直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control，簡稱DTC)是一種變頻器控制三相馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的方式。其作法是依量測到的馬達(dá)電壓及電流，去計(jì)算馬達(dá)磁通和轉(zhuǎn)矩的估測值，而在控制轉(zhuǎn)矩后，也可以控制馬達(dá)的速度，直接轉(zhuǎn)矩控制是歐洲ABB公司的專利。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁通用定子電壓積分而得。而轉(zhuǎn)矩是以估測的定子磁通向量和量測到的電流向量內(nèi)積為估測值。磁通和轉(zhuǎn)矩會和參考值比較，若磁通或轉(zhuǎn)矩和參考值的誤差超過允許值，變頻器中的功率晶體會切換，使磁通或轉(zhuǎn)矩的誤差可以盡快縮小。因此直接轉(zhuǎn)矩控制也可以視為一種磁滯或繼電器式控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control——DTC)，國外的原文有的也稱為Direct self-control——DSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)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(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代中期，德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案和圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1987 年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到弱磁調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Band-Band)產(chǎn)生PWM 波信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動機(jī)的數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)定子磁鏈的幅值通過上述電壓的矢量控制而保持為額定值，要改變轉(zhuǎn)矩大小，可以通過控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角來實(shí)現(xiàn)。而夾角可以通過電壓空間矢量的控制來調(diào)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動速度保持不變，因此夾角的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)定子磁鏈的瞬時轉(zhuǎn)動速度來實(shí)現(xiàn)。假定電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，如果實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定值，則選擇使定子磁鏈逆時針方向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，這樣角度增加，實(shí)際轉(zhuǎn)矩增加，一旦實(shí)際轉(zhuǎn)矩高與給定值，則選擇電壓矢量使定子磁鏈反方向旋轉(zhuǎn)。從而導(dǎo)致角度降低。通過這種方式選擇電壓矢量，定子磁鏈一直旋轉(zhuǎn)，且其旋轉(zhuǎn)方向由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器決定。直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制要通過滯環(huán)比較器來實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器的運(yùn)行原理為：當(dāng)前值與給定值的誤差在滯環(huán)比較器的容差范圍內(nèi)時，比較器的輸出保持不變，一旦超過這個范圍，滯環(huán)比較器便給出相應(yīng)的值。直接轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖如下所示，給定轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速相比較，得到給定轉(zhuǎn)矩;經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)矩差做滯環(huán)處理得到轉(zhuǎn)矩控制信號;將磁鏈估計(jì)值跟給定磁鏈相比，經(jīng)滯環(huán)比較器得到磁鏈控制信號;根據(jù)計(jì)算的得到的轉(zhuǎn)子位移，劃分區(qū)段;根據(jù)區(qū)段，以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號，結(jié)合查找表得出空間矢量，生成PWM波;輸出給逆變器，給電機(jī)供電。

與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1) 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。2) 選擇定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對控制器并沒有影響。3) 由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。4) 定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要和直流機(jī)比較、等效、轉(zhuǎn)化，省去復(fù)雜的計(jì)算。