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1  交流電機控制的基本原理

    一個典型的單機交流傳動系統(tǒng)包含一個供電電源、一個變頻器、一個交流電機及其負(fù)載。變頻器里含有一個整流器、一個DC中間回路和一個逆變器單元。

1)、一個DC中間回路

2)、一個逆變器單元

3)和電源

4)整流器將交流電壓變換成直流電壓。

    兩電平電壓源逆變器有6個將直流電壓變換成交流電壓的功率開關(guān)元件（每個輸出相有2個）。此頻率可變的交流電壓饋送到交流電機上。從DC電壓變換到AC電壓是基于典型的脈寬調(diào)制法(PWM)，最終控制的變量是逆變器的輸出頻率和電壓。無論怎樣，盡管從過程控制的觀點來看，逆變器輸出的頻率和電壓并不等同于交流電機的轉(zhuǎn)速和力矩的控制。但是，輸出品質(zhì)的高低通常還是由被控制的交流電機的力矩和速度所定義。

2  DTC的原理

    DTC是一個獨特的控制交流電機的方法。DTC的首要目標(biāo)是直接控制電機軸的力矩，而不僅是控制逆變器的輸出頻率。在DTC 中，電 機 的力矩是每25μs計算一次， 功率開關(guān)也 是按這種狀態(tài)去控制，以得到預(yù)期的軸力矩。逆變器的輸出頻 率僅是按這個控制原理控制的輸出結(jié)果。在PWM中，對于功率開關(guān)來說，傳動輸出的頻率和電壓是主要的參考信號，而不是電機軸上的預(yù)期力矩。

    在DTC中，力矩和磁通給定值在磁滯控制器里與實際值進行比較。它的比較運算結(jié)果輸出到以ASIC硬件構(gòu)成的開關(guān)邏輯環(huán)節(jié)。功率模塊執(zhí)行開關(guān)邏輯環(huán)節(jié)輸出的開關(guān)命令(S1, S2, S3)。為了計算實際力矩和磁通值，在電機模型中使用了中間直流電壓和兩相電流測量值。

力矩是按定子磁通和定子電流的矢量積計算的：
    (1)
定子磁通是按定子電壓矢量和定子電流矢量經(jīng)積分計算的：
    (2)
    用測量到的直流回路電壓和功率模塊的開關(guān)命令去計算定子電壓矢量。定子阻抗是在試車（辨識）階段進行估算，并通過以后的熱模型更新的。定子磁通的估算還涉及到功率開關(guān)的起始電壓和換相延遲。低速時，定子磁通的估算是通過按定子電流反饋值估算的定子磁通來校正的（電流模型）。此時，磁通的估算是基于定子和轉(zhuǎn)子電流反饋：

      (3)

    最重要的電機模型參數(shù)是在試車（辨識）期間估算出來的。在辨識期間，電機模型重要參數(shù)的估算包括磁感應(yīng)飽和曲線狀態(tài)的測量。

    力矩和磁通調(diào)節(jié)器是滯環(huán)調(diào)節(jié)器，實際值與給定值比較，滯環(huán)寬度定義了來自參考值的最大偏差。

    定子磁通和力矩是通過6個電壓矢量和兩個零矢量來控制的。定子磁通的幅值被控制為一個恒定值。

    主要的控制目標(biāo)是力矩。如果需要更大的力矩，則通過開關(guān)邏輯在定子和轉(zhuǎn)子磁通矢量之間選擇一個增大角度的電壓矢量。被選擇的電壓矢量在同一時刻有可能增加定子磁通的幅值，也可能減小其值。如果定子的磁通幅值與滯環(huán)調(diào)節(jié)器的環(huán)寬限制值相交，則滿足力矩和磁通控制目標(biāo)的電壓矢量就被選擇了。

    定子磁通的振幅保持恒量力矩滯環(huán)控制器如圖4所示。實際力矩被控制在滯環(huán)寬度之內(nèi)（△T1和△T2）。一旦實際力矩(Te)與任意一個環(huán)寬值相交，一個使力矩增加(t+)或使力矩減少(t0)的電壓矢量就被選擇上了。通常，力矩減少的時候，選擇零矢量。低頻情況下，選擇零矢量不足以減少力矩。如果力矩超過了更高的滯環(huán)限制△T2，為了足夠有效的減少力矩，一個電壓矢量可以被選擇。

    DTC控制的逆變器需要一些其它的控制器去建立全部所需要的控制功能。DTC的核心（如圖2所示）提供了有效的工具來實現(xiàn)不同的功能。DTC的核心通常也會得到來自附加的控制器的參考值―其它的給定信號。

    在速度控制應(yīng)用中，典型的力矩參考值―力矩給定信號直接來自速度控制器的輸出。弱磁控制器使用了磁通參考信號，磁通優(yōu)化和磁通制動功能。在過程控制中，電機模型對電機轉(zhuǎn)速也給出了一個在大多數(shù)過程控制應(yīng)用中有足夠精確度的估算值。

    DTC控制和 PWM控制的基本差別是在DTC中由PWM調(diào)制過程所產(chǎn)生的延遲已經(jīng)被排除了。正如通常人們所了解的在任何過程控制中，延遲是人們不希望有的，因為它減少了可利用的相角裕量，增加了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。系統(tǒng)中額外的延遲經(jīng)常引起整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)器頻繁的調(diào)整，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)性能下降。

3  應(yīng)用中的DTC

    很顯然，DTC只是一個工具，它適合傳動設(shè)計人員在他所遇到的各種類型的工程應(yīng)用當(dāng)中的需要。這些需要包括力矩的線性控制，供電電壓短期丟失時快速重合閘的處理，啟動正在轉(zhuǎn)動著的電機，不帶編碼器的電機的控制等等。有一些應(yīng)用需要是保護系統(tǒng)，還有一些是過程控制特性所要求的。

(1)  躲避供電短時丟失

    逆變器供電中，常常會發(fā)生供電中斷或電壓閃落。如果沒有快速應(yīng)對措施，在供電丟失期間，中間直流回路電壓會很快跌落到零。因為電網(wǎng)即刻停止了供電，為了保持運行過程不間斷，可能的話，可以利用來自負(fù)載的慣性能量。否則，由于欠壓狀態(tài)，直流回路電容器所儲存的能量很快消失，逆變器就停止運行了。

    快速的力矩響應(yīng)能使傳動系統(tǒng)以幾個毫秒的時間從電動模式平滑的過渡到再生模式。在供電重新恢復(fù)的時候，電機里的動能快速的轉(zhuǎn)換，使傳動仍舊可以連續(xù)正常的運行。一個暫短的供電丟失之后，傳動可以使電機的速度平滑的重新加速到供電丟失之前的速度上。

(2)  部分負(fù)載時的最小損失

    變頻器通常是控制電機適應(yīng)工藝過程的速度。泵和風(fēng)機的負(fù)載曲線是平方類型的，即力矩與速度比的平方成比例。這就意味著應(yīng)用過程中有10%的速度變化，力矩僅需1%的變化。

    在電機里，一部分電流建立了勵磁，它與負(fù)載大小無關(guān)。這個勵磁電流分量形成了交流電機損失的一部分。毫無疑問，在低頻或小負(fù)載的情況下，通過高級逆變器控制策略合理調(diào)整電機的勵磁水平，可以使總的電機損失降到最小。這個方法就是人們熟知的磁通優(yōu)化功能。

(3)  旋轉(zhuǎn)機械的飛升啟動

    在典型的泵和風(fēng)機應(yīng)用中，即使傳動停止運行，但液體或氣體在管網(wǎng)中的輕微流動，也能造成泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)動。傳動系統(tǒng)啟動運行的時候，必須與已經(jīng)運行了的電機同步。DTC提供了一個完美的控制完成這個飛升起動過程（亦稱跟蹤起動/捕捉起動）。正是由于DTC電機模型的幫助，電機模型能在100ms之內(nèi)找到電機的電動狀態(tài)。力矩的控制幾乎立即開始生效。

    DTC的飛升啟動（跟蹤起動）不僅僅是泵和風(fēng)機應(yīng)用的需要。在生產(chǎn)線上，可能有多個傳動點，通過不同的驅(qū)動裝置來傳動時，飛升啟動功能也是需要的。因為可能有一個傳動正在在線運行時，其它傳動也需要投入到生產(chǎn)線上時，平滑的飛升啟動（跟蹤起動）功能就是必需的了。

(4)  主從應(yīng)用

    輸送機、提升機、水泥窯等機械設(shè)備里有一個典型的特性要求，就是按連接到同一個系統(tǒng)中的不同種類的電機進行負(fù)載分配。

    負(fù)載分配的一個類型就是配置出一個傳動是速度控制模式，以得到工作負(fù)載下的系統(tǒng)速度。其他傳動可以是力矩控制。控制速度的傳動被稱為主機，其它的被稱為從機。主機的速度控制器的輸出傳送給從傳動，從傳動使用與主機相同的力矩給定值。在這一主從配置的類型中，主機決定了工藝過程速度，并且提供力矩給定信號。為了達(dá)到在傳動之間合理進行負(fù)載分配的目的，力矩給定可以在各傳動點之間有不同的分配比例。

    DTC可以很好的適應(yīng)快速主從配置的需要。DTC的快速力矩響應(yīng)與主傳動和從傳動之間快速通訊相結(jié)合，保證了主從配置實現(xiàn)在穩(wěn)定的情況下使減弱穩(wěn)定性的延遲最小。

(5)  卷取應(yīng)用

    對于卷取機、接片機、印刷機應(yīng)用來說，張力控制是典型的需要。為了在全部生產(chǎn)過程所需要的速度運行范圍上實現(xiàn)張力控制，傳動必須有精確跟蹤由系統(tǒng)張力調(diào)節(jié)器給出的力矩給定值的能力。在張力控制應(yīng)用中，一個傳動可以用三個參數(shù)描述其電氣特性：力矩線性度、力矩的重復(fù)精度、力矩的絕對精度。力矩的線性度意味著不管傳動的速度和力矩狀態(tài)如何（電動力矩或再生力矩），實際軸力矩必須和給定力矩保持一致。力矩可重復(fù)性意味著在每次重復(fù)使用同樣的力矩給定參考值時，都能在電機軸上測量到相同的軸力矩實際值。力矩的絕對精度，表示了力矩給定值和被測得的軸力矩值之間的誤差值。

    很明顯，如果一個傳動被設(shè)計成適合高水平的力矩控制的要求，它就適合在卷取機中應(yīng)用。典型的DTC的力矩精度和線性度誤差是1%，可重復(fù)性誤差低于1%。

(6)  高硬度負(fù)載特性要求的應(yīng)用

    確如某些加工過程，像金屬軋制時，軋機的負(fù)載快速變化期間，傳動系統(tǒng)軋制速度也應(yīng)當(dāng)維持不變。典型的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是按百分比秒[%s]為單位計量其速度降落。這個百分比秒[%s]意味著電機軸上有了額定負(fù)載階躍的時候，一個隨時間變化的速度誤差的積分值。在發(fā)生速降期間，為了得到很好的速度控制性能， 必須考慮速度控制器的調(diào)整。如果發(fā)生了負(fù)載的快速變化，速度控制器PI(D)將通過快速改變力矩參考值（力矩給定值）起調(diào)節(jié)作用。顯而易見，數(shù)字化的速度控制器實現(xiàn)了最小的響應(yīng)時間；第二個因素是速度控制器的調(diào)整。速度控制器應(yīng)該調(diào)整的在系統(tǒng)整體穩(wěn)定性沒有損失的情況下對負(fù)載的變化跟隨得越緊越好；第三個因素是傳動的力矩響應(yīng)時間。除非力矩控制器不能有效的響應(yīng)速度控制器的輸出，不會感到速度控制器的調(diào)整很困難。在DTC中，力矩控制器是能夠快速的響應(yīng)速度控制器的輸出的。即使速度控制器的運行時間是1 ms，在下一個給定參考信號給出之前，大多數(shù)時間里也能滿足力矩需求。

    對于高性能的傳動系統(tǒng)來說，速降低于0.5 %s已經(jīng)足夠了，因為生產(chǎn)機械，像齒輪，離合器不能經(jīng)常經(jīng)受更快的負(fù)載的沖擊。

(7)  高啟動力矩的應(yīng)用

    在某些應(yīng)用中，需要高啟動力矩（額定力矩的150 200%）。典型的是需要有一個讓軸開始轉(zhuǎn)動的啟動力矩。例如擠壓機應(yīng)用，在原材料溫度達(dá)到合適值之前設(shè)備必須能輸出大起動力矩。還有提升機、橡膠攪拌機、水泥窯等都是加工過程中需要大啟動力矩的。

     使用DTC的時候，獲得高啟動轉(zhuǎn)矩，不需要編碼器。例如擠壓機應(yīng)用，速度范圍是1 002 000rpm。DTC可以在滿足高速度靜態(tài)精度的情況下（無編碼器，速度精度達(dá)到電機額定轉(zhuǎn)差的10%），提供高起動轉(zhuǎn)矩。甚至于在技術(shù)要求最苛刻的擠壓機生產(chǎn)線上也能滿足要求。

(8)  機械震動

    在傳動系統(tǒng)中，電機、變速箱、皮帶、軸、離合器和工作機器綜合成一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)。由于減振不良，機械系統(tǒng)可能存在幾個關(guān)鍵共振點，共振可能是由負(fù)載突變或是力矩波動引起的。DTC有效的排除了由力矩諧波造成的共振。因為調(diào)制過程僅基于電機的電磁狀態(tài)。通常，力矩諧波低于額定力矩的1%。

    例如：產(chǎn)生機械共振的一個典型例子是：兩質(zhì)量集中系統(tǒng)。它是由電機轉(zhuǎn)子、工作機械（例如轉(zhuǎn)鼓）和帶有共振和阻尼頻率的軸組成的。在這一類系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子的慣性矩隨著負(fù)載慣性矩而振動。

例如，簡化了的兩質(zhì)量集中系統(tǒng)可以用圖13的數(shù)學(xué)模型來描述。

假定阻尼系數(shù)為零(C=0)，機械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是：
    (4)
機械系統(tǒng)的共振頻率Ω1是：
    (5)
阻尼共振頻率Ω2是：
    (6)
    在附加的阻尼系數(shù)C里，力矩控制器性能對閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。力矩控制器可以寫成一階動態(tài)傳遞函數(shù)，（動態(tài)時間常數(shù)te），延遲時間(T)：
    (7)
    假設(shè)速度控制器為標(biāo)準(zhǔn)的PI(D)控制器，那末按標(biāo)準(zhǔn)PI(D)控制法則，速度控制器的傳遞函數(shù)應(yīng)該是：
    (8)
    一個無延遲的速度測量開環(huán)頻率響應(yīng)給出了兩質(zhì)量集中系統(tǒng)的速度控制的閉環(huán)穩(wěn)定性的信息。速度給定參考值到電機速度的開環(huán)傳遞函數(shù)是：

(9)對于力矩控制器來說，假定有不同的延遲時間和時間常數(shù)。在某些情況下就能看出，當(dāng)力矩控制器的延遲時間和時間常數(shù)減少時，共振頻率的相位裕量顯著增加。實踐中，這意味著力矩控制器有更高的性能，速度控制過程有更好的穩(wěn)定性。

    通過這個案例，從圖13和14中可以看出，帶有高性能控制器的傳動的共振頻率的相角裕量比典型的中等性能的傳動更高。

    快速的力矩響應(yīng)也有利于應(yīng)用在那些有間隙的機械連接中，例如變速齒輪箱連接中。在機械齒輪箱中，齒輪互相自由嚙合時，DTC能抵抗力矩的快速的變化。高性能的快速控制作用，可以增加機械部件的使用壽命。

    無論如何，總是還有一些機械系統(tǒng)，盡管帶有標(biāo)準(zhǔn)頻率變換器，但還是不易控制。在設(shè)計機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時候，應(yīng)選擇部件的機械共振頻率明顯高于速度控制器的帶寬頻率，或它本身具有較高的阻尼頻率。如果機械系統(tǒng)設(shè)計得很差，就需要使用更復(fù)雜的速度控制策略，增加使用狀態(tài)觀測器或濾波器以穩(wěn)定系統(tǒng)。

4  結(jié)論

    DTC對于交流傳動系統(tǒng)提供了高控制性能。高控制性能基于對電機和供電設(shè)備一體化的控制。控制系統(tǒng)的時間延遲應(yīng)達(dá)到最小化。在許多情況下，無傳感器的傳動也是完全可以運行的。

    DTC能滿足許多類型的應(yīng)用。靈活的控制平臺工具實現(xiàn)了許多不同類型的變換功能。

    DTC適合應(yīng)用于對動態(tài)要求苛刻的場合，也適合于傳統(tǒng)的應(yīng)用場合，例如風(fēng)機泵類應(yīng)用中需要的流量優(yōu)化，電網(wǎng)短時丟失不停機和飛升啟動（跟蹤起動）。

附錄：
符號
  定子電流矢量  Stator current vector
   轉(zhuǎn)子電流矢量  Rotor current vector
   力矩    Torque
   定子磁通矢量  Stator flux vector
 RS  定子阻抗   Stator resistance
   定子電壓矢量  Stator voltage vector
Lm   磁感應(yīng)系數(shù) Magnetising inductance
LS   定子感應(yīng)系數(shù) Stator inductance
△T1 力矩滯環(huán)1  Torque hysteresis 1
△T2 力矩滯環(huán)2  Torque hysteresis 2
Te  估算的氣隙力矩Estimated air-gap torque
Tm  電機力矩  Motor torque
TL  負(fù)載力矩  Load torque
Ui  逆變器電壓矢量Inverter voltage vectors
Tref  力矩參考值 Torque reference
Tshaft  軸力矩  Shaft torque
ωm  電機角速度 Motor angular speed
ωL  負(fù)載角速度 Load angular speed
Jm  電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Moment of inertia of the
                                                         motor