感應(yīng)電機(jī)控制策略綜述

邢兵鎖

（安徽銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵244000）

1 引言

感應(yīng)電機(jī)由于其簡單可靠、成本低廉，在工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。但感應(yīng)電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)決定了它具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的性質(zhì)，其控制較為復(fù)雜。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展，各種通用的和高性能的交流控制策略相繼誕生并日趨成熟。

縱觀感應(yīng)電機(jī)控制策略的發(fā)展，先后出現(xiàn)各種各樣的方式方法，其中具有代表性的有：轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制與智能控制等。這些策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)具體要求適當(dāng)選擇。

2 恒壓頻比控制

交流傳動(dòng)系統(tǒng)最簡單的控制方式是開環(huán)恒壓頻比控制。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電機(jī)極對數(shù)決定，在改變頻率時(shí)，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著改變。當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即存在滑差，滑差的大小與電機(jī)負(fù)載大小有關(guān)。保持V/f恒定控制是在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比V/f為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源頻率變化時(shí)，若電動(dòng)機(jī)端電壓不隨著改變，電動(dòng)機(jī)的磁通就會(huì)出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁。磁通飽和后電動(dòng)機(jī)中將流過很大的勵(lì)磁電流；而當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁時(shí)，將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。顯然，若在電動(dòng)機(jī)變頻控制時(shí)，能保持E/f為恒定，可以維持磁通恒定。

在電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動(dòng)機(jī)的端電壓和電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢近似相等。但是在低頻時(shí)，定子電阻壓降所占比重增大，電動(dòng)機(jī)的電壓和電動(dòng)勢近似相等的條件已不滿足，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降。低速性能較差是V/f控制存在的主要問題。

除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關(guān)元件的互鎖時(shí)間是影響電動(dòng)機(jī)低速性能的重要原因。由于死區(qū)時(shí)間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓降低。死區(qū)時(shí)間造成的電壓降還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下將會(huì)引起轉(zhuǎn)速電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)變頻器不能運(yùn)行。

可以采用補(bǔ)償端電壓的方法，即在低速時(shí)適當(dāng)提升電壓V，以補(bǔ)償定子電阻壓降和開關(guān)死區(qū)時(shí)間的影響。

交流電機(jī)變頻變壓控制是基于穩(wěn)態(tài)電機(jī)模型的控制策略，通過調(diào)整輸入電壓基波的幅值和頻率控制感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。電機(jī)按其自身的自然特性變速運(yùn)行，一般調(diào)速的進(jìn)程比較慢。這種控制方法雖然簡單，但是因?yàn)橥耆豢紤]暫態(tài)過程，無法精確控制轉(zhuǎn)矩和磁通，存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高次諧波、無功功率增大等問題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)與用瞬時(shí)值控制的直流調(diào)速相比要差一些。

3 磁場定向矢量控制［1] ［3] ［4]

1971年德國學(xué)者Blaschke提出了矢量控制理論，對交流電機(jī)控制技術(shù)的研究具有劃時(shí)代的意義。其基本原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈這一旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量；另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量。然后分別對其進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁鏈和電流的連續(xù)控制。

磁場定向矢量控制相對于標(biāo)量控制的優(yōu)點(diǎn)是：①實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，使得其動(dòng)態(tài)性能近似于直流電機(jī)的調(diào)速性能；②在寬廣的調(diào)速領(lǐng)域中能保持磁通的恒定，其調(diào)速范圍一般可達(dá)l：l00以上；③即使有大轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程，電流也不會(huì)過大；④可在電動(dòng)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。

磁場定向矢量控制的缺點(diǎn)：①盡管矢量控制方法從理論上可以使異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到顯著改善，但太理論化，實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并需準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對電機(jī)的參數(shù)依賴性很大，難以保證完全解耦，使轉(zhuǎn)矩的控制效果不明顯；②從電機(jī)本身看，其參數(shù)具有一定時(shí)變性，特別是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，它隨溫度和勵(lì)磁電感的飽和而變化，矢量控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。即使電機(jī)參數(shù)與轉(zhuǎn)子磁鏈被精確知道，也只有穩(wěn)態(tài)的情況下才能實(shí)現(xiàn)解耦，弱磁時(shí)耦合仍然存在；③矢量控制理論首先是認(rèn)為電機(jī)中只有基波正序磁勢，這和實(shí)際差別不小，所以一味追求精確解耦并不一定能得到滿意的結(jié)果；④采用普通PI調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)，其性能受參數(shù)變化及各種不確定性影響嚴(yán)重，即使在參數(shù)匹配良好的條件下能取得好的性能，一旦系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或受到不確定性因素的影響，則導(dǎo)致性能變差。對磁場定向矢量控制系統(tǒng)進(jìn)一步的研究方向是克服其對電機(jī)參數(shù)（如轉(zhuǎn)子電阻）的依賴，提高系統(tǒng)的魯棒性。

4 直接轉(zhuǎn)矩控制［1] ［4] ［5]

1985年德國學(xué)者Depenbrock提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論。不同于矢量控制技術(shù)，異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法采用定子磁鏈作為被控量，對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行離散的砰一砰控制。無需將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來；而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。由于直接轉(zhuǎn)矩控制無需旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，也不需要檢測轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置和幅值，只采用定子電阻一項(xiàng)參數(shù)，因此，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，魯棒性好的特點(diǎn)。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點(diǎn)。

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，對磁鏈軌跡的控制設(shè)定有兩種模式：一個(gè)是正六邊形模式，一個(gè)是近似圓形模式。采用正六邊形磁鏈控制方案，在每六分之一周期僅使用一種非零電壓矢量，這相當(dāng)于六階梯形波逆變器供電的情況（無零矢量作用時(shí)），轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲都比較大。盡管具有控制簡單、逆變器開關(guān)頻率低等特點(diǎn)，但在性能要求較高的伺服驅(qū)動(dòng)中還很少采用，主要用于大功率傳輸系統(tǒng)。采用近似圓磁鏈的控制方案，則比較接近理想情況，電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲均很小，主要應(yīng)用于中小功率高性能調(diào)速領(lǐng)域。

直接轉(zhuǎn)矩控制的研究雖已取得了很大進(jìn)展，但是它在理論和實(shí)踐上還不夠成熟，磁鏈觀測模型在低速時(shí)精度差，砰砰控制必然引起轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。因此，如何提高系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和解決的問題。

5 反饋線性化控制［1]

上述幾種控制策略都已經(jīng)得到應(yīng)用，然而這些控制方法都只是從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦控制，沒有或較少應(yīng)用控制理論。從本質(zhì)上看，交流電機(jī)是一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，應(yīng)用非線性控制理論研究其控制策略，更能揭示問題的本質(zhì)。異步電動(dòng)機(jī)的非線性控制是通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強(qiáng)耦合的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分解為兩個(gè)獨(dú)立的線性單變量系統(tǒng)。其中，轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩階慣性環(huán)節(jié)組成；轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成。兩個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器按線性控制理論分別設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。

近年來，反饋線性化解耦方法得到了廣泛深入的研究。如采用非線性多輸入多輸出反饋線性化解耦方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速的解耦，但要用復(fù)雜的微分幾何方法求解，同時(shí)有零動(dòng)態(tài)和奇點(diǎn)問題；引入非線性狀態(tài)變換和反饋，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦控制，但是該方法理論推導(dǎo)繁瑣，算法實(shí)用性不強(qiáng)。非線性系統(tǒng)反饋線性化理論是采用坐標(biāo)變換及狀態(tài)或輸出反饋矯正非線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，如果單純地對線性化了的系統(tǒng)進(jìn)行魯棒控制器設(shè)計(jì)，并不一定能得到滿意的效果。另一方面，非線性系統(tǒng)反饋線性化的基礎(chǔ)是已知參數(shù)的電動(dòng)機(jī)模型和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的精確測量或觀測。然而，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，比如轉(zhuǎn)子發(fā)熱而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)變化，而且磁鏈觀測的準(zhǔn)確性很難保證，這些都不可避免地影響系統(tǒng)的魯棒性，甚至?xí)瓜到y(tǒng)性能惡化，因而至今尚未形成能夠取代已有控制系統(tǒng)的實(shí)用新型系統(tǒng)。

6 滑模變結(jié)構(gòu)控制［3] ［4] ［5]

交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要通過速度控制反映出來。除了要求速度控制具有精度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬以外，還要求速度控制對負(fù)載擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。由于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的運(yùn)行工況是不斷變化的，交流感應(yīng)電機(jī)本身又是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對象。這種基于經(jīng)典控制理論的控制器，在參數(shù)匹配良好的情況下可獲得較好的性能，但系統(tǒng)參數(shù)一旦發(fā)生變化，或者負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)擾動(dòng)，將導(dǎo)致控制性能下降。且因系統(tǒng)極點(diǎn)不能任意配置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗擾能力得不到很好的兼顧。滑模變結(jié)構(gòu)控制是解決上述問題的一個(gè)有效方法。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略，它與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)變化的開關(guān)特性。其主要特點(diǎn)是根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目的地使系統(tǒng)沿設(shè)計(jì)好的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡運(yùn)動(dòng)。這種滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。另外，滑模變結(jié)構(gòu)控制不需要任何在線辨識，所以很容易實(shí)現(xiàn)。

但是滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性使系統(tǒng)存在“抖振”問題，主要原因是：①對于實(shí)際的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，其控制力總是受到限制的，從而使系統(tǒng)的加速度有限；②系統(tǒng)的慣性、切換開關(guān)的時(shí)間空間滯后以及狀態(tài)檢測的誤差，特別對于計(jì)算機(jī)的采樣系統(tǒng)，當(dāng)采樣時(shí)間較大時(shí)，形成“準(zhǔn)滑?！钡?。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中抖振必定存在，且無法消除它，這就限制了它的應(yīng)用。

7 智能控制［2]

伴隨和推進(jìn)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無傳感器控制技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展的是人工智能控制。智能控制引入交流傳動(dòng)控制是由于它能擺脫對控制對象模型的依賴，能夠在處理不精確性和不確定性的問題中獲得可處理性、魯棒性。首先，它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架，不依賴或不完全依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，只按實(shí)際效果進(jìn)行控制。其次，智能控制器也具有非線性特性。利用計(jì)算機(jī)控制的便利，可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)切換控制器的結(jié)構(gòu)，用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能。在復(fù)雜系統(tǒng)中，智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是該學(xué)科發(fā)展和研究的關(guān)鍵技術(shù)。

模糊控制是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制規(guī)則決策表，采用人類思維中模糊量、控制量，由模糊推理導(dǎo)出。早期的模糊控制器只是以取代傳統(tǒng)PID控制器為目的，由于沒有積分作用，在傳動(dòng)系統(tǒng)有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)靜差。而增加了積分效應(yīng)的模糊控制器，雖相當(dāng)于變系數(shù)PID調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)無靜差控制，但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)軌跡不能被定量地控制，只能得到模糊控制特性等。因此，只有與其它控制方法相結(jié)合，模糊控制系統(tǒng)才能取得優(yōu)良性能，如采用模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)，模糊在線調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差增益，使系統(tǒng)具有高性能特性。將模糊滑?？刂破饔糜诟袘?yīng)電機(jī)的位置控制，使得系統(tǒng)性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊控制和滑?？刂频?。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是人腦神經(jīng)系統(tǒng)的某種簡化抽象和模擬，由大量簡單的神經(jīng)元互相連接形成的高度復(fù)雜的非線性系網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有逼近任意非線性函數(shù)的功能、高容錯(cuò)性、多輸入輸出特性，易用于多變量系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在交流傳動(dòng)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：①代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制；②將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于電機(jī)參數(shù)的在線辨識、跟蹤，并對磁通及轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；③感應(yīng)電機(jī)矢量控制需要知道轉(zhuǎn)子磁通的瞬時(shí)幅度與位置，無速度傳感器矢量控制還需知道轉(zhuǎn)速，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來精確估計(jì)轉(zhuǎn)子磁通幅值、位置及轉(zhuǎn)速；④結(jié)合模型參考自適應(yīng)控制，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用作自適應(yīng)速度控制器。

雖然將智能控制用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)性能（如穩(wěn)定性和魯棒性）缺少客觀的理論預(yù)見性。另外，交流傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，計(jì)算量大，對硬件的條件要求高，它的實(shí)現(xiàn)也依賴于控制用電力電子器件的發(fā)展。

8 結(jié)束語

電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展給電機(jī)控制行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。目前廣泛應(yīng)用的還是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制。磁場定向矢量控制正在得到重視，發(fā)展迅速。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制將會(huì)是感應(yīng)電機(jī)控制策略的發(fā)展與運(yùn)用方向。

［1] 王成元等.電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)［M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2] 李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論［M] .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3] 譚燕娃等.現(xiàn)代交流電機(jī)控制的現(xiàn)狀與展望［J] .大電機(jī)技術(shù)，2003，（2）.

［4] 張凌云等.先進(jìn)控制理論及策略在電機(jī)控制中的應(yīng)用［J] .電機(jī)技術(shù)，2007.

［5] 粟梅，覃恒思.基于雙級矩陣變換器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)［J] .電力電子技術(shù)，2008，42（3）：49－51.