交流電機控制技術的發展

文/殷婧 張平

交流電機控制技術的發展

文/殷婧 張平

近年來，交流電機控制技術不斷發展，因此有必要對交流電機控制技術進行系統的總結歸納。通常來講，交流電機的控制一般可分為兩大類，即基于交流電機穩態模型的控制和基于矢量技術的控制。本文總結了交流電機控制技術的發展概況，分析了交流電機控制方法的原理，并對其優缺點進行比較，對各種控制方法的適用范圍進行了歸類。研究得出，要實現對電機的有效控制，需針對控制對象和應用場合，采取合適的控制方法。通過對各種控制技術性能的對比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，這對于改善系統性能具有重要意義。

交流電機 控制策略

隨著電子信息技術和控制理論的不斷發展，數字控制技術在電機傳動控制系統中獲得廣泛應用，特別是交流電機傳動技術快速發展，系統性能越來越高。隨著交流傳動技術的廣泛應用，交流傳動系統相對于直流傳動系統表現出的優勢也越來越明顯。本文分析了交流電機多種控制技術的基本原理，在此基礎上對比了各種技術的優缺點，從中得出了不同控制技術的適用范圍。

1 交流電機的穩態控制

在動態性能要求不高的場合，可采用交流電機穩態模型來描述電機內各物理量的關系。此時，對交流電機的控制主要關注電機穩態性能。交流電機的穩態控制技術有恒壓頻比控制、閉環轉差頻率控制等。

恒壓頻比控制主要通過變壓變頻的方式來實現，在電壓和頻率變化的過程中，始終保持電壓和頻率比值近似不變，以維持近似恒定的定子磁鏈。恒壓頻比控制系統結構簡單，易于實現，具有一定的優越性。但是，如果控制參數選取不合適，當頻率達到額定值時，可能會出現過壓、磁路飽和甚至燒毀電機的情況。因此，需要根據不同的負載情況相應調整控制參數，并避免低速時可能發生的系統震蕩。

采用閉環轉差頻率控制交流電機穩定運行時，轉差率變化較小，其動、靜態性能比恒壓頻比控制系統要好。但閉環轉差頻率控制模型也是基于電機的穩態模型，無法實現對瞬態轉矩的實時控制，因此該方法的實際動態性能還存在一定的局限性。

以上兩種控制方法都是基于交流電機的穩態模型，均是對電機定子電壓幅值和頻率的控制，屬于標量控制的范疇，電機動態性能存在局限性，適用于對系統動態性能要求不高的場合。

2 交流電機的矢量控制

由于交流電機是一個高階、多變量、強耦合、非線性系統，要獲得較好的動態性能，通常采用矢量控制方法。目前，基于矢量的交流電機控制方法主要有矢量控制和直接轉矩控制。

交流電機矢量控制的基本思想是將定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，通過控制二者的幅值和相位來調節定子電流空間矢量的大小和相位，從而實現磁鏈與轉矩的解耦，由此可以將一臺交流電機的控制近似等效成對直流電機的控制。在矢量控制方法中，由于難以準確觀測轉子磁鏈，系統對電機參數的準確度要求較高；需要使用速度傳感器或位置編碼器，因而系統組成比穩態控制系統更加復雜，成本更高；并且矢量變換的計算過程比較復雜，影響系統響應速度和控制精度。

直接轉矩控制與矢量控制有所不同。矢量控制觀測量為轉子磁鏈，而直接轉矩控制是直接控制定子磁鏈和電磁轉矩。矢量控制采用PI連續控制器，因而是一個線性系統；直接轉矩控制采用離散滯環控制器，因而是一個非線性系統。矢量控制通過控制電流、磁鏈等物理量間接控制電磁轉矩，直接轉矩控制是以轉矩為被控量直接控制。直接轉矩控制同樣也采取了空間矢量分析方法，由于不需要觀測轉子磁鏈，因而不需要進行復雜的坐標變換，而是直接在電機定子側計算磁鏈和轉矩，利用PWM技術獲取系統高動態性能。直接轉矩控制選擇定子磁鏈作為觀測量，計算磁鏈的模型不受轉子參數變化的影響，因而系統的魯棒性更好。由于直接轉矩控制中觀測定子磁鏈時要用到定子電阻，在低速時定子電阻的變化將會使磁通產生畸變，從而影響系統性能。因此，為提高系統性能，需采用卡爾曼濾波、神經網絡、模糊理論等方法構造在線參數辨識器來解決這一問題。

需要說明的是，矢量控制和直接轉矩控制都是基于矢量的控制技術，均采用PWM技術。為避免上下橋臂直通短路，需增加互鎖延時導通，因而不可避免地帶來了死區效應，這將會產生逆變器輸出電壓失真和電流失真，增大脈動轉矩，降低系統的穩定性。

3 交流電機控制的發展趨勢分析

隨著現代控制理論的發展和人工智能技術的不斷進步，非線性解耦控制、自適應神經網絡、學習控制、模糊控制、魯棒控制、自適應及滑膜變結構控制等已經陸續應用于交流電機控制系統。通過與其他學科、理論的交叉，交流調速技術展現出廣闊的發展前景。

與經典控制理論相比，人工智能控制方法不依賴于被控對象的數學模型，在一定程度上繼承了人腦思維的特點，具有非常強的魯棒性，非常適宜于解決非線性、不確定性、不精確性問題。可以預見，將人工智能技術與交流傳動技術相結合，將會簡化系統結構、提高整個系統的可靠性和運行性能。

4 結語

本文對交流電機控制技術進行了總結歸納，梳理了交流電機控制技術的發展概況，將交流電機的控制分為兩大類，即基于交流電機穩態模型的控制和基于空間矢量的控制，分別分析了交流電機穩態控制和矢量控制方法的基本思想和基本原理，并對其優缺點進行比較，對各種控制方法的適用范圍進行了歸類，并對交流電機控制技術的發展趨勢作出了分析。通過對各種控制技術性能的對比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，這對于改善系統性能具有重要意義。通過對交流電機控制技術發展趨勢的分析發現，人工智能技術在未來將極有可能與交流調速技術進一步深度融合，在工業控制、航空航天、交通運輸領域將獲得更加廣泛的應用，對于加快我國產業結構升級具有現實的參考意義。

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作者單位鄭州輕工業學院 河南省鄭州市 450002