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（Direct Torque Control—DTC），国外的原文有的也称为Direct self-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1r 、定子漏磁通1Φ、气隙磁通Φ、转子漏磁通2Φ、电阻2rs ，其中电阻2r s 吸收了传输到转子的有功功率r P 。

定子全磁通S Φ等于1Φ和Φ之和，也就是1S Φ=Φ+Φ。

推广到三相，转矩M T 可以表达为9.553r M sP T n =⨯ （13.9） 在点4和点N 之间吸收的有功功率42r N P E I =。

r P 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1x 、m x 、2x 并不消耗有功功率。

因此可得21cos r N s P E I θ= （23.6）其中：r P 为提供给转子的有功功率（W ）；2N E 为定子全磁通S Φ感应电压（V ）；1I 为定子电流（A ）；s θ为2N E 与1I 的相位差。

2N E 不可测量，但是可以通过测量1N E 然后减去11I r 得到。

S Φ的大小正比于2N E 的大小，S Φ滞后2N E 90°。

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1r 两端电压三者之间的关系。

当知道2N E ，1I 以及s θ时，根据式13.9和式23.6可以计算出转矩。

知道2N E 便可以得到S Φ。

在接下来的内容中，将忽略定子电阻1r 。

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成，可以提供六个开关状态。

变流器连接到一个直流电压源d E 。

开关的闭合和断开按照一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M T 和定子磁通S Φ的瞬时值决定的。

期望的S Φ可以是上限A Φ和下限B Φ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 Φ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 Φ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 Φ在滞环宽度内，开关状态不变。

按照上述方法，S Φ将在A Φ和B Φ之间不断波动。

相同的分析也可以用在转矩M T 上，M T 必须保持在A T 和B T 之间，如图23.62所示。

S Φ的额定值对应于A Φ和B Φ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 Φ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 Φ和B Φ。

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A T 和B T ，这样导致电机的转矩低于B T ，此时系统将增大转矩，电机加速。

当转速达到期望值时，转矩M T 将在新的A T 和B T 的设定值内波动。

同时，相同的开关状态使S Φ在A Φ和B Φ内。

2.4 两相电机中磁场的生成图23.63 两相感应电机的原理图如图23.62，当直流电压源d E 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1x 和2x 之间有总共20匝绕组。

1y 和2y 之间也是一样。

X 绕组和Y 绕组分别产生磁通X Φ和Y Φ，假设每极磁通为25mWb 。

图23.64 4个开关与两相电机绕组的连接情况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d E 上，如图23.64所示。

就X 绕组而言，有四种连接到d E “+”“-”的方式。

1x 和2x 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X I 在开关换流过程中不会断流。

相同的分析也可以用在Y 绕组。

因此对于X 和Y 绕组就有3×3种不同的连接到d E 的“+”“-”的方式，这些连接方式可以用来改变X Φ和Y Φ的幅值和方向。

例如在图23.63中X Φ为向右增大的，根据楞次定律可知1x 端为正，2x 端为负。

按照图26.63标示可以得出X E 为正。

当电压源“+”和“-”两极连接到1x 端和2x 端，X Φ将是向右增大的。

根据法拉第定律可以得到X X E t N∆Φ=∆ （2.24） 这里200X d E E V ==，20N =。

因此可得20010/20X Wb s t ∆Φ==∆，也就是等于10/mWb ms （因为开关周期特别短，时间单位常采用毫秒）。

当X E 为零（也就是短路），X Φ也就不变化，保持原值。

相同的分析也可以用在Y 绕组。

当d E 连接到Y 绕组使得200Y E V =+，1y 端为正，2y 端为负，这就使得Y Φ的变化率为10/mWb ms +，方向向上。

当d E 连接到Y 绕组使得200Y E V =-，1y 端为负，2y 端为正，这就使得磁通Y Φ的变化率为10/mWb ms -，方向向下。

例23-7 在某个时刻，假设X Φ为15mWb +，正号（+）表明X Φ的方向向右。

同时假设YΦ为8mWb -，负号（-）表明Y Φ的方向向下。

绕组X 和Y 与d E 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 Φ的初始大小及其方向b 2.2ms 后定子磁通S Φ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 Φ的初始方向如图23.66所示。

222215(8)17S X YmWbΦ=Φ+Φ=+-=8arctanarctan 2815Y S X αΦ-===-Φ图23.66 （a ）S Φ的初始位置；（b ）S Φ的最终位置（见例23-7）b 如图23.65所示，由于1x 相对于2x 为负，可知200X E V =-，X Φ的变化率为10/mWb ms -，方向向左。

然而由于0Y E =，Y Φ并不改变，保持为8/mWb ms -。

2.2ms中X Φ的变化量为2.210/22ms mWb ms mWb ⨯-=-，可得2.2ms 后X Φ为15227mWb mWb mWb +-=-。

在这2.2ms 中，X Φ先由15mWb +降到0，然后反向变为7mWb -，负号表示X Φ的方向向左。

10.6S mWbΦ===8arctanarctan 1317Y S X αΦ-===-Φ- 可以看出，在2.2ms 中S Φ的方向角由28-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 Φ和Y Φ的额定值为25mWb 。

第一步（0 2.5t ms >>）：200X E V =+；0Y E =假设电机的初始磁通为零，也就是0X Y Φ=Φ=。

然后通过调整开关状态使得200X E V =+和0Y E =。

X Φ将以10/mWb 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 Φ不超过额定值，在第一步结束的时候将1x 和2x 之间短路。

第二步（2.55ms t ms >>）：0X E =；200Y E V =+当1x 和2x 之间仍保持短路的情况下，调整开关状态使得200Y E V =+。

本来初始为零的Y Φ将立即方向向上增大。

保持200Y E V =+的情况下Y Φ增大到25mWb 的时间25/(10/) 2.5t mWb mWb ms ms ∆==。

由于Y Φ不能超过25mWb ，所以在第二步结束的时候要将1y 和2y 之间短路，得的0Y E =。

第三步（510ms t ms >>）：200X E V =-；0Y E =这一步在X 绕组上加负电压。

X Φ将以10/mWb ms 的变化率向左增大。

由于X Φ的初始值为25mWb +，X Φ将在2.5ms 后变为零。