1.前言

通過電機速度和轉(zhuǎn)矩與被傳動負載需求的匹配，變速傳動（VSD）已經(jīng)為電機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。它能夠調(diào)節(jié)對電機的電壓和頻率輸入，但會在工藝控制信號中造成先天性的延時。與之相反，優(yōu)秀的ABB傳動采用創(chuàng)新性的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），極大的增強了電機的轉(zhuǎn)矩響應。DTC技術(shù)提供的其它好處還包括上至系統(tǒng)級的功能。

ABB提供的高性能交流傳動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的磁通和轉(zhuǎn)矩，而不是像交流矢量傳動和直流傳動一樣嘗試間接控制電機電流。這意味著，與被傳動系統(tǒng)的負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80年代中期獲得專利。它免除了額外調(diào)制級的需求，因此能實現(xiàn)接近理論最大值的控制動力。

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

圖1

2.為何選擇DTC？

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

§在95%的應用中不需要電機速度或位置反饋。因此，可避免安裝昂貴的編碼器或其它反饋設備。

§DTC控制可用于不同類型的電機，包括永磁電機和新的同步磁阻電機。

§通過精確的力矩和速度控制下降到低速，以及通過全啟動力矩下降到零速。

§優(yōu)秀的力矩線性度。

§高的靜態(tài)和動態(tài)速度精度。

§無預設開關(guān)頻率。為每個控制循環(huán)確定最佳的晶體管開關(guān)方案，使傳動與被傳動負載需求的匹配更容易。

3.超越感應電機

因為交流感應電機在龐大的工業(yè)和商業(yè)應用中的普及，DTC最初是為交流感應電機而開發(fā)?？芍甘靖袘姍C的DTC性能的是接近電機的電氣時間常數(shù)限值的力矩響應時間（達到100%的力矩給定步長）。在傳動的整個速度范圍內(nèi)，相同給定命令下的力矩重復性的不確定性一般低至1%。

對較高功率密度的追求，以及不斷進化的國際效率規(guī)程，已經(jīng)重新引燃了對其它電機拓撲的興趣。好消息是，已經(jīng)對DTC進行擴展以與永磁（PM）同步電機和新的同步磁阻（SynRM）電機協(xié)作。DTC的主要區(qū)別出現(xiàn)在ABB傳動所控制的電機啟動中。與感應電機相比，因為PM同步電機和SynRM電機中沒有轉(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)得到擴展。

這些電機的高力矩/尺寸比率允許更簡單的傳動系統(tǒng)設計。比如，直接傳動低速PM電機可避免使用包裝機齒輪。PM同步電機的一個缺點是它依賴所謂的稀土磁體來實現(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

在2012年年中，ABB開展了一系列的測量來保證DTC技術(shù)得到持續(xù)改進，以保持交流傳動的峰值性能。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）運行模式下比較ABB的ACS800傳動和新的ACS880工業(yè)傳動的力矩控制精度。每臺傳動以額定力矩給定運轉(zhuǎn)一臺15kW的四極感應電機，并控制負載機器在接近零速時做低速反轉(zhuǎn)。

圖2

在接近零速的范圍內(nèi)，兩臺傳動都在長時間運行中表現(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控制性能。

爬坡中的力矩精度

使用一臺四極感應電機和一臺15kW大小的同步磁阻電機來比較ACS880傳動的無傳感器力矩控制精度（在50%的額定速度下）。對兩種電機類型，DTC都把力矩誤差保持在了小百分比的額定力矩上。

圖3

同步磁阻電機的最大力矩誤差略低于感應電機。

伺服級的動態(tài)性能

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

圖4

雖然ACS880不是伺服傳動，DTC能同時在閉環(huán)和無傳感器控制模式下執(zhí)行快速、準確的電機加速。對比所測得的加速時間和電機機械時間，為極快加速中的力矩精度提供了一種測量方式。

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)明目標的高需求、高動態(tài)應用。軟件的改進和高功率微處理器的共性使DTC傳動得到更廣泛的實施具有了經(jīng)濟上的合理性。使用優(yōu)越的速度和力矩控制動力來快速應對壓力、張力或位置等工藝變量變化的能力，使DTC對更多行業(yè)來說具有了吸引力。

此外，交流傳動為大量的變速泵/風機應用提供了驚人的節(jié)能潛力。因為泵速與功率存在立方關(guān)系，如果一道工序允許泵以50%的速度運行，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)。以堅實的理論基礎(chǔ)和DSP技術(shù)為基石，DTC已經(jīng)克服了早期處理器的限制。當前，強大的處理器能夠快速的執(zhí)行復雜的控制算法、更新電機模型參數(shù)和開關(guān)傳動的晶體管以獲得最佳性能。

ABB受人尊敬的傳動工程傳統(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、傳動診斷特性和系統(tǒng)級軟件，它已經(jīng)發(fā)展成為一個超越“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傳動的客戶可以確信，他們當前因投入直接力矩控制獲得的利益將長久的持續(xù)下去。