交流电机拖动的运动控制系统

蒋 涛

（四川师范大学成都学院，四川 成都 611745）

1 交流电机拖动系统概述

众所周知，交流电机按工作方式和运行速度来分可以分为感应(异步)电机和同步电机两大类，其控制的方法各不相同。随着继电、接触器在电气系统中的广泛应用，感应电机的一些简单控制，如变极调速、分级分档的调压调速等。

感应电机从转子的结构上又可以分为鼠笼型(简称笼型)转子和绕线型(简称线型)转子两类。笼型转子的感应电机结构比线型转子的感应电机简单，但是由于运行时转子端的电磁关系不能够直接得到，因此影响了其实际的控制效果和运用；线型转子的感应电机运行时转子端的情况易于检测和控制，但是其结构和接线又比笼型转子的复杂。总之，二者各有千秋。近年来，估计理论在笼型感应电机的控制上屡有应用：主要是通过状态空间理论中的估计方法来对笼型感应电机转子端的情况进行估计，取得了很好的控制效果。

2 交流感应电机调速系统的性能分析与应用

在电力电子器件出现以后，特别是近十几年以来，电力电子技术和计算机技术、控制技术相互结合使交流感应电机的调速得到了很大的发展。目前，主要的交流感应电机调速系统主要有改变电压频率的变频调速系统，以坐标变换和观测器为主要控制手段的向量控制系统，以及直接和间接转矩控制系统，这些调速控制系统业已形成了一些成型的产品，在很多领域得到了广泛的应用。

2.1 感应电机变频调速系统

从感应电机同步转速的公式知道，通过改变电机定子电源的频率，不但能够实现感应电机频率的调节，而且可以得到很多其他调速方法达不到的调速效果。随着电力电子技术、控制技术以及电子计算机技术的发展，变频调速已经成为当前感应电机调速的主流，有相当多的学者和工程师在这方面进行了研究和实践，也有不少成熟的产品。

电压频率的变化和调节可以有两个方向：一个是在额定频率基础上降低频率，一个是在额定频率基础上升高频率。额定频率称为基频，因此，在额定频率基础上降低频率的调速方法称为基频向下调速，在额定频率基础上升高频率的调速方法称为基频向上调速。一般认为，在电机调速时要保持电机的主磁通不变。这是考虑到对于电机铁芯利用和能量方面的原因。由感应电机定子端的电势公式：E1=4.44f1N1kN1覬m

可知，如果在变频调速时单方面改变频率的大小则不能保证电机的主磁通不变，因此在变频调速时必须考虑这个问题。①基频向下调速。在基频向下调速的同时要保证电机的主磁通不变，则需要同时使电机定子的电动势下降，但是由于电机定子的电动势不好控制，所以在精度要求不高时，可以认为定子电压与电动势基本相等，即在降低定子频率的同时，也成比例地降低定子电压，从而保证近似恒磁通调速。②基频向上调速。在基频向下调速的同时适当调整定子端的参数，可以保证电机的主磁通不变。在基频向上调速时，如果也要实现恒磁通调速，就必须使电机定子端的电压升高。但是这样一来，电机的能耗必然加大，一般不允许这样操作。因此，在基频向上调速时只能保持定子电压维持额定值的情况。随着频率的不断升高，定子电压维持恒定，电机主磁通只能逐渐下降——这是一种“弱磁”的调速方式。

2.2 感应电机的向量控制系统

感应电机的变频调速控制系统与简单的调压调速和变极调速相比，在调速性能上有了很大提高。但是这样的调速仍然是基于感应电机的稳态数学模型，因此，虽然在调速的静态特性上改善了性能，但是在调速过程中的动态情况仍然存在一些问题，例如，系统的启动以及动态稳定性上就难以取得令人满意的效果，与直流电机的调速情况相差较大。为了解决这个问题，很多电机研究学者和工程师进行了很多研究。在20世纪70年代，德国西门子公司的研究人员提出了感应电机磁场定向的控制方法，开创了感应电机向量控制的新局面。

为了提高感应电机的动态性能，这是一个高阶次、强耦合、非线性的数学模型，使用普通的控制方法很难进行准确的控制。但如果将感应电机通过适当的变换把它等效为一个直流电机，使用控制直流电机的方法来控制感应电机就可以获得较为理想的控制效果，这就是感应电机磁场定向的微量控制系统。

磁场定向的向量控制系统通过坐标变换将三相感应电机变换为一个两相的旋转系统，然后在同步旋转坐标系上对其进行控制，这样就达到了使用直流电机控制方法来控制三相交流电机的目的。

若采用两个控制器分别对感应电机的转子磁链和转速进行调节，就必须对这个结构图做进一步简化，使电机的转速尽量不受转子磁链的影响，基本实现一对一的控制模式。要实现这样的控制只需要在电机的转速控制一路中除以转子磁链这个参数就可以了。转子磁链的获得有两种方法：一种是直接的方法；一种是间接的方法。

2.3 感应电机的直接转矩控制系统

直接转矩控制系统是一种继向量控制系统之后发展起来的一种感应电机控制系统。这种控制系统与向量控制系统不同，它不使用坐标变换和解耦的方法，通过观测感应电机的定子电压和电流计算电机的磁链和转矩，实现转矩的直接控制。目前直接转矩控制的系统，大多都是采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用磁链定向向量控制，高速时采用直接转矩控制。但无论如何，整个控制过程还是要依赖转子的参数估计，对转子参数相对来讲比较敏感。

2.4 其他先进的感应电机控制系统

近年来，由于各种控制理论被广泛地应用到电机的向量控制以及估计中来，形成了各种先进的感应电机控制系统，尽管这些系统在实际应用中尚有一段距离，但是在电机控制的理论上很有新意。

人工神经网络是智能控制中非常有代表性的一种控制思想，它是通过神经元以一定形式连接而成的控制系统。在对感应电机的控制中可以利用神经网络对电机的参数进行辨识，再通过学习系统归纳出输入偷出的关系，通常采用前馈多层模型方法。

3 结语

在感应电机的控制系统中，转速测量和反馈是必不可少的，这是对于精度的必要保证。但是，在实际的控制系统中，安装转速测量的装置又给整个系统带来了不便检修和体积增大、可靠性降低的问题，同时也增加了运行的成本。为了解决这些问题，从事电机控制的学习和工程技术人员研究出了无速度传感器的感应电机控制系统。不用位置传感器并不是不需要速度信号，而是通过对电机的转速进行观测和估计来代替传感器，从而构成无速度传感器的感应电机向量控制系统。