直接转矩控制

20世纪80年代中期，德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本学者Takahashi相继提出了直接转矩控制（DTC）技术，它是继矢量控制技术之后发展起来的一种高动态性能的感应电动机变压变频调速技术。DTC技术首先应用于感应电动机的控制，后来逐渐推广到弱磁控制和同步电动机的控制中。

1. 直接转矩控制基本概念

交流感应电动机驱动系统中的直接转矩控制技术是基于定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹（预先设定的轨迹，如六边形或圆形等）运动，对交流电动机的电磁转矩与定子磁链直接进行闭环控制。最早提出的经典控制结构是采用bang-bang控制器对定子磁链与电磁转矩实施砰砰控制，分别将它们的脉动限制在预先设定的范围内。bang-bang 控制器是进行比较与量化的环节，当实际值超过调节范围的上、下限时，它就产生动作，输出的数字控制量就会发生变化。然后由该控制量直接决定电压型逆变器输出的电压空间向量。

这种经典的直接转矩控制调速系统具有以下特点：

① 基于静止坐标系对电动机进行闭环控制，控制系统简单，不需要磁场定向矢量控制技术的旋转坐标变换。

② 没有电流调节单元，不需要磁场定向矢量控制技术中对定子电流的磁场分量和转矩分量进行闭环控制。

③ 设有专门的对定子电压进行脉宽调制的单元，不需要像磁场定向矢量控制技术中采用专门的PWM算法（如空间矢量脉宽调制技术和电流滞环脉宽调制技术）。

④ 特有的电压矢量表，这在其他控制方式中是不会出现的。

⑤ 对定子磁链幅值、电磁转矩均通过bang-bang滞环调节器实现闭环控制，这也是经典直接转矩控制技术所特有的。

2. 直接转矩控制方案分析

（1）德国Depenbrock教授的直接自控制（DSC）方案

直接自控制方案是针对大功率交流传动系统电压型逆变器感应电动机提出来的控制方案。由于当时采用大功率GTO半导体开关器件，考虑到器件本身的开通、关断比较慢，还有开关损耗和散热等实际问题，GTO器件的开关频率不能太高。当时的开关频率要小于1 k Hz，通常只有500～600 Hz。而即便到现在，大功率交流传动应用场合中开关频率也只能有几千赫兹。在较低的开关频率下，直接自控制方案采用的是利用两点式电压型逆变器的六个非零电压矢量，按照预先给定的定子磁链幅值指令顺次切换六个矢量，从而实现了预设的六边形定子磁链轨迹控制。在定子磁链自控制单元的基础上，通过实时地插入零电压矢量来调节电机的转矩在合适的范围内，这是转矩自控制单元的功能。在插入零矢量时，合适地交替选择两个零电压矢量可以起到减小GTO开关频率的作用，直接自控制（DSC）方案如图5-7所示。

图5-7 德国Depenbrock提出的直接自控制方案

六边形定子磁链按轨迹运行时，定子磁链中含有较多的谐波分量。经分析，定子磁链与转子磁链之间是一阶函数的关系。当低速大负载时，转子磁链不再是圆形，由于含有较多的谐波分量，使转矩的低频脉动明显化。对这种方案的改进可以采取以下几种方式：

① 引入多边形定子磁链轨迹的控制（开关频率会增加）， 例如通过在合适的位置引入相应折角的方案，就可以显著减小逆变器直流环路中电流的整数倍数次谐波分量。

② 从根本上来说，引入占空比的控制，以适当调节定子磁链旋转的平均角速度，可以显著减小低速时转矩的脉动。

③ 引入采用空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）的间接定子量控制（ISR），可以在系统闭环控制周期较大的情况下仍有较好的静动态性能。

（2）日本学者Takahashi 的DTC方案

该方案是现今研究最多的一种DTC方案，它采用了查询电压矢量表的方法对定子磁链和电机转矩同时进行调节，控制方案如图5-8所示。根据定子磁链幅值与电动机转矩的滞环式bang-bang调节器、定子磁链矢量空间位置形成查表所需的信息，从电压矢量表中直接查出应施加的电压矢量对应的开关信号，以此来控制逆变器。这种方案为了向理想的圆形磁链轨迹靠近，采用了准圆形定子磁链轨迹以保证定子磁链幅值基本不变，同时也使开关频率有较大增加。

图5-8 日本Takahashi提出的直接转矩与磁链控制方案

对于该控制方案，不同的电压矢量表会对交流传动系统的静、动态性能有很大的影响。例如选用反转的电压矢量可以大大加快系统的动态响应，可以防止定子磁链大幅度地减小，即防止消磁的出现，但稳态时转矩有较大的脉动，同时开关频率也较大。而不采用反转的电压矢量就会出现消磁，其次也会减慢转矩减小时的过渡过程，而其开关频率则会低一些。另外，采用不同阶数的滞环调节器、设置不同的滞环环差以及不同的负载及电动机的速度都会影响逆变器实际的开关频率，这也是直接转矩控制技术的特点之一。

传统DTC方案均是直接利用逆变器本身输出的电压矢量，并且选中的电压矢量将作用于整个控制周期，这也是DTC方案特有的PWM技术。因此DTC技术中无须使用其他的PWM单元，但由于所采用的电压矢量大小、方向均是固定不变的，因此会导致很大的转矩脉动。转矩的脉动只能由转矩滞环式bang-bang调节器来限制，但由于控制系统的惯性，转矩脉动往往超出其预设范围。

（3）改进的DTC控制方案

传统直接转矩控制技术虽然具有控制结构简单、动态响应快等优点，但它存在着与其特殊的PWM技术密切相关的定子磁链与电磁转矩脉动，并且在低速时，转矩的脉动相当大，甚至有时电动机的转速也有较大的波动，降低了传动系统低速运行时的稳定性。

为改善系统的性能，就要在电动机定子上施加方向、幅值可调的电压矢量，对传统直接转矩控制技术进行改进。电压矢量的调节方式分为以下三类：

① 对电压矢量幅值大小进行调节，方向仍然为其固有的六个方向；

② 增加一些较多方向且幅值可调的电压矢量；

③ 电压矢量可以取任意的方向和任意的幅值。

第一种方案中，可以引入占空比的控制。简单地说，就是调节某一个电压矢量在整个控制周期内作用的时间份额。在进行占空比控制时，有以下两种方案：一种是稳态占空比，即着重考虑电动机的速度，同时为了改善动态性能，又必须考虑到定子磁链幅值与其给定值之间的差值以及转矩实际值与给定值之间的差值等；另一种是瞬态占空比控制，即每个控制周期内的占空比均须通过实时计算得到，例如计算出以减小转矩脉动为目的而需施加的电压矢量的一个分量，进而就可算出占空比。前者基本不改变传统直接转矩控制系统的简单结构，但却可以在低速时极大地减小转矩脉动，并且选择好适当的占空比，该系统的动态响应也基本不会变慢。

图5-9 电压矢量的扩充图

第二种方案是利用SVPWM技术将两电平逆变器与三电平逆变器及多电平逆变器综合应用的一种方案。例如，如将两电平逆变器原有的电压矢量仅作用半个控制周期，就相当于在整个控制周期内作用的是具有原先幅值一半的同向电压矢量，如图5-9（b）所示。图5-9（c）为两点式逆变器输出的六个非零电压矢量，图5-9（b）中的六个小矢量就是采用上述方法派生出来的，同样也可以派生出别的幅值。类似地，采用SVPWM技术可以生成一些具有其他方向上的电压矢量，如图 5-9（c）所示。该方案是在采用传统DTC技术（bang-bang调节器以及电压矢量开关表）的基础上，发掘两电平逆变器（和别的较少电平的逆变器）的能力而提出的。通过上述的合成新型电压矢量的技术，可以派生出如图5-9（d）所示的（当然可以更多）类似三电平逆变器的电压矢量，这样就相当于大大扩充了电压矢量表中供选取的电压矢量数目。在低速时，小幅值电压矢量在满足控制需求的前提下，可以大幅度地减小转矩的动能。故该方案可以取得更好的控制效果。

第三种方案是应用任意方向、任意幅值（在逆变器的输出范围内的）的电压矢量，这就需要新型的SVPWM-DTC控制系统。该系统也称为间接定子量控制系统，该系统仍然是基于定子两相静止坐标系，与传统 DTC 不同的是，它对定子磁链与电动机转矩都分别采用经典的PI调节器进行闭环控制，并由其输出共同合成电压矢量的指令值。该方案分为基于定子静止坐标系和基于同步旋转坐标系等不同的形式。虽然这些控制方案的结构相对复杂，但由于运用了较成熟的SVPWM技术，可以使逆变器输出幅值和方向均可调的电压矢量，因此驱动系统的稳态性能更好，基本上可以取得与矢量控制系统相当的性能。