交流电机的转矩控制
在几种常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量，控制方案侧重于转矩和磁链的无差拍控制以及提高载波频率。对于大容量，不同的是在低速时采用间接转矩控制，以减少低速时的转矩脉动。
二。直接转矩控制技术综述
与DC电机相比，在结构简单、维护方便、对环境要求低、节约能源、提高生产率等方面具有充分的优势，使得交流调速广泛应用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活中。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的飞速发展，交流调速技术也取得了长足的进步。在高性能交流调速领域，主要有矢量控制和直接转矩控制。在1968年，达姆施塔德工业大学的哈塞博士初步提出了场定向理论，随后在1971年，西门子的F·布拉施克总结并实现了这一理论，并以专利的形式发表，逐渐完善并形成了各种矢量控制方法。
第三，特点
至于直接转矩控制，一般认为是由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi分别于1985首先提出的。对于圆形磁链的直接转矩控制，基本思想是通过控制电机的瞬时输入电压来控制定子磁链的瞬时转速，从而改变其对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的，在精确观测定子磁链的空间位置和大小，保持其幅值基本恒定的条件下，精确计算负载转矩。与矢量控制在控制思想上不同，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快、对参数鲁棒性好等优点。
第四，控制
实际上，1977 A B Plunkett曾经在IEEE工业应用期刊上提出过类似于直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法。该方法通过PI调节给定转矩与反馈转矩之差得到转差频率，将其与电机转子的机械转速相加得到逆变器应输出的电压定子频率；电压与频率的比值是通过对定子磁链参考值与反馈值之差进行积分得到的，电压应通过乘以定子频率由逆变器输出。最后，采用SPWM方法对电机进行控制。
直接转矩控制(DTC)提出已近20年。在此基础上，发展了许多控制策略及其数字实现方案、磁链观测和速度辨识方法。本文将对它们进行分类、分析和比较。
动词 （verb的缩写）直接转矩控制策略
直接转矩控制基于静态坐标系，如图1所示。在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、DC母线电压和电机转速(无速度传感器DTC中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使它们分别从定子磁链参考值和转矩参考值中减去，并将差值与各自的滞环进行比较。输出转矩和磁链的增减信号，将这两个信号输入优化矢量开关表，加上定子磁链所在的扇区，得到满足磁链为圆形，转矩输出跟随给定转矩的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以多级设定，其宽度可变。滞后宽度越小，开关频率越高，控制越精确。
六、直接转矩控制方法
直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快、对参数鲁棒性好等优点，但它是基于Bang-Bang控制的控制方法，具有单矢量、转矩和磁链滞环，不可避免地导致开关频率低、开关频率不稳定、转矩脉动大，限制了直接转矩控制在低速区的应用。鉴于此，国内外许多学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率和减小转矩脉动的方法。本节将一一列举和比较。
七、空间矢量调制法
T.G.Habetler的空间矢量调制方法
无差拍方法在直接转矩控制中的应用是由美国T.G.Habetler首先提出的，这种方法的主要思想是在这个采样周期内得到转矩给定值与反馈值之差。
空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过合成两个相邻的基本电压矢量来获得。计算出的空间电压矢量可用于实现无差拍转矩和磁链的目标。
利用Habetler的无差拍方法，理论上可以使磁链和转矩误差完全为零，从而消除转矩脉动，弥补传统DTC Bang-Bang控制的不足，使电机在极低转速下运行。另外，无差拍控制得到的空间电压矢量相对于单个矢量可以大大提高开关频率并使其固定，对降低电压谐波和电机噪声非常有帮助。
但空间电压矢量的作用时间可能比采样周期长，说明磁链和转矩的无差拍控制不能同时满足。因此，作者提出了三个步骤:首先，转矩是否满足死区，如果不满足，则磁链是否满足死区，如果不满足，则根据原直接转矩控制向量表选择下一周期的单个电压矢量。所以根据Habetler的无差拍法，最大计算量有四步，会消耗大量计算资源，不容易实现。另外，整个计算过程对电机参数的依赖性比较大，会降低控制的鲁棒性。
八、转矩或磁通控制方法
在T. G. Habtler的无差拍直接转矩控制方法中，由于计算量大而难以实现，于是出现了一系列简化的无差拍直接转矩控制，典型的方法是转矩跟踪预测。该方法对低速转矩脉动的情况进行了分析，得出了转矩脉动锯齿不对称的结论。
非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的影响不同。前者能使扭矩上升或下降，后者总是使扭矩下降。此外，在不同的速度范围内，扭矩作用的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间中的位置是固定的，合成在两个单一的电压矢量中间，但电压矢量并不影响整个采样周期，而是具有一定的占空比，在一个采样周期内可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果下一个采样周期的非零电压矢量和零电压矢量* * *共同作用，则转矩变化等于该周期计算的转矩误差。
转矩误差将被消除，从而达到转矩无差拍控制的目的。即使计算出的电压矢量动作时间超过采样周期，也可以用全电压矢量代替，所以非常容易实现。从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本对称，说明转矩脉动已经大大减小。以前的方法认为磁链控制精确或变化缓慢，没有考虑磁链的无差拍控制，文献中也预测了磁链。
九、预测控制
在该方法中，磁链的空间矢量和电压矢量之间的关系可以近似地获得如下:
其中δψs是电压矢量作用下磁链幅值的变化，θ V ψ是它们的空间角度。设第k个采样周期的磁链误差为δ ψ so，那么根据公式(5)就可以得到使第k+1周期的磁链误差为零的矢量作用时间。基于转矩控制优先的原则，根据转矩预测控制计算的矢量动作时间和磁链预测控制计算的动作时间，可以得到综合矢量动作时间。考虑磁链的无差拍控制优于单纯的转矩无差拍控制，不仅消除了转矩脉动，而且不会产生磁链畸变，计算量也不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，文献中也采用了类似的方法，最终电压矢量计算动作时间基本相同，此处不赘述。和Habetler的无差拍法一样，预测法也需要更多的电机参数。如果能实时在线辨识定子电阻和转子时间常数，控制精度将大大提高。
X.离散时间直接转矩控制
离散时间直接转矩控制在文献中已经详细介绍了使用离散时间方法来控制异步电动机。在文献中，该方法首次应用于直接转矩控制。该方法基于以下内容:从电机的基本电路模型获得的电压方程和磁链方程被离散化如下:
A和B的定义还将转矩方程离散化，将方程一次代入其中，同时将方程一次代入磁链幅值平方的表达式。利用离散转矩方程和离散磁链幅值调平方法，可以求解下一周期空间电压矢量的增量VSx和VSy，代入下式可以得到转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，幅值受限:
离散时间直接转矩控制可以通过差分方程推导出k+1周期内应该达到的转矩和磁链，因此可以同时实现转矩和磁链的无差拍控制，在实现上非常适合数字控制。此外，该方法主要基于定子侧控制，所需电机参数仅为定子电阻和电感，对电机参数的变化更具鲁棒性。从实验结果来看，系统的动态响应性能较好。然而，在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加了系统硬件的复杂性，此外，计算量也比较大。
十一、几何图形无差拍控制
文献中将定子磁链方程、转子磁链方程和用定转子磁链表示的转矩方程离散化，然后将前两个方程带入转矩方程。通过对离散转矩方程的分析可知，施加电压矢量可以使转矩误差为零，转矩在平面上变为一条直线，与转子磁链矢量方向平行。同理可以分析出，施加电压矢量可以使磁通误差为零，磁通在平面上变为一个圆，与磁通圆同心。因此，利用直线和圆的交点可以得到使转矩和磁链控制无差拍的电压矢量。当然，这个电压矢量受限于逆变器能够输出的电压。
将几何学引入无差拍控制是一个很好的想法，可以得到无差拍控制的最优电压矢量，也有助于理论分析。但是，如何实现图形方式与数字控制的结合，还存在一些困难。
十二、离散空间矢量调制方法
无差拍直接转矩控制理论上可以消除转矩和磁链的误差，克服Bang-Bang控制不精确的弱点，但需要大量的计算，而且这些计算与电机参数有关，容易造成计算误差。因此，文献中提出了一种离散空间矢量调制方法，该方法不需要太多的计算就能提高转矩和磁链控制的精度。
在离散空间矢量调制法中，两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量是有规律地合成的，如图3所示，这是利用相邻的单矢量2、单矢量3和零电压矢量合成的空间电压矢量。从图3可以看出，合成方法是将整个采样周期平均分为三段，每段由非零电压矢量或零电压矢量组成。比如空间电压矢量23Z由矢量2和矢量3以及零电压矢量组成，每个矢量作用于1/3采样周期，所以可以用5段或7段的方式合成(文中未说明)，用这种常规合成方法可以合成10。
精确的电压矢量可以更精确地控制转矩和磁通。在文献中，传统的两级滞环控制Bang-Bang控制用于磁链，但考虑到转矩需要快速的动态响应，分为五级滞环控制，如图4所示，在不同的误差带使用不同的电压向量表。此外，电压矢量对转矩变化的影响推导如下:
从公式⑽可以看出，同一电压矢量在低速和高速时对转矩变化的影响是不同的。因此，不同的速度范围使用不同的电压矢量，如图3所示。另一方面，低速时用小幅度的电压矢量，高速时用大幅度的电压矢量，也符合V/f=C的规律。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量，使得开关频率很低，转矩脉动很大。而离散空间矢量调制方式，由于低速时使用幅值小的电压矢量，连续使用的零电压矢量较少，开关频率高，转矩脉动小。此外，由于高速时电压矢量较多，可以划分为12个扇区，使用两个电压向量表，这样可以进行更精确的控制。
从以上分析可以看出，离散空间矢量调制方法实现简单，不需要无差拍控制那么多的计算量，保持了传统Bang-Bang控制的优点，因此具有很好的鲁棒性，但与传统的直接转矩控制相比，可以提高转矩和磁链控制的精度，降低低速转矩脉动。但控制精度越高，矢量划分越细，电压矢量控制表越大，会增加控制的复杂度。因此，如果能将离散空间矢量调制与无差拍控制相结合，将有助于克服这一缺点。
十三、输出空间电压矢量法
在直接转矩控制中，如果能获得任意相的空间电压矢量，将有助于降低低速时的转矩脉动，实现矢量控制低速时的稳态性能。第三节中的无差拍控制可以得到任意相的空间电压矢量，但计算复杂，实现困难。另一种获得任意相空间电压矢量的方法是使用PI调节器。A. B. Plunkett的直接转矩和磁链调节法是一种PI调节法，但当时没有空间电压矢量的概念，只用SPWM法输出电机控制电压。在文献中，提出的直接转矩控制采用PI调节的方法，而SVM采用的方法是输出空间电压矢量。
转矩参考和转矩反馈得到的转矩误差输入PI调节器，PI调节得到Q轴电压矢量，定子磁链参考和定子磁链反馈得到的定子磁链误差输入PI调节器，PI调节得到D轴电压矢量，然后将D轴和Q轴电压矢量旋转变换到静止坐标系的α轴和β轴，输出空间电压矢量。显然，这个空间电压矢量在空间位置的相位是任意的。在结构上，基于PI调节的直接转矩控制类似于定子磁链定向的矢量控制，但两者又有区别。定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链的D轴，Q轴磁链为零。此外，磁链和Q轴方向的电流应该解耦，这对于基于PI调节的直接转矩控制是不需要的。其中，只有转矩输出和定子磁链反馈需要通过PI调节方法跟踪给定值，实现起来相对简单，鲁棒性好。与传统的直接转矩控制相比，它可以提高开关频率，降低低速时的转矩脉动，但这种方法需要选择合适的PI参数，否则会影响控制系统的动静态性能。除了上述PI调节的直接转矩控制，还在文献中A B Plunkeet的直接转矩和磁链调节方法的基础上做了进一步的研究，输出为空间电压矢量的形式，此处不再赘述。