交流电机驱动技术

交流电机驱动技术
贝加莱工业自动化有限公司 何新峰
1. 目前交流电机一般数字控制系统的构成及各部分的功能介绍
交流电机的一般数字控制系统是指以工业计算机为核心，控制对象为各种交流电机的开环或闭环的控制系统。

一般情况下为了提高交流电机的控制精度和动态特性我们均采用闭环控制的方式。

针对交流电机的不同类型，目前已经典型应用的控制系统有以下几种：
同步电机控制系统，异步电机控制系统，开关磁阻电机控制系统等。

虽然不同的控制方式控制原理不同，但是系统的构成和各部分的功能基本一致。

1) 电源系统
电源系统是指将输入系统的动力电源转换成用于驱动交流电机的直流或交流电源，根据实际控制方式的不同，一般可以分为“交直交”电压源型逆变电路，“交直交”电流源型逆变电路，“交交”型变频电路以及泵电源电路等。

图1是“交直交”电压源型电源系统的典型电路，如果将并联的滤波电容去掉，在直流侧串联一个大滤波电感则为“交直交”电流源型电路。

图1
2) 微处理器板
微处理器是用来实现交流电机各种数字控制算法的硬件平台。

主要组成如下：
a) CPU，通常根据系统的复杂程度选择通用单片机或专用的DSP芯片
b) RAM，ROM，EPROM，CPU外围驱动芯片组
c) 实时钟，通讯接口
d) 总线系统，用来连接主机板和各种外围系统支持板，接口板等。

主要有STD总线，
工业PC总线，VME总线等
e) 在实时内核上运行的各种控制算法（U/F控制，矢量控制，直接转矩控制，无速度
传感器控制等）
3) 功率开关器件
功率开关器件通过根据来自微处理器板的控制信号控制大功率输出器件的关断和导通，来实现对交流电机的输出电流和电压的控制。

根据控制方式的不同，其输出方式由方波输出逐渐发展到PWM输出或SPWM输出。

开关器件也由原来的GTR，MOSFET，发展到IGBT，IPM等。

参见下面的典型IGBT逆变输出电路。

图2
4) 接口和外围设备
接口和外围设备主要用来连接外部的输入装置和数字控制系统的各种数字量，模拟量等被控量的反馈信号。

a) 数字输入输出接口，主要分为并行输入输出接口扩展和串行输入输出接口扩展，主
要用来扩展系统外部存储器和数字量的输入输出。

b) 模拟量输入输出接口，主要分为数/模转换器和模/数转换器。

来自微处理器的数字
量控制信号经过D/A转换成模拟量信号输出到外围控制部件，同样系统外部的各
种传感器信号（电压，电流，温度等）也经过A/D转换成数字量信号经过总线系
统传送到CPU中进行相应的控制。

c) 通信接口，主要分为并行通信和同步或异步串行通信。

使用通信接口可以将多个处
理器系统连接起来实现故障诊断，软件监控，多台交流电机联动控制等功能。

d) 键盘与显示接口，用来实现人机交互。

5) 信号检测及处理
采用闭环控制的数字控制系统必须实时检测被控对象的各个参变量，然后反馈给主CPU。

交流电机的主要检测物理量为，电机电枢温度，定子电流，电子电压，电机转速，电机位置等。

a) 电流检测主要采用采样电阻法，电流互感器法和霍尔元件检测法。

b) 电压检测主要采用电阻分压法，电压互感器法和霍尔传感器法
c) 温度检测主要采用热电阻和热开关继电器等元件
d) 电机位置和速度检测主要采用测速电机和位置编码器等反馈形式。

其中位置编码器
可以根据实际使用的要求分别选用旋转编码器，光电编码器等多种类型。

一般数字系统的构成框图请参见图3：
图3
2. 异步电机调速通用控制方法：标量控制，矢量控制，无传感器控制，直接转 矩控制的原理介绍及功能特点分析
标量控制是指对只对交流异步电机的输入电压和输入频率进行幅值的控制，不考虑电机中各物理量之间的相互耦合效应。

这里以标量控制中典型的U/F 方式为例介绍其工作原理。

图4
图4为异步电机的T 型等效电路，根据电机学原理，电机定子每相感应电动势的有效值为： 4.44s m s s ns m
f Es f N k φφ−−=××××s ns K 定子频率，N 相绕组串联匝数，基波绕组系数，气隙磁通－异步电机端电压与感应电动势的关系式为：
s s s U E R I =+×s
在交流电机的控制过程中，为了充分利用铁芯，电机在额定运行时设计磁通处于接近饱和的工作点，所以必须控制电机的每极磁通在电机工作过程中保持基本不变。

由上面两式可知只要同时协调控制控制Es 和Fs 就可以达到上述控制要求。

1) 电机工作在额定频率以下
当电机实际转速接近于额定转速时，由于定子的感应电动势值较大，如果忽略定子上面 的阻抗压降，则U s ≈E s ，磁通可以用如下公式表示：
s m s
U K f φ=×=常数 另外考虑电机工作在低频的状态时，U s 和E s 比较小，此时定子阻抗产生的压降所占 比重增大，已经无法简单忽略。

如果还是按照上式U/f ＝常数来处理就会导致异步电机励磁不足，使异步电机的低转速和启动扭矩减小，影响电机的低频工作性能。

所以在低频时可以通过适当提高逆变器的输出电压使
s s
E f ≈常数，这样使电机在低速时磁通也可以保持恒定。

其控制曲线参见下图：
2) 电机工作在额定频率以上
当电机在额定频率以上调速时，逆变器的输出频率可以继续升高，但是输出端电压只能 维持在额定输入值，此时定子磁通和调速频率成反比下降，异步电机的工作状态等同于直流电机的弱磁升速，电机的输出扭矩随磁通变化，输出扭矩随速度增加逐渐变小为恒功率工作模式。

标量控制模式除了上面介绍的U/f 模式外还有带转差率调节的速度控制模式，带转矩和 磁链控制的速度控制模式等，这些控制模式控制特性有所改善，但本质还是标量控制。

标量控制在技术上比较容易实现，也不需要高速高性能的DSP 处理器等的昂贵硬件，但是标量控制由于只是对电压和频率等变量的幅值进行控制，没有考虑异步电机是一个多变量耦合关联的非线性系统，异步电机内转矩和磁链是电压和频率的函数。

当系统对异步电机进行高动态控制时（快速控制电机的输出扭矩）由于电机磁链的响应比较缓慢，当电机转差率增加时，磁链趋于减少，输出转矩无法快速增加，导致系统的动态特性比较差。

另外当电机工作在偏离额定转速的低频状态时，由于无法准确保持磁链稳定，导致电机或者输出扭矩下降，或者由于磁链饱和而导致铜损铁损增加。

矢量控制是指根据电机运行状况同时控制输出量的幅值和相位。

其基本的工作原理是通过电机内以同步转速旋转的参考d －q 参考坐标系的数学方法，解藕出控制电机励磁方向的电流分量Id 和控制电机的转矩方向的分量Iq ，从而可以将异步电机的控制方法等效为传统直流电机的控制。

直流电机忽略电枢效应和磁场饱和时，其扭矩表达式如下：
e t a f
a T K I I I =××−−f 电枢电流，I 励磁电流
如果将异步电动机放在同步旋转的参考坐标系上进行控制，i ds 和i qs 分别为定子电流在同步参考坐标系下的直轴分量和交轴分量。

异步电机的转矩表达式如下：
r 1e t q e t ds T K i T K i i s
qs φ=××=××
当i qs 被定向在磁链r φ的方向并且垂直于i ds 则交流异步电机就被转化为类似直流电机的控制方式。

在实际的矢量控制过程中，根据i ds 的定向不同可以分为转子磁场定向矢量控制；气隙磁场定向矢量控制和定子磁场定向矢量控制。

异步电机矢量控制的方法克服标量控制的系统动态特性差，低速扭矩特性差，电机损耗大的许多缺点，使交流异步电机的控制特性和直流电机的特性相当。

缺点是系统结构复杂需要高速的DSP 处理器来完成复杂的控制运算，提高了系统的硬件成本和开发成本。

无速度传感器控制模式其核心还是前面所述的矢量控制技术。

基于磁场定向的矢量控制技术必须依靠准确的电机速度反馈值，在实际的工业使用过程中由于安装速度传感器会带来系统硬件成本增加，系统可靠性降低，安装维护工作量增加等不利因素。

因此在实际的工业控制中开发了基于电机运行参数转速自动识别电机转速的无传感器矢量控制方法。

目前使用的转速估算方法有一下几种：
1) 转差频率计算法
2) 基于状态方程的直接综合法
3) 模型参考自适应系统（MRAS ）
4) 速度自适应磁链观测器
5) 扩展卡尔曼滤波器（EKF ）
6) 转子齿谐波法
7) 凸极高频信号注入法
各种不同的速度辨识的方法各有其优点和缺点，无速度传感器控制方法的主要问题在于系统鲁棒性较差，速度的辨识精度比较依赖于电机的参数，当电机在低转速运行或工作在堵转状态时速度计算值偏差较大。

在实际的工业应用过程中往往会在控制系统中使用一种或两种以上的控制方法来达到比较满意的控制效果。

直接转矩控制方法是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，省去了矢量控制算法中解藕和旋转坐标转化等复杂的运算过程，通过双位模拟调节器产生PWM 信号，直接控制逆变器的功率器件的开关状态来达到电机输出扭矩的高速动态控制。

直接转矩控制的基本工作原理就是根据当前电机的扭矩计算值，通过电压空间矢量来控制定子磁通的旋转速度，从而改变转子磁通的夹角，使电机的输出扭矩得到高速的动态控制。

直接转矩控制没有使用复杂的矢量变化算法，计算过程相对简洁，控制方式直接，电机扭矩的动态特性好，其控制特性和矢量控制方法接近，缺点是电机控制存在磁链和转矩脉动。