交流调速系统的 控制策略

(一)发展的历史

20世纪60年代以前的 电气传动 80%——交流不调速传动 18%——直流可调速传动 2%——交流可调速传动

70年代开始 电力电子技术的应用 开创了交流可调速传动 的新纪元

现代交流调速传动的物质基础 电力电子变换器 微处理器：单片机、DSP、RISC 数据通信：现场总线、无线总线、 工业以太网

预测2010年的电力电子应用

(二）现代交流调速系统的类型

异步电动机调速系统 1.转差功率消耗型——例如：变压调速 定子用双向晶闸管调压器调速 1.转差功率消耗型——例如：变压调速 定子用双向晶闸管调压器调速 2.转差功率馈送型——例如:双馈电机调速 转子用整流、逆变器调速 3.转差功率不变型——变压变频调速 定子用PWM变压变频器调速

同步电动机调速系统 同步电动机转差恒等于0，没有转差功率， 只有转差功率不变型的变压变频调速。 1.他控变频调速系统， 2.自控变频调速系统。

变压变频（VVVF)调速是交流可调速传动的主流 满足一般工艺要求的平滑调速 风机、泵类节能调速 高动态性能调速系统和伺服系统

（三）基于异步电动机稳态模型的一般性能 变压变频调速系统

变压变频控制特性 ΦmN f1N Φm 恒转矩调速 恒功率调速 Us UsN f1

带电压补偿的恒压频比控制特性 O Us f 1 Us UsN f 1 f 1N b —带定子压降补偿 b —带定子压降补偿 Us UsN f 1 f 1N a —无补偿 b —带定子压降补偿 a —无补偿 b —带定子压降补偿 a —无补偿 b —带定子压降补偿

1.转速开环恒压频比控制的调速系统 1 单 片 机 M 3~ 电压 检测 泵升 限制 电流 温度 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 ~ UR UI R0 R1 R2 Rb VTb K

控制作用 工作频 率设定 升降速 时间设定 电压补偿设定 PWM产生 t f u 斜坡函数 U / f 曲线 驱动 电路

2. 转速闭环转差频率控制的调速系统 1)在s 值很小的稳态运行范围内，保持气隙磁通m不变时，电磁转矩近似与转差角频率s 成正比。控制转差频率s ，就代表控制转矩。 2）按恒 控制可保持m恒定，须在Us/1 为恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子压降。

压频比控制特性 O Us/1=Const. Eg/1=Const. 定子电流增大的趋势 1

转差频率控制的变压变频调速系统 FBS 电压型逆变器 PWM M 3 ~ ASR

（四）基于异步电动机动态模型的高动态性能 调速系统

通用变频器控制的局限性 调速范围不过1：10左右 调速时有静差，精度不高 不能像直流调速系统那样提供很高的动态性能

已应用成熟的高性能调速控制策略 矢量控制(VC) 直接转矩控制(DTC)

VC与DTC的共同点 1、数学模型——同样基于异步电动机的动态数学模型。 2、控制结构——转速、磁链分别控制，转速环内加转矩内环，以抑制磁链的扰动，达到近似解耦。

1.基于同样的异步电机多变量非线性动态数学模型（两相同步旋转坐标）

状态方程 在两相坐标系上异步电动机的状态方程是5阶的，须选取5个状态变量。 状态方程 在两相坐标系上异步电动机的状态方程是5阶的，须选取5个状态变量。 在系统的动态模型中，输入变量是 对于笼型转子电机，转子内部是短 路的，

因此，可供选用的变量如下： 转速 4个电流变量 4个磁链变量 其中，电流和磁链变量是相关的。

转子电流不可测，不便于实现状态反馈，于是： 转速 4个电流变量 4个磁链变量

可选定子电流　　　 和转子磁链 或选定子电流 和定子磁链 矢量控制选用 方程。 直接转矩控制选用 方程。

2.总体控制结构相同 在控制结构上，矢量控制和直接转矩控制都采用转矩、磁链分别控制。 转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。

高性能异步电机调速系统的控制结构

从表面上看，两种系统的控制方法虽然有所不同，在控制性能上各有特色。 但是，两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能。 从表面上看，两种系统的控制方法虽然有所不同，在控制性能上各有特色。 但是，两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能。

（五）矢量控制系统 1971 德国西门子公司F.Blaschke工程师： Transvector control （矢量变换控制） 1980 德国Braunschweig University W.Leonhard教授, R.Gabriel, G.Heinemann 等： Field orientated control （磁场定向控制）

矢量控制系统的特点 在按转子磁链定向的dq同步旋转坐标系上，把定子电流分解为其励磁分量和转矩分量，得到类似于直流电机的动态模型。 变换成独立的转速子系统和转子磁链子系统， 分别用PI调节器进行连续控制。

按 定向实现定子电流解耦的 直接矢量控制系统 按 定向实现定子电流解耦的 直接矢量控制系统

矢量控制的不足和解决方法 按转子磁链定向会受电机参数（如转子电阻）变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能， 采用智能化调节器可以克服这一缺点，提高系统的鲁棒性。

（六）直接转矩控制系统 1985 Ruhr University M.Depenbrock 教授 DSR(Direkte Selbst- regelung) 即Direct Self Control 现通称 DTC (Direct Torque Control）

直接转矩控制系统的特点 舍去比较复杂的旋转坐标变换，在两相静止坐标系上构成转矩和定子磁链的反馈信号。 但是，数学模型不够简化，不能用线性调节器来控制转矩和定子磁链，因而改用双位式的砰-砰控制器。 根据二者的变化选择电压空间矢量的PWM开关状态，以控制电机的转速。

转矩和定子磁链砰-砰控制的 直接转矩控制系统 转矩和定子磁链砰-砰控制的 直接转矩控制系统

直接转矩控制的优点 砰-砰控制属于P控制，可以获得比PI控制更快的动态转矩响应。 按定子磁链控制，避免了转子参数变化的影响。

直接转矩控制的不足和解决办法 *砰-砰控制引起转矩脉动， *带积分环节的电压型磁链模型在低速时误差大， 这都影响系统的低速性能。 低速时改用电流型模型，可减小磁链误差，但又受转子参数变化影响，牺牲了鲁棒性好的优点。

（七）VC和DTC的应用 特色和发展前景 两种方案都适用于高性能调速。 矢量控制更有利于宽范围调速系统和伺服系统。 直接转矩控制更有利于需要快速转矩响应（特别在弱磁范围）的大惯量运动控制系统。

两种控制策略都有其不足之处，研究和开发工作都朝着克服其缺点的方向发展。

用现代智能控制方法可使被控系统不依赖于或较少依赖于控制对象的数学模型，因而能使矢量控制系统不受或少受电机参数变化的影响，比较方便的办法是采用单神经元构成的自适应PID控制器。

对直接转矩控制系统的研究和产品改进 着重于提高低速性能

1、在砰-砰控制器基础上改进，细化磁链偏差和转矩偏差 2、间接自控制ISR(Indirekte Selbstregelung)系统 3、按定子磁链定向的矢量控制系统 （SFVC 系统）

ISR系统 *德国鲁尔大学Depenbrock教授和Steimel教授提出。 *将砰-砰控制器改为连续的调节器，用PI调节对定子磁链幅值进行闭环控制，以建立圆形的定子磁链轨迹； *根据电磁转矩的偏差推算出磁链矢量增量所对应的角度 ；　 *按照磁链、转矩两个调节器的输出推算出定子电压矢量，求得相应的变频器开关状态。

按定子磁链定向的矢量控制系统 SFVC系统 按定子磁链决定旋转坐标的方向 在控制算法中避免转子参数的影响 采用PI调节器连续控制或补偿控制

ISR系统和SFVC系统 实际上都是 DTC系统和VC系统取长补短的融合与折中。

（八）控制理论的应用

1.非线性系统精确线性化解耦控制 理论分析证明：按转子磁链 定向的矢量控制系统是非线性 系统精确线性化解耦控制的 一类实现。

2.非线性系统无源性理论 按无源性理论得到的控制系统与转差型的间接矢量控制系统十分相似。

3.智能控制 #智能控制系统是不依赖于或较少依赖于对象数学模型的控制系统 #异步电动机有较确定的数学模型 #模糊控制实际上是多级的砰-砰控制 #神经网络需多层次计算，不利于实时控制 #由单神经元构成自适应PID控制器，可提高控制系统的鲁棒性

（九）无速度传感器控制 转速闭环控制需要转速反馈信号，高性能系统一般都用光电码盘，如果能取消光电码盘而保持良好的控制性能，显然会大受欢迎。 高性能的通用变频器都希望采用无速度传感器控制，通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。

常用的方法 1.从电机模型推导转速方程，计算转速。 2.用电机模型计算转差频率，进行补偿。 3.按模型参考自适应理论，选择参考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链。 4.利用其它辨识或估计方法求得转速。 5.利用电机的齿谐波电势计算转速。 第1、2类方法比较实用

无速度传感器控制存在的问题 1.计算和辨识的精度不高,动态转速准确度有限。 2.实用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能，高精度的调速范围有限。 已有若干品种无速度传感器的高性能通用变频器问世，但研究工作仍在继续。

（十）同步电动机变压变频调速系统 （1）同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 s = 0。 （2）同步电动机有独立的直流励磁，或用永久磁钢励磁。 （3）同步电动机有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等。

（4）同步电动机可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数。 （5）同步电动机转子有独立励磁,在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。 （6）同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能产生更快的动态响应。

同步电动机变压变频调速系统的类型 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。 （1）他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。 （2）自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。

一、他控变频同步电动机调速系统 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统

二、自控变频同步电动机调速系统 基本结构与原理 梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统

基本结构与原理 MS－同步电动机 UI－逆变器 BQ－转子位置 检测器 控制UI输入电压就控制了MS的转速

特 点 MS本身是一台同步电动机 MS+UI+BQ 合起来相当于一台直流电动机 直流电动机电枢里面的电流本来就是交 特 点 MS本身是一台同步电动机 MS+UI+BQ 合起来相当于一台直流电动机 直流电动机电枢里面的电流本来就是交 变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表 现为直流，换向器是机械式的逆变器，电刷相 当于磁极位置检测器。在自控变频同步电动机 中，用电力电子逆变器和转子位置检测器替代 机械式的换向器和电刷。

自控变频同步电动机的名称 自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用过多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是： 无换向器电动机 无刷直流电动机（采用方波电流时） 三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）

永磁同步电动机的优点 由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，容量相同时电机的体积小、重量轻； 转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高； 转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好； 结构紧凑，运行可靠。

1.梯形波永磁同步电动机 （无刷直流电动机）自控变频调速系统 无刷直流电动机是一种特定类型的同 步电动机，调速时只须按直流PWM的方 法控制输入电压，实际上自动地控制了频 率，仍属于同步电动机的变压变频调速， 但比交流PWM控制要简单得多。

由于绕组电感的作用，换相时电流不 可能突跳，其波形只能是近似梯形的，实际 的转矩波形每隔60°出现一个缺口，用 PWM 调压调速又使平顶部分出现纹波， 转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速 性能低于正弦波的永磁同步电动机。

梯形波永磁同步电动机（即无刷直流 电动机）的转矩与电流成正比，控制系 统和直流调速系统一样，要求不高时， 可采用开环调速，对于动态性能要求较 高的负载，可采用双闭环控制系统。

2.正弦波永磁同步电动机 自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机（PMSM)具有定子 三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组 分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦 波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波， 靠交流PWM变压变频器供电。

按转子磁链定向控制 正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组， 转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的。可 采用按转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标 系的d轴定在转子磁链 r 方向上，无须再采用 任何计算磁链的模型。

由于 r 恒定，电磁转矩与定子电流的幅值成 正比，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩， 和直流电动机完全一样。 控制方法简单，只要能准确地检测出转子 d 轴的空间位置，控制逆变器使三相定子的合成电 流（或磁动势）矢量位于q 轴上就可以了，比异 步电动机矢量控制系统要简单得多。

按转子磁链定向的矢量控制系统

转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩 的定子电流给定值。

基速以上的弱磁调速 需要恒功率调速时，要用到基速以上的弱 磁调速，最简单的办法是使定子电流的直轴 分量 id < 0 ，其励磁方向与r相反，起去磁 作用。但是，稀土永磁材料的磁阻很大，利 用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流 直轴去磁分量。实现恒功率弱磁调速是永磁 同步电动机调速系统的重要课题。

谢谢！