直接转矩控制系统的实现

1、摘要直接转矩控制是一种控制思想新颖、系统结构简明、动静态特性优良的新型高性能交流调速传动控制技术，但是存在一些不足之处。空间矢量调制技术可以使逆变器的开关频率固定，减小转矩脉动；无差拍控制可以在一个采样周期内消除磁链和转矩的误差。因此，空间矢量调制技术和无差拍控制的结合是一种很有希望提高直接转矩控制性能的方法。基于这两方面的内容，本文针对直接转矩控制系统进行了分析和研究。介绍了空间矢量调制技术的原理，对采用空间矢量调制的直接转矩控制系统与传统直接转矩控制系统进行了比较。研究了一种新的无差拍直接转矩控制算法，该算法计算简单、物理意义明确、不用求解二次方程。仿真结果表明控制效果比较好，对定子电流干

2、扰和电机参数变化有一定的鲁棒性。分析了几种磁链观测方法，研究了电机参数变化和电流测量误差对其影响。无速度传感器技术可以提高交流传动控制系统的可靠性。本文分析了扩展卡尔曼滤波器转速估计算法，建立了转速估计模型，研究了系统对干扰的适应能力。对本文所研究的无差拍直接转矩控制系统进行了实验研究，采用了新的磁链观测方法，运用汇编语言编程，在dsp实验平台上初步验证了系统设计的可行性。关键词：直接转矩控制空间矢量调制磁链观测无差拍控制无速度传感器abstractdirect torque control (dtc), is a new high performance ac drive system wi

3、th novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. but the classic dtc also have some shortages. switching frequency of inverter will be stable and torque ripple will be reduced by using space vector modulation. the errors of stator flux and torque can be elim

4、inated by using deadbeat controller in a sampling period. so combining space vector modulation with deadbeat control is a hopeful method to improve the performance of dtc. according to these, dtc is analyzed and researched in this thesis.the principle of space vector modulation is introduced, and sp

5、ace vector modulation dtc and classic dtc are compared. a new method of deadbeat dtc with simple calculation, explicitly meaning and without saluting equation is researched. the simulating results show that its effect is good and the robustness to interference with currents and motor parameters is h

6、igh.some methods of stator flux observation are analyzed. the influence of variance of motor parameters and current error is researched.to improve reliability of system, speed sensorless technique is implemented. the method of speed estimation by extended kalman filter is analyzed. the simulation mo

7、del is set up to confirm this method. ability to adapt interference is researched.the deadbeat dtc researched in thesis is confirmed in the dsp test-bed for experimentation by dsp assembly language with a new flux observer.key words: direct torque control；space vector modulation； flux observation；de

8、adbeat；speed sensorless目录1绪论11.1交流调速技术的发展和现状11.2直接转矩控制技术的产生背景及研究现状21.2.1直接转矩控制技术的产生背景21.2.2直接转矩控制技术的研究现状31.3本论文的研究内容6直接转矩控制82.1异步电机数学模型82.2逆变器数学模型102.3直接转矩控制系统11采用空间矢量调制的直接转矩控制系统173.1空间矢量调制原理173.2空间矢量调制直接转矩控制系统203.3svm-dtc仿真21无差拍直接转矩控制系统254.1无差拍直接转矩控制254.2无差拍控制算法改进284.3无差拍直接转矩控制系统304.4无差拍直接转矩控制系统仿真3

9、1磁链观测和速度估计365.1磁链观测365.1.1饱和反馈法365.1.2幅值补偿法395.1.3自适应补偿法405.2速度估计435.2.1扩展卡尔曼滤波器445.2.2速度估计滤波器算法465.2.3速度估计仿真50直接转矩控制系统的数字化实现546.1控制系统的硬件构成546.2无差拍直接转矩控制软件设计566.3实验结果59结论65参考文献671绪论1.1交流调速技术的发展和现状能源和环境始终是当今全球经济发展的两条相互交织的主线。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题，节能降耗已经成为世界各国普遍采取的措施。而电机（以下均称电机）是把电能

10、转换为机械能最主要的手段，具备高效率和变频调速的电机可以大大提升节能的效果。电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的不断完善和发展，为交流调速的发展创造了有利条件，使交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等技术性能，完全可与直流调速系统相媲美，从而开辟了交流调速的新纪元1。电力电子技术的迅猛发展为交流调速技术奠定了物质基础2。20世纪50年代出现的晶闸管使交流调速摆脱了笨重的旋转变频机组，标志着电力电子的诞生。70年代第一代电力电子器件晶闸管的出现形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品。随后又出现了gtr、gto和功率mosfet等自关断全控型第二代电力电子

11、器件。而以绝缘栅双极晶体管(igbt)为代表的第三代电力电子器件，使得高频化的pwm技术成为可能。从90年代到现在电力电子器件正朝着大功率化、高速化、模块化、智能化的方向发展。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。从电力电子器件的发展历史来看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命，而每一场电力电子技术的革命都预示着新一代交流调速系统的产生。现代控制理论的不断完善为交流调速技术提供了理论依据。在变频技术日新月异发展的同时，交流调速系统控制技术取得了突破性进展。vvvf控制电路简单、通用性强、经济性好，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。但是其系统控制是从电

12、机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果不理想。20世纪70年代提出得矢量控制理论较好地解决了交流电机的转矩控制问题，应用三相到两相的坐标变换方法以及转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和转矩分别控制的目的，获得了与直流调速系统同样优良的动静态性能，开创了交流调速的新时代。直接转矩控制是80年代中期提出的又一种转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型pwm逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便

13、于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。随着现代控制理论的发展，交流调速系统控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，进一步推动交流调速技术的发展。微电子技术的发展为交流调速技术的数字化实现提供了可能。微处理器的引入，促进了交流调速技术由模拟化向数字化的转变。数字化技术使得复杂的控制算法得以实现，而电路的简化、成本的降低、控制精度的提高以及控制系统可靠性的增强等则为交流调速的发展带来了新的契机。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机（如凌阳科技的spmc系列）、数字信号处理器（如德州仪器的tms320f系列）、专用

14、集成电路（application specific integrated currentasic）等。对于高性能的交流调速系统来说，由于控制系统复杂，需要微处理器采用高速缓冲储存器、多总线、流水线和多核的结构。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流调速系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高、成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。1.2直接转矩控制技术的产生背景及研究现状1.2.1直接转矩控制技术的产生背景随着工业技术的不断发展，对电气传动的调速精度、调速范围、动静态响应和转矩脉动等方而提

15、出了更高要求。基于稳态模型的标量控制方式，如转速开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控制等控制策略，己经不能满足高精度的工艺要求。20世纪70年代，西门子公司的f.blaschke等人提出了磁场定向控制，奠定了矢量控制的基础。该方法模仿直流电机控制，以转子磁场定向，运用矢量变换的方法实现了电机定子电流的励磁分量与转矩分量的完全解耦，将异步电机等效成直流电机。矢量控制的提出具有划时代的重要意义，其静态精度和动态响应并不亚于直流控制系统 3。然而，矢量控制采用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转子电阻和电感，因此，容易受到电机转子侧参数的影响。此外，矢量控制需要复杂的矢量旋转变换与计算。在总结前

16、人研究成果的基础上，1985年，德国鲁尔大学的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi教授分别提出了直接转矩控制的理论45。与矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了矢量控制的解耦思想和复杂的坐标变换，通过简单地检测定子电压和电流，以空间矢量的分析方法，直接在定子静止坐标系下计算电机的磁链和转矩，利用双位模拟调节器产生pwm,直接控制逆变器的开关状态，从而获得转矩的高动态性能。直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动静态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展6。目前该技术己经成功地应用在电力机车牵引及提升机的大功率交流传动上，如abb的acs6000就

17、是成功应用直接转矩控制的变频器，最大功率可达27兆瓦。1.2.2直接转矩控制技术的研究现状直接转矩控制在理论和技术上有许多优点，但是作为新兴的技术，还存在诸多不完善的地方，而这些问题恰恰成了目前直接转矩控制技术的研究热点，吸引了该领域广大专家学者进行研究。1.2.2.1磁链和转矩观测器的研究磁链和转矩观测器归根结底是对磁链的观测，因为只要观测出定子磁链，根据采样得到的定子电流就容易计算出转矩的大小。对于传统的直接转矩控制来说，定子磁链的幅值和相角是决定电压矢量选择的关键因素。因此，合理地构建磁链模型，对定子磁链进行准确地观测，对于直接转矩控制来说非常重要。传统的直接转矩控制常用的磁链模型有三种

18、：电压模型、电流模型和基于电压电流模型切换的混合模型3。电压模型采用定子电压和定子电流来确定磁链，由于该模型优点是所需参数定子电压、定子电流和定子电阻容易确定，方法简单。缺点是存在纯积分环节，必然带来直流偏移和初始值问题，导致低速时误差较大，且定子电阻易受温度影响。因此，该方法适合于额定转速以上的情况。电流模型不受定子电阻变化的影响，低速性能较好。但是受到转子电阻、漏电感和主电感变化的影响，并且要求精确地测量角速度。混合模型综合了电压模型和电流模型的优点，在电机运行在高速时采用电压模型，运行在低速时采用电流模型，因此存在模型切换的问题。国内外在磁链的准确观测方面的研究很多。针对电压模型低速时易

19、受定子电阻影响的问题，文献7提出了一种新型的定子磁链观测模型,采用一阶低通滤波器替换电压模型中的纯积分环节,并引入pi闭环校正环节来补偿磁链观测的直流偏移误差。实验表明,该磁链观测器精度高,对电机参数的鲁棒性好,并能够有效地解决直流偏移误差问题。文献8分析了磁链观测存在的问题,在定子磁链定向的同步坐标系下,以位置角为反馈量,采用闭环双积分结构,分别估计了定子磁链的幅值和相位。这种结构理论上可以从根本上解决电压模型的初始值不准确和积分零漂的问题。但是该方案受到位置角估计精度的影响较大。文献9提出了一种利用扩展卡尔曼滤波器估计定子磁链的方法，使用这种方法可以同时估计定子磁链矢量和其他状态变量，但是

20、这种方法在实际应用中还存在估计精度低，收敛速度慢等问题。1.2.2.2无速度传感器技术鉴于安装速度传感器会使控制系统的成本增加，可靠性变差。因此，无速度传感器技术显得十分重要，已经成为电机传动领域研究的热点。无速度传感器技术常用的速度估计方法包括:模型参考自适应法（mras）、扩展卡尔曼滤波法（ekf）、高频信号注入法、滑模观测法、基于神经网络的估计方法等。模型参考自适应法（mras，model reference adaptive system）是将不含未知数的方程作为参考模型，将含有待估计参数的模型作为可调模型，两个模型具有相同的物理意义，通过对两个模型输出的偏差根据一定的自适应率不断调节

21、可调模型的参数，直到两个模型输出相同10。文献11提出了一种以电机的瞬时无功作为辅助变量的mras方法估计转速，避免了积分环节，对电机参数鲁棒性较好，计算量小，收敛速度决，速度估计精确较高。文献12提出了一种在静止坐标系下实现的mras系统。该方法的参考模型和可调模型分别由电机定子侧和转子侧的方程构成。参考模型中不含定子电阻，避免了纯积分运算。为了避免对定子电流的纯微分，该文应用微分跟踪器以提取高质量的微分信号，仿真和实验效果较好。扩展卡尔曼滤波法（ekf，extended kalman filter）是将定子电流、定子或者转子磁链和转速作为状态变量，构成电机状态方程，根据预测值和测量值之间的

22、偏差来调整系统状态，从而达到估计转速的目的13。文献14提出了扩展卡尔曼滤波法。该方法在定子静止坐标系下以定子电流、定子磁链和转速作为状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计时都重新将模型在该运行点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行转速估计。扩展卡尔曼滤波法提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量值的微分计算，可有效抑止噪声干扰，提高转速估计的准确度。但是，缺点是计算量大和初始值整定复杂，数字化实现难度较大。文献11利用ekf算法,通过测量电机的端电压和流过定子线圈的电流在线估计电机转子的位置和速度，利用模糊自适应机构替代常规自适应机构,构成一个模型参考模糊自适应系统

23、。该系统具有较强自适应和抗干扰能力，但是，由于同时采用ekf算法、模型参考自适应算法和模糊控制，系统过于复杂，难以数字化实现。高频信号注入法是向电机端部注入三相旋转高频信号（250hz），使转子凸极呈现一定的效应，通过检测转子凸极的位置，就可以获得转子的位置和速度。由于该方法是基于电机非理想模型，因此对电机参数的变化具有鲁棒性。缺点是谐波的注入影响了电流波形，增加了电机损耗，且只适合低速，高速时信号滤波分离困难1516。滑模观测法采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，是控制系统的状态最终稳定在设计好的滑模超平面上。文献17针对交流电机的时变、非线性、多变量、强耦合的特性，运用滑模变结构控制理论,

24、设计了一种滑模变结构控制器,并对常规滑模控制器存在的抖动问题提出一种改善方法,即在滑模控制器后加一个模糊比例积分环节。该方法构成的系统十分复杂，同时计算量也不小。文献18采用人工神经网络理论对电机转速进行了实时估计，算法中基本上消除了纯积分和定子电阻对控制系统的影响，获得了较宽的调速范围，但是系统过于复杂。1.2.2.3现代控制理论的应用自上世纪60年代以来，基于状态空间和状态方程的现代控制理论已经成熟和完善，在解决具有不确定性和无法精确描述的系统控制问题上发挥了经典控制理论难以奏效的作用。自适应控制是现代控制理论的一个分支。自适应控制的控制器具备自适应的能力，自动校正其自身的设计参数以保证控

25、制系统的性能不变。与传统的反馈控制器相比，自适应控制器包含一个自适应机构。这个反馈回路根据给定的期望值与实际值之间的偏差，修正控制器参数或产生附加控制信号，保证系统性能。自适应控制这种特点在磁场定向解耦控制中的应用比较广泛，通过自适应控制或校正技术将能够正确决定磁场的位置和大小，保证磁场与转矩的解耦控制。此外自适应控制在电机转速估计中也有广泛的应用。滑模变结构控制是现代控制理论的一个新的研究方向。滑模变结构控制的思想是设计一个合适的滑动面，使其状态收敛在上面，它的主要特点是降低阶次、实现解耦、抑制干扰和对参数变化不敏感10。因此，将滑模变结构控制引入到直接转矩控制中，可以降低磁链和转矩脉动、改

26、善低速性能。智能控制是现在控制理论发展过程中的一个崭新阶段。它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖或不完全赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制；继承了人脑的非线性思维，能够根据当前状态用变结构的方法改善系统的性能；针对复杂系统具有分层信息处理和决策的功能。在直接转矩控制中,应用较多的是人工神经网络技术和模糊控制技术,主要作为控制器和观测器使用。文献19和文献20应用模糊控制、人工神经网络等来选择开关状态消除了触发器的容差影响，具有系统响应快、超调量小、抗扰动能力强的特点。但是这种方案也存在一些难于克服的缺点，例如模糊控制算法的应用中，由于人为选取的模糊状态选择器中各变量隶

27、属度具有较大的主观性和盲目性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在，甚至还会变得更差。为了解决这个问题，文献21采用遗传算法来学习转矩误差的隶属度函数分布，以达到进一步提高转矩响应速度与减小转矩脉动的目的。文献22提出了一种基于模糊控制的在线定子电阻观测器。1.3本论文的研究内容本文作者在了解国内外异步电机直接转矩控制研究状况的基础上，分析了传统直接转矩控制的不足，针对直接转矩控制系统做了仿真和实验研究，采取了一些改进传统直接转矩控制的措施，主要工作如下：对于传统直接转矩控制中逆变器输出电压矢量单一、开关器件利用率低和开关频率不固定等问题，研究了空间矢量调制直接转矩控制系统，并和传统直接转矩

28、控制系统做了仿真比较。针对定子磁链电压模型中纯积分环节的局限性，研究了三种改进的磁链观测方法。第一种改进方法采用具有饱和反馈的积分器，该算法可以消除直流偏移问题，但是却带来了幅值和相位的误差。第二种改进方法通过引入定子磁链幅值补偿环节，减小了由第一种改进方法所产生的误差。第三种是在第二种方法的幅值补偿环节中采用了自适应控制，该方法增强了磁链对定子电阻的鲁棒性，提高了磁链观测的精度。传统直接转矩控制的磁链和转矩采用滞环控制，低速时转矩脉动较大。无差拍控制可以克服滞环控制的不足，其主要思想是在一个采样周期内，根据转矩误差和磁链误差和空间电压矢量之间的关系组成方程组，通过解方程组就可以求出下一个采样

29、周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量，从而达到转矩和磁链的无差拍控制23。但是已有的无差拍控制方法需要求解二次方程，算法难度较大。为此，研究了一种新的无差拍控制方法，在定子磁链定向的同步旋转坐标系下分析和计算电压矢量，通过定子磁链和电流的坐标变换求出所需的电压矢量。对新的无差拍控制系统进行了理论分析，研究了电机参数变化和定子电流干扰对其影响。通过配置磁链观测模型，采用汇编语言在dsp实验平台上对其正确性进行了初步的实验验证。无速度传感器技术可以有效地降低系统成本，增加系统的可靠性。本文应用扩展卡尔曼滤波算法对电机转速进行了估计，仿真结果表明，采用扩展卡尔曼滤波算法能够在较低的转速下获得较

30、好的估计效果，同时对于定子电流还有一定的适应能力。直接转矩控制直接转矩控制（dtc，direct torque control）是在20世纪80年代中期继矢量控制之后发展起来的一种高性能异步电机变频调速系统3。直接转矩控制避免了矢量控制中复杂的坐标变换，去掉了pwm脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制，是基于转矩和磁链误差的滑差控制24。这种经典的直接转矩控制技术具有如下特点23:（1）简单明了的控制结构；（2）优良的动静态性能；（3）无需专门的pwm技术；（4）对转子参数变化不敏感，鲁棒性比较

31、强；（5）把电机与逆变器结合在一起,对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能力；（6）滞环控制会产生磁链和转矩脉动，且开关频率不是常数。20多年来，直接转矩控制不断得到完善和发展，许多学者从不同角度提出新的见解和方法，使控制性能得到了进一步的改善和提高。2.1异步电机数学模型异步电机就其本质而一言，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了便于分析，在建立异步电机的数学模型时，作以下几点假设2627：（1）电机定、转子三相绕组完全对称。三相定子绕组和三相转子绕组在空间对称分布(在空间互差)，各相电流所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和。各相绕组的自感和互感都是线

32、性的，从而可以使用叠加原理；（3）铁芯的涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计；（4）不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。在直接转矩控制系统中，电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因此采用静止的定子坐标系较为方便。异步电机动态数学模型可以由以下方程描述： （2-1）（2-2）其中定子电压定子电压转子电流定子磁链转子磁链定子电感转子电感互感电角速度微分算子，即将公式（2-1）和公式（2-2）整理并把实部与虚部分离得（2-3）电机的电磁转矩可表示为定子电流与定子磁链的矢量积(2-4)此外电磁转矩还可以表示成定子磁链和转子磁链的矢量积(2-5)式中定子旋转磁链与转子旋转磁链的夹角，即磁通角。，异

33、步电机漏磁系数。运动方程为：(2-6)式中负载转矩摩擦系数电机转动惯量2.2逆变器数学模型在异步电机变频调速系统中，通常采用图2-1所示的三相电压型pwm逆变器28。利用逆变器6个功率开关管的开关状态和顺序组合,以及开关时间的调整,可以实现电压空间矢量的圆形运动轨迹。图2-1三相电压型逆变器模型fig.2-1model of three phase voltage source inverter 图2-1中，是三相电压型逆变器的桥臂对地电压，是两状态的开关量，表示所对应的上桥臂功率管导通，0表示所对应的下桥臂功率管导通，其余类推。定义开关函数，开关向量共有种开关模式，分别是000、001、01

34、0、011、100、101、110、111，对应8个电压矢量、,其中和为两个零电压矢量。根据图2-1可以得到电机相电压和开关函数的关系，见公式2-7。(2-7)式中，三相相电压直流母线电压电压矢量可以表示为：(2-8)在两相静止坐标系平面上，各电压矢量如图2-2所示。图2-2空间电压矢量fig.2-2space voltage vector2.3直接转矩控制系统控制系统对电机的定子电压和电流进行采样，然后通过变换将三相电压电流信号变换到两相静止坐标系平面。变换见公式(2-9)。(2-9)根据变换后得到定子电压电流，通过磁链和转矩观测器求出定子磁链和转矩。定子磁链可以根据模型求得，见公式(2-1

35、0)。(2-10)转矩的计算通过公式(2-4)进行。重写公式(2-4)如下：(2-4)将磁链和转矩观测器求得的定子磁链和转矩分别与给定值和比较，将比较产生的误差信号和分别送入滞环控制器中。磁链控制器如图2-3a）所示，输出关系见公式(2-11)。a）磁链控制器 b）转矩控制器图2-3控制器特性fig.2-3characters of flux and torque controllera) flux controller; b) torque controller(2-11)式中磁链控制器的输出信号磁链控制器的总滞环带宽转矩控制器如图2-3b）所示，输出关系见公式(2-12)。(2-12)式中

36、转矩控制器的输出信号转矩控制器的总滞环带宽此外，磁链和转矩观测器还计算定子磁链的相角，并确定其所在的扇区。如图2-4所示，把电压矢量空间等分为6个扇区，每个扇区所包含的范围为，其中。图2-4扇区划分fig.2-4the distribution of the plane将上面求得的信号送入开关状态选择单元，通过查表的方式产生逆变器所需的开关状态，控制逆变器产生合适的电压矢量。直接转矩控制系统框图如图2-5所示。图2-5直接转矩控制系统框图fig.2-5block diagram of dtc system下面对直接转矩控制的控制策略做如下说明：重写电机定子磁链公式(2-13)忽略定子电阻，并将

37、公式(2-13)离散化，得(2-14)或者(2-15)式中采样周期公式(2-15)表明，定子磁链增量为电压矢量与采样周期的乘积，即定子磁链增量与逆变器的六个非零电压矢量之间存在一定的关系，如图2-6a)所示。当电机刚上电的时候，在定子电压作用下，电机的磁链轨迹逐渐建立起来。在某一时刻，磁链在图中的点，当下一时刻磁链超出图中点所在的环时，应该减小磁链，由公式(2-11)知。如果此时转矩需要增加,即，而磁链在扇区，根据图2-6b)可以判断需要施加的电压矢量为。磁链沿的方向到达图中点，此时，如果此时，磁链在扇区，应选择电压矢量。a) b)图2-6a)定子磁链轨迹； b)逆变器状态选择fig.2-6a

38、) trajectory of stator flux; b) selection of inverter如此下去，磁链就被控制在以磁链幅值为半径，容差带宽为的圆环内29。根据定子磁链、转矩的调节信号、以及可以得到如下的开关状态选择表（表2-1）。表2-1开关状态选择表table2-1switching section1010-110-1采用空间矢量调制的直接转矩控制系统传统直接转矩控制具有结构简单、动态响应快和容易实现等特点。但是也存在着低速转矩脉动较大，开关频率不固定等问题。有很多文献对传统直接转矩控制进行了研究与改进分析，如提高采样频率，减小控制周期；注入高频信号，提高逆变器的开关频率等

39、。然而，这些改进方法要么是以增加系统的处理速度，要么是以牺牲逆变器的开关频率为代价30-32。磁链和转矩存在较大脉动的原因主要在于输出电压矢量单一，选择输出矢量的主要依据是磁链、转矩误差的正负，而没有考虑误差的大小。如果同时考虑磁链、转矩误差的大小和方向，那么施加的电压矢量是实时推导出的任意大小、方向的电压矢量。采用该电压矢量就可以降低磁链、转矩的脉动。虽然逆变器输出的基本电压矢量数目有限，但是可以利用空间矢量调制（svm，space vector modulation）来合成，这样就实现了逆变器开关频率的恒定33。3.1空间矢量调制原理svm方法将逆变器和异步电机作为一个整体来考虑，以三相异

40、步电机理想三相对称定子理想圆形磁链为参考，通过适当切换逆变器的开关模式，从而形成pwm波，用所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。图3-1三相电压型逆变器空间电压矢量fig.3-1space voltage of three phase voltage source inverter 在图3-1中，、表示两个相邻的基本电压矢量，表示控制所需的参考电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转速度就是输出正弦电压的角频率。在一个采样周期内，可以通过、的线性组合来合成，它等于。其中、表示一个周期内基本电压矢量、的作用时间。在下一个采样周期内，只要在、所包括的范围，那么仍然使用、来合成，只是作用时间、有

41、所不同。在每一个采样周期内，都可以通过相邻的两个基本电压矢量来合成。针对图3-1所示的情况，参考电压矢量位于被基本空间矢量、所包围的扇区中，按照伏秒平衡的原则，得6（3-1）由公式（3-1）表示的矢量关系得（3-2）（3-3）此外，零电压矢量的作用时间为：（3-4）式中为采样周期为直流母线电压如果将投影到两相静止坐标系上，其、分量分别为、。那么、又可以通过公式（3-5）和（2-6）求得。（3-5）（3-6）的求解公式（3-4）保持不变，重写为公式（3-7）。（3-7）同理,可计算出目标电压矢量在任意扇区内基本空间电压矢量开通持续作用的时间、，见表3-1。表3-1每个扇区内电压矢量作用时间tab

42、le3-1function time of voltage in every plane作用时间扇区号123456zx-z-xx-yy-xxz-y-z其中（3-8）一个采样周期内各个电压状态的导通顺序决定了电机电流谐波分量的大小，也关系到开关器件的开关频率。为此采用波形对称的方法，把每个矢量的作用时间都一分为二，同时，把零电压矢量时间等分给两个零矢量和。图3-2中显示了两个电压矢量、及零矢量在区间的作用顺序。图3-2 电压矢量的作用顺序（七段式法）fig.3-2the application sequences of pace voltage vector以上分析都是针对正常的调制模式（线性调

43、制或者欠调制）的情况，电压矢量的轨迹位于图3-1所示的正六边形的内切圆内。但是，当计算求得的电压矢量超出逆变器的输出极限值（正六边形内切圆的半径，见图3-1）时，svm进入过调制模式，此时电压矢量将会出现严重失真，影响电机的输出转矩。为了解决这一问题，有些文献提出了一些补偿的方法，但是计算比较复杂。通常的做法是，先计算出、，然后判断是否成立，如果不成立，则、保持不变；如果成立，则按照下面的公式计算28。（3-9）3.2空间矢量调制直接转矩控制系统设定旋转坐标系和定子磁链同步旋转，轴与定子磁链方向一致，也就是说、。则此时电机方程可以写成（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）根据公式（3

44、-11）、（3-12）和（3-13）可以得到（3-14）（3-15）由公式（3-14）可知，定子磁链的变化主要由空间电压矢量的轴分量来控制；而公式（3-15）则表明，电磁转矩的变化主要由空间电压矢量的轴分量来控制。图3-3空间矢量调制直接转矩控制系统框图fig.3-3block diagram of svm-dtc system空间矢量调制直接转矩控制（svm-dtc）系统如图3-3所示。定子电压矢量通过定子磁链的误差和转矩的误差得到，具体是根据磁链误差通过pi调节器来计算定子电压的轴分量，根据转矩误差通过pi调节器来计算定子电压的轴分量。然后结合定子磁链相位角通过2r/2s变换，把旋转坐标系

45、的定子电压矢量、变换成与定子坐标系的电压矢量、。与传统直接转矩控制相比，空间矢量调制直接转矩控制系统保留了传统直接转矩控制的优点，采用两个pi调节器代替两个滞环比较器，并且用空间矢量调制来代替传统的开关状态选择表。3.3svm-dtc仿真针对图3-3的svm-dtc系统进行了仿真，并和传统直接转矩控制进行了比较，空间矢量脉宽调制算法采用simulink中的s-function来实现34。电机参数为：定子电阻， 转子电阻，定子自感等于转子自感，定、转子互感，转动惯量，极对数。系统采样时间。控制系统在时转速给定，在时转速给定。仿真结果如图3-43-9所示，图中a) 表示传统直接转矩控制仿真，b)表

46、示svm-dtc仿真。a) b)图3-4定子磁链轨迹fig.3-4trajectory of stator fluxa) b)图3-5电机转速fig.3-5motor speeda) b)图3-6电磁转矩fig.3-6electromagnetic torquea) b)图3-7定子磁链幅值fig.3-7amplitude of stator fluxa) b)图3-8 定子磁链分量fig.3-8a)b)图3-9定子电流fig.3-9stator current从图3-4中可以看出，两种方案的定子磁链轨迹都近似圆形，但是svm-dtc的效果更好。电机转速响应差别不大（图3-5），但是转矩相比较

47、，svm-dtc的转矩脉动已经大为减小（图3-6）。在图3-7和图3-9中，svm-dtc的定子磁链幅值和定子电流的波动明显小于传统直接转矩控制，在转速降低以后，svm-dtc对磁链幅值和定子电流控制的比较好，而传统直接转矩控制却有较大的脉动。值得注意的是，svm-dtc的转矩波形不是很好，其原因是公式（3-13）中电机转矩不仅仅由决定，同时还受同步转速和乘积的影响，并且还是在变化的。但是，从仿真的整体效果来看，空间矢量调制技术的应用，降低了直接转矩控制系统磁链和转矩的脉动。无差拍直接转矩控制系统第3章在传统直接转矩控制系统中应用了空间矢量调制技术，直接转矩控制的性能得到了明显地改善。然而，空

48、间矢量调制技术尽管解决了输出电压矢量单一和开关频率不固定的问题，但是由于转矩受同步转速的影响，pi调节器的参数难以整定，转矩控制效果不十分理想无差拍控制(deadbeat control)应用于直接转矩控制是由美国人t.g.habetler基于离散化直接转矩控制系统提出的3536。其控制思想是根据转矩差值和磁链幅值差值与空间电压矢量之间的关系，组成以空间电压矢量为未知数的方程组。通过解方程组就可以求出使转矩和磁链误差为零的空间电压矢量，从而达到转矩和磁链的无差拍控制。无差拍控制的最显著的优点就是数学推导严密、跟踪无超调、系统动态响应快、易于计算机执行等，缺点是它要求建立精确的数学模型，当理想模

49、型与实际对象有差异时，剧烈的控制动作会引起输出电压的振荡，不利于系统稳定运行。随着数字信号处理器(dsp)应用的不断发展，这是一种很有前途的控制方法。4.1无差拍直接转矩控制4.1.1t.g.habetler的控制方法根据异步电机的数学模型，在坐标系上，一个采样周期内电机转矩的给定值和反馈值的差值可以写成如下形式30：(4-1)式中、定子磁链在、坐标轴上的分量、定子反电动势在、坐标轴上的分量、定子电压在、坐标轴上的分量显然，只要、满足公式(4-1)的要求，在下一个控制周期内就可以消除转矩误差。定子磁链给定值和反馈值的差值可以写成如下形式： (4-2)当、满足公式(4-2)时，就可以在下一个控制

50、周期内消除磁链模值误差。 由公式(4-1)得(4-3)将公式(4-3)代入公式(4-2)得(4-4)式中采样周期开始时刻的转矩和给定值的差求解公式(4-4)关于的二次方程，将代入公式(4-3)就可以得到。这样就得到了既能消除转矩误差又能消除磁链误差的定子电压给定值(、)，通过空间电压矢量调制技术生成该电压矢量，从而实现直接转矩的无差拍控制。从理论上讲，无差拍控制可以在一个采样周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动静态误差。同时由于这种控制方法没有使用滞环比较器，从而消除了由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。但是，这种方法仍然是建立在定子磁链纯积分观测

51、器的基础之上，对于纯积分器的问题依然存在37。并且该方法在定子固定坐标轴上计算，需要求解二次方程，增加了控制算法的计算量和实现难度。4.1.2转矩（磁链）跟踪预测法针对上述无差拍直接转矩控制计算量大的问题，出现了一系列的简化的无差拍直接转矩控制，其中的转矩跟踪预测方法应用比较广泛38-42。该方法分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论，并且根据电机模型得出转矩变化和电压矢量的关系。(4-5)式中逆变器输出定子电压矢量由公式(4-5)可以看出，如果电压矢量为零电压矢量，即，那么，转矩的变化总是小于零，即；如果电压矢量为非零电压矢量即，那么转矩的变化可能大于零，也可能小于零，或者等

52、于零。因此，零电压矢量和非电压矢量对转矩的变化是不同的。转矩跟踪预测方法的目标是，在下一个采样周期内使非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩等于本周期计算出来的转矩误差，用公式表示为(4-6)式中、非零电压矢量、零电压矢量产生的转矩变化通过求解公式(4-6)的方程，可以获得消除转矩误差的非零电压矢量和零电压矢量的作用时间，达到转矩无差拍控制的目的。针对求出的电压矢量作用时间超出采样周期或者小于零的情况，解决方法见公式(4-7)。(4-7)式中针对单一的转矩无差拍控制的不足，文献43提出了对磁链和转矩都进行预测跟踪控制的方法。该方法既消除了转矩脉动,又不会产生磁链畸变,同时也没有显著的增加控

53、制算法的计算量。效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。无论是转矩预测跟踪控制、磁链预测跟踪控制，还是转矩和磁链的预测跟踪控制，比起上述t.g.habetler的无差拍控制简单了许多，且易于实现。局限性是对电机参数变化较为敏感,要提其高鲁棒性，需要在线估计电机参数。4.1.3基于几何图形的无差拍控制在文献44中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表示的转矩方程进行离散化，然后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以知道,施加电压矢量可以使转矩误差为零，满足要求的电压矢量的轨迹在平面上是一条直线上，且与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误差为零，该电压矢量的轨迹在平面上是一个圆，且与磁链圆同心。于是利用直线和圆的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变器所能输出的电压大小的限制。把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。但是就如何把图形方式和数字化控制结合起来从实现方式上来说还是存在有一定的难度10。4.2无差拍控制算法改进以上介绍的几种无差拍控制方法都有一定的优势，也存在一定的弊端。针对上述无差拍控制采用一种改进的方法，目的是避免求解二次方