摘要： 　　本文對目前交流電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)流行的矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并對兩者轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)特性，及無速度傳感器控制進行了比較與探討。 關(guān)鍵詞： 　　矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)特性，無速度傳感器控制 1．前言 　　自1971年德國西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于交流電機坐標(biāo)交換的交流電機矢量控制（以下簡稱VC）原理以來，交流電機矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。經(jīng)過30年的產(chǎn)品開發(fā)和工程實踐，矢量控制原理日趨完善，大大小小的交流電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制，使交流電機調(diào)速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速性能。 1985年德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出了不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機調(diào)速控制原理——直接轉(zhuǎn)矩控制（以下簡稱DTC），魯爾大學(xué)的教授曾多次在國際學(xué)術(shù)會議并到中國來介紹DTC技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界極大的興趣和關(guān)注。DTC原理具有不同于VC的鮮明特點： ·不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈 ·采用砰-砰控制 ·DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用 ·轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 ·應(yīng)用于GTO電壓型變頻器的機車牽引傳動 　　DTC的出現(xiàn)引起交流電機控制理論的研究熱潮，國內(nèi)不少高校對DTC技術(shù)及系統(tǒng)進行深入研究，不少文章提出一些有益的改進方法，對DTC理論與實踐作出貢獻。但應(yīng)該指出，DTC引入中國的初期，人們的視角多集中在DTC的不用旋轉(zhuǎn)變換和砰-砰控制上。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，VC的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的技術(shù)實現(xiàn)已不成為問題，而由于DTC技術(shù)應(yīng)用實例局限于GTO電壓型變頻器的機車牽引傳動，使得國內(nèi)學(xué)術(shù)界和變頻器制造商沒有條件對實用的DTC技術(shù)以及DTC變頻器的靜態(tài)和動態(tài)特性進行深入研究。 　　1995年瑞士ABB公司第一次將DTC技術(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，推出采用DTC技術(shù)的IGBT脈寬調(diào)制變頻器ACS600，隨后又將DTC技術(shù)應(yīng)用于IGCT三電平高壓變頻器ACS1000，近期推出的用于大型軋鋼，船舶推進的IGCT變頻器ACS6000也采用了DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。 隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，通用變頻器年銷售額已超過50億。國家“十五”期間，許多大型項目需要交流調(diào)速傳動，例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機傳動，大型船舶電力推進，大型熱軋和冷軋機交流傳動，高速鐵路牽引傳動，以及風(fēng)機水泵高壓變頻節(jié)能傳動等等。 　　隨著市場容量的擴大，國際各公司產(chǎn)品的競爭愈加激烈，直接轉(zhuǎn)矩控制成為產(chǎn)品技術(shù)競爭的一個亮點。在充分挖掘和展示了DTC技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，市場宣傳主要是DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快，可以達到1~3ms，可以實現(xiàn)無速度傳感器調(diào)速控制，在零速時滿負荷輸出。同時，個別產(chǎn)品推銷員在市場宣傳中提出DTC直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電機控制技術(shù)的革命，是取代矢量控制的新一代控制技術(shù)等等。而同時，采用矢量控制技術(shù)的產(chǎn)品廠家回應(yīng)DTC在市場上宣傳DTC技術(shù)的缺點，主要是質(zhì)疑DTC無速度傳感器零速控制；DTC變頻器諧波大，效率低；需要輸出濾波器等等。一時間在中國的用戶，變頻器制造廠，以及國家重大項目決策中造成了混亂，市場競爭演變?yōu)镈TC與VC的技術(shù)之爭。 　　市場競爭現(xiàn)狀給學(xué)術(shù)界提出了新的課題，作為科技工作者應(yīng)拋開商業(yè)因素，重新認識DTC與VC技術(shù)，慎重地評價DTC與VC的優(yōu)缺點與應(yīng)用場合。為此北京電力電子學(xué)會，IEEE電力電子北京分會，組織國內(nèi)電力電子及電氣傳動的有關(guān)專家對DTC和VC技術(shù)進行了充分研討，清華大學(xué)電機系對分別采用DTC和VC技術(shù)的產(chǎn)品進行了測試和性能比較。相信此舉會給國內(nèi)用戶和項目決策者一個客觀正確的技術(shù)背景，同時，也借此促進我國交流電機控制理論與技術(shù)的進一步發(fā)展。 　　根據(jù)國內(nèi)外資料以及同部份專家的研討，本文對DTC和VC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及實用化技術(shù)提出一些粗淺的看法。 2．轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 　　采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，圖（1）a為矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為6~7ms，而圖（1）b直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達到1ms左右。 　　DTC為什么具有比矢量控制快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)呢？眾所周知，DTC控制系統(tǒng)由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，因此，DTC控制系統(tǒng)的著眼點是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機的電流控制，把交流電流按磁場坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點是電流控制。對于交流電機來講，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在磁鏈不變的條件下，就要求電流的快速變化，而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時間滯后。當(dāng)然，現(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機模型計算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生，前饋電壓控制可以獲得較快的動態(tài)響應(yīng)，但這個電壓輸出是由模型精確計算的，沒有任何過沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。而DTC由于沒有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產(chǎn)生的輸出電壓，沒有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，故電機可以獲得較大的du/dt, 較大的加速電流，因而產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不言而喻了。德國魯爾大學(xué)教授前些年來華講學(xué)，曾明確指出，正是DTC的這種電壓控制特性使其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快3~4倍。 　　但DTC這種快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有條件的，如果在額定電壓條件下，特別是弱磁運行區(qū)，電壓將沒有過沖的余度空間。此外，大型的交流傳動必須對電機電流加以限制，這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不會達到1~2ms那么高的指標(biāo)水平。 　　DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)還取決于PWM的開關(guān)頻率，即砰-砰控制的頻率。對于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來講，高的開關(guān)頻率將導(dǎo)致變頻器的損耗加大，效率降低，故變頻器的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率不能太高。砰-砰控制頻率的降低會影響DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)指標(biāo)。 由于DTC砰-砰控制使其輸出電壓有較大的du/dt，故DTC變頻器輸出都加裝濾波器，以減少du/dt對電機絕緣的影響，而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時，也降低了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 　　盡管如此，DTC變頻器可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是一個不爭的事實。清華大學(xué)電機的試驗報告也證明了這一點。對于那些對轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求高的場合。例如交流伺服傳動，機車牽引等較適于采用DTC技術(shù)。而一些對轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求不苛刻，特別是帶有齒輪連接的傳動，過快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)不僅不利反而有害。 3．變頻器的穩(wěn)態(tài)特性 　　DTC變頻器采用砰-砰控制帶來較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時由于其開關(guān)頻率是不確定，隨機變化的，使DTC變頻器存在以下問題 ·無法象矢量控制那樣，在確定的開關(guān)頻率條件下，采用消除諧波的PWM控制方法 ·變頻器輸出電壓，電流的諧波較大 ·變頻器輸出電壓偏低 ·變頻器效率略低 ·在相同電力電子元器件條件下，變頻器輸出容量略小 　　也就是說，DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差，這在清華大學(xué)的試驗報告中也有證明。這對于那些不要求較高動態(tài)性能指標(biāo)的通用變頻器，例如風(fēng)機、水泵節(jié)能傳動，一般工業(yè)機械傳動，變頻器的效率，容量利用率，諧波就顯得更為重要，在這些應(yīng)用場合VC顯然要優(yōu)于DTC。 　　對于大型傳動設(shè)備，例如采用IGCT元件的三電平高壓變頻器，變頻器的效率，容量指標(biāo)亦十分重要。表（1）列出了采用VC和DTC兩種不同控制方式的IGCT三電平高壓變頻器的技術(shù)數(shù)據(jù)。 4．無速度傳感器控制 　　在某些產(chǎn)品的市場宣傳中，把DTC變頻器無速度傳感器控制，在零速時滿負荷輸出作為DTC技術(shù)的專有特點，顯然是不對的。DTC與VC采用同樣的交流電機數(shù)學(xué)模型，無速度傳感器控制不是DTC發(fā)明專利中的內(nèi)容。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題。魯爾大學(xué)教授來華講學(xué)時強調(diào)DTC變頻器低速控制性能不好，為了改善其低速性能，采用一種間接控制方法ISR，其原理是用電壓和電流依靠電機模型計算出轉(zhuǎn)子磁鏈，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來補償DTC的低速性能?？刂葡到y(tǒng)低速時用ISR，高速才過渡到DTC，由此可見，DTC的低速特性改善是借助于VC來實現(xiàn)的。 　　無速度傳感器控制是交流電機調(diào)速控制的重要課題，也是目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點。應(yīng)該指出國內(nèi)各高校在這一領(lǐng)域投入精力很多，發(fā)表不少文章，但無速度傳感器控制的實用化還與國外產(chǎn)品差距很大。國產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平，而國外早已實現(xiàn)了無速度傳感器控制的產(chǎn)品化。 　　日本電氣學(xué)會在2000年曾對日本各大電氣公司通用變頻器的無速度傳感器控制進行了調(diào)查，其無速度傳感器控制系統(tǒng)大體分為四種方式 ·定子電流轉(zhuǎn)矩分量 控制誤差補償法 ·感應(yīng)電勢計算法 ·模型參考自適應(yīng)MRAS法 · 角速度計算法 　　圖（2）給出通用變頻器基本控制結(jié)構(gòu)框圖，對于交直交電壓型變頻器控制系統(tǒng)包括速度調(diào)節(jié)器，速度辨識和正向通道控制。圖（3）（4）（5）（6）列出無速度傳感器控制的四個控制方式的結(jié)構(gòu)框圖，表（2）列出各公司變頻器采用無速度傳感器控制和正向通道控制的類型。由于本文意在討論DTC~VC控制系統(tǒng)，無速度傳感器控制只對其實用化和產(chǎn)品化拋磚引玉，故只列出圖與表，不作分析討論，僅供參考。 5.結(jié)論 　　通過對DTC與VC技術(shù)的討論，我們應(yīng)排除市場競爭造成的商業(yè)宣傳因素，還其技術(shù)的本來面目，重新認識DTC與VC的理論和實踐，在比較DTC與VC的優(yōu)缺點并明確其適用場合的同時，也認清DTC與VC技術(shù)待攻克的課題，積極發(fā)展我國