(技术文档2)异步电机目前几种主要控制方法的对比分析

异步电机几种主要控制方法的对比分析

近些年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的不断发展，交流调速获得了巨大的技术支持，交流调速系统已经取代了直流调速系统。交流异步电机调速控制系统大致可分为两大类，一类是标量控制系统，主要是变频调速系统，包括恒压频比控制（V/F 控制）和转差频率控制。另一类是矢量控制系统，包括转子磁场定向矢量控制（VC ）、转差频率矢量控制、直接转矩控制（DTC ）和无速度传感器矢量控制。

1 标量控制

1.1 恒压频比控制( V/F)

交流异步电机调速时，总是希望保持每极磁通量m Φ为额定值不变，这样铁芯才能工作在最经济状态。电源频率和电机极对数决定异步电动机的同步转速，即在改变电源频率时，可以改变电机的同步转速，这时只有控制电源电压与变化的频率的比值为恒定( V/F 恒定) ，才能确保电动机的磁通m Φ基本恒定。电动机定子的感应电动势：

m N111K 44.4Φ=N f E g （1）

式中Eg —气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值;

1f —电源频率; 1N —定子每相绕组串联匝数; 1N K —基波绕组系数; m Φ—每极气隙磁通量。

由式(1)可知，在控制电动机频率时，保持1/f E g 1恒定，就可以维持磁通恒定。有三种不同方式的电压—频率协调控制。

(1) 恒压频比=11/f U 控制,1U 为定子端电压，这种方式最容易实现，能够满足一般调速要求，其缺点是低速带载能力差，需要对定子压降进行补偿。

(2) 恒1/f E g 控制，g E 是气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势，它以对恒压频比实行电压补偿为目标，稳态调速性能优于恒压频比11/f U 控制。这种控制方式的缺点是机械特性非线性，产生转矩的能力不强。

(3) 恒1/f E r 控制，r E 是气隙磁通在转子每相绕组中感应电动势，这种控制方式可以得到和直流励电动机一样的机械特性，从而使高性能调速得以实现。但是它的控制系统比较复杂。

以上的电压—频率协调控制都是基于异步电机稳态模型的控制方案，多用于动态性能不高的场合。而且是在基频以下进行的恒转矩调速，如在基频以上则采用电压恒定只提高频率的恒功率弱磁调速。

1.2 转差频率控制

前面所述的电压—频率协调控制可以满足一般平滑调速要求，但是其动、静态性能差，电力拖动自动控制系统大都服从基本运动方程式：

dt d n J T T p L e ω=- (2)

由上式可知，控制电磁转矩Te 就能控制dt d /ω，也就是速度的变化率，就能提高系统的动态性能。电动机稳态运行时，如果s 很小，可以得到电磁转矩的近似关系式 '22R K T s m m e ωΦ≈ (3)

上式表明，保持气隙磁通Φm 不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs 成正比。也就是说，控制异步电机中的ωs 就相当于控制转矩，就和直流电机中控制电流来实现控制转矩一样。转差频率控制的规律是在ωs ≤ωsm 的范围内，按照式：

212222

21222201)(L R L L R I I s m s '+''++'=ωω (4) 控制定子电流，就能保持气隙磁通Φm 恒定，电磁转矩Te 基本上与ωs 成正比。转速闭环转差频率控制的交流调速加、减速平滑，系统容易稳定，而且动态调节过程快，系统无静差。基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，应用前景广泛。但实际转差频率控制系统还不能完全达到直流双闭环系统水平，主要原因有以下几个方面:

(1) 只有在稳态时按照(4)式控制定子电流才能保持磁通Φm 恒定。而在动态过程中，Φm 肯定不恒定。

(2) 如果按照(4)式推导出只控制定子电流幅值，不控制相位，转矩动态过程变缓，另外函数发生器还存在一定的误差。

(3) 系统很大程度上依赖于转速检测信号的精度，很小的转速误差会产生很大的转差频率误差。

2 矢量控制

2.1 转子磁场定向矢量控制(FOC)

FOC 控制算法是根据电机动态模型经过缜密的数学推导得出的，其过程需要进行坐标变换，将三相异步电动机变换为空间上互差90°的两相电动机，d 轴和q 轴构成同步旋转坐标系。转子磁链FOC 控制中规定转子总磁链矢量ψ2总是沿着d 轴方向，定子电流被分解为励磁分量isd 和转矩分量isq ，分别控制转子磁链

和电磁转矩。相应的控制方程为:

sd r m i T L 1

2+=ψ 2ψsq r m p e i L L n T = 其基本控制框图如图1 所示，由框图可以看出此系统是一个双闭环系统，其中最关键的环节就是转子磁链幅值和相位的观测。

图1 转子磁场定向矢量控制系统框图

转子磁场定向控制相对于标量控制的优点:

(1) 实现了转矩和磁通的解耦控制，使其动态性能与直流电机的调速性能差不多。

(2) 在宽广的调速范围内能保持磁通恒定。能够抑制较大的暂态电流。

(3) 可在电动机状态、反制动状态以及磁弱状态进行高效的转矩控制。 转子磁场定向矢量控制的缺点:

(1) 转子时间常数对转子磁通估计影响较大，另外转子磁通估计还受温度、频率等因素的影响，因此要作出精确的估计是很困难的。

(2) 设计合适的PI 调节器很困难，电机模型参数影响其设计是否合理。

2.2 转差矢量控制

转差矢量控制是一种间接磁场定向控制，其系统框图如图2 所示，在保证转子磁链的大小恒定不变的前提条件下，电机的转矩和转差频率成比例，相应的控制方程为:

2ψsq r

m p e i L L n T = sd r m s i T L 2ψω= 根据所需要的转矩推算出相应的转差角频率和计算动态过程中为保持转子磁链相位不变的附加转差角频率，并测出电动机转子的角速度，以三者之和的积分进行磁场定向。其优点是不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，不需要进行繁琐的坐标变换，调速范围宽。由于转差频率间接矢量控制并没有实现转子磁场的真正闭环控制，s ω和转子磁链间又存在着很强的耦合关系，动态性能比较差。