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直接转矩控制

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直接转矩控制（Direct torque control，简称DTC）是一种变频器控制三相电动机转矩的方式。其作法是依量测到的马达电压及电流，去计算马达磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制马达的速度。

直接转矩控制架构

在直接转矩控制中，定子磁通用定子电压积分而得。而转矩是以估测的定子磁通向量和量测到的电流向量外积为估测值。磁通和转矩会和参考值比较，若磁通或转矩和参考值的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换，使磁通或转矩的误差可以尽快缩小。因此直接转矩控制也可以视为一种磁滞或继电器式控制。

直接转矩控制的特性如下：

  • 调整转矩和磁通的命令，即可快速调整转矩和磁通。
  • 高效率，低损耗：其功率晶体的切换只是为了让转矩和磁通维持磁滞区间，因此切换损失（德语：Schaltverluste）可以降到最低。
  • 阶跃响应不会过冲。
  • 所有的计算都是在静止座标系统下计算，不需要一般向量控制处理旋转座标需要的帕克变换。
  • 会用磁滞控制会直接产生功率晶体切换讯号，不需要独立的脉冲宽度调变。
  • 没有PID控制器，不需对控制进行调校。
  • 功率晶体的切换频率不是定值，不过透过控制转矩和磁通误差的大小，仍可以约略调整平均切换频率在某参考值附近，也可以以此维持电流和转矩涟波为较小值。因此仍可以和传统向量控制一样，控制其电流和转矩涟波。
  • 因为磁滞控制的关系，其切换本身即为随机的，因此在电流频谱上没有特别大的峰值，因此其机器产生的噪音也比较小。
  • 在算法中已考虑中间直流电路的电压变动（电压积分）。因此不会因为直流电压涟波混叠或暂态而造成的问题。
  • 由于控制速度很快，可以直接进行旋转电动机的交流同步（英语：Synchronization (alternating current)），只要让转矩命令为0，启动变频器即可，其算法可以快速侦测电动机磁通。
  • 数位控制硬件很快，因此磁通和转矩已不会偏离容许范围太多。一般来说其控制算法需在10 - 30毫秒内完成。不过因为其算法简单，需要的运算量很小。
  • 需要非常高品质，没有噪声的电流量测装置的，因为量测讯号中的噪声会造成错误的控制输出。另外此控制架构不能使用低通滤波器来移除噪声，因为滤波器会造成控制信号延迟，破坏磁滞控制，因此让此问题更加复杂。
  • 为了降低磁通估测的误差，定子电压量测的偏差值误差越低越好。因此定子电压常会用量测到的直流电路电压以及功率晶体切换信号来估测。
  • 电动机高速时，此方法对电动机参数的敏感度不高。不过低速时，用来估测定子磁通的定子电阻误差就非常重要。

直接转矩控制有不少明显的优点，但需要的取样频率较高（最快会到40kHz，而一般的向量控制约是6–15 kHz），会造成变频器的切换损失较大．而且力矩涟波也比较差[1]。

即使在没有电动机速度回授的情形下，直接转矩控制也可以运作的很好。不过磁通估测多半是用电动机相电压的积分，因为电压量测以及定子电阻都会存在误差无法避免，在低速积分的误差会比较大。因此若变频器的输出频率为零时，是无法控制电动机的。不过若是仔细地设计控制系统，有可能让最低频率低到0.5 Hz至1 Hz，这已经足以让异步电动机在静止条件下输出全转矩。若在电动机正反转切换时，速度可以快速通过零点，不会造成过大的磁通估测偏差，也可以做电动机的正反转切换。

直接转矩控制的变频器若要在低速（甚至零速下）连续运作，可以配合轮速感测器（英语：Wheel speed sensor）或旋转编码器来侦测速度。配合这些感测器，可以在全速度范围内都有高精度的转矩控制及速度控制。

历史

直接转矩控制是由Manfred Depenbrock在美国申请专利[2]，后来也在1984年10月20日在德国申请专利[3]，两者专利用的术语是直接自控制（direct self-control, DSC）。不过日本的高桥勲（Isao Takahashi）和野口敏彦（Toshihiko Noguchi）在1984年的IEEJ期刊中也提到类似的控制架构，称为直接转矩控制[4]，后来也在1986年在IEEE期刊中发表[5]。一般认为上述三人就是直接转矩控制发明者。

直接转矩控制（DTC）以及直接自控制（DSC）的差异是其控制的磁通向量的轨迹，前者类似圆形，而后者是六边形，其原因是前者的切换频率较高。直接转矩控制是针对低中功率的驱动器，而直接自控制是针对较高功率的驱动器[6] （为了简单起见，本文后面都只用直接转矩控制指称这两种技术）。

直接转矩控制在1980年后期开始导入应用，因为其简单，而且在高性能异步电动机驱动器应用上，可以有非常快速的转矩及磁通速度响应，因此有广泛的应用。

Baader1989年的论文中也有探讨直接转矩控制，对此一主题有许多的贡献[7]。

第一个商业成功的DTC产品是由ABB所开发，是在1980年代末期针对德国DE502柴油机车的牵引电机应用[8]，以及后来在1995年问世的ACS600系列变频器。ACS600后来被ACS800[9]及ACS880变频器所取代[10]。Vas[11]、Tiitinen等人[12]以及Nash[13]都在直接转矩控制以及ACS600上有许多贡献。

直接转矩控制曾用在三相电输电网络侧的电压转换器（英语：Voltage converter）控制[14][15]。输电网络侧的转换器结构类似马达驱动器中使用的晶体管逆变器。因此它除了将交流整流成直流外，也可以将直流能量传送回交流电。而且其电源端的相电流很接近弦波，可以依照需求调整其功率因数。在此版本的直接转矩控制中，会将电网视为一个大型的电动机。

针对内永磁同步发电机（英语：Permanent magnet synchronous generator）（IPMSM）的直接转矩控制是在1990年末期提出[16]，针对同步磁阻马达（SynRM）的则是在2010年提出[17]。

直接转矩控制也在2000年代初期用在双馈电机（英语：Doubly fed electric machine）控制中[18]双馈发电机常用在1-3 MW的风力发动机里。

直接转矩控制的控制性能非常好，但其实现需要的硬件复杂程度，比相近性能的FOC要高很多，因此工业应用较晚才出现。

从1990年代末期开始，有许多论文探讨直接转矩控制以及其衍生内容，例如使用空间向量调变的版本[19]，这样就可以有固定的切换频率。

Depenbrock的主要直接转矩控制专利期限是到2000年代中期为止，因此ABB以外的公司也提出类似直接转矩控制的机能。

相关条目

参考资料

  1. ^ Hughes, Austin; Drury, Bill. Variable Frequency Operation of Induction Motors. Electric Motors and Drives. 2013: 205–253. ISBN 978-0-08-098332-5. S2CID 107929117. doi:10.1016/B978-0-08-098332-5.00007-3. 
  2. ^ Depenbrock, Manfred. US4678248 Direct Self-Control of the Flux and Rotary Moment of a Rotary-Field Machine. 
  3. ^ Depenbrock, Manfred. DE3438504 (A1) - Method and Device for Controlling of a Rotating Field Machine. [13 November 2012]. 
  4. ^ Noguchi, Toshihiko; Takahashi, Isao. Quick Torque Response Control of an Induction Motor Based on a New Concept. IEEJ Technical Meetings on Rotating Machine RM84-76. Sep 1984: 61–70. 
  5. ^ Takahashi, Isao; Noguchi, Toshihiko. A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor. IEEE Transactions on Industry Applications. September 1986, IA–22 (5): 820–827. S2CID 9684520. doi:10.1109/tia.1986.4504799. 
  6. ^ Foo, Gilbert. Sensorless Direct Torque and Flux Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors at Very Low Speeds Including Standstill (学位论文). Sydney, Australia: The University of New South Wales. 2010. 
  7. ^ Baader, Uwe. Die Direkte-Selbstregelung (DSR), ein Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen [Direct self-regulation (DSR), a process for the highly dynamic regulation of induction machines]. VDI-Verlag. 1988. ISBN 978-3-18-143521-2 （德语）. [页码请求]
  8. ^ Jänecke, M.; Kremer, R.; Steuerwald, G. Direct Self-Control (DSC), A Novel Method Of Controlling Asynchronous Machines In Traction Applications. EPE Proceedings. 9–12 Oct 1989, 1: 75–81. 
  9. ^ ACS800 - The New All-compatible Drives Portfolio. [14 November 2012]. 
  10. ^ Lönnberg, M.; Lindgren, P. Harmonizing drives - The driving force behind ABB's all-compatible drives architecture (PDF). ABB Review. 2011, (2): 63–65. [永久失效链接]
  11. ^ Vas, Peter. Sensorless Vector and Direct Torque Control. Oxford University Press. 1998. ISBN 978-0-19-856465-2. [页码请求]
  12. ^ Tiitinen, P.; Surandra, M. The next generation motor control method, DTC direct torque control. Proceedings of International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth 1. 1995: 37–43. ISBN 978-0-7803-2795-5. S2CID 60918465. doi:10.1109/pedes.1996.537279. 
  13. ^ Nash, J.N. Direct torque control, induction motor vector control without an encoder. IEEE Transactions on Industry Applications. 1997, 33 (2): 333–341. doi:10.1109/28.567792. 
  14. ^ Harmoinen, Martti; Manninen, Vesa; Pohjalainen, Pasi; Tiitinen, Pekka. US5940286 Method for Controlling the Power To Be Transferred Via a Mains Inverter. 17 Aug 1999 [13 November 2012]. 
  15. ^ Manninen, V. Application of Direct Torque Control Modulation to a Line Converter.. Proceedings of EPE 95, ６３Sevilla, Spain. 19–21 Sep 1995: 1292–1296. 
  16. ^ French, C.; Acarnley, P. Direct torque control of permanent magnet drives. IEEE Transactions on Industry Applications. 1996, 32 (5): 1080–1088. doi:10.1109/28.536869. 
  17. ^ Lendenmann, Heinz; Moghaddam, Reza R.; Tammi, Ari. Motoring Ahead. ABB Review. 2011 [7 January 2014]. （原始内容存档于January 7, 2014）. 
  18. ^ Gokhale, Kalyan P.; Karraker, Douglas W.; Heikkil, Samuli J. US6448735 Controller for a Wound Rotor Slip Ring Induction Machine. 10 Sep 2002 [14 November 2012]. 
  19. ^ Lascu, C.; Boldea, I.; Blaabjerg, F. A modified direct torque control (DTC) for induction motor sensorless drive. Conference Record of 1998 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Third IAS Annual Meeting (Cat. No.98CH36242) 1. 1998: 415–422. ISBN 0-7803-4943-1. doi:10.1109/ias.1998.732336. 
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