摘要： 　　本文對(duì)目前交流電機(jī)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(duì)兩者轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)特性，及無(wú)速度傳感器控制進(jìn)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(wú)速度傳感器控制 1．前言 　　自1971年德國(guó)西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于交流電機(jī)坐標(biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制（以下簡(jiǎn)稱VC）原理以來(lái)，交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。經(jīng)過(guò)30年的產(chǎn)品開發(fā)和工程實(shí)踐，矢量控制原理日趨完善，大大小小的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。 1985年德國(guó)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(jī)調(diào)速控制原理——直接轉(zhuǎn)矩控制（以下簡(jiǎn)稱DTC），魯爾大學(xué)的教授曾多次在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議并到中國(guó)來(lái)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(diǎn)： ·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(jī)車牽引傳動(dòng) 　　DTC的出現(xiàn)引起交流電機(jī)控制理論的研究熱潮，國(guó)內(nèi)不少高校對(duì)DTC技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，不少文章提出一些有益的改進(jìn)方法，對(duì)DTC理論與實(shí)踐作出貢獻(xiàn)。但應(yīng)該指出，DTC引入中國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，VC的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)已不成為問(wèn)題，而由于DTC技術(shù)應(yīng)用實(shí)例局限于GTO電壓型變頻器的機(jī)車牽引傳動(dòng)，使得國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和變頻器制造商沒(méi)有條件對(duì)實(shí)用的DTC技術(shù)以及DTC變頻器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(jìn)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(guò)50億。國(guó)家“十五”期間，許多大型項(xiàng)目需要交流調(diào)速傳動(dòng)，例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動(dòng)，大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋機(jī)交流傳動(dòng)，高速鐵路牽引傳動(dòng)，以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。 　　隨著市場(chǎng)容量的擴(kuò)大，國(guó)際各公司產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，直接轉(zhuǎn)矩控制成為產(chǎn)品技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)亮點(diǎn)。在充分挖掘和展示了DTC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，市場(chǎng)宣傳主要是DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快，可以達(dá)到1~3ms，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器調(diào)速控制，在零速時(shí)滿負(fù)荷輸出。同時(shí)，個(gè)別產(chǎn)品推銷員在市場(chǎng)宣傳中提出DTC直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電機(jī)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(shí)，采用矢量控制技術(shù)的產(chǎn)品廠家回應(yīng)DTC在市場(chǎng)上宣傳DTC技術(shù)的缺點(diǎn)，主要是質(zhì)疑DTC無(wú)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(shí)間在中國(guó)的用戶，變頻器制造廠，以及國(guó)家重大項(xiàng)目決策中造成了混亂，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)演變?yōu)镈TC與VC的技術(shù)之爭(zhēng)。 　　市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(rèn)識(shí)DTC與VC技術(shù)，慎重地評(píng)價(jià)DTC與VC的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合。為此北京電力電子學(xué)會(huì)，IEEE電力電子北京分會(huì)，組織國(guó)內(nèi)電力電子及電氣傳動(dòng)的有關(guān)專家對(duì)DTC和VC技術(shù)進(jìn)行了充分研討，清華大學(xué)電機(jī)系對(duì)分別采用DTC和VC技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試和性能比較。相信此舉會(huì)給國(guó)內(nèi)用戶和項(xiàng)目決策者一個(gè)客觀正確的技術(shù)背景，同時(shí)，也借此促進(jìn)我國(guó)交流電機(jī)控制理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料以及同部份專家的研討，本文對(duì)DTC和VC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及實(shí)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(dá)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(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒(méi)有電流控制環(huán)路，因此，DTC控制系統(tǒng)的著眼點(diǎn)是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機(jī)的電流控制，把交流電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點(diǎn)是電流控制。對(duì)于交流電機(jī)來(lái)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(shí)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(jī)模型計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的，沒(méi)有任何過(guò)沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。而DTC由于沒(méi)有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產(chǎn)生的輸出電壓，沒(méi)有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，故電機(jī)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(guó)魯爾大學(xué)教授前些年來(lái)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(yùn)行區(qū)，電壓將沒(méi)有過(guò)沖的余度空間。此外，大型的交流傳動(dòng)必須對(duì)電機(jī)電流加以限制，這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不會(huì)達(dá)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(duì)于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來(lái)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(huì)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(duì)電機(jī)絕緣的影響，而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時(shí)，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(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。清華大學(xué)電機(jī)的試驗(yàn)報(bào)告也證明了這一點(diǎn)。對(duì)于那些對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。例如交流伺服傳動(dòng)，機(jī)車牽引等較適于采用DTC技術(shù)。而一些對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求不苛刻，特別是帶有齒輪連接的傳動(dòng)，過(guò)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(lái)較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時(shí)由于其開關(guān)頻率是不確定，隨機(jī)變化的，使DTC變頻器存在以下問(wèn)題 ·無(wú)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(shuō)，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(yàn)報(bào)告中也有證明。這對(duì)于那些不要求較高動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的通用變頻器，例如風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能傳動(dòng)，一般工業(yè)機(jī)械傳動(dòng)，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(chǎng)合VC顯然要優(yōu)于DTC。 　　對(duì)于大型傳動(dòng)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(wú)速度傳感器控制 　　在某些產(chǎn)品的市場(chǎng)宣傳中，把DTC變頻器無(wú)速度傳感器控制，在零速時(shí)滿負(fù)荷輸出作為DTC技術(shù)的專有特點(diǎn)，顯然是不對(duì)的。DTC與VC采用同樣的交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，無(wú)速度傳感器控制不是DTC發(fā)明專利中的內(nèi)容。無(wú)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(lái)華講學(xué)時(shí)強(qiáng)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(jī)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來(lái)補(bǔ)償DTC的低速性能。控制系統(tǒng)低速時(shí)用ISR，高速才過(guò)渡到DTC，由此可見(jiàn)，DTC的低速特性改善是借助于VC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 　　無(wú)速度傳感器控制是交流電機(jī)調(diào)速控制的重要課題，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點(diǎn)。應(yīng)該指出國(guó)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(wú)速度傳感器控制的實(shí)用化還與國(guó)外產(chǎn)品差距很大。國(guó)產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平，而國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器控制的產(chǎn)品化。 　　日本電氣學(xué)會(huì)在2000年曾對(duì)日本各大電氣公司通用變頻器的無(wú)速度傳感器控制進(jìn)行了調(diào)查，其無(wú)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(bǔ)償法 ·感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算法 ·模型參考自適應(yīng)MRAS法 · 角速度計(jì)算法 　　圖（2）給出通用變頻器基本控制結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)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(shí)和正向通道控制。圖（3）（4）（5）（6）列出無(wú)速度傳感器控制的四個(gè)控制方式的結(jié)構(gòu)框圖，表（2）列出各公司變頻器采用無(wú)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(wú)速度傳感器控制只對(duì)其實(shí)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(guò)對(duì)DTC與VC技術(shù)的討論，我們應(yīng)排除市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的商業(yè)宣傳因素，還其技術(shù)的本來(lái)面目，重新認(rèn)識(shí)DTC與VC的理論和實(shí)踐，在比較DTC與VC的優(yōu)缺點(diǎn)并明確其適用場(chǎng)合的同時(shí)，也認(rèn)清DTC與VC技術(shù)待攻克的課題，積極發(fā)展我國(guó)