1.前言

通過電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩與被傳動(dòng)負(fù)載需求的匹配，變速傳動(dòng)（VSD）已經(jīng)為電機(jī)提供了前所未有的性能，節(jié)約了大量的能源。市場上的多數(shù)VSD都依賴調(diào)制級(jí)。它能夠調(diào)節(jié)對(duì)電機(jī)的電壓和頻率輸入，但會(huì)在工藝控制信號(hào)中造成先天性的延時(shí)。與之相反，優(yōu)秀的ABB傳動(dòng)采用創(chuàng)新性的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），極大的增強(qiáng)了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。DTC技術(shù)提供的其它好處還包括上至系統(tǒng)級(jí)的功能。

ABB提供的高性能交流傳動(dòng)提供了一種被稱為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的技術(shù)。顧名思義，這種方法直接控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，而不是像交流矢量傳動(dòng)和直流傳動(dòng)一樣嘗試間接控制電機(jī)電流。這意味著，與被傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載需求的匹配精度更高。DTC源自ABB的一家創(chuàng)辦公司，于20世紀(jì)80年代中期獲得專利。它免除了額外調(diào)制級(jí)的需求，因此能實(shí)現(xiàn)接近理論最大值的控制動(dòng)力。

在ABB于1995年向市場推出它的首臺(tái)直接轉(zhuǎn)矩控制交流傳動(dòng)時(shí)，DTC就已經(jīng)成為了領(lǐng)先的技術(shù)。之后處理器計(jì)算能力、應(yīng)用編程和通信接口方面的改進(jìn)使DTC性能持續(xù)提升，為多種應(yīng)用提供了高質(zhì)量的電機(jī)控制。

圖1

2.為何選擇DTC？

除優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)外，DTC提供的其它客戶利益還包括：

§在95%的應(yīng)用中不需要電機(jī)速度或位置反饋。因此，可避免安裝昂貴的編碼器或其它反饋設(shè)備。

§DTC控制可用于不同類型的電機(jī)，包括永磁電機(jī)和新的同步磁阻電機(jī)。

§通過精確的力矩和速度控制下降到低速，以及通過全啟動(dòng)力矩下降到零速。

§優(yōu)秀的力矩線性度。

§高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速度精度。

§無預(yù)設(shè)開關(guān)頻率。為每個(gè)控制循環(huán)確定最佳的晶體管開關(guān)方案，使傳動(dòng)與被傳動(dòng)負(fù)載需求的匹配更容易。

3.超越感應(yīng)電機(jī)

因?yàn)榻涣鞲袘?yīng)電機(jī)在龐大的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的普及，DTC最初是為交流感應(yīng)電機(jī)而開發(fā)?？芍甘靖袘?yīng)電機(jī)的DTC性能的是接近電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)限值的力矩響應(yīng)時(shí)間（達(dá)到100%的力矩給定步長）。在傳動(dòng)的整個(gè)速度范圍內(nèi)，相同給定命令下的力矩重復(fù)性的不確定性一般低至1%。

對(duì)較高功率密度的追求，以及不斷進(jìn)化的國際效率規(guī)程，已經(jīng)重新引燃了對(duì)其它電機(jī)拓?fù)涞呐d趣。好消息是，已經(jīng)對(duì)DTC進(jìn)行擴(kuò)展以與永磁（PM）同步電機(jī)和新的同步磁阻（SynRM）電機(jī)協(xié)作。DTC的主要區(qū)別出現(xiàn)在ABB傳動(dòng)所控制的電機(jī)啟動(dòng)中。與感應(yīng)電機(jī)相比，因?yàn)镻M同步電機(jī)和SynRM電機(jī)中沒有轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)差速度，效率增益在更廣的力矩-速度范圍內(nèi)得到擴(kuò)展。

這些電機(jī)的高力矩/尺寸比率允許更簡單的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。比如，直接傳動(dòng)低速PM電機(jī)可避免使用包裝機(jī)齒輪。PM同步電機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是它依賴所謂的稀土磁體來實(shí)現(xiàn)最佳性能。這就是SynRM被用作備選方案的原因-它們不使用永磁體。

4.性能檢驗(yàn)

在2012年年中，ABB開展了一系列的測(cè)量來保證DTC技術(shù)得到持續(xù)改進(jìn)，以保持交流傳動(dòng)的峰值性能。以下是一些顯著的成果。

力矩穩(wěn)定性接近零速

在無傳感器（開路）運(yùn)行模式下比較ABB的ACS800傳動(dòng)和新的ACS880工業(yè)傳動(dòng)的力矩控制精度。每臺(tái)傳動(dòng)以額定力矩給定運(yùn)轉(zhuǎn)一臺(tái)15kW的四極感應(yīng)電機(jī)，并控制負(fù)載機(jī)器在接近零速時(shí)做低速反轉(zhuǎn)。

圖2

在接近零速的范圍內(nèi)，兩臺(tái)傳動(dòng)都在長時(shí)間運(yùn)行中表現(xiàn)出了突出的無傳感器控制能力，但新的ACS880與力矩給定的偏差更小，因此能夠提供更好的電機(jī)控制性能。

爬坡中的力矩精度

使用一臺(tái)四極感應(yīng)電機(jī)和一臺(tái)15kW大小的同步磁阻電機(jī)來比較ACS880傳動(dòng)的無傳感器力矩控制精度（在50%的額定速度下）。對(duì)兩種電機(jī)類型，DTC都把力矩誤差保持在了小百分比的額定力矩上。

圖3

同步磁阻電機(jī)的最大力矩誤差略低于感應(yīng)電機(jī)。

伺服級(jí)的動(dòng)態(tài)性能

在±6,000rpm之間的速度反轉(zhuǎn)中和短于25毫秒（ms）的時(shí)間內(nèi)，對(duì)1.5Nm、6,000rpm的PM同步電機(jī)的速度和角位進(jìn)行測(cè)量。這與電機(jī)24ms的機(jī)械時(shí)間常量和理論限值非常接近。

圖4

雖然ACS880不是伺服傳動(dòng)，DTC能同時(shí)在閉環(huán)和無傳感器控制模式下執(zhí)行快速、準(zhǔn)確的電機(jī)加速。對(duì)比所測(cè)得的加速時(shí)間和電機(jī)機(jī)械時(shí)間，為極快加速中的力矩精度提供了一種測(cè)量方式。

5.DTC的今天和明天

隨著DTC的更新，它能夠提供的性能已經(jīng)超越了作為其發(fā)明目標(biāo)的高需求、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用。軟件的改進(jìn)和高功率微處理器的共性使DTC傳動(dòng)得到更廣泛的實(shí)施具有了經(jīng)濟(jì)上的合理性。使用優(yōu)越的速度和力矩控制動(dòng)力來快速應(yīng)對(duì)壓力、張力或位置等工藝變量變化的能力，使DTC對(duì)更多行業(yè)來說具有了吸引力。

此外，交流傳動(dòng)為大量的變速泵/風(fēng)機(jī)應(yīng)用提供了驚人的節(jié)能潛力。因?yàn)楸盟倥c功率存在立方關(guān)系，如果一道工序允許泵以50%的速度運(yùn)行，則可使用僅1/8的全功率。

在近30年的使用期限內(nèi)，直接力矩控制得到了持續(xù)的硬件和軟件開發(fā)。以堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和DSP技術(shù)為基石，DTC已經(jīng)克服了早期處理器的限制。當(dāng)前，強(qiáng)大的處理器能夠快速的執(zhí)行復(fù)雜的控制算法、更新電機(jī)模型參數(shù)和開關(guān)傳動(dòng)的晶體管以獲得最佳性能。

ABB受人尊敬的傳動(dòng)工程傳統(tǒng)和海量的資源已經(jīng)被投入到直接力矩控制的開發(fā)中。DTC保持了技術(shù)的活力。通過整合智能用戶接口、傳動(dòng)診斷特性和系統(tǒng)級(jí)軟件，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)超越“力矩控制”的品牌。

面向未來，ABB將遵循其在持久的DTC技術(shù)中的相同足跡。ABB傳動(dòng)的客戶可以確信，他們當(dāng)前因投入直接力矩控制獲得的利益將長久的持續(xù)下去。