磁通矢量控制和直接轉矩控制介紹

目前，在工控驅動層面存在三種主流的控制技術：V/F標量控制、磁通矢量控制和直接轉矩控制（DTC）。而在國內，大多控制仍主要依托于V/F標量控制和簡單的矢量控制，對應的應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速，但在低速運行時，無法滿足設備對力矩與精度的要求。因此更適用于工業和民用的風機、水泵等簡單調速設備等。而磁通矢量控制的技術進步，是能夠更加精準高效地驅動電機，且提高電機響應速度。

作為一種更優的控制技術，DTC技術可以理解為一種軟件技術，通過建立一個應用在驅動器上的數學模型來控制電機。這里的難點就是在這套數學模型中，存在大量復雜的變量。

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

事實上，矢量控制和直接轉矩控制都可以實現高動態性能變頻調速系統的設計。二者有各自不同的優缺點，以及各自不同的最佳應用領域。但有人說（前面提到），

直接轉矩控制技術是一種比矢量控制技術更先進、性能更優越的新一代交流調速控制方法。

這樣的表述是不正確的，我們不能因為直接轉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秀。雖然我們可以說VVVF變頻調速是第一代交流調速控制技術，但不能簡單的說矢量控制和直接轉矩控制是第二代和第三代交流調速技術。

二者的基本控制結構是相同的，理論基礎是相通的。從控制量來看，它們都需要磁通和轉矩的估計，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調節器的輸入，輸出是電流的給定量；而直接轉矩控制中把誤差直接拿來驅動變頻器，不需要電流控制環和旋轉坐標變換。不同之處在于二者的控制方案的區別，導致了控制性能的差別。

矢量控制是轉子磁鏈定向，將電機定子電流分解成轉矩電流分量和勵磁電流分量以實現解耦。可以按照線性系統的控制理論方法來設計轉速和磁鏈的PI控制器，從而可以實現連續控制，如下圖。

圖1

首先，轉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。電機的相關電氣特性被數學模型化，加之使用高性能微處理器比如DSP來處理采集到的數據。并通過調制器將電壓、電流和頻率等控制變量給定到交流異步電機，這樣一來，電機的轉矩被間接控制，可以達到零速滿轉矩，控制性能十分接近于直流傳動。

這里我們為了達到快速的轉矩響應和較高的速度精度，反饋裝置是必需的。這使得成本上升并且增加了傳統交流電機的復雜性。同樣，調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。雖然電機的機械結構簡單，但是傳動裝置的電氣結構比較復雜。

此外，轉子的磁鏈定向容易受到電機轉子參數（轉子電阻和電感）變化的影響，電機動態運轉時，轉子參數變化不易測，降低了控制系統的魯棒性。

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

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

圖2

控制變量為電機磁通和電機轉矩，不需要調制器也不需要轉速計或編碼器等設備來反饋電機轉速或電機軸的位置。

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

雖然動態響應比PI控制塊，但是轉矩脈動也隨即而來。此外，帶積分環節的磁鏈電壓模型在低速時的適用性值得商榷，導致直接轉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，定子電阻的阻值發生變化，使定子磁鏈的估計精度降低，導致電磁轉矩出現較大的脈動。如果多個電機并聯到

直接轉矩控制的逆變器上，這些電機是被作為一個大的電機來控制的。此時沒有任何關于單獨一個電機的信息。如果電機數量會發生變化，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）

二者應用領域：矢量控制用于寬范圍調速系統和伺服系統，而直接轉矩控制則適用于需要更快速轉矩相應的大慣量控制系統。

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

審核編輯：劉清