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DTC控制简介
一、 DTC的发展
1. 直流电机

图1直流电机控制环
特点：
• 磁场方向通过机械换向器来转换
• 控制的变量为电枢电流以及励磁电流，速度反馈直接从电机测量
• 直接控制转矩
在直流电机中，磁场由流经定子上励磁绕组的电流产生。该磁场与电枢绕组产生的磁场总是成直角。这种情况称为磁场定向，是产生最大转矩的条件。无论转子处在什么位置，电刷都会保证这种磁场稳定在这种状态。
一旦磁场定向完成，直流电机的转矩就能很容易通过改变电枢电流和保持磁化电流恒定来实现。
直流传动的优势在于，速度和转矩这两个对用户来说最主要的因素，可以直接通过电枢电流来控制：转矩控制为内环，速度控制为外环（见图1）。
优点
• 精确快速的转矩控制
• 高速的速度动态响应
• 控制简单
最初，直流传动用于调速传动，是因为它可以很轻易的实现良好的转矩和高精度的速度响应。
直流电机可以产生转矩并具有如下特性:
• 直接--电机的转矩与电枢电流成正比，因此可以直接精确的控制转矩。
• 快速--转矩控制十分迅速；传动系统可以得到很高的速度动态响应。如果电机由理想的电流源反馈转矩可以立即改变，电压反馈的传动同样可以实现快速响应，因为它只和转子电气时间常数有关（例如电枢回路中总的电感与电抗）。
• 简单--磁场方向通过换向器/电刷这一简单的机械结构来实现，所以不需要使用复杂的电子控制电路，从而节约了控制电机的成本。
2. V/F控制

图2使用PWM频率控制的交流传动控制环
特点
• 控制变量为电压和频率
• 通过调速器来模拟交流正弦波
• 磁通维持恒压频比
• 开环控制
• 负载决定转矩水平
与直流传动不同，交流传动频率控制技术使用的是电机的外部参数—即电压和频率—作为控制电机的变量。
电压和频率给定发送至调制器，为定子磁通提供近似的交流正弦波。这种技术被称为脉宽调制(PWM)，是利用二极管整流桥为直流母线提供直流电压使之保持恒定的。逆变器通过脉宽调制脉冲序列改变电压和频率，由此来控制电机。
需要注意的是，这种方式不使用反馈设备测量电机转速和电机轴位置将其反馈到控制环。
这种没有反馈设备的控制方式，称为 “开环控制”。
优点
• 低成本
• 不需要使用速度反馈装置 – 简单
由于没有反馈设备，该控制方式为交流感应电机提供了一种简单且低成本的解决方案。
这种类型的传动适用于对精度要求不高的场合，例如泵类和风机。
缺点
• 未使用磁场定向
• 忽略电机状态
• 转矩不可控
• 使用了延时调制器
这种技术，有时也称标量控制，没有使用电机的磁场定向。而是使用了频率和电压作为控制的主要变量提供给电机的定子绕组。忽略转子的状态意味着没有速度或位置信号的反馈。
因此转矩的精度是完全不可控的。此外，该技术使用的调制器从根本上减慢了输入的电压和频率信号与电机的实际要求之间的通讯。
3. 矢量控制

图3使用PWM矢量控制的交流传动控制环
特点
• 磁场-定向控制-模仿直流传动
• 电机的电气特性是模拟的--“电机模型”
• 闭环控制传动
• 间接的转矩控制
为了模拟直流电机的磁场工作情况，即磁场定向过程，磁通矢量传动需要知道交流异步电机内部转子磁通的空间角位置。
对于PWM的矢量控制传动，通过电气方式获得磁场定向而不是直流电机式的通过机械换向器/电刷设备。
首先，转子的速度以及相对于定子磁场的角位置等信息通过脉冲编码器被反馈回来。使用编码器的传动称为闭环传动。
另外电机的电气特性被数学模型化，使用微处理器来处理数据。
磁通矢量控制的电子控制器为电压、电流和频率等控制变量建立电气量，并通过调制器将它们给定到交流异步电机。因此转矩被间接控制。
优点
• 良好的转矩响应
• 精确的速度控制
• 可以达到零速满转矩
• 性能接近直流传动
磁通矢量控制可以达到零速满转矩，性能十分接近于直流传动。

缺点
• 需要反馈
• 价格高
• 需要调制器
为了达到快速的转矩响应和较高的速度精度，反馈装置是必需的。这使得成本上升并且增加了传统交流异步电机的复杂性。
同样，调制器的使用降低了输入的电压和频率信号与电机的实际要求之间的通讯速度。
4. 直接转矩控制

图 3 使用DTC的交流传动的闭环控制
控制变量
ABB所开发的具有革命性的DTC技术，在没有反馈的情况下使用先进的电机原理不使用调制器直接计算电机转矩从而完成磁场定向。控制变量为电机磁通和电机转矩。
DTC控制不需要调制器也不需要转速计或编码器等设备来反馈电机转速或电机轴的位置。
DTC使用最快、的数字信号处理硬件，并用更先进的数学模型来描述电机如何工作。
这就使得传动的转矩响应比其他任何直流传动快10倍。 DTC传动的动态速度精度比开环交流传动高8倍，与使用交流或反馈的直流传动精度相当。
DTC技术带来了第一种兼具交流和直流传动优点的“通用”传动。
优点
• 转矩响应：当投入一个100%转矩阶跃给定后,传动的输出达到给定值所需要的时间。使用DTC控制，在40HZ以下典型的转矩响应时间在1到2ms，而带编码器的矢量控制和直流传动响应时间在10-20ms之间。开环的PWM传动响应时间超过100ms。事实上，DTC的转矩响应速度已经达到了自然极限，由于电压和电流的限制，响应时间不可能做到更短。即使使用更先进的“无传感器矢量”传动，转矩响应时间也在数百毫秒。
• 低频下的精确转矩控制，如在没有编码器或测速机等速度反馈的情况下实现零速满转矩。DTC控制可以在频率低于0.5Hz的情况下提供100%的转矩。
• 转矩的重复精度：在相同的转矩给定命令下，传动所重复输出转矩的精度。使用DTC控制，在没有编码器的情况下，可以达到1%到2%额定值的转矩额定精度。相当于交流开环控制的一半，与闭环控制的交/直流传动相当。
•电机的静态速度精度：在恒定负载下速度给定值与实际速度的偏差。对于DTC控制，速度精度为电机滑差的10%，对于11kW的电机，为0.3%的静态速度精度。对于110kW的电机，不带编码器的速度精度为0.1%。可以满足95%工业场合对传动的精度要求。但是，如果要达到直流传动的精度，需要加装编码器。
与之相反的是,使用频率控制的PWM传动的静态速度精度在1%到3%之间，所以在标准传动上使用DTC技术能为客户应用带来很大的性能改进。DTC控制的传动如果使用1024p/r的编码器，速度精度可以达到0.01%。
• 动态速度精度：当给定一个额定的转矩时速度偏差的时间积分。DTC的开环动态速度精度在0.3%s到0.4%s之间。这取决于工艺要求的控制器的增益调节。其它开环控制的交流传动，动态精度要低8倍，在3%s左右。如果我们为DTC控制器加装编码器，动态精度可以达到0.1%s，与伺服电机的性能相当。
二、 控制原理

图5 DTC包括两个重要部分，速度控制和转矩控制
在框图中可以看到DTC有两个基本部分：转矩控制环和速度控制环。现在我们按顺序解读各个功能块是如何联系的。让我们从DTC的转矩控制环开始。
转矩控制环

第一步 电压电流检测
在正常运行时，电机两相的电流和直流母线电压以及逆变器的开关状态可以简单的被测量。
第二步 自适应电机模型
从电机检测到的信息流入自适应电机模型。
精准的电机模型可以计算出精确的电机数据，在DTC传动运行之前，电机模型在电机辨识的过程中收集数据，这个过程被称为自动辨识，电机的定子电阻、电感系数和磁饱和系数与电机的惯量有关。电机模型参数的辨识可以在电机轴不旋转的情况下进行。这使得电机在锁死状态下也可以使用DTC技术。在辨识过程中电机轴转动若干秒，会获得更完美的电机模型参数。
如果对静态速度精度的要求和大多数工业应用场合相同，为大于0.5%,就不需要使用测速计或编码器来反馈电机轴的速度或位置。
这是一个超越了所有其它交流传动技术的重大进步。电机模型是 DTC技术无与伦比低速性能的关键。
电机模型输出的控制信号直接描述了电机的转矩和磁通状态，轴的速度也是由电机模型计算出的。
第三步 转矩比较器和磁通比较器
控制功率器件开关的信号由转矩、磁通比较器产生。实际转矩和实际磁通进入比较器每25微秒与给定值进行一次比较。转矩和磁通状态信号采用两水平置换控制方式计算得出。这些信号被输送到最优脉冲选择器。
第四步 最优脉冲选择器
最优脉冲选择器的内部使用的是最先进的40 MHz数字信号处理器（DSP）与专用集成电路硬件一起来确定逆变器的开关逻辑。此外，所有控制信号通过高速光纤来传输。这种结构极大地提高了处理速度，每25微秒逆变器的半导体开关装置收到一个脉冲来控制功率器件的通断或保持，以保证电机转矩的精确。每个控制周期都确定正确的开关组合。没有预定的开关模式。DTC被控制在“恰当的时间”开关，和传统的PWM传动有30%不必要的开关转换不同的是，DTC的每一次开关都是必要的。这种高速的开关是DTC成功的基础。主要的电机控制参数每秒更新40,000次。这使得电机轴可以快速响应，所以要求电机模型可以随时更新这些数据。正是这种处理速度，带来了包括在无编码器时±0.5%的静态速度控制精度以及低于2ms的转矩响应的高性能。
速度控制

第五步 转矩给定控制器
在转矩给定控制器的内部，速度控制输出被转矩限幅和直流母线电压所限制。它还包括当使用一个外部转矩信号时速度控制的情况。从这个功能块输出的内部转矩给定进入到转矩比较器。
第六步 速度控制器
速度控制块由PID调节器和加速度补偿器两部分组成。外部速度给定信号与在电机模型中产生的实际速度进行比较。偏差信号进入 PID调节器和加速度补偿器，控制块的输出为二者输出值之和。
第七步 磁通给定控制器
定子磁通的绝对值从磁通给定控制器发送到磁通比较功能块。控制和修改该绝对值为实现逆变器的很多功能提供了便捷的手段，比如磁通加速和磁通制动。
三、特性
ü 这些优势在实际应用中的好处是什么？
• 快速的转矩响应:-可以大大减小速度在负载瞬变时的跌落时间，可以大幅改善过程控制以及带来更一致的产品质量。
• 低频下的转矩控制：-这特别适用于提升机和升降机这类负载要平稳起停没有震动的场合。另外在卷取机应用中，可以完成零速到最大速度的张力控制。与PWM磁通矢量控制传动相比，DTC由于不需要测速设备而使得成本能够降低。
• 转矩的线性度：-应用在卷取机上这点尤为重要，在造纸行业中，卷取的准确性和连贯性十分重要。
• 动态速度精度：-在负载突变的情况下，电机可以快速的回复到稳定状态。
ü DTC和传统的PWM方式有什么区别？
• 频率控制的PWM和矢量控制PWM
传统的PWM传动把输出电压和输出频率作为主要控制变量，但二者都需要在提供给电机之前进行脉宽调制。
由于信号处理过程中调制环节的加入，限制了PWM传动的转矩和速度的响应速度。
通常情况下，PWM调制器响应实际变化所需的时间比DTC长10倍。
• DTC控制
DTC把电机转矩和定子磁通作为主要控制变量，二者都从电机本身直接获得。 在 DTC传动中不需要单独使用PWM调制器控制电压和频率。DTC传动的另外一个优势是在95%的应用场合，可以不使用反馈设备。
ü 为什么DTC控制不需要测速计和位置编码器来随时向它反馈电机轴的实时位置？
主要有四点原因：
• 精确的电机模型
• 控制变量从电机直接获得
• DSP和优化脉冲选择器的硬件速度快
• 不需要调制器
ü DTC如何完成对传统技术的重大改进？
最大的改进是DTC运行的绝对速度。上面提到过，这是所能达到的最快的转矩响应。
为了实现快速的转矩环，ABB使用了最先进的高速信号处理技术，每年投入上百人来开发先进的电机模型，精确的在控制器内模拟实际电机参数。
ü 上面说使用DTC技术的传动可以减少故障跳闸次数，这是如何实现的？
很多厂商花费大量时间来试图解决加减速时的跳闸问题，但发现这十分困难。 DTC减少跳闸次数是通过控制电机的实际转矩来实现的。
ü 如果传动靠计算而不是测量控制参数，是不可能达到好的速度和精度的。如果不着眼于电机轴，就不能了解电机的全部情况。对于DTC来说是这样么？
DTC可以了解电机的全部情况。上面提到过，得益于精确的电机模型和每秒40000次的处理能力，DTC传动确切的知道电机轴的当前状态。
传统的交流传动中，多达30%的功率器件的通断都是多余的（不是必要的），而使用DTC技术的传动与此不同，它精确地知道电机轴的状态，所以不会让功率器件有多余的通断。
DTC传动可以应用到95%的工业生产领域。此外，当应用于要求极高速度精度的控制场合，可以加入速度反馈设备来实现闭环控制。这里所使用的速度反馈设备，可以比传统闭环控制传动所需要的传感器更简单。
ü 即使使用最快的半导体死区时间也是不可避免的，那么，DTC传动自动调谐的准确性如何？
自动调谐会在DTC传动初次辨识的时候被使用。在计算实际磁通时，这个死区时间会被测量并被电机模型记住。如果和PWM传动来比较，PWM的问题是在20-30 Hz时会引起转矩波动。
ü DTC传动在轻载低速下运行时的稳定性如何？
低至零速的稳定性都很好，而且为保持转矩和速度精度都可以在速度很低的轻载的情况下。我们对精度的定义如下：
转矩精度：在2-100%的速度范围内，10-100%的负载下, 转矩精度为2%。
速度精度：在2-100%的速度范围内，10-100%的负载下,速度精度为10%的电机滑差。37kW电机的滑差约为2%，即速度精度为0.2%。

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