直接转矩控制技术的研究热点
•磁链与转矩观测器研究
磁链观测的误差关系到电动机的稳定运行和动态性能，甚至导致控制失败。对于直 接转矩控制来说，定子磁链的幅值和空间位置是决定电压矢量选择的关键因素。
•无速度传感器技术研究
直接转矩控制中，低速运行时， 如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链， 那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制, 需要转速反馈进行闭环 控制，同样需要知道转速信息。如果采用速度传感器，不仅增加成本，而且使系统 的稳定性和可靠性变差。尤其对于实际应用中不允许安装速度传感器的领域，无速 度传感器技术显得突出重要。
(2) 输入零电压矢量时，定子磁链矢量将保持幅值和相角不变。
以第Ⅰ扇区为例，设磁链空间矢量逆时针旋转，对转矩和磁链 的控制进行分析。
① ψ s 增大和 T 增大
ψ s 的幅 在电压空间矢量 u2 的作用下，
u3
u2
ψ 's
值比 ψ s 的幅值增加， 电机的磁通角 sr 也增加，因此得到电机定子磁链与电 机转矩都增加的结论。
ψs
第I扇区
u5
u6
② ψ s 减小和 T 增大
在电压空间矢量 u3 的作用下， ψ s 的幅值比
ψ s 的幅值减小，得到电机定子磁链减小的
u3
u2
ψ 's
ψ s 第I扇区
结论；但电机的磁通角 sr 增大，并且磁通 角 sr 增加值一定比磁链减小值大， 可得到电 机转矩增大的结论。
u5
u6
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
5 / 3
方向上。
j
第Ⅲ扇区
根据逆变器的开关模式，将电压 空间矢量的分布划分为六个扇 区。
第Ⅳ扇区
u3
u2
第Ⅱ扇区
010
110
u4
011
u0
000 111
u1
100
第Ⅰ扇区
实线代表电压空间状态矢量， 虚线代表磁链轨迹的区间的边 界
001 第Ⅴ扇区
基本知识：
（1）三相感应电动机
T pLMisir sin sr pLM i s i r
pLMi r i s p( LSi s LMi r ) i s pψs i s
量 i s 至 i r 的空间电角度。 (7-0-1) 式(0-1)表明，电磁转矩可表示为定、转子电流矢量的矢量积(叉积)形式，sr 为矢
2 2 uS ud ud e j 3 3
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的

方向上。
⑤ （Sa，Sb，Sc）=0 0 1 时，u5矢量
ua ub ud / 3
将
uc 2ud / 3 ua u u 代入 u b c S
的表达式得：
ud ud 2 1 3 2ud 1 3 uS [( ) ( )( j ) ( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 uS ud [ j ] ud e j 4 / 3 3 2 2 3
滞环比较器
(1) 磁链滞环比较器有两种输出，即 S 1 或 S 1 ；
(2) 转矩滞环比较器有两种输出， 即 ST 1 、ST 0 或 ST 1 ；
1 ：要求 1 或 12 增加
1 ：要求 1 或 12 减小
0 ：代表没有变化
：磁链比较器滞环带宽
T ：转矩比较器滞环带宽
u0 (000,111)
010
u3
u2
110
u4
011
u0
000 111
u1
100

u1 (100)
u2 (110)
u3 (010)
u5
001
u4 (011)
u5 (001)
u6 (101)
u6
101

坐标系的电压矢量分布
定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：
2 uS [ua ub e j 2 / 3 uc e j 4 / 3 ] 3
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
4 / 3
方向上。
⑥
（Sa，Sb，Sc）=1 0 1 时，u6矢量
ua uc ud / 3 ub 2ud / 3
将
ua u u 代入 u 的表达式得： b c S
2u 2 u 1 3 ud 1 3 uS [ d ( d )( j ) ( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 u S ud [ j ] ud e j 5 / 3 3 2 2 3
状态空间矢量的位置： ①（Sa，Sb，Sc）=1 0 0 时，u1矢量
ua 2ud / 3 ub uc ud / 3
将 ua
ub uc 代入 uS 的表达式得： ud ud 2 2ud 1 3 1 3 uS [ ( )( j ) ( )( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2
Ⅲ
u4 (011)
Ⅳ
u5 (001)
Ⅴ
u6 (101) u0 (111)
u4 (011) u1 (100)
Ⅵ
u1 (100)
+1 +1 0 -1 +1 -1 0 -1
u0 (111) u6 (101) u3 (010) u0 (000)
u5 (001)
u0 (111)
u2 (110) u5 (001)
基本控制方法就是通过控制定子磁链的运动轨迹， 使其走走停停， 以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达 到控制电动机转矩的目的。
7.3 开关逻辑
j
直接转矩控制系统采用三相两电平电压 型逆变器向交流异步电机供电。根据空 间矢量的定义及逆变器的开关模式可得 到如右图所示 8 个静态电压矢量：
ψs (t2 )
ψ s
由于 u 的作用使得 定子磁链及定转子
us
sr (t2 )
sr (t1)
ψs (t1)
ψr (t2 )
磁链之间的夹角都 有所增加， 可以得到 电磁转矩增加的结 论。
ψr (t1)
r s
定子电压空间矢量控制转ຫໍສະໝຸດ 变化A 实际运行时，为了充分利用电机铁心通常保持定子磁链的幅值不变（或在很 小的范围内变化）即磁链走圆形轨迹 转子磁链又完全由负载决定是不可控的。 定转子磁链之间的夹角 sr ，是直接转矩控制的主要参数。
从上式可看出（1 1 0）对应位于距离
d
轴的
/3
方向上。
③ （Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，u3 矢量
ua uc ud / 3 ub 2ud / 3
将
ua u u 代入 u 的表达式得： b c S
ud 2ud 1 ud 2 3 1 3 uS [( ) ( j ) ( )( j )] 3 3 3 2 2 3 2 2 2 1 3 2 uS ud [ j ] ud e j 2 / 3 3 2 2 3
S
ST

0
1
1
T
1 1* 1
1
0
1
T T * T
(a)磁链比较器
(b)转矩比较器
逆时针旋转时，磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出与开关逻辑关系
比较器输出
S
ST
扇区 Ⅰ
u2 (110)
Ⅱ
u3 (010) u0 (000)
u1 (100) u4 (011)
③ ψ s 增大和 T 减少
在电压空间矢量 u6 的作用下，ψ s 的幅值比
u3
u2
ψs
ψ
' s
ψ s 的幅值增大，得到电机定子磁链增加的
结论； 但电机的磁通角 sr 减小，并且磁通角
sr 减小值一定比磁链增加值大， 可得到电机
第I扇区
转矩减小的结论。
u5
u6
④ ψ s 减小和 T 减小
ψ s 的幅值 在电压空间矢量 u5 的作用下，
u3
u2
ψs
ψ
' s
比 ψ s 的幅值减小，得到电机定子磁链减 小的结论； 并且电机的磁通角 sr 也减小， 得到电机转矩减小的结论。
第I扇区
u5
u6
⑤ ψ s 不变和 T 减小
在电压空间矢量 u0 的作用下，ψ s 不动，其幅值不变，得到电机 定子磁链不变的结论；由于定子磁链空间矢量保持不动，所以 电机的磁通角 sr 有所减小， 可得到电机转矩减小的结论。 其中， 零矢量 u0 的（000）和（111）的选取是根据“最少开关动作原 则”进行的。
第7部分 直接转矩控制系统
7. 1 直接转矩控制发展 7. 2 直接转矩控制原理 7.3 开关模式 7.4 直接转矩控制系统 7.5 直接转矩与矢量控制的比较 7.6 仿真和应用举例
7.1 直接转矩的发展
• 1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随 后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控 制效果。
• 直接转矩控制（Direct Torque Control， DTC）是继矢量控制技术之后 交流调速领域中新兴的控制技术。
• 直接转矩控制是直接在定子坐标系下，采用定子磁场定向，直接将电机 瞬时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。转矩和定子磁链闭环都 采用双位式bang-bang控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置 直接选择电压空间矢量的开关状态。 • 直接转矩着眼于快速的转矩响应，以获得良好的静、动态控制性能。
•先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究