1、電力牽引傳動控制發展專題課程論文目錄1 引言12異步電動機傳動系統的控制策略12.1 轉速開環恒壓頻比控制12.2轉速閉環轉差頻率控制22.3 矢量控制32.4直接轉矩控制32.5 基于無速度感器的交流傳動控制技術53 同步電動機傳動系統的控制策略64 總結與展望8參考文獻9交流電動機傳動系統的控制技術發展綜述劉雪松 大連交通大學1 引言現代電力電子技術的迅猛發展，新型電力電子器件不斷問世，為交流傳動奠定了堅實的物質基礎；控制理論的逐步完善大大提高了交流傳動系統性能；現代信息技術日新月異的發展，為控制系統技術的進步提供了保障；交流電機自身無可爭辯的優勢,是拓展交流傳動系統的良好基礎。交流傳動系

2、統在性能上也已取得了長足發展，具備了寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應及四象限運行等良好技術性能，其動、靜態特性完全可以和直流傳動系統相媲美，被人們提了多年的“交流傳動取代直流傳動”的愿望正在變為現實。交流傳動系統之所以能有如此巨大進步,主要得益于電力電子學、微電子學和控制理論的驚人發展,尤其是先進控制策略的成功應用。縱觀交流電機控制策略的發展，先后涌現出大量的方式方法，其中具有代表性的有：轉速開環恒壓頻比(U/f=常數)控制、轉差頻率控制、矢量控制(磁場定向控制)、直接轉矩控制等。此外，無速度傳感器的交流傳動控制技術也已成為近年研究熱點。這些策略各有優缺點，在實際應用中必須根據具體要求適當

3、選擇，才能實現最佳效果，能全面了解上述各種控制策略非常重要。本文正是基于此目的，對交流電機的各種控制策略進行了較為全面的綜述與比較，力圖反映交流傳動在控制策略方面的最新研究進展。2 異步電動機傳動系統的控制策略2.1 轉速開環恒壓頻比控制最簡單的異步電動機變壓變頻調速系統就是恒壓頻比控制系統。為了滿足低速時的帶載能力，還須備有低頻電壓補償功能。轉速開環恒壓頻比控制調速系統通常由數字控制的通用變頻器-異步電動機組成，需要設定的控制信息主要有U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。采用恒壓頻比控制時，只要改變設定的“工作頻率”信號，就可以平滑地調節電動機轉

4、速。低頻時或負載的性質和大小不同時，須靠改變U/f函數發生器的特性來補償，使系統產生足夠的最大轉矩。要使電機的轉速得到快速響應，必須有效地控制轉矩。開環恒壓頻比控制只控制了電機的氣隙磁通，而不能調節轉矩，可以滿足一般平滑調速的需要，但靜、動態性能都有限，性能不高，如果要提高性能，在對動態性能要求不高的情況下，可以采用轉速閉環轉差頻率控制系統。PWM發生器U/f曲線斜坡函數f*F(t)工作頻率設定電壓補償設定升降速時間設定圖2-1 恒壓頻比控制調速系統中變頻器的基本控制作用2.2轉速閉環轉差頻率控制轉速閉環控制的基本方法是在調速系統外環設置轉速調節器，轉速調節器的輸出應該是轉矩給定的信號。如果保

5、持氣隙磁通不變，異步電動機的轉矩就近似與轉差率頻率成正比，因而控制轉差角頻率就能代表控制轉矩。因此，轉差頻率控制系統對角速度的檢查的準確性要求較高。轉差頻率控制能夠在一定程度上控制電機轉矩，但它依據的只是穩態模型，并不能真正控制動態過程中的轉矩，從而得不到很理想的動態控制性能。IsUsa*電壓源型逆變器PWMM3Us*s*1*Usb*ASR+Usc*FBS圖2-2 轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統結構原理圖2.3 矢量控制1971年，由FBlaschke提出的矢量控制理論將交流傳動的發展向前推進了一大步，使交流電機控制理論獲得第一次質的飛躍。其基本原理為：以轉子磁鏈這一旋轉空間矢量為參考

6、坐標，將定子電流分解為相互正交的2個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，另一個磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，然后分別對其進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態特性。等效直流電動機模型iBiAiC圖2-3 異步電動機的坐標變換結構圖三相-兩相變換 VR矢量旋轉變換器 M軸與軸（A軸）的夾角盡管矢量控制方法從理論上可以使異步電機傳動系統的動態特性得到顯著改善，但也帶來一些問題，即太理論化，實現時要進行復雜的坐標變換,并需準確觀測轉子磁鏈，而且對電機的參數依賴性很大，難以保證完全解耦，使轉矩的控制效果打了折扣。從電機本身看，其參數具有一定時變性，特別是轉子時間常數，它隨溫度和激磁

7、電感的飽和而變化，矢量控制系統對參數變化的敏感性使得實際控制效果難以達到理論分析的結果。即使電機參數與轉子磁鏈被精確知道，也只有穩態的情況下才能實現解耦，弱磁時耦合仍然存在。另外，矢量控制理論首先是認為電機中只有基波正序磁勢，這和實際差別不小，所以一味追求精確解耦并不一定能得到滿意的結果。而且，采用普通PI 調節器的矢量控制系統，其性能受參數變化及各種不確定性影響嚴重，即使在參數匹配良好的條件下能取得好的性能，一旦系統參數發生變化或受到不確定性因素的影響，則導致性能變差。2.4直接轉矩控制針對矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出異步電機直接轉矩控制方法，接著1987

8、年把它推廣到弱磁調速范圍。不同于矢量控制技術，它無需將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。它只是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來；而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此，直接轉矩控制大大少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。Uds*SaPWM逆變器矢量選擇單元磁鏈滯環比較器SbsTe*R*

9、Sc轉矩滯環比較器PITeR磁鏈位置|s|ssis磁鏈計算轉矩計算usIM圖2-4 近似圓形磁鏈控制系統框圖直接轉矩控制從一誕生，就以新穎的控制思路，簡潔明了的系統結構，優良的靜、動態性能受到人們的普遍關注，各國學者在理論探討和實驗研究上都做了大量工作，出現了各種各樣的控制方案。德國作為直接轉矩控制的發源地，采用的是六邊形磁鏈控制方案，著眼于大功率領域的實際應用。日本采用近似圓磁鏈的控制方案，側重于中小功率高性能調速領域的研究。從控制效果來看，六邊形方案在每六分之一周期僅使用一種非零電壓矢量,這相當于六階梯形波逆變器供電的情況(無零矢量作用時)，轉矩脈動、噪聲都比較大，與氣隙磁場為圓形的理想情

10、況相差甚遠。近似圓方案則比較接近理想情況，電機損耗、轉矩脈動及噪聲均很小。但是從另一方面看，六邊形方案有利于減小功率器件的開關頻率，適用于大功率領域，而近似圓方案則相反，一般用于中小功率高性能場合。美國進行直接轉矩控制研究的主要有TGHabetler等人，其目的是把直接轉矩控制技術應用到電動汽車的牽引中,因此研究重點并不是如何精確調速，而是在全速度范圍內有效地控制轉矩，他們提出的無差拍預前控制法，克服了Band-Band控制開關頻率可變的缺點。直接轉矩控制的研究雖已取得了很大進展，但是它在理論和實踐上還不夠成熟，如低速性能、帶負載能力等。而且由于它對實時性要求高，計算量大，若沒有新一代高速的微

11、處理器，要實現直接轉矩控制是不可想象的。2.5 基于無速度感器的交流傳動控制技術一般而言，高性能的交流調速系統離不開速度的閉環控制。然而，速度傳感器的安裝帶來了系統成本增加、體積增大、可靠性降低及其性能易受工作環境影響等缺點。因此，無速度傳感器傳動控制技術不僅是現代交流傳動控制的一個重要研究方向，而且它已成為當前研究的熱點。無速度傳感器控制技術發展于常規帶速度傳感器的傳動控制，其核心是如何準確地獲取電機的轉速信息，解決問題的出發點是利用測量到的定子電流、電壓等信號綜合電機轉速。目前代表性的方案有：(1)模型參考自適應系統法(MRAS)，是將不含轉速的方程作為參考模型，將含有轉速的方程作為可調模

12、型，而且兩個模型具有相同物理意義的輸出量(如轉子磁通、反電勢或無功功率)。利用兩個模型輸出量構成的誤差，采用比例積分自適應律實時調節可調模型的參數(轉速)，以實現辨識轉速的目的。依據模型輸出量的不同，模型參考自適應系統法又可分為基于轉子磁通估計法、基于反電勢估計法和基于無功功率估計法。其中，基于轉子磁通估計法由于采用電壓模型為參考模型，引入了純積分環節,使得低速時轉速估計的精度變差。而基于反電勢估計法和基于無功功率估計法是基于轉子磁通估計法的改進，前者避免了純積分環節，但低速性能受定子電阻的影響；后者消除了定子電阻的影響，獲得了更好的低速性能和更強的魯棒性。但是MRAS以參考模型準確為基礎，參

13、考模型和可調模型都與電機參數有關，參數的準確程度直接影響到速度辨識和控制系統工作的成效。此外，MRAS 中Popov超穩定性準則僅保證了狀態和速度估計的穩定性與漸進收斂性，并不能使速度估計值與實際值在動態過程中保持一致。所以，動態過程中MRAS 速度估計仍然是有差估計。ueru參考模型定子電壓方程iePIeri可調整模型轉子電壓方程圖2-5 基于模型參考自適應系統（MRAS）用PI閉環控制構造角速度的原理框圖(2)瞬時轉速估計法，主要包括基于轉子磁通估計和基于轉子反電勢估計。它們都以電機模型為基礎，而且以完全知道電機參數為前提。這種方法算法簡單，但無任何誤差校正環節，抗干擾性能差，對電機參數變

14、化敏感，尤其是低速時定子電阻變化的影響較為嚴重。(3)PI控制器法，利用電機某些量的誤差項，通過PI調節器獲得轉速信息。TOhtani采用了轉矩電流的誤差項，而MTsuji則采用了轉子q軸磁通的誤差項。此方法利用了自適應思想，魯棒性上較瞬時轉速估計法強，是一種結構簡單、性能良好的速度估計法。(4)擴展卡爾曼濾波法9，是將電機轉速視為一個狀態變量，將原狀態向量增廣，得到一個新的5階非線性狀態方程表示的電機模型，采用擴展卡爾曼濾波法在每一估計點將模型線性化來估計轉速。這種方法可有效抑制噪聲干擾，提高轉速估計的準確度。但是, 估計精度同樣受電機參數變化的影響，而且存在計算量太大的缺點，即使在采用降階

15、模型的情況下這一問題仍然突出。(5)基于神經網絡的方法10，主要是受MRAS速度估計的啟發，用神經網絡替代電流模型轉子磁鏈觀測器，用誤差反傳算法取代比例積分自適應律進行轉速估計，網絡的權值為電機參數。網絡無需事先離線學習與訓練，在線學習的過程就是速度估計過程。目前，基于神經網絡的轉速估計方法尚處于起步階段，其理論研究和企業應用尚不成熟，各種方法仍處在不斷探索與完善之中。盡管目前已有很多方法可以實現速度辨識，但仍存在許多問題待解決，如系統精度、復雜性和可靠性之間的矛盾，低速性能的提高等。今后，無速度傳感器控制的研究方向應為：提高轉速估計精度的同時改進控制性能，增強系統抗參數變化、抗噪聲干擾的魯棒

16、性，降低系統的復雜性，追求簡單性和可靠性。3 同步電動機傳動系統的控制策略同步電動機的特點是轉速與電源頻率嚴格同步，其轉子的轉速等于旋轉磁場的轉速，轉差恒等于零，沒有轉差功率。因此，改變同步電動機轉速的主要方法是改變供電電源的頻率，即變頻調速，從控制方式上又可分為他控式變頻調速和自控式變頻調速。同步電動機控制策略是異步電動機控制策略的一種特例，其變壓變頻的原理、方法和裝置均與異步電動機基本相同。它也可以象異步電動機那樣采用開環恒壓頻比控制，用和異步電動機傳動系統一樣的獨立的變壓變頻裝置供電。這種控制方式多用于化紡工業的小容量多電機傳動系統，但存在同步電動機轉子振蕩和失步的隱患，用途有限。同步電

17、動機矢量控制系統為自控式變頻調速，其性能已達到并超過了直流調速系統的水平，所以在高性能傳動系統中得到普遍應用。PWM變壓變頻器f *MSMSMS圖3-1 多臺同步電動機的恒壓頻比控制調速系統MS永磁同步電動機群與異步電動機矢量控制相比，同步電動機矢量控制有許多不同，主要表現在：異步電動機矢量控制以轉子磁鏈為基準，對于小容量同步電機矢量控制傳動可采用轉子磁鏈定向，但大中容量的同步電動機矢量控制傳動則均采用氣隙磁鏈定向；同步電動機的磁鏈主要靠勵磁電流建立和控制，異步電動機轉子電流和磁鏈靠感應產生，無須外加勵磁，省去勵磁裝置；同步電動機定子電流的磁化分量用于控制電動機功率因數及校正磁鏈的動態偏差，異

18、步電動機的功率因數由電動機參數和負載情況決定，不能控制，定子電流磁化分量用于建立和控制電機磁鏈；同步電動機d、q軸磁路不對稱，增加了矢量控制計算的復雜性，且定向復雜。同步電動機矢量控制系統不但比異步電動機矢量控制系統復雜，異步電機矢量控制存在的問題,在同步電機矢量控制中同樣存在，而且氣隙磁鏈定向方式屬于靜態解耦控制。針對同步電機矢量控制存在的缺點與不足，近年電工界又進行了廣泛深入的研究，試圖將各種控制理論方法應用于同步電機傳動系統，以改善性能。如將魯棒控制、滑模控制、自適應控制、智能控制應用于同步電動機傳動系統的速度或位置控制11-12,以改善系統對參數變化及各種不確定性干擾的適應性，使系統在

19、較寬的參數變化范圍內及各種不確定性影響情況下仍具有優良的動、靜態性能；將直接轉矩控制、非線性控制理論應用于同步電動機轉動系統13-14，利用控制理論或技術本身具有的優點改善系統性能。但是，目前對同步電動機控制策略的研究還不如對異步電動機控制的研究那樣深入、充分，除傳統的矢量控制系統已得到應用外，其它的系統都只是停留在理論探索或實驗階段，尚未得到應用;而且象異步電動機的各種控制策略一樣，現有的各種同步電動機傳動系統都存在不足，較復雜且計算量大，系統性能很大程度上依賴于控制用電子器件的高速化。4 總結與展望(1)由于各種控制策略各有優缺點，在實際應用中應當根據性能要求采用與之相適應的控制策略，以取

20、得最佳性能，不可千篇一律。(2)交流傳動發展到今天，在控制策略方面雖已取得了很多非常有用的成果，但是仍然很不完善，存在許多問題待解決。今后很長一段時間內，關于交流傳動控制策略的研究應主要圍繞以下幾個方面展開：研究具有較高動態性能，能抑制參數變化、擾動及各種不確定性干擾，且算法簡單的新型控制策略；研究具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、設計理論；研究高性能的無速度傳感器控制策略。參考文獻1陳伯時，陳敏遜交流調速系統（第三版）北京：機械工業出版社，2013年9月2馮曉云電力牽引交流傳動及其控制系統北京：高等教育出版社，2009年12月3陳伯時電力拖自動控制動系統運動控制系統M版北京：機械工業出版社，2003年4葛寶明，王祥珩交流傳動系統控制策略綜述 電氣傳動自動化雜志2001年5馮江華機車交流傳動控制系統的發展機車電傳動雜志2001年6李永東交流電機數字控制系統M北京：機械工業出版社2002年7楊耕，陳伯時交流感應電動機無速度傳感器的高動態性能控制方法綜述J電氣傳動，19978李崇堅交流電機變頻調速控制系統的探討J電力電子，2004年9Young Real Kim，etalSpeed senseless vector control of induction motor using extended kalman filterJIEEE T