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关于矢量控制与直接转矩控制特性试验比较的探讨The&Experimental&Comparisons&Between&Vector&Control-based&and&Direct&Torque&Control-based&Inverters
作 者：清华大学电机工程与应用电子技术系&赵争鸣&袁立强&张海涛&白华[]
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矢量控制(vc)与直接转矩控制(dtc)作为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方法，在实际中得到广泛的应用。但对两者应用的局限性有不同的认识。本文从试验的角度比较矢量控制与直接转矩控制各自的特点，同时，提出两者在变频器应用中需要进一步讨论的问题
试验条件说明
对于矢量控制和直接转矩控制这两种控制方法，可以从许多方面进行比较，比如控制理论、控制软硬件实现、主电路以及外围电路要求等。鉴于实现样机方式的多样性，两种控制方法的试验比较具有一定的困难性。为此，特将本试验条件和结果说明如下:
(1) 两种试验样机选定a公司的矢量控制通用变频器(15kw，称为“vc变频器”)和b公司的直接转矩控制通用变频器(15kw，称为“dtc变频器”)作为本次试验样机。此试验仅以此两台样机作为控制方法载体来考察控制方法。
(2) 同一试验电机虽然两个变频器是被考察控制方法的主要载体，但在此试验中，主要的试验数据都是从同一台异步电机上测取，选择的试验比较指标(比如，电压电流畸变率、电磁转矩等)都是从该电机的输入端测取。
(3) 相同的试验环境和条件在试验的原始数据测取过程中，充分考虑试验环境和条件的相同性(比如，环境温度、电机起始温度、录波仪采样率等)。
(4) 完全相同的计算公式和流程由于某些指标的特殊性和试验条件限制，这些指标不是一次的测取量，而是经过几次测取的原始数据平均计算得到。在计算这些指标时，对于两种控制方法，采用完全相同的计算公式和流程。
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试验设备与连线
本比较试验在一台25kw异步电机试验平台上完成，系统结构示意图如图1所示，该平台是专门针对变频器异步电机系统而设计的。
对于本试验来说，主要试验设备有:vc和dtc变频器样机各一台(15kw)、3kw三相绕线式异步电机一台、3kw直流发电机一台、功率电阻箱一个、可变直流电压源二套、录波仪一台和配套电压电流探头若干。三相工频380v电源通过调压器为变频器供电，变频器输出接3kw绕线式异步电机，此电机与一等容量的直流发电机同轴连接。在试验测试阶段，通过计算机上的适配软件对变频器状态进行实时控制与监视，而试验所需要的几组重要的数据(uab、ucb、ia、ic以及变频器几个模拟口输出量)则通过dl750录波仪从电机机端和变频器输出端子直接测取和记录。这些原始数据通过ftp协议从录波仪下载到计算机，并转化为文本数据文件。最终使用这些文本数据文件在matlab下计算出相应的结果。
在实现机组低速运行时，大负载转矩是通过在直流发电机机端串接直流电源来实现的。工频220v电源通过调压器接不控整流桥，整流桥输出并联电容产生可调直流电源，该电源通过断路器的切合来加减机组的负载。直流电源与电机机端之间串有电阻负载。
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试验计算公式
本试验中，主要通过测量异步电机机端电量来获取电机的参数，进而得到两台变频器样机的控制特性。
4.1 异步电机坐标变换为了使分析试验结果的数学模型简化，将三相坐标变换到两相坐标系统。在此次试验结果的分析中，采用定子静止两相坐标系统(ab坐标)，以避开旋转变换。变换矩阵为[1]
(1)利用线电压与相电压的关系和公式(1)可以得到ab坐标下异步电机的定子电压和电流如下:
4.2 异步电机定子磁链计算由park方程可以推出异步电机定子磁链的表达式如下[1]:
其中，r1为定子相电阻。
4.3 异步电机电磁转矩计算在定子磁链计算的基础上，可以得到异步电机的电磁转矩表达式如下[1]: 其中:pn是电机极对数。
4.4 异步电机输入功率计算对于异步电机，有效输入功率p1的计算式为
4.5 异步电机功率因数和系统效率计算对于异步电机来说，电机的输入视在功率为
对于直流电机来说，当其电枢输出端只接电阻负载rl时，其输出功率为
(12)则异步电机－直流电机系统的效率为
4.6 异步电机输入电压电流畸变率计算
(14)其中，u1和i1是基波电压电流有效值，uk和ik(k=2,3…)是各电压电流谐波有效值[3]。
4.7 直流发电机特性分析对于直流发电机来说，有以下公式成立[3]:
其中:ia为发电机电枢电流，ea为电枢感应电动势，if为励磁电流，t为直流电机电磁转矩。当直流发电机电枢输出接电阻负载时有
(18)其中:rl为负载电阻，ra为电枢内阻。当系统转速比较低的时候，为得到较大的转矩，直流电机电枢连接外电阻再加直流电压源负载，则有
(19)此时，电枢电流由感应电动势ea和外接直流电源vc共同建立，电流增加，则转矩也增加，因为
其中，vo为直流电机电枢两端的电压。
4.8 低速时异步电机定子磁链观测的数值分析在交流电机变频调速控制中，低速时异步电机的磁链观测是一个难题。本次试验中，通过设计具有线性相位的有限冲击响应数字滤波器(fir df)较好地实现了异步电机低速运行时定子磁链观测。(1) 具有线性相位的fir df原理:假定一个离散的时间系统，其幅频响应为1，而相频响应具有线性相位如下 arg[h(ejw)]= -kw(k为常数)
(22)则该系统的相移与频率成正比。当一个信号x(n)通过此系统时，其输出y(n)的频率特性如下y(ejw) = h(ejw)x (ejw)
= e-jkw x (ejw)
= |(x (ejw)| e-jkw+arg[x(ejw)]
(23)所以，y(n)=x(n-k)。这样，输出y(n)等于输入在时间上的移位，从而达到了各频率段的信号无失真传输。具有线性相位的理想低通数字滤波器，其频域形式为
(24)这是一个无限长且非因果的系统，物理上不可实现，需要进行合理的截断
(2) 窗函数的选取信号处理中的数据截断，本质是一个窗函数的选择问题。而窗函数的引入对信号在时域和频域都有影响。窗函数的选取总是要求其频谱的主瓣尽量的窄，边瓣峰值尽量的小。而在几种常用的窗函数中，hamming窗和hanning窗具有比较小的边瓣和较大的衰减速度。本试验分析中选用hamming窗。
(3) 试验滤波器设计首先设计数字低通滤波器，然后利用相减的方法得到高通滤波器，保证在低速时能较好地滤掉磁链和电流的直流分量，以利于准确的磁链观测和最终的转矩计算。
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试验内容和数据处理流程
5.1 稳态试验稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率时异步电机的稳态运行性能，以异步电机电磁转矩纹波系数为考察性能指标，变频器的频率设定分别为1hz、5hz和50hz，速度反馈分带码盘和不带码盘两种情况。在变频器设定频率为50hz时，直流电机负载只使用电阻负载;而在5hz和1hz时，直流电机负载为电阻加直流源负载，以提高低速时负载大小。在变频器设定频率为50hz时，同时考察电机输入侧的电流波形和电压畸变率、异步电机的功率因数以及异步电机――直流电机系统的效率。
5.2 转矩动态响应试验异步电机分别在两个变频器的驱动下，通过变频器设定，对给定转矩施加阶跃变化，测取异步电机的电磁转矩动态响应特性。在试验过程中，变频器的设定频率不受人为控制，直流电机负载只使用电阻箱即可。转矩阶跃值分别为20%-40%，20%-60%，20%-80%，20%-100% (100%代表异步电机额定转矩)，考察和量测带码盘和不带码盘两种情况下异步电机电磁转矩的变化时间。
5.3 鲁棒性试验在异步电机转子中串入原阻值50％左右的电阻(0.5w)，按照稳态特性试验重新量测相关波形和参数。
5.4 数据处理流程为了处理数据的统一和方便，在本试验绝大部分数据测取过程中，都统一采用录波仪记录以下六个测量量，即:异步电机机端的uab、ucb、ia、ic和变频器模拟输出端子ao1、ao2(各自代表实际转矩、转矩设定值或者电机转速)。此次试验的数据处理分成几个步骤，简单描述如下:
(1) 将录波仪记录的原始数据*.hdr和*.wvf通过ftp协议从录波仪下载到计算机，并转化为文本数据文件*.csv，为提高计算速度，将其转化为*.mat文件，形成原始数据库，每个数据对应的试验情况和采样率等信息被记录在清单文件中。
(2) 根据试验原理中描述的公式对试验数据进行计算，得到各个试验中的异步电机电磁转矩曲线。绝大部分试验数据采用同一程序进行计算。
(3) 计算结果后处理，主要将各不同试验得到的曲线进行比较。此次对比试验共进行了47个试验比较项目。
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试验结果和分析
6.1 稳态试验
稳态试验内容如5.1节所述。测量电机转速的码盘是欧姆龙公司的npn(集电极开路输出)e6c2-cwz6c型速度码盘，每转脉冲数2000，安装时有较高的同轴度，从而保证速度检测精度。相关试验结果如图2~4所示。
不同频率电磁转矩稳态纹波系数(带码盘)
不同频率下vc电磁转矩稳态纹波系数(带码盘vs和 不带码盘)
不同频率下dtc电磁转矩稳态纹波系数(带码盘vs和不带码盘)
上述试验结果说明:无论vc还是dtc, 不带码盘相比较带码盘，在低速情况下，转速性能都会出现不同程度的恶化，尤其在低于5hz后，两者对码盘的依赖性急剧增加。vc表现的对码盘的依赖性更突出一些。因此，单就a和b这两种型号的产品来讲，其无速度传感器的调速性能还不能够与带码盘时的性能相媲美，尤其在极低速的情况下。
同时，在试验中考察了a、b两个变频器在50hz正常运行下的输出性能指标(如功率因数、效率、电压畸变率、电流畸变率等)。以带码盘为例，如图5所示。
带码盘时50hz稳态性能
可以看出，带码盘时，dtc的效率和vc相差无几，dtc电压畸变率偏高，但dtc比vc功率因数要稍好，电流的畸变率稍低。总体来说，这几个性能指标在一个数量级上，基本上没有太大的差别。
6.2 转矩动态响应试验
转矩动态响应试验过程如5.2节所述。四种情况下测试和计算出的的电磁转矩曲线如图6所示，转矩响应时间结果如图7~9所示。
(a) 矢量控制转矩动态响应曲线图 6
转矩动态响应试验电磁转矩波形
转矩响应时间 (带码盘)
vc转矩响应时间 (带码盘vs和不带码盘)
dtc转矩响应时间 (带码盘vs和不带码盘)
从试验结果中可以看出:不同频率的稳态运行中，矢量控制系统的电磁转矩脉动系数要比直接转矩控制系统小;而在转矩动态响应试验中，直接转矩控制系统的电磁转矩响应时间要比矢量控制系统的小，基本上后者是前者的4－6倍。码盘对于vc和dtc的转矩动态响应试验有一定的影响，但规律不太明显。
6.3 鲁棒性试验
鲁棒性试验方法如5.3节所述。试验过程中，同样考察带码盘和不带码盘两种情况。图10~15为带码盘和不带码盘时不同频率鲁棒性试验结果。
带码盘时50hz鲁棒性试验的稳态性能
带码盘时不同频率下鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数
不同频率下vc鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数(带码盘 vs和不带码盘)
不同频率下dtc鲁棒性试验中异步机电磁转矩稳态纹波系数(带码盘 vs和不带码盘)
不同频率下vc鲁棒性试验中异步机转速纹波系数比较(带码盘 vs和不带码盘)
不同频率下dtc鲁棒性试验中异步机转速纹波系数比较(带码盘 vs和不带码盘)
从鲁棒性试验来看，总体上，dtc受转子侧参数影响不大，而vc在转子参数变化时表现出了较大的转矩(转速)波动。vc在不带码盘时的鲁棒性试验中，当频率降到1hz时甚至不能平滑运行。这也说明了vc对转子侧参数依赖性较强，其鲁棒性相比dtc为弱。
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结论与思考
本次试验在有限的条件下，分别对两台代表vc和dtc的通用型变频器进行了初步的稳态、动态、低速和鲁棒性等试验。试验结果表明:dtc样机基本上在1ms左右，vc样机则基本上在5ms左右;稳态转矩纹波，dtc的纹波比vc大;dtc受转子侧参数影响不大，而vc在转子参数变化时表现出较大的转矩(转速)不一致;从高速(50hz)来看，两个变频器在各项指标下相差无几，从低速特性来看，vc与dtc样机都很强地依赖于码盘。vc在1hz时，当转子电阻增加50％时，没有码盘电机不能流畅旋转出现步进，而dtc可以;从高速稳态(50hz)来看，带不带码盘对两个变频器影响都不大，各项指标相差无几，码盘似乎对两者的转矩动态响应时间没有明显的影响。
vc与dtc的试验比较是一个十分复杂的工程，它牵涉到量测、计算、数据处理、数学模型等许多环节。同时它们的特性表现与其载体(开关频率、cpu性能、pwm模式、拓扑形式等)有关。一些深层次的问题有待进一步探讨:
(1) vc与dtc的本质区别在哪里？是磁场定向还是砰砰控制？(2) dtc与vc的低速性能都差，它们低速性能差的来源在哪里？是磁链观测不准还是砰砰控制算法所致？还是别的什么原因？(3) 低速性能都差是否仅靠控制算法的改进就能改善？(4) vc与dtc的应用特性及表现与电力电子技术(器件、拓扑、pwm方式等)有什么关系？两种控制算法对pwm调制有那些限制？等等。
参考文献[1] 陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统[m]. 北京:机械工业出版社，1998.[2] 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计[m]. 北京:电子工业出版社，1998. [3] 李发海，陈汤铭，郑逢时等. 电机学[m]. 北京:科学出版社，1998.
作者简介赵争鸣
教授/博士生导师
主要从事电力电子与电机系统的应用研究。
　|　本文来自：2004
年第3期“综述”上 ,已经被阅读过3230次
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　 ■ED3500系列高性能通用型变频器是易驱电气自主研发的第二代高性能通用型变频器，其采用了全新的设计理念和模块化的设计思想。和传统的变频器相比较，无论在性能、功能、可靠性、可维护性及可使用性等方面，均有本质的提升。ED3500系列变频器有220V和380V两种电压等级。 ■适配电机功率范围为： 0.75KW～22KW。产品优势；强大的控制平台；&&&&&ED3500系列变频器控制核心基于32位的RISC单片机，其运算速度达到1.3DMIPS，高效完成复杂的电机控制算法，能实现真正的实时控制。丰富的硬件外设极大提高系统的集成度和可靠性。领先的控制算法&&&&&&&&在电机核心控制层，ED3500创新性的将矢量控制和VF控制技术完美结合，引入磁通控制的思想，即使在VF控制模式下也能达到良好的电机控制效果，同时对电机参数变化不敏感，极大的提高了系统控制的鲁棒性。开放式的硬件架构&&&&&&&&ED3500系列变频器提供了具有强大扩展能力的SPI接口，开放式的标准MODBUS协议，客户可在此基础上以扩展卡的形式实现任意的行业专用功能，而无需更改主机的硬件或软件设计，极大的方便了客户的二次开发。1、标准型V/F控制，矢量型V/F控制，分离型V/F控制。2、独立外引键盘，实现本机键盘和外引键盘的双重控制及变频器运行状态的监视。LED外引键盘，为简易型键盘，可以实现本机键盘的所有功能。3、串行通信：提供RS485物理通信接口，内嵌MODBUS协议。4、提供丰富的端子控制功能供用户选择。5、丰富的频率指令组合，最大限度满足各类用户的需求。6、智能化的电机转速跟踪技术，应对电网闪络。7、智能节电功能、客户可实施监测实时输出功率及累计用电量查询功能。8、拉电流和灌电流两种制式的多功能开关量输入输出端子，可以与市场上任何外部设备提供开关量信号兼容。高速脉冲输入输出功能9、计数器、摆频、程序运行、PID功能作为标准功能进行设计。10、完备的预警、监视、保护功能。11、多重载波控制方式和载波自动调整功能对电机在低频是的力矩补偿很好的效果。12、优越的过调制功能能够提高电压输出能力，从而提高高频时的输出转矩。13、采用国际标准的MOUDBUS通讯协议，方便组建网络控制。后续推出支持多种总线协议的通讯卡，满足各个层面客户的需求。14、4行编码液晶键盘，键盘操作更加直接，显示更丰富。使用者可以脱离使用说明书进行相关的操作。15、大功率机型可配备5.7寸触摸控制屏，丰富的功能菜单和帮助菜单，新颖的操作界面，如同操作自己的手机一样，让操作者现学现用。16、全系列独立风道，& 极大提高了变频器在纺织、印染、化纤、造纸、拉丝、水泥制造等行业不同的应用环境下长期运行的可靠性。产品应用； ED3500系列产品广泛应用于造纸、纺织、数控机床、石化、印染、包装、印刷、陶瓷、制药、等领域尤其是对于低频转矩要求较高的设备及OEM配套客户。还可用于变频电源、EPS领域。使用注意事项在使用ED3500系列变频器时，请注意以下几点：1、恒转矩低速运行变频器带普通电机长期低速运行时，由于散热效果变差，会影响电机寿命。如果需低速恒转矩长期运行，必须选用专用的变频电机。2、电机绝缘的确认应用ED3500系列变频器时，带电机前请先确认所用电机的绝缘，以防损坏设备。另外在电机所处环境比较恶劣时请定期检查电机的绝缘情况，以保证系统的安全工作。3、负转矩负载对于诸如提升负载之类的场合，常常会有负转矩发生，变频器会产生过流或过压故障而跳闸，此时应该考虑选配制动电阻。4、负载装置的机械共振点变频器在一定的输出频率范围内，可能会遇到负载装置的机械共振点，必须通过设置跳跃频率来避开。5、改善功率因素的电容或压敏器件由于变频器输出电压是脉冲波形，如果输出侧安装有改善功率因数的电容或防雷用压敏电阻等，会造成变频器故障跳闸或器件的损坏，务必请拆除，另外在输出侧建议不要加空气开关和接触器等开关器件，如图1-3所示。（如果必须在输出侧接开关器件，则在控制上必须保证开关动作时变频器的输出电流为零）。6、在50Hz以上频率运行若超过50Hz运行，除了考虑电机的振动、噪音增大外，还必须确保电机轴承及机械装置的使用速度范围，务必事先确认。7、电机的电子热保护值当选用适配电机时，变频器能对电机实施热保护。若电机与变频器额定容量不匹配，则务必调整保护值或采取其他保护措施，以保证电机的安全运行。8、海拔高度与降额使用
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悬赏分:5 | 解决时间： 09:20:03 | 提问者： -
问题ID：119748
这种轴带风机冷却方式的变频电机，是不可能在低频下长时恒扭矩运行的，会造成电机过热的。你的顾虑是有道理的。&&&&&&&&电机手册上会有低频限制值的说明。我一般见到的轴带风机冷却方式的变频电机，在25HZ以下频率时，就不能恒扭矩工作了。&&&&&&&&&如果是那种强迫风冷（有独立电源供电的风机）的变频电机，就不会有这个担心了，它可以在低频时恒扭矩运行。关于问题补充——&&&&&&&你还是采取法1吧，法2实在是不可取。
提问者对于答案的评价：嗯，谢谢大家！！！我决定买5-50Hz恒扭矩的变频电机了，谢谢其他前辈的指点！！Thanks&a&lot.
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我觉得你可以选一台小功率永磁电机，因为转子是稀土永磁材料，不用考虑铁损，也不需要风扇。它就相当于没有位置反馈的伺服电机，单纯做开环速度控制挺好。
& 10:37:03
楼主普通电机不能在低频情况下长期运行，你可以加装一个变比是5:1左右的的变速箱或是皮带轮传动来解决这个问题，这样就可以比较简单解决这个问题。
& 11:15:38
电机在7Hz左右工作时，先不说电机的散热问题，你的液压系统的压力能满足要求吗？可能顶不起负载。油缸速度快，你应该设计背压回路，限制油缸的运行速度。
& 11:18:46
简单的方法是可以把电机自带的散热扇片拆掉，然后在电机后罩上装一个直径差不多的小风扇给它强迫冷却。
& 16:26:31
这个泵电机是自冷却的，就不能够在低频段长期运行。如你提及到的7HZ下就不允许长期工作。原因是一边自冷却电机是以50HZ电机运行时的风速进行自冷却的，过低的电机速度使电机得不到足够的冷却效果。至于低频时的电流，你完全可以在此频段时测试电机实际工作电流，如果低于额定电流则从电气角度理解是没有问题了，只需要考虑的是低频段工作时的冷却。如果在7HZ状态下能够到达工作要求，你可以检查在此状态下的电机实际额定电流，如果电流没有超过额定值，你只需考虑电机的冷却问题。补充问题回复：建议使用方法1。如果方法1暂时没有条件，采用方法2时，必须实时监控电机温升和电机电流值。
& 10:18:18
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