直接转矩控制系统优化方案

1.直接转矩控制的基本原理

鉴于矢量控制的性能受电动机参数影响较大，转子磁链准确计算和观测比较困难，实际控制效果常常难于达到理论分析的结果。加上矢量变换甚为复杂，一种有效的控制技术可以克服这个缺点，这就是直接转矩控制方式。这种控制方式所需数据是直接从定子侧测出，计算定子磁链，进行直接控制转矩，可使调速性能稳定、动态响应快，弥补矢量控制的不足，因不需要转子数据，故称直接转矩控制（DTC）系统。

直接转矩控制系统采用磁链滞环配合双位式调节器（施密特触发器）PG的控制方式，并在系统转速环内再设置磁链、转矩内环，分别控制电动机的转矩和磁链，系统原理框图如图1-41所示。

图1-41 直接转矩控制原理框图

ω—角速度 ASR—转速调节器 M_e^∗—转矩指令值、转矩计算值 ψ_s^∗、ψ_s—定子磁链指令值、定子磁链计算值

系统取消复杂的旋转坐标变换，仅在两相静止坐标系上构成转矩和定子磁链的反馈信号，因此大大地简化了系统；并用双位式施密特触发器进行砰－砰（Bang-Bang）控制代替线性调节器来控制转矩和定子磁链，根据两者的变化，选择电压空间矢量开关状态，以控制电动机的转速，达到控制转矩的目的。控制时，给定一个误差带，如图1-42所示，通过转矩和磁链双值来选取合适的电压矢量，强迫定子磁链矢量顶点不超出圆形误差带，即图中双圆周之间。这样就会使磁链时大时小，电动机时动时停，运行下去磁链轨迹就能逼近圆形。

从图1-41可看到，直接转矩控制关键问题是要有定子磁链和转矩的数学模型，可按下列次序求得，其表达式［见附录2］：

定子磁链ψ_s：

式中 R₁——定子电阻。

图1-42 误差带

θ＝arctanψ_rα／ψ_rβ （1-40）

因 T_e＝ψ_s·i_s

T_e＝p_n（i_sβψ_sα^－isα ψ_sβ） （1-41）

p_n—极对数。(https://www.xing528.com)

2.直接转矩控制系统的构成与控制原理

传统的直接转矩控制系统如图1-43所示。图中，定子磁链与转矩计算框内，正是利用上述数学模型进行运算，得出θ_s、ψ_s、T_e的估计值。ψ_s与给定值ψ_s∗比较得到误差Δψ_s，送到双位式施密特触发器AFR得到调整值；T_e与给定值T_e∗比较得到误差ΔT_e，送到双位式施密特ATR触发器得到调整。ΔT_e、θ_ψs、Δψ_s同时送到电压矢量选择表，便得到控制逆变器电压矢量信号u_k，逆变器便可进行Bang-Bang控制，驱动电动机运行。

图1-43 直接转矩控制系统

电压矢量选择表是通过实践和优化得出的，指定当测得当时的定子磁链处于某一扇区时，要使转矩和磁链增加或减少，应选取哪一个电压矢量。设T_e、ψ_s给定值与检测值之差为ΔT_e、Δψ_s，并表示为τ、ψ，则有

选择表具体使用示意图如图1-44所示。

图1-44 选择表具体使用示意图

3.直接转矩控制的特点与存在的问题

1985年德国学者M.Dpenrock首次提出了直接转矩控制理论，随后日本学者I.Tkahshi也提出了类似直接转矩控制方案，以后逐步完善成为今天普遍采用的方案，它具有下述特点：

1）直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机数学模型，直接控制磁链和转矩，计算简单。

2）直接转矩控制以定子磁场定向，只需定子参数，而不需随转速变化的、不易测定的转子参数，减少了参数变化对系统性能的影响；

3）直接转矩控制用电压矢量直接控制转矩，控制信号的物理概念明确；把误差限制在容许的范围内，控制直观又简化。

4）采用SVPWM技术，控制和计算简便，直流利用率高，效果优于SPWM。

由于直接转矩控制系统有如上优点，获得广泛应用，目前市场上的产品有很多是采用直接转矩控制的。但当运行时，电压矢量切换，存在有转矩脉动的缺点。