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三相异步电机直接转矩控制研究

毕 业 设 计

设计题目 三相异步电机直接转矩控制研究

学生姓名 曲世彪

学 号 20092252

专业班级 电气工程及其自动化09级—2班

指导教师 王晓晨

院系名称 电气与自动化工程学院

2013 年 5 月 15日
II
目 录
中文摘要： 1
关键词： 1
Abstract: 2
Keywords: 3
1 绪论 4
1.1 课题研究的背景、目的及其意义 4
1.2 直接转矩控制算法的国内外研究现状 6
2 直接转矩控制的理论基础 6
2.1 三相异步电机的数学模型 6
2.1.1三相异步电机的数学模型 6
2.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响 8
2.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响 9
2.2 逆变器以及基本空间矢量的概念和原理 10
3. 直接转矩控制的控制原理 12
3.1定子磁链矢量空间位置检测 13
3.2 定子磁链、转矩和扇区的计算 14
3.2.1定子磁链估计 14
3.2.2 电磁转矩估计 18
3.3 定子磁链和电磁转矩的控制 18
3.4磁链调节和转矩调节 20
3.5 起动问题 21
3.6 直接转矩控制与传统的矢量控制比较 21
3.6.1 直接转矩控制的特点 22
3.6.2 DTC与矢量控制的比较 22
3.7 本章小结 23
4. 直接转矩控制系统的仿真和性能分析 23
4.1 关于MATLAB软件 23
4.2 MATLAB软件简介 24
4.3 直接转矩控制系统的Matlab／Simulink仿真 24
4.4 直接转矩控制系统的性能优缺点分析 26
4.5本章小结 27
结论 28
谢辞 30
[参考文献] 31

三相异步电机直接转矩控制研究
三相异步电机直接转矩控制研究
中文摘要：
对于三相异步电机来说，直接转矩控制（DTC）是一种高性能的变频调速控制方案。三相异步电机的直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它利用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，通过对转矩和磁链的滞环控制产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得系统的高动态性能。直接转矩控制技术具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化的特点，得到广泛应用。
随着经济的发展，在诸多领域里利用高性能的交流调速逐步替代价格较高的直流调速是一个趋势。而直接转矩控制是高性能交流调速技术中潜力最大的一种，而且其控制方法本身非常适合全数字化实现，所以对其进行深入的研究具有良好的现实意义。
1985年德国学者Depenbrock和日本学者Takahashi相继提出异步电机的直接转矩控制(DTC)思想。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。
DTC的研究虽然已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能差、脉动转矩大、限制了系统的调速范围。
本论文研究采用直接转矩控制方案的三相异步电机变频调速系统。涉及到电机传动、电力电子技术、自动控制原理等多学科领域，对直接转矩控制系统的研究，包括转矩计算、磁链计算、转矩、磁链滞环调节器及转速PI调节等，主要包括以下四个部分：
第一部分，介绍课题的研究背景和国内研究现状。
第二部分，建立三相异步电机的数学模型，明确直接转矩控制的基本原理。
第三部分，详细分析直接转矩控制系统各部分的组成。
第四部分，用MATLAB的SIMULINK工具对所设计的三相异步电机直接转矩控制系统进行仿真，并根据仿真结果分析系统的动、静态控制效果。
关键词：
异步电机、直接转矩控制、系统仿真、磁链计算
Abstract:
For three-phase asynchronous motor direct torque control (DTC) is a high performance frequency control. The three-phase asynchronous motor direct torque control following the vector control technology developed a new, high-performance frequency control technology. Use of space vector analysis method, directly in the stator coordinate system and control the torque of the AC motor stator flux orientation control of torque and flux hysteresis PWM signal directly to the inverter switching state the optimal control, in order to obtain high dynamic performance of the system. Direct Torque Control with fast torque response, the control structure is simple, easy to implement fully digital features, are widely used.
With economic development, the use of high-performance AC speed gradually to replace higher-priced DC speed in many areas is a trend. Direct Torque Control is the greatest potential for a high-performance AC variable speed, and the control method is very suitable for all-digital, so its in-depth study has a good practical significance.
1985 German scholar Depenbrock and Japanese scholars Takahashi have put forward the idea of induction motor direct torque control (DTC). Direct Torque Control technology was born, novel control their own thoughts, concise system structure, excellent static performance by the general concern and has been a rapid development.
The DTC study has been made a lot of progress, but it also in theory and practice is not mature enough, such as low-speed performance, torque ripple, limiting the speed range of the system.
Three-phase induction motor speed control system of this thesis direct torque control scheme. Related to the multidisciplinary field of motor drives, power electronics, automatic control theory, the direct torque control system, including torque calculation, flux, torque, flux linkage hysteresis regulator and speed PI regulator, mainly includes the following four parts:
First part of introducing the subject of research background and domestic research status quo.
The second part of the establishment of a mathematical model of the three-phase asynchronous motor, clear basic principle of direct torque control.
The third part, a detailed analysis of the composition of the various parts of the direct torque control system.
The fourth part of the simulation using MATLAB-SIMULINK tool for the design of three-phase asynchronous motor direct torque control system and dynamic analysis of simulation results, static control effect.
Keywords:
Asynchronous motors, DTC, System Simulation, MTBLAB, Flux calculation

1 绪论
1.1 课题研究的背景、目的及其意义
在我们的日常生活中，电机传动设备已经深入到社会生活的各个领域。在能源开采、工业生产以及交通物流等等领域中，电机传动设备更是必不可少的，可以说它与我们的生活息息相关。在这些电机传动设备的应用领域中，比如风机水泵、港口起重设备、风力发电机等等还有对电机进行调速的需求。交流异步感应电动机具有结构简单、运行稳定、成本低廉以及维护简单的特点，在其中占据了绝大多数。统计表明，我国60％的发电量是通过各类电动机消耗的。而在使用的所有电机中，80％以上为功率在220KW以下的中小型交流感应异步电机。就交流调速系统本身来说，在很多港口码头、工厂车间、大型电站和大型船舶航天器的制造场所，对调速性能有着很高的要求，不仅要求速度精度高，还要求转矩响应精确迅速。目前，我国在相关技术的研究和产品化上跟国外先进水平还相去甚远。更重要的是，统计表明，在我国电机驱动系统的能源利用率极低，与国外平均水平相比要低20％，存在非常严重的电能浪费情况，这对我国本来就十分严峻的用电现状可以说更加不利。
因此，为了满足不断发展的实际需求，同时减小能源损耗，延长电机寿命，必须不断发展高性能、高精度的交流电机调速技术。这不仅关乎我们当前的经济发展，更重要的，因为它与能源开发和节约息息相关，还对我们未来的可持续发展有非常重要的意义。
但是，由于交流感应电机的数学模型具有多变量、高阶数、强耦合以及非线性等等特点，使得对其进行高效和精确的调速控制非常困难。近年来，随着电力电子技术、各种传感技术、现代控制理论以及高性能数字信号处理器(DSP)的出现和不断发展，交流电机调速的研究进入了一个高速发展的阶段，涌现出了很多卓有成效的调速控制算法。其中比较有代表性的几种调速控制方法如下。
(1)基于恒压频比的标量控制技术，也称Ⅵ控制。
(2)基于磁链和转矩完全解耦的矢量控制技术，也称矢量控制。
(3)基于磁链和转矩直接控制的矢量控制技术，也称直接转矩控制。
在这些方法中，尤其以直接转矩控制最为引人注目。直接转矩控制技术是继Ⅵ控制和矢量控制之后发展起来的一种高性能的交流变频调速算法，最早是由德国教授Depenbrock和日本学者Takahashi提出的。它的主要思想是利用滞环比较器实现对定子磁链和电磁转矩的分别控制，结合扇区信息，通过一个开关表有选择地输出基本空间电压矢量，来控制电磁转矩和定子磁链按要求快速变化。相比于开环的Ⅵ控制，采取闭环控制的直接转矩控制具有不可比拟的控制精度，具有更好的转矩动态响应。相比于矢量控制，直接转矩控制采用了定子坐标系，摒弃了复杂的坐标变换和解耦过程，控制结构简单，易于实现，动态响应也更好。
但是，经典的直接转矩控制算法也存在一些明显的不足，主要有以下几条。
(1)由于在控制过程中只考虑了转矩和磁链误差的方向性，而忽略了误差的大小，这经常导致在控制过程中误差超过滞环比较的带宽，从而使实际的转矩和磁链产生较大的脉动，影响实际性能。
(2)由于采取根据控制信号选取开关表控制逆变器开关的方法，必然导致逆变器的开关频率不能固定，变化较大，导致电流脉动大且会影响逆变器的使用寿命。
(3)在定子磁链观测时采用了U．I模型，导致在低速运行区间，由于死区效应、定子电阻压降以及采样噪声的影响，使得定子磁链观测结果产生较大偏差，严重影响直接转矩控制在低速区间的控制性能。
虽然直接转矩控制存在上述缺点，但是由于它较之其他算法的确存在巨大优势，而且其缺点可以随着新的控制技术以及高性能的数字信号处理技术的发展被不断克服，使得直接转矩控制技术的研究成为目前交流调速研究领域最大的热点。
目前，国外的直接转矩控制技术已经成功地实现了产品化，瑞典的ABB公司、Emtron公司等都有相关的变频器问世。而在国内，清华大学的李永东教授在低频区间性能改善和死区补偿方面提出了很多好的解决方案；上海大学的陈伯时教授也对直接转矩算法有非常深入和有成效的研究；四川工业大学在直接转矩控制用于电力机车方面有比较深入的研究。但是总体来说，我国针对直接转矩控制算法的研究目前还停留在理论研究和仿真实验的阶段，与世界先进水平还有很大的差距，要想拿出有我国自主知识产权的相应产品，还有很远的路要走。
鉴于以上所述，对于直接转矩控制的研究以及尽早地产品化具有非常重要的实际意义和良好的经济前景。可以预见，具备宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能的直接转矩调速产品是未来发展的主流。因此，研究高性能的直接转矩控制算法是大势所趋，非常必要。
1.2 直接转矩控制算法的国内外研究现状
针对直接转矩控制算法的种种不足，世界各国的研究者就进行了大量的工作，也取得了相当多的成果。各种研究和改进主要集中在以下几点：
(1)电机参数的辨识。在控制算法中，电机参数是必不可少的量。传统的测量电机参数的方式是进行堵转实验和空载实验，但是这需要专门的实验平台，造价昂贵，不利于大范围的实际应用。电机参数的辨识包括启动前的离线辨识和电机运行过程中的在线辨识，离线辨识用于为控制算法的计算提供原始数值，在线辨识是为了适应实际运行中电机参数发生变化的情况，进行实时的参数修正，以保证对电机控制性能的优良。
(2)磁链观测器的设计。在直接转矩控制中，定子磁链的观测准确与否直接决定了控制性能，精度高同时简单易行的磁链观测方法具有非常重要的意义。
(3)无速度传感器的算法研究。在直接转矩控制中需要转子转速这个参数，通常情况下是采用加装速度传感器的方法来获取速度信息，但是在复杂的实际情况中，加装传感器不仅非常麻烦，而且会带来额外的成本，因此，采用一定的算法来估计电机的转速非常有必要。
(4)控制器的设计。经典的直接转矩控制中对磁链和转矩采取滞环比较器进行控制，它只考虑了误差的方向而忽略了大小，会造成很大的脉动，影响系统性能。
2 直接转矩控制的理论基础
2.1 三相异步电机的数学模型
2.1.1三相异步电机的数学模型
本文的主要目的是研究对交流三相异步电机的控制。不论是对于经典控制理论还是现代控制理论，研究的对象都是被控对象的数学模型。在建立三相交流异步电机的数学模型前，需要做出以下假设：
(1)忽略空间谐波，假设三相定转子绕组在空间上互相相差1200电角度，它们产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
(2)涡流、磁饱和铁芯损耗忽略不计，各相绕组的自感和互感都是线性的；
(3)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。
异步电动机的空间矢量等效电路图如图2.1所示

图2.1 异步电动机空间矢量等效电路图
将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量，则有电压公式：
(2-1)
其中，下标,分别表示对应空间矢量和分量和分量。移项并积分可得定子磁链公式：
(2-2)
转矩公式：
(2-3)
式中 ——电磁转矩（N）
——电机极对数
——磁通角（rad）
电机运动公式
(2-4)
式中——负载转矩（N）
J——转动惯量（kg）
上述三式就是三相交流异步电机在两相静止坐标系下的电压公式、磁链公式以及转矩公式，它们共同组成了电机的数学模型，这就是本文接下来进行控制系统分析和研究的基础。
2.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响
对于式(2-3)，若忽略定子电阻压降的影响，则有:
(2-5)
所以定子电压和定子磁链之间是积分关系，该关系见图2.1。
图2.2中， (x=1～6)表示电压空间矢量，表示定子磁链空间矢量，、、、、、表示正六边形的六条边，也表示等分的六个区间。当定子磁链空间矢量，在图2-4所示位置时，其顶点在边上，如果逆变器加到定子的电压空间矢量为(011)，根据式(2-5)中定子电压和定子磁链之间的积分关系，定子磁链空间矢量的顶点将沿着边的轨迹，朝着电压空间矢量 (011)作用的方向运动，到达和的交点时，这时如给逆变器加上电压空间矢量(001)，则定子磁链空间矢量，顶点会按照与(001)平行的方向，沿着边的轨迹运动。到达和的交点时，若给逆变器加上电压空间矢量 (101)，则定子磁链空间矢量顶点会按照与 (101)平行的方向，沿着边的轨迹运动。同样如依次给出 (100) , (110), (010)，定子磁链空间矢量，将依次沿着、、的轨迹运动。

图2.2 电压空间矢量与定子磁链空间矢量间的关系
至此可以得到如下结论:
1.定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向，只要定子电阻压降影响相对较小，的运动轨迹近似平行指示的方向;
2.在适当的时刻，比如在图2.2中正六边形的相邻的边与边的交点处，依次给出定子电压空间矢量u1-u2-u3-u4-u5-u6，则定子磁链的运动轨迹依次沿边----，形成正六边形定子磁链轨迹;
3.一个正六边形代表定子磁链一个周期的运动轨迹，母杀边代表看一个周期定子磁链轨迹的1/6 ，称之为一个区段。
直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单地得到正六边形的定子磁链轨迹，用于控制电动机的转矩。这种方法是最初的直接转矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。
2.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响
转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角有关。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分发挥电动机的性能，转子磁链幅值由负载决定，要改变电动机转矩，可以通过改变磁通角来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链断续旋转，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角，以达到控制电动机转矩的目的。电压空间矢量对电动机转矩的影响如图2.3所示。在时刻，磁通角为()，此时施加电压空间矢量(110)，定子磁链将从 ()旋转到 ()，运动轨迹为 (t)，平行于(110)。而转子磁链不直接跟随定子磁链，定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角由()增加到()，相应的转矩增大。如果在时刻，施加零电压空间矢量或反向电压空间矢量，则定子磁链静止不动或反向旋转，磁通角减小，转矩相应减小。

图2.3 电压空间矢量对电动机转矩的影响
2.2 逆变器以及基本空间矢量的概念和原理
在三相异步交流电机的变频调速系统中，逆变器是非常重要的一个组成部分，它的主要功能是将直流电能转化为交流电。一个电压型三相逆变器的拓扑结构如图2.4所示。

图2.4 电压型三相逆变器模型
在图2.2中，直流侧为电压源，是由市电经过整流提供的。它主要由六个开关组成，可以分为三组，每个桥臂上两个。逆变器的一个最主要的特点是：单桥臂的上下两个开关不能同时导通，即Sa和Sa’在同一时刻若一个为导通状态1，则另一个必须为关断状态O。逆变器的三个桥臂A、B和C分别连接到电机的定子的三相接出端子上，黜代表定子电阻，三相电阻平衡，N为中心点。
8种不同的开关状态组合下，输出的相电压和线电压如表2.1所示。
表2.1 逆变器输出的相电压和线电压

对表2.1所示的定子三相电压进行3/2变换可以得到表2.2，根据表2.2可
以在а-β坐标系上得到8个基本电压空间矢量，如图2.2所示。其中，包括两
个零矢量和六个非零矢量，非零矢量的幅值都为2Vdc/3，相角依次相差60度。
表2.2 基本空间电压矢量

3. 直接转矩控制的控制原理
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，通过控制定子电流励磁分量来控制转子磁通、定子磁通或者气隙磁通，在此基础上，通过控制定子电流转矩分量使可控制电磁转矩。为此，先要进行磁场定向，之后在沿磁场定向的坐标系中将定子电流空间矢甚变换为三相轴系的电流变量。总之，对电动机的控制是通过控制定子电流来间接控制电磁转矩。
直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将磁通和电磁转矩作为控制变量， 因此无需进行磁场定向和矢量变换，这种对电磁转矩的直接控制，无疑更为简捷和快速，进—步提高了系统的动态响应能力。正因如此，虽然直接转矩控制从理论提出到实际应用都滞后于矢量控制，但由于该方法本身固有的优势，使直接转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。
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效性分析。
3.1定子磁链矢量空间位置检测
图3.1是直接转矩控制感应电动机驱动系统的简化框图。途中VSI表示电压源逆变器，它能提供8个开关电压矢量。将定子磁链矢量实际幅值与给定值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厚的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，由表2-2给出的开关电压矢量查询表，可以确定开关电压矢量的选择。但是，在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息。图3-1中的表示的是区间顺序号。

图3.1 直接转矩控制感应电动机驱动系统
定子磁链空间矢量可以用DQ轴系统表示。
（3-1）
（3-2）
（3-3）
（3-4）
式中
（3-5）
这样。可以通过估计定子磁链交，直轴分量值和确定的空间相位和幅值。但是，与矢量控制的要求不同，这里并不需要定子磁链矢量确切的位置信息，只要知道定子磁链矢量处于哪个区间就可以了。因此，可以简单的利用定子磁链两个分量的符号信息，不利用三角函数的计算，只是利用比较器就可以完成了。例如，对于区间①，>0，但这时可能存在>0，也可能存在<0这两种情况。可以进一步利用定子B相绕组磁链的信息。如图3-2所示，当定子磁链位于①区间时，应小于0.同理，对于其他区间可以采用同样的方法来确定。
3.2 定子磁链、转矩和扇区的计算
3.2.1定子磁链估计
要实现磁链和转矩的闭环控制，就必须将磁链和转矩的实际值准确地检测出来.实际上，很难采用直接手段检测出转矩和磁链的实际值，因此一般都是采用间接法，利用定子电压、电流、转速等直接测量的量，来重构转矩和磁链的观测值。所以定子磁链的准确观测是异步电动机直接转矩控制系统的重要组成部分，起着决定性作用。磁链观测模型，共有三种形式: u-i模型、i-n模型、u-n模型。
电压--电流模型：
定子磁链的u-i模型如图3.2所示。

图3.2 定子磁链的u-i模型
在计算过程中唯一所需要了解的电动机参数是易于确定的定子电阻.定子电压u,和定子电流i同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来.u-i模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻的存在引起的。由于这个原因，u-i模型在30%额定转速以上时，测量误差及积分漂移的影响变的微不足道，采用此模型才能比较准确地观测出定子磁链。但是当定子频率接近零时，用这种方法来确定定子磁链是不可能的，因为用做积分的定子电压和定子电阻压降之间的差值消失了，以致在稳定情况下只有误差被积分。
根据式(2-3)，在电机高速运行时，特别是在30%额定转速以上时，电压u较大，u-Ri较大，定子电阻压降的影响很小，由此引起的误差较小，此时u-i模型可以很好地确定定子磁链，且结构简单，精度较高。
在30%额定转速以下范围内，电压u较小，u-Ri较小，定子电阻压降的影响很大，由此引起的误差较大，此时磁链只能根据转速来正确计算。由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为i-n模型法。根据图3-1可以推导:
(3-6)
(3-7)
由此可以得到定子磁链的i-n模型，如图3.3所示。

图3.3 i-n模型
与u-i模型相比i-n模型中不出现定子电阻，也就是说不受定子电阻变化的影响。但是i-n模型受转子电阻、漏电感,主电感L变化的影响。此外i-n模型还要求精确的测量角速度。的测量误差对i-n模型的结果影响很大。
综合以上u-i模型和i-n模型的特点，我们可以采用两种模型相结合的方法(即u-n模型)，用定子电压和转速来获得定子磁链。如图3.4所示:

图3.4 u-n模型
图2-9中，电流调节“PI”单元的作用是强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相等.如果电动机模型得到的电流与实际测量到的电动机电流不相等.就会产生一个差值 送入到电流调节器的输入端。电流调节器就会输出补偿信号加到积分单元的输入端，以修正和电流值，直至完全等于为止，才为零，电流调节器才停止调节。由此可见，由于引入了电流调节器，使得电动机模型的仿真精度大大提高了。 电动机模型综合了u-i模型和i-n模型的优点，又很自然地解决了切换问题。高速时，电动机模型实际工作在u-i模型下，磁链实际上只是由定子电压与定子电流计算得到。由定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。
3.2.2 电磁转矩估计
利用公式3-3可以进行电磁转矩估计
（3-8）
式中是估计值，为实测值。
3.3 定子磁链和电磁转矩的控制
在DTC控制理论中，核心就是通过选择合理的电压空间矢量，控制定子磁链的幅值保持在给定值附近，保持圆形的磁链轨迹，在此基础上保持电磁转矩快速跟随给定值变化。在经典DTC控制理论中，定子磁链和电磁转矩的控制都是通过滞环比较器实现的。其中，对定子磁链采取两点式调节，对电磁转矩采取三点式的调节，如式(3.6)和式(3.7)所示。
（3.6）
（3.7）
其中，，，即参考值和实际值的差值。和分别表示定子磁链和电磁转矩的最大允许偏差。
假设某时刻定子磁链矢量、转子磁链矢量的位置如图3.1所示，处
于扇区1中，两个半圆弧表示定子磁链幅值变化范围的上下限。假设此时的幅值已经达到了上限，应该减小的幅值。此时选择U120(010),则的矢头会沿着与U120(010)平行的方向移动，直到的幅值减到下限值；此时，滞环比较器输出变为l，再选择U60(011)来增大的幅值。以此类推，如图中虚线箭头所示，就保证了的幅值一直被限定在希望的范围内。

再考虑转矩的控制，由前面分析已知，增大夹角，可以增大电磁转矩，减小则相应减小电磁转矩。假设此时转矩滞环比较器输出1，表示应该适当增大电磁转矩，则选择U120(010)，使加速逆时针旋转，以增大，从而增大电磁转矩。至此，通过上面的分析可以得到，当处于扇区l中时，空间电压矢量U120(010)的作用是减小的幅值，同时增大电磁转矩；U60(011)的作用是增大的幅值，同时增大电磁转矩；U240(100)的作用是减小的幅值，同时减小电磁转矩；U300(101)的作用是增大的幅值，同时减小电磁转矩。当施加零电压矢量时，定子磁链矢量保持不变。
通过上面分析可以得到，在确定了定子磁链矢量所处的扇区后，再根据两个滞环比较器的输出信号，就可以根据表3.1所示，合理地选择相应的空间电压矢量，控制定子磁链和电磁转矩跟随给定值快速变化。
表3.1 空间电压矢量选择表

3.4磁链调节和转矩调节
磁链调节有两种形式，第一种是施密特两点式或三点式调节，或称Bang-Bang调节，如图3.6 a) 为给定的定子磁链幅值，为观测到的定子磁链幅值，将两者做差，得到的差值送入滞回比较器:当差值大于设定容差时，输出信号为“1”，说明需要增大定子磁链;当差值小于设定容差时，输出信号为“0”，说明需要减小定子磁链。另一种形式是PI调节，如图3.6 b)所示。它是将定子磁链幅值和观测到的定子磁链幅值的差值送入PI调节器，输出所需要的电压空间矢量分量，方向与定子磁链空间矢量平行，用来调节定子磁链幅值。

图3.6 磁链调节
转矩调节和磁链调节类似，也分为施密特两点式或三点式调节和PI调节，如图3.7 a),图3.7 b)所示。调节原理与磁链调节相同。转矩的PI调节输出的是与定子磁链空间矢量垂直方向上的所需电压空间矢量，用以调节定子磁链的旋转速度，进而调节转矩。

图3.7 转矩调节
3.5 起动问题
当电动机开始起动时，即在t=0时刻，控制系统给定定子磁链参考值,然后又在=时刻，给定电磁转矩指令值。
由于定子历次需要一个过程，定子磁场是逐步建立起来的，所以定子磁链矢量的幅值在=这个时刻之前，甚至过了时刻可能都还没有达到参考值。因为如此，在起动初始时刻，若按照表2-2规定的规则选择定子开关电压矢量，那么在电磁转矩达到其指令值之前，就只有一种状态，即为“+”号，定子磁链的状态也为“+”号。如此，逆变器只能在这个规则下一次选择非零开关电压矢量，在这种情况之下，既不能选择零电压开关矢量，又没有办法实现对定子磁链的调制，这样的结果是定子磁链矢量的轨迹呈灵变形，而不是圆形。在六分之一个周期内，定子磁链的幅值在拐角处达到最大，而后再减小，在下一个拐角处又一次达到最大。
解决这一问题的方法是，在起动期间想转矩滞环比较器输入载波信号，例如方波信号，频率控制在500，这样既能有效利用零电压开关矢量，又能改善定子磁链和电流的波形。
3.6 直接转矩控制与传统的矢量控制比较
与矢量控制等方法通过控制电流、磁链等来间接控制转矩不同，直接转矩控制方法将电机的电磁转矩直接作为被控制量，在а-β静止坐标系下，以定子磁链定向的方式，同时控制电机的定子磁链和电磁转矩，保持定子磁链的轨迹为圆形，同时控制电磁转矩快速跟随给定转矩的变化。传统的直接转矩控制的算法框图如图3.2所示。

图3.2 经典直接转矩控制框图
3.6.1 直接转矩控制的特点
直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转变换对异步电动机的 数学模型解耦简化，计算简单明了，物理概念清楚。
直接转矩控制仅用到了定子磁链，不用转子回路的参数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响。
直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型，用离散的电压空间矢量来描述逆变器对交流电动机的控制，这既合乎实际，又特别简单明了。
调速的关键是转矩控制，矢量变换的目的就是实现异步电动机的转矩控制。而直接转矩控制更进一步，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制量，采用转矩闭环直接控制电动机的电磁转矩，因此，它并不过于追求圆磁链轨迹，只追求对转矩控制的快速和准确性。
直接转矩控制既直接控制转矩又直接控制定子磁链，通过改变滞环调节器的容差，把转矩控制引起的转速波动限制在容许的范围内。
直接转矩控制利用空间电压矢量的概念，对逆变器的六个开关器件的导通与关断进行综合控制，在相同的控制效果下，可以降低开关频率，减小开关损耗
3.6.2 DTC与矢量控制的比较
直接转矩控制（DTC）技术与传统的矢量控制相比，具有以下的主要特点：
1.控制结构非常简单。传统的转子磁场定向的矢量控制系统需要四个PI调节器和一个单独的PWM调节器，而DTC控制仅需要一对滞环控制器和一个速度PI调节器，这使得DTC具有更优良的动态性能；
2.直接转矩控制的运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，大大地简化了运算处理过程，简化了控制系统结构，提高了控制运算速度。
3.直接转矩控制利用一对滞环比较器直接控制了定子磁链和转矩，而不是像矢量控制那样，通过控制定子电流的两个分量间接地控制电机的磁链和转矩，它追求转矩控制的快速性和准确性，并不刻意追求圆形磁链轨迹和正弦波电流。
4.直接转矩控制采用空间电压矢量，将逆变器和控制策略一体化设计，并根据磁链和转矩滞环比较器的输出，直接对逆变器开关管的导通和关断进行最佳控制，最终产生离散的PWM电压输出，因此传统的直接转矩系统不需要单独的PWM调制器。
综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，是一种具有高动态性能的交流调速方法。
3.7 本章小结
本章给出了直接转矩控制系统的简化框图，并介绍了三种定子磁链估计的模型。简要介绍了电磁转矩估计方法。然后介绍了磁链调节和转矩调节的原理和方法。最后对直接转矩控制系统做了简要总结。
4. 直接转矩控制系统的仿真和性能分析
由于电力电子器件自身的非关联性，给电力电子电路和