直接转矩控制(DTC)— 与 FOC 的本质差异

FOC 的核心是把三相 abc → 静止 αβ → 旋转 dq 坐标变换,让转矩控制变成 "调 Iq" 的标量问题。DTC 反其道而行——直接在静止 αβ 坐标下工作,定子磁链 ${\psi }_s$ 和电磁转矩 $Te$ 是控制目标本身,不需要转子位置 θ(只需要转子磁链方向,而非精确角度)。

这绕开了 FOC 的两个痛点:

• 转子位置 resolver 故障 → FOC 直接挂,DTC 仍能近似工作
• Park / SVPWM 链路在 MCU / FPGA 上要 ~50-100 个时钟周期 → DTC 滞环 + 查表 5-10 个周期

定子磁链空间矢量:

电磁转矩(三相 PMSM):

其中 $\delta$ 是定子磁链与转子磁链的角度差(称负载角)。转矩由 $|{\psi }_s|\cdot \sin \delta$ 决定——可以保持磁链幅值不变,通过加速 / 减速 $\delta$ 来调转矩。

DTC 的根本方法就是:用电压矢量"推动"定子磁链——施加与磁链同方向的矢量让磁链幅值增大,垂直方向的矢量让 $\delta$ 加速 / 减速。

这一节先把“四个核心模块”对应的对象关系说清，后面的结构块用于快速定位各部分之间的连接。

下面这张滞环信号流把四个模块的连接关系拆开:转矩误差和磁链误差各走一个滞环比较器,连同扇区位置一起喂进八矢量选择表查出 PWM。

• 磁链 / 转矩观测器:从测得的 abc 电压 + 电流积分出 ${\psi }_s$ 和 $Te$
• 转矩滞环:三档输出(增 / 不变 / 减)
• 磁链滞环:两档输出(增 / 减)
• 八矢量选择表:根据 (扇区 1-6) × (磁链滞环 2 档) × (转矩滞环 3 档) 共 36 种组合输出最优电压矢量

三相二电平逆变器的 8 种开关组合:6 个非零矢量 $V1$-$V6$(60° 间隔)+ 2 个零矢量 $V0$ / $V7$。每个矢量对磁链 / 转矩的影响不同:

这一节先把选型判断框架摆出来，后面的内容用于比较不同方案在约束和代价上的差异。

每个扇区有自己的选择表,六张组合得 36 种 → 在 MCU 里就是一张 ROM 查表。

这里先收束这一路径真正成立的前提，后面的条目再展开它能带来的工程收益。

• 转矩响应快:DTC 直接调转矩误差,实测 0.5-1ms 阶跃响应,FOC 需 5-10 倍长
• 不依赖精确位置:Resolver 故障下 DTC 还能近似工作,FOC 直接挂
• MCU 计算简单:无 Park / SVPWM,适合低算力 MCU 或老 FPGA
• 不需要 PI 调节器:转矩 / 磁链都用滞环,免去整定参数

这一节先给出“劣势(FOC 赢的地方)”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• 开关频率不固定:滞环输出的 PWM 频率随工况漂(典型 5-15kHz 漂移),EMC 滤波器设计困难
• 低速纹波大:零矢量频繁,转矩纹波典型 ±5-10%(FOC ±1% 以内)
• 直流利用率低:不用 SVPWM 的话母线电压利用率 86%(SVPWM 100%),弱磁区相对差
• 观测器对参数敏感:$Rs$ 估计不准时低速磁链估算误差大

这一节先把“量产应用决策”的判断维度收拢到同一视图里，后面的表格用于横向比较各选项的边界。