算出其它電壓矢量的幅值和位置。直接轉矩控制是直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉矩，用空間

3、矢量的分析方法，借助于離散的兩點式調節，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制。U1U6將定子空間圓等分為6個扇區S1S6。 2、定子電壓空間矢量與定子磁鏈的關系 逆變器的輸出電壓us(t)直接加到異步電動機的定子繞組上，則定子磁鏈s(t)與定子電壓us(t)之間的關系為： 若忽略定子電阻Rs上壓降的影響，則：公式表示：定子磁鏈空間矢量s沿著電壓空間矢量Us的方向，以正比于輸入電壓的速度移動，通過逐步合理地選擇電壓矢量，可以使定子磁鏈矢量s的運動軌跡納入一定的范圍，沿著預定的軌跡移動。在磁鏈旋轉過程中，在每一個階段施加什么電壓矢量，不但要依據磁鏈偏差的大小，而且還要考慮磁鏈矢量的方向。例如當s處于

4、扇區S1時，為了控制s沿順時針方向旋轉，應當選擇U6（110）、U2（010）。當磁鏈幅值達到上限時應選擇U2（110），當磁鏈幅值達到下限時選擇U6（010）。反之，當需要磁鏈作逆時鐘旋轉時，對應扇區S1時應選取U5（110）、U1（010）。 3、定子電壓空間矢量對轉矩的影響 電動機的電磁轉矩可以表示為定子磁鏈與轉子磁鏈的形式： 為定轉子磁鏈夾角，Lm為電機互感，Ls為定子自感，Lr為轉子自感，np表示感應電機的極對數 ，“”表示矢量積。 電磁轉矩還可以表示成定子磁鏈和定子電流形式： 在實際應用中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵芯，轉子磁鏈幅值由負載電流決定。要改變電動機轉矩

5、的大小，可以通過改變磁鏈角(t)的大小來實現。在直接轉矩控制技術中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量Us來控制定子磁鏈的旋轉速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的旋轉速度s的平均值大小，從而改變磁鏈角的大小，以達到控制電動機轉矩的目的。 結論：當施加超前定子磁鏈的電壓矢量時，使定子磁鏈的旋轉速度大于轉子磁鏈的旋轉速度，磁鏈夾角加大，相應轉矩增加。如果施加零矢量或滯后矢量時，相當于定子磁鏈矢量停滯不前或反轉，而轉子磁鏈繼續旋轉，相應轉矩減小。4、定子電壓空間矢量的選擇 要正確地選擇合適的定子電壓矢量，應綜合考慮定子磁鏈偏差、轉矩偏差，以及定子磁鏈矢量s所處的扇區位置SN 計算出了定子磁鏈

6、幅值偏差，轉矩偏差和扇區號SN，就可以按照磁鏈和轉矩的控制原理，來選擇下一個控制周期要施加的電壓矢量。一般事先制定一個優化的選擇電壓矢量的開關表，此開關表的輸入為磁鏈偏差、轉矩偏差以及定子磁鏈所在扇區Sn，通過優化的開關選擇表可以選取最優的定子電壓矢量，進而將電磁轉矩和定子磁鏈控制在允許的脈動范圍內，最終實現對定子磁鏈和電磁轉矩的控制。 、Sn123456=0 =-1U6（110）U5(101)U4(100)U3(011)U2(010)U1(001) = 0U7（111）U7(111)U0(000)U7(111)U0(000)U0(000) =+1U5（101）U3(011)U1(001)U6

7、(110)U4(100)U2(010)=1 =-1U2（010）U4(100)U6(110)U1(001)U3(011)U5(101) = 0U0（000）U0(000)U7(111)U0(000)U7(111)U7(111) =+1U1（001）U2(010)U3(011)U4(100)U5(101)U6(110)電壓矢量優化開關表 優化開關表為一個66矩陣，在實現數字控制時，可以預先將正反向開關表儲存在程序存儲器中，通過輸入的參數、SN查表確定電壓矢量的編號Un（n=07），而電壓矢量實質上是逆變器的八種開關組合，可以將這八種組合狀態轉換成逆變器的PWM控制信號。5、直接轉矩控制系統電壓的

8、2/3變換電流的3/2變換電磁轉矩的計算定子磁鏈的計算轉矩跟蹤控制波形磁鏈跟蹤控制波形DTC變頻調速系統仿真波形7.2 交流電機的矢量控制技術交流電機的矢量控制技術是一門可使交流電動機獲得和直流電動機一樣的高性能的調速指標。矢量變換控制是70年代西德Blaschke等人首先提出來的。矢量控制的基本思想是把交流電動機模擬成直流電動機，能象直流電動機一樣進行控制。矢量控制時按照不同情況下的繞組產生同樣的旋轉磁場，這一等效原則出發的。直流它勵電動機轉矩與電樞電流 Ia的關系：7.2.1 交、直流電動機的異同點 直流電動機的勵磁和電樞電流可以分開控制，一般保持勵磁電流不變（不變），轉矩M與Ia成正比關

9、系，容易控制。采樣轉速、電流雙閉環調速系統可以獲得四象限運行的轉速特性。 三相異步電動機轉矩與轉子電流I2的關系： 7.1 交、直流電動機的異同點 式中氣隙磁通、轉子電流I2、轉子功率因數cos2都是轉差率S的函數，而且都是難以直接控制的。直接控制的是定子電流I1，而I1又是I2的折合值與勵磁電流Im的矢量和，無法通過開展I1來準確控制轉矩。圖1等效的交流電動機繞組與直流電動機繞組 7.1 交、直流電動機的異同點 （1）對三相固定對稱繞組A、B、C通以三相正弦交流電流ia、ib、ic，產生轉速1的旋轉磁場。（2）對于兩相垂直繞組、空間位置固定，通以兩相平衡電流i、i（時間上差90），也產生轉速

10、為1的旋轉磁場。（3）兩個匝數相等，互相垂直的繞組M和T，分別通以直流iM、iT，產生位置固定的磁通。如果使兩個繞組同時以同步轉速旋轉，磁通也以1旋轉起來。7.1 交、直流電動機的異同點 所以，三相繞組ia、ib、ic，兩相繞組i、i，兩相旋轉繞組iM、iT之間存在著確定的關系，可以將ia、ib、ic變換成iM、iT，再控制iM、iT，從而得到和直流電機一樣的控制特性。 7.1 交、直流電動機的異同點 7.2 矢量變換運算 矢量控制原理：矢量控制是以矢量變換為工具，將定子電流矢量分解為兩個相互垂直的分量：一個相當于直流電動機磁場電流稱為勵磁電流分量；另一個相當于電樞電流稱為轉矩電流分量。對各自

11、獨立的兩個電流分量進行控制就構成了轉矩瞬時值的矢量控制。矢量變換的步驟：（1）將A、B、C三相坐標系的交流量變換成-坐標系的交流量。（2）將-坐標系的交流量再變換成以轉子磁場定向的M-T坐標系的直流量（交流機模型直流機模型）。（3）對變換的兩相電壓、電流和磁通進行分析、計算，完成控制。（4）將M-T系的直流分量還原為三相交流分量，以控制交流電動機。7.2 矢量變換運算7.2.1 三相/兩相（3/2）、兩相/三相（2/3）變換 A、B、C三相繞組與-兩相繞組的磁勢矢量的空間位置，并不表示其大小，磁勢的大小是隨時間變化的。按合成旋轉磁勢相同的變換原則。圖2 三相和兩相繞組磁勢的空間矢量位置 7.2

12、.1 三相/兩相（3/2）、兩相/三相（2/3）變換 設每套繞組等效的匝數相等，則三相繞組合成的旋轉磁勢幅值為：兩相繞組的合成旋轉磁勢：要則 將兩相繞組電流的基準值定為三相繞組電流基準值的1.5倍，則7.2.1 三相/兩相（3/2）、兩相/三相（2/3）變換 兩相到三相的變換（2/3）：將、軸上的向量向a、b、c軸上投影7.2.1 三相/兩相（3/2）、兩相/三相（2/3）變換 7.2.2 矢量旋轉變換（VR） 在兩相、繞組和直流M、T繞組之間的變換屬于矢量旋轉變換。圖3 旋轉變換矢量圖 在圖中，F1為交流電動機定子旋轉磁勢的空間矢量。F1與i1方向一致。為旋轉磁通矢量。穩態運行時，和F1都以

13、同步轉速1旋轉，但有一個空間相位角1。 以為基準，把i1分解為與軸重合和正交的兩個分量iM、iT，它們相當于等效直流繞組M和T中電流。iM為勵磁分量，iT為轉矩分量。 兩相繞組和在空間上的位置是固定的，與軸的夾角隨時間而變化，i1在-軸上分量i、i也隨時間變換。由圖可以看出：7.2.2 矢量旋轉變換（VR） 上式為旋轉坐標系的直流量變換到靜止坐標系的交流量。反之，由靜止坐標系到旋轉坐標系的變換為：7.2.2 矢量旋轉變換（VR）定子電流為i、i為固定坐標系的交流量，變換成了旋轉坐標系的直流量iM、iT，控制iM可以控制電機磁場，控制iT可以控制電機的轉矩。由于旋轉坐標軸是由磁通矢量方向決定的，

14、所以旋轉坐標M和T又叫磁場定向坐標，矢量變換控制系統又稱為磁場定向控制系統。7.2.2 矢量旋轉變換（VR）7.2.3 交流電動機磁通的計算 矢量變換的關鍵是將電流和磁通矢量變換到磁場定向的M-T坐標系上來。因此，能否準確地計算磁通，將直接影響到控制系統的精度。（1）電壓模型法圖4 異步電動機等值電路 轉子磁通 定子磁通 電壓模型計算法只適用于高速運行，在低速運行時，難以進行精確計算。 （2）電流模型法由交流異步電機的等效電路： 轉矩電流i1T與轉子電流i2成正比，有公式： 7.2.3 交流電動機磁通的計算 轉子磁通2與勵磁電流i1M成正比，轉子電路具有阻礙磁通變化的作用，成為一階滯后環節， 由上面兩式得： 電流模型的法的磁通計算器將1積分，可以求出磁通矢量的角度，圖5 電流模型法的磁通運算器 （3）磁通觀測器 根據定子電流i、i和信號來計算轉子磁鏈：由上式構成的磁通觀測器：圖6 由定子電流和轉速信號構成的磁通觀測器 7.3 交流電動機矢量變換控制系統 磁場定向式的矢量變換控制，是利用坐標變換把交流電動機的定子電流i1分解為兩個分量：（1）以轉子磁場定向的定子磁場電流分量 i1M（2）垂直于定向磁場且產生轉矩的定子轉矩電流分量i1T 矢量變換控制系統完全模擬了直流電動機的雙閉環調速系統。圖7 矢量變換控制系統框圖 帶*號的量為給定信號 無*號的