磁通矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制介紹

目前，在工控驅(qū)動(dòng)層面存在三種主流的控制技術(shù)：V/F標(biāo)量控制、磁通矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。而在國(guó)內(nèi)，大多控制仍主要依托于V/F標(biāo)量控制和簡(jiǎn)單的矢量控制，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用也是較為低端的市場(chǎng)。

其中，V/F標(biāo)量控制的原理是直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，但在低速運(yùn)行時(shí)，無(wú)法滿足設(shè)備對(duì)力矩與精度的要求。因此更適用于工業(yè)和民用的風(fēng)機(jī)、水泵等簡(jiǎn)單調(diào)速設(shè)備等。而磁通矢量控制的技術(shù)進(jìn)步，是能夠更加精準(zhǔn)高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且提高電機(jī)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(guò)建立一個(gè)應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)學(xué)模型來(lái)控制電機(jī)。這里的難點(diǎn)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(jì)算機(jī)科學(xué)、電磁理論、信號(hào)處理、離散數(shù)學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、流體力學(xué)、電機(jī)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(jī)控制模型，能適配多種類(lèi)型電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

事實(shí)上，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。二者有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，以及各自不同的最佳應(yīng)用領(lǐng)域。但有人說(shuō)（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(jìn)、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?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)矩控制比矢量控制晚了十幾年提出，就武斷的說(shuō)后者比前者優(yōu)秀。雖然我們可以說(shuō)VVVF變頻調(diào)速是第一代交流調(diào)速控制技術(shù)，但不能簡(jiǎn)單的說(shuō)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(lái)看，它們都需要磁通和轉(zhuǎn)矩的估計(jì)，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(lái)驅(qū)動(dòng)變頻器，不需要電流控制環(huán)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jī)定子電流分解成轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量以實(shí)現(xiàn)解耦。可以按照線性系統(tǒng)的控制理論方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和磁鏈的PI控制器，從而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，如下圖。

圖1

首先，轉(zhuǎn)子的速度以及相對(duì)于定子磁場(chǎng)的角位置等信息通過(guò)脈沖編碼器被反饋回來(lái)。電機(jī)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(lái)處理采集到的數(shù)據(jù)。并通過(guò)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(jī)，這樣一來(lái)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被間接控制，可以達(dá)到零速滿轉(zhuǎn)矩，控制性能十分接近于直流傳動(dòng)。

這里我們?yōu)榱诉_(dá)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(jī)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(hào)與電機(jī)的實(shí)際要求之間的通訊速度。雖然電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是傳動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)（轉(zhuǎn)子電阻和電感）變化的影響，電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子參數(shù)變化不易測(cè)，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(xiǎn)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(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不用復(fù)雜的坐標(biāo)變換。按照非線性的控制理論方法來(lái)設(shè)計(jì)離散的兩點(diǎn)式BANG-BANG控制器。

圖2

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

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

雖然動(dòng)態(tài)響應(yīng)比PI控制塊，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也隨即而來(lái)。此外，帶積分環(huán)節(jié)的磁鏈電壓模型在低速時(shí)的適用性值得商榷，導(dǎo)致直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)控制性能不佳。此外，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間之后，電機(jī)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(jì)精度降低，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。如果多個(gè)電機(jī)并聯(lián)到

直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器上，這些電機(jī)是被作為一個(gè)大的電機(jī)來(lái)控制的。此時(shí)沒(méi)有任何關(guān)于單獨(dú)一個(gè)電機(jī)的信息。如果電機(jī)數(shù)量會(huì)發(fā)生變化，或者電機(jī)功率小于逆變器額定功率的1/8，推薦使用標(biāo)量控制。（ABB手冊(cè)）

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(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能考慮，無(wú)論采用這二者中的哪一個(gè)控制，均可滿足一般的生產(chǎn)要求。不論是ABB的ACS800，還是西門(mén)子的6SE70，根據(jù)你公司和客戶(hù)的要求來(lái)選擇合適的變頻器。

審核編輯：劉清