交流电机控制技术的发展

文/殷婧 张平

交流电机控制技术的发展

文/殷婧 张平

近年来，交流电机控制技术不断发展，因此有必要对交流电机控制技术进行系统的总结归纳。通常来讲，交流电机的控制一般可分为两大类，即基于交流电机稳态模型的控制和基于矢量技术的控制。本文总结了交流电机控制技术的发展概况，分析了交流电机控制方法的原理，并对其优缺点进行比较，对各种控制方法的适用范围进行了归类。研究得出，要实现对电机的有效控制，需针对控制对象和应用场合，采取合适的控制方法。通过对各种控制技术性能的对比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，这对于改善系统性能具有重要意义。

交流电机 控制策略

随着电子信息技术和控制理论的不断发展，数字控制技术在电机传动控制系统中获得广泛应用，特别是交流电机传动技术快速发展，系统性能越来越高。随着交流传动技术的广泛应用，交流传动系统相对于直流传动系统表现出的优势也越来越明显。本文分析了交流电机多种控制技术的基本原理，在此基础上对比了各种技术的优缺点，从中得出了不同控制技术的适用范围。

1 交流电机的稳态控制

在动态性能要求不高的场合，可采用交流电机稳态模型来描述电机内各物理量的关系。此时，对交流电机的控制主要关注电机稳态性能。交流电机的稳态控制技术有恒压频比控制、闭环转差频率控制等。

恒压频比控制主要通过变压变频的方式来实现，在电压和频率变化的过程中，始终保持电压和频率比值近似不变，以维持近似恒定的定子磁链。恒压频比控制系统结构简单，易于实现，具有一定的优越性。但是，如果控制参数选取不合适，当频率达到额定值时，可能会出现过压、磁路饱和甚至烧毁电机的情况。因此，需要根据不同的负载情况相应调整控制参数，并避免低速时可能发生的系统震荡。

采用闭环转差频率控制交流电机稳定运行时，转差率变化较小，其动、静态性能比恒压频比控制系统要好。但闭环转差频率控制模型也是基于电机的稳态模型，无法实现对瞬态转矩的实时控制，因此该方法的实际动态性能还存在一定的局限性。

以上两种控制方法都是基于交流电机的稳态模型，均是对电机定子电压幅值和频率的控制，属于标量控制的范畴，电机动态性能存在局限性，适用于对系统动态性能要求不高的场合。

2 交流电机的矢量控制

由于交流电机是一个高阶、多变量、强耦合、非线性系统，要获得较好的动态性能，通常采用矢量控制方法。目前，基于矢量的交流电机控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制。

交流电机矢量控制的基本思想是将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，通过控制二者的幅值和相位来调节定子电流空间矢量的大小和相位，从而实现磁链与转矩的解耦，由此可以将一台交流电机的控制近似等效成对直流电机的控制。在矢量控制方法中，由于难以准确观测转子磁链，系统对电机参数的准确度要求较高；需要使用速度传感器或位置编码器，因而系统组成比稳态控制系统更加复杂，成本更高；并且矢量变换的计算过程比较复杂，影响系统响应速度和控制精度。

直接转矩控制与矢量控制有所不同。矢量控制观测量为转子磁链，而直接转矩控制是直接控制定子磁链和电磁转矩。矢量控制采用PI连续控制器，因而是一个线性系统；直接转矩控制采用离散滞环控制器，因而是一个非线性系统。矢量控制通过控制电流、磁链等物理量间接控制电磁转矩，直接转矩控制是以转矩为被控量直接控制。直接转矩控制同样也采取了空间矢量分析方法，由于不需要观测转子磁链，因而不需要进行复杂的坐标变换，而是直接在电机定子侧计算磁链和转矩，利用PWM技术获取系统高动态性能。直接转矩控制选择定子磁链作为观测量，计算磁链的模型不受转子参数变化的影响，因而系统的鲁棒性更好。由于直接转矩控制中观测定子磁链时要用到定子电阻，在低速时定子电阻的变化将会使磁通产生畸变，从而影响系统性能。因此，为提高系统性能，需采用卡尔曼滤波、神经网络、模糊理论等方法构造在线参数辨识器来解决这一问题。

需要说明的是，矢量控制和直接转矩控制都是基于矢量的控制技术，均采用PWM技术。为避免上下桥臂直通短路，需增加互锁延时导通，因而不可避免地带来了死区效应，这将会产生逆变器输出电压失真和电流失真，增大脉动转矩，降低系统的稳定性。

3 交流电机控制的发展趋势分析

随着现代控制理论的发展和人工智能技术的不断进步，非线性解耦控制、自适应神经网络、学习控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应及滑膜变结构控制等已经陆续应用于交流电机控制系统。通过与其他学科、理论的交叉，交流调速技术展现出广阔的发展前景。

与经典控制理论相比，人工智能控制方法不依赖于被控对象的数学模型，在一定程度上继承了人脑思维的特点，具有非常强的鲁棒性，非常适宜于解决非线性、不确定性、不精确性问题。可以预见，将人工智能技术与交流传动技术相结合，将会简化系统结构、提高整个系统的可靠性和运行性能。

4 结语

本文对交流电机控制技术进行了总结归纳，梳理了交流电机控制技术的发展概况，将交流电机的控制分为两大类，即基于交流电机稳态模型的控制和基于空间矢量的控制，分别分析了交流电机稳态控制和矢量控制方法的基本思想和基本原理，并对其优缺点进行比较，对各种控制方法的适用范围进行了归类，并对交流电机控制技术的发展趋势作出了分析。通过对各种控制技术性能的对比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，这对于改善系统性能具有重要意义。通过对交流电机控制技术发展趋势的分析发现，人工智能技术在未来将极有可能与交流调速技术进一步深度融合，在工业控制、航空航天、交通运输领域将获得更加广泛的应用，对于加快我国产业结构升级具有现实的参考意义。

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作者单位郑州轻工业学院 河南省郑州市 450002