异步电动机的直接转矩控制系统.docx
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异步电动机的直接转矩控制系统
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（DirectTorqueControl—DTC），国外的原文有的也称为Directself-control—DSC，直译为直接自控制，这类“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合
控制，不单控制转矩，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差别是，它不是经过控制电流、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
质是用空间矢量的剖析方法，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。
这类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，
并经过磁链和转矩的直接追踪实现PWM脉宽调制和系统的高动向性能。
直接转矩控制系统的主要特色有：
（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下剖析沟通电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
（2）直接转矩控制的磁场定向采纳的是定子磁链轴，只需知道定子电阻就能够把它观
测出来。
（3）直接转矩控制采纳空间矢量的观点来剖析三相沟通电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单了然。
（4）直接转矩控制重申的是转矩的直接控制成效。
直接转矩控制技术用空间矢量的剖析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转
矩，采纳定子磁场定向，借助于失散的两点式调理（Band-Band）产生PWM波信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获取转矩的高动向性能。
它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化办理，没有往常的PWM信号发生器。
它的控制思想新奇，控制结
构简单，控制手段直接，信号办理的物理观点明确。
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观点讲起。
2直接转矩控制的基本物理观点
2.1直接转矩控制中磁通和转矩的丈量
在几种用于控制感觉电机的方法中，直接转矩控制（DTC）据有很重要的地位。
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）三相感觉电机的单相等效电路图；
（b）定子电压和电流的相量图
在解说DTC技术前，先要搞清楚磁通和转矩将怎样丈量。
图
23.61a所示的电路为一个
三相感觉电机的单相等效电路，该等效电路接了一个正弦沟通电源。
由图
23.61a可见定子
电阻r1、定子漏磁通
1、气隙磁通
、转子漏磁通
2、电阻r2
，此中电阻r2
s
汲取了
s
传输到转子的有功功率
Pr。
定子全磁通
S等于
1和
之和，也就是
S1
。
推行到三相，转矩
TM能够表达为
TM
9.55Pr
3
（13.9）
ns
在点4和点N之间汲取的有功功率
Pr
E4NI2。
Pr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
x1、xm、x2其实不用耗有功功率。
所以可得
Pr
E2NI1coss
（23.6）
此中：
Pr为供应给转子的有功功率（
W）；E2N为定子全磁通
S感觉电压（V）；I1为
定子电流（A）；s为E2N与I1的相位差。
E2N不行丈量，可是能够经过丈量
E1N而后减去I1r1获取。
S的大小正比于
E2N的大
小，S滞后E2N90°。
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
r1两
端电压三者之间的关系。
当知道E2N，I1以及
s时，依据式13.9
和式23.6能够计算出转矩。
知道E2N便能够获取
S。
在接下来的内容中，将忽视定子电阻
r1。
2.2经过滞环来控制磁通和转矩
图23.62为感觉电机供电的三相机械变流器
图23.62所示，一个三相感觉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，能够供应六个开关状态。
变流器连结到一个直流电压源Ed。
开关的闭合和断开依据一
个特别的程序来履行。
和PWM技术不一样的是，这个开关频次不是固定，而是依据转矩TM和
定子磁通
S的刹时价决定的。
希望的
S能够是上限
A和下限
B之间的随意值。
带宽越窄，磁通控制越正确。
这
种控制方法常被称作砰砰控制或滞环控制。
当磁通降落到
B时，一个逻辑信号去切换变流
器的开关状态以增大磁通。
相同地，当磁通上涨到A时，一个逻辑信号去切换变流器的开
关状态以减小磁通。
假定转矩为希望值，当
S在滞环宽度内，开关状态不变。
依据上述方
法，S将在
A和B之间不停颠簸。
相同的剖析也能够用在转矩
TM上，TM一定保持在TA
和TB之间，如图23.62所示。
S的额定值对应于
A和
B二者的均匀值。
但是当电机运转在稍微过载的状况下，
磁通其实不需要运转在额定状态，此时能够减小
S以减少铁损。
为了做到这点，能够在不改
变滞环宽度的前提下减小
A和
B。
2.3转速控制
转速的调理是经过控制转矩来实现的。
当转速低于希望值时，控制系统提高
TA和TB，
这样致使电机的转矩低于TB，此时系统将增大转矩，电机加快。
当转速达到希望值时，转
矩TM将在新的TA和TB的设定值内颠簸。
同时，相同的开关状态使S在A和B内。
2.4两相电机中磁场的生成
图23.63两相感觉电机的原理图
如图23.62，当直流电压源Ed接到变流器时，电机是怎样产生一个旋转磁场的呢？
为了
易于说明，可用两相电机来取代三相电机。
进一步将经过例题让读者更简单理解。
用互相垂
直的X绕组、Y绕组来取代定子三相绕组，如图
23.63所示。
每极有10匝绕组，所以
x1和
x2之间有总合
20匝绕组。
y1和y2之间也是相同。
X绕组和Y绕组分别产生磁通
X和
Y，
假定每极磁通为
25mWb。
图23.644个开关与两相电机绕组的连结状况
X绕组和Y绕组经过一个由4个开关构成的变流器连结到
200V
直流电压源Ed上，如
图23.64
所示。
就X绕组而言，有四种连结到Ed“+”“-”的方式。
x1和x2两头分别是（+-）、
（-+）、（++）（--）。
当两头极性相同时，两头明显是短路。
所以这四种方式就只有三种不一样
的连结方式。
注意到
X绕组不可以开路，流过
X绕组的电流IX在开关换流过程中不会断流。
相同的剖析也能够用在
Y绕组。
所以对于
X和Y绕组就有3×3种不一样的连结到
Ed的“+”
“-”的方式，这些连结方式能够用来改变
X和
Y的幅值和方向。
比如在图23.63中X
为向右增大的，
依据楞次定律可知
x1端为正，x2端为负。
依据图
26.63标示能够得出EX为正。
当电压源“
+”和“-”两极连结到
x1端和x2端，
X将是向
右增大的。
依据法拉第定律能够获取
X
EX
（2.24）
t
N
200
这里EX
Ed200V，N20。
因此可得
X
10Wb/s，也就是等于
t
20
10mWb/ms（因为开关周期特别短，
时间单位常采纳毫秒）。
当EX为零（也就是短路），X
也就不变化，保持原值。
相同的剖析也能够用在
Y绕组。
当Ed连结到Y绕组使得EY
200V，y1端为正，y2
端为负，这就使得
Y的变化率为
10mWb/ms，方向向上。
当
Ed连结到Y
绕组使得
EY200V，y1端为负，y2端为正，这就使得磁通
Y的变化率为
10mWb/ms，方向
向下。
例23-7
在某个时辰，假定
X为
15mWb，正号（+）表示
X的方向向右。
同时假定Y
为8mWb，负号（-）表示
Y的方向向下。
绕组
X和Y与Ed的连结方式忽然变成如图
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的初始大小及其方向
b2.2ms后定子磁通S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的初始方向如图23.66所示。
22
SXY
152（8）2
17mWb
SarctanY
X
8o
arctan28
图23.66（a）S的初始地点；（b）S
的最后地点（见例
23-7）
b如图
23.65所示，由于x1相对于x2
为负，可知EX
200V
，
X的变化率为
10mWb/ms，方向向左。
但是因为EY
0，Y其实不改变，保持为
8mWb/ms。
2.2ms
中
X的变化量为2.2ms10mWb/ms
22mWb，可得
2.2ms后
X为
15mWb22mWb
7mWb。
在这2.2ms中，
X先由
15mWb降到0，而后反向变成
7mWb，负号表示
X的方向向左。
2
2
S
X
Y
（
7）2
（
8）2
10.6mWb
Sarctan
Y
arctan
8
131o
X
7
能够看出，在2.2ms中S的方向角由28o变成131o，也就是顺时针旋转了103o，
证了然能够经过开关的适合开通和关断能够生成一个旋转的磁场。
经过上述剖析可见，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连续时间的乘积，即伏秒特征。
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
此刻来说明图23.63中的两相电机怎样生成旋转磁场。
为了把这个问题求情楚，将运用
六步开关方式来进行剖析。
X和
Y的额定值为25mWb。
第一步（0t
2.5ms）：
EX
200V；EY
0
假定电机的初始磁通为零，也就是
X
Y
0。
而后经过调整开关状态使得
EX
200V和EY0。
X将以10mWb/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不超出额定值，在第一步结束的时候将
x1和x2之间短路。
第二步（2.5ms
t5ms）：
EX
0；EY
200V
当x1和x2之间仍保持短路的状况下，调整开关状态使得
EY
200V
。
原来初始为零
的
Y将立刻方向向上增大。
保持EY
200V的状况下
Y增大到25mWb的时间
t
25mWb/（10mWb/ms）
2.5ms。
因为
Y不可以超出25mWb，所以在第二步结束的
时候要将y1和y2
之间短路，得的EY0。
第三步（5ms
t
10ms）：
EX
200V；EY0
这一步在X
绕组上加负电压。
X将以10mWb/ms的变化率向左增大。
因为
X的初
始值为25mWb，
X将在2.5ms后变成零。
假如保持EX
200V，
X将连续向左反
向增大，在
2.5ms后变成25mWb。
此时将x1和x2之间短路。
第四步（10ms
t
15ms）：
EX
0；EY200V
EY
200V
，
Y将以10mWb/ms的变化率向下反向增大。
5ms后
Y25mWb，
此时将y1和y2之间短路。
第五步（15mst
20ms）：
EX
200V；EY
0
X向右增大。
当
X达到
25mWb时，此时将x1和x2之间短路。
第六部（20mst
22.5ms）：
EX
0；EY200V
Y将以10mWb/ms的变化率向上正向增大。
因为
Y的初始值为
25mWb，所以
2.5ms后Y变成零。
经过上述剖析，能够看到
S正好旋转一周。
图23.67在不一样时辰时磁通S的幅值和方向
图23.68EX
、EY、
X、Y的刹时价
EX、EY、X、
Y的刹时价如图
23.68所示，EX和EY为矩形波，
X和Y为梯
形波。
图23.67对于察看
S的空间方向特别实用途。
比如，在t6ms时，X
15mWb，
Y25mWb，则
2
2
S
X
Y
（15）2（25）2
29.1mWb
Sarctan
Y
X
arctan
25
59o
15
S旋转一周的时间为20ms，也就是说转速为每秒50转或3000r/min。
从图23.67的正方形图中，能够看到4个角的S可达到35mWb，大于额定值
（25mWb）40%，这类状况一定被校订。
2.6磁通的控制
经过为S设置上下限，经过开关状态的配合切换能够获取一个更为靠近圆形的磁通。
比如要把磁通限制在1pu（额定值）与1.12pu之间，能够以这两个值为半径做两个齐心圆，
选择适合的开关方式，使S限制在25mWb和28mWb之间变化。
图23.69中S一周开关
切换20次，而图23.67中每周只有4次，但前者S的精度保持在26.56%。
图23.69S的运动轨迹
图23.70EX、EY、X、
Y的刹时价
减小滞环宽度能够降低
S颠簸的范围。
如选择
S在1pu与1.06
pu之间，能够获取
3%的精度，可是
S旋转一周需要的开关次数变成
44次。
因为一周时间仍为
20ms，则
开关每秒钟需要切换的次数为
44/20ms=2200次/s。
可见假如想获取高精度的
S，就需要提
高开关的切换频次。
2.7旋转速度的控制
注意到换流次数的增添其实不影响旋转一周需要的时间是特别重点的。
一旦
S的最小值
定为25mWb，则旋转一周往常需要
20ms，均匀旋转速度为
3000r/min。
旋转速度nR为
kEd
（23.37）
nR
S
式中nR为
S的旋转速度，单位r/min；Ed为直流电压源的电压值，单位
V；S为每极
的额定磁通，单位
Wb；k为与电机构造相关的常数，如每极绕组的匝数
从式
23.7可知，有两个方法能够改变
S的旋转速度：
1、改变
Ed
；2、改变
S。
降
低S可增添旋转速度。
若
S不变，则用于控制
S的伏秒值也不变。
增添
Ed
，可相应减
小时间
t
。
若
Ed
由200V
增加到
300V
，则
S的旋转速度由
3000r/min
增加到
4500r/min。
实质上，Ed是固定的。
别的，第三种方法就是引入“零矢量”
，马上X、Y绕组短接。
处在“零矢量”时，S
在此时期保持不动，这样就增添了旋转一周所需的时间。
如增添“零矢量”40个，每个2ms，
则旋转一周所需的时间由
20ms增添到20402100ms。
2.8开关切换逻辑
想使磁通和转矩保持各自的滞环内
（磁通在25mWb和28mWb之间，转矩在TA和TB之
间），那该怎样确立开关切换逻辑呢？
图23.71五个开关状态对S的作用
图23.72五个开关状态对TM的作用
假定
S的刹时价和地点如图23.71所示的
S1，S以3000r/min的速度逆时针方向
旋转。
此外假定电机转子以600r/min的速度逆时针方向旋转。
因为
S1小于25mWb，必
须经过开关切换使得
S回到滞环内。
可供选择开关状态共有五种，它们分别是
1
让EX
200V
，使磁通向右。
2
让EX
200V
，使磁通向左。
3
让EY
200V，使磁通向上。
4
让EY
200V，使磁通向下。
5
让EX
0V、EY0V，也就是将X绕组、Y绕组短路。
要使图23.71所示的
S1回到滞环内，明显第
2、第4两种开关状态要被清除。
第
5种
开关状态因为只好使得
S1原地不动，故也被清除。
仅第
1、第3两种开关状态能够选择。
究竟选择第1、第3中哪一个，还要看
TM的状况。
由图23.72可见，当TM
TA时可选择第
1种开关状态，
S1顺时针方向旋转变成
S1a，
与转子旋转方向相反，此时对转子制动。
当
TM
TB时可选择第3种开关状态，
S1逆时针
方向旋转变成
S1b，与转子旋转方向相同，对转子加快。
改变开关状态可使
S和TM在所
要求的范围内运转。
下边来剖析S2
的状况。
因为
S2大于25mWb，就一定调整开关状态使得
S2回到
滞环内。
第2、第3两种开关状态使得
S2
更为远离滞环，所以被清除。
第
5种开关状态因
为只好使得
S2原地不动，故也被清除。
这样就只剩下第
1、第4两种开关状态能够选择。
由图23.72可见，当TM
TA时可选择第
1种开关状态，
S2顺时针方向旋转变成
S2a，
与转子旋转方向相反，此时对转子制动。
当
TM
TB时可选择第4种开关状态，
S2逆时针
方向旋转变成
S2b，与转子旋转方向相同，对转子加快。
改变开关状态可使
S和TM在所
要求的范围内运转。
下边只剩下最后一种状况：
S3已在滞环内，此时有五种开关状态可供选择。
假如
TMTB，能够选择第1种开关状态使TM增大。
S3逆时针方向旋转变成S3a。
假如
TM
TA，能够选择第2种开关状态使TM增大。
S3顺时针方向旋转变成
S3b。
因为S以
3000
600
3600r/min的速度切割转子绕组，
故而产生了一个巨大的制动转矩。
自然也
能够选择第
5种开关状态。
在这类状况下，
S将保持不动，转子依据600r
/min的速度旋
转，这样能够产生制动转矩。
采纳第5种开关状态因为减小了每秒钟的换流次数而比采纳第
2种好。
经过上边的剖析，能够发现开关切换逻辑确实定完整取决于S和TM的刹时价以及它
们各自滞环的上下限。
2.9刹时转差与转矩的产生
为了更好的理解
TM
，假定一个两相电机经过变流器接到
200V的直流电压源上，
S在
A和
B之间。
除了
X、Y
绕组短路的状况之外，
S以3000r/min的速度逆时针方向旋
转。
假定转子以600r/min的速度逆时针方向旋转。
图23.73（a）转子电压和电流；（b）TM
S切割转子绕组的速度为3000600
2400r/min，由图23.73a可见，此时转子上
感觉出很高的电压
ER。
ER在转子绕组中产生电流
IR。
IR的变化率取决与
ER和定子转子
绕组的漏感。
上涨的
IR在定子磁场内将将生成不停增大的
TM。
在经历t1时间后，当TM上
升到TA，短接X、Y绕组，S保持不变。
S停止转动，但转子因为惯性仍以
600r/min
转动，转差为0600
600r/min，此时转子中感觉出的电压值为
ER/4，转子电流和
转矩将减小。
由图
23.73b可知，经历t1时间后，TM降落到TB。
改变开关状态，使
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