隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，交流傳動取代直流傳動具有明顯的優(yōu)越性，各種通用的和高性能的交流傳動控制系統(tǒng)相繼誕生。但是，由于交流電機的非線性多變量耦合性質(zhì)，研究其控制策略引起許多專家和學(xué)者的興趣，且取得了許多成果。目前，交流傳動控制較先進和熱門的方法是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，特別是直接轉(zhuǎn)矩控制法受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，通過理論分析和實踐檢驗仍存在各自的優(yōu)缺點。
一、交流傳動的基本類型
異步電機從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem可分為兩部分：機械功率PΩ和轉(zhuǎn)差功率Ps即：
PΩ=（l-s')Pem
Ps=sPem
從能量轉(zhuǎn)換效率的角度看，交流電動機的傳動可分為下面幾類：
轉(zhuǎn)差功率消耗型傳動系統(tǒng)，如變壓、串電阻等調(diào)速系統(tǒng)；
轉(zhuǎn)差功率回饋型傳動系統(tǒng)，如繞線式異步電動機串級和雙饋型調(diào)速系統(tǒng)；
轉(zhuǎn)差功率不變型傳動系統(tǒng)，如變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。
其中，轉(zhuǎn)差功率消耗型傳動系統(tǒng)控制方法最簡單，只是一般的開環(huán)和閉環(huán)控制，但其速度只能調(diào)在額定轉(zhuǎn)速以下，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時)，故越向下調(diào)速效率越低；轉(zhuǎn)差功率回饋型傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機械能加以利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率越多，但增設(shè)的交流裝置要多消耗一些功率；轉(zhuǎn)差功率不變型傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免的，但這類系統(tǒng)中無論轉(zhuǎn)速高低，其轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率最高。
同步電動機沒有轉(zhuǎn)差功率，屬于轉(zhuǎn)差功率不變型傳動系統(tǒng)，只能用變壓變頻方式控制，分他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩種。
二、高性能交流傳動控制方法
交流電機的數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈(定子磁鏈或轉(zhuǎn)子磁鏈、或氣隙磁鏈)，要獲得高動態(tài)性能，就必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，就必須對數(shù)學(xué)模型加以改造，使之解耦和線性化。
1. 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制
矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。
2. 基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式
基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行U / f ＝恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動機的實際速度n，并得到對應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進行控制的�；谵D(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點是，可以消除動態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。
3. 無速度傳感器的矢量控制方式
無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置.要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的,但即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。
4. 按定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器(Band—Band控制)，把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。
它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。
三、兩種控制方式的應(yīng)用展望
1. 矢量控制方式的應(yīng)用展望
無速度傳感器矢量控制的優(yōu)勢
概括來說，無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統(tǒng)V/f控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進的低速運行特性，變負(fù)載下的速度調(diào)節(jié)能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉(zhuǎn)矩，這在高摩擦與慣性負(fù)載的起動中有明顯的優(yōu)勢。正是由于這些驅(qū)動特性，該控制技術(shù)已逐漸成為通用恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動應(yīng)用的選擇。事實上，基本上所有的AC驅(qū)動廠家都提供該控制模式。
無速度傳感器矢量控制需解決的問題
矢量控制從基本原理上講能夠獲得優(yōu)異的動靜態(tài)特性，但是對電機參數(shù)的敏感性卻成為實際應(yīng)用中必須解決的問題。驅(qū)動器通過啟動前的自整定以及運行過程中的在線整定，適應(yīng)電機參數(shù)變化，保持矢量控制的動靜態(tài)性能，這些復(fù)雜的自適應(yīng)控制算法都必須通過強大的信號處理器才能完成。
無速度傳感器矢量控制盡管省略了閉環(huán)控制中使用的速度傳感器，SVC仍然需要采用電壓、電流傳感器對電機進行控制，在高速運算處理器的平臺上通過使用復(fù)雜的電機模型與高強度的數(shù)學(xué)運算，對傳感器輸入信號進行處理獲得電機控制所需的磁通與轉(zhuǎn)矩分量，再通過自適應(yīng)的磁場向量方法實現(xiàn)解耦控制，以獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。
應(yīng)當(dāng)說，該控制方式目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，SVC控制的關(guān)鍵在于正確的轉(zhuǎn)速估計與解耦控制，但這兩者之間又存在相互耦合的關(guān)系。轉(zhuǎn)速估計的精度不僅決定于測量的定子電壓與電流，同時與電機參數(shù)密切相關(guān)。在數(shù)字化電機控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速估計的精度又與采樣頻率以及反饋信號的分辨率有關(guān)，而轉(zhuǎn)速估計的精確程度不僅影響到速度控制的準(zhǔn)確度, 也會影響到速度環(huán)路補償器的設(shè)計。這些問題環(huán)環(huán)相扣, 稍有失誤甚至?xí)绊懙较到y(tǒng)的穩(wěn)定性。
SVC技術(shù)要實用化，必須解決幾個基本問題：磁通辨識、速度估計以及參數(shù)適應(yīng)性。過去十幾年里，研究人員開發(fā)出了多種磁通辨識與轉(zhuǎn)速估計方法。其中以磁場定向為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計法由于其快速性與較高的準(zhǔn)確度，已成為行業(yè)設(shè)計的主流。
無論是磁通辨識還是速度估計，對參數(shù)的依賴性都較強，也正是因為如此SVC與采用速度或位置傳感器的閉環(huán)磁通矢量控制(FVC)相比，對電機參數(shù)的變化更為敏感，在速度調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等動態(tài)指標(biāo)上要落后于FVC控制。目前業(yè)界對SVC參數(shù)整定的設(shè)計包括初始整定與在線整定兩種。有關(guān)參數(shù)自適應(yīng)這方面的研究仍在深入，如何提高SVC系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性無疑是一個重要的研究課題。
總的來看，由于不需要速度傳感器，SVC的電機控制模型要十分精確。從運算量來講，SVC控制比FVC更為復(fù)雜，這也使得無速度傳感器控制的難度要明顯高于閉環(huán)控制。由于電機參數(shù)在運行過程變化很大，因此SVC驅(qū)動器的自整定能力對于獲得準(zhǔn)確的電機參數(shù)尤為重要，這也直接決定了矢量控制的性能。事實上，如何適應(yīng)電機運行條件的變化，保持模型的精確性是避免高轉(zhuǎn)矩波動的關(guān)鍵；而模型的自適應(yīng)能力也是電機接近零速運行時最為重要的因素，因為此時的電機參考模型誤差已經(jīng)大大增加。盡管采用了自適應(yīng)的精確電機模型，目前的最高水平的SVC控制在動靜態(tài)特性上與FVC仍然存在一定差距，這在低速運行區(qū)域尤為明顯。
無速度傳感矢量控制的展望
概括來講，未來無速度傳感器矢量控制的動靜態(tài)特性的進一步提高，需要更為完善的逆變器/電機模型，綜合考慮不同運行條件下的電機磁路飽和、繞組集膚效應(yīng)、逆變器的非線性以及電機參數(shù)變化等因素。在更為精確的自適應(yīng)電機模型基礎(chǔ)上，低速轉(zhuǎn)矩脈動將進一步減小，穩(wěn)速精度將進一步提高，對負(fù)載擾動的響應(yīng)更快，對電機參數(shù)變化的穩(wěn)定性將進一步加強。特別是具有寬范圍調(diào)速(包括零速)和高精度轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制(而不僅是轉(zhuǎn)矩限定)的SVC控制系統(tǒng)與FVC控制系統(tǒng)的差距將逐步減小，并有望取代部分伺服應(yīng)用領(lǐng)域。
未來的一些進步還將體現(xiàn)在高速處理器及外設(shè)上。DSP+ASIC/FPGA的控制器結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的信號并行處理能力更為強大，在此基礎(chǔ)上可以支持核心程序以非常快的速度運行，保證SVC系統(tǒng)對速度指令及負(fù)載變化有更快的響應(yīng)，這對高性能的數(shù)字控制系統(tǒng)來講是非常重要的。
此外，無速度傳感器控制方式下的多機運行以及在高功率低速運行的應(yīng)用也將成為未來的發(fā)展方向。
2. 直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用展望
異步機直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC)，它不需要解耦電機數(shù)學(xué)模型，強調(diào)對電機轉(zhuǎn)矩進行直接控制，在很大程度上克服了矢量控制計算復(fù)雜和易受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，成為交流調(diào)速控制理論第二次質(zhì)的飛躍。多年來隨著智能控制理論的發(fā)展和引入，涌現(xiàn)了許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制，控制性能得到進一步的改善和提高。直接轉(zhuǎn)矩控制的不足之處是存在諧波分量和低速性能較差等問題，可以通過下面方法加以完善。
控制環(huán)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進
磁通調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的細(xì)化改進。只有根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩和磁通的實時偏差合理的選擇電壓矢量，才有可能使轉(zhuǎn)矩和磁通的調(diào)節(jié)過程達到較理想狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)矩、磁通的偏差區(qū)分得越細(xì)，電壓矢量的選擇越精確，控制性能就越好。這樣通過改進轉(zhuǎn)矩、磁通調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，細(xì)化轉(zhuǎn)矩和磁通的偏差區(qū)分。
采用這種新型磁通、轉(zhuǎn)矩DTC系統(tǒng)，不僅全面改善了動靜態(tài)性能，而且有效減少了轉(zhuǎn)矩磁通的脈動。
智能開關(guān)狀態(tài)選擇器的完善
通過使用模糊控制器或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來選擇開關(guān)狀態(tài)，完全抵消了觸發(fā)器容差的影響，性能改善更加明顯。但是，由于人為選取的模糊狀態(tài)選擇器中各變量隸屬度具有較大的主觀性和盲目性，一旦選擇不當(dāng)，系統(tǒng)性能的改善就不復(fù)存在，甚至還會變差。采用遺傳算法來學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)差誤差的隸屬度函數(shù)分布，進一步提高了轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度，減小了轉(zhuǎn)矩諧波和電流諧波。另外，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造開關(guān)狀態(tài)選擇器，也可以取得較好的效果。
電壓矢量選擇方式的改進
一種新的電壓矢量選擇方法：首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁通偏差和轉(zhuǎn)速計算出一個能達到最佳控制的預(yù)期電壓VK，然后用電壓型逆變器的6個工作電壓中與之相鄰的兩個VK1、VK2來合成它。 此方法不但具有上升時間短，穩(wěn)態(tài)性能好，而且電流的高次諧波分量小。 傳統(tǒng)方式下對定子電阻觀測器的改進
傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁通一般采用u-i模型：
在低速運行時應(yīng)考慮RS的影響，如果對RS估計誤差偏大，就會嚴(yán)重影響運行性能，基于此種考慮，提出了一種基于模糊控制的定子電阻觀測器，該觀測把對定子電阻影響較大的三個因素：定子電流、轉(zhuǎn)速、運行時間作為輸入量，以定子電阻變化ΔRS作為輸出量，并考慮到定子電阻上升和下降的變化規(guī)律不一樣，將這兩種情況分別對待，設(shè)計各自對應(yīng)的模糊觀測器。
該觀測器在系統(tǒng)不斷改變運行方式的情況下，仍能準(zhǔn)確跟蹤RS的變化，為改善低速性能提供了一個有效的方法。
另一種定子電阻觀測器是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻觀測器，效果非常理想。該網(wǎng)絡(luò)采用 3-12-1結(jié)構(gòu)，3個輸入量分別為定子電流、定子電壓頻率、運行時間，輸出是阻值變化ΔRS。離線訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)在線運行時，能正確的估計電阻因is.f.t的變化而產(chǎn)生的變化值。另一種更為簡單的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻觀測器，它只有兩個輸入，分別是電流偏差及其差分：
輸出仍然是電阻變化值。當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)在隱含層設(shè)置2個神經(jīng)單元，即組成2-2-1結(jié)構(gòu)時，就能成功的估計出低速時定子阻值變化。若采用2-3-1或2-5-1結(jié)構(gòu)時，估計效果更佳。由于這種網(wǎng)絡(luò)所含神經(jīng)元少，實現(xiàn)起來簡單，訓(xùn)練起來也很方便，可以直接在線學(xué)習(xí)。
基于氣隙磁通直接轉(zhuǎn)矩控制
直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能較差的根本原因是系統(tǒng)未能徹底擺脫電機參數(shù)的變化所帶來的影響，若要從根本上解決這一問題，就必須選擇一種完全獨立于各種易變參數(shù)之外的實現(xiàn)方法。利用定子電壓的三次諧波分量計算氣隙磁通進行控制，就體現(xiàn)了這一思想。
無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制的探討
利用轉(zhuǎn)子磁通方程構(gòu)造無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其中的參考模型就是α、β坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子磁通方程。在分析直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上，將電機的漏抗全部折算到轉(zhuǎn)子邊，可推導(dǎo)出實際轉(zhuǎn)速的計算公式，這樣就可以用軟件來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的計算，從而可以省略硬件上的速度辯識器。不影響系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，具有一定的實用性。
四、結(jié)語
目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。
除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調(diào)整(AVR)控制技術(shù)的控制方式，已實用化并取得良好的效果。
和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。
追求整體性能的最優(yōu)是直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向，通過改進系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來提高系統(tǒng)性能，其效果非常有限，從軟件方面改進系統(tǒng)將是大勢所趨，智能控制會發(fā)揮越來越大的作用，成為整個系統(tǒng)的控制核心，近幾年發(fā)展起來的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制結(jié)合起來的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制肯定會成為直接轉(zhuǎn)矩控制的重要手段。用DSP或CPU實現(xiàn)DTC系統(tǒng)的全數(shù)字化也是一個重要發(fā)展方向。
