矢量控制与直接转矩控制之我见
My Opinion on Vector Control and Direct Torque Control
艾默生网络能源有限公司变频器开发部 刘宏鑫
MDI R&D Department of Emerson Network Power Co.，LTD Liu Hong Xin 摘要：本文阐述采用矢量控制与直接转矩控制技术的变频器性能的优劣，提出了两种技术的发展方向。

关键词：矢量控制 直接转矩控制 变频器
Abstract: The merits and demerits of inverter using VC and DTC are discussed in detail. The trend of VC and DTC is presented in this paper.
Keywords:Vector Control Direct Torque Control Inverter
一、矢量控制与直接转矩控制技术发展
自从70年代初期西德Blaschke等人首先提出矢量控制（Vector Control，简称VC）理论，到80年代中期德国人M.depenbrock等人首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control，简称DTC）以来，全世界各地的高校、科研机构、各大变频器公司投入巨大资金和精力来研究，高性能交流变频调速技术如雨后春笋般的涌现出来。

由于矢量控制与直接转矩控制技术均是基于异步电机的动态模型，而且均采用外环为速度环，内环为转矩和磁链控制，从而实现转速和磁链的近似解耦，获得了较好的动态性能[1]。

矢量控制的研究重点在于矢量控制环路的结构、无速度传感器速度辨识和电机参数的离线和在线辨识。

DTC的重点在于无速度传感器速度辨识、磁链和转矩自控制、脉冲优化选择器等方面。

两者的目的在于提高系统转矩控制动态响应、稳态速度精度（速度辨识的精度、转矩脉动大小、冷态热态情况下的自适应能力）、系统的鲁棒性。

由于两者算法对于数字化要求非常高、对运算的速度要求也非常高，因此受CPU速度的限制，真正高性能全数字化的无PG变频器在90年代中后期才陆续出现的。

表1是1999年8家公司商用化无速度传感器的性能比较[2]。

近几年来，变频器的控制水平又有很大提高，如日立SJ300具有电压检测电路，可以达到1∶500以上的调速范围，而且零速可以达到150%的转矩，富士VG7由于具有电压检测电路，开环辨识精度较高，号称达到开环伺服水平。

由于欧洲变频器研发工作着重于V/F 控制或者闭环矢量控制模式，欧洲开环矢量控制变频器的技术水平与日本的差距较多。

由于欧洲的制造业非常发达，推动了伺服控制技术的发展，相比日本有一定的优势。

二、通用变频器控制技术的现状
目前，在我国通用变频器的80%左右的市场仍旧被V/F或者E/F变频器所占有。

采用矢量控制或者DTC的高档变频器由于价格的差异只占有20%左右的市场。

在高档变频器领域，只有ABB推出ACS600/ACS800变频器采用DTC技术，其他各大公司均采用VC技术，最近ABB推出的ACS550也为矢量控制。

VC技术成为业界主流。

具体原因将在下文阐述。

目前按照开环运行的性能划分，排序大概为日立、安川、富士、ENP、CT、西门子、三菱、AB、ABB等，按照闭环性能，目前排序大概为安川、KEB、ENPC、CT、LENZE、三菱、西门子、ABB。

另外，随着微机控制芯片价格的下降，逐步出现了以CTUNIDRIVE-SP为代表的统一变频器，即将V/F控制、开环矢量控制、闭环矢量控制、通用伺服及永磁同步电机控制技术于一体的超级变频器，给用户的使用带来很大的方便。

三、矢量控制与直接转矩控制产品性能对比
从表2可以看出，DTC除动态响应外，其他方面均不比VC好。

由于用户最关心的是电机速度的精度和转矩的脉动，而VC的动态响应又满足了市场的绝大多数场合，这也是国外变频器厂家普遍采用矢量控制的根本原因。

四、矢量控制与直接转矩控制产品技术实现的对比
开环DTC控制的基本实现框图如图1所示，开环VC控制的基本实现框图如图2所示。

图1开环DTC的控制的基本实现框图
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图2开环VC控制的基本实现框图
从两者的对比可以看出，DTC需要完成速度调节器、速度估计、定子磁链计算、电机转矩估计、定子磁链与转矩的比较及PWM脉冲优化选择等；VC需要完成速度调节器、速度估计、转差计算、同步角速度的积分、电流与电压旋转变换、D、Q轴的电流调节运算等。

从表面看，VC控制的工作量有两次旋转变换，好像运算工作量比DTC的工作量大，对CPU的要求低。

实际上，这是错误的概念。

由于DTC的磁链和转矩控制采用乒乓控制，转矩脉动与调节频率成反比，即使采用根
据磁链和转矩误差大小进行PWM脉冲优化选择，也只能够在一定程度上减小输出转矩的脉动。

尽管ABB的ACS600采用硬件完成定子磁链与转矩的比较及PWM脉冲优化的选择，采样周期为25微秒，但是由于定子磁链与转矩的变化比较缓慢，开关状态在一个周期内不规则变化，而且受开关功率器件的限制，开关频率一般小于15KHZ，实用范围小于10KHZ，造成转矩脉动仍旧较大，开关频率的不确定，造成电磁噪音很大。

25微秒的运算周期，即使采用目前最快的DSP也难以实现。

如果要达到同样的性能，采用VC控制的话，电流环的运算速度只要在125微秒~500微秒之间，就可以达到更好的控制效果。

这就是VC 被各在公司看好和采用的现实原因。

最近，由于FPGA的价格降低，采用全硬件矢量控制变频器成为现实，由于电流环的采样可以通过高速V-F来实现，整个电流环的速度小于10微秒，整个系统的性能与算法与CPU速度的关系已经很小了，此时VC的各项控制性能远优于DTC。

目前IR已经推出了带PG的各种电机专用芯片，性能达到目前业界最高水平。

五、矢量控制与直接转矩控制技术产品化的研究方向
矢量控制与直接转矩控制技术发展至今天，数字处理技术已经发展到很高的水平，但是理论上仍旧没有突破。

尽管两者对于电机的控制效果具有异曲同工之效，但是在具体的性能指标、具体实现的难易程度等细节方面还是存在很大的差异。

由于以上原因，笔者认为从产品化工作的考虑，今后技术研究工作可能主要集中在以下几个方面：
a) 两者算法优点的整合，达到既快又准的目的；
b) 调节器的优化设计，提高动态响应、减小超调；
c) 控制环路的优化，提高系统稳定性，降低技术实现的难度；
d) 死区补偿的深化研究，减小电流失真度，抑制转矩脉动；
e) 过调制的深化研究，减小电压失真度，抑制高频转矩脉动，提高高频带载能力；
f) 速度辨识算法的研究。

速度辨识算法必须与控制环路的研究配套进行，而且必须与输出电压获取方法（检测/指令）结合研究；
g) 定、转子参数自适应，提高无PG稳态精度和系统鲁棒性，有PG的动态响应；
h) 专用IC研制。

参考文献：
1、陈伯时，“高性能的通用变频器”，第二届变频器行业企业家论坛论文集，P10~P11，2003，中国，成都。

2、Mequon，“AC Drives：Year 2000(Y2K) and Beyond”，IEEE-APEC’99MARCH 14-18，1999。

简历：男（1969-），1991年毕业于西安理工大学自动控制专业，1996年获得电力电子专业硕士学位。

主要从事变频器及其应用控制系统科研、教学工作，期间获得多项国家及省部级科技进步奖。

1997年加盟艾默生网络能源有限公司，从事变频器产品开发工作。