磁通矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制介紹

目前，在工控驅(qū)動層面存在三種主流的控制技術(shù)：V/F標量控制、磁通矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。而在國內(nèi)，大多控制仍主要依托于V/F標量控制和簡單的矢量控制，對應(yīng)的應(yīng)用也是較為低端的市場。

其中，V/F標量控制的原理是直接控制電機轉(zhuǎn)速，但在低速運行時，無法滿足設(shè)備對力矩與精度的要求。因此更適用于工業(yè)和民用的風(fēng)機、水泵等簡單調(diào)速設(shè)備等。而磁通矢量控制的技術(shù)進步，是能夠更加精準高效地驅(qū)動電機，且提高電機響應(yīng)速度。

作為一種更優(yōu)的控制技術(shù)，DTC技術(shù)可以理解為一種軟件技術(shù)，通過建立一個應(yīng)用在驅(qū)動器上的數(shù)學(xué)模型來控制電機。這里的難點就是在這套數(shù)學(xué)模型中，存在大量復(fù)雜的變量。

“這套技術(shù)建模，需要掌握計算機科學(xué)、電磁理論、信號處理、離散數(shù)學(xué)、機械傳動、流體力學(xué)、電機等多種學(xué)科。除了需要具備多學(xué)科交叉的能力，更需要其搭建的電機控制模型，能適配多種類型電機的數(shù)學(xué)模型。

事實上，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都可以實現(xiàn)高動態(tài)性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。二者有各自不同的優(yōu)缺點，以及各自不同的最佳應(yīng)用領(lǐng)域。但有人說（前面提到），

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種比矢量控制技術(shù)更先進、性能更優(yōu)越的新一代交流調(diào)速控制方法。

這樣的表述是不正確的，我們不能因為直接轉(zhuǎn)矩控制比矢量控制晚了十幾年提出，就武斷的說后者比前者優(yōu)秀。雖然我們可以說VVVF變頻調(diào)速是第一代交流調(diào)速控制技術(shù)，但不能簡單的說矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是第二代和第三代交流調(diào)速技術(shù)。

二者的基本控制結(jié)構(gòu)是相同的，理論基礎(chǔ)是相通的。從控制量來看，它們都需要磁通和轉(zhuǎn)矩的估計，但用途顯然是不一樣的，磁通的誤差在矢量控制中被用作PI調(diào)節(jié)器的輸入，輸出是電流的給定量；而直接轉(zhuǎn)矩控制中把誤差直接拿來驅(qū)動變頻器，不需要電流控制環(huán)和旋轉(zhuǎn)坐標變換。不同之處在于二者的控制方案的區(qū)別，導(dǎo)致了控制性能的差別。

矢量控制是轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將電機定子電流分解成轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量以實現(xiàn)解耦。可以按照線性系統(tǒng)的控制理論方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速和磁鏈的PI控制器，從而可以實現(xiàn)連續(xù)控制，如下圖。

圖1

首先，轉(zhuǎn)子的速度以及相對于定子磁場的角位置等信息通過脈沖編碼器被反饋回來。電機的相關(guān)電氣特性被數(shù)學(xué)模型化，加之使用高性能微處理器比如DSP來處理采集到的數(shù)據(jù)。并通過調(diào)制器將電壓、電流和頻率等控制變量給定到交流異步電機，這樣一來，電機的轉(zhuǎn)矩被間接控制，可以達到零速滿轉(zhuǎn)矩，控制性能十分接近于直流傳動。

這里我們?yōu)榱诉_到快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和較高的速度精度，反饋裝置是必需的。這使得成本上升并且增加了傳統(tǒng)交流電機的復(fù)雜性。同樣，調(diào)制器的使用降低了輸入的電壓和頻率信號與電機的實際要求之間的通訊速度。雖然電機的機械結(jié)構(gòu)簡單，但是傳動裝置的電氣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

此外，轉(zhuǎn)子的磁鏈定向容易受到電機轉(zhuǎn)子參數(shù)（轉(zhuǎn)子電阻和電感）變化的影響，電機動態(tài)運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子參數(shù)變化不易測，降低了控制系統(tǒng)的魯棒性。

魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。

而直接轉(zhuǎn)矩控制則是定子磁鏈定向，在定子坐標系下分析電機的數(shù)學(xué)模型，計算控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不用復(fù)雜的坐標變換。按照非線性的控制理論方法來設(shè)計離散的兩點式BANG-BANG控制器。

圖2

控制變量為電機磁通和電機轉(zhuǎn)矩，不需要調(diào)制器也不需要轉(zhuǎn)速計或編碼器等設(shè)備來反饋電機轉(zhuǎn)速或電機軸的位置。

使用DTC控制，在40HZ以下典型的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間在1到2ms，而帶編碼器的矢量控制和直流傳動響應(yīng)時間在10-20ms之間。開環(huán)的PWM傳動響應(yīng)時間超過100ms。

雖然動態(tài)響應(yīng)比PI控制塊，但是轉(zhuǎn)矩脈動也隨即而來。此外，帶積分環(huán)節(jié)的磁鏈電壓模型在低速時的適用性值得商榷，導(dǎo)致直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時控制性能不佳。此外，電動機運行一段時間之后，電機的溫度升高，定子電阻的阻值發(fā)生變化，使定子磁鏈的估計精度降低，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動。如果多個電機并聯(lián)到

直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器上，這些電機是被作為一個大的電機來控制的。此時沒有任何關(guān)于單獨一個電機的信息。如果電機數(shù)量會發(fā)生變化，或者電機功率小于逆變器額定功率的1/8，推薦使用標量控制。（ABB手冊）

二者應(yīng)用領(lǐng)域：矢量控制用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，而直接轉(zhuǎn)矩控制則適用于需要更快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的大慣量控制系統(tǒng)。

在如今的技術(shù)水平之下，從控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能考慮，無論采用這二者中的哪一個控制，均可滿足一般的生產(chǎn)要求。不論是ABB的ACS800，還是西門子的6SE70，根據(jù)你公司和客戶的要求來選擇合適的變頻器。

審核編輯：劉清