1、第第4章章 三相感应电动机三相感应电动机直接转矩控制直接转矩控制现代电机控制技术现代电机控制技术23对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过控制定子电流励磁分量来控制转子磁场、气隙磁场或者定子磁场，在此控制定子电流励磁分量来控制转子磁场、气隙磁场或者定子磁场，在此基础上，通过控制定子电流转矩分量基础上，通过控制定子电流转矩分量来来控制电磁转矩。为此，先要进行控制电磁转矩。为此，先要进行磁场定向磁场
2、定向，然后通过矢量变换，将磁场定向然后通过矢量变换，将磁场定向 MT 轴系中的定子电流励磁轴系中的定子电流励磁分量和转矩分量变换为分量和转矩分量变换为 ABC 轴系中的三相电流。总之，是通过控制定轴系中的三相电流。总之，是通过控制定子电流来间接控制电磁转矩。在这一过程中，磁场定向、矢量变换和定子电流来间接控制电磁转矩。在这一过程中，磁场定向、矢量变换和定子电流控制是必不可少的。子电流控制是必不可少的。直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将定子磁链和转矩作为控直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将定子磁链和转矩作为控制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快制变量，无需进行磁
3、场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快速，进一步提高了系统的动态响应能力。速，进一步提高了系统的动态响应能力。本章分析了直接转矩控制的基本原理，对直接转矩控制和矢量控制本章分析了直接转矩控制的基本原理，对直接转矩控制和矢量控制进行了比较性分析，对直接转矩控制尚存在的技术问题做进行了比较性分析，对直接转矩控制尚存在的技术问题做了了简要说明。简要说明。45678910111213 s1516171819 图图 4-6 滞环比较控制滞环比较控制 20同同控制控制定子磁链一样，为了控制电磁转矩，也是通过滞环比较定子磁链一样，为了控制电磁转矩，也是通过滞环比较方式方式将其将其偏差偏差控制在一定的带
4、控制在一定的带宽宽内。滞环内。滞环总总带宽为带宽为e2 t，其上限值为，其上限值为e*ett，下限值为下限值为e*ett，*et为转矩参考值。为转矩参考值。能否将能否将s和和et各自的偏差控制在滞环带宽内，关键是如何运用离散各自的偏差控制在滞环带宽内，关键是如何运用离散的八个开关电压矢量来有效地控制的八个开关电压矢量来有效地控制s和和et的轨迹变化，这也关系到直接的轨迹变化，这也关系到直接转矩控制的结果和质量。对此，可采取多种控制方式。下面介绍的仅是转矩控制的结果和质量。对此，可采取多种控制方式。下面介绍的仅是其中的一种控制方式。其中的一种控制方式。图图 4-6 给出了定子磁链矢量给出了定子磁
5、链矢量s在扇区在扇区的情形。在此区间内选择的情形。在此区间内选择s1u和和s4u是不合适的，因为会使是不合适的，因为会使s幅值急剧变化，而难以将其控制在滞环带幅值急剧变化，而难以将其控制在滞环带宽内，另外对宽内，另外对s转速的作用又十分有限。余下可供选择的电压矢量有转速的作用又十分有限。余下可供选择的电压矢量有s2u、s3u、s5u、s6u以及以及s7u、s8u。由前四个开关电压矢量在。由前四个开关电压矢量在s运动轨迹径向运动轨迹径向和切向方向的投影，可以判断出各矢量对磁链和转矩所起的作用。和切向方向的投影，可以判断出各矢量对磁链和转矩所起的作用。21例如，在例如，在 G1点，它们点，它们的作
6、用的作用可可分别用分别用、和和t、t来表示，下标来表示，下标“”号表示增加号表示增加，“”号表示减小。于是可根据磁链和转矩滞环比较器的号表示减小。于是可根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号来合理选择其中的开关电压矢量。输出信号来合理选择其中的开关电压矢量。因为此时因为此时s的幅值已达到滞环的幅值已达到滞环比较的上限值比较的上限值(s*s)，应使磁链幅值减小，故可选择，应使磁链幅值减小，故可选择s3u或者或者s5u；选；选择择s3u可使可使s快速离快速离开开r，拉大了，拉大了sr，使电磁转矩增大，选择，使电磁转矩增大，选择s5u则会取则会取得相反效果，究竟选择得相反效果，究竟选择s3u还是还是s5
7、u，将取决于转矩滞环比较器的输出；当，将取决于转矩滞环比较器的输出；当要求增大转矩时，应选择要求增大转矩时，应选择s3u，否则应选择，否则应选择s5u。这种选择开关电压矢量的。这种选择开关电压矢量的顺序和准则对其它扇区同样适用。顺序和准则对其它扇区同样适用。表表 4-1 给出了六个给出了六个扇区扇区开关电压矢量开关电压矢量选选择择表，表中用表，表中用，来表示来表示扇区扇区。22表表 4 4-1 1 开关电压矢量选择表开关电压矢量选择表 t 1 1 s2u s3u s4u s5u s6u s1u 0 0 s7u s8u s7u s8u s7u s8u 1 1 -1 1 s6u s1u s2u s
8、3u s4u s5u 1 1 s3u s4u s5u s6u s1u s2u 0 0 s8u s7u s8u s7u s8u s7u -1 1 -1 1 s5u s6u s1u s2u s3u s4u 表表 4-1 中，中，的的取值取值是是由由滞环比较器的输出滞环比较器的输出信号来信号来确定确定，即有，即有 s*ss ，1；s*ss ，1。t的的取值取值由转矩滞环比较器的三个输出信号来确定，即有由转矩滞环比较器的三个输出信号来确定，即有 e*ee ttt，1t；*ee tt，0t。e*ee ttt，1t；*ee tt，0t。23242控制系统构成控制系统构成 图图 4-8 是直接转矩控制系统是
9、直接转矩控制系统原理框原理框图。图中图。图中，电压源逆变器能提供八个开关电电压源逆变器能提供八个开关电压矢量。将定子磁链实际值与给定值压矢量。将定子磁链实际值与给定值比较后比较后的差值输入磁链滞环比较器，同时将转的差值输入磁链滞环比较器，同时将转矩实际值与给定值比较后的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输矩实际值与给定值比较后的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，出，通过通过查询表查询表 4-1，可以选择，可以选择到合适的到合适的开关电压矢量。但是在查询前，需要提供开关电压矢量。但是在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息，图中的定子磁链矢量的位置信息，图中的S表示的是
10、表示的是扇区扇区顺序号。顺序号。根据定子三相电压和电流的检测值可估计出定子磁链矢量的幅值和相位，同时根据定子三相电压和电流的检测值可估计出定子磁链矢量的幅值和相位，同时给出转矩值。给出转矩值。图图 4-8 中，仅给出了速度控制环节，也可在此基础上构成位置控制系统。作为中，仅给出了速度控制环节，也可在此基础上构成位置控制系统。作为速度控制系统，还可以进行弱磁控制。速度控制系统，还可以进行弱磁控制。滞环控制属于滞环控制属于 Bang-Bang 控制，控制，滞环滞环控制控制器器相当于两点式调节器，也可看成是相当于两点式调节器，也可看成是具有高增益的具有高增益的 P 调节器，虽然能使磁链和转矩快速调节
11、，但是磁链和转矩不可避免调节器，虽然能使磁链和转矩快速调节，但是磁链和转矩不可避免地会产生脉动。若使脉动减小，可以减小滞环比较器地会产生脉动。若使脉动减小，可以减小滞环比较器带宽，带宽，但会但会增大逆变器的开关增大逆变器的开关频率和开关损耗，降低了运行效率，也提高了对电子开关的技术要求。频率和开关损耗，降低了运行效率，也提高了对电子开关的技术要求。25图图4-8 直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制系统原理框图2627此外，由于采样时间的延迟，磁链幅值的变化范围也可能会超出滞此外，由于采样时间的延迟，磁链幅值的变化范围也可能会超出滞环带宽，即有环带宽，即有 sacssas22tV (4-22)
12、式中，式中，sat为延迟时间，为延迟时间，s2 为滞环比较器总带宽。这种延迟是由控为滞环比较器总带宽。这种延迟是由控制系统引起的，例如模拟制系统引起的，例如模拟/数字转换或传感器的延迟响应以及程序计算的数字转换或传感器的延迟响应以及程序计算的占用时间等。占用时间等。由上分析可知，即使选择小值的滞环带宽，也不一定能将磁链偏差由上分析可知，即使选择小值的滞环带宽，也不一定能将磁链偏差严格地限制在这个带宽内，还会增大逆变器开关频率。为达到既严格地限制在这个带宽内，还会增大逆变器开关频率。为达到既要减小要减小开关频率又限制磁链脉动的目的，要合理选择滞环比较器的带宽值。开关频率又限制磁链脉动的目的，要合
13、理选择滞环比较器的带宽值。284转矩偏差转矩偏差 由式由式(4-7)，可得，可得 rrmsss1iLLL (4-23)则有则有 tLLtLtdddd1ddrrmsssi (4-24)由式由式(4-11)，若忽略定子电阻若忽略定子电阻影响影响，则有，则有 ssddut (4-25)式中式中，是因是因定子磁链矢量定子磁链矢量变化变化产生的产生的，定义为，定义为感应电压感应电压矢量矢量，当不计定子电阻影，当不计定子电阻影响时，与外加电压矢量响时，与外加电压矢量su相平衡相平衡。同理，有。同理，有 etLLddrrm (4-26)tLLddrrm是是因因转子磁链矢量转子磁链矢量变化产生变化产生的的，定
14、义为，定义为感应电压感应电压矢量矢量 e。293031 图图 4-9 et与转速与转速r的矢量的矢量关系关系 32图中，图中，以转子磁链矢量以转子磁链矢量r为参考坐标为参考坐标，rrmrjLL超前超前r90电角度，电角度，以矢量以矢量 OM 表示表示。PQ 是通过是通过 M 点与定子磁链矢量点与定子磁链矢量s平行的斜线。当平行的斜线。当感应感应电压矢量电压矢量落在斜线落在斜线 PQ 上时，上时，0jrrmrsLL，电磁转矩增量，电磁转矩增量应应为为零；当零；当处于处于 PQ 斜线上方时，斜线上方时，0et；当；当处于处于 PQ 下方时，下方时，0et。电电机转速机转速r不同不同，斜线，斜线 P
15、Q 会上下浮动，会上下浮动，对于同一感应电压矢量对于同一感应电压矢量，将会产，将会产生不同的转矩增量生不同的转矩增量et。图。图 4-9 中，随着中，随着r变小，变小，et将逐渐增大。这说明，将逐渐增大。这说明，在低速区，外加电压矢量的控制作用明显，转矩增幅加大。在在低速区，外加电压矢量的控制作用明显，转矩增幅加大。在高速区，高速区，随随着着r增大，增大，外加电压矢量的控制作用逐渐减弱，当外加电压矢量的控制作用逐渐减弱，当rrmrjLL达到达到 M 点时，点时，外加电压矢量对转矩的控制作用就消失了。外加电压矢量对转矩的控制作用就消失了。33事实上，由式事实上，由式(4-17)已知已知 sssn
16、u 当电动机低速运行时，定子频率当电动机低速运行时，定子频率s也应是低值，所需的切向电压也应是低值，所需的切向电压也较小。在滞环比较控制中，如果在控制周期也较小。在滞环比较控制中，如果在控制周期t内选择的开关电压矢内选择的开关电压矢量其切向分量过大，由式量其切向分量过大，由式(4-18)可知，负载角可知，负载角sr会快速增大，结果使会快速增大，结果使转矩急剧增加，引起转矩脉动，同时还会产生大的冲击电流。转矩急剧增加，引起转矩脉动，同时还会产生大的冲击电流。当电动机高速运行时，定子频率当电动机高速运行时，定子频率s也为高值，所需切向电压也较也为高值，所需切向电压也较大，如果所选择的开关电压矢量其
17、切向分量冗余度过小，则对转矩增大，如果所选择的开关电压矢量其切向分量冗余度过小，则对转矩增加的作用是不明显的，若所需的切向电压加的作用是不明显的，若所需的切向电压snu已达到逆变器所能提供已达到逆变器所能提供切向电压值的极限，外加电压矢量对转矩的控制能力也就消失了。切向电压值的极限，外加电压矢量对转矩的控制能力也就消失了。344.2.2 定子磁链和转矩估计定子磁链和转矩估计 1定子磁链估计定子磁链估计 通常根据定子电压、电流和转速的检测值通常根据定子电压、电流和转速的检测值来来估计估计定子磁链矢量的幅定子磁链矢量的幅值和相位值和相位。1）电压电压-电流模型电流模型 由定子电压矢量方程，可得由定
18、子电压矢量方程，可得 tRd)(ssssiu (4-34)可通过矢量可通过矢量s在在DQ轴系轴系中的两个分量中的两个分量D和和Q来估计其幅值来估计其幅值s和相和相位位s。由式由式(4-34)，可得，可得 tiRud )(DsDD (4-35)tiRud )(QsQQ (4-36)式中，式中，Du、Qu和和Di、Qi由由 ABC 轴系到轴系到 DQ 轴系的坐标变换而得。轴系的坐标变换而得。35由图由图 4-6 可知，定子磁链矢量可知，定子磁链矢量s在在 DQ 轴系内可表示为轴系内可表示为 QDjssjes (4-37)于是于是 2Q2Ds (4-38)DQsarctan (4-39)或者或者 s
19、Dsarccos sQsarcsin 在低频情况下，在低频情况下，因式因式(4-35)和和(4-36)中的中的定子电压很小，定子电阻定子电压很小，定子电阻是否准是否准确就变得十分重要确就变得十分重要，定子电阻参数变化对积分结果影响，定子电阻参数变化对积分结果影响会会很大，随着温度的很大，随着温度的变化变化应应对电阻值进行修正对电阻值进行修正，必要时需要在线辨识定子电阻，必要时需要在线辨识定子电阻sR。此外，。此外，积分器积分器还还存在误差积累存在误差积累以及数字化过程中产生量化误差等问题，还以及数字化过程中产生量化误差等问题，还要要受受逆变器压降逆变器压降和和开关死区的影响开关死区的影响。36
20、为了弥补式为了弥补式(4-34)低频积分的不足，通常采用大时间常数的低通滤波低频积分的不足，通常采用大时间常数的低通滤波器来代替纯积分器，即将式器来代替纯积分器，即将式(4-34)处理为处理为)(11ssssiuRTs (4-40)式中，式中，T为低通滤波器的时间常数。为低通滤波器的时间常数。对式对式(4-35)和和(4-36)中的中的Du和和Qu也可不用实际检测，而直接由逆变器也可不用实际检测，而直接由逆变器开关状态和直流电压开关状态和直流电压cV来确定，即有来确定，即有 3)1(jcDe32RekVu (4-41)3)1(jcQe32ImkVu (4-42)式中，式中，k 值由所选择的开关
21、电压矢量来确定。值由所选择的开关电压矢量来确定。372）电流电流-速度模型速度模型 由由式式(4-7)和和(4-10)，已知，已知 rrmsssiLLL (4-43)rrrmssrsmrj1ddLLTLLt (4-44)若由若由式式(4-43)和式和式(4-44)估计定子磁链矢量估计定子磁链矢量s，可以看出，除了定子电流外，还需，可以看出，除了定子电流外，还需要转子速度信息。将式要转子速度信息。将式(4-43)和式和式(4-44)以定子以定子 DQ 坐标表示，则有坐标表示，则有 drmDsDLLiL (4-45)qrmQsQLLiL (4-46)qrdmsDrsmd1ddLLTLLt (4-4
22、7)drqmsQrsmq1ddLLTLLt (4-48)根据式根据式(4-45)式式(4-48)可得到如图可得到如图 4-10 所示电流所示电流-速度模型速度模型法的法的框图。框图。38 图图 4-10 电流速度模型法框图电流速度模型法框图 39与电压与电压-电流模型相比，电流电流模型相比，电流-速度模型中没有出现定子电阻，速度模型中没有出现定子电阻，因此不受定子电阻变化的影响。电流因此不受定子电阻变化的影响。电流-速度模型要利用转子时间常速度模型要利用转子时间常数及定、转子电感值，还数及定、转子电感值，还有有转子电角速度转子电角速度，这些参数的准确性以及这些参数的准确性以及速度的测量精度对估
23、计结果都有较大的影响速度的测量精度对估计结果都有较大的影响，其中转子电阻和定、，其中转子电阻和定、转子电感会转子电感会随温度和磁路饱和程度的变化而变化。随温度和磁路饱和程度的变化而变化。一般来说，在高速段可采用电压一般来说，在高速段可采用电压电流模型，因为电压电流模型，因为电压-电流电流模型简单，且只受定子电阻影响，而在低速段采用电流模型简单，且只受定子电阻影响，而在低速段采用电流-速度模型，速度模型，因为此时电压因为此时电压-电流模型电流模型可能可能已不能正常工作已不能正常工作。但但是，是，要实现两个模型间快速平滑的切换要实现两个模型间快速平滑的切换也存在也存在困难。为解决困难。为解决这一问
24、题，可将两种模型综合在一起，这一问题，可将两种模型综合在一起，构成新的构成新的电压电压-速度模型。速度模型。402电磁转矩估计电磁转矩估计 利用式利用式(4-1)可以得到电磁转矩的估计值，即有可以得到电磁转矩的估计值，即有 e0ss0D QQ D()tpp i ii (4-49)式中，式中，D和和Q为估计值，为估计值，Di和和Qi为实测值。为实测值。414.3 空间矢量调制空间矢量调制 4 4.3 3.1 1 多多多多位位位位滞滞滞滞环环环环比比比比较较较较控控控控制制制制 4 4.3 3.2 2 预预预预期期期期电电电电压压压压控控控控制制制制 在直接转矩控制中，在直接转矩控制中，是否能是否
25、能选择选择到到合理而又合适的开关电压矢量合理而又合适的开关电压矢量非常重要，也十分关键。非常重要，也十分关键。按本章第按本章第 1 节所述的控制方式，每一周期内节所述的控制方式，每一周期内只能选择一个开关电压矢量来同时控制只能选择一个开关电压矢量来同时控制s的幅值和旋转速度，但其径的幅值和旋转速度，但其径向分量向分量sru和切向分量和切向分量snu不一定是所预期的电压矢量，导致磁链和转不一定是所预期的电压矢量，导致磁链和转矩控制产生了较大偏差。再有，滞环比较器对磁链和转矩偏差只能做矩控制产生了较大偏差。再有，滞环比较器对磁链和转矩偏差只能做出非出非 0 即即 1 的判断，无法区别偏差的大小，也
26、无法考虑转速变化的影的判断，无法区别偏差的大小，也无法考虑转速变化的影响。空间矢量脉宽调制技术响。空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)为解决这一问题提供了有效途径和控制方法。为解决这一问题提供了有效途径和控制方法。424.3.1 多位滞环比较控制多位滞环比较控制 1.空间电压矢量调制空间电压矢量调制 常规直接转矩控制在一个采样常规直接转矩控制在一个采样周期内只能选择一个开关电压矢周期内只能选择一个开关电压矢量，但若将一个采样周期分为几个量，但若将一个采样周期分为几个时间段，尽管每时间段仍只能选择时间段，尽管每时间段仍只能选择
27、一个开关电压矢量，却可以在一个一个开关电压矢量，却可以在一个周期内组合成多个不同的电压矢周期内组合成多个不同的电压矢量，这就扩大了对电压矢量的选择量，这就扩大了对电压矢量的选择范围，范围，使之能够使之能够选择选择到更到更合适合适的的电压矢量。将一个采样周期分成的时间段越多，电压矢量。将一个采样周期分成的时间段越多，可以可以组合出组合出的电压矢量数目就越多，但控的电压矢量数目就越多，但控制会越加复杂。现在，将一个采样周制会越加复杂。现在，将一个采样周期分成三段，介绍期分成三段，介绍空间矢量调制的方式。空间矢量调制的方式。图图 4-11 中，定子磁链矢量位于中，定子磁链矢量位于区间，按表区间，按表
28、 4-1 给出的控制规则，给出的控制规则，可供选可供选择的择的仅仅有四个有四个非零非零电压开关矢量电压开关矢量s2u、s3u、s5u、s6u和和两两个零电压矢量。个零电压矢量。图图 4-11 常规控制下的电压矢量选择常规控制下的电压矢量选择 43 图图 4-12 空间电压矢量调制后的电压矢量选择空间电压矢量调制后的电压矢量选择 同样对于同样对于区间，区间，通过空间矢量调制通过空间矢量调制，可得到，可得到 19 个电压矢量，如图个电压矢量，如图4-12 所示。图中，每个结点表示一个电压矢量的所示。图中，每个结点表示一个电压矢量的顶顶点。例如，点。例如，“332”表示表示是由开关电压矢量是由开关电
29、压矢量s3u和和s2u组合而成组合而成的，的，“600”表示是由表示是由s6u和两个零电和两个零电压矢量压矢量组合而成的组合而成的。44对比图对比图 4-11 和图和图 4-12，可以看出，对于上半部的，可以看出，对于上半部的 9 个电压矢量，其中个电压矢量，其中有有四四个仍与个仍与s2u或或s3u方向相同，但是幅值已缩短为原来的方向相同，但是幅值已缩短为原来的 2/3 或或 1/3。另另有有三个电压矢量三个电压矢量“230”、“223”和和“332”，与，与s2u和和s3u相比，不仅幅值不同，方相比，不仅幅值不同，方向也不相同，例如电压矢量向也不相同，例如电压矢量“230”，其方向，其方向是
30、由节是由节点点 000 230，另两个的，另两个的方向应是方向应是 000 223 和和 000 332，这样不仅改变了这样不仅改变了s2u和和s3u的输出强度，的输出强度，也改变了其作用方向，相当于又构成了三个新的也改变了其作用方向，相当于又构成了三个新的开关开关电压矢量。电压矢量。在常规在常规的滞环比较控制的滞环比较控制中，无法考虑电动机转速的影响。中，无法考虑电动机转速的影响。采用空间电采用空间电压矢量调制的滞环比较控制，可以计及转速的影响，它压矢量调制的滞环比较控制，可以计及转速的影响，它是将转矩偏差、磁是将转矩偏差、磁链偏差和转速三个信息量作为选择电压矢量的依据。链偏差和转速三个信息
31、量作为选择电压矢量的依据。可可将转速分为三个区将转速分为三个区域，即高速区、中速区和低速区，再对这三个不同速度区域分别拟定电压域，即高速区、中速区和低速区，再对这三个不同速度区域分别拟定电压矢量选择规则。矢量选择规则。由于可供选择的电压矢量数目增多，而且电压矢量的作用强度差异较由于可供选择的电压矢量数目增多，而且电压矢量的作用强度差异较大，可以按转矩偏差的大小来选择不同的电压矢量，可以考虑大，可以按转矩偏差的大小来选择不同的电压矢量，可以考虑控制控制稳态转稳态转矩变化和瞬态转矩矩变化和瞬态转矩时时对电压矢量的不同要求。对电压矢量的不同要求。452五位滞环比较器五位滞环比较器 在常规的转矩滞环控
32、制中，采用的是如表在常规的转矩滞环控制中，采用的是如表 4-1 所示的三位滞环比较器，输所示的三位滞环比较器，输出信息是出信息是 1、0 和和-1。现采用如图。现采用如图 4-13 所示的五位滞环比较器，输出信息是所示的五位滞环比较器，输出信息是2、1、0、-1、-2，其中，其中1、0、-1 对应转矩的稳态变化，对应转矩的稳态变化，2 和和-2 对应转矩的对应转矩的瞬态变化。对磁链只考虑稳态变化，仍采用二位滞环比较器，输出二位信息瞬态变化。对磁链只考虑稳态变化，仍采用二位滞环比较器，输出二位信息 1或或-1，1 表示应增加，表示应增加，-1 表示应减少。表示应减少。图图 4-13 五位滞环比较
33、器五位滞环比较器 464.3.2 预期电压控制预期电压控制 上述空间矢量调制构建出的电压矢量仍是数量有限和在空间离散分布的。还不上述空间矢量调制构建出的电压矢量仍是数量有限和在空间离散分布的。还不能很好满足每一控制周期内对控制电压提出的要求。能很好满足每一控制周期内对控制电压提出的要求。预期电压矢量法是根据上一个采样周期预期电压矢量法是根据上一个采样周期内内磁链和转矩的偏差来确定下一个采样磁链和转矩的偏差来确定下一个采样周期所期望的电压矢量，而这个电压矢量可以周期所期望的电压矢量，而这个电压矢量可以在线地在线地由两个相邻非零开关电压矢量由两个相邻非零开关电压矢量和零电压矢量线性组合而成，和零电
34、压矢量线性组合而成，即通过电压矢量调制即通过电压矢量调制来构成下一个采样周期预期的电来构成下一个采样周期预期的电压矢量。压矢量。预期电压矢量预期电压矢量法法的构成的构成方案多种多样方案多种多样，下面通过一个例子予以简要说明。，下面通过一个例子予以简要说明。1预期电压矢量估计预期电压矢量估计 预期电压矢量控制首先要确定出下一个周期预期电压矢量的幅值和相预期电压矢量控制首先要确定出下一个周期预期电压矢量的幅值和相位。可以位。可以采用不同的数学模型和方法来估计预期电压矢量，下面介绍的仅是其中的一个例子。采用不同的数学模型和方法来估计预期电压矢量，下面介绍的仅是其中的一个例子。图图 4-8 中，由转矩
35、指令值和实测值可得转矩偏差为中，由转矩指令值和实测值可得转矩偏差为 e*eettt (4-50)式中，式中，*et为指令值，为指令值，et为实测值。为实测值。47由式由式(4-29)可得以下形式可得以下形式 e0srefsas1()tptLe (4-51)式中，式中，ref是参考电压矢量，是参考电压矢量，sat为作用时间。为消除式为作用时间。为消除式(4-50)所示的转矩偏差，应使所示的转矩偏差，应使*eee0srefsas1 ()tttptLe (4-52)显然，式显然，式(4-52)中的中的ref即为所要估计的预期电压矢量。即为所要估计的预期电压矢量。可将可将ref表示为表示为 QrefD
36、refrefj (4-53)式中，式中，Dref和和Qref分别为静止分别为静止 DQ 轴系中的分量值。轴系中的分量值。式式(4-52)中的中的e可由式可由式(4-24)和式和式（4-26）求出，即有求出，即有 QDsasssassssjddddeetLttLtiie (4-54)式中式中，QDsj，QDsjiii。通过实际检测通过实际检测D、Q和和Di、Qi，可以得到，可以得到De和和Qe。48将式将式(4-51)以以 DQ 轴系轴系分量来表示，则有分量来表示，则有 sae0D QrefQ DrefQ DD Qs()()ttp e eL (4-55)由式由式(4-55)可求得可求得预期预期电
37、压矢量的交轴分量电压矢量的交轴分量Qrefu，即有，即有 Q DrefQrefD Gv (4-56)式中式中，esD QQ D0sa()t LG e ept。在忽略定子电阻情况下，已知在忽略定子电阻情况下，已知 t ddssrefrefu (4-57)在足够小的时间在足够小的时间sat内，可有内，可有 sarefst (4-58)对磁链矢量控制，就是通过控制对磁链矢量控制，就是通过控制s，使，使实际实际磁链矢量磁链矢量s能够跟踪其指令能够跟踪其指令ref s，即即 ref sss (4-59)4950由由式式(4-62)可以解出可以解出Dref，但，但此二次方程此二次方程有两个解，一般应取其中
38、有两个解，一般应取其中绝对值绝对值较较小的一个，因为若小的一个，因为若Dref的绝对值超过逆变器直流电压的绝对值超过逆变器直流电压cV的的32倍是不合理的。将该解倍是不合理的。将该解Dref代入式代入式(4-56)，可以得到另一分量，可以得到另一分量值值Qref，于是可求出，于是可求出预期预期电压矢量电压矢量ref s。当电当电动动机机在低频下在低频下运行时运行时，定子电阻定子电阻sR的影响的影响是明显的。是明显的。若计及若计及定子电阻影响，则有定子电阻影响，则有 QrefDrefrefssref sjuuRiu (4-63)至此，已经求出预期电压矢量至此，已经求出预期电压矢量ref s。51
39、52 图图 4-14 空间电压矢量脉宽调制空间电压矢量脉宽调制 53544.4 直接转矩控制与矢量控制的联系和比较直接转矩控制与矢量控制的联系和比较 4 4.4 4.1 1 直直直直接接接接转转转转矩矩矩矩控控控控制制制制与与与与转转转转子子子子磁磁磁磁场场场场矢矢矢矢量量量量控控控控制制制制 4 4.4 4.2 2 直直直直接接接接转转转转矩矩矩矩控控控控制制制制与与与与定定定定子子子子磁磁磁磁场场场场矢矢矢矢量量量量控控控控制制制制 4.4.1 直接转矩控制与转子磁场矢量控制直接转矩控制与转子磁场矢量控制 由图由图 4-1，可将式，可将式(4-5)改写为改写为 mme0rssr0rTsrs
40、r sin LLtpp L LL L (4-69)式中，式中，T是定子磁链矢量是定子磁链矢量s的的 T 轴分量，也是相对轴分量，也是相对r的正交分量。式的正交分量。式(4-69)表明，表明，若若转子磁链矢量转子磁链矢量r的幅值的幅值保持不变，电磁转矩就决定于保持不变，电磁转矩就决定于T，这意味这意味着在直接转矩控制中，控制着在直接转矩控制中，控制s和和sr，其实质是在，其实质是在控制控制T。55在以转子磁场定向的矢量控制中，是以定子电流作为控制变量在以转子磁场定向的矢量控制中，是以定子电流作为控制变量。如图如图4-1 所示，所示，si在在沿转子磁场沿转子磁场定向定向 MT 轴系中轴系中的转矩分
41、量为的转矩分量为Ti，电磁转矩为，电磁转矩为 me0r TrLtp iL (4-70)在图在图 4-1 中，中，T 轴的定、转子磁链方程为轴的定、转子磁链方程为 tmTsTiLiL (4-71)TmtrtiLiL (4-72)MT 轴系沿转子磁场定向后，轴系沿转子磁场定向后，0t，由式，由式(4-71)和式和式(4-72)可得可得 TsTr2msTiLiLLL (4-73)或者或者 sTTLi (4-74)56事实上，由图事实上，由图 4-1 也可直接得式也可直接得式(4-73)和式和式(4-74)，因为由，因为由ssiL和和s在在 T 轴轴方向上的投影关系，即可得到方向上的投影关系，即可得到
42、TsTiL。通过式。通过式(4-73)和式和式(4-74)，可将式，可将式(4-69)转换为式转换为式(4-70)，或者反之。可见，在转矩控制上，直接转矩控制与转子磁场，或者反之。可见，在转矩控制上，直接转矩控制与转子磁场矢量控制的结果是一致的，只是控制方式不同而已。矢量控制选择的是以转矩矢量控制的结果是一致的，只是控制方式不同而已。矢量控制选择的是以转矩电流电流Ti为控制变量，而直接转矩为控制变量，而直接转矩控制控制选择的是以选择的是以s和和sr为控制变量。为控制变量。两者之两者之间的联系是：控制间的联系是：控制Ti即相当于调节即相当于调节TsiL，也等同于控制，也等同于控制s和和sr；反之
43、亦然。；反之亦然。在基于转子磁场定向的矢量控制中，在基于转子磁场定向的矢量控制中，在稳态下一定满足在稳态下一定满足MTrf1iiT 的关的关系，表明若保持系，表明若保持)(rMi不变，控制不变，控制Ti就等同于控制转差频率就等同于控制转差频率f，以此可以控以此可以控制电磁转矩，制电磁转矩，这也完全符合感应电动机运行的基本原理，对此在这也完全符合感应电动机运行的基本原理，对此在 2.2 节节中已做中已做了详细分析。在直接转矩控制中，如图了详细分析。在直接转矩控制中，如图 4-1 所示，如果转子磁链矢量幅值所示，如果转子磁链矢量幅值r保保持不变，则控制持不变，则控制s和和sr也相当于控制转矩电流也
44、相当于控制转矩电流Ti，实则也是，实则也是在控制转差频率在控制转差频率f。两种控制方式本质上是一致的，最终都是通过控制转差频率来控制电磁。两种控制方式本质上是一致的，最终都是通过控制转差频率来控制电磁转矩。转矩。57然而，然而，基于基于转子磁场定向的转矩控制，可以通过控制励磁电流转子磁场定向的转矩控制，可以通过控制励磁电流Mi来控来控制转子磁链，通过控制转矩电流制转子磁链，通过控制转矩电流Ti来控制电磁转矩，且两者间可以实现解来控制电磁转矩，且两者间可以实现解耦控制耦控制；若控制转子磁链恒定，若控制转子磁链恒定，电磁转矩与转矩电流电磁转矩与转矩电流Ti便具有线性关系便具有线性关系。就转矩控制而
45、言，已相当于将三相感应电动机变换为了一台等效的直就转矩控制而言，已相当于将三相感应电动机变换为了一台等效的直流电动机，这种控制流电动机，这种控制方式方式有效解决了三相感应电动机转矩生成和控制中存有效解决了三相感应电动机转矩生成和控制中存在的强耦合和非线性问题，在的强耦合和非线性问题，使使转矩控制水平可与真实他励直流电动机相媲转矩控制水平可与真实他励直流电动机相媲美。美。但是，这种转矩控制只有在沿转子磁场定向的但是，这种转矩控制只有在沿转子磁场定向的 MT 轴系中才能实现，轴系中才能实现，为此必须先要进行磁场定向，尔后还必须进行矢量变换，将励磁电流和转为此必须先要进行磁场定向，尔后还必须进行矢量
46、变换，将励磁电流和转矩电流变换为三相电流，还必须设置电流控制环节。矩电流变换为三相电流，还必须设置电流控制环节。58直接转矩控制直接选择定子磁链矢量直接转矩控制直接选择定子磁链矢量s为控制变量，如图为控制变量，如图 4-1 所示，所示，这等同于在转子磁场定向这等同于在转子磁场定向 MT 轴系中控制其幅值轴系中控制其幅值s和相位和相位sr，控制的结，控制的结果相当于在此果相当于在此 MTMT 轴系中控制转矩电流轴系中控制转矩电流Ti，这与基于转子磁场的转矩控制，这与基于转子磁场的转矩控制是一致的。但是，直接转矩控制对是一致的。但是，直接转矩控制对s的控制，实际是在的控制，实际是在 ABC 轴系内
47、进行轴系内进行的，因此无需进行磁场定向和矢量变换。而且，若不计定子电阻影响，可的，因此无需进行磁场定向和矢量变换。而且，若不计定子电阻影响，可直接利用直接利用su与与s间的积分关系，利用外加电压矢量来直接控制间的积分关系，利用外加电压矢量来直接控制s和和sr，亦即可以直接控制定子磁链幅值和电磁转矩。显然，与基于转子磁场矢量亦即可以直接控制定子磁链幅值和电磁转矩。显然，与基于转子磁场矢量控制相比，控制相比，直接转矩控制更为直接和简捷，加之可利用切向电压分量直接转矩控制更为直接和简捷，加之可利用切向电压分量snu直直接改变接改变sr的变化速率，能够快速控制转矩，所有这些都可提高控制系统的变化速率，
48、能够快速控制转矩，所有这些都可提高控制系统的快速性。然而，正是因为直接转矩控制是在的快速性。然而，正是因为直接转矩控制是在 ABCABC 轴系内进行的一种直接轴系内进行的一种直接控制方式，目前尚不能实现像基于转子磁场定向那样的线性和解耦控制。控制方式，目前尚不能实现像基于转子磁场定向那样的线性和解耦控制。594.4.2 直接转矩控制与定子磁场矢量控制直接转矩控制与定子磁场矢量控制 1直接转矩控制实质是基于定子磁场定向的转矩控制直接转矩控制实质是基于定子磁场定向的转矩控制 在在 ABC 轴系中，已知定轴系中，已知定子电压矢量方程为子电压矢量方程为 tRddssssiu (4-75)在图在图 4-
49、1 中，如果将中，如果将 MT轴系沿定子磁场方向定向，轴系沿定子磁场方向定向，此此 MT 轴系与基于定子磁场轴系与基于定子磁场定向矢量控制所采用的定向矢量控制所采用的 MT轴系便是同一轴系，如图轴系便是同一轴系，如图4-15 所示。所示。图图 4-15 定子磁场定向定子磁场定向 MT 轴系轴系 60现将定子电压矢量方程现将定子电压矢量方程(4-75)变换到以定子磁场定向的变换到以定子磁场定向的 MT 轴系，可得轴系，可得 MssMsMssMsjddiutR (4-76)式中，式中，s为矢量为矢量s的旋转速度。的旋转速度。由方程由方程(4-76)，可得以坐标分量表示的电压分量方程，即有，可得以坐
50、标分量表示的电压分量方程，即有 tiRuddMMsM (4-77)MsTsTiRu (4-78)式中，式中，Ms。可将式。可将式(4-77)和式和式(4-78)表示为表示为 tiRuddsMsM (4-79)ssTsTiRu (4-80)式式(4-79)和式和式(4-80)与式与式(2-269)和式和式(2-270)相比较，实为同一组方程，即为基相比较，实为同一组方程，即为基于定子磁场矢量控制的电压控制方程。于定子磁场矢量控制的电压控制方程。61如果忽略定子电阻如果忽略定子电阻sR影响，则式影响，则式(4-79)和和(4-80)变为变为 tuddsM (4-81)ssTu (4-82)式式(4
