DSP的交流異步電動機變頻調速技術要點分析

岑仕誠

摘 要：電動機運行中，為了能夠滿足不同工況的要求，需要做好相應的速度調節，而對于交流異步電機而言，比較常見的調速方式包括電磁轉差離合器調速、調壓調速等，其本身的效率較差。對此，需要引入全新的變頻調速技術。文章對交流異步電動機變頻調速中存在的問題進行了分析，并就其技術要點進行了討論和闡述。

關鍵詞：DSP；交流異步電動機；變頻調速；技術要點

前言

電動機的類型多樣，而直流電動機和三相交流異步電動機是其中最具典型意義的兩種。兩相對比，交流異步電動機具有結構簡單、成本低廉、操作便利、運行可靠等優勢，因此在傳動領域有著更加廣泛的應用。做好電動機的變頻調速操作，可以改善電動機起動性能，增加起動轉矩同時減少電能消耗，對于電動機功能的發揮意義重大。

1 交流異步電動機變頻調速技術現狀

就目前而言，應用最為廣泛的變頻調速系統是轉速開環恒壓頻比控制系統，基本上能夠滿足常規的平滑調速要求。不過系統的靜態性能和動態性能相對有限，想要提升需要采用帶有轉速反饋的閉環控制。基于此，研究人員對自身的思路進行了拓展，提出了轉速閉環轉差頻率控制的變頻調速系統。但是其僅僅適用于轉速變化相對緩慢的場合，而如果要求電動機能夠根據實際需求進行轉速的快速調節，則會在穩態電流的基礎上，產生較大的瞬態電流，使得電動機的性能無法充分發揮出來[1]。

2 交流異步電動機變頻調速技術要點

DSP即數字信號處理，其在許多領域中都有著廣泛的應用，其基本原理，是將事物的運動變化轉換為數字，結合相應的計算方法，從數字中提取出有用信息，以滿足實際應用需求。而電機控制專用DSP的出現，克服了傳統變頻控制中存在的缺陷和問題，可以實現控制系統的全數字化。而對于交流異步電動機而言，變頻調速是最為典型同時也非常高效的一種調速方法，能夠在實現無極變頻調速的同時，結合電動機的負載特性，對電壓與頻率的關系進行合理調節，使得電動機可以始終保持高效運行。交流變頻調速在調速方面與直流電動機的變壓調速系統類似，采用的是平行上下移動而轉差功率固定的模式。

這里對DSP的交流異步電動機變頻調速中存在的問題及解決對策進行簡要分析。系統總體框架如圖1所示。

2.1 轉矩脈動過大

轉矩脈動直接影響著交流電動機變頻調速系統的效率，而其本身的不穩定性不僅影響了系統本身的穩定狀態，使得變頻閾值容易超出正常的誤差標準范圍，如果長時間持續，還可能會引發系統反應遲緩問題，影響電動機的工作效率。如果變頻調速系統達到最高運行速度，則磁鏈滯環本身會呈現出高速旋轉的狀態，使得電動機內部的轉矩脈動頻率增加。而電動機內部存在的交流分量則會在一定程度上分流轉矩脈動中的信號，使得其頻率能夠保持在相對正常的范圍內。但是，如果變頻調速系統的運行速度降低，電動機內部的磁鏈轉速也會隨之下降，繼而引發轉矩脈動的周期性波動。在這種情況下，對變頻調速系統內部的轉矩脈動進行控制，就成為了提升電動機整體性能的關鍵所在。

2.2 開關頻率變化

存在有感應電機內部的變頻調速系統是通過直接轉矩控制完成對于頻率的響應，而直接轉矩控制系統可以進一步分為電動轉矩和磁鏈滯環兩個獨立的單元，在其影響下，系統不僅能夠對傳感器進行有效控制，還可以實現高動態反應，完成對電機的數字化控制。而在系統中，主要是通過電壓型逆變器的控制，實現電力開關切換，開關閉合回路通電后，電動機周邊會形成磁場，近似圓形，而伴隨著電機輸出功率的增大，磁場的強度也會隨之上升，電機的多項參數（溫度、轉矩波動、諧波損耗等）則會有所下降。

而在交流電動機的變頻調速中，開關頻率的控制是一個亟待解決的問題，這也是確保感應電動機可靠運行的關鍵。但是，即使引入了數字信號處理技術和數字控制技術，系統在程序計算以及開關動作方面仍不可避免的存在著延遲問題，較長的延遲時間會直接影響開關切換的頻率，同時可能增大采樣周期之間的轉矩誤差，繼而影響電動機的正常運作[2]。

2.3 定子磁鏈與定子電阻辨識

通常來講，直接轉矩控制在對定子磁鏈進行估算時，采用的多是壓電模型，而從定子磁場本身的定向特性考慮，壓電模型的機電參數存在著與定子電阻的直接聯系。對其進行細致分析，如果定子本身處于高速轉動狀態，其會完成對電磁線的快速切割，進而在電動機內部產生較為巨大的交流電流。此時，結合相應的公式計算，可以得到相對準確的定子電阻，以計算出的定子電阻為依據，可以進行定子磁鏈的推算；反之，如果定子本身的轉速相對緩慢，定子電流會有所下降，在交流電動機恒定的額定電壓下，定子電阻的阻值會在較大的范圍內波動變化，最終結果就是定子磁鏈的失準。就目前而言，絕大多數交流電動機的變頻調速系統都是采用超出標準速度的定子磁鏈來作為壓電模型，以保證系統的運行效果。

而在壓電模型中，積分環節對于系統內部電流發揮著相應的損耗積累作用，如果不能及時對內部積累的電流進行疏導和消除，則較大的電流可能會導致電動機內部擊穿故障，影響設備的使用安全。對此，可以選擇利用一階低通濾波器來對單純的積分環節進行替代，結合濾波器本身的濾波和整流功能，將內部積累的電流經分流后排出，以降低磁鏈在數據層面的誤差。

2.4 變頻調速控制類型

除上文提到的恒壓頻比控制，比較典型的變頻調速控制類型還有三種，一是轉差頻率控制，屬于閉環控制系統，結合異步電動機轉矩與轉差頻率的正比關系，通過控制電樞電流的方式來對電機轉矩進行控制。在頻率控制中，可以將轉差信號與實際測量得到的轉速信號相加后，得到輸入頻率信號；二是矢量控制，也可以成為磁場定向控制，其基本原理，是將轉子磁通作為空間的參考坐標，通過靜止坐標系到旋轉坐標系的轉換，對定子電流中的轉矩分量和勵磁電流分量轉化為標量，分別進行控制。簡單來講，矢量控制將異步電動機看做直流電動機來實現控制，具備較好的調速性能。但是，這種控制策略需要進行大量的運算，對于控制器的處理能力和運算速度要求較高，而且需要進行坐標旋轉變換，因此在實際應用中很難實現；三是直接轉矩控制，主要是結合交流電動機轉矩的需要，選擇恰當的定子電壓空間矢量，以完成對電動機電磁轉矩的快速響應。在直接轉矩控制中，交流電機與電壓源逆變器被看作是一個整體，定子靜止在兩項坐標系中，通過對定子空間矢量的選擇，進行定子磁鏈和電磁轉矩變化的分析，避免了矢量變化的計算，因此控制結構相對簡單，在當前的技術條件下可以非常方便的實現數字化控制。

3 結束語

總而言之，交流異步電動機不僅本身結構簡單，制作成本相對低廉，而且可靠性和適用性好，在運行過程中很少出現機械故障，因此在傳動領域得到了非常廣泛的應用。為了更好的適應復雜的工作環境，需要結合變頻調速實現對于交流異步電動機的調節控制，提升電動機變頻調速的效率和效果，確保其功能的充分發揮。

參考文獻

[1]張笛.基于DSP的三相異步電機變頻調速系統優化設計及實現[D].北京印刷學院，2015.

[2]周世杰，高玉爽.基于DSP的交流異步電機變頻調速技術要點分析[J].黑龍江科技信息，2016（27）：5.

[3]趙曼.基于DSP的矢量控制變頻調速系統[D].西安工業大學，2014，41（7）：1126-1128.