交流异步电动机调速系统控制策略综述

袁淑梅（京能（赤峰）能源发展有限公司,内蒙古 赤峰 024000）



交流异步电动机调速系统控制策略综述

袁淑梅
（京能（赤峰）能源发展有限公司,内蒙古 赤峰 024000）

摘 要：交流异步电动机调速相比直流电动机实现更加困难，本文通过建立交流异步电动机的数学模型，总结以前的基于异步电机稳态模型的控制策略，介绍3种异步电动机变压变频（VVVF）调速系统的控制策略。将现代控制理论应用在交流异步电动机调速系统中。现代控制策略和先进控制算法在交流异步电动机调速系统中将会发挥越来越大的作用。

关键词：异步电动机；变压变频调速；控制策略

1 前言

交流异步电动机调速工具包括转差离合器调速、串电阻调速、降压调速、串级调速、双馈电动机调速、变极对数以及变压变频调速等．这里面，唯一能够实现较宽的调速范围、高效率和良好的动态性能的是变压变频调速，变压变频调速系统一般叫做变频调速系统，当应用变压变频调速时转差功率围绕转速变动，而且通过技术改造可以达到高动态性能，性能比肩直流调速系统．变压变频调速技术发展过程中，也出现了不少有特点的应用，而且伴随着现代控制理论的引进，变压变频调速控制技术发展到了一个新的水平，这篇文章将对异步电动机的变压变频调速控制技术做细致的讨论及分析。

2 有关稳态模型的控制方法

调速的核心目标是调节电磁转矩，之前的交流调速系统是根据异步电动机的T型等效电路构建电磁转矩的稳态数学模型，无法达到电磁转矩的高效控制，从而不能实现很好的动态性能，可是由于系统结构简单，在那些如风机和水泵等不要求高动态性能的工业应用得到广泛使用。

（1）转速开环恒压频比调节。转速开环、恒压频比调节的关键是调整电压及频率，在确保气隙磁通量不变的基础上，利用调节异步电动机的同步转速来实现调速的结果［1］。转速开环、恒压频比调节由于不能调节电磁转矩，动态性能不好，调速范围较窄。

（2）转速闭环、转差频率调节。在转速开环、恒压频比的前提下达到转速闭环控制，当处于稳态时，当电压频率迅速提高时，电机转速不能立即提高，所以转差频率提高，电磁转矩提高，电机转速增加，这也是转速闭环、转差频率调节的基本原理．它可以对电磁转矩进行调节，动静态性能均优于转速开环、恒压频比调节。

3 根据动态模型的传统控制的调节

转速闭环、转差频率调节根据异步电动机的稳态转矩公式和稳态等效电路，只能够在稳态环境下保持气隙磁通不变，但是动态性能差．要实现调速系统的高动态调节，可以根据异步电动机的动态数学模型来控制磁通和电磁转矩．当代最成熟的控制策略是矢量控制以及直接转矩控制，它根据交流电机动态数学模型，在交流调速应用中已经得到广泛认可，所以达到了磁链和速度的完美解耦调节，反馈线性化解耦调节获得了迅速发展和推广。

（1）矢量调节。矢量调节的核心思路是把定子电流分解成励磁分量和转矩分量，分别设计调节器，矢量控制系统能够成功的关键是实现转子磁链不变，因此应该检测转子磁链信号．之前我们尝试根据磁链传感器来测得转子磁链，可是存在大量工艺和技术上的难题，并且在低速时转子磁链测量获得的脉动分量太大．在现代的矢量控制中广泛使用软测量的工具，根据检测电压、电流和转速信号来基于转子磁链模型得到磁链的幅值以及相位。

（2）直接转矩控调节。矢量控制在理论上达到了磁链和转矩的解耦调节，可是繁复的旋转坐标变换和转子磁链的检测困难制约了矢量控制的广泛使用．Depenbrock创立了直接转矩控制调节系统，它通过双位式控制器直接调节电磁转矩和定子磁链，通过控制器输出从换相表中取得一个恰当的电压矢量给电机，能够实现很快的转矩响应。

（3）反馈线性化解耦调节。矢量控制和直接转矩调节都必须维持磁链不变，不然会有非线性耦合，反馈线性化解耦调节能够在磁链变化的基础上完成转速和磁链的准确动态解耦。它根据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，包括微分几何反馈线性化以及直接反馈线性化。

4 交流异步电动机调速系统现代化控制调节方法

（1）滑模变结构调节。变结构调节的一种控制方法就是滑模变结构调节，它的核心观点是使用不连续的控制方法让系统依据期望的相轨迹变化．滑模变结构调节结合矢量调节和直接转矩调节在交流调速系统中得到了广泛采用。

（2）自适应调节。异步电动机的数学模型已经很清晰，但有些参数例如定转子电阻和电感与电机的工作情况关系密切，但是矢量调节和直接转矩调节的动态性能受参数变动影响很大，因此自适应调节在交流调速系统的使用中得到密切关注。自适应控制调节在交流调速系统中的应用有模型参考自适应调节和自适应观测器．

（3）模糊调节。模糊控调节理论可以用于设计参数辨识器和模糊控制器。在矢量调节系统中，转速和电流控制器都能够设计成模糊控制器，能够提升系统对电机参数变化和负载扰动的抑制水平，模糊调节在直接转矩调节系统中得到更广泛使用，由于直接转矩调节定子磁链的测量关乎定子电阻，在低速情况下定子电阻的变动对定子磁链影响较大，使用模糊辨识器能够达到对异步电动机定子电阻的估计。

（4）神经网络调节。人工神经网络在交流调速控制系统中的应用主要有神经网络辨识器和神经网络控制器的设计，需要神经网络在线校准定、转子电阻，能够消除大部分它们对转子磁链和电磁转矩的干扰［2］，因而获得相对可靠的转子磁链和电磁转矩数值。因为转子磁链能够展现成三相电流和转速的非线性函数，电磁转矩能够用转子磁链和转速来表达，所以电磁转矩能够变成三相电流和转速的非线性函数．如果使用恰当的神经网络来逼近这2个非线性函数，就能够得到转子磁链和电磁转矩，然后避免了电机参数的影响。

5 结语

异步电动机的交流调速控制系统非常复杂，传统的控制方法通常依赖准确的电机数学模型，可是因为电机参数变化和不确定性扰动的干扰，精确的电机数学模型无法获得．现代控制理论在电机模型辨识以及控制调节的理论研究很多，但是还需要在工业应用中有更深入的研究．交流调速控制系统以后的研究方向主要在以下3个方面：

（1）如何根据现代控制理论获得更准确的电机模型；

（2）如何根据传统控制策略，使用非线性控制器和智能控制器来提高交流调速系统的性能；

（3）如何挣脱数学模型的复杂运算，利用神经网络实现电机的智能调节。

参考文献：

［1］陈伯时．电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社,2005：160-163.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.244