DSP的交流异步电动机变频调速技术要点分析

岑仕诚

摘 要：电动机运行中，为了能够满足不同工况的要求，需要做好相应的速度调节，而对于交流异步电机而言，比较常见的调速方式包括电磁转差离合器调速、调压调速等，其本身的效率较差。对此，需要引入全新的变频调速技术。文章对交流异步电动机变频调速中存在的问题进行了分析，并就其技术要点进行了讨论和阐述。

关键词：DSP；交流异步电动机；变频调速；技术要点

前言

电动机的类型多样，而直流电动机和三相交流异步电动机是其中最具典型意义的两种。两相对比，交流异步电动机具有结构简单、成本低廉、操作便利、运行可靠等优势，因此在传动领域有着更加广泛的应用。做好电动机的变频调速操作，可以改善电动机起动性能，增加起动转矩同时减少电能消耗，对于电动机功能的发挥意义重大。

1 交流异步电动机变频调速技术现状

就目前而言，应用最为广泛的变频调速系统是转速开环恒压频比控制系统，基本上能够满足常规的平滑调速要求。不过系统的静态性能和动态性能相对有限，想要提升需要采用带有转速反馈的闭环控制。基于此，研究人员对自身的思路进行了拓展，提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统。但是其仅仅适用于转速变化相对缓慢的场合，而如果要求电动机能够根据实际需求进行转速的快速调节，则会在稳态电流的基础上，产生较大的瞬态电流，使得电动机的性能无法充分发挥出来[1]。

2 交流异步电动机变频调速技术要点

DSP即数字信号处理，其在许多领域中都有着广泛的应用，其基本原理，是将事物的运动变化转换为数字，结合相应的计算方法，从数字中提取出有用信息，以满足实际应用需求。而电机控制专用DSP的出现，克服了传统变频控制中存在的缺陷和问题，可以实现控制系统的全数字化。而对于交流异步电动机而言，变频调速是最为典型同时也非常高效的一种调速方法，能够在实现无极变频调速的同时，结合电动机的负载特性，对电压与频率的关系进行合理调节，使得电动机可以始终保持高效运行。交流变频调速在调速方面与直流电动机的变压调速系统类似，采用的是平行上下移动而转差功率固定的模式。

这里对DSP的交流异步电动机变频调速中存在的问题及解决对策进行简要分析。系统总体框架如图1所示。

2.1 转矩脉动过大

转矩脉动直接影响着交流电动机变频调速系统的效率，而其本身的不稳定性不仅影响了系统本身的稳定状态，使得变频阈值容易超出正常的误差标准范围，如果长时间持续，还可能会引发系统反应迟缓问题，影响电动机的工作效率。如果变频调速系统达到最高运行速度，则磁链滞环本身会呈现出高速旋转的状态，使得电动机内部的转矩脉动频率增加。而电动机内部存在的交流分量则会在一定程度上分流转矩脉动中的信号，使得其频率能够保持在相对正常的范围内。但是，如果变频调速系统的运行速度降低，电动机内部的磁链转速也会随之下降，继而引发转矩脉动的周期性波动。在这种情况下，对变频调速系统内部的转矩脉动进行控制，就成为了提升电动机整体性能的关键所在。

2.2 开关频率变化

存在有感应电机内部的变频调速系统是通过直接转矩控制完成对于频率的响应，而直接转矩控制系统可以进一步分为电动转矩和磁链滞环两个独立的单元，在其影响下，系统不仅能够对传感器进行有效控制，还可以实现高动态反应，完成对电机的数字化控制。而在系统中，主要是通过电压型逆变器的控制，实现电力开关切换，开关闭合回路通电后，电动机周边会形成磁场，近似圆形，而伴随着电机输出功率的增大，磁场的强度也会随之上升，电机的多项参数（温度、转矩波动、谐波损耗等）则会有所下降。

而在交流电动机的变频调速中，开关频率的控制是一个亟待解决的问题，这也是确保感应电动机可靠运行的关键。但是，即使引入了数字信号处理技术和数字控制技术，系统在程序计算以及开关动作方面仍不可避免的存在着延迟问题，较长的延迟时间会直接影响开关切换的频率，同时可能增大采样周期之间的转矩误差，继而影响电动机的正常运作[2]。

2.3 定子磁链与定子电阻辨识

通常来讲，直接转矩控制在对定子磁链进行估算时，采用的多是压电模型，而从定子磁场本身的定向特性考虑，压电模型的机电参數存在着与定子电阻的直接联系。对其进行细致分析，如果定子本身处于高速转动状态，其会完成对电磁线的快速切割，进而在电动机内部产生较为巨大的交流电流。此时，结合相应的公式计算，可以得到相对准确的定子电阻，以计算出的定子电阻为依据，可以进行定子磁链的推算；反之，如果定子本身的转速相对缓慢，定子电流会有所下降，在交流电动机恒定的额定电压下，定子电阻的阻值会在较大的范围内波动变化，最终结果就是定子磁链的失准。就目前而言，绝大多数交流电动机的变频调速系统都是采用超出标准速度的定子磁链来作为压电模型，以保证系统的运行效果。

而在压电模型中，积分环节对于系统内部电流发挥着相应的损耗积累作用，如果不能及时对内部积累的电流进行疏导和消除，则较大的电流可能会导致电动机内部击穿故障，影响设备的使用安全。对此，可以选择利用一阶低通滤波器来对单纯的积分环节进行替代，结合滤波器本身的滤波和整流功能，将内部积累的电流经分流后排出，以降低磁链在数据层面的误差。

2.4 变频调速控制类型

除上文提到的恒压频比控制，比较典型的变频调速控制类型还有三种，一是转差频率控制，属于闭环控制系统，结合异步电动机转矩与转差频率的正比关系，通过控制电枢电流的方式来对电机转矩进行控制。在频率控制中，可以将转差信号与实际测量得到的转速信号相加后，得到输入频率信号；二是矢量控制，也可以成为磁场定向控制，其基本原理，是将转子磁通作为空间的参考坐标，通过静止坐标系到旋转坐标系的转换，对定子电流中的转矩分量和励磁电流分量转化为标量，分别进行控制。简单来讲，矢量控制将异步电动机看做直流电动机来实现控制，具备较好的调速性能。但是，这种控制策略需要进行大量的运算，对于控制器的处理能力和运算速度要求较高，而且需要进行坐标旋转变换，因此在实际应用中很难实现；三是直接转矩控制，主要是结合交流电动机转矩的需要，选择恰当的定子电压空间矢量，以完成对电动机电磁转矩的快速响应。在直接转矩控制中，交流电机与电压源逆变器被看作是一个整体，定子静止在两项坐标系中，通过对定子空间矢量的选择，进行定子磁链和电磁转矩变化的分析，避免了矢量变化的计算，因此控制结构相对简单，在当前的技术条件下可以非常方便的实现数字化控制。

3 结束语

总而言之，交流异步电动机不仅本身结构简单，制作成本相对低廉，而且可靠性和适用性好，在运行过程中很少出现机械故障，因此在传动领域得到了非常广泛的应用。为了更好的适应复杂的工作环境，需要结合变频调速实现对于交流异步电动机的调节控制，提升电动机变频调速的效率和效果，确保其功能的充分发挥。

参考文献

[1]张笛.基于DSP的三相异步电机变频调速系统优化设计及实现[D].北京印刷学院，2015.

[2]周世杰，高玉爽.基于DSP的交流异步电机变频调速技术要点分析[J].黑龙江科技信息，2016（27）：5.

[3]赵曼.基于DSP的矢量控制变频调速系统[D].西安工业大学，2014，41（7）：1126-1128.