1  交流电机控制的基本原理

    一个典型的单机交流传动系统包含一个供电电源、一个变频器、一个交流电机及其负载。变频器里含有一个整流器、一个DC中间回路和一个逆变器单元。

1)、一个DC中间回路

2)、一个逆变器单元

3)和电源

4)整流器将交流电压变换成直流电压。

    两电平电压源逆变器有6个将直流电压变换成交流电压的功率开关元件（每个输出相有2个）。此频率可变的交流电压馈送到交流电机上。从DC电压变换到AC电压是基于典型的脉宽调制法(PWM)，最终控制的变量是逆变器的输出频率和电压。无论怎样，尽管从过程控制的观点来看，逆变器输出的频率和电压并不等同于交流电机的转速和力矩的控制。但是，输出品质的高低通常还是由被控制的交流电机的力矩和速度所定义。

2  DTC的原理

    DTC是一个独特的控制交流电机的方法。DTC的首要目标是直接控制电机轴的力矩，而不仅是控制逆变器的输出频率。在DTC 中，电 机 的力矩是每25μs计算一次， 功率开关也 是按这种状态去控制，以得到预期的轴力矩。逆变器的输出频 率仅是按这个控制原理控制的输出结果。在PWM中，对于功率开关来说，传动输出的频率和电压是主要的参考信号，而不是电机轴上的预期力矩。

    在DTC中，力矩和磁通给定值在磁滞控制器里与实际值进行比较。它的比较运算结果输出到以ASIC硬件构成的开关逻辑环节。功率模块执行开关逻辑环节输出的开关命令(S1, S2, S3)。为了计算实际力矩和磁通值，在电机模型中使用了中间直流电压和两相电流测量值。

力矩是按定子磁通和定子电流的矢量积计算的：
    (1)
定子磁通是按定子电压矢量和定子电流矢量经积分计算的：
    (2)
    用测量到的直流回路电压和功率模块的开关命令去计算定子电压矢量。定子阻抗是在试车（辨识）阶段进行估算，并通过以后的热模型更新的。定子磁通的估算还涉及到功率开关的起始电压和换相延迟。低速时，定子磁通的估算是通过按定子电流反馈值估算的定子磁通来校正的（电流模型）。此时，磁通的估算是基于定子和转子电流反馈：

      (3)

    最重要的电机模型参数是在试车（辨识）期间估算出来的。在辨识期间，电机模型重要参数的估算包括磁感应饱和曲线状态的测量。

    力矩和磁通调节器是滞环调节器，实际值与给定值比较，滞环宽度定义了来自参考值的最大偏差。

    定子磁通和力矩是通过6个电压矢量和两个零矢量来控制的。定子磁通的幅值被控制为一个恒定值。

    主要的控制目标是力矩。如果需要更大的力矩，则通过开关逻辑在定子和转子磁通矢量之间选择一个增大角度的电压矢量。被选择的电压矢量在同一时刻有可能增加定子磁通的幅值，也可能减小其值。如果定子的磁通幅值与滞环调节器的环宽限制值相交，则满足力矩和磁通控制目标的电压矢量就被选择了。

    定子磁通的振幅保持恒量力矩滞环控制器如图4所示。实际力矩被控制在滞环宽度之内（△T1和△T2）。一旦实际力矩(Te)与任意一个环宽值相交，一个使力矩增加(t+)或使力矩减少(t0)的电压矢量就被选择上了。通常，力矩减少的时候，选择零矢量。低频情况下，选择零矢量不足以减少力矩。如果力矩超过了更高的滞环限制△T2，为了足够有效的减少力矩，一个电压矢量可以被选择。

    DTC控制的逆变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（如图2所示）提供了有效的工具来实现不同的功能。DTC的核心通常也会得到来自附加的控制器的参考值―其它的给定信号。

    在速度控制应用中，典型的力矩参考值―力矩给定信号直接来自速度控制器的输出。弱磁控制器使用了磁通参考信号，磁通优化和磁通制动功能。在过程控制中，电机模型对电机转速也给出了一个在大多数过程控制应用中有足够精确度的估算值。

    DTC控制和 PWM控制的基本差别是在DTC中由PWM调制过程所产生的延迟已经被排除了。正如通常人们所了解的在任何过程控制中，延迟是人们不希望有的，因为它减少了可利用的相角裕量，增加了控制系统的不稳定性。系统中额外的延迟经常引起整个系统调节器频繁的调整，导致整个控制系统性能下降。

3  应用中的DTC

    很显然，DTC只是一个工具，它适合传动设计人员在他所遇到的各种类型的工程应用当中的需要。这些需要包括力矩的线性控制，供电电压短期丢失时快速重合闸的处理，启动正在转动着的电机，不带编码器的电机的控制等等。有一些应用需要是保护系统，还有一些是过程控制特性所要求的。

(1)  躲避供电短时丢失

    逆变器供电中，常常会发生供电中断或电压闪落。如果没有快速应对措施，在供电丢失期间，中间直流回路电压会很快跌落到零。因为电网即刻停止了供电，为了保持运行过程不间断，可能的话，可以利用来自负载的惯性能量。否则，由于欠压状态，直流回路电容器所储存的能量很快消失，逆变器就停止运行了。

    快速的力矩响应能使传动系统以几个毫秒的时间从电动模式平滑的过渡到再生模式。在供电重新恢复的时候，电机里的动能快速的转换，使传动仍旧可以连续正常的运行。一个暂短的供电丢失之后，传动可以使电机的速度平滑的重新加速到供电丢失之前的速度上。

(2)  部分负载时的最小损失

    变频器通常是控制电机适应工艺过程的速度。泵和风机的负载曲线是平方类型的，即力矩与速度比的平方成比例。这就意味着应用过程中有10%的速度变化，力矩仅需1%的变化。

    在电机里，一部分电流建立了励磁，它与负载大小无关。这个励磁电流分量形成了交流电机损失的一部分。毫无疑问，在低频或小负载的情况下，通过高级逆变器控制策略合理调整电机的励磁水平，可以使总的电机损失降到最小。这个方法就是人们熟知的磁通优化功能。

(3)  旋转机械的飞升启动

    在典型的泵和风机应用中，即使传动停止运行，但液体或气体在管网中的轻微流动，也能造成泵或风机的转动。传动系统启动运行的时候，必须与已经运行了的电机同步。DTC提供了一个完美的控制完成这个飞升起动过程（亦称跟踪起动/捕捉起动）。正是由于DTC电机模型的帮助，电机模型能在100ms之内找到电机的电动状态。力矩的控制几乎立即开始生效。

    DTC的飞升启动（跟踪起动）不仅仅是泵和风机应用的需要。在生产线上，可能有多个传动点，通过不同的驱动装置来传动时，飞升启动功能也是需要的。因为可能有一个传动正在在线运行时，其它传动也需要投入到生产线上时，平滑的飞升启动（跟踪起动）功能就是必需的了。

(4)  主从应用

    输送机、提升机、水泥窑等机械设备里有一个典型的特性要求，就是按连接到同一个系统中的不同种类的电机进行负载分配。

    负载分配的一个类型就是配置出一个传动是速度控制模式，以得到工作负载下的系统速度。其他传动可以是力矩控制。控制速度的传动被称为主机，其它的被称为从机。主机的速度控制器的输出传送给从传动，从传动使用与主机相同的力矩给定值。在这一主从配置的类型中，主机决定了工艺过程速度，并且提供力矩给定信号。为了达到在传动之间合理进行负载分配的目的，力矩给定可以在各传动点之间有不同的分配比例。

    DTC可以很好的适应快速主从配置的需要。DTC的快速力矩响应与主传动和从传动之间快速通讯相结合，保证了主从配置实现在稳定的情况下使减弱稳定性的延迟最小。

(5)  卷取应用

    对于卷取机、接片机、印刷机应用来说，张力控制是典型的需要。为了在全部生产过程所需要的速度运行范围上实现张力控制，传动必须有精确跟踪由系统张力调节器给出的力矩给定值的能力。在张力控制应用中，一个传动可以用三个参数描述其电气特性：力矩线性度、力矩的重复精度、力矩的绝对精度。力矩的线性度意味着不管传动的速度和力矩状态如何（电动力矩或再生力矩），实际轴力矩必须和给定力矩保持一致。力矩可重复性意味着在每次重复使用同样的力矩给定参考值时，都能在电机轴上测量到相同的轴力矩实际值。力矩的绝对精度，表示了力矩给定值和被测得的轴力矩值之间的误差值。

    很明显，如果一个传动被设计成适合高水平的力矩控制的要求，它就适合在卷取机中应用。典型的DTC的力矩精度和线性度误差是1%，可重复性误差低于1%。

(6)  高硬度负载特性要求的应用

    确如某些加工过程，像金属轧制时，轧机的负载快速变化期间，传动系统轧制速度也应当维持不变。典型的标准规范是按百分比秒[%s]为单位计量其速度降落。这个百分比秒[%s]意味着电机轴上有了额定负载阶跃的时候，一个随时间变化的速度误差的积分值。在发生速降期间，为了得到很好的速度控制性能， 必须考虑速度控制器的调整。如果发生了负载的快速变化，速度控制器PI(D)将通过快速改变力矩参考值（力矩给定值）起调节作用。显而易见，数字化的速度控制器实现了最小的响应时间；第二个因素是速度控制器的调整。速度控制器应该调整的在系统整体稳定性没有损失的情况下对负载的变化跟随得越紧越好；第三个因素是传动的力矩响应时间。除非力矩控制器不能有效的响应速度控制器的输出，不会感到速度控制器的调整很困难。在DTC中，力矩控制器是能够快速的响应速度控制器的输出的。即使速度控制器的运行时间是1 ms，在下一个给定参考信号给出之前，大多数时间里也能满足力矩需求。

    对于高性能的传动系统来说，速降低于0.5 %s已经足够了，因为生产机械，像齿轮，离合器不能经常经受更快的负载的冲击。

(7)  高启动力矩的应用

    在某些应用中，需要高启动力矩（额定力矩的150 200%）。典型的是需要有一个让轴开始转动的启动力矩。例如挤压机应用，在原材料温度达到合适值之前设备必须能输出大起动力矩。还有提升机、橡胶搅拌机、水泥窑等都是加工过程中需要大启动力矩的。

     使用DTC的时候，获得高启动转矩，不需要编码器。例如挤压机应用，速度范围是1 002 000rpm。DTC可以在满足高速度静态精度的情况下（无编码器，速度精度达到电机额定转差的10%），提供高起动转矩。甚至于在技术要求最苛刻的挤压机生产线上也能满足要求。

(8)  机械震动

    在传动系统中，电机、变速箱、皮带、轴、离合器和工作机器综合成一个复杂的机械系统。由于减振不良，机械系统可能存在几个关键共振点，共振可能是由负载突变或是力矩波动引起的。DTC有效的排除了由力矩谐波造成的共振。因为调制过程仅基于电机的电磁状态。通常，力矩谐波低于额定力矩的1%。

    例如：产生机械共振的一个典型例子是：两质量集中系统。它是由电机转子、工作机械（例如转鼓）和带有共振和阻尼频率的轴组成的。在这一类系统中，电机转子的惯性矩随着负载惯性矩而振动。

例如，简化了的两质量集中系统可以用图13的数学模型来描述。

假定阻尼系数为零(C=0)，机械系统的传递函数是：
    (4)
机械系统的共振频率Ω1是：
    (5)
阻尼共振频率Ω2是：
    (6)
    在附加的阻尼系数C里，力矩控制器性能对闭环速度控制系统的稳定性有很大的影响。力矩控制器可以写成一阶动态传递函数，（动态时间常数te），延迟时间(T)：
    (7)
    假设速度控制器为标准的PI(D)控制器，那末按标准PI(D)控制法则，速度控制器的传递函数应该是：
    (8)
    一个无延迟的速度测量开环频率响应给出了两质量集中系统的速度控制的闭环稳定性的信息。速度给定参考值到电机速度的开环传递函数是：

(9)对于力矩控制器来说，假定有不同的延迟时间和时间常数。在某些情况下就能看出，当力矩控制器的延迟时间和时间常数减少时，共振频率的相位裕量显著增加。实践中，这意味着力矩控制器有更高的性能，速度控制过程有更好的稳定性。

    通过这个案例，从图13和14中可以看出，带有高性能控制器的传动的共振频率的相角裕量比典型的中等性能的传动更高。

    快速的力矩响应也有利于应用在那些有间隙的机械连接中，例如变速齿轮箱连接中。在机械齿轮箱中，齿轮互相自由啮合时，DTC能抵抗力矩的快速的变化。高性能的快速控制作用，可以增加机械部件的使用寿命。

    无论如何，总是还有一些机械系统，尽管带有标准频率变换器，但还是不易控制。在设计机械系统结构的时候，应选择部件的机械共振频率明显高于速度控制器的带宽频率，或它本身具有较高的阻尼频率。如果机械系统设计得很差，就需要使用更复杂的速度控制策略，增加使用状态观测器或滤波器以稳定系统。

4  结论

    DTC对于交流传动系统提供了高控制性能。高控制性能基于对电机和供电设备一体化的控制。控制系统的时间延迟应达到最小化。在许多情况下，无传感器的传动也是完全可以运行的。

    DTC能满足许多类型的应用。灵活的控制平台工具实现了许多不同类型的变换功能。

    DTC适合应用于对动态要求苛刻的场合，也适合于传统的应用场合，例如风机泵类应用中需要的流量优化，电网短时丢失不停机和飞升启动（跟踪起动）。

附录：
符号
  定子电流矢量  Stator current vector
   转子电流矢量  Rotor current vector
   力矩    Torque
   定子磁通矢量  Stator flux vector
 RS  定子阻抗   Stator resistance
   定子电压矢量  Stator voltage vector
Lm   磁感应系数 Magnetising inductance
LS   定子感应系数 Stator inductance
△T1 力矩滞环1  Torque hysteresis 1
△T2 力矩滞环2  Torque hysteresis 2
Te  估算的气隙力矩Estimated air-gap torque
Tm  电机力矩  Motor torque
TL  负载力矩  Load torque
Ui  逆变器电压矢量Inverter voltage vectors
Tref  力矩参考值 Torque reference
Tshaft  轴力矩  Shaft torque
ωm  电机角速度 Motor angular speed
ωL  负载角速度 Load angular speed
Jm  电机转子转动惯量 Moment of inertia of the
                                                         motor