交流异步电机现代调速策略

交流异步电机现代调速策略
摘要：为了更精确地实现交流异步电动机调速，基于交流异步电动机的数学模型论述异步电动机变压变频调速系统的各种控制策略。

总结早期的基于异步电机稳态模型的控制策略，介绍现代控制调速策略，分析现代控制理论在交流异步电动机调速系统中的应用，展望交流调速控制策略的发展方向。

传统的控制策略在工业现场中的应用已经较为成熟，各种现代控制策略和先进控制算法则有广阔的发展前景。

关键词：异步电动机；变压变频调速；控制策略
1前言
交流异步电动机电力拖动系统有多种调速方法，常见的有降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变极对数调速和变压变频调速等。

其中，仅变压变频调速能够做到调速范围宽、效率高、动态性能好，因此得到了快速发展和广泛应用变压变频调速技术使同步电动机可以应用到交流调速控制系统中。

变压变频调速系统一般简称为变频调速系统，当采用变压变频调速时转差功率不随转速变化，在采取一定的技术措施后能够实现高动态性能，使得交流调速系统的性能可与直流调速系统相媲美。

纵观异步电动机变压变频调速技术的发展，先后出现了大量有代表性的方式方法，现代控制理论的引入给变压变频调速控制策略的发展注入了新的活力。

2现代控制策略
由于负载转矩随时间变化，电机参数如电阻和电感会随温度和频率变化，传统的控制策略普遍受电机参数和扰动的影响较大。

因此，人们开始将不完全依赖数学模型﹑鲁棒性更强的现代控制理论应用于交流调速控制系统，目前现代控制理论在交流调速控制系统中的应用主要包括与矢量控制、直接转矩控制结合。

通过设计参数辨识器#观测器和智能控制器来修正模型参数和提高系统鲁棒性。

2.1滑模变结构控制
滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它的基本思想是通过不连续的控制律使得系统按照所期望的相轨迹运动。

滑模变结构控制结合矢量控制和直接转矩控制在交流调速系统中得到大量应用。

传统滑模控制器只在系统相轨迹运行到滑动面上时才具有对不确定干扰的抑制能力，而当运行到滑动面之前仍然受到不确定干扰的影响。

一种简单的解决办法是通过提高增益来使系统迅速收敛到滑动面，但是同时增大了抖动，甚至在高频时使系统不稳定。

全滑模控制是一种具有全程滑动模态的变结构控制器，在保证滑模控制稳定性的基础上通过设计一个非线性的动态滑模面来消除滑模控制中达到滑动面之前的过渡过程，使系统在响应的全过程中具有鲁棒性，克服了在传统变结构控制中系统运行到滑动面之前不具有鲁棒性的缺点。

滑模变结构控制的另一个缺点是在状态轨迹到达滑动面后，难以严格地沿着滑动面向平衡点运动，而是在滑动面两侧来回穿越，从而不可避免地产生抖动。

2.2自适应控制
异步电动机的数学模型虽有确定的形式，但其中的参数如定转子电阻和电感与电机的工作状态密切相关，而矢量控制和直接转矩控制的动态性能受参数变化影响较大，因此自适应控制在交流调速系统的研究中得到广泛关注。

自适应控制理论在交流调速系统中的典型应用有模型参考自适应控制和自适应观测器。

模型参考自适应控制系统将参考模型的输出作为控制系统的理想输出（理想控制性能）控制的最终目标是使被控对象的动态性能与参考模型的动态性能一致。

最简单的模型参考自适应控制系统由参考模型、可调系统模型和自适应律组成。

目前基于模型参考自适应控制的交流调速系统定转子电阻的校正、负载转矩的校正以及速度控制器的研究已十分普遍。

模型参考自适应控制系统实现的关键在于参考模型的选择和自适应律的设计。

当选择不同的输出量作为判定参考量时，参考模型的选择不同。

自适应律是实现在线校正可调系统模型时变参数的关键，通常依据局部参数优化、李亚普诺夫稳定判据和波波夫超稳定性理论来设计。

Kojabadi等基于模型参考自适应设计定子电阻辨识器,参考模型选择异步电动机动态数学模型,通过观测器得到观测模型!根据波波夫超稳定性理论设计观测器的反馈增益矩阵，实验证明该方案可以用于直接转矩控制系统。

Leksono等基于矢量控制策略设计的自适应速度控制
器，采用1阶模型作为速度控制器的参考模型，通过递归最小二乘法设计控制器的参数调整律。

实验结果表明，自适应速度控制器有较强的鲁棒性和快速响应特性，当负载转矩大于额定转矩时，转矩电流内环会产生较大的稳态误差，但是通过速度外环的自适应控制可以消除稳态误差，使转速能够跟踪给定值。

以电机模型为参考模型，设计磁通自适应观测器、速度自适应观测器和定子电流观测器，定子电流观测器起到了辅助设计电流自适应控制器的作用。

为了解决在交流调速系统中某些状态（如定转子磁链、转矩和无速度传感器时的电机速度）不可直接测量的问题，由系统可测状态和参数重构的自适应观测器近年来得到较快发展。

在交流调速控制系统中，需要测量的状态变量一般有定子电流、定转子磁链和转速，但是在一般的控制系统中定子电流和转速可以直接测量，因此只需要设计定转子磁链自适应观测器。

采用磁链自适应观测器的优势是可以设计自适应律，根据实际输出量和预估输出量对磁链观测模型进行校正，得到更准确的磁链观测值。

若将观测模型作为可调系统模型，选择合适的参考模型，则根据模型参考自适应控制可以实现定转子电阻和转速的在线辨识。

为无速度传感器控制的发展提供了思路。

2.3模糊控制
模糊控制理论可以用于设计参数辨识器和模糊控制器。

在矢量控制系统中!转速和电流控制器均可以设计成模糊控制器，从而提高系统对电机参数变化和负载扰动的抑制能力。

模糊控制在直接转矩控制系统中的应用更普遍，由于直接转矩控制定子磁链的检测与定子电阻相关，当低速时定子电阻的变化对定子磁链影响较大，采用模糊辨识器可以实现对异步电动机定子电阻的估算。

传统的直接转矩控制系统，由于采用磁链和转矩的双位式控制无法分辨磁链和转矩的误差，当控制系统刚启动或者改变磁链和转矩参考值时会导致系统响应缓慢。

将磁链位置、磁链误差和转矩误差作为模糊变量，通过模糊控制规则选择合适的电压矢量可以得到更好的控制效果。

结合SVPWM技术的模糊直接转矩控制系统既抑制了转矩脉动,又提高了系统抗干扰能力。

2.4神经网络控制
人工神经网络可任意逼近非线性模型特性十分适用于交流调速系统的控制。

人工神经网络在交流调速控制系统中的应用包括神经网络辨识器和神经网络控制器的设计。

通过神经网络在线校正定、转子电阻，可以基本消除它们对转子磁链和电磁转矩的扰动
影响，从而得到比较准确的转子磁链和电磁转矩估算值。

由于转子磁链可以表示成三相电流和转速的非线性函数，电磁转矩可以用转子磁链和转速来表示，因此电磁转矩可以转换成三相电流和转速的非线性函数。

若训练合适的神经网络来逼近这2个非线性函数，则可以得到转子磁链和电磁转矩，从而避免了电机参数的影响。

Wishart等通过神经网络辨识异步电动机数学模型，消除了电机参数对数学模型的干扰，并在此基础上设计电流神经网络控制器和速度神经网络控制器。

3结语
异步电动机的交流调速控制系统是一个复杂的多变量，非线性，强耦合的控制系统，传统的控制策略如矢量控制和直接转矩控制在工业上已经获得了较为成熟的应用，但它们普遍依赖精确的电机数学模型，由于受到电机参数变化和不确定性扰动的影响，精确的电机数学模型在实际中往往是无法得到的。

现代控制理论在电机模型辨识和非线性控制器设计方面的理论研究成果较丰富，但是它们在工业中的应用还有待进一步的研究。