交流电机直接转矩控制策略综述
日期：2008-4-6 15:25:22 来源：《变频器世界》
点击： 作者：李永东
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Review of Direct Tofque Control Strategies of AC Motor
摘 要: 本文介绍了目前几种比较常见的直接转矩控制策略并进行分析比较，对于中小容量而言，控制方案重点 在于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。
关 键 词: 磁场定向控制 直接转矩控制DTC
Abstract: This article presents a review of several kinds of commonly used direct torque control strategies and the analysis and comparision are made. The emphases of control scheme is put on the dead-beat control of torque and stator flux as well as the increasing of carrier frequency for low power drives, whereas, indirect torque control is adopted to achieve torque ripple minimization in low speed, for high power drives.
Keywords: Field-oriented control Direct Torque Control
1 引言
交流电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。
对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。图1为典型的圆形磁链直接转矩控制系统结构图。
图1 圆形磁链直接转矩控制系统控制框图
事实上，1977年A·B·Plunkett曾经在IEEE的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率;定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。
图2是直接磁链和转矩调节的控制框图，比较图1和图2可以看出两者都是对转矩和磁链进行直接控制，本质上都是对瞬时滑差进行了控制，所不同的是前者通过Bang-Bang控制的方法获得电压矢量，后者通过PI调节的方式获得电机输入控制电压。
图2 直接磁链和转矩调节系统控制框图
直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已经发展出来了多种控制策略及其数字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本文将对它们进行分类，并作分析和比较。
2 电机模型和直接转矩控制策略
直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，如图1所示，在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器DTC中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。
直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制在低速区的应用。针对于此，国内外有很多学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法，本节将逐一列出分析比较。
3 无差拍(Deadbeat)空间矢量调制方法
3.1 T.G.Habetler的空间矢量调制方法
把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差，这个差值可以用下式表示出来:
其中包含有空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量。另外可以得到使定子磁链幅值达到给定值的所加空间电压矢量的数学式子:
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摘 要: 本文介绍了目前几种比较常见的直接转矩控制策略并进行分析比较，对于中小容量而言，控制方案重点 在于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。
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关 键 词: 磁场定向控制 直接转矩控制DTC
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Abstract: This article presents a review of several kinds of commonly used direct torque control strategies and the analysis and comparision are made. The emphases of control scheme is put on the dead-beat control of torque and stator flux as well as the increasing of carrier frequency for low power drives, whereas, indirect torque control is adopted to achieve torque ripple minimization in low speed, for high power drives.
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1 引言
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交流电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。
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对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。图1为典型的圆形磁链直接转矩控制系统结构图。
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图1 圆形磁链直接转矩控制系统控制框图
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事实上，1977年A·B·Plunkett曾经在IEEE的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率;定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。
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图2是直接磁链和转矩调节的控制框图，比较图1和图2可以看出两者都是对转矩和磁链进行直接控制，本质上都是对瞬时滑差进行了控制，所不同的是前者通过Bang-Bang控制的方法获得电压矢量，后者通过PI调节的方式获得电机输入控制电压。
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图2 直接磁链和转矩调节系统控制框图
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直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已经发展出来了多种控制策略及其数字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本文将对它们进行分类，并作分析和比较。
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2 电机模型和直接转矩控制策略
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直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，如图1所示，在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器DTC中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。
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直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制在低速区的应用。针对于此，国内外有很多学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法，本节将逐一列出分析比较。
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3 无差拍(Deadbeat)空间矢量调制方法
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3.1 T.G.Habetler的空间矢量调制方法
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