异步电动机的直接转矩控制系统.docx
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异步电动机的直接转矩控制系统
异步电动机直接转矩控制系统
1直接转矩控制简介
直接转矩控制（DirectTorqueControl—DTC）,国外的原文有的也称为Directself-control—DSC，直译为直接自控制，这种直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合
控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。
直接转矩控制与矢量控制的区别
是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实
质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。
这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。
直接转矩控制系统
的主要特点有：
（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
（2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。
（3）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和控制各物理量，使问题变得简单明了。
（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。
直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转
矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM波信号，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。
它省去了复杂的矢量变换与
电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM信号发生器。
它的控制思想新颖，控制结
构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。
为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理概念讲起。
2直接转矩控制的基本物理概念
2.1直接转矩控制中磁通和转矩的测量
在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（DTC）占有很重要的地位。
DTC
将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内，这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最
小值的范围内。
图23.61（a）三相感应电机的单相等效电路图；（b）定子电压和电流的相量图
在解释DTC技术前，先要搞清楚磁通和转矩将如何测量。
图23.61a所示的电路为一个
三相感应电机的单相等效电路，该等效电路接了一个正弦交流电源。
由图23.61a可见定子
电阻ri、定子漏磁通！
、气隙磁通、转子漏磁通2、电阻%，其中电阻忆吸收了传输到转子的有功功率Pr。
定子全磁通S等于1和之和，也就是S1。
推广到三相，转矩Tm可以表达为
Tm^55^3（13.9）
在点4和点N之间吸收的有功功率PrE4NI2oPr和流入定子点2和点N的有功功率
相等，这是因为无功元件X1、Xm、X2并不消耗有功功率。
因此可得
PrE2NI1COSs（23.6）
其中：
Pr为提供给转子的有功功率（W）；E2N为定子全磁通s感应电压（V）；I1为
定子电流（A）；s为E2N与I1的相位差。
E2N不可测量，但是可以通过测量E1N然后减去1洛得到。
s的大小正比于E2N的大
小，S滞后E2N90°o图23.61b所示的相量图表示了定子电流、定子电压以及定子电阻r,两
端电压三者之间的关系。
当知道E2N,I1以及s时，根据式13.9和式23.6可以计算出转矩。
知道E2N便可以得到s。
在接下来的内容中，将忽略定子电阻A。
2.2通过滞环来控制磁通和转矩
图23.62为感应电机供电的三相机械变流器
图23.62所示，一个三相感应电机由机械变流器供电。
该机械变流器由三个双刀开关组
Ed。
开关的闭合和断开按照一
成，可以提供六个开关状态。
变流器连接到一个直流电压源
个特殊的程序来执行。
和PWM技术不同的是，这个开关频率不是固定，而是根据转矩Tm和
定子磁通S的瞬时值决定的。
期望的s可以是上限A和下限B之间的任意值。
带宽越窄，磁通控制越准确。
这
种控制方法常被称作砰砰控制或滞环控制。
当磁通下降到B时，一个逻辑信号去切换变流
器的开关状态以增大磁通。
同样地，当磁通上升到A时，一个逻辑信号去切换变流器的开
关状态以减小磁通。
假设转矩为期望值，当s在滞环宽度内，开关状态不变。
按照上述方
法，S将在A和B之间不断波动。
相同的分析也可以用在转矩Tm上，Tm必须保持在Ta和TB之间，如图23.62所示。
S的额定值对应于A和B两者的平均值。
然而当电机运行在轻微过载的情况下，
磁通并不需要运行在额定状态，此时可以减小s以减少铁损。
为了做到这点，可以在不改
变滞环宽度的前提下减小A和B。
2.3转速控制
转速的调节是通过控制转矩来实现的。
当转速低于期望值时，控制系统提高Ta和Tb，
这样导致电机的转矩低于Tb，此时系统将增大转矩，电机加速。
当转速达到期望值时，转矩Tm将在新的Ta和Tb的设定值内波动。
同时，相同的开关状态使s在a和b内。
2.4两相电机中磁场的生成
如图23.62,当直流电压源Ed接到变流器时，电机是如何产生一个旋转磁场的呢？
为了
易于说明，可用两相电机来代替三相电机。
进一步将通过例题让读者更容易理解。
用相互垂直的X绕组、Y绕组来代替定子三相绕组，如图23.63所示。
每极有10匝绕组，因此捲和
x2之间有总共20匝绕组。
y和y之间也是一样。
X绕组和Y绕组分别产生磁通x和y，
假设每极磁通为25mWb。
X绕组和Y绕组通过一个由4个开关组成的变流器连接到200V直流电压源Ed上，如图23.64所示。
就X绕组而言，有四种连接到Ed“+”“-”的方式。
X,和x2两端分别是（+-）、
（-+）、（++）（--、。
当两端极性相同时，两端明显是短路。
因此这四种方式就只有三种不同
的连接方式。
注意到X绕组不能开路，流过X绕组的电流IX在开关换流过程中不会断流。
26.63标示可以得出Ex为正。
当电压源“+”和“-”两极连接到X,端和X?
端，x将是向
右增大的。
根据法拉第定律可以得到
X旦（2.24）
tN
这里EXEd200V,N20。
因此可得X20010Wb/s,也就是等于t20
10mWb/ms（因为开关周期特别短，时间单位常采用毫秒）。
当Ex为零（也就是短路），x也就不变化，保持原值。
相同的分析也可以用在Y绕组。
当Ed连接到Y绕组使得Ey200V,y端为正，y
端为负，这就使得Y的变化率为10mWb/ms，方向向上。
当Ed连接到Y绕组使得
Ey200V,y!
端为负，y端为正，这就使得磁通丫的变化率为10mWb/ms，方向
向下。
例23-7在某个时刻，假设x为15mWb，正号（+、表明x的方向向右。
同时假设
为8mWb，负号（-）表明Y的方向向下。
绕组X和Y与Ed的连接方式突然变为如图
23.65所示的那样。
图23.65例23-7中使用的图
请问
a定子磁通s的初始大小及其方向
b2.2ms后定子磁通S的大小及其方向
解
a因为绕组X与绕组Y互差90°，定子磁通s的初始方向如图23.66所示。
22
S，-,XY
152（8）2
17mWb
图23.66（a）s的初始位置；（b）s的最终位置（见例23-7）
b如图23.65所示，由于X1相对于X2为负，可知Ex200V，x的变化率为
10mWb/ms，方向向左。
然而由于EY0，Y并不改变，保持为8mWb/ms。
2.2ms
中x的变化量为2.2ms10mWb/ms22mWb,可得2.2ms后X为
15mWb22mWb7mWb。
在这2.2ms中，x先由15mWb降到0，然后反向变为
7mWb，负号表示x的方向向左。
SIXY
（7）2（8）2
10.6mWb
可以看出，在2.2ms中S的方向角由28o变为131°,也就是顺时针旋转了103°，
证明了可以通过开关的合适开通和关断可以生成一个旋转的磁场。
通过上述分析可见，欲改变绕组中的磁通，不是靠改变绕组中的电流，而是靠改变接入
绕组的直流电压源电压大小和持续时间的乘积，即伏秒特性。
如直流电压源电压是固定的，则接入时间愈长，则磁通愈大。
2.5旋转磁场的生成
现在来说明图23.63中的两相电机如何生成旋转磁场。
为了把这个问题说清楚，将运用六步开关方式来进行分析。
x和Y的额定值为25mWb。
第一步（0t2.5ms）：
Ex200V；EY0
Ex200V和Ey0。
x将以10mWb/ms的变化率向右增大，并在2.5ms后达到额
定值25mWb。
为了使得x不超过额定值，在第一步结束的时候将x-i和x2之间短路。
第二步（2.5mst5ms）：
Ex0；EY200V
当X1和X2之间仍保持短路的情况下，调整开关状态使得Ey200V。
本来初始为零
的Y将立即方向向上增大。
保持Ey200V的情况下Y增大到25mWb的时间
t25mWb/（10mWb/ms）2.5ms。
由于Y不能超过25mWb，所以在第二步结束的
时候要将y1和y2之间短路，得的Ey0。
第三步（5mst10ms）：
Ex200V；Ey0
这一步在x绕组上加负电压。
x将以10mWb/ms的变化率向左增大。
由于x的初
始值为25mWb,
X将在2.5ms后变为零。
如果保持Ex
200V,
x将继续向左反
向增大，在2.5ms后变为25mWb。
此时将x1和x2之间短路。
25mWb，
第四步（10mst15ms）：
Ex0；EY200V
Ey200V，y将以10mWb/ms的变化率向下反向增大。
5ms后
此时将y1和y2之间短路。
第五步（15mst20ms）：
Ex200v；EY0
x向右增大。
当x达到25mWb时，此时将X1和X2之间短路。
第六部（20mst22.5ms）:
Ex0；EY200V
25mWb，所以
y将以10mWb/ms的变化率向上正向增大。
由于丫的初始值为
2.5ms后Y变为零。
通过上述分析，可以看到S正好旋转一周。
ms
22$
图23.67在不同时刻时磁通
s的幅值和方向
Ex、ey、x、
形波。
图23.67对于观察
Y25mWb，则
图23.68EX、Ey、x、y的瞬时值
Y的瞬时值如图23.68所示，Ex和Ey为矩形波,
S的空间方向特别有用处。
例如,
在t6ms时，x
x和y为梯
15mWb,
（15）2（25）2
29.1mWb
59°
Y25
Sarctanarctan
x15
S旋转一周的时间为
20ms，也就是说转速为每秒50转或3000r/min。
从图23.67的正方形图中，可以看到4个角的S可达到35mWb，大于额定值
（25mWb）40%，这种情况必须被校正。
2.6磁通的控制
通过为s设置上下限，通过开关状态的配合切换可以获得一个更加接近圆形的磁通。
例如要把磁通限制在1pu（额定值）与1.12pu之间，可以以这两个值为半径做两个同心圆，选择适当的开关方式，使S限制在25mWb和28mWb之间变化。
图23.69中S一周开关切换20次，而图23.67中每周只有4次，但前者s的精度保持在26.56%。
图23.69s的运动轨迹
图23.70EX、Ey、x、y的瞬时值
开关每秒钟需要切换的次数为44/20ms=2200次/s。
可见如果想获得高精度的S，就需要提
高开关的切换频率。
2.7旋转速度的控制
注意到换流次数的增加并不影响旋转一周需要的时间是非常关键的。
一旦s的最小值
定为25mWb，则旋转一周通常需要20ms，平均旋转速度为3000r/min。
旋转速度nR为
（23.37）
kEdnR
S
式中nR为s的旋转速度，单位r/min；Ed为直流电压源的电压值，单位V；s为每极的额定磁通，单位Wb；k为与电机结构有关的常数，如每极绕组的匝数
从式23.7可知，有两个方法可以改变S的旋转速度：
1、改变Ed；2、改变S。
降
低s可增加旋转速度。
若s不变，则用于控制s的伏秒值也不变。
增加Ed,可相应减小时间t。
若Ed由200V增加到300V，贝Us的旋转速度由3000r/min增加到4500r/min。
实际上，Ed是固定的。
此外，第三种方法就是引入“零矢量”，即将X、Y绕组短接。
处在“零矢量”时,
在此期间保持不动，这样就增加了旋转一周所需的时间。
如增加“零矢量”40个，每个2ms,
则旋转一周所需的时间由20ms增加到20402100ms。
2.8开关切换逻辑
想使磁通和转矩保持各自的滞环内（磁通在25mWb和28mWb之间，转矩在TA和TB之间），那该如何确定开关切换逻辑呢?
V（+）foteT
¥旧
图23.71五个开关状态对S的作用
图23.72五个开关状态对Tm的作用
旋转。
另外假设电机转子以600r/min的速度逆时针方向旋转。
由于S1小于25mWb，必
须通过开关切换使得S回到滞环内。
可供选择开关状态共有五种，它们分别是
1让EX200V，使磁通向右。
2让EX200V，使磁通向左。
3让EY200V，使磁通向上。
4让EY200V，使磁通向下。
5让EX0V、EY0V，也就是将X绕组、Y绕组短路。
要使图23.71所示的S1回到滞环内，显然第2、第4两种开关状态要被排除。
第5种开关状态因为只能使得S1原地不动，故也被排除。
仅第1、第3两种开关状态可以选择。
到底选择第1、第3中哪一个，还要看TM的情况。
由图23.72可见，当TmTa时可选择第1种开关状态，si顺时针方向旋转变为sia，与转子旋转方向相反，此时对转子制动。
当TmTB时可选择第3种开关状态，Si逆时针方向旋转变为Sib，与转子旋转方向相同，对转子加速。
改变开关状态可使s和Tm在所
要求的范围内运行。
下面来分析S2的情况。
因为S2大于25mWb，就必须调整开关状态使得S2回到滞环内。
第2、第3两种开关状态使得S2更加远离滞环，因此被排除。
第5种开关状态因为只能使得S2原地不动，故也被排除。
这样就只剩下第1、第4两种开关状态可以选择。
由图23.72可见，当TmTa时可选择第1种开关状态，S2顺时针方向旋转变为S2a，与转子旋转方向相反，此时对转子制动。
当TmTB时可选择第4种开关状态，S2逆时针方向旋转变为S2b，与转子旋转方向相同，对转子加速。
改变开关状态可使s和Tm在所
要求的范围内运行。
下面只剩下最后一种情况：
S3已在滞环内，此时有五种开关状态可供选择。
如果
S3a。
如果
TmTb，可以选择第1种开关状态使Tm增大。
S3逆时针方向旋转变为
TmTa，可以选择第2种开关状态使Tm增大。
S3顺时针方向旋转变为S3b。
由于s以
30006003600r/min的速度切割转子绕组，故而产生了一个巨大的制动转矩。
当然也
可以选择第5种开关状态。
在这种情况下，S将保持不动，转子按照600r/min的速度旋
转，这样可以产生制动转矩。
采用第5种开关状态因为减小了每秒钟的换流次数而比采用第2种好。
通过上面的分析，可以发现开关切换逻辑的确定完全取决于S和Tm的瞬时值以及它
们各自滞环的上下限。
2.9瞬时转差与转矩的产生
为了更好的理解Tm，假设一个两相电机通过变流器接到200V的直流电压源上，s在
A和B之间。
除了X、Y绕组短路的情况以外，S以3000r/min的速度逆时针方向旋
转。
假设转子以600r/min的速度逆时针方向旋转。
图23.73（a）转子电压和电流；（b）Tm
S切割转子绕组的速度为30006002400r/min，由图23.73a可见，此时转子上
感应出很高的电压Er。
Er在转子绕组中产生电流Ir。
Ir的变化率取决与Er和定子转子绕组的漏感。
上升的Ir在定子磁场内将将生成不断增大的Tm。
在经历t1时间后，当Tm上
升到TA，短接X、Y绕组，S保持不变。
S停止转动，但转子由于惯性仍以600r/min
转动，转差为0600600r/min，此时转子中感应出的电压值为ER/4，转子电流和
转矩将减小。
由图23.73b可知，经历t1时间后，Tm下降到Tb。
改变开关状态，使s的速
度重新恢复到3000r/min，转差仍为2400r/min，电流、转矩增加，重复上述过程。
2.10三相电机的控制
位置
图23.74a三相电机绕组与电源的不同连接方式及其对应的
前面分析了两极两相电机的开关切换逻辑。
这个开关切换逻辑如何与两极三相电机进行
对比分析呢？
两极三相电机的绕组为星型连接，空间上相差120°。
如果使用如图23.62所示
的6脉冲变流器，则有7种开关组合方式向绕组供电，如图23.74a所示。
这些开关组合方
式将直流电压源的正极、负极接到A、B、C绕组上，如图23.74a所示。
对于A（+）这个
开关组合方式，就是将绕组A接到正极而绕组B、绕组C接到负极，这样生成一个方向向
右的s。
对于A（-）这个开关组合方式，就是将绕组A接到负极而绕组B、绕组C接到
正极，这样生成一个方向向左的s。
同理，对于B（-）这个开关组合方式，就是将绕组B
接到负极而绕组A、绕组C接到正极，其生成的S在A（+）生成的逆时针60°的方向上。
图23.74bs的六边形轨迹
假设三相电机的定子磁通在虚线圆内，如图23.74b所示。
A（+）、A（-）、B（+）、B
（-）、C（+）、C（-）各自生成磁通在图23.74b的中心位置标出。
要完成一周的旋转，变流器的开关状态至少需要切换六次。
s将沿着1—2路径前进。
到达2
例如，矢量0—1表示初始S。
通过使用C（+），点后，改用A（-），使得s沿着2—3路径前进。
到达3点后，改用B（+）,使得s沿着
3—4路径前进。
依次可使s到达4、5、6点。
可见三相电动机的s是沿着六边形路径前
S最大值与最小值之比为
进，而两相电机的S沿着正方形路径前进。
三相电动机的
2/.31.155。
其带宽为0.155pu。
如同两相电机一样，如果带宽减小，则旋转一周需要切换开关的次数就会增加。
例如将
带宽减小到0.1pu，则开关切换的次数将变为18次，如图23.75所示。
如果选择一周的时间
为15ms,则开关频率为18/0.0151200Hz。
图23.75s的运动情况
从不足微秒到数微秒不等。
在60°和180°之间大量的黑点表明这段路径中磁链的旋转速度特别低。
在180°和300°之间，磁链旋转的快些。
在300°和420°之间，磁链旋转的最快。
正如两相电机那样，磁链停止的次数取决于转矩的情况。
当TmTa，通过加入“零矢
量”让磁链停止。
显然当电机运行在低速的时候，加入“零矢量”的数量将增加。
图23.76七种开关状态对S的作用
为了理解开关切换逻辑，图23.76中标示出七种不同的开关状态。
假设sib，A
（+）生成的磁通向右，C（+）生成的磁通在120°的方向上，“零矢量”是的磁通原地不动。
运用分析两相电机时的方法，A（-）、B（+）、“零矢量”被排除，A（+）、B（-）、C（+）、
C（-）可采用。
具体用哪个还要看转矩的情况。
如果TmTb，则选择C（+）。
然而如果TmTa，则选择A（+）。
如果Tm介于Ta和Tb之间，选择B（-）而不选择A（+），这是因为B（-）在增大磁通的同时还可以在转子旋转方向生成一个小的加速转矩。
3系统结构
异步电动机直接转矩控制系统结构如图1所示。
Te
转矩计算
选择
速度检测
（速度传感器）
图1异步电动机直接转矩控制系统
4磁链控制
对于恒转矩控制的变频调速系统，在变频调速时要保证电动机的定子合成磁链s恒定。
比较理想的方法是采用磁链跟踪技术，即通常讲的电压空间矢量PWM控制技术。
4.1空间矢量的概念
图2电压空间矢量
交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的。
如果考虑到它们所在
绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。
在图2中，A、B、C分别表示在空间静止的电动
2
机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差，三相定子相电压uAO、UBO、UCO分别加在
3
0时,
三相绕组上。
可以定义三个定子电压空间矢量uAO、uBO、UCO，如图2所示。
当UAO
Uao与A轴同向，
Uao0时，
Uao与A轴反向，B、C两相也同样如此。
UAO
kUAO
UBO
kuBoej
（1）
Uco
.j2
kUco
2
其中，,
k为待定系数。
3
三相合成矢量
UsUao
UBOUCO
kuAokuBoejkucoej2
（2）
图2为某一时刻uAO0、UBO
0、uCO0时的合成矢量。
与定子电压空间矢量相仿，
量表达式为
2.4-
cos（1t）UmCOS（1t）ejUmCOS（1t）ej2]（10）
33
Us是一个以电源角频率为恒速旋转的空间矢量，它的幅值是相电压幅值的
某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该项的轴线上。
在三相平衡正弦电压供电
时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量is和叽的幅值恒定，以电源角频
率1为电气角速度在空间作恒速旋转。
4.2电压与磁链空间矢量的关系
三相交流电压Uao、Ubo、Uco可以合成一个相应的旋转电压空间矢量Us。
合成空间矢
量表示的定子电压方程式为
UsRsis业（11）
dt
式中Us-定子三相电压合成空间矢量
is—定子三相电流合成空间矢量
S—定子磁链空间矢量
忽略定子电阻，可得
Us
d叭
dt
usdt（12）
叽以恒速旋转,
当电动机由三相平衡正弦电压供电时，定子磁链值恒定，其空间矢量磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形。
用极坐标表示为
jit
叽叽e」1（13）
式中叽一叽的幅值
i—旋转角速度
由式（12）、（13）得
式（14）表明，当叽一定时，us的大小与1成正比，其方向与叽正交，即磁链圆的
切线方向。
如图3—2所示。
因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就转化成电压空
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