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直接轉矩控制-常聽到卻依然霧煞煞的變頻器控制原理一次與您分享

摘要"

如同馬達,變頻器是工業領域中,大家再熟悉不過的自動化基本元件,主宰著設備、產線、廠房,甚至是建築自動化系統等的高效運作。坊間多數變頻器透過調控電壓與頻率,達到馬達的速度與轉矩控制,常見的控制原理有純量控制、向量控制、伺服控制等。而「直接轉矩控制」(Direct torque control, DTC)是另一種常聽到的變頻器控制技術,與前者有什麼不同?又具備那些優勢?透過本文,簡要與您分享。

圖1   直接轉矩控制(DTC)運作原理

 

變頻器控制技術演進
回顧馬達逾百年的發展歷史,直流馬達率先登場,當時的變頻器技術開發人員很自然地以直流馬達作為研究標的。透過簡單的方式直接調控電樞電流與激磁電流,達到精準且快速的馬達轉矩與速度控制成效。但由於直流馬達有複雜的換向機構與電刷維護需求,產品生命週期的總成本高,因而促成交流馬達的問世,變頻器業界也轉向交流系統的技術開發。
歷經多年發展,PWM(Pulse Width Modulation)控制接棒,成為時代主流。PWM譯為脈衝寬度調變,以電壓與頻率為主要控制參數,因此又稱V/F control,或稱純量控制。PWM下的變頻控制,沒有回授裝置,無法得知馬達轉速與轉子狀態,屬於開迴路控制。加上憑靠調變器做為V/F與馬達調控的中介,響應速度較慢。
此後,隨著電力電子與積體電路的技術發展,變頻器控制技術有進階突破。技術開發人員在PWM控制的基礎下,鑽研著具備直流馬達控制般簡單高效的新控制方法。於是,別稱磁場導向控制(Field Oriented Control, FOC)的「向量控制(Vector Control)」,以電子元件取代機械換向機構,達到模擬直流馬達的磁場運作狀態,再透過編碼器得知轉子狀態並計算出轉子磁通量,在精度與響應速度表現上大幅提升。到現在,向量控制仍是市場主流控制技術。
DTC的運作原理
技術的演進,常奠基於前人的成果,直接轉矩控制(以下簡稱DTC)技術也不例外。延續Blaschke博士於1971年發表的磁場導向控制理論,與Depenbrock博士於1985年發表的直接自控制(Direct Self Control)理論,ABB集團自1988年起,投入超過上百個人年開發DTC技術,並成功將其商品化,於1995年推出第一個以DTC為控制核心的交流工業變頻器。
直接轉矩控制,顧名思義,不以電壓、電流、頻率去間接調控轉矩,而直接以馬達電磁狀態來調控轉矩與速度。換言之,轉矩與磁通是DTC的主要控制變數。相較於向量控制,DTC免除解耦合與滑差頻率計算等問題,也不需要實施內電流迴路控制,因此較不受參數變動的影響,控制方法相對簡易。此外,DTC也無須編碼器與調變器,透過ABB專利「自適應馬達電氣模型(Adoptive motor model)」,以每秒40,000筆運算能力,持續估測當下馬達狀態,以達到絕佳轉矩響應速度與動態速度精度。
從圖1可見,DTC的運作分為左右兩個區塊,左邊是速度控制迴路,右邊紅框是轉矩控制迴路,也就是DTC的核心,兩者整合為完整的DTC控制系統。細看DTC核心,首先在馬達運轉下,電壓與電流等量測值匯入馬達電氣模型。依量測值與馬達識別過程中所收集到的定子電阻、電感係數等數據,建立馬達電氣模型,進而計算並輸出轉矩、磁通、速度。計算出的轉矩、磁通與給定值,以每25微秒做一次比較,並將轉矩與磁通的控制訊號傳到最佳化磁極選擇器,做開關狀態的命令選擇。最後,最佳化磁極選擇器以每12.5微秒發送一次訊號給逆變器,高效的運算處理速度可帶來無編碼器時±0.5%的靜態速度控制精度,與低於2微秒的絕佳轉矩響應
表現。

 

圖2   以DTC為控制核心的工業變頻器ACS880系列

 

DTC的產業應用與優勢
幾近物理極限的轉矩響應速度表現,是DTC的代表性優勢。此外,無須加裝編碼器,DTC即可展現絕佳的轉矩控制,足以滿足超過九成的工業應用需求。不僅止於此,DTC在低速運轉下的轉矩與速度控制、極高的靜態與動態速度精度、出色的轉矩線性等,皆是令用戶滿意的特點。從應用上看,如果需要在負載瞬變下,對速度有極快且精準控制的應用,DTC是首選。如果需要在低速下維持平穩起停,沒有震動,如升降機,DTC是首選。如果需要在零速到最大速度間的張力控制,例如捲取機,DTC是首選,圖2。
控制技術,百家爭鳴,沒有絕對的最好,只有最適合。
參考資料
1. ABB Ltd., White Paper “DTC: A motor control technique for all seasons”, April 2015
2. ABB Ltd., Technical guide “Direct torque control: the world’s most advanced AC drive technology”, 2011

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