news 2026/4/28 4:12:31

1.2永磁同步电机——直接转矩控制(DTC)

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
1.2永磁同步电机——直接转矩控制(DTC)

概要

直接转矩控制(DTC)说白了就是利用滞环比较器,在电磁转矩误差(预期值-预测值)大于给定的正值,如0.1Nm时,滞环比较器输出信号1,意味着应选择使电磁转矩增加的电压矢量(这个通过预先设定的矢量表来选择);反之小于-0.1Nm,输出信号为-1;若在-0.1~0.1Nm之间,保持输出信号与前一次一致。对于定子磁链误差也是同样的道理,结合电磁转矩误差,一起选择最优矢量。

直接转矩控制(DTC)相较于磁场定向控制(FOC)计算量小,动态响应快,且不用旋转(dq)坐标变换,但稳态性能差,转矩及磁链波动较大。

一、矢量预选择表确定

1.1电压矢量对定子磁链影响

磁链方程的矢量形式为

由公式(2)可知,定子磁链矢量的方向及大小完全由电压矢量决定,这便给予了我们判断每个电压矢量对定子磁链幅值的影响了。

通过上面这张图可知,以电压矢量 V2 为例,它将使得定子磁链幅值增加。也就是说,电压矢量 V2 的作用将使定子磁链由红色变为灰色那条。因此,只需确定定子磁链位置,便可得知各矢量对其作用效果。

那如何判断定子磁链位置呢?这个我们稍后再讲,先介绍电压矢量对电磁转矩的影响。

1.2电压矢量对电磁转矩影响

首先给出电磁转矩与d、q轴电流的关系为

为得到电压矢量对电磁转矩的影响,可用定子磁链作为中间桥梁,间接得到。因此应先找寻电磁转矩与定子磁链的关系。

在d-q坐标系,定义定子磁链与转子磁链的夹角为 δ ,称为转矩角。

根据上图所示,可以得到定子磁链在d-q轴的投影为

因此可以得到d-q轴的定子电流方程为

将(5)式定子电流方程代入(3)式转矩方程,且用于表贴式电机( Ld=Lq ),可得

根据(6)式可知定子磁链幅值、 sinδ 与电磁转矩成正比。在极短时间内,可将电机转子的机械运动视为不变,因此转矩角 δ 的变化只与定子磁链变化的方向有关。而电压矢量恰恰又决定了定子磁链的幅值和方向,因此便找到了电压矢量与电磁转矩的关系。

再以此图为例,电压矢量 V2 将使得定子磁链幅值增大, δ 增大,因此电压矢量 V2 一定将使得电磁转矩增大。同样的道理,可以知道电压矢量 V5 将使电磁转矩减小。而对于电压矢量 V3 和 V6 基本上可以认为, V3 使得电磁转矩增大,因为虽然其定子磁链幅值减小,但其减小值认为小于 δ 增大值;同样的,认为 V6 使得电磁转矩减小。

1.3电压矢量对电机影响

上述分析都是基于定子磁链在电压矢量 V1 和 V2 之间分析的,定义此夹间为扇区1。 V2 和 V3 的夹角空间为扇区2,逆时针依次类推一直到扇区6。

结合上述分析可以得到,当定子磁链在扇区1时,电压矢量的作用效果为

当定子磁链在其他扇区时,可得到电压矢量的作用效果见矢量预选择表(下表)。下表中 ψ 表示定子磁链幅值,1代表电压矢量作用效果为增加,0代表电压矢量作用减小;τ 表示电磁转矩,1代表电压矢量作用效果为增加,0代表电压矢量作用减小。

二、定子磁链位置确定

矢量预选择表已经确定,接下来便是要确定定子磁链在哪个扇区。可通过静止坐标系下的 ψα 和 ψβ 确定。

重新确定扇区,方便确定定子磁链位置,以下图中两条红线夹角区间为扇区1,红线与黑虚线夹角空间为扇区2,逆时针一直到扇区6,每个扇区夹角为60度。这样电压矢量对新扇区的定子磁链作用效果也是一致的,可以继续使用上一节的矢量预选择表。

如此便可确定定子磁链位置,从而可以结合矢量预选择表判断使用哪个电压矢量可使得电机到达预定效果。

三、仿真分析

以下为转矩图

以下为定子磁链图

以下为转速图

四、结语

上述内容详细讲解了直接转矩控制的实现思路。大家点点收藏的同时,麻烦点点赞同哦,谢谢!若需要此模型,可上闲鱼(蓝云07)购买。

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