第二节：定子磁链观测模型的切换
定子磁链的观测是直接转矩控制的核心，无 论是幅值还是相位的不准确，都会使得控制 性能变差
我们前面介绍的是定子电流电压的磁链观测模型， 但是有在低速时误差大的缺点
在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速来正 确计算，因此出现定子电流、转速观测模型
定子电流、转速磁链模型表达式及结构图如下
缺点：＊定子电阻参数随温度的变化会影响观测 精度。特别是低速时，尤其是接近零速 时，影响很大，不能正确观测。
＊采用了纯积分器，带来了直流偏置和初 始值问题。
如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电 压空间矢量和逆变器的开关状态。
定子电压矢量与定子磁链
对三相系统而言，空间矢量是这样定义的： 把三个变量看成是三个矢量的模，它们的位置分 别处于三相绕组的轴线上，当变量为正时，矢量 方向与各自轴线方向相同，反之，则取反方向， 然后把三个矢量相加并取合成矢量的2/3倍，此 矢量即为空间矢量。
压和电流也是易于检测的物理量。 缺点：
（1）积分器存在漂移问题 （2）电机转速很低时，由于定子电压的减小， 被积分的差值很小，产生积分误差很大。 （3）电机不转时，定子电压为零，算不出定子 磁链值，此模型无法使用。
特点：＊模型结构简单，只受一个电机参数（r1） 的影响，易于实现。
＊在高速范围内（n≥30%ne），能准确的 估计定子磁链 。
г1
г 2 电磁转矩当前状态
0
1 ΔT<-0.5 Δ T
0
1 Δ T 在滞环内，呈上升趋势
1
0 Δ T 在滞环内，呈下降趋势
1
1 Δ T >-0.5 Δ T
结合当前定子磁链和电磁转矩的状态，再 根据空间电压矢量的调节作用，来决定对 应区域的开关策略
根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰 控制，按控制程序选取电压空间矢量的 作用顺序和持续时间。
正六边形的磁链轨迹控制
如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的 控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁 链偏差较大。
圆形磁链轨迹控制：
如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复 杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。 该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好 Ψ*s = f (*) 函数发生程序，以确定不同转 速时的磁链给定值
磁链的矢量角度减小，电磁转矩减小
由此可见非零电压矢量的切换不仅可以调节定 子磁链幅值和转速的大小，还同时影响到转矩 的大小和变化速度。
空间电压矢量的调节作用表
定子电压
U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6
调节作用 Ψ1的幅值自由衰落，Te下降 Ψ1的幅值增大，Te迅速下降 Ψ1的幅值减小，Te减小 Ψ1的幅值影响不大，Te迅速下降 Ψ1的幅值影响不大，Te迅速增大 Ψ1的幅值增大，Te增大 Ψ1的幅值减小，Te增大
DTC系统特点
DTC系统则实行 Te 与Ψ1 砰-砰控制，避开了旋 转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不 是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避 免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到 限制。
两种系统的特点与性能的比较见下表。
直接转矩控制和矢量控制特点与性能比较
性能与特点 直接转矩控制系统
直接转矩控制系统的原理 除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问 题就是：
转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；
如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来 选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。
转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在α、β坐标系中电压的表达式为：
ua1
ia1r1
d a1
dt
u1
i 1r1
d 1
直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高 性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和 磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模 型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。
矢量控制系统特点
VC系统强调 Te 与Ψ2的解耦，有利于分 别设计转速与磁链调节器；实行连续控制， 可获得较宽的调速范围；但按Ψ2 定向受电动 机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒 性。
Te np Lm (i1i 2 i1i 2 )
又因为：
i 2
( 1
Lsi1) Lm
i 2
( 1
Lsi1) Lm
Te np (i1 1 i1 1)
根据电磁转矩的表达式，可以得到观测模型如下
iβ1
Ψα1
×
Ψβ1
×
iα1
×
np Te
定子电压电流磁链模型法优缺点
优点： 只需要确定电动机的定子电阻，定子电
按定子磁链控制的直接转矩控制系统
在实际控制过程中，将测得的电机三相电 压和电流送入计算器，计算出电机的定子
磁链 和电1 磁转矩 ，分Te别与给定值 和
相比1较 ，T然e 后选择开关模式，确定PWM 逆变器的输出。
总的来说，直接转矩控制就是通过对定子电 压空间矢量的控制达到以下两个目的： （1）维持定子磁链幅值的恒定 （2）控制定子磁链旋转速度的大小
第五章
异步电动机直接转矩控制
概 述
直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起 来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频 调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈 直接控制电机的电磁转矩，因而得名。
其特点是直接采用空间电压矢量，在定子坐标系 下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场 定向，借助于离散的两点式调节产生PWM（空 间矢量SPWM）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。
应用智能控制理论实现的直接转矩控制 ① 基于模糊逻辑的直接转矩控制 ●采用模糊逻辑代替传统直接转矩控制中的开关状 态选择器（滞环比较器和优化开关表——电压矢 量表），实现开关状态（电压矢量）的选择。
特点：结构简单，易于实现 提高了系统的响应速度和抗参数变化的能力
●速度调节器采用自适应模糊控制器
特点：使系统的响应速度更快，超调小，系统的低 速性能得到改善。
1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并 在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电 压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解 成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制， 简化了控制器的结构。
2）选择定子磁链作为被控量
而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一 来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化 的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从 数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然 要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采 用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有 影响。
开关策略是根据所得到的磁链偏差和转矩偏差， 根据偏差来决定采用哪个最合适的非零电压矢量， 从而控制磁链和电磁转矩在相应的范围内。
定子磁链当前状态表
Φ1
Φ2 定子磁链当前状态
0
1 ΔΨ1<-0.5 ΔΨ1
0
1 ΔΨ1在滞环内，呈上升趋势
1
0 ΔΨ1在滞环内，呈下降趋势
1
1 ΔΨ1>-0.5 ΔΨ1
电磁转矩当前状态表
u5 (0,0,1)
2U 3
d
e
j
4 3
u4 (0,1,1)
2
U 3
d
u6 (1,0,1)
2U 3
d
e
j
5 3
u0 (0,0,0) u7 (1,1,1) 0
Ψ1 (u1 r1I1)dt
Ψ1 u1dt
u1
dΨ1 dt
u1
d dt
(Ψ me j1t )
j1Ψ me j1t
Ψ e j(1t
需要两种模型的平滑切换装置
Y
n<n1
N
Y
Model=0
Model=1
N
Y
N
n>n2
Model=1
采用I-n模型
采用I-n模型
采用U-I模型
U-n定子磁链观测模型
优点： ＊综合了u-i模型和i-n模型的优点，适合全 速范围
＊通过电流PI调节器进行补偿（ e )，is i%s
以修正 和电流，使观测精度大大提高 1
π 2
)
1m
定子磁链的矢量就是电压矢量的积分
100
110 u6
u4 S2 S6
u5 101
S3
S4
010 u2
S1 S5
u3 011
u1 001
每个扇区内的磁 通轨迹由该扇区 所对应的两个电 压矢量来形成
定子电压矢量与转矩 实际运行中定子磁链的幅值恒定，电磁转矩的 大小由此时的转差角速度ws唯一确定 Ws的值越大电磁转矩的变化率就越大 而ws的大小由磁链的旋转角速度唯一确定 磁链的矢量角度增加，电磁转矩增大
结构特点
转速双闭环：
ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对 转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统 实现了近似的解耦。
转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器。
控制特点
与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机 的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系 统与VC系统不同的特点是：
3）由于采用了直接转矩控制，在加减速 或负载变化的动态过程中，可以获得快速的 转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流， 以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响 应的快速性也是有限的。
性能比较
从总体控制结构上看，直接转矩控制 (DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的， 都能获得较高的静、动态性能。
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，比较平滑