異步電機(jī)控制方法對(duì)比分析

胡利民

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

近些年來(lái)，隨著電力電子、計(jì)算機(jī)控制以及矢量控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，交流調(diào)速獲得了巨大的技術(shù)支持，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)取代了直流調(diào)速系統(tǒng)［1］。交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)大致可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是標(biāo)量控制系統(tǒng)，主要是變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差頻率控制。另一類(lèi)是矢量控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無(wú)速度傳感器矢量控制。

1 標(biāo)量控制

1．1 恒壓頻比控制(V/f)

交流異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，總是希望保持每極磁通量Φm為額定值不變，這樣鐵芯才能工作在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。電源頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即在改變電源頻率時(shí)，可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)只有控制電源電壓與變化的頻率的比值為恒定(V/f恒定)，才能確保電動(dòng)機(jī)的磁通Φm基本恒定。電動(dòng)機(jī)定子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

式中Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值;

f1—電源頻率;

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);

kN1—基波繞組系數(shù);

Φm—每極氣隙磁通量。

由式(1)可知，在控制電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，保持Eg/f1恒定，就可以維持磁通恒定。有三種不同方式的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制。

(1)恒壓頻比U1/f1控制，U1為定子端電壓，這種方式最容易實(shí)現(xiàn)，能夠滿(mǎn)足一般調(diào)速要求，其缺點(diǎn)是低速帶載能力差，需要對(duì)定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償。

(2)恒Eg/f1控制，Eg是氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它以對(duì)恒壓頻比實(shí)行電壓補(bǔ)償為目標(biāo)，穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能優(yōu)于恒壓頻比U1/f1控制。這種控制方式的缺點(diǎn)是機(jī)械特性非線(xiàn)性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力不強(qiáng)。

(3)恒Er/f1控制，Er是氣隙磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種控制方式可以得到和直流勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的機(jī)械特性，從而使高性能調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)。但是它的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

以上的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制都是基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制方案，多用于動(dòng)態(tài)性能不高的場(chǎng)合。而且是在基頻以下進(jìn)行的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，如在基頻以上則采用電壓恒定只提高頻率的恒功率弱磁調(diào)速［2］。

1．2 轉(zhuǎn)差頻率控制

前面所述的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制可以滿(mǎn)足一般平滑調(diào)速要求，但是其動(dòng)、靜態(tài)性能差，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)大都服從基本運(yùn)動(dòng)方程式

由上式可知，控制電磁轉(zhuǎn)矩Te就能控制dω/dt，也就是速度的變化率，就能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，如果s很小，可以得到電磁轉(zhuǎn)矩的近似關(guān)系式

上式表明，保持氣隙磁通Φm不變，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率ωs成正比。也就是說(shuō)，控制異步電機(jī)中的ωs就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，就和直流電機(jī)中控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩一樣。

轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是在ωs≤ωsm的范圍內(nèi)，按照式

控制定子電流，就能保持氣隙磁通Φm恒定，電磁轉(zhuǎn)矩Te基本上與ωs成正比。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速加、減速平滑，系統(tǒng)容易穩(wěn)定，而且動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程快，系統(tǒng)無(wú)靜差?；旧暇邆淞酥绷麟姍C(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。但實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)水平，主要原因有以下幾個(gè)方面［3，4］:

(1)只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)按照(4)式控制定子電流才能保持磁通Φm恒定。而在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，Φm肯定不恒定。

(2)如果按照(4)式推導(dǎo)出只控制定子電流幅值，不控制相位，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)過(guò)程變緩，另外函數(shù)發(fā)生器還存在一定的誤差。

(3)系統(tǒng)很大程度上依賴(lài)于轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的精度，很小的轉(zhuǎn)速誤差會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)差頻率誤差。

2 矢量控制

2．1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制(FOC)

其基本控制框圖如圖1所示，由框圖可以看出此系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相位的觀(guān)測(cè)。

圖1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制相對(duì)于標(biāo)量控制的優(yōu)點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，使其動(dòng)態(tài)性能與直流電機(jī)的調(diào)速性能差不多。

(2)在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)能保持磁通恒定。能夠抑制較大的暫態(tài)電流。

(3)可在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、反制動(dòng)狀態(tài)以及磁弱狀態(tài)進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)矩控制。

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的缺點(diǎn):

(1)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)影響較大，另外轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)還受溫度、頻率等因素的影響，因此要作出精確的估計(jì)是很困難的。

(2)設(shè)計(jì)合適的PI調(diào)節(jié)器很困難，電機(jī)模型參數(shù)影響其設(shè)計(jì)是否合理。

2．2 轉(zhuǎn)差矢量控制

轉(zhuǎn)差矢量控制是一種間接磁場(chǎng)定向控制，其系統(tǒng)框圖如圖2所示，在保證轉(zhuǎn)子磁鏈的大小恒定不變的前提條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成比例，相應(yīng)的控制方程為:

根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)矩推算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差角頻率和計(jì)算動(dòng)態(tài)過(guò)程中為保持轉(zhuǎn)子磁鏈相位不變的附加轉(zhuǎn)差角頻率，并測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，以三者之和的積分進(jìn)行磁場(chǎng)定向。其優(yōu)點(diǎn)是不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，不需要進(jìn)行繁瑣的坐標(biāo)變換，調(diào)速范圍寬。由于轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的真正閉環(huán)控制，ωs和轉(zhuǎn)子磁鏈間又存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系，動(dòng)態(tài)性能比較差。

圖2 轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)框圖

2．3 直接轉(zhuǎn)矩控制［5］(DTC)

直接轉(zhuǎn)矩控制是一種基于電機(jī)定子變量的直接控制的非線(xiàn)性控制方式，并被看作與FOC并列的控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用空間矢量分析方法，利用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Bang—Bang控制)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，瞬時(shí)控制電動(dòng)力矩和定子磁通幅值。其基本的控制框圖如3圖所示。其中Cφ、CT為遲滯比較器的輸出，由此檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，發(fā)出脈沖信號(hào)。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn):

(1)控制算法簡(jiǎn)單，硬件易實(shí)現(xiàn)。只受電機(jī)模型Rs參數(shù)影響，魯棒性好。

(2)逆變器件的開(kāi)通和關(guān)斷進(jìn)行綜合控制實(shí)現(xiàn)最小的開(kāi)關(guān)頻率，減小了器件損耗。

(3)不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行解耦，計(jì)算簡(jiǎn)單。

(4)直接以轉(zhuǎn)矩作為被控量，響應(yīng)迅速，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)的高動(dòng)、靜態(tài)性能。調(diào)節(jié)滯環(huán)調(diào)節(jié)器的環(huán)寬可以控制轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍。

直接轉(zhuǎn)矩控制的缺點(diǎn):

(1)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率在滯環(huán)調(diào)節(jié)器固定環(huán)寬的影響下，取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可能引起噪聲，EMC以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

(2)轉(zhuǎn)矩的頻譜包含了大量的不可預(yù)測(cè)的諧波，這可能導(dǎo)致機(jī)械共振和失誤。

(3)由于開(kāi)關(guān)頻率在極低速時(shí)可能下降到十幾Hz，會(huì)產(chǎn)生較高的聲頻噪聲，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩和磁通控制困難。

(4)無(wú)法對(duì)電流進(jìn)行直接控制，具有大的電流紋波，在電磁兼容性能不好。

(5)在相同的采樣頻率下，轉(zhuǎn)矩紋波通常都會(huì)比采用PWM控制方式的多。

(6)開(kāi)關(guān)器件的結(jié)溫相比與采用PWM技術(shù)而言很難預(yù)測(cè)，影響功率變換器的設(shè)計(jì)。

2．4 無(wú)速度傳感器矢量控制［6，7］

無(wú)速度傳感器的高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是在常規(guī)帶速度傳感器的控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。其控制的核心就是轉(zhuǎn)速信號(hào)的觀(guān)測(cè)，獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)的方法基本上有以下三條思路:

(1)基于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速

這種思路主要包括兩種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，一種是基于轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法，另一種方法是基于轉(zhuǎn)子磁通計(jì)算轉(zhuǎn)速，這兩種方法主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、直觀(guān)性強(qiáng)，速度估計(jì)實(shí)時(shí)性較好。缺點(diǎn)是基于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)的估測(cè)，精度不高。對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感，抗干擾能力差。

(2)基于PI閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號(hào)

這種思路利用PI閉環(huán)控制構(gòu)造轉(zhuǎn)速，包括轉(zhuǎn)矩電流或轉(zhuǎn)子磁通的誤差項(xiàng)，通過(guò)自適應(yīng)控制器去調(diào)整這個(gè)誤差項(xiàng)以獲取轉(zhuǎn)速信息。這種無(wú)傳感器控制系統(tǒng)共同的優(yōu)點(diǎn)是:自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單易行。其缺點(diǎn)是:PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，辨識(shí)精度受磁鏈觀(guān)測(cè)性能影響較大。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度依賴(lài)于實(shí)際調(diào)試，同樣型號(hào)的變頻器用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不一樣的負(fù)載機(jī)械時(shí)，必須重新調(diào)試。

(3)利用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的特征提取轉(zhuǎn)速信號(hào)

無(wú)論是基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速，還是基于PI控制的閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速，都需要電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)做鋪墊，這樣就必不可少地受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響。為了克服速度估計(jì)中對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性，可以從電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上的特征出發(fā)，設(shè)法找到與轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息，從而提取轉(zhuǎn)速信號(hào)。在這條途徑上的研究成果有:

——利用基于齒諧波信號(hào)中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率成分來(lái)提取轉(zhuǎn)速信息。但是此方法廣泛采用快速傅里葉變換技術(shù)、自相關(guān)功頻譜估計(jì)法，從而造成低速時(shí)估計(jì)誤差大，實(shí)時(shí)處理能力差，易受噪聲干擾。

——給定子繞組注入一個(gè)三相平衡的高頻電壓信號(hào)，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的凸極，通過(guò)檢測(cè)凸極位置來(lái)獲取轉(zhuǎn)速信息。這種方法不依賴(lài)電機(jī)參數(shù)和工況，低速估計(jì)準(zhǔn)確，此法在無(wú)速度傳感器控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。另外還有漏感脈動(dòng)檢測(cè)法、阻抗差異定向法、飽和凸極檢測(cè)法等。

3 結(jié)論

可以說(shuō)隨著電力電子器件及其技術(shù)的發(fā)展，矢量控制的異步電機(jī)能實(shí)現(xiàn)和直流電機(jī)相媲美的高性能調(diào)速。矢量控制在交流調(diào)速領(lǐng)域中已獲得了廣泛應(yīng)用，然而為了提高其控制性能，在很多方面仍要進(jìn)行深入的研究，例如電機(jī)參數(shù)在線(xiàn)識(shí)別、低速或是零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)等。未來(lái)交流電機(jī)控制的發(fā)展方向是綜合利用各種智能控制，取長(zhǎng)補(bǔ)短相互融合構(gòu)成更優(yōu)良的控制系統(tǒng)。

［1］馮垛生，曾岳南．無(wú)速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［3］陳伯時(shí)，陳敏遜．交流調(diào)速系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［4］李崇堅(jiān)．交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的探討［J］．電力電子，2004，(1):20 －23．

［5］李夙．異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［6］王文森．基于PI自適應(yīng)法的無(wú)速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17(1):1 －6．

［7］宮明玉，廖曉鐘，冬雷．無(wú)速度傳感器異步電機(jī)按定子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)［J］．電氣傳動(dòng)，2005，35(7):20－23．