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1、第第7部分部分 直接转矩控制系统直接转矩控制系统1A7.2 7.2 直接转矩控制原理直接转矩控制原理直接转矩控制原理直接转矩控制原理7.3 7.3 开关模式开关模式开关模式开关模式7.5 7.5 直接转矩与矢量控制的比较直接转矩与矢量控制的比较直接转矩与矢量控制的比较直接转矩与矢量控制的比较 7.6 7.6 仿真和应用举例仿真和应用举例仿真和应用举例仿真和应用举例 7.1 7.1 直接转矩控制发展直接转矩控制发展直接转矩控制发展直接转矩控制发展7.4 7.4 直接转矩控制系统直接转矩控制系统直接转矩控制系统直接转矩控制系统 2A 19851985年，德国学者年，德国学者年，德国学者年，德国学者
2、M.DepenbrockM.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随首次提出了直接转矩控制的理论，随首次提出了直接转矩控制的理论，随首次提出了直接转矩控制的理论，随后日本学者后日本学者后日本学者后日本学者I.TakahashiI.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。制效果。制效果。制效果。直接转矩控制（直接转矩控制（直接转矩控制（直接转矩控制（Direct Torque ControlDirect Torque Con
3、trol，DTCDTC）是继矢量控制技术之后）是继矢量控制技术之后）是继矢量控制技术之后）是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术。交流调速领域中新兴的控制技术。交流调速领域中新兴的控制技术。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时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。转矩和
4、定子磁链闭环都采用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双位式双位式双位式bang-bangbang-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控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置直接选控制，根据它们的变化与定子磁链所在的空间位置直接选控制，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。择电压空间矢量的开关状态。择电压空间矢量的开关状态。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。直接转矩着眼于快速的转矩响
5、应，以获得良好的静、动态控制性能。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。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。7.1 直接转矩的发展直接转矩的发展3A 磁链与转矩观测器研究磁链与转矩观测器研究磁链与转矩观测器研究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
6、位置是决定电压矢量选择的关键因素。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。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。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无速度传感器技术研究无速度传感器技术研究无速度传感器技术研究直接转矩控制中，低速运行时，直接转矩控制中，低速运行时，直接转矩控制中，低速运行时，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，如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链，如果选用与转速有关的定子磁链模型来确定磁链，如果选用与转速有关的定子磁链模型
7、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那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制那么就需要知道精确的转速信息。如果对速度的精确控制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需要转速反馈进行闭环控需要转速反馈进行闭环控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
8、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。传感器技术显得突出重要。传感器技术显得突出重要。传感器技术显得突出重要。先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实现
9、代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算。如：模糊控制、神经网络控制、变结构控制。神经网络控制、变结构控制。神经网络控制、变结构控制。神经网络控制、变结构
10、控制。先进器件与直接转矩控制技术集成研究先进器件与直接转矩控制技术集成研究先进器件与直接转矩控制技术集成研究先进器件与直接转矩控制技术集成研究高频功率器件、高速高频功率器件、高速高频功率器件、高速高频功率器件、高速DSPDSP、FPGA/CPLDFPGA/CPLD等。等。等。等。直接转矩控制技术的研究热点直接转矩控制技术的研究热点直接转矩控制技术的研究热点直接转矩控制技术的研究热点4A7.2 直接转矩控制原理直接转矩控制原理基本知识：5A采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：采取空间矢量等幅变换，异步电动机转矩：6A异
11、步电机的电压方程为：异步电机的电压方程为：异步电机的电压方程为：异步电机的电压方程为：结论：定子磁链由定子电压决定结论：定子磁链由定子电压决定结论：定子磁链由定子电压决定结论：定子磁链由定子电压决定 转子磁链由负载决定转子磁链由负载决定转子磁链由负载决定转子磁链由负载决定7A8A定子电压空间矢量控制转矩变化定子电压空间矢量控制转矩变化定子电压空间矢量控制转矩变化定子电压空间矢量控制转矩变化9A10A7.3 开关逻辑开关逻辑坐标系的电压矢量分布 11A定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：定子电压状态空间矢量具有如下通用的表示形式：定子电压状态空
12、间矢量具有如下通用的表示形式：状态空间矢量的位置：状态空间矢量的位置：状态空间矢量的位置：状态空间矢量的位置：（SaSa，SbSb，ScSc）=1 0 0=1 0 0 时，时，时，时，u1u1矢量矢量矢量矢量将将将将代入代入代入代入的表达式得：的表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 0 01 0 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于轴的正方向上。轴的正方向上。轴的正方向上。轴的正方向上。12A（SaSa，SbSb，ScSc）=1 1 0=1 1 0 时，时，时，时，u2 u2 矢量矢量矢量矢量 将将将将代入代入代入代入的表达式得：的
13、表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 1 01 1 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于距离距离距离距离 轴的轴的轴的轴的 方向上。方向上。方向上。方向上。13A（SaSa，SbSb，ScSc）=0 1 0=0 1 0 时，时，时，时，u3 u3 矢量矢量矢量矢量 将将将将代入代入代入代入的表达式得：的表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 1 01 1 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于距离距离距离距离 轴的轴的轴的轴的 方向上。方向上。方向上。方向上。14A （SaS
14、a，SbSb，ScSc）=0 1 1=0 1 1 时，时，时，时，u4 u4 矢量矢量矢量矢量 将将将将代入代入代入代入的表达式得：的表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 1 01 1 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于距离距离距离距离 轴的轴的轴的轴的 方向上。方向上。方向上。方向上。15A （SaSa，SbSb，ScSc）=0 0 1=0 0 1 时，时，时，时，u5u5矢量矢量矢量矢量 将将将将代入代入代入代入的表达式得：的表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 1 01
15、 1 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于距离距离距离距离 轴的轴的轴的轴的 方向上。方向上。方向上。方向上。16A （SaSa，SbSb，ScSc）=1 0 1=1 0 1 时，时，时，时，u6u6矢量矢量矢量矢量 将将将将代入代入代入代入的表达式得：的表达式得：的表达式得：的表达式得：从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（从上式可看出（1 1 01 1 0）对应位于）对应位于）对应位于）对应位于距离距离距离距离 轴的轴的轴的轴的 方向上。方向上。方向上。方向上。17A 扇区的划分扇区的划分 18A19A20A21A22A23A24A25A(a)磁链比较器磁链比较器 (b)转矩比较
16、器转矩比较器 26A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27A 顺时针旋转时，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顺时针旋转时，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28A由于由于8个电压空间矢量个电压空间矢量是离散的，因而不能得是离散的，因而不能得到完全为圆形的定子磁到完全为圆形的定子磁链轨迹。链轨迹。定子磁链的轨迹近似定子磁链的轨迹近似为圆形，应将定子磁链为圆形，应将定子磁链的偏差控制在一定的范的偏差控制在一定的范围内，以达到高性能的围内，以达到高性能的控制要求。控制要求。
17、29A逆时针时定子磁链运行轨迹逆时针时定子磁链运行轨迹逆时针时定子磁链运行轨迹逆时针时定子磁链运行轨迹 转矩的脉动大小转矩的脉动大小由滞环的宽度决定由滞环的宽度决定通过减小滞环带通过减小滞环带宽来减小转矩与磁宽来减小转矩与磁链的脉动，改善磁链的脉动，改善磁链与转矩波形，但链与转矩波形，但相应的需要增加功相应的需要增加功率元件的开关频率。率元件的开关频率。30A7.4 直接转矩控制系统直接转矩控制系统直接转矩控制系统框图直接转矩控制系统框图根据滞环比根据滞环比较器的输出，较器的输出，直接选择所直接选择所需的电压矢需的电压矢量量 31A1.1.定子磁链计算和控制定子磁链计算和控制定子磁链计算和控制
18、定子磁链计算和控制32A定子磁链的幅值为：定子磁链的幅值为：根据定子磁链给定值和实际计算值，就能对定子磁链进行控制。根据定子磁链给定值和实际计算值，就能对定子磁链进行控制。具体具体实现为：实现为：33A2.2.电磁转矩计算和控制电磁转矩计算和控制电磁转矩计算和控制电磁转矩计算和控制考虑空间矢量的等幅变换，异步电机的电磁转矩可表示为：考虑空间矢量的等幅变换，异步电机的电磁转矩可表示为：(7-10)34A将式将式(7-11)代入式代入式(7-10)中，得中，得(7-12)35A3.异步电动机电磁转矩控制过程异步电动机电磁转矩控制过程36A7.5 直接转矩控制和矢量控制之间的比较37A38A结论：矢
19、量控制系统与直接转矩控制系统都是交流传动的高性结论：矢量控制系统与直接转矩控制系统都是交流传动的高性结论：矢量控制系统与直接转矩控制系统都是交流传动的高性结论：矢量控制系统与直接转矩控制系统都是交流传动的高性能系统，都有明显的优点和缺点，都能满足工程应用的需要。能系统，都有明显的优点和缺点，都能满足工程应用的需要。能系统，都有明显的优点和缺点，都能满足工程应用的需要。能系统，都有明显的优点和缺点，都能满足工程应用的需要。39A7.6 仿真和应用举例仿真和应用举例 40A三相感应电动机直接转矩控制系统仿真框图三相感应电动机直接转矩控制系统仿真框图三相感应电动机直接转矩控制系统仿真框图三相感应电动机直接转矩控制系统仿真框图41A42A43A44A45A46A47A48A