1.前言

通過電機速度和轉矩與被傳動負載需求的匹配，變速傳動（VSD）已經為電機提供了前所未有的性能，節約了大量的能源。市場上的多數VSD都依賴調制級。它能夠調節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，優秀的ABB傳動采用創新性的直接轉矩控制（DTC），極大的增強了電機的轉矩響應。DTC技術提供的其它好處還包括上至系統級的功能。

ABB提供的高性能交流傳動提供了一種被稱為直接轉矩控制（DTC）的技術。顧名思義，這種方法直接控制電機的磁通和轉矩，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，與被傳動系統的負載需求的匹配精度更高。DTC源自ABB的一家創辦公司，于20世紀80年代中期獲得專利。它免除了額外調制級的需求，因此能實現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矩控制交流傳動時，DTC就已經成為了領先的技術。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性能持續提升，為多種應用提供了高質量的電機控制。

圖1

2.為何選擇DTC？

除優異的轉矩響應外，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。

§優秀的力矩線性度。

§高的靜態和動態速度精度。

§無預設開關頻率。為每個控制循環確定最佳的晶體管開關方案，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和商業應用中的普及，DTC最初是為交流感應電機而開發。可指示感應電機的DTC性能的是接近電機的電氣時間常數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，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程，已經重新引燃了對其它電機拓撲的興趣。好消息是，已經對DTC進行擴展以與永磁（PM）同步電機和新的同步磁阻（SynRM）電機協作。DTC的主要區別出現在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電機中沒有轉子繞組和轉差速度，效率增益在更廣的力矩-速度范圍內得到擴展。

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技術得到持續改進，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工業傳動的力矩控制精度。每臺傳動以額定力矩給定運轉一臺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。

圖2

在接近零速的范圍內，兩臺傳動都在長時間運行中表現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。

伺服級的動態性能

在±6,000rpm之間的速度反轉中和短于25毫秒（ms）的時間內，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能同時在閉環和無傳感器控制模式下執行快速、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超越了作為其發明目標的高需求、高動態應用。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濟上的合理性。使用優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能潛力。因為泵速與功率存在立方關系，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，直接力矩控制得到了持續的硬件和軟件開發。以堅實的理論基礎和DSP技術為基石，DTC已經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行復雜的控制算法、更新電機模型參數和開關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和海量的資源已經被投入到直接力矩控制的開發中。DTC保持了技術的活力。通過整合智能用戶接口、傳動診斷特性和系統級軟件，它已經發展成為一個超越“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下去。