矢量控制与直接转矩控制之我见
My Opinion on Vector Control and Direct Torque Control
艾默生网络能源有限公司变频器开发部 刘宏鑫
MDI R&D Department of Emerson Network Power Co.，LTD Liu Hong Xin 摘要：本文阐述采用矢量控制与直接转矩控制技术的变频器性能的优劣，提出了两种技术的发展方向。
关键词：矢量控制 直接转矩控制 变频器
Abstract: The merits and demerits of inverter using VC and DTC are discussed in detail. The trend of VC and DTC is presented in this paper.
Keywords:Vector Control Direct Torque Control Inverter
一、矢量控制与直接转矩控制技术发展
自从70年代初期西德Blaschke等人首先提出矢量控制（Vector Control，简称VC）理论，到80年代中期德国人M.depenbrock等人首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control，简称DTC）以来，全世界各地的高校、科研机构、各大变频器公司投入巨大资金和精力来研究，高性能交流变频调速技术如雨后春笋般的涌现出来。由于矢量控制与直接转矩控制技术均是基于异步电机的动态模型，而且均采用外环为速度环，内环为转矩和磁链控制，从而实现转速和磁链的近似解耦，获得了较好的动态性能[1]。
矢量控制的研究重点在于矢量控制环路的结构、无速度传感器速度辨识和电机参数的离线和在线辨识。DTC的重点在于无速度传感器速度辨识、磁链和转矩自控制、脉冲优化选择器等方面。两者的目的在于提高系统转矩控制动态响应、稳态速度精度（速度辨识的精度、转矩脉动大小、冷态热态情况下的自适应能力）、系统的鲁棒性。由于两者算法对于数字化要求非常高、对运算的速度要求也非常高，因此受CPU速度的限制，真正高性能全数字化的无PG变频器在90年代中后期才陆续出现的。表1是1999年8家公司商用化无速度传感器的性能比较[2]。
近几年来，变频器的控制水平又有很大提高，如日立SJ300具有电压检测电路，可以达到1∶500以上的调速范围，而且零速可以达到150%的转矩，富士VG7由于具有电压检测电路，开环辨识精度较高，号称达到开环伺服水平。由于欧洲变频器研发工作着重于V/F 控制或者闭环矢量控制模式，欧洲开环矢量控制变频器的技术水平与日本的差距较多。由于欧洲的制造业非常发达，推动了伺服控制技术的发展，相比日本有一定的优势。
二、通用变频器控制技术的现状
目前，在我国通用变频器的80%左右的市场仍旧被V/F或者E/F变频器所占有。采用矢量控制或者DTC的高档变频器由于价格的差异只占有20%左右的市场。在高档变频器领域，只有ABB推出ACS600/ACS800变频器采用DTC技术，其他各大公司均采用VC技术，最近ABB推出的ACS550也为矢量控制。VC技术成为业界主流。具体原因将在下文阐述。
目前按照开环运行的性能划分，排序大概为日立、安川、富士、ENP、CT、西门子、三菱、AB、ABB等，按照闭环性能，目前排序大概为安川、KEB、ENPC、CT、LENZE、三菱、西门子、ABB。
另外，随着微机控制芯片价格的下降，逐步出现了以CTUNIDRIVE-SP为代表的统一变频器，即将V/F控制、开环矢量控制、闭环矢量控制、通用伺服及永磁同步电机控制技术于一体的超级变频器，给用户的使用带来很大的方便。
三、矢量控制与直接转矩控制产品性能对比
从表2可以看出，DTC除动态响应外，其他方面均不比VC好。由于用户最关心的是电机速度的精度和转矩的脉动，而VC的动态响应又满足了市场的绝大多数场合，这也是国外变频器厂家普遍采用矢量控制的根本原因。
四、矢量控制与直接转矩控制产品技术实现的对比
开环DTC控制的基本实现框图如图1所示，开环VC控制的基本实现框图如图2所示。
图1开环DTC的控制的基本实现框图
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图2开环VC控制的基本实现框图
从两者的对比可以看出，DTC需要完成速度调节器、速度估计、定子磁链计算、电机转矩估计、定子磁链与转矩的比较及PWM脉冲优化选择等；VC需要完成速度调节器、速度估计、转差计算、同步角速度的积分、电流与电压旋转变换、D、Q轴的电流调节运算等。从表面看，VC控制的工作量有两次旋转变换，好像运算工作量比DTC的工作量大，对CPU的要求低。实际上，这是错误的概念。
由于DTC的磁链和转矩控制采用乒乓控制，转矩脉动与调节频率成反比，即使采用根
据磁链和转矩误差大小进行PWM脉冲优化选择，也只能够在一定程度上减小输出转矩的脉动。尽管ABB的ACS600采用硬件完成定子磁链与转矩的比较及PWM脉冲优化的选择，采样周期为25微秒，但是由于定子磁链与转矩的变化比较缓慢，开关状态在一个周期内不规则变化，而且受开关功率器件的限制，开关频率一般小于15KHZ，实用范围小于10KHZ，造成转矩脉动仍旧较大，开关频率的不确定，造成电磁噪音很大。25微秒的运算周期，即使采用目前最快的DSP也难以实现。如果要达到同样的性能，采用VC控制的话，电流环的运算速度只要在125微秒~500微秒之间，就可以达到更好的控制效果。这就是VC 被各在公司看好和采用的现实原因。最近，由于FPGA的价格降低，采用全硬件矢量控制变频器成为现实，由于电流环的采样可以通过高速V-F来实现，整个电流环的速度小于10微秒，整个系统的性能与算法与CPU速度的关系已经很小了，此时VC的各项控制性能远优于DTC。目前IR已经推出了带PG的各种电机专用芯片，性能达到目前业界最高水平。
五、矢量控制与直接转矩控制技术产品化的研究方向
矢量控制与直接转矩控制技术发展至今天，数字处理技术已经发展到很高的水平，但是理论上仍旧没有突破。尽管两者对于电机的控制效果具有异曲同工之效，但是在具体的性能指标、具体实现的难易程度等细节方面还是存在很大的差异。由于以上原因，笔者认为从产品化工作的考虑，今后技术研究工作可能主要集中在以下几个方面：
a) 两者算法优点的整合，达到既快又准的目的；
b) 调节器的优化设计，提高动态响应、减小超调；
c) 控制环路的优化，提高系统稳定性，降低技术实现的难度；
d) 死区补偿的深化研究，减小电流失真度，抑制转矩脉动；
e) 过调制的深化研究，减小电压失真度，抑制高频转矩脉动，提高高频带载能力；
f) 速度辨识算法的研究。速度辨识算法必须与控制环路的研究配套进行，而且必须与输出电压获取方法（检测/指令）结合研究；
g) 定、转子参数自适应，提高无PG稳态精度和系统鲁棒性，有PG的动态响应；
h) 专用IC研制。
参考文献：
1、陈伯时，“高性能的通用变频器”，第二届变频器行业企业家论坛论文集，P10~P11，2003，中国，成都。
2、Mequon，“AC Drives：Year 2000(Y2K) and Beyond”，IEEE-APEC’99MARCH 14-18，1999。
简历：男（1969-），1991年毕业于西安理工大学自动控制专业，1996年获得电力电子专业硕士学位。主要从事变频器及其应用控制系统科研、教学工作，期间获得多项国家及省部级科技进步奖。1997年加盟艾默生网络能源有限公司，从事变频器产品开发工作。
变频器基础知识 变频器是把工频电源(50Hz 或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CP U 以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、G T O(门极可关断晶闸管)、B JT(双极型功率晶体管)、M OSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、S I TH(静电感应晶闸管)、M GT(MOS 控制晶体管)、M CT(MOS 控制晶闸管)、I GBT(绝缘栅双极型晶体管)、H VIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣， 并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM 模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的V VVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类，可以分为PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频PWM 控制变频器;按照工作原理分类，可以分为V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 V VVF ：改变电压、改变频率 CVCF ：恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz 或200V/60Hz(50Hz)，等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n =60 f(1-s)/p (1) 式中 n ———异步电动机的转速; f ———异步电动机的频率; s ———电动机转差率; p ———电动机极对数。 由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380～650V ，输出功率为0.75～400kW ，工作频率为0～400Hz ，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 1U /f=C 的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统 开关电源设计学习园地 https://www.doczj.com/doc/0b13624470.html,
转矩控制、矢量控制和VF控制解析 1.变转矩就是负载转矩随电机转速增大而增大，是非线性变化的，如风机水泵 恒转矩就是负载转矩不随电机转速增大而增大，一般是相对于恒功率控制而言。如皮带运输机提升机等机械负载 2.VF控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比。例如：50HZ时输出电压为380V,25HZ时输出电压为190V即恒磁通控制；转矩不可控，系统只是一个以转速物理量做闭环的单闭环控制系统，他只能控制电机的转速 根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值： E1=4.44f1N1Φm式中：E1--定子 每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，V ；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数；Φm- 每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时， 可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。 基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区 的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频 率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率 变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保 持不变，属于恒功率调速区。 3.矢量控制，把输出电流分励磁和转矩电流并分别控制，转矩可控，系统是一个以 转矩做内环，转速做外环的双闭环控制系统。它既可以控制电机的转速，也可以控制电 机的扭矩。 矢量控制时的速度控制（ASR）通过操作转矩指令，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 带PG 的V/f 控制时的速度控制通过操作输出频率，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。 具体做法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。 矢量控制分有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种,前者精度高后者精度低。矢量控制系统的无速度传感器运行方式，首先必须解决电机转速和转子磁链位置角的在线辨识问题。常用的方法有基于检测定子电流信号的辨识方法，有同时使用电流检测信号和电压检测信号的辨识方法，还有根据电流检测信号和逆变器的开关控制信号重构电压信号的方法。
直接转矩控制的基本原理和仿真研究 摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技 术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。与矢量控制技 术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的 控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。由于直接转矩控制技术本身的固有优势，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。本文将直接转矩控制技 术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。在深入 剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形 磁链控制系统仿真模型。仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是 低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。 关键字：直接转矩控制，异步电机，simulink The Basic Principle and Simulation Study of Direct Torque Control Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu
变频器矢量控制的基本原理分析 矢量控制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。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，按照一定的关系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。
太原科技大学 题目：直接转矩控制 专业：电气工程 班级：研1403 姓名：安顺林 学号：S2*******
直接转矩控制 摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点，是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，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。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。 关键字直接转矩控制，异步电动机 一直接转矩控制系统介绍 1.1 异步电动机调速系统的发展状况 在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。 1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。 直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。
直接转矩控制 直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。 直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20 世纪80 年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987 年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。 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电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，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。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，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。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面： （1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究 在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。 （2）定子电阻变化的影响
电力电子技术在轨道交通牵引系统中的 发展
电力电子技术在轨道交通牵引系统中的发展 第一组 电力牵引传动与电力电子器件存在相互促进和相互依存的密切关系，电力传动是按照直一直传动、交一直传动再到交一直一交传动的过程发展的，而为了满足这一发展历程，离不开电力电子器件和现代计算机控制技术的高速发展。现代电力电子器件的发展迅猛，开发周期愈来愈短，如快速晶闸管、GTO晶闸管、GIBT、IPM等，每种新器件的诞生都迫使我们加快了对新器件的基础应用研究，从而促进了牵引传动方式的进步。 1轨道车辆牵引领域电力电子器件的发展 1.1 电力电子器件的发展 自1957 年晶闸管问世，标志着电力电子技术的诞生，从此电子技术向两个分支发展。一支是以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术，其发展特点是集成度愈来愈高，集成规模越来越大，功能越来越全。另一支是以晶闸管为核心形成对电力处理的电力电子技术，其发展特点是晶闸管的派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。 传统的电力电子器件已发展到相当成熟的阶段，但在实际中却存在两个制约其继续发展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因为通过门极只能控制其开通而不能控制其关断，属于半控型器件。二是此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难以提高，一般情况下难以高于400Hz，因而大大地限制了其应用范围。因此，半控制器件的发展已处于停滞状态。 到了70 年代末，可关断晶闸管(GTO)器件日趋成熟，标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控制型器件。进入80 年代以后，伴随着GTO器件的发展及成熟，MOS 器件的开发则繁花似锦。绝缘栅双极晶体管(IGBT)独占鳌头。至此电力电子器件又从电流控制型器件发展到电压控制型器件。90 年代，电力电子器件又在向智能化、模块化方向发展，力求将电力器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT 器件既具有IGBT 器件的开关特性，同时又具有GTO 器件的导通特性，且制造成本较低(与GTO和IGBT相比)，可以获得和GTO晶闸管一样的产量，即其集IGBT与GTO二者优势于一身，预计今后会在更多的
转矩控制矢量控制和V F 控制解析 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
转矩控制、矢量控制和VF控制解析 1.变转矩就是负载转矩随电机转速增大而增大，是非线性变化的，如风机水泵 恒转矩就是负载转矩不随电机转速增大而增大，一般是相对于恒功率控制而言。如皮带运输机提升机等机械负载 控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比。例如：50HZ时输出电压为380V,25HZ时输出电压为190V即恒磁通控制；转矩不可控，系统只是一个以转速物理量做闭环的单闭环控制系统，他只能控制电机的转速 根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值：E1=4.44f1N1Φm式中：E1--定子每相由气 隙磁通感应的电动势的有效值，V；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数；Φm-每极磁通量由式 中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的 基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。 基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频率从基频向上可以 调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。 3.矢量控制，把输出电流分励磁和转矩电流并分别控制，转矩可控，系统是一 个以转矩做内环，转速做外环的双闭环控制系统。它既可以控制电机的转速，也可以控制电机的扭矩。矢量控制时的速度控制（ASR）通过操作转矩指令，使得速 度指令和速度检出值（PG的反馈或速度推定值）的偏差值为0。带PG的V/f控 制时的速度控制通过操作输出频率，使得速度指令和速度检出值（PG的反馈或速 度推定值）的偏差值为0。 矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。具体做法
为了能让大家在已经泛滥的知识上少走弯路，本人把自己在SVPWM上的认识与看到此贴的读者们一起分享，废话少说，切入正题：在看下面内容之前，您应该至少对SVPWM的原理有大致的了解，如果不了解也没关系，你只要按照我交给你的步骤来做，也可以轻而易举的跨过SVPWM这道坎，在仿真之前您必须安装MATLAB7.0或以上版本，必须确保simpowersysm工具箱已被安装，如果以上要求已经达到，那么就可以执行以下步骤了： 步骤1：打开matlab主界面，然后在command window界面中的“>>”旁边输入simulink，打开simulink开发环境后新建一个mdl文件，在simulink下拉菜单中的ports&subsystems中找到subsystem模块，用其建立一个如图1的总的模块，这个模块有两个输入口，一个输出口（实际上包含六路PWM信号），接来的东西都将在这个模块中添加，输入输出模块的名称可以在双击模块后自己更改，其中Vahar，Vbetar是需要输出的电压在两相静止坐标系下的两个分量，输出是控制逆变器六个IGBT的pwm脉冲信号。 也许有人会问，输入参数不是还包括直流电压和功率开关频率吗？别急，下面接着让您看到上述模块的内部情况 步骤2：根据图2，添加subsystem的内核模块，里面用到的模块有以下几种：in，out,mux,demux,repeatingsequence,rationaloperator,logical operator 和里面的主角S-Function builder模块。
可以看到输入有四个参数Vapha，Vbeta，Tz，Vdc，输出为六路PWM信号，这个仿真模块没考虑死区的问题； 取Tz为1/（1e+4）这就是说开个频率是10kHz,Vdc为500，这两个参数要根据实际情况自己设置，这里是我任意设的，repeating sequence的设置如图3所示，这样设的目的是想产生一个周期为Tz，峰值为Tz/2的等腰直角三角形调制波，接下来设置两个比较模块和取反模块，比较模块是大于等于关系，各模块的其他参数，我没说的就当默认设置，细心的读者会在图4中的第一幅图中看到仿真时间设为Ts，这是我设的系统仿真步长，这里就用默认值-1，此外比较模块和取反模块的信号属性signal atrributes均应设为Boolean格式。 图3
变频器的V/F控制与矢量控制 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 一、矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 V/F控制与矢量都是恒转矩控制。U/F相对转矩可能变化大一些。而矢量是根据需要的转矩来调节的，相对不好控制一些。对普通用途。两者一样 1、矢量控制方式—— 矢量控制，最简单的说，就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性，就这么简单，至于深入了解，那就得深入了解变频器的数学模型，电机学等学科。 矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理，根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制。 在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。 具体做法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。 2、V/F控制方式—— V/F控制，就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。例如，50HZ时输出电压为380V的话，则25HZ时输出电压为190V。 变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。（运动控制系统框图） 2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 第1章可控直流电源-电动机系统内容提要 相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统 调速系统性能指标 1相控整流器-电动机调速系统原理 2.晶闸管可控整流器的特点 （1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。 晶闸管可控整流器的不足之处 晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。 在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。 3.V-M系统机械特 4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。 5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类 （2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 （3）有制动电流通路的不可 逆PWM-直流电动机系统 （4）桥式可逆PWM变换器 （5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点 双极式控制方式的不足之处 （6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题 ”。（7）直流PWM调速系统的机械特性 6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式） 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。 D与s的相互约束关系 对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。 当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。第二章闭环控制的直流调速系统 内容提要 ?转速单闭环直流调速系统 ?转速、电流双闭环直流调速系统 调节器的设计方法 1.异步电动机从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是机械轴上输出的机械功率；另一部分是与转差率成正比的转差功率。.异步电动机按调速性能分类第一类基于稳态模型，动
矢量控制与直接转矩控制之我见 My Opinion on Vector Control and Direct Torque Control 艾默生网络能源有限公司变频器开发部 刘宏鑫 MDI R&D Department of Emerson Network Power Co.，LTD Liu Hong Xin 摘要：本文阐述采用矢量控制与直接转矩控制技术的变频器性能的优劣，提出了两种技术的发展方向。 关键词：矢量控制 直接转矩控制 变频器 Abstract: The merits and demerits of inverter using VC and DTC are discussed in detail. The trend of VC and DTC is presented in this paper. Keywords:Vector Control Direct Torque Control Inverter 一、矢量控制与直接转矩控制技术发展 自从70年代初期西德Blaschke等人首先提出矢量控制（Vector Control，简称VC）理论，到80年代中期德国人M.depenbrock等人首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control，简称DTC）以来，全世界各地的高校、科研机构、各大变频器公司投入巨大资金和精力来研究，高性能交流变频调速技术如雨后春笋般的涌现出来。由于矢量控制与直接转矩控制技术均是基于异步电机的动态模型，而且均采用外环为速度环，内环为转矩和磁链控制，从而实现转速和磁链的近似解耦，获得了较好的动态性能[1]。 矢量控制的研究重点在于矢量控制环路的结构、无速度传感器速度辨识和电机参数的离线和在线辨识。DTC的重点在于无速度传感器速度辨识、磁链和转矩自控制、脉冲优化选择器等方面。两者的目的在于提高系统转矩控制动态响应、稳态速度精度（速度辨识的精度、转矩脉动大小、冷态热态情况下的自适应能力）、系统的鲁棒性。由于两者算法对于数字化要求非常高、对运算的速度要求也非常高，因此受CPU速度的限制，真正高性能全数字化的无PG变频器在90年代中后期才陆续出现的。表1是1999年8家公司商用化无速度传感器的性能比较[2]。 近几年来，变频器的控制水平又有很大提高，如日立SJ300具有电压检测电路，可以达到1∶500以上的调速范围，而且零速可以达到150%的转矩，富士VG7由于具有电压检测电路，开环辨识精度较高，号称达到开环伺服水平。由于欧洲变频器研发工作着重于V/F 控制或者闭环矢量控制模式，欧洲开环矢量控制变频器的技术水平与日本的差距较多。由于欧洲的制造业非常发达，推动了伺服控制技术的发展，相比日本有一定的优势。 二、通用变频器控制技术的现状
变转矩和恒转矩、矢量控制和VF控制的区别？ ?悬赏分：5 ?- 解决时间：2009-2-25 15:20 求教：变转矩和恒转矩、矢量控制和VF控制的区别？ 问题ID: 31798提问者：jiaobo - 新生第1级 最佳答案 简单举例 变转矩就是负载转矩随电机转速增大而增大，如风机水泵 恒转矩就是负载转矩不随电机转速增大而增大，如皮带运输机提升机等机械负载 VF控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比例50HZ时输出电压为380V,25HZ时输出电压为190V即恒磁通控制 矢量控制，把输出电流分励磁和转矩电流并分别控制 矢量控制时的速度控制（ASR）通过操作转矩指令，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 带PG 的V/f 控制时的速度控制通过操作输出频率，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 回答者：wrp0 - 中级技术员第6级2009-2-19 09:22 提问者对于答案的评价： 谢！ 您觉得最佳答案好不好？ 50% (0) 50% (0) 其他回答 一、V/F控制方式 变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，一般强调“空载电流”的大小。由于我们采用矢量化的V/F控制方式，故做电机参数静止自整定还是有必要的。不同功率段的变频器，自学习后的空载电流占额定电流大小百分比也是不同的。 一般有如下百分比数据：5.5kW~15 kW,空载电流P9.05的值为30%~50%的电机额定电流；3.7 kW 及以下的，空载电流P9.05的值为50%左右的电机额定电流；特殊情况时，0.4 kW、0.75 kW、 1.5 kW，空载电流P9.05的值为70%~80%的电机额定电流；有的0.75 kW功率段，参数自整定后 空载电流为电机额定电流的90%。空载电流很大，励磁也越大。 何为矢量化的V/F控制方式，就是在V/F控制时也将输入电流量进行解耦控制，使控制更加精确。 变频器输出电流包括两个值：空载电流和力矩电流，输出电流I的值为空栽电流Im和力矩电流It 平方和后开2次方。故空载电流是影响变频器输出电流的主要因素之一。 V/F控制时输出电压与运行频率之比为一定值：即U/F=K（K为常数），P0.12=最大输出电压U，P0.15=基频F。
目录 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 (1) 1.1直接转矩控制系统原理与特点 (1) 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (3) 2系统建模与仿真 (5) 2.1模块模型实现 (5) 2.1.1电机模型 (6) 2.1.2磁通和转矩滞环控制器 (7) 2.1.3磁链选择器 (8) 2.1.4电压矢量选择 (9) 2.1.5其他模块 (10) 3感受和体会 (11) 附录 (12) 参考文献 (18)
直接转矩控制技术仿真分析 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。 1.1直接转矩控制系统原理与特点 如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号* T，在* T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。 图1-1直接转矩控制系统图 的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链 s 保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。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，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点： ①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控 制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，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，它所需要的信号处理工作特别 简单，所用的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。 ②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数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的转子电阻 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直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。 ④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接 又简化。 ⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。
直接转矩控制原理 直接转矩控制原理比较简单，就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（开关状态）。电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。 传统直接转矩控制方法偏差分类： 磁链： 1，需要增大 2，需要减小 转矩： 1，需要增大 2，不变 3，需要减小 可见共有6中要求控制状态。在4个控制电压矢量和2个零电压矢量中选择合适的，即为滞环比较器的输出。仿真系统中这个功能由滞环比较单元与查表单元结合产生。 一、引言 电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。 交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。 1．交流传动的发展简述 首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接 转矩控制（DTC）调速系统。由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，
并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。 1985年，德国的M.Depenbrock和日本的I.Takahashi先后提出直接转矩控制理论。直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。 2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比 （1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。 （2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。 图1异步电动机的空间矢量等效电路 直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。 二、数学模型 1．异步电动机转矩的数学模型
矢量控制与直接转矩控制的比较 矢量控制是交流电机最为完美的控制方案；直接转矩控制是一种粗况的控制方案。 1971年，F Blaschke比较系统地提出了矢量控制理论。矢量控制是通过坐标变换和矢量旋转，将交流电机完全等效为直流电机，然后应用成熟的直流电机控制方案，控制交流电机。因此从控制方案上讲，应用矢量控制的交流调速系统和直流调速系统具有同样的控制性能。又由于交流电机没有换向器，而且转子结构的特殊性，使得交流调速系统的最终控制性能要优于直流调速系统。 矢量控制系统的原理框图如下， 矢量控制理论的提出，被认为是交流电机控制理论发展过程中的里程碑。 同其他理论一样，矢量控制理论从提出到在实践中获得成功应用，也经历了坎坷的过程。 1．在当时的情况下，矢量控制的计算量相对较大，各个子单元的计算速度能否满足控制系统整体要求， 2．磁场定向的准确性，受电机参数时变的影响较大。 因此，在应用的初期，实际效果差强人意。人们在理论的先进性，和实际的应用效果之间做了一定的取舍。在此背景下，于1977年，A.B.P iunkett在IEEE 杂志上首先提出了直接转矩的控制思想，1985年，由德国鲁尔大学的Depenbrock教授首次取得了实际应用。 直接转矩控制德语称之为Direkte Selb-Stragelung, 英语称之为Direct Self-Control。由于它控制的是转矩，因此后来也经常称之为Direct Torque Control。 直接转矩控制的思想源于矢量控制，其原理框图如下， P214 图6-62 由于直接转矩控制是在两相静止坐标系内，省去了矢量控制中的旋转变换，因而使计算量减少，从而提高了系统整体的运行速度。这在90年代初，鉴于当时的集成芯片的水平，这样的减少还是很有必要的。 另外，由于直接转矩控制采用定子磁场控制，避免了转子电阻时变的影响，因此在一定程度上减弱了电机参数时变对系统的影响。