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1、交流电机高性能控制方法的探讨目前，交流传动控制较先进和热门的方法是矢量控制和直接转矩控制，特别是直接转矩控制法受到国内外 学者的关注，通过理论分析和实践检验仍存在各自的优缺点。本文就是对这两种控制方法进行探讨。随着电力电子技术和数字控制技术的发展，交流传动取代直流传动具有明显的优越性, 各种通用的和高性能的交流传动控制系统相继诞生。但是，由于交流电机的非线性多变量耦 合性质，研究其控制策略引起许多专家和学者的兴趣，且取得了许多成果。目前，交流传动 控制较先进和热门的方法是矢量控制和直接转矩控制，特别是直接转矩控制法受到国内外学 者的关注，通过理论分析和实践检验仍存在各自的优缺点。一、交流传动的
2、基本类型异步电机从定子传入转子的电磁功率Pem可分为两部分：机械功率PQ和转差功率Ps 即：从能量转换效率的角度看，交流电动机的传动可分为下面几类：转差功率消耗型传动系统，如变压、串电阻等调速系统；转差功率回馈型传动系统，如绕线式异步电动机串级和双馈型调速系统;转差功率不变型传动系统，如变压变频调速系统。其中，转差功率消耗型传动系统控制方法最简单，只是一般的开环和闭环控制，但其速 度只能调在额定转速以下，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时）， 故越向下调速效率越低；转差功率回馈型传动系统中，转差功率的一部分消耗掉，大部分则 通过变流装置回馈电网或转化为机械能加以利用，转速越
3、低时回收的功率越多，但增设的交 流装置要多消耗一些功率；转差功率不变型传动系统中转子铜损部分的消耗是不可避免的, 但这类系统中无论转速高低，其转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。同步电动机没有转差功率，属于转差功率不变型传动系统，只能用变压变频方式控制, 分他控变频调速和自控变频调速两种。二、高性能交流传动控制方法交流电机的数学模型是非线性多变量的，其输入变量是定子电压和频率，输出变量是转 速和磁链（定子磁链或转子磁链、或气隙磁链），要获得高动态性能，就必须依据电动机的动 态数学模型，就必须对数学模型加以改造，使之解耦和线性化。1. 按转子磁链定向的矢量控制矢量控制实现的基本原理是通过测量和
4、控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原 理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目 的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转 矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子 电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢 量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。2. 基于转差频率控制的矢量控制方式基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f二恒定控制的基础上，通过检 测异步电动机的实际速度n并得到对应的控制频率f,然
5、后根据希望得到的转矩，分别控 制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频 率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通 用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢 量控制方式。3. 无速度传感器的矢量控制方式无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定 向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置要在异步电动机内安装磁通检测装置是 很困难的,但即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到 与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度
6、传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是 根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者 磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁 通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。4. 按定子磁链定向的直接转矩控制直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下 分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节 器（Band一Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差 范围内，容差的大小由频率调节器来控制，
7、并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关 状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状 况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的 控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型, 没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明 确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。三、两种控制方式的应用展望1. 矢量控制方式的应用展望无速度传感器矢量控制的优势概括来说，无速度传感器矢量控制
8、可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感 器，具有较低的维护成本。与传统v/f控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低 速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩 擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用 恒转矩驱动应用的选择。事实上，基本上所有的AC驱动厂家都提供该控制模式。无速度传感器矢量控制需解决的问题矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为 实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应 电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，
9、这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的 信号处理器才能完成。无速度传感器矢量控制尽管省略了闭环控制中使用的速度传感器，SVC仍然需要采用电 压、电流传感器对电机进行控制，在高速运算处理器的平台上通过使用复杂的电机模型与高 强度的数学运算，对传感器输入信号进行处理获得电机控制所需的磁通与转矩分量，再通过 自适应的磁场向量方法实现解耦控制，以获得良好的动态响应。应当说，该控制方式目前没有标准的解决方案，SVC控制的关键在于正确的转速估计与 解耦控制，但这两者之间又存在相互耦合的关系。转速估计的精度不仅决定于测量的定子电 压与电流，同时与电机参数密切相关。在数字化电机控制系统中，转速估计的精度又与
10、采样 频率以及反馈信号的分辨率有关,而转速估计的精确程度不仅影响到速度控制的准确度，也 会影响到速度环路补偿器的设计。这些问题环环相扣，稍有失误甚至会影响到系统的稳定 性。SVC技术要实用化，必须解决几个基本问题：磁通辨识、速度估计以及参数适应性。过 去十几年里，研究人员开发出了多种磁通辨识与转速估计方法。其中以磁场定向为基础的转 速估计法由于其快速性与较高的准确度，已成为行业设计的主流。无论是磁通辨识还是速度估计，对参数的依赖性都较强，也正是因为如此SVC与采用速 度或位置传感器的闭环磁通矢量控制(FVC)相比，对电机参数的变化更为敏感，在速度调节 与转矩响应等动态指标上要落后于FVC控制。
11、目前业界对SVC参数整定的设计包括初始整定 与在线整定两种。有关参数自适应这方面的研究仍在深入，如何提咼SVC系统的适应性、鲁 棒性无疑是一个重要的研究课题。总的来看，由于不需要速度传感器，SVC的电机控制模型要十分精确。从运算量来讲， SVC控制比FVC更为复杂，这也使得无速度传感器控制的难度要明显高于闭环控制。由于电 机参数在运行过程变化很大，因此SVC驱动器的自整定能力对于获得准确的电机参数尤为重 要，这也直接决定了矢量控制的性能。事实上，如何适应电机运行条件的变化，保持模型的 精确性是避免高转矩波动的关键;而模型的自适应能力也是电机接近零速运行时最为重要的 因素，因为此时的电机参考模型
12、误差已经大大增加。尽管采用了自适应的精确电机模型，目 前的最高水平的SVC控制在动静态特性上与FVC仍然存在一定差距，这在低速运行区域尤为 明显。无速度传感矢量控制的展望概括来讲，未来无速度传感器矢量控制的动静态特性的进一步提高，需要更为完善的逆 变器/电机模型，综合考虑不同运行条件下的电机磁路饱和、绕组集肤效应、逆变器的非线 性以及电机参数变化等因素。在更为精确的自适应电机模型基础上，低速转矩脉动将进一步 减小，稳速精度将进一步提咼，对负载扰动的响应更快，对电机参数变化的稳定性将进一步 加强。特别是具有宽范围调速（包括零速）和高精度转速调节、转矩控制（而不仅是转矩限定） 的SVC控制系统与F
13、VC控制系统的差距将逐步减小，并有望取代部分伺服应用领域。未来的一些进步还将体现在高速处理器及外设上。DSP+ASIC/FPGA的控制器结构使得系 统的信号并行处理能力更为强大，在此基础上可以支持核心程序以非常快的速度运行，保证 SVC系统对速度指令及负载变化有更快的响应，这对高性能的数字控制系统来讲是非常重要 的。此外，无速度传感器控制方式下的多机运行以及在高功率低速运行的应用也将成为未来 的发展方向。2. 直接转矩控制的应用展望异步机直接转矩控制法（DTC），它不需要解耦电机数学模型，强调对电机转矩进行直接 控制，在很大程度上克服了矢量控制计算复杂和易受转子参数变化的影响，成为交流调速控
14、制理论第二次质的飞跃。多年来随着智能控制理论的发展和引入，涌现了许多基于模糊控制、 神经网络和模糊神经网络的直接转矩控制，控制性能得到进一步的改善和提高。直接转矩控 制的不足之处是存在谐波分量和低速性能较差等问题，可以通过下面方法加以完善。控制环节内部结构的改进磁通调节器和转矩调节器的细化改进。只有根据当前的转矩和磁通的实时偏差合理的选 择电压矢量，才有可能使转矩和磁通的调节过程达到较理想状态，因此转矩、磁通的偏差区 分得越细，电压矢量的选择越精确，控制性能就越好。这样通过改进转矩、磁通调节器的结 构，细化转矩和磁通的偏差区分，如图1将转矩调节器设计成两个滞环特性单元的组合结构 形式。图1转矩
15、调节器细化结构图磁通调节器设计成一继电器特性单元和一滞环特性单元的组合形式，如图2所示。AM图2磁通调节器细化结构图采用这种新型磁通、转矩DTC系统，不仅全面改善了动静态性能，而且有效减少了转矩 磁通的脉动。智能开关状态选择器的完善通过使用模糊控制器或人工神经网络来选择开关状态，完全抵消了触发器容差的影响， 性能改善更加明显。但是，由于人为选取的模糊状态选择器中各变量隶属度具有较大的主观 性和盲目性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在，甚至还会变差。采用遗传算法来 学习转差误差的隶属度函数分布，进一步提高了转矩的响应速度，减小了转矩谐波和电流谐 波。另外，用神经网络来构造开关状态选择器，也
16、可以取得较好的效果。电压矢量选择方式的改进一种新的电压矢量选择方法一一预期电压法见图3：首先根据转矩、磁通偏差和转速计 算出一个能达到最佳控制的预期电压VK,然后用电压型逆变器的6个工作电压中与之相邻 的两个VK1、VK2来合成它。gt1)Vk(Tc)图3预期电压合成示此方法不但具有上升时间短，稳态性能好，而且电流的高次谐波分量小。传统方式下对定子电阻观测器的改进传统直接转矩控制中，定子磁通一般采用u-i模型:在低速运行时应考虑RS的影响，如果对RS估计误差偏大，就会严重影响运行性能，基 于此种考虑，提出了一种基于模糊控制的定子电阻观测器，该观测把对定子电阻影响较大的 三个因素：定子电流、转速、运行时间作为输入量，以定子电阻变化 RS作为输出量，并 考虑到定子电阻上升和下降的变化规律不一样，将这两种情况分别对待，设计各自对应的模 糊观测器。
