感應電機控制策略綜述

邢兵鎖

（安徽銅陵職業(yè)技術學院，安徽銅陵244000）

1 引言

感應電機由于其簡單可靠、成本低廉，在工業(yè)中獲得了廣泛應用。但感應電機的物理結構決定了它具有多變量、非線性、強耦合的性質(zhì)，其控制較為復雜。隨著電力電子技術、控制技術和控制理論的發(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。

縱觀感應電機控制策略的發(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、滑模變結構控制與智能控制等。這些策略各有優(yōu)缺點，在實際應用中必須根據(jù)具體要求適當選擇。

2 恒壓頻比控制

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

當電動機電源頻率變化時，若電動機端電壓不隨著改變，電動機的磁通就會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。磁通飽和后電動機中將流過很大的勵磁電流；而當電機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。顯然，若在電動機變頻控制時，能保持E/f為恒定，可以維持磁通恒定。

在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等。但是在低頻時，定子電阻壓降所占比重增大，電動機的電壓和電動勢近似相等的條件已不滿足，電動機的轉(zhuǎn)矩會有所下降。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元件的互鎖時間是影響電動機低速性能的重要原因。由于死區(qū)時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓降低。死區(qū)時間造成的電壓降還會引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下將會引起轉(zhuǎn)速電流的振蕩，嚴重時變頻器不能運行。

可以采用補償端電壓的方法，即在低速時適當提升電壓V，以補償定子電阻壓降和開關死區(qū)時間的影響。

交流電機變頻變壓控制是基于穩(wěn)態(tài)電機模型的控制策略，通過調(diào)整輸入電壓基波的幅值和頻率控制感應電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。電機按其自身的自然特性變速運行，一般調(diào)速的進程比較慢。這種控制方法雖然簡單，但是因為完全不考慮暫態(tài)過程，無法精確控制轉(zhuǎn)矩和磁通，存在轉(zhuǎn)矩脈動、高次諧波、無功功率增大等問題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、起動及低速時的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應與用瞬時值控制的直流調(diào)速相比要差一些。

3 磁場定向矢量控制［1] ［3] ［4]

1971年德國學者Blaschke提出了矢量控制理論，對交流電機控制技術的研究具有劃時代的意義。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，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量；另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量。然后分別對其進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態(tài)特性，實現(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量控制的優(yōu)點是：①實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，使得其動態(tài)性能近似于直流電機的調(diào)速性能；②在寬廣的調(diào)速領域中能保持磁通的恒定，其調(diào)速范圍一般可達l：l00以上；③即使有大轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程，電流也不會過大；④可在電動狀態(tài)、反制動狀態(tài)以及磁弱狀態(tài)進行高效的轉(zhuǎn)矩控制。

磁場定向矢量控制的缺點：①盡管矢量控制方法從理論上可以使異步電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到顯著改善，但太理論化，實現(xiàn)時要進行復雜的坐標變換，并需準確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對電機的參數(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從電機本身看，其參數(shù)具有一定時變性，特別是轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，它隨溫度和勵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際控制效果難以達到理論分析的結果。即使電機參數(shù)與轉(zhuǎn)子磁鏈被精確知道，也只有穩(wěn)態(tài)的情況下才能實現(xiàn)解耦，弱磁時耦合仍然存在；③矢量控制理論首先是認為電機中只有基波正序磁勢，這和實際差別不小，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，則導致性能變差。對磁場定向矢量控制系統(tǒng)進一步的研究方向是克服其對電機參數(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年德國學者Depenbrock提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論。不同于矢量控制技術，異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法采用定子磁鏈作為被控量，對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行離散的砰一砰控制。無需將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化，不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。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機轉(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)子磁鏈矢量的空間位置和幅值，只采用定子電阻一項參數(shù)，因此，具有結構簡單、轉(zhuǎn)矩響應快，魯棒性好的特點。大大減少了矢量控制技術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。

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，對磁鏈軌跡的控制設定有兩種模式：一個是正六邊形模式，一個是近似圓形模式。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，這相當于六階梯形波逆變器供電的情況（無零矢量作用時），轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲都比較大。盡管具有控制簡單、逆變器開關頻率低等特點，但在性能要求較高的伺服驅(qū)動中還很少采用，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，電機損耗、轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲均很小，主要應用于中小功率高性能調(diào)速領域。

直接轉(zhuǎn)矩控制的研究雖已取得了很大進展，但是它在理論和實踐上還不夠成熟，磁鏈觀測模型在低速時精度差，砰砰控制必然引起轉(zhuǎn)矩的脈動。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)得到應用，然而這些控制方法都只是從物理關系上構成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦控制，沒有或較少應用控制理論。從本質(zhì)上看，交流電機是一個非線性多變量系統(tǒng)，應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)。異步電動機的非線性控制是通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的異步電動機系統(tǒng)分解為兩個獨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)由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成。兩個子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器按線性控制理論分別設計，以使系統(tǒng)達到預期的性能指標。

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現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速的解耦，但要用復雜的微分幾何方法求解，同時有零動態(tài)和奇點問題；引入非線性狀態(tài)變換和反饋，實現(xiàn)了定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦控制，但是該方法理論推導繁瑣，算法實用性不強。非線性系統(tǒng)反饋線性化理論是采用坐標變換及狀態(tài)或輸出反饋矯正非線性系統(tǒng)的動力學特性，如果單純地對線性化了的系統(tǒng)進行魯棒控制器設計，并不一定能得到滿意的效果。另一方面，非線性系統(tǒng)反饋線性化的基礎是已知參數(shù)的電動機模型和系統(tǒng)動態(tài)的精確測量或觀測。然而，電動機在運行過程中參數(shù)會發(fā)生變化，比如轉(zhuǎn)子發(fā)熱而導致轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)變化，而且磁鏈觀測的準確性很難保證，這些都不可避免地影響系統(tǒng)的魯棒性，甚至會使系統(tǒng)性能惡化，因而至今尚未形成能夠取代已有控制系統(tǒng)的實用新型系統(tǒng)。

6 滑模變結構控制［3] ［4] ［5]

交流電動機矢量控制系統(tǒng)的性能指標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、響應快、調(diào)速范圍寬以外，還要求速度控制對負載擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強的魯棒性。由于交流感應電動機矢量控制系統(tǒng)的運行工況是不斷變化的，交流感應電機本身又是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象。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，或者負載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)擾動，將導致控制性能下降。且因系統(tǒng)極點不能任意配置，動態(tài)響應和抗擾能力得不到很好的兼顧。滑模變結構控制是解決上述問題的一個有效方法。

滑模變結構控制是變結構控制系統(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)“結構”隨時變化的開關特性。其主要特點是根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導數(shù)，有目的地使系統(tǒng)沿設計好的“滑動模態(tài)”軌跡運動。這種滑動模態(tài)是可以設計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關，因而使系統(tǒng)具有很強的魯棒性和快速的動態(tài)響應等。另外，滑模變結構控制不需要任何在線辨識，所以很容易實現(xiàn)。

但是滑模變結構控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關特性使系統(tǒng)存在“抖振”問題，主要原因是：①對于實際的滑模變結構控制系統(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、切換開關的時間空間滯后以及狀態(tài)檢測的誤差，特別對于計算機的采樣系統(tǒng)，當采樣時間較大時，形成“準滑模”等。因此，在實際系統(tǒng)中抖振必定存在，且無法消除它，這就限制了它的應用。

7 智能控制［2]

伴隨和推進矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無傳感器控制技術進一步向前發(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)學模型的框架，不依賴或不完全依賴于控制對象的數(shù)學模型，只按實際效果進行控制。其次，智能控制器也具有非線性特性。利用計算機控制的便利，可以根據(jù)當前狀態(tài)切換控制器的結構，用變結構的方法改善系統(tǒng)的性能。在復雜系統(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)絡是該學科發(fā)展和研究的關鍵技術。

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，在傳動系統(tǒng)有負載擾動時會出現(xiàn)靜差。而增加了積分效應的模糊控制器，雖相當于變系數(shù)PID調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)無靜差控制，但是系統(tǒng)的動態(tài)響應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控制技術，模糊在線調(diào)節(jié)感應電機的轉(zhuǎn)差增益，使系統(tǒng)具有高性能特性。將模糊滑模控制器用于感應電機的位置控制，使得系統(tǒng)性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊控制和滑模控制等。

神經(jīng)網(wǎng)絡控制是人腦神經(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雜的非線性系網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有逼近任意非線性函數(shù)的功能、高容錯性、多輸入輸出特性，易用于多變量系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡控制在交流傳動中的應用主要有以下幾個方面：①代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制；②將神經(jīng)網(wǎng)絡用于電機參數(shù)的在線辨識、跟蹤，并對磁通及轉(zhuǎn)速控制器進行自適應調(diào)整；③感應電機矢量控制需要知道轉(zhuǎn)子磁通的瞬時幅度與位置，無速度傳感器矢量控制還需知道轉(zhuǎn)速，神經(jīng)網(wǎng)絡被用來精確估計轉(zhuǎn)子磁通幅值、位置及轉(zhuǎn)速；④結合模型參考自適應控制，將神經(jīng)網(wǎng)絡控制器用作自適應速度控制器。

雖然將智能控制用于交流傳動系統(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)驗設計，對系統(tǒng)性能（如穩(wěn)定性和魯棒性）缺少客觀的理論預見性。另外，交流傳動智能控制系統(tǒng)非常復雜，計算量大，對硬件的條件要求高，它的實現(xiàn)也依賴于控制用電力電子器件的發(fā)展。

8 結束語

電力電子技術、控制技術和控制理論的發(fā)展給電機控制行業(yè)帶來新的發(fā)展機遇。目前廣泛應用的還是轉(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。隨著人工智能技術的發(fā)展，智能控制將會是感應電機控制策略的發(fā)展與運用方向。

［1] 王成元等.電機現(xiàn)代控制技術［M] .北京：機械工業(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)大學出版社，2006.

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

［4] 張凌云等.先進控制理論及策略在電機控制中的應用［J] .電機技術，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，2008，42（3）：49－51.