交流电动机传动系统的控制技术发展综述

目录

1 引言 ................................................................................................................................. 1 2异步电动机传动系统的控制策略 ................................................................................. 1

2.1 转速开环恒压频比控制 ...................................................................................... 1 2.2转速闭环转差频率控制 ...................................................................................... 2 2.3 矢量控制 .............................................................................................................. 3 2.4直接转矩控制 ...................................................................................................... 3 2.5 基于无速度感器的交流传动控制技术 .............................................................. 5 3 同步电动机传动系统的控制策略 ................................................................................. 6 4 总结与展望 ..................................................................................................................... 8 参考文献 ............................................................................................................................ 9

交流电动机传动系统的控制技术发展综述

刘雪松 大连交通大学

1 引言

现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世，为交流传动奠定了坚实的物质基础；控制理论的逐步完善大大提高了交流传动系统性能；现代信息技术日新月异的发展，为控制系统技术的进步提供了保障；交流电机自身无可争辩的优势,是拓展交流传动系统的良好基础。

交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，被人们提了多年的“交流传动取代直流传动”的愿望正在变为现实。

交流传动系统之所以能有如此巨大进步,主要得益于电力电子学、微电子学和控制理论的惊人发展,尤其是先进控制策略的成功应用。纵观交流电机控制策略的发展，先后涌现出大量的方式方法，其中具有代表性的有：转速开环恒压频比(U/f=常数)控制、转差频率控制、矢量控制(磁场定向控制)、直接转矩控制等。此外，无速度传感器的交流传动控制技术也已成为近年研究热点。这些策略各有优缺点，在实际应用中必须根据具体要求适当选择，才能实现最佳效果，能全面了解上述各种控制策略非常重要。本文正是基于此目的，对交流电机的各种控制策略进行了较为全面的综述与比较，力图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。

2 异步电动机传动系统的控制策略

2.1 转速开环恒压频比控制

最简单的异步电动机变压变频调速系统就是恒压频比控制系统。为了满足低速时的带载能力，还须备有低频电压补偿功能。转速开环恒压频比控制调速系统通常由数字控制的通用变频器-异步电动机组成，需要设定的控制信息主要有U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。采用恒压频比控制时，只要改变设定的“工作频率”信号，就可以平滑地调节电动机转速。低频时或负载的性质和大小不同时，须靠改变U/f函数发生器的特性来补偿，使系统产生足够的最大转矩。

要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制只控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，可以满足一般平滑调速的需要，但静、动态性

能都有限，性能不高，如果要提高性能，在对动态性能要求不高的情况下，可以采用转速闭环转差频率控制系统。

图2-1 恒压频比控制调速系统中变频器的基本控制作用

2.2转速闭环转差频率控制

转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，转速调节器的输出应该是转矩给定的信号。如果保持气隙磁通Φ不变，异步电动机的转矩就近似与转差率频率ω成正比，因而控制转差角频率ω就能代表控制转矩。因此，转差频率控制系统对角速度的检查的准确性要求较高。

转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。

图2-2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图

2.3 矢量控制

1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。

图2-3 异步电动机的坐标变换结构图

３／２—三相-两相变换 VR—矢量旋转变换器 Φ—M轴与α轴（A轴）的夹角

尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确知道，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果。而且，采用普通PI 调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差。 2.4直接转矩控制

针对矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制方法，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模

型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

图2-4 近似圆形磁链控制系统框图

直接转矩控制从一诞生，就以新颖的控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注，各国学者在理论探讨和实验研究上都做了大量工作，出现了各种各样的控制方案。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本采用近似圆磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量,这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况(无零矢量作用时)，转矩脉动、噪声都比较大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆方案则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆方案则相反，一般用于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有T．G．Habetler等人，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中,因此研究重点并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出的无差拍预前控制法，克服了Band-Band控制开关频率可变的缺点。

直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 2.5 基于无速度感器的交流传动控制技术

一般而言，高性能的交流调速系统离不开速度的闭环控制。然而，速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低及其性能易受工作环境影响等缺点。因此，无速度传感器传动控制技术不仅是现代交流传动控制的一个重要研究方向，而且它已成为当前研究的热点。

无速度传感器控制技术发展于常规带速度传感器的传动控制，其核心是如何准确地获取电机的转速信息，解决问题的出发点是利用测量到的定子电流、电压等信号综合电机转速。目前代表性的方案有：

(1)模型参考自适应系统法(MRAS)，是将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的方程作为可调模型，而且两个模型具有相同物理意义的输出量(如转子磁通、反电势或无功功率)。利用两个模型输出量构成的误差，采用比例积分自适应律实时调节可调模型的参数(转速)，以实现辨识转速的目的。依据模型输出量的不同，模型参考自适应系统法又可分为基于转子磁通估计法、基于反电势估计法和基于无功功率估计法。其中，基于转子磁通估计法由于采用电压模型为参考模型，引入了纯积分环节,使得低速时转速估计的精度变差。而基于反电势估计法和基于无功功率估计法是基于转子磁通估计法的改进，前者避免了纯积分环节，但低速性能受定子电阻的影响；后者消除了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。但是MRAS以参考模型准确为基础，参考模型和可调模型都与电机参数有关，参数的准确程度直接影响到速度辨识和控制系统工作的成效。此外，MRAS 中Popov超稳定性准则仅保证了状态和速度估计的稳定性与渐进收敛性，并不能使速度估计值与实际值在动态过程中保持一致。所以，动态过程中MRAS 速度估计仍然是有差估计。

图2-5 基于模型参考自适应系统（MRAS）用PI闭环控制构造角速度的原理框图

(2)瞬时转速估计法，主要包括基于转子磁通估计和基于转子反电势估计。它们都以电机模型为基础，而且以完全知道电机参数为前提。这种方法算法简单，但无任何误差校正环节，抗干扰性能差，对电机参数变化敏感，尤其是低速时定子电阻变化的影响较为严重。

(3)PI控制器法，利用电机某些量的误差项，通过PI调节器获得转速信息。T．Ohtani采用了转矩电流的误差项，而M．Tsuji则采用了转子q轴磁通的误差项。此方法利用了自适应思想，鲁棒性上较瞬时转速估计法强，是一种结构简单、性能良好的速度估计法。

(4)扩展卡尔曼滤波法[9]，是将电机转速视为一个状态变量，将原状态向量增广，得到一个新的5阶非线性状态方程表示的电机模型，采用扩展卡尔曼滤波法在每一估计点将模型线性化来估计转速。这种方法可有效抑制噪声干扰，提高转速估计的准确度。但是, 估计精度同样受电机参数变化的影响，而且存在计算量太大的缺点，即使在采用降阶模型的情况下这一问题仍然突出。

(5)基于神经网络的方法[10]，主要是受MRAS速度估计的启发，用神经网络替代电流模型转子磁链观测器，用误差反传算法取代比例积分自适应律进行转速估计，网络的权值为电机参数。网络无需事先离线学习与训练，在线学习的过程就是速度估计过程。目前，基于神经网络的转速估计方法尚处于起步阶段，其理论研究和企业应用尚不成熟，各种方法仍处在不断探索与完善之中。

尽管目前已有很多方法可以实现速度辨识，但仍存在许多问题待解决，如系统精度、复杂性和可靠性之间的矛盾，低速性能的提高等。今后，无速度传感器控制的研究方向应为：提高转速估计精度的同时改进控制性能，增强系统抗参数变化、抗噪声干扰的鲁棒性，降低系统的复杂性，追求简单性和可靠性。

3 同步电动机传动系统的控制策略

同步电动机的特点是转速与电源频率严格同步，其转子的转速等于旋转磁场的转速，转差Δω恒等于零，没有转差功率。因此，改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速，从控制方式上又可分为他控式变频调速和自控式变频调速。

同步电动机控制策略是异步电动机控制策略的一种特例，其变压变频的原理、方法和装置均与异步电动机基本相同。它也可以象异步电动机那样采用开环恒压频比控制，用和异步电动机传动系统一样的独立的变压变频装置供电。这种控制方式多用于化纺工业的小容量多电机传动系统，但存在同步电动机转子振荡和失步的隐患，用途

有限。同步电动机矢量控制系统为自控式变频调速，其性能已达到并超过了直流调速系统的水平，所以在高性能传动系统中得到普遍应用。

图3-1 多台同步电动机的恒压频比控制调速系统

MS—永磁同步电动机群

与异步电动机矢量控制相比，同步电动机矢量控制有许多不同，主要表现在：①异步电动机矢量控制以转子磁链为基准，对于小容量同步电机矢量控制传动可采用转子磁链定向，但大中容量的同步电动机矢量控制传动则均采用气隙磁链定向；②同步电动机的磁链主要靠励磁电流建立和控制，异步电动机转子电流和磁链靠感应产生，无须外加励磁，省去励磁装置；③同步电动机定子电流的磁化分量用于控制电动机功率因数及校正磁链的动态偏差，异步电动机的功率因数由电动机参数和负载情况决定，不能控制，定子电流磁化分量用于建立和控制电机磁链；④同步电动机d、q轴磁路不对称，增加了矢量控制计算的复杂性，且定向复杂。同步电动机矢量控制系统不但比异步电动机矢量控制系统复杂，异步电机矢量控制存在的问题,在同步电机矢量控制中同样存在，而且气隙磁链定向方式属于静态解耦控制。

针对同步电机矢量控制存在的缺点与不足，近年电工界又进行了广泛深入的研究，试图将各种控制理论方法应用于同步电机传动系统，以改善性能。如将鲁棒控制、滑模控制、自适应控制、智能控制应用于同步电动机传动系统的速度或位置控制[11]-[12],以改善系统对参数变化及各种不确定性干扰的适应性，使系统在较宽的参数变化范围内及各种不确定性影响情况下仍具有优良的动、静态性能；将直接转矩控制、非线性控制理论应用于同步电动机转动系统[13]-[14]，利用控制理论或技术本身具有的优点改善系统性能。但是，目前对同步电动机控制策略的研究还不如对异步电动机控制的研究那样深入、充分，除传统的矢量控制系统已得到应用外，其它的系统都只是停留在理论探索或实验阶段，尚未得到应用;而且象异步电动机的各种控制策略一样，现有的各种

同步电动机传动系统都存在不足，较复杂且计算量大，系统性能很大程度上依赖于控制用电子器件的高速化。

4 总结与展望

(1)由于各种控制策略各有优缺点，在实际应用中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以取得最佳性能，不可千篇一律。

(2)交流传动发展到今天，在控制策略方面虽已取得了很多非常有用的成果，但是仍然很不完善，存在许多问题待解决。今后很长一段时间内，关于交流传动控制策略的研究应主要围绕以下几个方面展开：

①研究具有较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰，且算法简单的新型控制策略；

②研究具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、设计理论； ③研究高性能的无速度传感器控制策略。

参考文献

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