高压变频器矢量控制策略研究

程志远

摘 要：高压变频器控制策略分为标量控制技术及矢量控制技术。标量控制策略简单易行，通过控制电动机压频比，实现电机的变频调速，是目前风机、泵类等负载高压变频调速系统中最为广泛应用的调速技术。而矢量控制策略一般应用于要求较高的高压变频产品中，它可以实现电动机更高的控制性能。相信随着高压变频器的应用领域不断拓展，控制技术以及用户要求的不断提高，矢量控制将会逐步替代标量控制，成为高压变频器的主流控制策略。

关键词：高压变频器；矢量控制；策略；研究

1 概述

高压变频器在采用矢量控制的过程中，不仅要求在调速控制策略中与直流电动机相匹配，还要求控制异步电动机产生电磁转矩。在矢量控制方案中，最为关键的是要准确获取异步电动机的端电压、端电流以及电动机转速等一些关键参数，如果这些关键参数无法通过传感器准确获取，则难以达到理想的控制效果，即会出现电动机的转速调节过程中，无法满足所提出静态和动态方面的要求，这是矢量控制的缺点，但目前采用矢量控制的高压变频器，已经具备对异步电动机运行参数的自动检测、在线辨识以及自适应控制参数调整等功能，带有这种电机在线参数辨识功能的高压变频器，可以在驱动异步电动机进行正常变频调速之前，有针对性地对异步电动机的参数进行在线辨识，并调整相关控制参数，从而实现对异步电动机调速过程提供强有力的矢量控制，进一步提高异步电动机调速性能。

2 基本原理

矢量控制的基本原理是首先通过电机的等效电路来得出电动机的磁链方程，具体包括定转子磁链，气隙磁链，其中气隙磁链是与定子和转子相关联的。一般的感应电动机转子电流较难测量，所以需要通过气隙把转子电流变换成定子电流，然后通过一系列坐标变换，即首先需通过3/2变换，变成静止的dq坐标系，然后通过前面的磁链方程而产生的单位矢量，从而得到旋转坐标下的类似于直流机的磁场电流分量和转矩电流分量，这样即可达到解耦的目的，该控制算法加快了系统的响应速度。最后再经过2/3坐标变换，最终产生三相交流电去驱动电动机，可实现良好的异步电动机调速性能。

矢量控制变频调速的具体做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过3/2变换及转子磁场定向坐标旋转变换，等效成同步M-T坐标系下的直流电流Im1及It1，其中Im1与It1相当于直流电动机的励磁电流及与转矩成正比的电机电枢电流，这样便可模仿直流电动机控制策略，在控制算法中求得直流电动机的控制量后进行坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

目前使用矢量控制的高压变频器，目前普遍采用M-T坐标系，该坐标系是定向于转子磁链并与之同速旋转坐标系，在该坐标系中，M轴（磁通轴）即为电动机中d轴沿转子总磁链矢量Ψ2方向，而T轴则是电动机的q轴逆时针旋转90°垂直于Ψ2方向。

在M-T坐标系下，异步电动机电流可被解耦为磁通电流和转矩电流两部分，两者分别决定了异步电动机的磁通及输出转矩，可见在这个旋转坐标系下，交流异步电动机模型可以转化为相近似的直流电动机数学模型。

3 控制方案

通过上述矢量控制基本原理理论分析可知，需要四个理论知识支持来实现异步电动机的矢量控制，，即等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转坐标变换）。然而在实际进行矢量控制过程中，转子磁链值难以准确观测，而且在将异步交流电动机模型等效成直流电动机模型控制过程中，坐标旋转变换控制算法复杂，因而使得矢量控制算法难以达到理想的控制效果。为了解决上述问题，文章采用转速、磁链双闭环矢量控制策略。

图1为采用了转速、磁链双闭环电动机矢量控制系统框图，图中标*的量为给定量，其余为实际测量值。速度环经调节器后获得q轴电流is的给定值isq*，同时磁链环经调节器获得d轴电流is的给定值isd*，通过反馈获得的角速度及磁链观测器可得到转角θ，利用isq*、isd*及θ进行坐标变换，即dq-abc变换，在结合电动机测量得到的iabc，馈入PWM脉冲发生器，最终产生逆变器驱动信号，从而驱动电动机进行调速运行。该矢量控制方法是通过转子磁通定向的坐标变换实现的，这种控制方法有如下特点：

（1）電动机模型中电压指令的给定保证了转矩方向和磁场的设定值输出。

（2）磁通闭环、间接磁场定向、转速闭环使得控制系统清晰、简洁，更易于工程实现。

（3）在转速控制环中，电动机电流的动态调节过程与电机端电压的静态模型采用分离的方式，解决了电动机参数变化对电动机工作过程中电流动态调节的闭环影响，提高了系统控制的稳定性。

实践表明，该控制方案实现起来较为方便，但其控制效果取决于对异步电动机系统在线参数辨识的精确性以及对异步电动机参数的温度补偿精确性，同时由于引入了磁通闭环的设计方案，导致系统控制存在一定的局限性，但总体的来说，该方案趋于成熟且易于实现，如果传感器及控制器的精度较高，同样可以达到较理想的控制效果。

4 结束语

文章详细研究了高压变频调速矢量控制策略，其基本原理是基于电动机动态数学模型的矢量控制技术，文章通过矢量控制基本原理描述及控制方案的实施，完整分析了这种控制策略，具有一定工程应用价值。

参考文献

[1]王志民，冯晓云.无速度传感器异步电机矢量控制系统的改进研究与仿真[J].电气传动自动化，2006（28）：14-16.

[2]周友，黄立培，陈杰，等.异步电机转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法[J].清华大学学报（自然科学版），1999，39（3）：84-87.