ＥＥＥ电力电子学会北京分会王正元
为什么要讨论
矢量控制和直接转矩控制
矢量控制和直接转矩控制是当前在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用的两种控制方案。近些年来，这两种方案都在被不断完善，制造出的产品的性能日益优化。从实验到理论探讨这两种方案的特点、优点和
弱点，确定它们各自最ｌＥＥＥ电力电子学会北京分会主席王正元先生
佳的应用场合，最大限
度地发掘交流变频调速技术在不同领域应用中的潜力，有着十分重要的现实意义。本文试图从市场开拓、技术演进和领导决策的三个角度说明讨论矢量控制和直接转矩控制两种方案的背景和目的。
开拓新市场的需要
最近２０多年来，经过各方努力，交流电动机调速技术
和产品的节能效益和技术经济指标的优越性已为社会各界接
受。特别是近十多年，变频调速在各种调速方法的竞争中更
具生命力，是公认的交流电机调速的主流技术。改变供电频
率即可改变交流电动机的转速，但是不同应用领域对调速的范围和调速精度的要求是不同的。磁链开环的“ＶＶＶＦ（调压调频）”方案在风机、泵类和压缩机等通用机械的流量调节中得到应用业已成熟。但是，在许多工业、交通部门，例如轧钢、有色金属板箔压延、造纸、榨糖等有比较严格的工艺要求，如电动汽车、电力机车（包括电牵引的内燃机车）、矿井卷扬、电梯以及垒电化船舶等牵引应用要求较高的控制精度、更快的响应速度、更宽的调速范围。为适应这些市场的需求，必须有高动态性能的变频器面市。
近来，在市场的宣传中，特别是某些商业炒作中，借着
“从研发顺序看——矢量控制在先，直接转矩控制在后”的
事实，出现一种说法：“ＶＶＶＦ控制是变频调速的第一代技术，矢量控制是第二代技术，直接转矩控制是第三代技术。”
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万
方数据Ｔ肌弓
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这在某些用户，部分制造厂商，以至政府决策人员中造成了一定的困惑和认识混乱。“ｖｖｖＦ是第一代技术”是大家公认的。但是，矢量控制和直接转矩控制是属于前后不同的两代技术吗？直接转矩控制方案是比矢量控制方案更先进的新一代控制技术吗？为了澄清这个源于市场宣传的问题，有必要通过实验测量和理论分析，给出科学的回答。从而不断开拓变频器应用的新市场，这就是对这两种控制方案进行深入研讨的第一个原因。
发展新技术的基点
电动机是把电能转换为机械能最主要的手段。调速以适应所拖动机械的需要是多数电动机应用系统的需要。直流电动机磁链和转矩电流各自独立而获得良好的调速范围和调速精度，在传动应用中独领风骚上百年。交流（异步）电动机以其结构简单、维修方便（没有炭刷的问题）、安全可靠、成本低廉，却因其磁链与电流的强耦合，而且是多变量、非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统中的应用受到限制。直到２０世纪七、八十年代，采用微电子一计算机技术的新型电力电子装置实现了变频调速，才开辟了交流传动的新纪元。ｖｖｖＦ方案保持特定的压频比，实际是维持电动机内的磁链恒定，它并没有解除磁链与电流的耦合问题。其主要调速性能见附表。
附表各种电气传动方案的调速性能比较
凋速方案调速范围凋速精度
低速特性
响应速度
直渲电动机
宽（１．５０００）
好
慢智ｌ
１０）
低
较慢矢量控制较宽（１：２０～２００）
较高较好（连续）
较快直接转矩控制较窄“：１５～１００）
交溘伺服控制
ｍｉ（１：】００００～１删
较高较差（脉动）
快很高
很好
ｆ艮快
在高动态性能应用中，要求采用转矩（转速）和磁链分别控制。矢量控制方案强调转子磁链与转矩的解耦，实行连续控制，调速范围较宽；而直接转矩控制方案则控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化的影响，采用转矩和定子磁链的砰一砰控制而避开旋转坐标变换。它简化了控制结构，动态响应快，但却引起了电流和转矩的脉动，低速性能
差，调速范围受到限制。两种控制方案各自的优缺点正好适
业界＆市场Ｉｌ叠叠口圜
用于不同应用条件。
从应用上看，交流电机变频调速可以分为４个方面：节能调速（通用机械流量调节用）、工艺调速（满足各种机械运行的性能要求）、牵引调速（符合各种电动车辆、电动船舶运行等“水平牵引”和卷扬、电梯等“竖直牵引”等需求）和精密调速（机器人、数控机床、航空航天等伺服传动）。
从理论上看，交流电机变频调速方法又可以分为三个层次（１）节能为主的调速对调速范围和调速性能要求不高，磁链开环控制的ＶＶＶＦ方案即可满足，在一定应用领域内，采用经济型调速方法来降低节能成本的方案也是可行的；（２）用于工艺调速和牵引调速的高动态性能变频器，要求转矩磁链分别控制，能满足国民经济许多领域对电气传动的要求。其中，矢量控制方案和直接转矩控制方案能分别适应不同领域的具体要求；（３）高精密交流伺服调速控制，适合国民经济特殊部门和国防对调速系统的特殊需求。
现在，经过二、三十年的研发、生产和市场反馈，矢量控制和直接转矩控制不但各自得到很大改进，取得长足进步，而且还有取长补短，综合二者的优势而整合成统一
能源供应不足的问题是至关重要的。
我国确定近期在中华大地上建设“八纵四横”的铁路干线网。其中面临“大连一烟台”和“湛江海口”横跨渤海和琼州海峡的两段轮渡工程。现在火车在陆地已提速到１５０～２００ｋｍ，｝ｌ，但渡轮时速只有１５～２０ｋｍ。而上世纪末开始，发达国家均在推广采用全电系统船舶，如美国１０万ｔ级航空母舰，靠核发电来控制多台电动机驱动，时速达到６０ｋｍ；欧洲最近下水的“玛丽皇后号”高级邮轮，也是１０万ｔ级，其全部采用电驱动，时速也达到４５ｋｍ。而且电驱动船的转弯半径大大缩小，其运行灵活性大大提高。那么全电系统船舶采用哪种控制方式来驱动大电动机的调速，也是一项重大决策项目。
总之，为各级领导和用户的有关决策提供科学依据，是对这两种控制方案进行深入研讨的第三个原因。
可以相信，对矢量控制和直接转矩控制的讨论将会推进我国交流电机变频调速制造技术和应用技术的发展。这一方面会促使电机调速的高效节能工作更上一层楼，另～方面也会使工业交通领域的自动化．智能化进程中的高性能调速应用更加健康地推广。ＥＡ
第三届电力电子论坛一矢量控制与直接转矩控制研讨会会场
的新控制方案，所以，实测国际上目前最先进的、各自采
用两类控制方案的变频器的性能参数，认真摸清这两种控制方案的优、缺点，有助于了解调速理论与实践的新成就，促进我国变频器制造业的成长，也是变频技术突破的新基点。这就是对这两种控制方案进行深入研讨的第二个原因。
决策新举措的依据
我国政府主管部门已经把交流电机调速系统节能列为贯彻“开发与节约并重，以节约优先”的国家能源发展方针的重大措施。变频调速技术在风机、泵类和压缩机等通用机械流量调节的调速应用中，表现出明显的节能效益。采用哪种方案能进一步提高节能，哪种方案更加经济而便于推广取得更多的节能量，对于解决我国经济高速增长，
“第三届电力电子论坛一矢量控制与直接转矩控制研讨会”在京举行
由北京电力电子学会、ＩＥＥＥ电力电子学会北京分会主办，中国电工技术学会电揎系统与装置专委会、中国电工技术学会电力电子学会、中国电器工业协会电力电子分会，中国电源学会变频电源与电力传动专委会协办的“第三届电力电子论坛——矢量控制与直接转矩控制研讨会”于２月
２８日至２９日在清华大学举行。
技术人受，就矢量控制与直接转矩控制专题的样机试验报告、理论基础与应用特点、改进方篆以厦变频技术的行业应用市场前景等专题进行深入探讨，以期推动我国电力电子技术健康持续发展。
矢量控制和直接转矩控制作为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方法，在实斥中得到广泛的应用。这两种方案作为高性能的调速系统，都能安现较高的静、动态性能，但两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，叉各有所侧重的应用领域。
本届论坛邀请了有关政府官员、行业协会和学会专家学者、著名变频器企业首脑、行业研究院所专家及行业用户
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万方数据
为什么要讨论矢量控制和直接转矩控制
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王正元
IEEE电力电子学会北京分会电气时代ELECTRIC AGE2004(3)
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