論交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展

蘇得喜

珠海凱邦電機(jī)制造有限公司 廣東珠海 519060

與直流電機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)是多變量，強(qiáng)耦和的非線形系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)矩控制非常困難。20世紀(jì)70年代德國(guó)工程師F.Blaschke首先提出異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論來(lái)解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。1985年，德國(guó)的Depenbrock教授提出了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。近年來(lái)，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不斷發(fā)展，且有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，各種控制方法和器件不斷出現(xiàn)。

1 交流電機(jī)的控制算法

1.1 基于交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制方法

穩(wěn)態(tài)模型控制方法中包含開(kāi)環(huán)恒比控制和閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制兩種。開(kāi)環(huán)恒比控制的基礎(chǔ)是變壓變頻控制方式，并且不帶速度反饋開(kāi)環(huán)控制。此種方法是針對(duì)于恒壓變頻方式下產(chǎn)生的磁路飽和而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象研發(fā)的。它的有點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，對(duì)于運(yùn)算速度要求不高。缺點(diǎn)就是對(duì)于調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能方面不夠高，在啟動(dòng)時(shí)必須給定積分環(huán)節(jié)來(lái)抑制電流的沖擊，另外在低頻時(shí)需要通過(guò)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)轉(zhuǎn)矩不足的特性。閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制針對(duì)于開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩不足的方面進(jìn)行改良，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的直接控制。此種算法適合于電機(jī)在轉(zhuǎn)差率較小的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行。它的優(yōu)點(diǎn)就是提高了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，但是并不能真正控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩。

1.2 基于交流電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的控制方法

高動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，把變量的定子電壓和頻率轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)速和磁鏈，目前有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種比較成熟的控制方法。

（1）矢量控制新技術(shù)。磁通的快速控制：在直接磁場(chǎng)定向矢量控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，利用磁鏈預(yù)測(cè)值進(jìn)行磁通快速控制的方法。參數(shù)辨識(shí)和調(diào)節(jié)器自整定：基于模型參考自適應(yīng)算法的一慣性系統(tǒng)及二慣性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)的辨識(shí)方法。非線性自抗擾控制器：在異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程中，用自抗擾控制器取代經(jīng)典PID控制器進(jìn)行控制。矩陣式變換器：一種適用于矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組合控制策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制和異步電動(dòng)機(jī)的直接磁場(chǎng)定向矢量控制。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制新技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制是基于離散化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)提出來(lái)的一種控制方法。無(wú)差拍控制可以在一個(gè)控制周期內(nèi)，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)、靜態(tài)誤差，消除由于使用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)可以運(yùn)行在極低速下，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)矩（磁鏈）跟蹤預(yù)測(cè)控制方法認(rèn)為磁鏈模值已經(jīng)被準(zhǔn)確控制或只發(fā)生緩慢地變化，沒(méi)有考慮磁鏈模值的控制問(wèn)題。對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩都進(jìn)行了預(yù)測(cè)跟蹤控制，控制效果明顯優(yōu)于單純的轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測(cè)控制。直接解耦控制（DDC）有兩種方法，一種是預(yù)測(cè)直接解耦控制（P-DDC），另一種是使用PI調(diào)節(jié)器的直接解耦控制（PI-DDC）。

PI-DDC控制方法具有很好的動(dòng)、靜態(tài)特性，能夠在很大程度上消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即使在極低速條件下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也非常小。PI調(diào)節(jié)器控制是使用PI調(diào)節(jié)器輸出定子電壓矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其中磁鏈調(diào)節(jié)器AψR(shí)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR都使用PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器給出相應(yīng)定子電壓分量，提高控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的魯棒性，同時(shí)也減少了控制算法的計(jì)算量。間接轉(zhuǎn)矩控制是通過(guò)計(jì)算相鄰控制周期的磁鏈增量來(lái)決定定子電壓空間矢量，并且在保證磁鏈軌跡為圓形的條件下，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

2 交流電機(jī)控制技術(shù)及電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展：（1）矢量控制技術(shù)的發(fā)展：采用高速電動(dòng)機(jī)控制專用DSP、嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)更實(shí)用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法和精確的磁通觀測(cè)器，使變頻器獲得高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載能力，將是未來(lái)矢量控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。無(wú)速度傳感器的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制也是開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于它的高效、高功率因數(shù)、高可靠性而得到越來(lái)越多的關(guān)注。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制和正弦波電流控制，在應(yīng)用方面已趨成熟。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在許多領(lǐng)域應(yīng)用也取得了很多進(jìn)展。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破。一是交流調(diào)速向高頻化方向發(fā)展，進(jìn)一步提高控制性能，消除脈動(dòng)，其中空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）和軟關(guān)斷技術(shù)又是重點(diǎn)。二是與智能控制相結(jié)合，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個(gè)根本的提高，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的未來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，非線性解耦控制、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、學(xué)習(xí)控制、模糊控制、魯棒控制、自適應(yīng)及滑膜變結(jié)構(gòu)控制等已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用于交流電機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)與其他學(xué)科、理論的交叉，交流調(diào)速技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。與經(jīng)典控制理論相比，人工智能控制方法不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，在一定程度上繼承了人腦思維的特點(diǎn)，具有非常強(qiáng)的魯棒性，非常適宜于解決非線性、不確定性、不精確性問(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，將人工智能技術(shù)與交流傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，將會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行性能。