感应电机控制策略综述

2013-03-23邢兵锁

电气传动自动化 2013年4期

关键词：磁链滑模定子

邢兵锁

（安徽铜陵职业技术学院，安徽铜陵244000）

1 引言

感应电机由于其简单可靠、成本低廉，在工业中获得了广泛应用。但感应电机的物理结构决定了它具有多变量、非线性、强耦合的性质，其控制较为复杂。随着电力电子技术、控制技术和控制理论的发展，各种通用的和高性能的交流控制策略相继诞生并日趋成熟。

纵观感应电机控制策略的发展，先后出现各种各样的方式方法，其中具有代表性的有：转速开环恒压频比控制、磁场定向矢量控制、直接转矩控制、反馈线性化控制、滑模变结构控制与智能控制等。这些策略各有优缺点，在实际应用中必须根据具体要求适当选择。

2 恒压频比控制

交流传动系统最简单的控制方式是开环恒压频比控制。异步电动机的同步转速由电源频率和电机极对数决定，在改变频率时，电机的同步转速随着改变。当电机带负载运行时，电机转子转速略低于电机的同步转速，即存在滑差，滑差的大小与电机负载大小有关。保持V/f恒定控制是在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比V/f为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。

当电动机电源频率变化时，若电动机端电压不随着改变，电动机的磁通就会出现饱和或欠励磁。磁通饱和后电动机中将流过很大的励磁电流；而当电机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。显然，若在电动机变频控制时，能保持E/f为恒定，可以维持磁通恒定。

在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。但是在低频时，定子电阻压降所占比重增大，电动机的电压和电动势近似相等的条件已不满足，电动机的转矩会有所下降。低速性能较差是V/f控制存在的主要问题。

除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间是影响电动机低速性能的重要原因。由于死区时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压降低。死区时间造成的电压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速电流的振荡，严重时变频器不能运行。

可以采用补偿端电压的方法，即在低速时适当提升电压V，以补偿定子电阻压降和开关死区时间的影响。

交流电机变频变压控制是基于稳态电机模型的控制策略，通过调整输入电压基波的幅值和频率控制感应电机稳态转速。电机按其自身的自然特性变速运行，一般调速的进程比较慢。这种控制方法虽然简单，但是因为完全不考虑暂态过程，无法精确控制转矩和磁通，存在转矩脉动、高次谐波、无功功率增大等问题，系统的稳定性、起动及低速时的转矩动态响应与用瞬时值控制的直流调速相比要差一些。

3 磁场定向矢量控制［1] ［3] ［4]

1971年德国学者Blaschke提出了矢量控制理论，对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量。然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性，实现了转矩、转子磁链和电流的连续控制。

磁场定向矢量控制相对于标量控制的优点是：①实现了转矩和磁通的解耦控制，使得其动态性能近似于直流电机的调速性能；②在宽广的调速领域中能保持磁通的恒定，其调速范围一般可达l：l00以上；③即使有大转矩的暂态过程，电流也不会过大；④可在电动状态、反制动状态以及磁弱状态进行高效的转矩控制。

磁场定向矢量控制的缺点：①尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善，但太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果不明显；②从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随温度和励磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确知道，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在；③矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果；④采用普通PI调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差。对磁场定向矢量控制系统进一步的研究方向是克服其对电机参数（如转子电阻）的依赖，提高系统的鲁棒性。

4 直接转矩控制［1] ［4] ［5]

1985年德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制理论。不同于矢量控制技术，异步电机直接转矩控制方法采用定子磁链作为被控量，对磁链和转矩进行离散的砰一砰控制。无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。由于直接转矩控制无需旋转变换和电流控制，也不需要检测转子磁链矢量的空间位置和幅值，只采用定子电阻一项参数，因此，具有结构简单、转矩响应快，鲁棒性好的特点。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

在直接转矩控制中，对磁链轨迹的控制设定有两种模式：一个是正六边形模式，一个是近似圆形模式。采用正六边形磁链控制方案，在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量，这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况（无零矢量作用时），转矩脉动、噪声都比较大。尽管具有控制简单、逆变器开关频率低等特点，但在性能要求较高的伺服驱动中还很少采用，主要用于大功率传输系统。采用近似圆磁链的控制方案，则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小，主要应用于中小功率高性能调速领域。

直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，磁链观测模型在低速时精度差，砰砰控制必然引起转矩的脉动。因此，如何提高系统的调速范围和稳态性能是直接转矩控制系统需要进一步研究和解决的问题。

5 反馈线性化控制［1]

上述几种控制策略都已经得到应用，然而这些控制方法都只是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制，没有或较少应用控制理论。从本质上看，交流电机是一个非线性多变量系统，应用非线性控制理论研究其控制策略，更能揭示问题的本质。异步电动机的非线性控制是通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强耦合的异步电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中，转子磁链子系统由两阶惯性环节组成；转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组成。两个子系统的调节器按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标。

近年来，反馈线性化解耦方法得到了广泛深入的研究。如采用非线性多输入多输出反馈线性化解耦方法实现转子磁链与转速的解耦，但要用复杂的微分几何方法求解，同时有零动态和奇点问题；引入非线性状态变换和反馈，实现了定子磁链和转矩解耦控制，但是该方法理论推导繁琐，算法实用性不强。非线性系统反馈线性化理论是采用坐标变换及状态或输出反馈矫正非线性系统的动力学特性，如果单纯地对线性化了的系统进行鲁棒控制器设计，并不一定能得到满意的效果。另一方面，非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统动态的精确测量或观测。然而，电动机在运行过程中参数会发生变化，比如转子发热而导致转子电阻参数变化，而且磁链观测的准确性很难保证，这些都不可避免地影响系统的鲁棒性，甚至会使系统性能恶化，因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实用新型系统。

6 滑模变结构控制［3] ［4] ［5]

交流电动机矢量控制系统的性能指标主要通过速度控制反映出来。除了要求速度控制具有精度高、响应快、调速范围宽以外，还要求速度控制对负载扰动和系统参数变化具有较强的鲁棒性。由于交流感应电动机矢量控制系统的运行工况是不断变化的，交流感应电机本身又是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象。这种基于经典控制理论的控制器，在参数匹配良好的情况下可获得较好的性能，但系统参数一旦发生变化，或者负载转矩出现扰动，将导致控制性能下降。且因系统极点不能任意配置，动态响应和抗扰能力得不到很好的兼顾。滑模变结构控制是解决上述问题的一个有效方法。

滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是根据被调量的偏差及其导数，有目的地使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性和快速的动态响应等。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。

但是滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是：①对于实际的滑模变结构控制系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；②系统的惯性、切换开关的时间空间滞后以及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较大时，形成“准滑模”等。因此，在实际系统中抖振必定存在，且无法消除它，这就限制了它的应用。

7 智能控制［2]

伴随和推进矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制技术进一步向前发展的是人工智能控制。智能控制引入交流传动控制是由于它能摆脱对控制对象模型的依赖，能够在处理不精确性和不确定性的问题中获得可处理性、鲁棒性。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制。其次，智能控制器也具有非线性特性。利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。模糊逻辑和神经网络是该学科发展和研究的关键技术。

模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。早期的模糊控制器只是以取代传统PID控制器为目的，由于没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数PID调节器，可以实现无静差控制，但是系统的动态响应轨迹不能被定量地控制，只能得到模糊控制特性等。因此，只有与其它控制方法相结合，模糊控制系统才能取得优良性能，如采用模型参考自适应控制技术，模糊在线调节感应电机的转差增益，使系统具有高性能特性。将模糊滑模控制器用于感应电机的位置控制，使得系统性能大大优于传统的模糊控制和滑模控制等。

神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性系网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。神经网络控制在交流传动中的应用主要有以下几个方面：①代替传统的PID控制；②将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；③感应电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅度与位置，无速度传感器矢量控制还需知道转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速；④结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器。

虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能（如稳定性和鲁棒性）缺少客观的理论预见性。另外，交流传动智能控制系统非常复杂，计算量大，对硬件的条件要求高，它的实现也依赖于控制用电力电子器件的发展。