交流电机控制策略的发展综述

交流电机控制策略的发展综述摘要：对交流电机的控制方法进行了科学分类，可分为基于稳态模型的控制方法和基于动态模型的控制方法两大类，其中后者又可分为基本控制方法（也即矢量控制和直接转矩控制）、线性控制方法、非线性控制方法、智能控制四类。全面综述地分析和比较了它们的原理、优点、缺点、适用范围及应用情况。每种控制策略都有各自特点，在电机控制应用中应当根据性能要求，选用与之相应的控制方法，以取得最佳性能。每种控制方法都还存在缺陷，指出了交流电机控制算法的发展趋势。关键词：交流传动；交流电机；控制策略；矢量控制；直接转矩控制Abstract：ACmotorcontrolmethodsarescientificallyclassified，whichcanbedividedintotwocategories,namelycontrolmethodsbasedonbothsteady-statemodelanddynamicmodel，andthelattercanbedividedintofourcategoriesincludingthebasiccontrolmethods（thatis，vectorcontrolanddirecttorquecontrol），linearcontrolmethods，nonlinearcontrolmethodsandintelligentcontrolmethods．Theprinciples，advantagesanddisadvantages，scopesandapplicationsofthesecontrolmethodsarecomprehensivelyanalyzedandcompared．Eachcontrolmethodhasitsowncharacteristics，inapplicationofmotorcontrol，theappropriatecontrolmethodshouldbeselectedtoachievetheoptimalperformanceaccordingtoperformancerequirements．Inaddition，eachcontrolmethodhasitsdrawbacks，thedevelopingtrendsofACmotorcontrolalgorithmarealsoprospected．Keywords：ACdrive；ACmotor；controlstrategy；vectorcontrol；directtorquecontrol随着电力电子技术、微电子技术、数字控制技术以及控制理论的发展，交流传动系统的动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，交流传动系统获得广泛应用，交流传动取代直流传动已逐步变为现实。由于交流电机本质上为非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，它的有效控制一直是国内外研究的热点问题，现已提出了多种控制策略与方法。其中经典线性控制不能克服负载、模型参数的大范围变化及非线性因素的影响，控制性能不高；矢量控制、直接转矩控制也存在一些问题；近年来，随着现代控制和智能控制的理论发展，先进控制算法被应用于交流电机控制，并取得一定成果。这些方法各有特点，在实际应用中需根据具体要求适当选择，才能实现最佳效果。因此，全面了解各种控制策略非常重要。本文将对当前交流电机常用控制策略进行了全面地分析和比较，给出其优缺点，并指出发展方向。1交流电机的控制算法1.1基于交流电机稳态模型的控制方法常用的稳态模型控制方案有开环恒V/f比控制（即电压/频率=常数）和闭环转差频率控制。（1）恒压频比控制（ConstantV/fControl，VFC）此法是从变压变频基本控制方式出发的且不带速度反馈的开环控制方式。由于在额定频率以下，若电压一定而只降低频率，那么气隙磁通就要过大，造成磁路饱和，严重时烧毁电机。为了保持气隙磁通不变，VFC采用感应电势与频率之比为常数的方式进行控制。此法优点：结构简单，工作可靠，控制运算速度要求不高等。此法缺点：开环控制的调速精度和动态性能较差；只控制了气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高；由于不含有电流控制，起动时必须具有给定积分环节，以抑制电流冲击；低频时转矩不足，需转矩补偿，以改变低频转矩特性。（2）闭环转差频率控制（Close-loopSlipFrequencyControl，SFC）此法是一种直接控制转矩的控制方式。在电机稳定运行时，在转差率很小的变化范围内，只要维持电机磁链不变，电机转矩就近似与转差角频率成正比，因此控制转差角频率即可控制电机转矩。此法优点：基本上控制了电机转矩，提高了转速调节的动态性能和稳态精度。此法缺点：不能真正控制动态过程的转矩，动态性能不理想。上述两种控制方法基本上解决了电机平滑调速问题，但系统的控制规律是只依据电机的稳态数学模型，没有考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等动态性能不高；转矩和磁链是电压幅值及频率的函数，当仅控制转矩时，由于I/O间的耦合会导致响应速度变慢，即使有很好的控制方案，交流电机也很难达到直流电机所能达到的性能。但这两种控制的规律简单，目前仍在一般调速系统中采用，它们适用于动态性能要求不高的交流调速场合，例如风机、水泵等负载。1.2基于交流电机动态模型的控制方法1.2.1交流电机的基本控制方法要获得高动态性能，必须依据交流电机的动态数学模型。它的动态数学模型是非线性多变量的，其输入变量为定子电压和频率，输出变量为转速和磁链。当前最成熟的控制方法有矢量控制和直接转矩控制两种。（1）矢量控制（VectorControl，VC）它是由BlasehkeF.在1971年提出。根据电机的动态数学模型，利用矢量变换方法，将异步电机模拟成直流电机，从而获得良好的动态调速性能。它可分为转子磁场定向控制和定子磁场定向控制两种，其中转子磁链定向控制以转子磁链为参考坐标，通过静止坐标系到旋转坐标系间的坐标变换，将定子电流分解成产生磁链的励磁分量和产生转矩的转矩分量，并使两分量相互独立而解耦，然后分别对磁链和转矩独立控制。通常的控制策略是保持励磁电流不变，改变转矩电流来控制电机转矩；定子磁场定向控制是将同步旋转坐标系d轴放置在定子磁场方向上，有利于定子磁通观测器的实现，减弱转子回路参数对控制系统的影响，但低速运行时，定子电阻压降不容忽略，反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。若采用转子方程实现磁通观测，会增加系统复杂性。此法优点：实现了磁链与转矩的解耦，可对它们分别独立控制，明显改善了控制性能。此法缺点：对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制效果；即使电机参数与磁链能被精确测量，也只有稳态时才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在；需假设电机中只有基波正序磁势，太理论化，不完全符合实际；若解耦后的控制回路采用普通PI调节器，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重。矢量控制已获得非常广泛应用于交流电机控制，且为克服其缺点，它常与其他控制方法相结合来使用。（2）直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）它是由德国DepenbrockM.于1985年提出，它摒弃了解耦思想，直接控制电机转矩，不需要复杂的变换与计算，把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算定子磁通和转矩，通过PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。此法优点：控制思路新颖，采用“砰-砰”控制，系统结构简洁，无需对定子电流解耦，静、动态性能优良；采用定子磁链进行磁场定向，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性；可被推广到弱磁调速范围。此法缺点：功率开关器件存在一定的通、断时间，为防止同一桥臂的两开关发生直通而短路，必须在控制信号中设置死区，但死区会使在各调制周期内引起微小畸变，畸变积累后会使逆变器的输出电流产生畸变，引起转矩脉动，低速时死区效应更明显；低速时定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变；对逆变器开关频率提高的限制较大；无电流环，不能做电流保护，需加限流措施。此法已逐步大量用于交流电机控制，且为克服它的缺点，常与其他控制方法相结合。VC和DTC两法表面上不同，控制性能上各有特色，但本质是相同的，都采用转矩、磁链分别控制，其中转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。1.2.2交流电机的线性控制方法在VC和DCT两种基本的电机动态模型控制方法基础上，采用解耦后的线性控制或非线性控制可以构成高性能的控制系统，需要要解决的问题是提高系统的鲁棒性，以克服参数变化和各种扰动的影响。传统的电机控制一般采用线性模型和线性控制，控制结构采用双环（速度环和电流环）或三环（磁链环）结构。（1）PID控制（PIDControl）PID控制问世已有70多年了，它是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。由于其简单、有效、实用的特性，目前仍是应用最为广泛的控制算法。此法优点：结构简单，物理意义明确，稳定性好，调整方便，应用经验丰富。此法缺点：仅适于线性、定常对象的控制，但不适于非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂对象的控制。由于交流电机是一个强耦合的非线性对象，且存在多种干扰，电机参数也会变化，此法无法在线自适应对象参数的变化，控制参数适用控制对象范围小，难以取得满意的控制效果。近年来，出现了PID控制与其他控制相结合的多种新型PID控制，如自适应PI、模糊PI、神经PI等控制，它们在一定程度上改善了电机的调速性能。（2）内模控制（InternalModelControl，IMC）它是由Garcia和Motari于1982年提出的，是在Smith预估基础上扩展的一种基于过程模型的控制策略。它通过对控制器的重新设计，增加了滤波环节，提高了系统的鲁棒性。此法优点：结构简单，设计直观；在线调节参数少，调整容易；跟踪调节好，鲁棒性强，抗扰性高；特别适合于时滞系统的控制。此法缺点：需要被控对象的内部模型，且当模型失配时，控制效果变差，甚至导致系统不稳；对难以建立模型、存在不确定及非线性的复杂对象，难以取得满意的控制效果。此法已被用于电机VC控制中的电流调节器，系统的动态响应较好，且对参数变化的敏感性小。目前，此法已扩展到了多变量、非线性系统，还与自适应、预测、模糊、神经网络等其他控制方法结合，取得了更好的控制效果。（3）最优控制（OptimalControl，OC）它是由BellmanRE等于1957年提出的方法基础上发展起来的，在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得系统的性能指标达到极值。它的常用基本方法为动态规划、最大值原理和变分法。已在线性二次型调节、时间最短、能耗最小等领域广泛应用。此法优点：可用于MIMO系统、非线性及时变系统；各种冲突的设计目标通过性能指标函数自动折中考虑，不依赖设计者经验；性能指标函数不仅可考虑动、静态性能，还可结合能量消耗；线性二次型调节器的相位裕量至少60°，幅度裕量无限大。此法缺点：对象维数不宜太高，否则计算时间过长，难以实际应用；建模要准确，不能有未建模动态，存在鲁棒性问题；存在最优化算法的简化和实用性问题。VC在恒转矩调速范围内采取恒磁通控制策略，在轻载时系统运行在额定磁通会引起过度铁芯损耗，导致电机效率降低。采用基于模型的最小损耗函数控制对轻载稳态时的效率进行优化，可减小铁损，使铜损与铁损达到平衡，实现效率最优。（4）预测控制（PredictiveControl，PC）它是由Richalet等于1978年提出，具有多步测试、滚动优化和反馈校正三个基本特征，它不是采用不变的全局优化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略，使得在控制的全程中实现动态优化，而在控制的每步实现静态参数优化，及时弥补了模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，使控制保持实际上的最优。它主要包括模型算法控制（MAC）、动态矩阵控制（DMC）、广义预测控制（GPC）