直接转矩控制提升高动态性能变频器

直接转矩控制技术方案晚于矢量控制。转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器（Bang-Bang控制器），对PWM变频器直接用这两个控制信号产生SVPWM波形。从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量的解耦控制，省去了旋转变换和电流控制。与矢量控制相比较，大大地简化了控制系统的结构。

与矢量控制相比较，直接转矩控制的方法简单。直接通过逆变器开关模式的切换去控制电磁转矩，转矩响应更快。其缺点是存在转矩脉动问题。而矢量控制却具有更好的低速稳定性，调速范围更宽。前者适于需要快速响应的系统，而后者适于宽调速范围的系统。

弄清直接转矩控制的原理，需要很大的篇幅。本小节的目的，是使变频器的使用者建立较为明确的简要概念。着重说明利用磁通和转矩的砰-砰控制器去直接控制电磁转矩的原理。

从电压矢量的概念我们看到，瞬时的改变电压空间矢量，电机的磁动势一定会立即响应。因为不计定子电阻压降时，定子磁链空间矢量是电压空间矢量的积分：

Ψ_s=∫du_sdt=u_kt_k+Ψ_s0=ΔΨ_sk+Ψ_s0

式中 Ψ_s0——初始矢量。

上式表明，Ψ_s的改变，是由于u_k及其作用时间决定的。采用图2-64所示的空间矢量的“折角控制”，则可以得到电机端电压的PWM波形。这就是说，适当的反复切换空间矢量，使磁场进进退退，Ψ_s的轨迹会向“圆”靠拢。如图2-69所示，为使Ψ_s的轨迹趋于圆旋转磁势，可以使定子磁链的幅值Ψ_s与给定值Ψ_s∗之间的偏差处于允许偏差ΔΨ_s之内，满足

这个容差范围可以用图2-70所示的两点式调节器的特性来设定，因为滞环宽度是可以人为调节的。容差越小，电压空间矢量的切换越频繁，Ψ_s越趋于恒定，磁场轨迹越趋于圆形。检测电机的电压、电流，再通过电机的磁链模型，可以求得磁链的实际值Ψ_s，与Ψ_s∗相比较，即可以实现闭环控制。

如果控制Ψ_s恒定，进而可以控制电机的电磁转矩。由电机理论，电机的电磁转矩可以表示为

图2-69 Ψ_s允许误差

T_em=kΨ_sΨ_rsinθ_sr

式中 Ψ_s——定子全磁链矢量的幅值；

Ψ_r——转子全磁链矢量的幅值；

θ_sr——两磁链的夹角，称为转矩角。

利用上式，可以分析电压空间矢量对电机电磁转矩的“直接”控制功能。在足够短的采样周期内，可以忽略Ψ_r的变化，因为Ψ_r对电压空间矢量的反应要比Ψ_s的反应缓慢。只看电压空间矢量对Ψ_s的作用，即可判断转矩T_em的变化趋势。

恰当地选择电压空间矢量及其作用时间作用顺序。是直接转矩控制的关键，下面举例说明空间电压矢量的选择。

图2-70 两点式比较器

图2-71 扇区的定义

即时的选定电压空间矢量，与定、转子全磁链Ψ_s、Ψ_r的瞬时空间位置关系极大。为确定Ψ_s、Ψ_r的空间位置，必须定义电压空间矢量图中的扇区。为了实现直接转矩控制，按图2-71定义扇区，会对分析问题带来很大的方便（分析问题时，也可以用别的方式去定义）。显然u_k（k=1～6）处于对应扇区k（k=Ⅰ～Ⅳ）的正中央，是这种定义方式的特点。

在电机定子的α-β静止坐标系的复平面内，初始状态下的Ψ_s和Ψ_r如图2-72所示，Ψ_s处于Ⅱ扇区内。θ_sr为转矩角如图所示。以Ψ_s、Ψ_r逆时针旋转为例分析问题。为了研究电压空间矢量如何选择，把电压空间矢量画在Ψ_s的矢头上。如前所述，Ψ_r对定子电压空间矢量的响应比Ψ_s响应缓慢，在很小的采样周期内，认为Ψ_r不变，无论是幅值和空间位置都不变。当改变电压空间矢量时，Ψ_s立即响应，我们仅根据Ψ_s的变化，来研究电磁转矩的变化，这么做是不会影响物理本质的。

图2-72 定子磁通和所产生的转矩受逆变器状态选择的控制原理的说明

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图2-73 电动机定子电压对于定子磁通与转矩影响的说明

在第Ⅱ扇区，如果选择u₂矢量作用Δt时间，由图2-73a可见，Ψ_s增加，转矩角θ_sr增加，转矩T_em增加；如果选择u₁矢量作用Δt时间，由图2-73b可见：Ψ_s增加，功角θ_sr减小，转矩T_em减小。

此外，如果选择零矢量，由于Ψ_s停顿，θ_sr减小，T_em减小。

根据上述分析，对于所有扇区的各种不同情况示于表2-6中。

表2 - 6 各个电压矢量对定子磁通和所产生转矩的影响

在图2-72中，Ψ_s转到第k个扇区时，它与u_k矢量最靠拢，我们称Ψ_s与u_k相关。Ψ_s转到②扇区时与u₂相关，当Ψ_s的相位是200°时，则Ψ_s与u₄相关。在特定的扇区内，选择Ψ_s的相关电压矢量时，实际上对转矩的影响是不定的。因为在扇区内Ψ_s是转动的，Ψ_s与相关矢量的夹角是有一个范围的。比如在第②扇区，Ψ_s可能落后于、同相于或超前于u₂矢量。u₂矢量对T_em的影响，可能是T_em增加、不变或减小。在图2-73中，对应的仅是其中一种可能。因此在表2-6中u_k对转矩的影响用“？”表示。

我们不难得到如下重要概念

（1）定子磁链是定子电压的积分，它的大小强烈取决于定子电压。

（2）产生的电磁转矩与定子磁链和转子磁链之间夹角的正弦成正比。

（3）转子磁链对电压矢量变化的反应，要比定子磁链缓慢。因而定子磁链和电磁转矩可以直接由定子电压空间矢量的恰当选择（即逆变器的开关状态的选择）来直接控制。

定子电压矢量的选择，可由下列概念来决定。

（1）与Ψ_s矢量不对齐且夹角不超过±90°的非零电压矢量引起磁势幅值增加。

（2）与Ψ_s矢量不对齐且夹角超过±90°的非零电压矢量引起磁势幅值减小。

（3）与Ψ_s矢量不对齐且夹角等于±90°的非零电压矢量引起磁势幅值基本不变。

（4）零矢量u₀和u₇（合理的短持续时间）实际上不影响定子磁动势，它停止转动。

（5）依Ψ_s的转向为参考，超前于Ψ_s的非零电压矢量，使T_em增加。

（6）依Ψ_s的转向为参考，落后于Ψ_s的非零电压矢量，使T_em减小。

根据上述概念，可以事先设计矢量选择表，用于直接转矩控制系统。该选择表不难拟定^[13]，不再深入说明。

图2-74 直接转矩控制系统框图

直接转矩控制系统如图2-74所示。可见利用磁链的双位式Bang-Bang控制器和转矩的双位式Bang-Bang控制器的输出信号和检测得到的扇区角信号θ_k。可以根据开关状态选择表选择逆变器的开关状态，即选择电压空间矢量。进而直接控制电机的电磁转矩。实践表明转矩的动态响应是很快的。适用于要求快速响应的大惯量电机调速系统。

由图2-74可见，基于SVPWM的思维方式，利用定子电压空间矢量，直接对转矩进行控制，其控制系统比转子磁链定向的矢量控制系统简单得多。动态性能也比较好。但必须指出，这种控制的转矩脉动问题必须予以足够的关注。

图2-74中的“磁通、转矩估计”功能框的算法并不复杂，这里并不介绍，请参阅有关文献。

在这一小节只是从概念上介绍了利用电压空间矢量可以“直接”控制异步机的电磁转矩及空间电压矢量的选择方法。具体的直接转矩控制系统中，涉及的问题是多方面的，电机的模型，坐标变换等请阅读相关文献。

直接转矩控制通用变频器的具体性能，见第5章。