交流异步电动机直接转矩控制理论是由德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首次 提出，后经过 ABB 公司 10 多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成 为当今交流传动的最先进的控制方法之一。直接转矩控制技术是在变频器内部建 立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态 和电流计算出一组精确的电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用 于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味 着可以产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应，并将转矩相应限 制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。 4.无测速传感器及零速满转矩
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快速可靠。 在上述的几项关键技术中，尤以无传感器技术和零速满转矩技术最为重要，
它对于保证挖掘机安全可靠的工作起着举足轻重的作用。 2.技术方案
根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控 制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难 题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需 要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静 态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化 相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和 200%的起动 转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在 这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。 3.直接转矩控制的原理
近年来，大型露天矿山中的装运设备的生产力逐年提高，主要体现在大型电 气设备-挖掘机上。将交流调速系统引入到挖掘机行业上，使电控系统具有了速 度更高、功率更大、可靠性更强、效率更高和维护费用更低的优点。 1. 挖掘机的关键技术
将交流调速系统应用于挖掘机的电控系统中，主要着手解决以下几方面的关 键技术:
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直接转矩控制 摘要
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。本文首先 介绍了直接转矩控制的原理，分析了它的模型，并且与矢量控制系统相比较，最 后描述了直接转矩控制在挖掘机和电动机车方面的应用。
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三．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。
1.矢量控制系统的特点
VC 系统强调 Te 与Ψr 的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连
关键字：直接转矩控制、挖掘机、电动机车
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一．直接转矩控制系统的原理和特点
图 1 所示为按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统原理图。
图 1 按定子磁链控制的直接转矩控制系统 1.结构特点： （1）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。 （2）转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的 PI 调节器。 2.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： （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。
续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影响，
降低了系统的鲁棒性。
2.DTC 系统特点
DTC 系统则实行 Te 与Ψs 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。
矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差 无几，大约为额定转速的±0.01%。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零 速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只 有额定转速的±1-3%，很难保证电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和 推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加 转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起 两个机构的缓慢上升或下滑。
开关状态。 1.定子磁链反馈计算模型
DTC 系统采用的是两相静止坐标（αβ 坐标），为了简化数学模型，由三相坐标 变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。由于
usα Rsisα Ls pisα Lm pirα Rsisα p sα
usβ Rsisβ Ls pisβ Lm pirβ Rsisβ p sβ
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 (ω*) 函数发 生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。
在电压空间矢量按磁链控制的同时，也接受转矩的砰-砰控制。 例如：以正转（T*e > 0）的情况为例： 当实际转矩低于 T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间 矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升； 当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压 矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降； 稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。 3.DTC 系统存在的问题 （1）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较显著，因而使 DTC 系统的调速范围受到限 制。 为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的 改善，但并不能完全消除。
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3.电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择 在图 1 所示的 DTC 系统中，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。 （1）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； （2）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
目录
摘要................................................................ 2 一．直接转矩控制系统的原理和特点.................................... 3 二．直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型............................ 4 三．直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较............................ 7 四．直接转矩控制的应用.............................................. 8
比较宽
[注] 有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变 化对 DTC 系统也有影响。
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从表 1 可以看出，如果在现有的 DTC 系统和 VC 系统之间取长补短，构成新 的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。
四．直接转矩控制的应用
4.1 直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用
(1)采用无速度传感器的控制策略 由于挖掘机工作在露天环境中，灰尘污染严重，易覆盖和堵塞测速编码器， 影响其正常工作。另外，挖掘机工作过程中会产生很强烈的自身震动，而强烈震 动将很有可能导致编码器的损害。 (2)低频时能保证电机的满转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不 动负载的现象。 (3)满负载时在空中制动停车或再提升时，在不允许采用机械制动抱闸的情 况下，提升和推压机构不会出现下滑或溜车的现象。 在挖掘机工作过程中，每完成一次铲料—提升—回转—下放—卸料的过程， 提升和推压机构就需要在空中制动停车一次。若采用机械抱闸的制动方法来保证 提升和推压结构的零速悬停，虽然可保障两机构不会出现下滑或溜车的现象，然 而频繁的抱闸动作一方面会严重缩短抱闸的使用周期，另一方面抱闸的打开和闭 合所需的延时时间会极大地限制挖掘机的工作效率，同时抱闸与变频器加减速时 间的配合不当还会引起溜车或变频器堵转跳闸的现象。 (4)对再生制动能量的处理必须迅速可靠。 (5)系统具有高的过载能力以及快速的堵转、过流等保护功能。 (6)挖掘机行走机构和回转机构由于采用同一套控制系统，二者的切换必须
在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为
Te np Lm (isβirα isαirβ )
并且
irα
1 Lm
( sα
Lsisα )
irβ
1 Lm
( sβ
Lsisβ )
代入上式并整理得
Te np (isβ sα isα sβ )
（3）
这就是 DTC 系统所用的转矩模型，其结构框图示于图 3。
图 3 转矩模型结构框图
移向并积分后得
sα (usα Rsisα )dt
（1）
sβ (usβ Rsisβ )dt
上式就是图 1 中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图 2 所示。
（2）4图 2源自定子磁链型结构框图上图所示，显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低 速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上 述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。 2.转矩反馈计算模型