交流电动机传动系统的控制技术发展综述

电力牵引传动控制发展专题课程论文目录1引言.................................................................................................................................12异步电动机传动系统的控制策略.................................................................................12.1转速开环恒压频比控制......................................................................................12.2转速闭环转差频率控制......................................................................................22.3矢量控制..............................................................................................................32.4直接转矩控制......................................................................................................32.5基于无速度感器的交流传动控制技术..............................................................53同步电动机传动系统的控制策略.................................................................................64总结与展望.....................................................................................................................8参考文献............................................................................................................................9电力牵引传动控制发展专题课程论文1交流电动机传动系统的控制技术发展综述刘雪松大连交通大学1引言现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世，为交流传动奠定了坚实的物质基础；控制理论的逐步完善大大提高了交流传动系统性能；现代信息技术日新月异的发展，为控制系统技术的进步提供了保障；交流电机自身无可争辩的优势,是拓展交流传动系统的良好基础。交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，被人们提了多年的“交流传动取代直流传动”的愿望正在变为现实。交流传动系统之所以能有如此巨大进步,主要得益于电力电子学、微电子学和控制理论的惊人发展,尤其是先进控制策略的成功应用。纵观交流电机控制策略的发展，先后涌现出大量的方式方法，其中具有代表性的有：转速开环恒压频比(U/f=常数)控制、转差频率控制、矢量控制(磁场定向控制)、直接转矩控制等。此外，无速度传感器的交流传动控制技术也已成为近年研究热点。这些策略各有优缺点，在实际应用中必须根据具体要求适当选择，才能实现最佳效果，能全面了解上述各种控制策略非常重要。本文正是基于此目的，对交流电机的各种控制策略进行了较为全面的综述与比较，力图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。2异步电动机传动系统的控制策略2.1转速开环恒压频比控制最简单的异步电动机变压变频调速系统就是恒压频比控制系统。为了满足低速时的带载能力，还须备有低频电压补偿功能。转速开环恒压频比控制调速系统通常由数字控制的通用变频器-异步电动机组成，需要设定的控制信息主要有U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。采用恒压频比控制时，只要改变设定的“工作频率”信号，就可以平滑地调节电动机转速。低频时或负载的性质和大小不同时，须靠改变U/f函数发生器的特性来补偿，使系统产生足够的最大转矩。要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制只控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，可以满足一般平滑调速的需要，但静、动态性电力牵引传动控制发展专题课程论文2能都有限，性能不高，如果要提高性能，在对动态性能要求不高的情况下，可以采用转速闭环转差频率控制系统。图2-1恒压频比控制调速系统中变频器的基本控制作用2.2转速闭环转差频率控制转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，转速调节器的输出应该是转矩给定的信号。如果保持气隙磁通Φ不变，异步电动机的转矩就近似与转差率频率ω成正比，因而控制转差角频率ω就能代表控制转矩。因此，转差频率控制系统对角速度的检查的准确性要求较高。转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。图2-2转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图IsUs*+++ωωs*ω1*Usc*Usb*Usa*F(t)工作频率设定f*斜坡函数U/f曲线升降速时间设定电压补偿设定PWM发生器ASRPWM电压源型逆变器M3~FBSω*电力牵引传动控制发展专题课程论文32.3矢量控制1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。图2-3异步电动机的坐标变换结构图３／２—三相-两相变换VR—矢量旋转变换器Φ—M轴与α轴（A轴）的夹角尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确知道，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果。而且，采用普通PI调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差。2.4直接转矩控制针对矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制方法，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模３／２ＶＲ等效直流电动机模型iBiAiCΦω电力牵引传动控制发展专题课程论文4型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。图2-4近似圆形磁链控制系统框图直接转矩控制从一诞生，就以新颖的控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注，各国学者在理论探讨和实验研究上都做了大量工作，出现了各种各样的控制方案。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本采用近似圆磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量,这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况(无零矢量作用时)，转矩脉动、噪声都比较大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆方案则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆方案则相反，一般用于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有T．G．Habetler等人，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中,因此研究重点并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出的无差拍预前控制法，克服了Band-Band控制开关频率可变的缺点。usis|Ψs|ΨsβΨsαΨsΨs*TeTe*ωRωR*ScSbSa磁链滞环比较器转矩滞环比较器PI矢量选择单元PWM逆变器Ud磁链位置磁链计算转矩计算IM电力牵引传动控制发展专题课程论文5直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。2.5基于无速度感器的交流传动控制技术一般而言，高性能的交流调速系统离不开速度的闭环控制。然而，速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低及其性能易受工作环境影响等缺点。因此，无速度传感器传动控制技术不仅是现代交流传动控制的一个重要研究方向，而且它已成为当前研究的热点。无速度传感器控制技术发展于常规带速度传感器的传动控制，其核心是如何准确地获取电机的转速信息，解决问题的出发点是利用测量到的定子电流、电压等信号综合电机转速。目前代表性的方案有：(1)模型参考自适应系统法(MRAS)，是将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的方程作为可调模型，而且两个模型具有相同物理意义的输出量(如转子磁通、反电势或无功功率)。利用两个模型输出量构成的误差，采用比例积分自适应律实时调节可调模型的参数(转速)，以实现辨识转速的目的。依据模型输出量的不同，模型参考自适应系统法又可分为基于转子磁通估计法、基于反电势估计法和基于无功功率估计法。其中，基于转子磁通估计法由于采用电压模型为参考模型，引入了纯积分环节,使得低速时转速估计的精度变差。而基于反电势估计法和基于无功功率估计法是基于转子磁通估计法的改进，前者避免了纯积分环节，但低速性能受定子电阻的影响；后者消除了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。但是MRAS以参考模型准确为基础，参考模型和可调模型都与电机参数有关，参数的准确程度直接影响到速度辨识和控制系统工作的成效。此外，MRAS中Popov超稳定性准则仅保证了状态和速度估计的稳定性与渐进收敛性，并不能使速度估计值与实际值在动态过程中保持一致。所以，动态过程中MRAS速度估计仍然是有差估计。图2-5基于模型参考自适应系统（MRAS）用PI闭环控制构造角速度的原理框图参考模型——定子电压方程可调整模型——转子电压方程PIuieruerieω电力牵引传动控制发展专题课程论文6(2)瞬时转速估计法，主要包括基于转子磁通估计和基于转子反电势估计。它们都以电机模型为基础，而且以完全知道电机参数为前提。这种方法算法简单，但无任何误差校正环节，抗干扰性能差，对电机参数