交流電機拖動的運動控制系統

蔣 濤

（四川師范大學成都學院，四川 成都 611745）

1 交流電機拖動系統概述

眾所周知，交流電機按工作方式和運行速度來分可以分為感應(異步)電機和同步電機兩大類，其控制的方法各不相同。隨著繼電、接觸器在電氣系統中的廣泛應用，感應電機的一些簡單控制，如變極調速、分級分檔的調壓調速等。

感應電機從轉子的結構上又可以分為鼠籠型(簡稱籠型)轉子和繞線型(簡稱線型)轉子兩類。籠型轉子的感應電機結構比線型轉子的感應電機簡單，但是由于運行時轉子端的電磁關系不能夠直接得到，因此影響了其實際的控制效果和運用；線型轉子的感應電機運行時轉子端的情況易于檢測和控制，但是其結構和接線又比籠型轉子的復雜。總之，二者各有千秋。近年來，估計理論在籠型感應電機的控制上屢有應用：主要是通過狀態空間理論中的估計方法來對籠型感應電機轉子端的情況進行估計，取得了很好的控制效果。

2 交流感應電機調速系統的性能分析與應用

在電力電子器件出現以后，特別是近十幾年以來，電力電子技術和計算機技術、控制技術相互結合使交流感應電機的調速得到了很大的發展。目前，主要的交流感應電機調速系統主要有改變電壓頻率的變頻調速系統，以坐標變換和觀測器為主要控制手段的向量控制系統，以及直接和間接轉矩控制系統，這些調速控制系統業已形成了一些成型的產品，在很多領域得到了廣泛的應用。

2.1 感應電機變頻調速系統

從感應電機同步轉速的公式知道，通過改變電機定子電源的頻率，不但能夠實現感應電機頻率的調節，而且可以得到很多其他調速方法達不到的調速效果。隨著電力電子技術、控制技術以及電子計算機技術的發展，變頻調速已經成為當前感應電機調速的主流，有相當多的學者和工程師在這方面進行了研究和實踐，也有不少成熟的產品。

電壓頻率的變化和調節可以有兩個方向：一個是在額定頻率基礎上降低頻率，一個是在額定頻率基礎上升高頻率。額定頻率稱為基頻，因此，在額定頻率基礎上降低頻率的調速方法稱為基頻向下調速，在額定頻率基礎上升高頻率的調速方法稱為基頻向上調速。一般認為，在電機調速時要保持電機的主磁通不變。這是考慮到對于電機鐵芯利用和能量方面的原因。由感應電機定子端的電勢公式：E1=4.44f1N1kN1覬m

可知，如果在變頻調速時單方面改變頻率的大小則不能保證電機的主磁通不變，因此在變頻調速時必須考慮這個問題。①基頻向下調速。在基頻向下調速的同時要保證電機的主磁通不變，則需要同時使電機定子的電動勢下降，但是由于電機定子的電動勢不好控制，所以在精度要求不高時，可以認為定子電壓與電動勢基本相等，即在降低定子頻率的同時，也成比例地降低定子電壓，從而保證近似恒磁通調速。②基頻向上調速。在基頻向下調速的同時適當調整定子端的參數，可以保證電機的主磁通不變。在基頻向上調速時，如果也要實現恒磁通調速，就必須使電機定子端的電壓升高。但是這樣一來，電機的能耗必然加大，一般不允許這樣操作。因此，在基頻向上調速時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，電機主磁通只能逐漸下降——這是一種“弱磁”的調速方式。

2.2 感應電機的向量控制系統

感應電機的變頻調速控制系統與簡單的調壓調速和變極調速相比，在調速性能上有了很大提高。但是這樣的調速仍然是基于感應電機的穩態數學模型，因此，雖然在調速的靜態特性上改善了性能，但是在調速過程中的動態情況仍然存在一些問題，例如，系統的啟動以及動態穩定性上就難以取得令人滿意的效果，與直流電機的調速情況相差較大。為了解決這個問題，很多電機研究學者和工程師進行了很多研究。在20世紀70年代，德國西門子公司的研究人員提出了感應電機磁場定向的控制方法，開創了感應電機向量控制的新局面。

為了提高感應電機的動態性能，這是一個高階次、強耦合、非線性的數學模型，使用普通的控制方法很難進行準確的控制。但如果將感應電機通過適當的變換把它等效為一個直流電機，使用控制直流電機的方法來控制感應電機就可以獲得較為理想的控制效果，這就是感應電機磁場定向的微量控制系統。

磁場定向的向量控制系統通過坐標變換將三相感應電機變換為一個兩相的旋轉系統，然后在同步旋轉坐標系上對其進行控制，這樣就達到了使用直流電機控制方法來控制三相交流電機的目的。

若采用兩個控制器分別對感應電機的轉子磁鏈和轉速進行調節，就必須對這個結構圖做進一步簡化，使電機的轉速盡量不受轉子磁鏈的影響，基本實現一對一的控制模式。要實現這樣的控制只需要在電機的轉速控制一路中除以轉子磁鏈這個參數就可以了。轉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 感應電機的直接轉矩控制系統

直接轉矩控制系統是一種繼向量控制系統之后發展起來的一種感應電機控制系統。這種控制系統與向量控制系統不同，它不使用坐標變換和解耦的方法，通過觀測感應電機的定子電壓和電流計算電機的磁鏈和轉矩，實現轉矩的直接控制。目前直接轉矩控制的系統，大多都是采用了將磁鏈定向與直接轉矩控制相結合的方法，低速時采用磁鏈定向向量控制，高速時采用直接轉矩控制。但無論如何，整個控制過程還是要依賴轉子的參數估計，對轉子參數相對來講比較敏感。

2.4 其他先進的感應電機控制系統

近年來，由于各種控制理論被廣泛地應用到電機的向量控制以及估計中來，形成了各種先進的感應電機控制系統，盡管這些系統在實際應用中尚有一段距離，但是在電機控制的理論上很有新意。

人工神經網絡是智能控制中非常有代表性的一種控制思想，它是通過神經元以一定形式連接而成的控制系統。在對感應電機的控制中可以利用神經網絡對電機的參數進行辨識，再通過學習系統歸納出輸入偷出的關系，通常采用前饋多層模型方法。

3 結語

在感應電機的控制系統中，轉速測量和反饋是必不可少的，這是對于精度的必要保證。但是，在實際的控制系統中，安裝轉速測量的裝置又給整個系統帶來了不便檢修和體積增大、可靠性降低的問題，同時也增加了運行的成本。為了解決這些問題，從事電機控制的學習和工程技術人員研究出了無速度傳感器的感應電機控制系統。不用位置傳感器并不是不需要速度信號，而是通過對電機的轉速進行觀測和估計來代替傳感器，從而構成無速度傳感器的感應電機向量控制系統。