关于直接转矩控制的专题调研报告.docx

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关于直接转矩控制的专题调研报告

关于永磁同步电机直接转矩控制技术

的专题调研报告

1直接转矩控制技术的产生和应用发展

1.1直接转矩控制技术的产生

直接转矩控制简称DTC（directtorquecontrol），是在20世纪80年代中期发展起来的继矢量控制之后的一种高性能交流电机变频调速技术。

1985年，德国鲁尔大学M.Depenbrock教授和日本学者I.Takahashi针对于异步电机分别独立提出了直接转矩控制方法，引起了学术界极大的兴趣和关注。

实际上，早在1977年，美国学者ALLANB.PLUNKETT就在IEEE杂志上首先提出了类似于直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，其控制原理框图如图1所示。

其中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，再加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率；定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。

其磁链通过在电机里安装线圈来测量得到，因此应用起来颇为困难，从而未曾引起广泛的注意。

图1ALLANB.PLUNKETT提出的直接转矩控制原理框图

1981年，日本学者S.Yamamura在开发交流电机速度控制系统时提出了磁场加速控制法，并且关键性地指出如果维持气隙磁场幅值不变，则电压、电流和转矩等其他物理量仅为转差的函数，此时只需通过调节气隙磁链的旋转速度，即可改变其对转子的瞬时转差频率从而可以达到控制转矩的目的。

1983年，日本学者Y.Murai等人将空间电压矢量理论应用于PWM逆变器感应电动机传动系统中，把逆变器和电动机看作一个整体，综合三相电压进行控制，提出了磁链轨迹控制法，基于电压和磁链空间矢量概念，成功地解决了瞬时主磁链的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整个调速范围内近似保持不变，从而使其轨迹接近于圆形。

1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授通过对瞬时空间矢量理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论——直接自控制[2]，简称DSC（directselfcontrol）。

1987年M.Depenbrock教授又把这种理论推广到弱磁调速范围。

这种控制技术并不考虑如何通过解耦将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是通过测量的定子电压和电流计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值实现磁链和转矩的直接控制从而使得直接转矩控制的感应电动机调速系统线路简单，对电机参数不敏感，在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。

1986年IsaoTakahashi与ToshihikoNoguchi采用查询电压矢量表的方法来对定子磁链和电机转矩同时进行调节，根据定子磁链矢量空间位置以及定子磁链幅值与电机转矩的控制需求（增大、减小或不变），从电压矢量表中直接查出应施加的电压矢量对应的开关信号，以此来控制逆变器[3]。

为了使磁链轨迹向理想的圆形轨迹靠近，I.Takahashi采用了圆形定子磁链轨迹以保证定子磁链幅值基本不变，但不同的电压矢量表会对交流传动系统的静态、动态性能有很大的影响。

尽管M.Depenbrock的DSC方法与Takahashi的查询电压矢量表方法的具体实现方式不同，但其核心特点都相同：

1）采用电磁转矩闭环结构将逆变器与电动机结合为一体，利用空间电压矢量直接控制电磁转矩；

2）没有电流闭环，直接在定子坐标系下建立算法模型，而不需要坐标旋转变换，所以本质上是一种无位置传感器控制策略。

因此，两种方法都属于直接转矩控制（DTC），上述两特点也是我们认定某种控制策略是否属于直接转矩控制的依据。

1.2直接转矩控制技术的应用发展

由于直接转矩控制技术具有转矩响应快、参数鲁棒性好等优点，很快就引起了广泛关注。

1994年瑞士ABB公司将直接转矩控制技术成功应用到异步电机的通用变频器上，于1995年推出了ACS600系列变频器，并且声称DTC将是下一代交流电机的最优秀的控制方案[5]。

1996年南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔士大学合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论，初步实现了永磁同步电机直接转矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围[6]。

1998年前后ABB公司和芬兰拉彭兰塔理工大学（LappeenrantaUniversity）合作研究了电励磁同步电机直接转矩控制的部分内容[7][8]。

1999年左右，ABB又推出了直接转矩控制的电励磁同步电机变频驱动器ACS6000。

图2为ABB公司每年销售的ACS6000的总容量曲线[9]，从中可见ACS6000产品给ABB公司带来的丰厚利润以及给社会产生的巨大经济效益。

图2ACS6000每年销售总容量

2002年，ABB公司推出了更新的DTC产品系列ACS800，其可以驱动永磁同步电机。

至此，从异步电机，到电励磁同步电机，再到永磁同步电机，直接转矩控制技术都得到了很好的应用。

然而，生产变频器的众多大公司中只有ABB公司采用了DTC技术，并且获得了成功，其它采用DTC技术的变频器的公司仅有日本、瑞士等国的几家不太知名的小企业，国内变频器厂家更是尚未出现采用DTC技术的产品。

2直接转矩控制的两种基本形式

前面提到的M.Depenbrock的DSC方法与Takahashi的查询电压矢量表方法都属于直接转矩控制，但是有所不同，DSC方法的磁链轨迹为六边形，而Takahashi的查询电压矢量表方法的磁链轨迹为圆形。

为了方便，将六边形定子磁链轨迹直接转矩控制简记为DSC，而将圆形定子磁链轨迹直接转矩控制简记为DTC，下面对直接转矩控制的这两种基本形式进行介绍。

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2.1DSC控制技术

在DSC控制中，将逆变器产生的运动电压矢量按照一定的次序作用于电机即可在定子绕组中产生六边形磁链轨迹。

为了控制电磁转矩，将零电压矢量按照一定的控制方式实时插入到控制过程中：

当运动电压矢量作用于电机时，电磁转矩增大；当零电压矢量作用于电机时，在转子转速的作用下，电磁转矩减小。

如此利用运动电压矢量与零矢量的实时交替作用，便实现了电磁转矩的两点式控制，迫使实际电磁转矩跟踪其给定值。

DSC系统的典型结构如图3所示[2]。

其磁链运行轨迹如图4所示[2]。

图3DSC系统的典型结构

图4采用DSC方法的磁链轨迹（外圈轨迹为较高速时，内圈轨迹为较低速时）

首先对定子电压和定子电流进行测量，进行3/2变换后得到两相αβ静止坐标系下的分量uαa、uβa、iαa、iβa，然后对定子磁链和转矩进行观测估计获得αβ静止坐标系下定子磁链分量Ψαa、Ψβa和转矩Tq。

将Ψαa和Ψβa经过2/3变换、磁链自控制单元后得到磁链开关信号S’a、S’b、S’c，这些信号决定了作用于电机的运动电压矢量。

转矩Tq经过转矩调节器后获得控制转矩的转矩开关信号TQ，并决定是否施加零矢量（即开关Sa、Sb、Sc），从而实现对转矩的两点式控制。

DSC方法按六边形方案控制定子磁链，在每1/6周期内仅需要一个空间电压矢量，所以系统功率管开关频率低，开关损耗小，适用于铁路牵引等大功率应用场合。

ABB工程师经过研究开发，成功将DSC应用与干线内燃和电力机车（如奥地利联邦铁路的1822和瑞士联邦铁路的460电力机车上）。

2.2DTC控制技术

DTC的控制策略是将定子磁链轨迹控制为圆形。

DTC系统的典型结构如图5所示[3]，其磁链运行轨迹如图6所示[3]。

将电压矢量所在的360度空间按照一定的规律分成N等份，每一等份称之为一个扇区。

每个扇区中选择一定数目的电压矢量，并判断这些电压矢量对定子磁链幅值和电磁转矩的控制效果。

将每一扇区中的电压矢量对电磁转矩和定子磁链幅值的控制效果统计制成一张表格，称该表为最优开关矢量表（即图中的SWITCHINGTABLE）。

根据系统对定子磁链和电磁转矩的控制需求（增大，减小，或不变，即图中的τ和Φ），就可以在最优开关矢量表中查找获得一个最优开关矢量。

该开关矢量同时兼顾了对定子磁链幅值和电磁转矩的控制。

至于定子磁链幅值和电磁转矩的控制需求的获得，可以将定子磁链幅值和电磁转矩误差分别送入滞环比较器，即可得到表示定子磁链幅值和电磁转矩控制需求的开关变量。

图5DTC系统典型结构

图6采用DTC方法的磁链轨迹

该DTC方法的控制频率越高，则其磁链轨迹更接近为圆形，因此该方法需要较短的控制周期。

ABB公司推出的ACS600和ACS800等系列变频器均是基于DTC这种形式的直接转矩控制技术，已在工业领域得到了广泛的应用。

3直接转矩控制与矢量控制的比较

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3.1直接转矩控制的特点

与较早诞生的矢量控制技术相比，直接转矩控制具有某些独特的优点：

（1）直接在定子静止坐标系中计算并控制电机的转矩和定子磁链，不需要转子位置角，没有矢量旋转变换；

（2）在估计定子磁链时仅用到电机定子电阻，对电机参数变化鲁棒性好；

（3）不通过控制电流来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩；

（4）快速的电压控制特性，使得其转矩响应速度很快；

（5）本质上是一种无位置/速度传感器控制策略。

然而，在具有上述等优点的同时，也存在一些缺点：

（1）由于施加电压矢量并不连续，使得磁链和转矩的脉动较大；

（2）没有对电流进行直接控制，电流并不受控，很难进行电流限制；

（3）功率管开关频率低且不恒定，噪音大；

（4）由于DTC采用bang-bang控制，使其输出电压有较大的du/dt，故DTC变频器输出都加装滤波器，以减少du/dt对电机绝缘的影响，而滤波器增加了线路电感，在减少了du/dt同时，也降低了转矩响应。

3.2直接转矩控制与矢量控制的比较

近年来，变频调速技术被广泛应用与轧钢、矿山、机车牵引、电厂等工业生产和交通部门，采用矢量控制技术和直接转矩控制技术的交流电动机高性能变频调速装置得到了越来越广泛的应用。

矢量控制和直接转矩控制这两种技术都是可以实现高动态性能变频调速系统的控制方案，二者有着各自不同的优缺点，以及各自不同的最佳应用领域。

从研发的历史来看，矢量控制理论由德国西门子公司的F.Blaschke于1971年提出，而直接转矩控制理论由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授于1985年提出，然而技术发展的先进与否并不能简单的以时间顺序来判断。

随着市场容量的扩大，国际各公司产品的竞争愈加激烈，直接转矩控制成为产品技术竞争的一个亮点。

在充分挖掘和展示了DTC技术优点的基础上，市场宣传主要是DTC转矩响应比VC快，可以达到1~3ms，可以实现无速度传感器调速控制，在零速时满负荷输出。

同时，个别产品推销员在市场宣传中提出DTC直接转矩控制是交流电机控制技术的革命，是取代矢量控制的新一代控制技术等等。

而同时，采用矢量控制技术的产品厂家回应DTC在市场上宣传DTC技术的缺点，主要是质疑DTC无速度传感器零速控制；DTC变频器谐波大，效率低；需要输出滤波器等等。

一时间在中国的用户，变频器制造厂，以及国家重大项目决策中造成了混乱，市场竞争演变为DTC与VC的技术之争。

市场竞争现状给学术界提出了新的课题，作为科技工作者应抛开商业因素，重新认识DTC与VC技术，慎重地评价DTC与VC的优缺点与应用场合。

为此北京电力电子学会，IEEE电力电子北京分会，组织国内电力电子及电气传动的有关专家对DTC和VC技术进行了充分研讨，清华大学电机系对分别采用DTC和VC技术的产品进行了测试和性能比较。

选定具有代表性的磁链定向的空间矢量控制通用变频器（15kW）和直接转矩控制通用变频器（15kW）作为样机，在25kW试验平台上实现对比试验，其试验结果如图7所示。

从试验结果中可以看出，稳态运行时，不同频率运行的矢量控制系统的电磁转矩脉动系数要比直接转矩控制系统小；而在