第五章異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。其特點(diǎn)是直接采用空間電壓矢量，在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單的通過電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：控制思想簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)良直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)組成按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

在實(shí)際控制過程中，將測(cè)得的電機(jī)三相電壓和電流送入計(jì)算器，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈

和電磁轉(zhuǎn)矩，分別與給定值和相比較，然后選擇開關(guān)模式，確定PWM逆變器的輸出。

總的來說，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過對(duì)定子電壓空間矢量的控制達(dá)到以下兩個(gè)目的：（1）維持定子磁鏈幅值的恒定（2）控制定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的大小

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。

控制特點(diǎn)與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)。2）選擇定子磁鏈作為被控量而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒有影響。3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。

性能比較

從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問題就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；在α、β坐標(biāo)系中電壓的表達(dá)式為：由此可以得到定子磁鏈的觀測(cè)模型定子磁鏈觀測(cè)模型如下圖：uα1uAuBuciAiBiciα1iβ1uβ1Ψβ1Ψα1得到aβ上的磁鏈分量，則很容易得到定子磁鏈了。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：又因?yàn)椋焊鶕?jù)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以得到觀測(cè)模型如下iα1iβ1Ψβ1Ψα1Te定子電壓電流磁鏈模型法優(yōu)缺點(diǎn)

只需要確定電動(dòng)機(jī)的定子電阻，定子電壓和電流也是易于檢測(cè)的物理量。優(yōu)點(diǎn)：（1）積分器存在漂移問題（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由于定子電壓的減小，被積分的差值很小，產(chǎn)生積分誤差很大。（3）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，定子電壓為零，算不出定子磁鏈值，此模型無法使用。缺點(diǎn)：特點(diǎn)：＊模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只受一個(gè)電機(jī)參數(shù)（r1）的影響，易于實(shí)現(xiàn)。

＊在高速范圍內(nèi)（n≥30%ne），能準(zhǔn)確的估計(jì)定子磁鏈。缺點(diǎn)：＊定子電阻參數(shù)隨溫度的變化會(huì)影響觀測(cè)精度。特別是低速時(shí)，尤其是接近零速時(shí)，影響很大，不能正確觀測(cè)。

＊采用了純積分器，帶來了直流偏置和初始值問題。如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。定子電壓矢量與定子磁鏈

對(duì)三相系統(tǒng)而言，空間矢量是這樣定義的：把三個(gè)變量看成是三個(gè)矢量的模，它們的位置分別處于三相繞組的軸線上，當(dāng)變量為正時(shí)，矢量方向與各自軸線方向相同，反之，則取反方向，然后把三個(gè)矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此矢量即為空間矢量。在變壓變頻調(diào)速電路中我們講述過逆變器主電路的6個(gè)開關(guān)器件共有8種開關(guān)模式，各種開關(guān)模式在α、β坐標(biāo)系下有對(duì)應(yīng)的電壓矢量。這六個(gè)電壓矢量幅值相同，而矢量角度不同。它們對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如下定子磁鏈的矢量就是電壓矢量的積分每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來形成S1S2S3S4S5S6100101110010011001u1u2u3u4u5u6定子電壓矢量與轉(zhuǎn)矩實(shí)際運(yùn)行中定子磁鏈的幅值恒定，電磁轉(zhuǎn)矩的大小由此時(shí)的轉(zhuǎn)差角速度ws唯一確定Ws的值越大電磁轉(zhuǎn)矩的變化率就越大而ws的大小由磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度唯一確定磁鏈的矢量角度增加，電磁轉(zhuǎn)矩增大磁鏈的矢量角度減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小由此可見非零電壓矢量的切換不僅可以調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速的大小，還同時(shí)影響到轉(zhuǎn)矩的大小和變化速度。定子電壓調(diào)節(jié)作用U0Ψ1的幅值自由衰落，Te下降U1Ψ1的幅值增大，Te迅速下降U2Ψ1的幅值減小，Te減小U3Ψ1的幅值影響不大，Te迅速下降U4Ψ1的幅值影響不大，Te迅速增大U5Ψ1的幅值增大，Te增大U6Ψ1的幅值減小，Te增大空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用表開關(guān)策略是根據(jù)所得到的磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，根據(jù)偏差來決定采用哪個(gè)最合適的非零電壓矢量，從而控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩在相應(yīng)的范圍內(nèi)。定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)表ΔΨ1>-0.5ΔΨ111ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔΨ1在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔΨ1<-0.5ΔΨ110定子磁鏈當(dāng)前狀態(tài)Φ2Φ1電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)表ΔT

>-0.5ΔT

11ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈下降趨勢(shì)01ΔT

在滯環(huán)內(nèi)，呈上升趨勢(shì)10ΔT<-0.5ΔT10電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前狀態(tài)г

2г1結(jié)合當(dāng)前定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，再根據(jù)空間電壓矢量的調(diào)節(jié)作用，來決定對(duì)應(yīng)區(qū)域的開關(guān)策略根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時(shí)間。正六邊形的磁鏈軌跡控制如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡(jiǎn)單，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大。圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時(shí)要設(shè)計(jì)好Ψ*s=f(*)函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值DTC系統(tǒng)存在的問題2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。1）由于采用砰-砰控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定的。

為了解決這些問題，許多學(xué)者做過不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。這兩個(gè)問題的影響在低速時(shí)都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實(shí)際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。

矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)

VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te

與Ψ2的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按Ψ2定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。DTC系統(tǒng)特點(diǎn)DTC系統(tǒng)則實(shí)行Te

與Ψ1

砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能的比較見下表。直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制特點(diǎn)與性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)連續(xù)控制，比較平滑坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無有調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬

從上表可以看出，如果在現(xiàn)有的DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成新的控制系統(tǒng)，應(yīng)該能夠獲得更為優(yōu)越的控制性能，這是一個(gè)很有意義的研究方向。有時(shí)為了提高調(diào)速范圍，在低速時(shí)改用電流模型計(jì)算磁鏈，則轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)DTC系統(tǒng)也有影響。在額定轉(zhuǎn)速30%以下時(shí)，磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計(jì)算，因此出現(xiàn)定子電流、轉(zhuǎn)速觀測(cè)模型第二節(jié)：定子磁鏈觀測(cè)模型的切換定子磁鏈的觀測(cè)是直接轉(zhuǎn)矩控制的核心，無論是幅值還是相位的不準(zhǔn)確，都會(huì)使得控制性能變差我們前面介紹的是定子電流電壓的磁鏈觀測(cè)模型，但是有在低速時(shí)誤差大的缺點(diǎn)定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型表達(dá)式及結(jié)構(gòu)圖如下其中：其中：+++++++++---優(yōu)點(diǎn)：

＊不受定子電阻參數(shù)的影響缺點(diǎn)：

＊引入了更多的電機(jī)參數(shù)，受轉(zhuǎn)子電阻、漏電感、主電感L變化的影響

＊轉(zhuǎn)子角速度的測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果影響較大，而電流轉(zhuǎn)速觀測(cè)模型要求有較高的速度檢測(cè)精度u-n模型：定子電壓和轉(zhuǎn)速的定子磁鏈觀測(cè)模型前面介紹的兩種觀測(cè)模型各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，很自然就把兩種方式結(jié)合起來，充分利用他們的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速在30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)采用U-I磁鏈觀測(cè)模型當(dāng)轉(zhuǎn)速在30%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)采用I-n磁鏈觀測(cè)模型需要兩種模型的平滑切換裝置U-n定子磁鏈觀測(cè)模型優(yōu)點(diǎn)：＊綜合了u-i模型和i-n模型的優(yōu)點(diǎn)，適合全速范圍

＊通過電流PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ)償（)，以修正和電流，使觀測(cè)精度大大提高缺點(diǎn)：

＊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難磁鏈觀測(cè)改進(jìn)方法：低通濾波補(bǔ)償法，電阻在線觀測(cè)低速性能的改善影響定子電阻的因素較多，主要有電流、頻率、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境溫度等，并且是非線性關(guān)系。*采用模糊電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)*采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)*采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電阻觀測(cè)器對(duì)定子電阻進(jìn)行在線觀測(cè)

應(yīng)用智能控制理論實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制

①基于模糊邏輯的直接轉(zhuǎn)矩控制

●采用模糊邏輯代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的開關(guān)狀態(tài)選擇器（滯環(huán)比較器和優(yōu)化開關(guān)表——電壓矢量表），實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)（電壓矢量）的選擇。

特點(diǎn)：使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)小，系統(tǒng)的低

速性能得到改善。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)

提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的能力

●速度調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)模糊控制器

●用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)選擇器