交流同步电机矢量控制与DTC
系统的原理分析与比较
交流同步电动机


交流同步电动机具有非线性、强耦合、多变量的 性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型 出发，分析交流电动机的转矩和磁链控制规律， 研究高性能交流电动机的调速方案。 以永磁式同步电机（PMSM）为例研究和分析交 流同步电机的调速方案。永磁式同步电机控制系 统具有更高的运行速度，运行性能更稳定，位置 控制能力更强。永磁式同步电动机具有简单的结 构、小巧的体积、良好的功率因素、较高的效率 和易于维护保养等特点。
二. 矢量控制技术

1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基
于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制 （VC）原理，由此交流电机矢量控制得到 了广泛地应用。 矢量控制借助于坐标变换，将实际的定子 三相电流变换成等效的力矩电流分量和励 磁电流分量，以实现电机的解耦控制，把 交流电动机模拟成直流电动机，控制概念 明确。
电压矢量的选择

下面以定子磁链逆时针在Ⅰ区的控制为例 进行说明（设定子磁链逆时针旋转） 增大磁链：
增大转矩：u6 减小转矩：u0/u7 大幅减小转矩：u5
减小磁链：
增大转矩：u2 减小转矩： u0/u7 电压空间矢量分布图
大幅减小转矩：u1
开关状态选择表
(N )
D1 DT
0 1
1 -1 1 -1

由图可推导出转矩角的表达式为：
tan ( sq / sd ) tan (
1 1
Lq iq Ld id f
)




式中： 、 ：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb ）； ：转子永磁磁链（Wb）； id、iq：定子电流 is 在d、q坐标系下的分量（A）； L q ：定子电感 的d轴分量，即交轴电感（H）； L d ：定子电感 的q轴分量，即直轴电感（H）。
基于SVPWM的矢量控制系统
基于SVPWM的矢量控制系统结构图
矢量控制的特点及存在问题
• 转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量与转 矩分量的解耦。 • 采用连续PID控制，转矩与磁链变化平稳。 • 电机转子参数（特别是电阻）受环境温度影 响较大，干扰磁链定向的准确性。 • 需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
定子电压空间矢量对转矩的影响

当施加超前定子磁链的电压矢量时， 使定子磁链的旋转速度大于转子磁链 的旋转速度，磁链夹角加大，相应转 矩增加。如果施加零矢量或滞后矢量 时，相当于定子磁链矢量停滞不前或 反转，而转子磁链继续旋转，相应转 矩减小。
转矩和磁链砰-砰控制控制

直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过 滞环比较器来实现，采用砰-砰控制。转矩 滞环和磁链滞环的控制原理如图所示。
定子电压空间矢量与磁链的关系

在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什 么电压矢量，不但要依据磁链偏差的大小 ，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当 s处于扇区U6时，为了控制s沿顺时针方 向旋转，应当选择U4（100）、U5（101） 。当磁链幅值达到上限时应选择U5（101） ，当磁链幅值达到下限时选择U4（100）。 反之，当需要磁链作逆时钟旋转时，对应 扇区U6时应选取U2（010）、U3（011）。
Fβ Fb
60° 60°
Fa
Fα
Fc
Clarke变换
矢量控制的数学模型
β T i1 （F1） iT
φ
iβ iTcosφ
γ θ1 φ
Ф ,M iM iα iMcosφ iTsinφ
iMsinφ
α
Park 变换
空间坐标变换
矢量控制的数学模型

经过坐标变化从而 得到等效成直流电 动机模型，可以采 用控制直流电动机 方法控制交流电动 机，实现对电机电 磁转矩的动态控制 ，获得良好的调速 性能。

U2 U3 U1

U6 n U4 U5 θ
i s s r

电压空间矢量
定子电压空间矢量与磁链的关系

定子磁链s(t)与定子电压us(t)之间的关系为
：

s (t ) (u s (t ) i s (t ) Rs )dt
公式表示：忽略定子电阻Rs上压降，定子磁 链空间矢量s沿着电压空间矢量Us的方向， 以正比于输入电压的速度移动，通过逐步合 理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量s 的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨 迹移动。
不需要旋转坐标变换，有静止坐标系实行 Te 与Ψs 砰-砰控制，简化控制结构。 选择定子磁链做被控量，计算磁链模型不 受转子参数变化的影响，提高系统的鲁棒 性。 采用直接转矩控制，能获得快速的转矩响 应。
直接转矩存在问题




由于转矩和磁链采用砰-砰控制，开关频率不确定 ，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒 定的。 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。 系统的定子磁链的轨迹是正六边 形，因而定子电 流含有高次谐渡分量，其中五次和七次 谐波对控 制系统和电网的影响最为严重。 在低速运行时，开关频率越低转矩脉动越大，影 响系统调速性能。
坐标变换等效结构图
磁通的计算


矢量变换的关键是将 1 LM L1 i1 LM i2 电流和磁通矢量变换 u1 ri 1 1 dt 到磁场定向的M-T坐 ' 标系上来。因此，能 2 LM L2 i2 LM i1 否准确地计算磁通Ф LM L2' ，将直接影响到控制 1 L i1 系统的精度。 LM （1）电压模型法 电压模型计算法只适用于 磁通计算公式： 高速运行，在低速运行时， 难以进行精确计算。
Ⅰ u u u u u
Ⅱ u u u u u
Ⅲ u u u u u
Ⅳ u u u u u
Ⅴ u u u u u
Ⅵ u u u u u
电磁转矩模型

在直接转矩控制中， 需要实测电磁转矩作 反馈值。直接测量电 磁转矩在测量技术上 有一定困难。为此， 采用间接法求电磁转 矩。一般是根据定子 电流和定子磁链来计 算电磁转矩。电磁转 矩的表达式可写为：


定子电压磁链模型框图
定子磁链模型

（2）电流模型法 在额定转速30%以下时，磁链只能根据转速来正 确计算，定子电流、转速磁链模型结构图如下：
电流磁链模型电路框图
直接转矩控制系统
+ Esα 磁 链 观 测 ψsα 磁链 角与 磁链 ψsβ 幅值 s 计算 +
s
*
Udc
-
( n)
s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
SA SB iA iB
SC iC
U dc
-
PMSM
电压型逆变器
电压空间矢量



SA、SB、SC分别表示逆变器三相的开关状态 ， SA =1，表示U相的上桥臂导通， SA =0， 表示U相的下桥臂导通。 三个开关量SA、SB、SC共有八种组合，分别 是： (SA、SB、SC) = (000), (101), (100), (110), (010), (011), (001), (111)。 这八种组合中，组合(000)和(111)状态下，电 动机的电压均为零，称为零电压状态，其他 六种组
PMSM的两种调速策略



矢量控制和直接转矩控制（DTC）是两种基于 动态模型的高性能的交流电动机调速系统。 矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将 电机电流分解为转矩电流和励磁电流， 并分别 加以控制，从而获得高性能的控制效果。 直接转矩控制基于定子磁场定向， 以电机转矩 为控制对象， 通过实时观测电机转矩和定子磁 链， 利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器 功率器件的开关状态， 输出合理的电压矢量, 达到对转矩和定子磁链控制的目的。

矢量变换运算

矢量控制原理：矢量控制是以矢量变换 为工具，将定子电流矢量分解为两个相 互垂直的分量：一个相当于直流电动机 磁场电流称为励磁电流分量；另一个相 当于电枢电流称为转矩电流分量。对各 自独立的两个电流分量进行控制就构成 了转矩瞬时值的矢量控制。
矢量控制的数学模型

将定子电流iA、iB、iC 通 过三相／二相坐标变换 (Clarke 变换)等效成两 相静止坐标系下的交流 电流isα、isβ，再通过按 转子磁场定向的旋转变 换(Park 变换)，可以等 效成同步旋转坐标系下 的直流电流ism、ist ，如 式（1）和（2）。
电压空间矢量


Us是由逆变器的开关状态（ SA、SB、SC ）得到的，六种有效电压状态可以得到 六个空间电压矢量。 用下式可以计算出U1 、 U2 ……U6六个 空间电压矢量的幅值和位置。
2 j 2 j 3 U s (ua ub e uc e 3 4 3
)
电压空间矢量

根据计算出其它 电压矢量的幅值 和位置。 由U1 、 U2 ……U6将 定子空间圆等分 为6个扇区，如 右图所示。
四. 矢量控制与DTC特点与性能比较
性能与特点
磁链控制 转矩控制 电流控制 坐标变换 磁链定向 调速范围 转矩动态响应
矢量控制
转子磁链闭环控制
DTC
定子磁链闭环控制
连续控制，比较平滑 砰-砰控制，有转矩 脉动 闭环控制 无闭环控制 旋转坐标变换，较复 静止坐标变换，较简 杂 单 按转子磁链定向 需知道定子磁链矢量 的位置，但无需定向 比较宽 不够宽 不够快 较快
转矩滞环比较器
磁链滞环比较器
开关状态的选择

规则如下：
| s* || s |
| s* || s |
D1 =1 D1 =0
（增加磁链） （减小磁链） （增加转矩） （减小转矩）