矢量控制与直接转矩控制技术 点击：15334 | 回复：94
发表于：2003-10-08 01:07:00
楼主
矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。
发表于：2003-09-05 17:37:00
61楼
俺也说两句，
看了上面的讨论，给俺的感觉大家都没有从事过变频器的实际产品研究，对电机理论、矢量控制、直接转矩控制的理论理解都不是很深刻，直接转矩控制的出现是很偶然的，相信其提出者（日本与德国的两位学者几乎同时提出）也没有想到今天会有如此大的反响。事实上，当初直接转矩控制的提出只是针对机车牵引控制这一特定的需要转矩控制的需求而提出的，相对矢量控制而言，它的优势并没有大家想象的那么明显（看看当初提出者的原始文献即知，内有结果比较）。目前无论是学术界还是使用者（尤其在国内）都存在一定的误区，特别是学术界，所发表文献中两者的比较结果基本上都不是在同一平台上的结果，因为直接转矩控制对硬件的要求非常之高，其转矩控制周期在25us之内方能达到理想效果，而目前矢量控制的电流控制周期大都在250us ~ 500us之间，两者对控制系统的速度要求差别甚大，如果在不对等的硬件平台上去比较两者的控制效果是没有任何意义的。
论及为何目前大部分厂家不投入直接转矩控制而只投入矢量控制，从国外情况看，是因为各生产厂家没有我们这么糊涂，他们很清醒地知道两者的区别所在，以直接转矩控制所要求的高硬件基础来做矢量控制，未必性能会差到哪里去，其增加的硬成本相对于其能得到的性能提高没有多大的商业价值，而事实上直接转矩控制所称的相对矢量控制的其它优势并没有严格的理论支持，多少受到学术界的误导，限于篇幅，这里不便一一展开说明。
需要补充说明的是：矢量控制这一概念，在我们国家使用较多，而国际上更为通用的提法应该是磁场定向控制（当然也有矢量控制的提法，较少），磁场定向控制又可分为：定子磁场定向控制、转子磁场定向控制和气歇磁场定向控制。大家一般所指的矢量控制似乎都局限于转子磁场定向控制的概念上，直接转矩控制只是定子磁场定向控制的一种，并没有脱离这一概念，只不过在控制中把转矩的计算放在反馈通道，因此控制目标是转矩，而传统矢量控制的转矩计算在前向通道，因此控制的目标是电流，两者并没有本质的区别。
艾默生（原华为）在开发TD3000之前，其立项为直接转矩控制产品，样机开发完毕后，发现实际状况与原来料想相差甚远，才转而开发TD3000矢量控制产品，由此可见一斑。
需要澄清的是：直接转矩控制除了对硬件要求过高之外，其开发难度并不比矢量控制困难多少，除非对其有超过常理的期望。
发表于：2003-10-08 01:07:00
77楼
矢量控制方式通用变频器均有U/f控制模式，因此，矢量控制方式通用变频器必有一项控制模式设定项，设定矢量控制模式还是U/f控制模式，如果某种变频器没有控制模式设定项，则可断定它不是矢量控制方式通用变频器。另外，也可从频率设定项判断，矢量控制方式通用变频器的下限频率一般是从0.0Hz或0.1Hz开始的（但也有极个别例外，是从0.5Hz开始的），U/f控制方式通用变频器多是从0.5Hz开始，且只有大于0.5Hz的，没有小于0.5Hz的。再就是带负载起动时，在低频段1Hz附近很容易辨别，矢量控制方式通用变频器起动很平稳，没有抖动和异常声音，而对于U/f控制方式通用变频器没有这种感觉。另一个就是看厂商的产品操作手册或说明书，矢量控制方式通用变频器均有关于矢量控制的说明，若没有，也可断定它不是矢量控制方式通用变频器。
发表于：2004-10-01 10:47:00
78楼
各位：
此贴从去年10月后就没人再理会过，我真担心自己的问题没人答复。我可真磁上了定子磁场定向这样的问题。
我使用的A-B 1336 IMPACT 变频器在说明书上说采用“磁场定向控制”（field oriented control),但在控制框图上又分解成Id、Iq两个分量，又说IMPACT 采用的是FORCE 技术，前面又有朋友说FORCE采用的是直接转矩控制，把我都搞晕了。但从框图上看，1336 IMPACT 采用的是矢量控制。
我的问题其实并不在于它采用什么控制方式，对于用户来说，如果设备能好好运行，根本不在乎它的控制原理。问题在于，我厂采用了两台变频器分别驱动两台通过刚性连轴连接的电动机，采用主---从控制方式，从机跟随主机的转矩。主变频器有速度传感器反馈，从机没有速度传感器反馈。自运行以来，从机无法平稳跟随主机，传动齿轮互相撞击，发出巨大的响声，无论如何调试也解决不了问题。
我的问题是：
1、A-B 1336 IMPACT 是采用定子磁场定向控制还是采用直接转矩控制？
2、定子磁场定向控制的转矩控制公式与电动机的各个参数有什么关系统，有无速度传感器对转矩控制有多大的影响？
3、是否从机加上速度传感器就能解决同步问题？
感谢各位，如能点拨一二，不胜感激！
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