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【摘 要】直接转矩控制是继矢量控制技术之后的一种新型的高性能的交流调速传动控制技术。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号概念明确，控制转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。
【关键词】电机；直接转矩控制；矢量控制
一、电机矢量控制技术的应用
矢量控制技术的产生对电机交流变频领域的发展具有划时代的重要意义。自矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。它是一种基于转子磁场定向，用矢量变换的方法，使得交流异步电机定子电流的励磁分量和转矩分量之间实现解耦，从而把异步电机等效成直流电机来控制的高性能交流调速控制策略。然而，矢量控制技术以转子磁场定向，通过矢量变换的方法以实现对异步电机转矩和磁链的完全解耦，在实际中，由于转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电机参数影响较大，以及在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转變换的复杂性，使得其实际控制效果难以达到理论分析的结果。
二、直接转矩控制技术的产生
直接转矩控制是继矢量变换之后，与之并行发展的一种新型高性能的交流调速传动的控制技术。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，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。
直接转矩控制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，既直接又简化。
三、直接转矩技术在感应电机上的应用
感应电机控制最根本的实质是控制电磁转矩。直接转矩控制和矢量控制方式均为高性能的转矩控制方法，都可以使电机保持快速动态响应以及良好的稳态性能。而采用高性能的直接转矩控制技术，会使感应电机的控制性能可与他励直流电机相媲美。
采用直接转矩控制技术，可瞬时控制感应电机转矩，控制系统的响应时间在几个毫秒以内。能将负载扰动对速度的影响降到最低，从而很容易地控制轮对空转、滑行并使之最小化。在直接转矩控制中磁通和转矩可分别控制，从而在瞬态和稳态下均可获得最大转矩/电流，效率较高，且更好地利用了驱动系统的电流能力。直接转矩控制在静止坐标系下对感应电机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩，选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略。分析逆变器各种输出状态下产生的电压空间矢量对异步电动机的定子磁链和电磁转矩的作用结果，快速、精确、直接地控制磁链和转矩。
直接转矩控制感应电机工作分三个区：
（1）恒转矩控制区：逆变器电压增加时，增加逆变器频率，保持电压：频率比值恒定，感应电机磁通保持不变。
（2）恒功率控制区：当电压增加到接近逆变器最大输出值时，电压保持不变而仅增加频率，感应电机磁通相应降小。
（3）自然特性区：恒功率控制同样受限于频率的增加，进入感应电机自然特性区，保持电压及滑差频率恒定。
四、直接转矩控制在感应电机上的应用特点
（1）直接转矩控制直接在定子两相静止坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化，既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，他所需要的信号处理工作特别简单，所需要的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。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和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。
（2）直接转矩控制磁场定向所采用的是定子磁链，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。
（3）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。它包含有两层意思：其一是直接控制转矩。它不是通过控制电机的电流、磁链等量间接的控制转矩，而是把转矩作为直接控制对象。因此它不追求获得理想的正弦波，甚至不刻意强调圆形磁链轨迹。其二是对转矩的直接控制，通过转矩两点式调节器把转矩检测与转矩给定值进行滞环的比较，控制转矩在给定转矩附近脉动，脉动大小由滞环宽度决定。因此它的控制效果不依赖电动机的数学模型是否简化，而只取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。
然而，直接转矩控制系统使用过程中也有其弊端，它难以获得良好的低速性能，因而无法达到如矢量控制调速系统那样宽广的调速范围。直接转矩控制系统在低速阶段，转矩控制特性变差、稳态转矩脉动较大及带负载能力下降。
在实际应用中，电力传动控制系统采用直接转矩控制方法，在低速区采用圆形磁链的间接转矩控制，充分利用开关频率，获得良好的电流波形，高速采用直接转矩控制，在有限的开关频率下，通过优化的磁链轨迹，获得转矩的快速动态调节能力，弱磁区工作在恒功模式下，独特的动态弱磁方法，可以在弱磁区同样获得好的转矩动态调节性能。
五、结论
直接转矩控制技术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，采用定子磁链定向，借助于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。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。
参考文献：
[1]李夙.异步电动机直接转矩控制.机械工业出版社.1999：2一3
[2]许环.异步电机矢量控制交流调速系统的研究与实现「D〕.杭州：浙江工业大学，2008
[3]李华德，杨立永等.直接转矩控制技术的新发展【J].变频器世界，2005，6一10
[4]王德明.无速度传感器的异步电动机直接转矩控制研究〔D].南京：河海大学，2004
【关键词】电机；直接转矩控制；矢量控制
一、电机矢量控制技术的应用
矢量控制技术的产生对电机交流变频领域的发展具有划时代的重要意义。自矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。它是一种基于转子磁场定向，用矢量变换的方法，使得交流异步电机定子电流的励磁分量和转矩分量之间实现解耦，从而把异步电机等效成直流电机来控制的高性能交流调速控制策略。然而，矢量控制技术以转子磁场定向，通过矢量变换的方法以实现对异步电机转矩和磁链的完全解耦，在实际中，由于转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电机参数影响较大，以及在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转變换的复杂性，使得其实际控制效果难以达到理论分析的结果。
二、直接转矩控制技术的产生
直接转矩控制是继矢量变换之后，与之并行发展的一种新型高性能的交流调速传动的控制技术。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，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。
直接转矩控制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，既直接又简化。
三、直接转矩技术在感应电机上的应用
感应电机控制最根本的实质是控制电磁转矩。直接转矩控制和矢量控制方式均为高性能的转矩控制方法，都可以使电机保持快速动态响应以及良好的稳态性能。而采用高性能的直接转矩控制技术，会使感应电机的控制性能可与他励直流电机相媲美。
采用直接转矩控制技术，可瞬时控制感应电机转矩，控制系统的响应时间在几个毫秒以内。能将负载扰动对速度的影响降到最低，从而很容易地控制轮对空转、滑行并使之最小化。在直接转矩控制中磁通和转矩可分别控制，从而在瞬态和稳态下均可获得最大转矩/电流，效率较高，且更好地利用了驱动系统的电流能力。直接转矩控制在静止坐标系下对感应电机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩，选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略。分析逆变器各种输出状态下产生的电压空间矢量对异步电动机的定子磁链和电磁转矩的作用结果，快速、精确、直接地控制磁链和转矩。
直接转矩控制感应电机工作分三个区：
（1）恒转矩控制区：逆变器电压增加时，增加逆变器频率，保持电压：频率比值恒定，感应电机磁通保持不变。
（2）恒功率控制区：当电压增加到接近逆变器最大输出值时，电压保持不变而仅增加频率，感应电机磁通相应降小。
（3）自然特性区：恒功率控制同样受限于频率的增加，进入感应电机自然特性区，保持电压及滑差频率恒定。
四、直接转矩控制在感应电机上的应用特点
（1）直接转矩控制直接在定子两相静止坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化，既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，他所需要的信号处理工作特别简单，所需要的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。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和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。
（2）直接转矩控制磁场定向所采用的是定子磁链，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。
（3）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。它包含有两层意思：其一是直接控制转矩。它不是通过控制电机的电流、磁链等量间接的控制转矩，而是把转矩作为直接控制对象。因此它不追求获得理想的正弦波，甚至不刻意强调圆形磁链轨迹。其二是对转矩的直接控制，通过转矩两点式调节器把转矩检测与转矩给定值进行滞环的比较，控制转矩在给定转矩附近脉动，脉动大小由滞环宽度决定。因此它的控制效果不依赖电动机的数学模型是否简化，而只取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。
然而，直接转矩控制系统使用过程中也有其弊端，它难以获得良好的低速性能，因而无法达到如矢量控制调速系统那样宽广的调速范围。直接转矩控制系统在低速阶段，转矩控制特性变差、稳态转矩脉动较大及带负载能力下降。
在实际应用中，电力传动控制系统采用直接转矩控制方法，在低速区采用圆形磁链的间接转矩控制，充分利用开关频率，获得良好的电流波形，高速采用直接转矩控制，在有限的开关频率下，通过优化的磁链轨迹，获得转矩的快速动态调节能力，弱磁区工作在恒功模式下，独特的动态弱磁方法，可以在弱磁区同样获得好的转矩动态调节性能。
五、结论
直接转矩控制技术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，采用定子磁链定向，借助于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。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。
参考文献：
[1]李夙.异步电动机直接转矩控制.机械工业出版社.1999：2一3
[2]许环.异步电机矢量控制交流调速系统的研究与实现「D〕.杭州：浙江工业大学，2008
[3]李华德，杨立永等.直接转矩控制技术的新发展【J].变频器世界，2005，6一10
[4]王德明.无速度传感器的异步电动机直接转矩控制研究〔D].南京：河海大学，2004