交流电动机传动系统的控制技术发展综述

目录

1 引言 (1)

2异步电动机传动系统的控制策略 (1)

2.1 转速开环恒压频比控制 (1)

2.2转速闭环转差频率控制 (2)

2.3 矢量控制 (3)

2.4直接转矩控制 (3)

2.5 基于无速度感器的交流传动控制技术 (5)

3 同步电动机传动系统的控制策略 (6)

4 总结与展望 (8)

参考文献 (9)

交流电动机传动系统的控制技术发展综述

刘雪松大连交通大学

1 引言

现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世，为交流传动奠定了

坚实的物质基础；控制理论的逐步完善大大提高了交流传动系统性能；现代信息技术

日新月异的发展，为控制系统技术的进步提供了保障；交流电机自身无可争辩的优势,

是拓展交流传动系统的良好基础。

交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、

快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系

统相媲美，被人们提了多年的“交流传动取代直流传动”的愿望正在变为现实。

交流传动系统之所以能有如此巨大进步,主要得益于电力电子学、微电子学和控制

理论的惊人发展,尤其是先进控制策略的成功应用。纵观交流电机控制策略的发展，先

后涌现出大量的方式方法，其中具有代表性的有：转速开环恒压频比(U/f=常数)控制、转差频率控制、矢量控制(磁场定向控制)、直接转矩控制等。此外，无速度传感器的

交流传动控制技术也已成为近年研究热点。这些策略各有优缺点，在实际应用中必须

根据具体要求适当选择，才能实现最佳效果，能全面了解上述各种控制策略非常重要。本文正是基于此目的，对交流电机的各种控制策略进行了较为全面的综述与比较，力

图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。

2异步电动机传动系统的控制策略

2.1 转速开环恒压频比控制

最简单的异步电动机变压变频调速系统就是恒压频比控制系统。为了满足低速时

的带载能力，还须备有低频电压补偿功能。转速开环恒压频比控制调速系统通常由数

字控制的通用变频器-异步电动机组成，需要设定的控制信息主要有U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。采用恒压频

比控制时，只要改变设定的“工作频率”信号，就可以平滑地调节电动机转速。低频

时或负载的性质和大小不同时，须靠改变U/f函数发生器的特性来补偿，使系统产生足够的最大转矩。

要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制只控制

了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，可以满足一般平滑调速的需要，但静、动态性

能都有限，性能不高，如果要提高性能，在对动态性能要求不高的情况下，可以采用转速闭环转差频率控制系统。

图2-1 恒压频比控制调速系统中变频器的基本控制作用

2.2转速闭环转差频率控制

转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，转速调节器的输出应该是转矩给定的信号。如果保持气隙磁通Φ不变，异步电动机的转矩就近似与转差率频率ω成正比，因而控制转差角频率ω就能代表控制转矩。因此，转差频率控制系统对角速度的检查的准确性要求较高。

转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。

图2-2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图

2.3 矢量控制

1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链这一旋转

空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，

代表定子电流励磁分量，另一个磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对

其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。

图2-3 异步电动机的坐标变换结构图

３／２—三相-两相变换 VR—矢量旋转变换器Φ—M轴与α轴（A轴）的夹角

尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善，

但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随温度和激磁电感

的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以达到理论分

析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确知道，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这

和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果。而且，采用普

通PI 调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参

数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的

影响，则导致性能变差。

2.4直接转矩控制

针对矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩

控制方法，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交

流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制,也不需要

为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模

型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直

接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而

矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很

大程度上克服了矢量控制的缺点。

图2-4 近似圆形磁链控制系统框图

直接转矩控制从一诞生，就以新颖的控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注，各国学者在理论探讨和实验研究上都做了大量工作，

出现了各种各样的控制方案。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链

控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本采用近似圆磁链的控制方案，侧重于

中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅

使用一种非零电压矢量,这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况(无零矢量作用时)，转

矩脉动、噪声都比较大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆方案则比较

接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案

有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆方案则相反，一般用

于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有T．G．Habetler等人，

其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中,因此研究重点并不是如何精确

调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出的无差拍预前控制法，克服了Band-Band控制开关频率可变的缺点。