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
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三、 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。
取电压矢量 u1, u2 ,u6 时，磁链矢量的轨迹为一
正六边形，而电机定子绕组相电压为一凸字形波 如上图a)所示，如果在选用每一个非零电压矢量 的期间中间分段两次插入零电压矢量u0 ，则原来 凸字形相电压被斩波，变为上图所示b)所示的不 连续的脉冲，相电压的周期增大，这是因为在选 取零电压矢量的期间，磁链矢量的旋转速度为零， 因而磁场旋转一周的时间变长，即电机的转速变 慢。
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例如，当定子原有磁链位于θ(Ⅱ)区域内， 并有s s 的值，如图2-6 所示，如果要求s 逆时针旋转，则分别选择 u2 和 u3 就能满足式 （2-8）的关系。只要定子磁链不出θ(Ⅱ)区， 则反复施加 u2 和u3 。但是，当进入θ(Ⅲ)区后， 则反复选用 u3 和 u1 才能满足式（2-8）。这种控 制叫电压空间矢量PWM控制，也叫磁链跟踪 型PWM控制。
通角 的大小达到改
变转矩的目的。
图 2-2 定子磁链的轨迹
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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s 电磁转矩 ，T分别与给定值 和s 相T比较，
然后选择开关模式，确定PWM逆变器的输出。
图2-3 直接转矩控制原理图
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其中，us、is、s均、为r空间矢量
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在转矩公式中， 为定 子磁链和转子磁链之间的 夹角，称为磁通角。在控 制过程中，为了充分利用 铁心，应保持定子磁链的 幅值为额定值，而转子磁 链是由负载决定的，不能 突变，因此要改变转矩的 大小，可以通过改变磁通 角来实现。
图2-1 磁链矢量图
匀分布在 平面 上，如右
图所示：
图 2-5 逆变器输出电压矢量
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四、定子电压矢量对磁链的调节作用
将（2-7）代入（2-4）中可得：
s usdt uiti s0
(i 0,1,,7)
也就是说，定子磁通 的运s 动方向基本
是沿 进us行的，其运动速度快慢由电压幅 值 来确u定s 。
如果某时刻选取的是零电压矢量，则该时 刻的磁链矢量的旋转速度近似为零。这样就可 以通过选用适当的零电压矢量来降低定子磁链 的平均旋转速度。
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图 2-8 电压矢量与相电压波形图
a) 选用非零电压矢量时的波形
b) 选用零电压矢量时的波形
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下面举例说明零电压矢量的作用。当依次选
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本章小结
• 直接转矩控制是在定子坐标（ ）系下分析交流电动 机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转 变换对异步电动机的 数学模型解耦简化，计算简单明 了，物理概念清楚。
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5.2 直接转矩控制技术(DTC)
• 概述 • 直接转矩控制的基本原理 • 定子电压矢量与定子磁链 • 定子电压矢量对磁链和转矩的影响 • 直接转矩控制系统的介绍 • 直接转矩控制技术与矢量控制技术的比较
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一、概 述
继矢量控制之后，1984年德国鲁尔 大学的Depen Brock 又提出了交流电动 机的直接转矩控制方法，其特点是直接采 用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计 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。
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和矢量控制不同，直接转矩控制摒 弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单的通过电机定子电压和电流，借助 瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转 矩，并根据与给定值比较所得差值，实 现磁链和转矩的直接控制。
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直接转矩控制的特点：
• 控制思想简单 • 控制系统简洁明了 • 动、静态性能优良
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空间矢量的求法，即从三相静止坐标 到两相静止坐标的变换（3φ~2φ变换）
T T
2 1
3
0
1 2 3
2
1 2 3 2
Ta T b Tc
其中，T T 为空间矢量在坐标轴上的分量
Ta Tb Tc 为三相轴线的矢量的模
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用电压型逆变器供电的交流调速系统如下
u
u
u
u
u
01 u u u u u u
-1 u u u u u u
11 u u u u u u
-1 u u u u u u
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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。
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在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得
Te* K p (r* r ) KI (r* r )dt
磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在 额定转速以下，使它保持常数，超过额定转速 时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转矩和定子 磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转 换，通过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。
图2-9 磁通建立过程
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为了确定各电压矢 量作用区间，以 轴为 起点，沿顺时针方向把 整个圆周分为六个扇区， 如右图所示。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，对逆时针磁通， 如扇区Ⅰ由 u2、u6 形成， 扇区Ⅱ由 u2 、u3 形成等 等。
图2-7 扇区的划分
采用零电压矢量改变电机的电压，实际上 是对电机的端电压进行斩波调压，使其幅值减 小，从而达到降低磁链矢量旋转速度的目的。
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五、直接转矩控制系统
图 2-9 直接转矩控制系统图
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上图为德国Dephenbrock教授提出的直接转 矩控制系统，因为具有控制手段直接、结构简 单、性能优良等特点而引起了人们的广泛关注。 该方法摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子 磁场定向转变为定子磁场定向，由于定子磁通 只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性 大大减小。另外，直接转矩控制通过转矩偏差 和定子磁链偏差来确定电压矢量，不象矢量控 制那样进行复杂的坐标转换，计算大大简化。
电磁转矩的表达式可写为：
Te p(1i1 1i1)
图 2-9 转矩模型结构
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定子磁链模型
（1）定子电压电流磁链模型法
定子磁链可以在 坐标下写出如下关系式
1 (u1 R1i1)dt 由此，用下图1 所 示(的u电1 压R电1i流1)d模t 型结构可求得
定子磁链。
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二、直接转矩控制的基本原理
根据异步电机的数学模型，在 坐标下空间矢量电压方程及转矩方程为：
us Rsis ps
（2-1）
Tem PnLm (isir iris )
Pn (is s is s ) Pn (s is )
Ks r Ksr sin （2-2）
显然，如果给定允许误差越小，那么一周 内电压矢量改换的次数越多，电压矢量构成的 多边形的边数越多，其轨迹越接近于半径为指 定值的圆。
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如前所述，当忽略定子绕组电阻压降（该 值一般很小）时，定子磁链的旋转速度与电压 矢量幅值成正比。因此通过改变电压矢量的大 小可以改变旋转磁场的速度即控制电机的转矩， 进而控制转速。
d
e
j
3
u3 (0,1,0) u5 (0,0,1)
2U 3
d
e
j
2 3
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) （ 02-7）
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由式（2-6）可以看出， 空间电压矢量只与三相桥 臂的开关状态有关。由式 （2-7）可以看出电压型逆 变器的基本输出矢量共有8 个（ u0 ~）u7，其中0状态和7 状态称为零矢量，其余6个 为非零基本矢量，称为有 效矢量。这6个非零矢量均
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开关状态的选择规则如下：
| s* || s |
| s* || s |
| Te* || Te | | Te* || Te |
D1 =1 D1 =0
DT =1 DT =-1
（增加磁链） （减小磁链）
（增加转矩） （减小转矩）
开关状态选择（函数）是一个三元函数 U=f（ D1，DT， (N )）
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下面以定子磁链在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