交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展

文/殷婧 張平

交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展

文/殷婧 張平

近年來，交流電機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展，因此有必要對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)歸納。通常來講，交流電機(jī)的控制一般可分為兩大類，即基于交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制和基于矢量技術(shù)的控制。本文總結(jié)了交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展概況，分析了交流電機(jī)控制方法的原理，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，對(duì)各種控制方法的適用范圍進(jìn)行了歸類。研究得出，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制，需針對(duì)控制對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)合，采取合適的控制方法。通過對(duì)各種控制技術(shù)性能的對(duì)比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，這對(duì)于改善系統(tǒng)性能具有重要意義。

交流電機(jī) 控制策略

隨著電子信息技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，特別是交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)性能越來越高。隨著交流傳動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，交流傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于直流傳動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)也越來越明顯。本文分析了交流電機(jī)多種控制技術(shù)的基本原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)比了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從中得出了不同控制技術(shù)的適用范圍。

1 交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制

在動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合，可采用交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型來描述電機(jī)內(nèi)各物理量的關(guān)系。此時(shí)，對(duì)交流電機(jī)的控制主要關(guān)注電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能。交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)有恒壓頻比控制、閉環(huán)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的優(yōu)越性。但是，如果控制參數(shù)選取不合適，當(dāng)頻率達(dá)到額定值時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過壓、磁路飽和甚至燒毀電機(jī)的情況。因此，需要根據(jù)不同的負(fù)載情況相應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，并避免低速時(shí)可能發(fā)生的系統(tǒng)震蕩。

采用閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制交流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率變化較小，其動(dòng)、靜態(tài)性能比恒壓頻比控制系統(tǒng)要好。但閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制模型也是基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制，因此該方法的實(shí)際動(dòng)態(tài)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(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，均是對(duì)電機(jī)定子電壓幅值和頻率的控制，屬于標(biāo)量控制的范疇，電機(jī)動(dòng)態(tài)性能存在局限性，適用于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。

2 交流電機(jī)的矢量控制

由于交流電機(jī)是一個(gè)高階、多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，要獲得較好的動(dòng)態(tài)性能，通常采用矢量控制方法。目前，基于矢量的交流電機(jī)控制方法主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

交流電機(jī)矢量控制的基本思想是將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，通過控制二者的幅值和相位來調(diào)節(jié)定子電流空間矢量的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，由此可以將一臺(tái)交流電機(jī)的控制近似等效成對(duì)直流電機(jī)的控制。在矢量控制方法中，由于難以準(zhǔn)確觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)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(tǒng)組成比穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本更高；并且矢量變換的計(jì)算過程比較復(fù)雜，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度。

直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制有所不同。矢量控制觀測(cè)量為轉(zhuǎn)子磁鏈，而直接轉(zhuǎn)矩控制是直接控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制采用PI連續(xù)控制器，因而是一個(gè)線性系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制采用離散滯環(huán)控制器，因而是一個(gè)非線性系統(tǒng)。矢量控制通過控制電流、磁鏈等物理量間接控制電磁轉(zhuǎn)矩，直接轉(zhuǎn)矩控制是以轉(zhuǎn)矩為被控量直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制同樣也采取了空間矢量分析方法，由于不需要觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈，因而不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子側(cè)計(jì)算磁鏈和轉(zhuǎn)矩，利用PWM技術(shù)獲取系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制選擇定子磁鏈作為觀測(cè)量，計(jì)算磁鏈的模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，因而系統(tǒng)的魯棒性更好。由于直接轉(zhuǎn)矩控制中觀測(cè)定子磁鏈時(shí)要用到定子電阻，在低速時(shí)定子電阻的變化將會(huì)使磁通產(chǎn)生畸變，從而影響系統(tǒng)性能。因此，為提高系統(tǒng)性能，需采用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等方法構(gòu)造在線參數(shù)辨識(shí)器來解決這一問題。

需要說明的是，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都是基于矢量的控制技術(shù)，均采用PWM技術(shù)。為避免上下橋臂直通短路，需增加互鎖延時(shí)導(dǎo)通，因而不可避免地帶來了死區(qū)效應(yīng)，這將會(huì)產(chǎn)生逆變器輸出電壓失真和電流失真，增大脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 交流電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，非線性解耦控制、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、學(xué)習(xí)控制、模糊控制、魯棒控制、自適應(yīng)及滑膜變結(jié)構(gòu)控制等已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用于交流電機(jī)控制系統(tǒng)。通過與其他學(xué)科、理論的交叉，交流調(diào)速技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

與經(jīng)典控制理論相比，人工智能控制方法不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，在一定程度上繼承了人腦思維的特點(diǎn)，具有非常強(qiáng)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(yù)見，將人工智能技術(shù)與交流傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，將會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)歸納，梳理了交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展概況，將交流電機(jī)的控制分為兩大類，即基于交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制和基于空間矢量的控制，分別分析了交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制和矢量控制方法的基本思想和基本原理，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，對(duì)各種控制方法的適用范圍進(jìn)行了歸類，并對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作出了分析。通過對(duì)各種控制技術(shù)性能的對(duì)比，可有效避免不同控制方法存在的缺陷，這對(duì)于改善系統(tǒng)性能具有重要意義。通過對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn)，人工智能技術(shù)在未來將極有可能與交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)一步深度融合，在工業(yè)控制、航空航天、交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)@得更加廣泛的應(yīng)用，對(duì)于加快我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。

[1]齊昕,周珂,王長(zhǎng)松,周曉敏,潘治赟,馬祥華.中高功率交流電機(jī)逆變器的低開關(guān)頻率控制策略綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(24).

[2]俞斌.交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方法及其遠(yuǎn)程控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012(03).

[3]王占友,謝順依.遺傳算法在變頻交流電機(jī)控制中的應(yīng)用研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2009(01).

作者單位鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南省鄭州市 450002