论交流电机控制技术的发展

苏得喜

珠海凯邦电机制造有限公司 广东珠海 519060

与直流电机相比，交流电动机是多变量，强耦和的非线形系统，要实现良好的转矩控制非常困难。20世纪70年代德国工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。1985年，德国的Depenbrock教授提出了异步电动机直接转矩控制方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现。

1 交流电机的控制算法

1.1 基于交流电机稳态模型控制方法

稳态模型控制方法中包含开环恒比控制和闭环转差频率控制两种。开环恒比控制的基础是变压变频控制方式，并且不带速度反馈开环控制。此种方法是针对于恒压变频方式下产生的磁路饱和而烧毁电机的现象研发的。它的有点就是结构简单、可靠，对于运算速度要求不高。缺点就是对于调速精度和动态性能方面不够高，在启动时必须给定积分环节来抑制电流的冲击，另外在低频时需要通过转矩补偿来弥补转矩不足的特性。闭环转差频率控制针对于开环转矩不足的方面进行改良，进行转矩的直接控制。此种算法适合于电机在转差率较小的稳定运行状态下进行。它的优点就是提高了转速调节的动态性能和稳态精度，但是并不能真正控制动态过程的转矩。

1.2 基于交流电机动态模型的控制方法

高动态性能的数学模型是非线性多变量的，把变量的定子电压和频率转变成转速和磁链，目前有矢量控制和直接转矩控制两种比较成熟的控制方法。

（1）矢量控制新技术。磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。

（2）直接转矩控制新技术。直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。转矩（磁链）跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制，控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。直接解耦控制（DDC）有两种方法，一种是预测直接解耦控制（P-DDC），另一种是使用PI调节器的直接解耦控制（PI-DDC）。

PI-DDC控制方法具有很好的动、静态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下，转矩脉动也非常小。PI调节器控制是使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其中磁链调节器AψR和转矩调节器ATR都使用PI调节器，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量，提高控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。间接转矩控制是通过计算相邻控制周期的磁链增量来决定定子电压空间矢量，并且在保证磁链轨迹为圆形的条件下，对电磁转矩进行控制。

2 交流电机控制技术及电机控制相关技术的发展

交流电机控制技术的发展：（1）矢量控制技术的发展：采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。（2）直接转矩控制的发展：随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制（SVPWM）和软关断技术又是重点。二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高，这是直接转矩控制的未来。

3 结语

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。