导读:本期基于SVPWM全面分析和模拟异步电机的直接扭矩控制。之后，它与传统的相结合。DTC对比，突出基础SVPWM改进的DTC方法的有效性。
如果文章中有误解，欢迎学生纠正。SVPWM改进型DTC模拟模型可以共享，关注微信官方账号:谈电机控制，获取。
一、 传统直接转矩控制系统存在的问题
传统的直接扭矩控制系统直接控制定子磁链和电磁扭矩，通过滞环比较器在开关表中选择合适的电压空间矢量来控制逆变器的输出。其控制系统的优点是 (1)节省了复杂的坐标变换，系统结构简单。(2)转矩能快速响应电机参数的变化。(3)控制系统对电机参数依赖性小，系统鲁棒性好。但由于使用滞环比较器，直接转矩控制系统在实际使用中存在以下问题：
(1) 低速状态下的电磁转矩脉动大；
(2) 采用滞环比较器控制系统，不能适应先进的控制理论；
(3) 稳态时，定子电流中的谐波比例较大，导致定子磁链轨迹畸变；
(4) 开关频率不固定，电压利用率低；
理论上分析这些问题的主要原因如下：
传统的直接扭矩控制是通过设置滞环比较器的容差来控制磁链和扭矩，因此定子磁链的畸变和扭矩的脉动受滞环比较器容差范围的影响。滞环比较器的输出只是0或1的比较结果，不能用一个值来解释大小的范围。如果滞环比较器的容差设置过大，必然会导致磁链畸变和扭矩脉动。如果滞环控制器的容差设置太小，由于扭矩和磁链的惯性，磁链和扭矩的偏差将不可避免地超过容差范围。此时，为了快速减少偏差，控制器将输出相反方向的控制信号，但这个动作将带来更大的瞬时脉动。如果磁链和扭矩偏差恰好在容差范围内，则此时滞环比较器无法控制，因此扭矩或磁链值将在容差范围内波动。因此，只要在控制系统中使用滞环比较器，磁链的畸变和扭矩的脉动就无法消除。
2. 电压空间矢量有限的影响
在传统的直接转矩控制系统中，通过查表选择空间电压矢量来控制异步电机，这种控制方法虽然简单，但却有缺陷。由于系统中可用的空间电压矢量数有限，两个电压矢量之间的切换不连续，需要用这些离散的电压矢量来调整连续的磁链轨迹，这肯定会导致磁链和扭矩的脉动。直接转矩控制系统选择的电压矢量矩控制系统中，只能调整磁链和转矩的大小，但没有具体的调整值。因此，该开关表的选择原理非常粗略，无法准确控制扭矩和磁链。
3. 观察定子磁链的影响
直接扭矩控制需要实时测量定子磁链的振幅值和磁链的相位。目前，由于磁链的直接观测比较复杂，定子磁链的大小可以根据异步电机的磁链方程间接估计。定子磁链的观测需要建立磁链观测模型。在第二章中，我们介绍了三种磁链观测模型。经过分析，它们各有优缺点，但无法实现准确的磁链观测。转矩的计算和磁链扇区的判断都受磁链观测的准确性的影响，磁链观测失误，会造成电机失控。因此，定子磁链的观测是直接扭矩控制的难点，也是影响系统性能的关键因素之一。
影响直接扭矩控制性能的因素不止上述三个方面，导致磁链和扭矩观测不准确、逆变器死区效应、定子电阻值准确测量等。这些因素会影响系统控制的性能，这里就不赘述了。
二、 异步电机直接转矩控制系统的改进
通过对直接扭矩控制系统缺陷的分析，我们知道，为了改善这一缺陷，我们应该克服系统中滞环比较器的影响，调制更多的空间电压矢量，连续平稳地控制磁链，确保开关频率固定。许多国内外学者从不同的角度提出了许多改进方法。如美国学者 Habetler 提出的无差拍控制技术的控制理念是根据磁链和扭矩的误差计算定子电压矢量，并在下一个控制周期中使用 SVPWM实现控制[24]的技术合成。无差拍技术是解决直接转矩控制系统缺陷的好方法，但计算量大，难以实现。但在借鉴无差拍技术的基础上，提出基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)该方法的直接扭矩控制系统的基本思想是通过上一个周期反馈的磁链和扭矩与给定值进行比较，得到下一个控制周期中预期的电压矢量，然后利用空间矢量脉宽调制方法合成预期的电压矢量进行控制。
图1为基于SVPWM异步电机直接转矩控制系统(SVPWM-DTC)结构框图。
图1 SVPWM—DTC系统框图
在改进后的控制系统中，用更好的控制性能取代滞环比较器PI 控制器，SVPWM 模块可以根据磁链和扭矩偏差的大小和方向，实时准确地调整磁链和扭矩所需的电压空间矢量，而不受开关表中空间电压矢量的限制。该方案可以恒定逆变器开关的频率，从而大大降低扭矩和磁链的脉动。
该系统采用先进的脉宽调制策略，将逆变器和异步电机作为一个整体进行控制。控制系统具有直流电压利用率高、算法简单、谐波损耗低、噪声低等特点。
2.1SVPWM 调制算法
(1) 期望电压ref U 的生成
下一个周期所需的预期电压矢量的产生要求定子磁链和电磁扭矩在上一个周期跟踪预期值，从而利用其与预期值的偏差来控制下一个周期中定子磁链和电磁扭矩的大小。
图2预计将产生电压矢量
(2) 扇区判断
关于SVPWM可以看到微信官方账号的过去SVPWM的文章。
(3) 模拟模型搭建
图3 基于SVPWM模拟模型由异步电机直接转矩控制
图3中最难的部分是参考电压矢量模块的构建，模块如下：
图4 参考电压矢量模块搭建
转矩偏差、定子磁链参考值、定子磁链角度、定子磁链实际值和两相静态坐标系下的定子电流是电压控制器的输入，其输出是两相静态坐标系下预期电压矢量的两个重量。
图5 电机转矩设置
图6电机速度设置
3.1电机转速
< name="_Hlk103677909">图a 传统DTC
图b 基于SVPWM的改进型DTC
由图7可知：基于SVPWM的改进型DTC和传统的DTC在转速突变和突加载的时候，电机速度都能很好地恢复到稳态值。
3.2电机转矩
图b 基于SVPWM的改进型DTC
图8 电机转矩脉动对比
由图8可知：基于SVPWM的改进型DTC的转矩脉动相比较于传统的DTC的更小。
3.3电机三相电流
图a 传统DTC
图b 基于SVPWM的改进型DTC
图9 电机三相电流对比
由图9可知：基于SVPWM的改进型DTC的三相电流波形相比较于传统的DTC的更好，见3.4部分的谐波分析对比。
图a 传统DTC
图b 基于SVPWM的改进型DTC
图10 电机三相电流FFT分析对比
由图10可知，基于SVPWM的改进型DTC的三相电流谐波相比较于传统的DTC的更小。
3.5电机定子磁链圆轨迹
图b 基于SVPWM的改进型DTC
图11 电机定子磁链圆轨迹对比
由图11可知，基于SVPWM的改进型DTC的定子磁链圆轨迹相比较于传统的DTC更逼近于圆形且容差较小。
四、总结
本文对传统直接转矩控制系统调速性能的缺陷和不足进行了理论分析，提出了基于空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)的异步电机直接转矩控制控制系统，并详细介绍了SVPWM 的调制原理和调制算法，其主要采用预测的思想合成系统控制所需的期望电压矢量。最后，通过simulink 仿真软件建立了SVPWM 仿真模块，并对其进行了仿真分析。
理论分析表明，基于SVPWM的异步电机改进的DTC能够保持电机定子磁链幅值恒定，观测准确，磁链运动轨迹接近圆形，磁链和电磁转矩的控制平滑，能有效解决传统直接转矩控制系统存在的转矩和磁链脉动较大，开关频率不恒定等问题。