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　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)和數字控制技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)具有明顯的優(yōu)越性，各種通用的和高性能的交流傳動(dòng)控制系統相繼誕生。但是，由于交流電機的非線(xiàn)性多變量耦合性質(zhì)，研究其控制策略引起許多專(zhuān)家和學(xué)者的興趣，且取得了許多成果。目前，交流傳動(dòng)控制較先進(jìn)和熱門(mén)的方法是矢量控制和直接轉矩控制，特別是直接轉矩控制法受到國內外學(xué)者的關(guān)注，通過(guò)理論分析和實(shí)踐檢驗仍存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　一、交流傳動(dòng)的基本類(lèi)型
　　異步電機從定子傳入轉子的電磁功率Pem可分為兩部分：機械功率PΩ和轉差功率Ps即：
　　PΩ=（l-s’)Pem
　　Ps=sPem
　　從能量轉換效率的角度看，交流電動(dòng)機的傳動(dòng)可分為下面幾類(lèi)：
　　轉差功率消耗型傳動(dòng)系統，如變壓、串電阻等調速系統；
　　轉差功率回饋型傳動(dòng)系統，如繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機串級和雙饋型調速系統；
　　轉差功率不變型傳動(dòng)系統，如變壓變頻調速系統。
　　其中，轉差功率消耗型傳動(dòng)系統控制方法最簡(jiǎn)單，只是一般的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，但其速度只能調在額定轉速以下，它是以增加轉差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉速的降低(恒轉矩負載時(shí))，故越向下調速效率越低；轉差功率回饋型傳動(dòng)系統中，轉差功率的一部分消耗掉，大部分則通過(guò)變流裝置回饋電網(wǎng)或轉化為機械能加以利用，轉速越低時(shí)回收的功率越多，但增設的交流裝置要多消耗一些功率；轉差功率不變型傳動(dòng)系統中轉子銅損部分的消耗是不可避免的，但這類(lèi)系統中無(wú)論轉速高低，其轉差功率的消耗基本不變，因此效率最高。
　　同步電動(dòng)機沒(méi)有轉差功率，屬于轉差功率不變型傳動(dòng)系統，只能用變壓變頻方式控制，分他控變頻調速和自控變頻調速兩種。
　　二、高性能交流傳動(dòng)控制方法
　　交流電機的數學(xué)模型是非線(xiàn)性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉速和磁鏈(定子磁鏈或轉子磁鏈、或氣隙磁鏈)，要獲得高動(dòng)態(tài)性能，就必須依據電動(dòng)機的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型，就必須對數學(xué)模型加以改造，使之解耦和線(xiàn)性化。
　　1. 按轉子磁鏈定向的矢量控制
　　矢量控制實(shí)現的基本原理是通過(guò)測量和控制異步電動(dòng)機定子電流矢量，根據磁場(chǎng)定向原理分別對異步電動(dòng)機的勵磁電流和轉矩電流進(jìn)行控制，從而達到控制異步電動(dòng)機轉矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉矩的電流分量 (轉矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱(chēng)這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。
　　2. 基于轉差頻率控制的矢量控制方式
　　基于轉差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行U / f ＝恒定控制的基礎上，通過(guò)檢測異步電動(dòng)機的實(shí)際速度n，并得到對應的控制頻率f，然后根據希望得到的轉矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進(jìn)行控制的。基于轉差頻率控制的矢量控制方式的最大特點(diǎn)是，可以消除動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉矩電流的波動(dòng)，從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉差頻率控制的矢量控制方式。
　　3. 無(wú)速度傳感器的矢量控制方式
　　無(wú)速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而來(lái)的。實(shí)現精確的磁場(chǎng)定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機內安裝磁通檢測裝置.要在異步電動(dòng)機內安裝磁通檢測裝置是很困難的,但即使不在異步電動(dòng)機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動(dòng)機的銘牌參數，按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流進(jìn)行檢測，并通過(guò)控制電動(dòng)機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實(shí)現矢量控制。
　　4. 按定子磁鏈定向的直接轉矩控制
　　直接轉矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動(dòng)機的數學(xué)模型，計算與控制異步電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點(diǎn)式調節器(Band—Band控制)，把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器來(lái)控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉矩輸出。
　　它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機的數學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機與直流電動(dòng)機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機數學(xué)模型，沒(méi)有通常的PWM脈寬調制信號發(fā)生器，所以它的控制結構簡(jiǎn)單、控制信號處理的物理概念明確、系統的轉矩響應迅速且無(wú)超調，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調速控制方式。
　　三、兩種控制方式的應用展望
　　1. 矢量控制方式的應用展望
　　無(wú)速度傳感器矢量控制的優(yōu)勢
　　概括來(lái)說(shuō)，無(wú)速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，同時(shí)省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統V/f控制比較，無(wú)速度傳感器矢量控制可以獲得改進(jìn)的低速運行特性，變負載下的速度調節能力亦得到改善，同時(shí)還可獲得高的起動(dòng)轉矩，這在高摩擦與慣性負載的起動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢。正是由于這些驅動(dòng)特性，該控制技術(shù)已逐漸成為通用恒轉矩驅動(dòng)應用的選擇。事實(shí)上，基本上所有的AC驅動(dòng)廠(chǎng)家都提供該控制模式。
　　無(wú)速度傳感器矢量控制需解決的問(wèn)題
　　矢量控制從基本原理上講能夠獲得優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)特性，但是對電機參數的敏感性卻成為實(shí)際應用中必須解決的問(wèn)題。驅動(dòng)器通過(guò)啟動(dòng)前的自整定以及運行過(guò)程中的在線(xiàn)整定，適應電機參數變化，保持矢量控制的動(dòng)靜態(tài)性能，這些復雜的自適應控制算法都必須通過(guò)強大的信號處理器才能完成。
　　無(wú)速度傳感器矢量控制盡管省略了閉環(huán)控制中使用的速度傳感器，SVC仍然需要采用電壓、電流傳感器對電機進(jìn)行控制，在高速運算處理器的平臺上通過(guò)使用復雜的電機模型與高強度的數學(xué)運算，對傳感器輸入信號進(jìn)行處理獲得電機控制所需的磁通與轉矩分量，再通過(guò)自適應的磁場(chǎng)向量方法實(shí)現解耦控制，以獲得良好的動(dòng)態(tài)響應。
　　應當說(shuō)，該控制方式目前沒(méi)有標準的解決方案，SVC控制的關(guān)鍵在于正確的轉速估計與解耦控制，但這兩者之間又存在相互耦合的關(guān)系。轉速估計的精度不僅決定于測量的定子電壓與電流，同時(shí)與電機參數密切相關(guān)。在數字化電機控制系統中，轉速估計的精度又與采樣頻率以及反饋信號的分辨率有關(guān)，而轉速估計的精確程度不僅影響到速度控制的準確度, 也會(huì )影響到速度環(huán)路補償器的設計。這些問(wèn)題環(huán)環(huán)相扣, 稍有失誤甚至會(huì )影響到系統的穩定性。
　　SVC技術(shù)要實(shí)用化，必須解決幾個(gè)基本問(wèn)題：磁通辨識、速度估計以及參數適應性。過(guò)去十幾年里，研究人員開(kāi)發(fā)出了多種磁通辨識與轉速估計方法。其中以磁場(chǎng)定向為基礎的轉速估計法由于其快速性與較高的準確度，已成為行業(yè)設計的主流。
　　無(wú)論是磁通辨識還是速度估計，對參數的依賴(lài)性都較強，也正是因為如此SVC與采用速度或位置傳感器的閉環(huán)磁通矢量控制(FVC)相比，對電機參數的變化更為敏感，在速度調節與轉矩響應等動(dòng)態(tài)指標上要落后于FVC控制。目前業(yè)界對SVC參數整定的設計包括初始整定與在線(xiàn)整定兩種。有關(guān)參數自適應這方面的研究仍在深入，如何提高SVC系統的適應性、魯棒性無(wú)疑是一個(gè)重要的研究課題。
　　總的來(lái)看，由于不需要速度傳感器，SVC的電機控制模型要十分精確。從運算量來(lái)講，SVC控制比FVC更為復雜，這也使得無(wú)速度傳感器控制的難度要明顯高于閉環(huán)控制。由于電機參數在運行過(guò)程變化很大，因此SVC驅動(dòng)器的自整定能力對于獲得準確的電機參數尤為重要，這也直接決定了矢量控制的性能。事實(shí)上，如何適應電機運行條件的變化，保持模型的精確性是避免高轉矩波動(dòng)的關(guān)鍵；而模型的自適應能力也是電機接近零速運行時(shí)最為重要的因素，因為此時(shí)的電機參考模型誤差已經(jīng)大大增加。盡管采用了自適應的精確電機模型，目前的最高水平的SVC控制在動(dòng)靜態(tài)特性上與FVC仍然存在一定差距，這在低速運行區域尤為明顯。
　　無(wú)速度傳感矢量控制的展望
　　概括來(lái)講，未來(lái)無(wú)速度傳感器矢量控制的動(dòng)靜態(tài)特性的進(jìn)一步提高，需要更為完善的逆變器/電機模型，綜合考慮不同運行條件下的電機磁路飽和、繞組集膚效應、逆變器的非線(xiàn)性以及電機參數變化等因素。在更為精確的自適應電機模型基礎上，低速轉矩脈動(dòng)將進(jìn)一步減小，穩速精度將進(jìn)一步提高，對負載擾動(dòng)的響應更快，對電機參數變化的穩定性將進(jìn)一步加強。特別是具有寬范圍調速(包括零速)和高精度轉速調節、轉矩控制(而不僅是轉矩限定)的SVC控制系統與FVC控制系統的差距將逐步減小，并有望取代部分伺服應用領(lǐng)域。
　　未來(lái)的一些進(jìn)步還將體現在高速處理器及外設上。DSP+ASIC/FPGA的控制器結構使得系統的信號并行處理能力更為強大，在此基礎上可以支持核心程序以非常快的速度運行，保證SVC系統對速度指令及負載變化有更快的響應，這對高性能的數字控制系統來(lái)講是非常重要的。
　　此外，無(wú)速度傳感器控制方式下的多機運行以及在高功率低速運行的應用也將成為未來(lái)的發(fā)展方向。
　　2. 直接轉矩控制的應用展望
　　異步機直接轉矩控制法(DTC)，它不需要解耦電機數學(xué)模型，強調對電機轉矩進(jìn)行直接控制，在很大程度上克服了矢量控制計算復雜和易受轉子參數變化的影響，成為交流調速控制理論第二次質(zhì)的飛躍。多年來(lái)隨著(zhù)智能控制理論的發(fā)展和引入，涌現了許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的直接轉矩控制，控制性能得到進(jìn)一步的改善和提高。直接轉矩控制的不足之處是存在諧波分量和低速性能較差等問(wèn)題，可以通過(guò)下面方法加以完善。
　　控制環(huán)節內部結構的改進(jìn)
　　磁通調節器和轉矩調節器的細化改進(jìn)。只有根據當前的轉矩和磁通的實(shí)時(shí)偏差合理的選擇電壓矢量，才有可能使轉矩和磁通的調節過(guò)程達到較理想狀態(tài)，因此轉矩、磁通的偏差區分得越細，電壓矢量的選擇越精確，控制性能就越好。這樣通過(guò)改進(jìn)轉矩、磁通調節器的結構，細化轉矩和磁通的偏差區分，如圖1將轉矩調節器設計成兩個(gè)滯環(huán)特性單元的組合結構形式。
　　圖1 轉矩調節器細化結構圖
　　磁通調節器設計成一繼電器特性單元和一滯環(huán)特性單元的組合形式，如圖2所示。
　　圖2 磁通調節器細化結構圖
　　采用這種新型磁通、轉矩DTC系統，不僅全面改善了動(dòng)靜態(tài)性能，而且有效減少了轉矩磁通的脈動(dòng)。
　　智能開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器的完善
　　通過(guò)使用模糊控制器或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完全抵消了觸發(fā)器容差的影響，性能改善更加明顯。但是，由于人為選取的模糊狀態(tài)選擇器中各變量隸屬度具有較大的主觀(guān)性和盲目性，一旦選擇不當，系統性能的改善就不復存在，甚至還會(huì )變差。采用遺傳算法來(lái)學(xué)習轉差誤差的隸屬度函數分布，進(jìn)一步提高了轉矩的響應速度，減小了轉矩諧波和電流諧波。另外，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)構造開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器，也可以取得較好的效果。
　　電壓矢量選擇方式的改進(jìn)
　　一種新的電壓矢量選擇方法——預期電壓法見(jiàn)圖3：首先根據轉矩、磁通偏差和轉速計算出一個(gè)能達到最佳控制的預期電壓VK，然后用電壓型逆變器的6個(gè)工作電壓中與之相鄰的兩個(gè)VK1、VK2來(lái)合成它。
　　圖3 預期電壓合成示
　　此方法不但具有上升時(shí)間短，穩態(tài)性能好，而且電流的高次諧波分量小。
　　傳統方式下對定子電阻觀(guān)測器的改進(jìn)
　　傳統直接轉矩控制中，定子磁通一般采用u-i模型：
　　在低速運行時(shí)應考慮RS的影響，如果對RS估計誤差偏大，就會(huì )嚴重影響運行性能，基于此種考慮，提出了一種基于模糊控制的定子電阻觀(guān)測器，該觀(guān)測把對定子電阻影響較大的三個(gè)因素：定子電流、轉速、運行時(shí)間作為輸入量，以定子電阻變化ΔRS作為輸出量，并考慮到定子電阻上升和下降的變化規律不一樣，將這兩種情況分別對待，設計各自對應的模糊觀(guān)測器。
　　該觀(guān)測器在系統不斷改變運行方式的情況下，仍能準確跟蹤RS的變化，為改善低速性能提供了一個(gè)有效的方法。
　　另一種定子電阻觀(guān)測器是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的，用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )定子電阻觀(guān)測器，效果非常理想。該網(wǎng)絡(luò )采用 3-12-1結構，3個(gè)輸入量分別為定子電流、定子電壓頻率、運行時(shí)間，輸出是阻值變化ΔRS。離線(xiàn)訓練好的網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)運行時(shí)，能正確的估計電阻因is.f.t的變化而產(chǎn)生的變化值。另一種更為簡(jiǎn)單的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )定子電阻觀(guān)測器，它只有兩個(gè)輸入，分別是電流偏差及其差分：
　　輸出仍然是電阻變化值。當該網(wǎng)絡(luò )在隱含層設置2個(gè)神經(jīng)單元，即組成2-2-1結構時(shí)，就能成功的估計出低速時(shí)定子阻值變化。若采用2-3-1或2-5-1結構時(shí)，估計效果更佳。由于這種網(wǎng)絡(luò )所含神經(jīng)元少，實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單，訓練起來(lái)也很方便，可以直接在線(xiàn)學(xué)習。
　　基于氣隙磁通直接轉矩控制
　　直接轉矩控制低速性能較差的根本原因是系統未能徹底擺脫電機參數的變化所帶來(lái)的影響，若要從根本上解決這一問(wèn)題，就必須選擇一種完全獨立于各種易變參數之外的實(shí)現方法。利用定子電壓的三次諧波分量計算氣隙磁通進(jìn)行控制，就體現了這一思想。
　　無(wú)速度傳感器直接轉矩控制的探討
　　利用轉子磁通方程構造無(wú)速度傳感器直接轉矩控制系統，其中的參考模型就是α、β坐標下的轉子磁通方程。在分析直接轉矩控制理論的基礎上，將電機的漏抗全部折算到轉子邊，可推導出實(shí)際轉速的計算公式，這樣就可以用軟件來(lái)實(shí)現轉速的計算，從而可以省略硬件上的速度辯識器。不影響系統的動(dòng)靜態(tài)性能，具有一定的實(shí)用性。
　　四、結語(yǔ)
　　目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機參數自動(dòng)檢測、自動(dòng)辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動(dòng)異步電動(dòng)機進(jìn)行正常運轉之前可以自動(dòng)地對異步電動(dòng)機的參數進(jìn)行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關(guān)參數，從而對普通的異步電動(dòng)機進(jìn)行有效的矢量控制。
　　除了上述的無(wú)傳感器矢量控制和轉矩矢量控制等，可提高異步電動(dòng)機轉矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動(dòng)機控制常數的調節及與機械系統匹配的適應性控制等，以提高異步電動(dòng)機應用性能的技術(shù)。為了防止異步電動(dòng)機轉速偏差以及在低速區域獲得較理想的平滑轉速，應用大規模集成電路并采用專(zhuān)用數字式自動(dòng)電壓調整(AVR)控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果。
　　和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實(shí)現磁鏈和轉矩的直接控制。
　　追求整體性能的最優(yōu)是直接轉矩控制的發(fā)展方向，通過(guò)改進(jìn)系統組成環(huán)節的內部結構，來(lái)提高系統性能，其效果非常有限，從軟件方面改進(jìn)系統將是大勢所趨，智能控制會(huì )發(fā)揮越來(lái)越大的作用，成為整個(gè)系統的控制核心，近幾年發(fā)展起來(lái)的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和模糊控制結合起來(lái)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模糊控制肯定會(huì )成為直接轉矩控制的重要手段。用DSP或CPU實(shí)現DTC系統的全數字化也是一個(gè)重要發(fā)展方向。

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　　由于大中型電機單機價(jià)值較高,用戶(hù)往往不會(huì )儲備備用電機對故障電機進(jìn)行替換,因此在電機故障時(shí)必然造成終端客戶(hù)的系統減產(chǎn)或者停機。所以大中型電機生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)和售后服務(wù)能力,偶發(fā)故障時(shí)的快速搶修能力,成為客戶(hù)選擇產(chǎn)品的主要依據之一。

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　　正常運行的三相異步電動(dòng)機，用手觸摸外殼時(shí)，一般稍有溫感。如果觸摸時(shí)感到外殼燙手或手掌不能長(cháng)時(shí)間觸及時(shí)，都屬于電動(dòng)機的過(guò)熱現象。

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