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1、矢量控制与直接转矩控制之我见矢量控制与直接转矩控制之我见 My Opinion on Vector Control and Direct Torque Control 艾默生网络能源有限公司变频器开发部 刘宏鑫 MDI R&D Department of Emerson Network Power Co.，LTD Liu Hong Xin 摘要：摘要：本文阐述采用矢量控制与直接转矩控制技术的变频器性能的优劣，提出了两种 技术的发展方向。 关键词：矢量控制 直接转矩控制 变频器 Abstract: The merits and demerits of inverter using VC and
2、DTC are discussed in detail. The trend of VC and DTC is presented in this paper. Keywords:Vector Control Direct Torque Control Inverter 一、矢量控制与直接转矩控制技术发展 自从 70 年代初期西德 Blaschke 等人首先提出矢量控制（Vector Control，简称 VC）理 论，到 80 年代中期德国人 M.depenbrock 等人首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control，简称 DTC）以来，全世界各地的高校、 科研机构、
3、 各大变频器公司投入巨大资金和 精力来研究，高性能交流变频调速技术如雨后春笋般的涌现出来。 由于矢量控制与直接转矩 控制技术均是基于异步电机的动态模型，而且均采用外环为速度环，内环为转矩和磁链控 制，从而实现转速和磁链的近似解耦，获得了较好的动态性能1。 矢量控制的研究重点在于矢量控制环路的结构、无速度传感器速度辨识和电机参数的 离线和在线辨识。 DTC 的重点在于无速度传感器速度辨识、 磁链和转矩自控制、 脉冲优化选 择器等方面。 两者的目的在于提高系统转矩控制动态响应、 稳态速度精度（速度辨识的精度、 转矩脉动大小、 冷态热态情况下的自适应能力）、 系统的鲁棒性。 由于两者算法对于数字化要
4、 求非常高、对运算的速度要求也非常高，因此受 CPU 速度的限制，真正高性能全数字化的 无 PG 变频器在 90 年代中后期才陆续出现的。表 1 是 1999 年 8 家公司商用化无速度传感器 的性能比较2。 表1 1999 年 8 家商用化无速度传感器变频器的性能比较 厂 家 ABCDEFGH 调速范围130151120160112011201120140 稳态精度 （%）（0 100% 额 定） -0.3/+0.0-3.0/+0.0-0.5/+0.0-0.12/+0.0-1.0/+0.0-0.5/+0.0-0.55/+0.0-2.7/+0.0 动态精密 （30H2） 7.0%sec0.8%
5、sec2.7%sec0.55%sec0.39%sec0.25%sec 速度响应 （ BW ） （30 H2） 6rads13rads13rads11rads20rads10rads10rads 启动转矩 （%） 50-150100150150150125150150 近几年来，变频器的控制水平又有很大提高，如日立 SJ300 具有电压检测电路，可以 达到 1500 以上的调速范围，而且零速可以达到 150%的转矩，富士 VG7 由于具有电压检 测电路，开环辨识精度较高，号称达到开环伺服水平。 由于欧洲变频器研发工作着重于V/F 控制或者闭环矢量控制模式，欧洲开环矢量控制变频器的技术水平与日本的
6、差距较多。 由于 欧洲的制造业非常发达，推动了伺服控制技术的发展，相比日本有一定的优势。 二、通用变频器控制技术的现状 1 目前，在我国通用变频器的80%左右的市场仍旧被 V/F 或者 E/F变频器所占有。 采用矢 量控制或者 DTC 的高档变频器由于价格的差异只占有 20%左右的市场。在高档变频器领域， 只有 ABB 推出 ACS600/ACS800 变频器采用 DTC 技术，其他各大公司均采用 VC 技术，最 近ABB推出的 ACS550 也为矢量控制。VC 技术成为业界主流。具体原因将在下文阐述。 目前按照开环运行的性能划分，排序大概为日立、 安川、 富士、 ENP、 CT、 西门子、
7、三菱、 AB、 ABB 等，按照闭环性能，目前排序大概为安川、 KEB、 ENPC、 CT、 LENZE、 三菱、 西门子、 ABB。 另外，随着微机控制芯片价格的下降，逐步出现了以 CTUNIDRIVE-SP 为代表的统一 变频器，即将V/F控制、 开环矢量控制、 闭环矢量控制、 通用伺服及永磁同步电机控制技术于 一体的超级变频器，给用户的使用带来很大的方便。 三、矢量控制与直接转矩控制产品性能对比 表2 矢量控制与直接转矩控制产品性能对比 开环控制闭环控制 矢量控制直接转矩控制矢量控制直接转矩控制 稳态速度精度高低高低 动态速度精度大小大小 动态转矩响应慢快慢快 转矩脉动小大小大 低频脉动
8、小大小大 开关电磁噪音小大小大 发电运行稳定发散稳定一般 参数鲁棒性自适应控制好差好差 非自适应控制差好差好 适用场合负载较重， 但较稳定， 速度精度要 求高 负载较重，变 化剧烈，但速 度精度要求不 高。 速度精度 要求较高 转矩精度 要求一般 噪音小。 转矩精度高、 速度精度要求 一般，噪音要 求不高。 从表2可以看出，DTC 除动态响应外，其他方面均不比VC 好。 由于用户最关心的是电 机速度的精度和转矩的脉动，而 VC 的动态响应又满足了市场的绝大多数场合，这也是国 外变频器厂家普遍采用矢量控制的根本原因。 四、矢量控制与直接转矩控制产品技术实现的对比 开环 DTC 控制的基本实现框图
9、如图 1 所示，开环 VC 控制的基本实现框图如图 2 所示。 2 图1 开环 DTC的控制的基本实现框图 PI uA* uB* * 3/2 M 3/2 iB iA iR iL qsr dsr * * uC* $ i s $ i s - + e $ s s e + + uqs* uds* + - ids* iqs* $ s ids iqs iqsRr idsLr u* s u* s r iC + + - - PIQ PID 图2 开环 VC 控制的基本实现框图 从两者的对比可以看出，DTC 需要完成速度调节器、 速度估计、 定子磁链计算、 电机转 矩估计、 定子磁链与转矩的比较及PWM 脉冲优
10、化选择等；VC 需要完成速度调节器、 速度估 计、 转差计算、 同步角速度的积分、 电流与电压旋转变换、 D、 Q轴的电流调节运算等。 从表面 看，VC 控制的工作量有两次旋转变换，好像运算工作量比 DTC 的工作量大，对 CPU 的要 求低。实际上，这是错误的概念。 由于 DTC 的磁链和转矩控制采用乒乓控制，转矩脉动与调节频率成反比，即使采用根 3 据磁链和转矩误差大小进行 PWM 脉冲优化选择，也只能够在一定程度上减小输出转矩的 脉动。尽管 ABB 的 ACS600 采用硬件完成定子磁链与转矩的比较及 PWM 脉冲优化的选择， 采样周期为 25 微秒，但是由于定子磁链与转矩的变化比较缓慢
11、，开关状态在一个周期内不 规则变化，而且受开关功率器件的限制，开关频率一般小于 15KHZ，实用范围小于 10KHZ，造成转矩脉动仍旧较大，开关频率的不确定，造成电磁噪音很大。25 微秒的运算 周期，即使采用目前最快的DSP也难以实现。 如果要达到同样的性能，采用VC 控制的话， 电流环的运算速度只要在125 微秒500 微秒之间，就可以达到更好的控制效果。这就是VC 被各在公司看好和采用的现实原因。 最近，由于FPGA 的价格降低，采用全硬件矢量控制变 频器成为现实，由于电流环的采样可以通过高速 V-F 来实现，整个电流环的速度小于 10 微 秒，整个系统的性能与算法与 CPU 速度的关系已
12、经很小了，此时 VC 的各项控制性能远优 于DTC。目前 IR已经推出了带PG 的各种电机专用芯片，性能达到目前业界最高水平。 五、矢量控制与直接转矩控制技术产品化的研究方向 矢量控制与直接转矩控制技术发展至今天，数字处理技术已经发展到很高的水平，但 是理论上仍旧没有突破。 尽管两者对于电机的控制效果具有异曲同工之效，但是在具体的性 能指标、 具体实现的难易程度等细节方面还是存在很大的差异。 由于以上原因，笔者认为从 产品化工作的考虑，今后技术研究工作可能主要集中在以下几个方面： a) 两者算法优点的整合，达到既快又准的目的； b) 调节器的优化设计，提高动态响应、减小超调； c) 控制环路的
13、优化，提高系统稳定性，降低技术实现的难度； d) 死区补偿的深化研究，减小电流失真度，抑制转矩脉动； e) 过调制的深化研究，减小电压失真度，抑制高频转矩脉动，提高高频带载能力； f) 速度辨识算法的研究。 速度辨识算法必须与控制环路的研究配套进行，而且必须与输 出电压获取方法（检测/指令）结合研究； g) 定、转子参数自适应，提高无PG 稳态精度和系统鲁棒性，有 PG 的动态响应； h) 专用 IC 研制。 参考文献： 1、陈伯时，“高性能的通用变频器”，第二届变频器行业企业家论坛论文集， P10P11，2003，中国，成都。 2、Mequon，“AC Drives：Year 2000(Y2K) and Beyond”，IEEE-APEC99MARCH 14- 18，1999。 简历：男（1969-），1991 年毕业于西安理工大学自动控制专业，1996 年获得电力电 子专业硕士学位。 主要从事变频器及其应用控制系统科研、 教学工作，期间获得多项国家及 省部级科技进步奖。1997年加盟艾默生网络能源有限公司，从事变频器产品开发工作。 4