直接转矩控制.docx

太原科技大学题目：直接转矩控制专业：电气工程 班级：研1403 姓名：安顺林 学号：S201402324L一忧d = E 。Ua2 312一仇 d 二 -EII 3 d 3十1cotcotS abc401100110110011001012345641Us2Us344U :s54646(010)(15)图2-3工作状态三相电压波形把逆变器的输出电压用空间矢量来表示，电压空间顺序见图2-4。%表示 电压矢量，那么7有个离散的电压空间矢 量。每个工作电压空间矢量在空间位置 相差60° ,矢量以逆时针顺序旋转，即顺序 为人I f42 一 43 一44 一45 一双6。其中六 边形的中心是零电压矢量。对异步电机三相分析，将三维矢 量转化为二维矢量，在这用Park 变换。将异步电机三相定子坐标 系的a轴与Park矢量复平面的实 轴a重合，那么三相物理量尤、X。的Park矢量X为：X(t) = hXa(t) + pXb + p2 X,其中0 = /12。°。由图2的接法，其输出电压空间矢量以的Park矢量变换表达式为：=2 U + 劭2乃/3 +/4»/3 (16)ua > uh > “c分别是a、b、c三相定子负载绕组的相电压。依图3给出的M”、即、 吃、并代入式(16)可以计算出从16各个状态输出的电压空间矢量名。直接转矩控制是根据定子磁链九，转矩7；的要求，从17状态中选出一个最正确 控制矢量使电机运行在特定的状态。2. 2磁链控制磁链控制的任务是识别磁链的运动轨迹的区段或位置，给出正确的磁链开 关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制六边形轨迹或圆形轨迹正确地旋转。2. 2. 1磁链轨迹的控制由式(4)可得：匕乙6)力(17)如果忽略凡 那么式(17)可表示成y/s (r) j us (t)dt(18)由式(18)可以看出电机定子磁链，的运动方向是依以方向进行的。当电压 逆变器开关状态不发生变化时，定子电压矢量不变，此时电机采用非零空间电压 矢量，那么忆的运行方向与幅值将发生变化；但当采用零电压矢量时忆的运行将 受到抑制。按照状态一 心 一s2f “S3顺序运行一周后，将形成一个六边形磁链轨迹，如图4。而合适地施加非零矢量顺序和合理的作用时间比例, 可以形成一个多边形磁链轨迹，以致近似圆形轨迹。把(。-尸)复平面分成6 个区域，如图2-5,（2N - 3）J°（n）（2N-1A66（2N - 3）J°（n）（2N-1A66N =1, 2, 3, 4, 5, 6（19）图2-5圆形磁链假设测得的定子磁链为MJ,给定磁链为k何， 将|八|与匕句之间的偏差进行滞后比拟，当误差 不在所允许的范围之内时就进行电压切换，以 减小误差。实现这种功能的环节称为磁链调节器, 实际上它是一个施密特触发器。图2-6为磁链 调节器的功能图。图中为为磁链调节器的输出， %为磁链误差带宽。当 匕句一|忆目? 时，磁链调节器输出儿=1,即选择电压矢量使帆增加。图2-6磁链调节器当|匕4-1Kli时,磁链调节器输出/不变.当八应|k|< 二 时，磁链调节器输出/ =0,即选择电压矢量使帆减少。根据以上的控制方法可以使磁链幅值在给定的范围内变化，K轨迹接近圆形。磁链轨迹区段确实定在直接转矩控制中，为了能够选取合适的电压空间矢量，必须确定磁链所 在区段的具体位置。只有这样才能结合磁链与转矩开关信号给出当前所需要接通 的电压矢量。1 .六边形磁链轨迹区段确实定上节指出电机定子磁链匕的运动方向是依人方向进行，六种工作状态电 压形成磁链轨迹六个边。将定子磁链分解成三相（如图2-7）：图2-7三相坐标系下六边形磁链轨迹图图2-8 Q 夕）坐标下 圆形磁链轨迹区域图定子磁链三相分量为为、优、平仅。必的、佻、弘优通过施密特触发器得 磁链开关信号S”.、S%、Sy,这三个磁链信号与电压开关信号关系为： 苑=恒；瓯=西；亚=西，其中西、西、恒是开关信号sua、 SUb、SU,的反相。定子磁链与六边形区段对应关系如表2：表2定子磁链与六边形区段对应关系表（自，Wpc ）(011)(001)(101)(100)(110)(010)磁链区段S1S2S3S4S5S62 .圆形磁链轨迹区段确实定圆形磁链轨迹磁链幅为：M，匕a，K4为定子磁链在（坐标a-6）下的投影。如图8将圆形轨迹分成六个区域，根据忆“八夕的正负值 可以确定磁链轨迹在哪个区域中。；例如在第一象限，6=30° ,在ab弧8W30° , 而在be弧段。230°。通过这种方式可以确定磁链在圆形轨迹的任何一个区域。2. 3转矩控制从式（14）可知，异步电机的转矩由定、转子磁链的幅值、磁通角夕决定 的。而转子磁链幅值由负载决定的。为了充分利用电机铁芯，保持定子磁链为恒量。改变转矩可以通过磁通角来实现，即通过改变电压空间矢量4来控制定 子磁链旋转速度，使其走走停停，以到达改变定子磁链的平均速度力,，从而实 现改变磁通角凡 最后到达控制转矩的目的。这个过程可以用图9来解释。4时(101)刻定子与转子磁链分别为匕8）、 匕（，1）,磁通角为6（，1）,从乙运 行到,2时刻，此时对定子所加的 电压空间矢量巨为四3（13）， 定子磁链从位置色）到位置 忆（t2）所运行的轨迹为A忆, 轨迹方向与3 （1。1 ）所指的方向_图2-9电压空间矢一致，而且沿着S3。由式子：0=匕.量对电机转矩的影响 可知在此运行期间转子磁链不直接跟随超前于它的定子磁链，实际上在此运行期 间转子磁链变化位置受到定子平均频率"的影响。综上所述，在乙时刻到，2时 刻期间，定子磁链旋转速度大于转子旋转速度；磁通角外。（即磁通角由。亿）到 。虫）的夹角）增大，相应地，根据式（14）转矩也增大。而如果在I2时刻引入 零电压空间矢量，此时定子磁链匕血）那么保持在时刻位置不动，而转子磁链空 间矢量那么继续以以速度向前运行，必然的，磁通角减小，即转矩减小。转矩控 制实际上是通过两点式调节来选择电压空间矢量，使其交替于电压空间矢量的工 作状态和零状态，由此来控制空间矢量的平均角速度"的大小。两点式调节实 际上就是一个转矩调节器，其工作过程如下：由于对任何电机来说，从转矩到转速均为一个积分时间常数7； , 7；由电机和机械惯性决定而不受控的积分环节。转矩变化率等近似与瞬时滑差仇成正比（当定子磁链匕|为常数）。在直接转矩控制中采用滞后调节器对转矩进行控 制，通过选择合理电压空间矢量，以产生期望的凡来控制转矩。转矩与滑差的 关系式如下：为1.0二学以/.Re（。）旦此.!用（20）atI2上式中：/="，）, Im、Re分别表示取虚、实部；表示定子磁化电流 Ls矢量幅值；根据定子磁链k旋转的方向，转矩调节器可以分成两个调节环节。 当匕顺时针旋转时：-ATWT何-刀40；当仁逆时针旋转时：4-八7。如图1。，7的表示转矩给定值，表示转矩误差带宽，Tout 表示转矩调节器输出。从图10可以看出当“，=1或一1时: 根据忆需要所选的 电压矢量可以获得转矩；当=0时那么选择零电压矢量以使转矩减小。通过以上所述瞬态调节就可以到达较高的转矩动态特性。图2-10转矩调节器直接转矩的开关矢量表将上述磁链调节器与转矩调节器结合起来，共同控制逆变器开关状态，这样 既能保证磁链在限定范围内，也能使电机的输出转矩快速跟随给定转矩，从而保 证系统有很高的动态特性。开关状态表如表3：表3开关状态表火N)123456Tou,1心Us5%4%6%2Us301UsOUsl40Usl40Usl1%51Us5Us24 s3%00UslsOUsl40146Us2Us3UsUs5%42.4 直接转矩控制系统的组成直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断变化电压状态使 定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频图2-11直接转矩控制系统的典型框图图2-11直接转矩控制系统的典型框图率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求 快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变 化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。图2-11为典型的直接转矩控制系统框图，整个系统是一个磁链转矩双闭环 系统。速度给定3*r与电机的速度观测值5.进行比拟后经过一个PI调节器输出 转矩给定信号T*e。另一方面系统检测三相定子电流和电压，经坐标变换转化到 静止坐标系，由此计算电机的电磁转矩、磁链幅值如和磁链所在的扇区N。 磁链和转矩的给定和反响信号送入转矩和磁通比拟器，其差值经控制器输出转矩 和磁链控制信号。开关状态选择器根据不同的扇区、转矩和磁链控制信号确定下 一个时刻逆变器的开关状态，从而确定电机的端电压，保证电机在定子磁通不变 情况下转矩满足负载的要求。从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几局部组成：磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算 出异步电机的定子磁链和转矩；磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用 两点式控制，输出磁链控制信号；(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输 出转矩控制信号，直接控制电机的转矩；(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出 合适的开关状态Sabc来控制逆变器驱动电机稳定运行。直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电 压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到a坐标下的分量，再按照异步电 机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩Te和定子磁链力s的两个分量力Sa、M 3,这样就可以计算出定子磁链幅值弧和磁链位置|斫|。将测量得到实际转速和 给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给 定转矩T*co将给定转矩匕和T送入转矩调节器，得到转矩控制信号磁链调 节器根据给定子磁链幅值I弧I和转子磁链幅值的差值输出磁链控制信号F。最后 开关状态选择单元根据磁链控制信号F、转矩控制信号K和磁链位置|斫|,查逆 变器开关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。异步电动机定子磁链和转矩的估算磁链自控单元(DMC),它将输入的,坐标系下的定子磁链的、例、入c通 过施密特触发器与磁链给定值匕唱比拟，输出开关信号瓯、瓯、瓯。信号 西、西、画与酝、瓯、瓯对应关系如下：瓯=电;瓯=西；瓯=本文采用简单的积分关系得到磁链模型。其中、依为定子电动势在 坐标系下的分量。磁链模型的积分关系如下：式(24)和式(25)中的%、可由“.、%、以通过%坐标变化得到。而 ，夕那么可以直接从电机测量得到。定子磁链的估算可以分为电压和电流模型两种，电压模型结构图如2-12o 它的结构简单，理论上很精确，只受定子电阻&的影响。但是积分器容易漂移, 而且当转速比拟低时因为定子电阻压降的存在引入较大的误差。电流模型如图2-13,它在低速时比电压模型精确，但是它易受电机参数特别 转子时间常数的影响，在高速运行时不如电压模型精确。所以两种模型可以结合 起来运用，即低速时采用电流模型，而高速时用电压模型，两种频率分别通过转 折频率相同的低、高通滤波器，然后两者相加，用此方法就可以获得精确的定子 磁链忆O图2-12定子磁链电压模型图2-13定子磁链电流模型转矩可以根据计算式7；=(匕"伙公)，通过已获得的定子磁链以及所测得的定子电流来计算。它的结构如图2-14。图2-14转矩模型三直接转矩控制变频器ACS600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制(DTC)技术，结合诸多先进 的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制直接转矩控制摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点, 是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的 方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转 矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，对逆变器的开关状态进行 最正确控制，以获得转矩的高动态性能。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了 异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转 矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现 方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。关键字直接转矩控制，异步电动机一直接转矩控制系统介绍1.1异步电动机调速系统的开展状况在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是 最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的 变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机 的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论， 标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流 电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解 藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采 用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制 系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式 会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不 能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。和转矩控制特性。完整的保护功能以及灵活的编程能力。因而，它能够满足绝大 多数的工业现场应用。为了满足各种应用对交流传动的不同要求，ACS600产品 家族按应用可分为以下五种专用系列:ACS600:可满足绝大多数应用要求。ACC600: 专用于位势负载应用。例如起重机，提升机，电梯等等。ACP600:专用于对转角， 位移做精确控制。ACA600:专用于系统传动。ACS600的重要特性及功能如下.无 与伦比的电机速度及转矩控制。.电机辨识运行(IDRUN)及速度自我微调功能。,内置PID控制器，降低了您的投资本钱。.工具软件对传动的全方位支 持:DrivesSize选型软件,DrivesBuilder工程设计软件，DrivesWindow传动调 试软件，DrivesLink利用Windows监视传动，DrivesSupport服务专家。. ACS600SingleDrive能在几毫秒内测出电机的实际转速和状态，所以在任何状 态下都能立即起动，无起动延时。.零转速下，不需速度反响就能提供电机满转 矩。 ACS600SingleDrive能够提供可控且平稳的最大起动转矩。可到达200% 的额定转矩。.不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩。.在磁 通优化模式下，电机磁通自动适应于不同的负载以提高效率同时降低电机的噪 音，变频器和电机的总效率可提高KT0%。.具有标量控制(SCALARCONTROL)和 IR补偿功能。ABB AutomationAGS600 Single Drive OH 4 (68) 1出03,2000 Code: Wall-mounted units壁挂单元安装方式一 up to 120 kW一 IP 22 as standard- IP 54 as optionFlange mounting for effective cooling 凸缘式安装方式 Cabinet- assembled units柜体安装方式- 75 kw to 3000 kW一 IP 00 as modules up to 500 kW-IP 21 as standard in ABB cabinet-IP 22, IP 42 and IP 54 as option.功率范围宽ACS 600 Versatile ratingsPower range5 to 3450 kVAPower range5 to 3450 kVASupply voltage380 to 690 V2820760ACS607610140ACS604/ ACS6071205ACS601400 VRated power (kVA)3450930ACS607760170ACS604/ ACS6071405ACS601500 V3350ACS607900760ACS604/ACS607140120ACS6015690 VABB AutomationAGS600 Single Drive OH 5 (68) 15，D3，'2000 God 国ACS1000中压变频器用于310-5000KW电机的速度和转矩控制 驱动功率范围 为315至5000千瓦，电压等级为2. 3、3.3和4.16kV,对电动机具有卓越的速 度和力矩控制。(1)流畅的系统集成ACS1000系列变频器具有各种灵活的组合以满足各种新建 或改造工程的不同要求。对现有的设备和电网的干扰减到最小。用户友好的软件 工具使调试和长期运行简便易行。(2)高超的性能 采用ABB专利的直接转矩控制(DirectTorqueControl)技术， ACS1000系列变频器提供精确的过程控制，DTC能为任何电动机控制平台提供最 快速的转矩阶跃响应。在不采用编码器情况下，即使受输入电源变化和负载突变 的影响，同样可保证最正确的控制精度。(3)极高的可靠性ACS1000系列变频器元件数量少，使其内在的可靠性比市场 上其他结构形式的中电压变频器更高。并且，在交货前对每个元件单独测试，每 台变频器都通过负载试验。ACS1000的的核心是DTC-直接转矩控制直接转矩控制(DTC)是交流传动中最 佳的电动机控制方法，可以对电动机所有的关键变量进行直接控制，从而挖掘出 了 AC传动过去未实现的潜力并为各种应用提供益处。无与伦比的电动机速度和 转矩控制ACS 1000系列变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控 制的变频器相对应。在ACS1000中，静态速度控制精度通常为正常转速的0. 1% 至0.5%,能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可选 用一个脉冲编码器。由于ACS1000开环转矩阶跃上升时间小于lOmS,而其它磁 通矢量控制不采用传感器那么超过100ms,因此，ACS1000是无可匹敌的。自动起动ACS 1000的自动起动性能胜过交流传动中常用的flyingstart和 rampstart,由于DTC能在几个毫秒内检测出电动机的状态，在所有的条件下都 能迅速起动。例如，采用DTC,就没有重新起动延时。最大化的起动转矩DTC所持有的精确的转矩控制，使ACS1000具有既可控又平稳的最大的起动转矩。完善 的磁通优化在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了高效率, 并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点。电动机和传动系统 的总体效率提高1%到10%。降低了噪音由于开关状态是分别确定的，ACS1000没 有固定的开关频率，这样，在使用普通PWM技术的交流传动装置中常见的共振所 引起的刺耳的噪音，在ACS1000中是没有的。对电源波动和负载变化反响迅速 ACS1000特有的快速转矩阶跃响应意味着对电网侧和负载侧的变化具有极快的 反响，使得对失电、负载突变和过电压状态易于控制。安静、反响敏捷的操作。 简洁、精确的过程控制输出电压和功率范围(SOOO kVA)5,000V800315电机电压(kV)空冷型正弦滤波器电抗整流桥冷却风机直流电容和正 弦滤波器电容逆变器控制单元ACS 1000这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态 重构的方法来观测电动机的磁链。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检 测的精度，但由于在异步电动机直接转矩调速系统的设计与仿真研究在状态重构 过程中使用了电动机的参数，如果环境变化引起电动机参数的变化，就会影响到 定子磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识 和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一 一直接转矩控制。这种方法结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标 变换引起的计算量大、控制结构复杂、系统性能受电动机参数影响较大等缺点， 系统的动静态性能指标都十分优越,是一种很有开展前途的交流调速方案。因此, 直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究 十分活跃。1. 2直接转矩控制技术传统的交流调速系统通常采用恒压频比的方式，但是由于异步电动机是一种 多变量系统，具有高阶、非线性、强耦合的特点，恒压频比控制这种基于电机的 稳态方程的控制方式的动态响应始终不够理想，调节器参数设置很难到达精度要 求。由于电机控制方法并没有到达让人满意的程度，很多专家和研究人员就开始 在该领域潜心研究。终于在1971年提出了矢量控制技术，从而使交流调频技术 从理论山解决了以前交流调速系统在静、动态性能上不能与直流传动相媲美的问 题。尽管矢量控制存在诸多优点，但是其存在的问题也不可回避。研究人员指出, 矢量控制中存在特性易受电动机参数变化的影响、计算控制复杂、实际性能难于 到达理论分析结果等重大问题，需要进一步改善或者寻找新的控制策略。于是在 1977年，在IEEE杂志上A. B. Piunkett提出了直接转矩控制思想，1985年德国 鲁尔大学的M. Depenbrock教授将直接转矩控制思想应用于实际情况中，随后日 本学者I. Takahashi也提出了与之类似的控制方案，而且在1987年把它推广到 了弱磁调速范围。直接转矩控制理论一经提出，便得到了交流调速控制领域专家的广泛关注， 并且各国专家都投入了大量的精力去研究和开展该控制技术。总体来说，直接转 矩控制技术具有以下几个特点：1、直接转矩控制技术直接控制电动机的输出转矩，即直接给出转矩给定值，以 输出转矩和磁链作为控制对象，对电动机的控制直接明了。2、直接转矩只需掌握被测电动机的转子的电阻即可解决复杂的定子磁链的观测 问题，在很大程度上解决了矢量控制中定子磁链的观测易受电动机各项参数影响 的问题。3、直接转矩控制是一种动态控制手段，不是稳态控制，其精度远远高于传统的 控制策略。直接转矩控制的总体思想就是采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系 下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进 行施密特调节产生脉冲信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获得转 矩的高动态性能。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思：直接转矩控制 与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁 链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此，它 并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制 转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态 和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。对转矩的直接控制 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式 是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比拟，把转矩 波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控 制效果不取决与电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。 它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。 综上所述，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 算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助与离散的两点式调节产生 PWM信号，直对逆变器的开关状态进行最正确的控制，以获得转矩的高动态性能。 它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，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。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高 静动态性能的交流调速方法。但是DTC系统存在的问题是：由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。(2)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。这两个问题的影响在低速时都比拟显著，因而使DTC系统的调速范围受限制。1.3与矢量控制系统的比拟直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定 子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩， 采用离散的两点式调节器(Band-Band控制)，把转矩检测值与转矩给定值作 比拟，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制， 并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动 态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转 矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比拟、等效、转化，即不 需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为 解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所 以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无 超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比拟，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离 散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻 就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需 要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效 果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而 是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简 化。但也存在缺乏：一个是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题。主要是定子电流和磁链的畸变非常严重。另外低速时转矩脉动、死区效应、开关 频率问题也比拟突出。上下桥臂同时导通造成直流侧短路，引入足够大的互锁延 时，带来了死区效应。死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真，于是又产 生电流失真，加剧脉动和系统运行不稳定的问题。如逆变器开关频率不固定、转 矩、电流波动较大、低速性能差和系统调速范围受到限制等。表1-1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比拟性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制有转矩脉动连续控制比拟平滑坐标变换静止坐标变换较简单旋转坐标变换较复杂转子参数变化影响无有调速范围不够宽比拟宽二直接转矩控制系统2.L1异步电动机的数学模型异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。理想状态下 （一般这样假设）电机三相（定、转子）均对称，定、转子外表光滑，无齿槽效 应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。在固定坐 标系下0）,用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型（那么有（，="=0）。基本方程如下:mLsLm0Rr + Lr-co Lr(1)Te =佻一必）=一 七%）(2)Jdco npdtJdco npdt TL Fco(3)R、4：定子电阻和自感R,、Lr：转子电阻和自感Lm ：定子互感：电机转子角速度，即机械角速度心、八：定子电压（。、P）分量晨、口:定子电流（。、0）分量%、U Pr ：转子电压（。、。）分量iar > %：转子电压（。、B）分量J,产分别为机械转动惯量和机械磨擦系数本文均采用空间矢量分析方法，图2-1是异步电机的空间矢量等效图，在正交定子坐标系（。-交定子坐标系（。-各个物理量定义如下：Us （?）一定子电压空间矢量北一定子电流空间矢量“。一转子电流空间矢量乙一定子磁链空间矢量 3 一电角速度依图2-1以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程:4 =柩+ M0 = Rrir 一 族r+j %（5）Ws=L i"Wr "-LI（7）定子旋转磁场输出功率为（下式牝表示定子旋转磁场的频率）： 33= - RE = - sa isa + spisp）（8）并且有忆=血乙（乙+即）把表达式（9）分解到（二-6）坐标下得：Wsa =_%"第=一吗忆夕（1°）第二一以根=以匕（11）把式（10）和式（11）代入式（8）得转矩表达式：3心二5（匕工夕一忆儿。（12）乙从图1可得：结合式（6）、式（7）得：1 3Td=- sa啰）（13）上式也可以表示成（。为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角）：1 3Td = -klk|sin<9（14）定子磁链的幅值根据式（4）由定子电压积分来计算的，而转子磁链幅值由 负载决定的，它根据式（5）由转子电流决定，而稳态转矩据式（14）那么通过计 算磁通角来实现。电压型逆变器的模型逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要局部，本系统采用的是电压型逆变 器。如图2,每个桥臂各有上、下两个开关管（S。、品、枭、S,、5八% ）图2电压型逆变器图2电压型逆变器在同一时刻总有一个开关管断开，另a 一个闭合。其中臬与，Sb与SbS,与S,均互为反向，也即一个导 通而另一个断开。a、b、c表示异 步电机的三相。逆变器总共有8种 开关状态，如表1:表1逆变器8种开关状态开关状态01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111从表1可以看出，开关状态0、7属于同一状态，其相当于把电机三相A、B、 C同时接到同一电位上，这两种状态称为零状态；而另外状态16那么称为工作 状态。所以实际上电压逆变器共有7种不同状态。由图2-2可知，当电压型逆变 器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对 应关系如图2-3,图中"八 人2、人3、人4、%5、k6分别对应状态（°11）、（001）、(101)、 (100)、 (110)、 (010)o