交流電機(jī)拖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

蔣 濤

（四川師范大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611745）

1 交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)概述

眾所周知，交流電機(jī)按工作方式和運(yùn)行速度來(lái)分可以分為感應(yīng)(異步)電機(jī)和同步電機(jī)兩大類，其控制的方法各不相同。隨著繼電、接觸器在電氣系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，感應(yīng)電機(jī)的一些簡(jiǎn)單控制，如變極調(diào)速、分級(jí)分檔的調(diào)壓調(diào)速等。

感應(yīng)電機(jī)從轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)上又可以分為鼠籠型(簡(jiǎn)稱籠型)轉(zhuǎn)子和繞線型(簡(jiǎn)稱線型)轉(zhuǎn)子兩類?；\型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)比線型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī)簡(jiǎn)單，但是由于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子端的電磁關(guān)系不能夠直接得到，因此影響了其實(shí)際的控制效果和運(yùn)用；線型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子端的情況易于檢測(cè)和控制，但是其結(jié)構(gòu)和接線又比籠型轉(zhuǎn)子的復(fù)雜。總之，二者各有千秋。近年來(lái)，估計(jì)理論在籠型感應(yīng)電機(jī)的控制上屢有應(yīng)用：主要是通過狀態(tài)空間理論中的估計(jì)方法來(lái)對(duì)籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子端的情況進(jìn)行估計(jì)，取得了很好的控制效果。

2 交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析與應(yīng)用

在電力電子器件出現(xiàn)以后，特別是近十幾年以來(lái)，電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)相互結(jié)合使交流感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速得到了很大的發(fā)展。目前，主要的交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要有改變電壓頻率的變頻調(diào)速系統(tǒng)，以坐標(biāo)變換和觀測(cè)器為主要控制手段的向量控制系統(tǒng)，以及直接和間接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這些調(diào)速控制系統(tǒng)業(yè)已形成了一些成型的產(chǎn)品，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

從感應(yīng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的公式知道，通過改變電機(jī)定子電源的頻率，不但能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)電機(jī)頻率的調(diào)節(jié)，而且可以得到很多其他調(diào)速方法達(dá)不到的調(diào)速效果。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速已經(jīng)成為當(dāng)前感應(yīng)電機(jī)調(diào)速的主流，有相當(dāng)多的學(xué)者和工程師在這方面進(jìn)行了研究和實(shí)踐，也有不少成熟的產(chǎn)品。

電壓頻率的變化和調(diào)節(jié)可以有兩個(gè)方向：一個(gè)是在額定頻率基礎(chǔ)上降低頻率，一個(gè)是在額定頻率基礎(chǔ)上升高頻率。額定頻率稱為基頻，因此，在額定頻率基礎(chǔ)上降低頻率的調(diào)速方法稱為基頻向下調(diào)速，在額定頻率基礎(chǔ)上升高頻率的調(diào)速方法稱為基頻向上調(diào)速。一般認(rèn)為，在電機(jī)調(diào)速時(shí)要保持電機(jī)的主磁通不變。這是考慮到對(duì)于電機(jī)鐵芯利用和能量方面的原因。由感應(yīng)電機(jī)定子端的電勢(shì)公式：E1=4.44f1N1kN1覬m

可知，如果在變頻調(diào)速時(shí)單方面改變頻率的大小則不能保證電機(jī)的主磁通不變，因此在變頻調(diào)速時(shí)必須考慮這個(gè)問題。①基頻向下調(diào)速。在基頻向下調(diào)速的同時(shí)要保證電機(jī)的主磁通不變，則需要同時(shí)使電機(jī)定子的電動(dòng)勢(shì)下降，但是由于電機(jī)定子的電動(dòng)勢(shì)不好控制，所以在精度要求不高時(shí)，可以認(rèn)為定子電壓與電動(dòng)勢(shì)基本相等，即在降低定子頻率的同時(shí)，也成比例地降低定子電壓，從而保證近似恒磁通調(diào)速。②基頻向上調(diào)速。在基頻向下調(diào)速的同時(shí)適當(dāng)調(diào)整定子端的參數(shù)，可以保證電機(jī)的主磁通不變。在基頻向上調(diào)速時(shí)，如果也要實(shí)現(xiàn)恒磁通調(diào)速，就必須使電機(jī)定子端的電壓升高。但是這樣一來(lái)，電機(jī)的能耗必然加大，一般不允許這樣操作。因此，在基頻向上調(diào)速時(shí)只能保持定子電壓維持額定值的情況。隨著頻率的不斷升高，定子電壓維持恒定，電機(jī)主磁通只能逐漸下降——這是一種“弱磁”的調(diào)速方式。

2.2 感應(yīng)電機(jī)的向量控制系統(tǒng)

感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單的調(diào)壓調(diào)速和變極調(diào)速相比，在調(diào)速性能上有了很大提高。但是這樣的調(diào)速仍然是基于感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因此，雖然在調(diào)速的靜態(tài)特性上改善了性能，但是在調(diào)速過程中的動(dòng)態(tài)情況仍然存在一些問題，例如，系統(tǒng)的啟動(dòng)以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性上就難以取得令人滿意的效果，與直流電機(jī)的調(diào)速情況相差較大。為了解決這個(gè)問題，很多電機(jī)研究學(xué)者和工程師進(jìn)行了很多研究。在20世紀(jì)70年代，德國(guó)西門子公司的研究人員提出了感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制方法，開創(chuàng)了感應(yīng)電機(jī)向量控制的新局面。

為了提高感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，這是一個(gè)高階次、強(qiáng)耦合、非線性的數(shù)學(xué)模型，使用普通的控制方法很難進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。但如果將感應(yīng)電機(jī)通過適當(dāng)?shù)淖儞Q把它等效為一個(gè)直流電機(jī)，使用控制直流電機(jī)的方法來(lái)控制感應(yīng)電機(jī)就可以獲得較為理想的控制效果，這就是感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的微量控制系統(tǒng)。

磁場(chǎng)定向的向量控制系統(tǒng)通過坐標(biāo)變換將三相感應(yīng)電機(jī)變換為一個(gè)兩相的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，然后在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上對(duì)其進(jìn)行控制，這樣就達(dá)到了使用直流電機(jī)控制方法來(lái)控制三相交流電機(jī)的目的。

若采用兩個(gè)控制器分別對(duì)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，就必須對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)圖做進(jìn)一步簡(jiǎn)化，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡量不受轉(zhuǎn)子磁鏈的影響，基本實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的控制模式。要實(shí)現(xiàn)這樣的控制只需要在電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制一路中除以轉(zhuǎn)子磁鏈這個(gè)參數(shù)就可以了。轉(zhuǎn)子磁鏈的獲得有兩種方法：一種是直接的方法；一種是間接的方法。

2.3 感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一種繼向量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的一種感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)與向量控制系統(tǒng)不同，它不使用坐標(biāo)變換和解耦的方法，通過觀測(cè)感應(yīng)電機(jī)的定子電壓和電流計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。目前直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)，大多都是采用了將磁鏈定向與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的方法，低速時(shí)采用磁鏈定向向量控制，高速時(shí)采用直接轉(zhuǎn)矩控制。但無(wú)論如何，整個(gè)控制過程還是要依賴轉(zhuǎn)子的參數(shù)估計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)相對(duì)來(lái)講比較敏感。

2.4 其他先進(jìn)的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)

近年來(lái)，由于各種控制理論被廣泛地應(yīng)用到電機(jī)的向量控制以及估計(jì)中來(lái)，形成了各種先進(jìn)的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)，盡管這些系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中尚有一段距離，但是在電機(jī)控制的理論上很有新意。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是智能控制中非常有代表性的一種控制思想，它是通過神經(jīng)元以一定形式連接而成的控制系統(tǒng)。在對(duì)感應(yīng)電機(jī)的控制中可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，再通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)歸納出輸入偷出的關(guān)系，通常采用前饋多層模型方法。

3 結(jié)語(yǔ)

在感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速測(cè)量和反饋是必不可少的，這是對(duì)于精度的必要保證。但是，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，安裝轉(zhuǎn)速測(cè)量的裝置又給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)了不便檢修和體積增大、可靠性降低的問題，同時(shí)也增加了運(yùn)行的成本。為了解決這些問題，從事電機(jī)控制的學(xué)習(xí)和工程技術(shù)人員研究出了無(wú)速度傳感器的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)。不用位置傳感器并不是不需要速度信號(hào)，而是通過對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測(cè)和估計(jì)來(lái)代替?zhèn)鞲衅?，從而?gòu)成無(wú)速度傳感器的感應(yīng)電機(jī)向量控制系統(tǒng)。