直接转矩控制

直接转矩控制

托书-N特发

2023年2月20日发(作者：验资报告样本)

矢量控制与直接转矩控制技术

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分

别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具

体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流)和产生转矩的电

流分量(转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢

量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控

制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等.这样就可以将一台

三相异步电机（同步电机是指转子定子同时通电，异步机就是电机的转子转动速度与定子所

产生的旋转磁场的旋转速度不一样,有转差值，顾名思义,同步机则不存在转差）等效为直流

电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f＝恒定控制的基础上,通过检测异步电

动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电

流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的

矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器

的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方

式。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢

量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困

难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内

部得到与磁通相应的量,并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制

思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流

（或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流

（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩,从而实现矢量控制.

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异

步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通

用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器

和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。

目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，

带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机

的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进

行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等,可提高异步电动机转

矩控制性能的技术外,目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的

适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低

速区域获得较理想的平滑转速,应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）

控制技术的控制方式,已实用化并取得良好的效果。

直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行

磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同,直接转矩控制不采用解耦的方式,从而在算法上不

存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机

的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制

技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的

数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band

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控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大

小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以

获得高动态性能的转矩输出.它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，

而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即

不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简

化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控

制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的

交流调速控制方式。与矢量控制方式比较,直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采

用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以

把它观测出来.而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子

电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问

题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制

电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控

制转矩，既直接又简化。

以异步电动机的矢量控制为例：

它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程,包括定子磁链,气隙磁链，转子磁链，其中

气息磁链是连接定子和转子的．一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，

把它变成定子电流．

然后，有一些坐标变换,首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程

产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就

实现了解耦控制，加快了系统的响应速度．

最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能．

综合以上：矢量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静

止和旋转）

矢量控制，通过对交流电机的空间矢量图，采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方

向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量,并分别对磁通和力矩进行控制，而使异步

电机可以像他励直流电机一样控制.

其实矢量控制也是为了间接地控制转矩，使电动机尤其是在低频时可以得到足够大的转矩。

其控制转矩的方式是通过准确的电动机参数建立的模型来计算实时的转矩数值与给定转矩

作比较,从而达到控制输出转矩的目的。

还有一种转矩控制方式叫做直接转矩控制（DTC），他是用空间矢量的分析方法,采用定子

磁场定向,直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩。

矢量控制检测的是电流，对电流分析，将交流电动机定子上的电流分解成两部分：

磁场电流和转矩电流，分别进行控制，同时将二者合成为定子电流再给电动机。

矢量控制分为磁通矢量，电压矢量，转矩矢量。

直接转矩控制磁场定向作用的定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它

观测出来，直接转矩控制强调的是，转矩的直接控制和效果.与矢量控制不

同，它不是通过控制电流，磁链等量来间接控制转矩，而是直接把转矩直接作为

被控量,对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。

例如：ABB一般都是用直接转矩控制，西门子用的是矢量控制。直接

转矩控制原理简单，而用矢量控制要计算模型，采集很多电机参数。但是直接转

矩控制在高速和低速时转矩脉动比矢量控制大。在要求精度很高时应用矢量控制

加上编码器速度反馈，而不建议用直接转矩控制加编码器反馈.