直接轉矩控制

　　直接轉矩控制（DirectTorqueControl——DTC），國外的原文有的也稱為Directself-control——DSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制，其實質是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。

　　直接轉矩控制（DirectTorqueControl，DTC）變頻調速，是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。20世紀80年代中期，德國魯爾大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉矩控制方案和圓形直接轉矩控制方案。1987年，直接轉矩控制理論又被推廣到弱磁調速范圍。

　　直接轉矩控制技術用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)（Band-Band）產(chǎn)生PWM波信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電動機的數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉矩控制也具有明顯的缺點即：轉矩和磁鏈脈動。針對其不足之處，現(xiàn)在的直接轉矩控制技術相對于早期的直接轉矩控制技術有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)的研究

　　在實際應用中，安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā)，利用轉子磁鏈方程構造了無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。

　?。?）定子電阻變化的影響

　　直接轉矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應用磁鏈的u-i磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；

　　但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠對定子電阻進行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前，常用的方法有參考模型自適應法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡以及模糊理論構造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結果表明，在線辨識是一個有效的方法。

　　（3）磁鏈和轉矩滯環(huán)的改進

　　傳統(tǒng)的直接轉矩控制一般對轉矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉矩和定子磁鏈的調節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉矩和磁鏈的實時值來合理的選擇

　　電壓矢量，才能有可能使轉矩和磁鏈的調節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。

　?。?）死區(qū)效應的解決

　　為了避免上下橋臂同時導通造成直流側短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結果帶來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴重，還會引起轉矩脈動。死區(qū)效應的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性?？捎密浖崿F(xiàn)的方法，即計算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表，再用前向反饋的方式補償，這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。

　　直接轉矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉矩，獲得轉矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關心電磁轉矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉矩模型，磁鏈模型和轉矩模型就構成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設置轉速調節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉矩控制了。

　　需要說明的是，直接轉矩控制的逆變器采用不同的開關器件，控制方法也有所不同。Depenbrock最初提出的直接自控制理論，主要在高壓、大功率且開關頻率較低的逆變器控制中廣泛應用。目前被應用于通用變頻器的控制方法是一種改進的、適合于高開關頻率逆變器的方法。1995年ABB公司首先推出的ACS600系列直接轉矩控制通用變頻器，動態(tài)轉矩響應速度已達到<2ms，在帶速度傳感器PG時的靜態(tài)速度精度達土0.001%，在不帶速度傳感器PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，同樣可以達到±0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉矩控制為努力目標，如富士公司的FRENIC5000VG7S系列高性能無速度傳感器矢量控制通用變頻器，雖與直接轉矩控制方式還有差別，但它也已做到了速度控制精度±0.005%，速度響應100Hz、電流響應800Hz和轉矩控制精度±3%（帶PG）。其他公司如日本三菱、日立、芬蘭VASON等最新的系列產(chǎn)品采取了類似無速度傳感器控制的設計，性能有了進一步提高。