異步電動(dòng)機(jī)的速度控制

　　速度控制是生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的一種運(yùn)行要求，目的是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源以及提高服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速公式：

　　式中n-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

　　n0-理想空載轉(zhuǎn)速；

　　f-電源頻率；

　　p-磁極對(duì)數(shù)；

　　s-轉(zhuǎn)差率。

　　由公式可以得知，人為調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法有三種：改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速、改變定子電源電壓頻率f調(diào)速。

　　其中，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，可以改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，因而實(shí)現(xiàn)了調(diào)速。這種調(diào)速級(jí)差較大，不能連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，一般適用于鼠籠型電動(dòng)機(jī)。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)速方法是采用極對(duì)數(shù)可以改變的多速電動(dòng)機(jī)。

　　改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法有：改變定子電壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻、轉(zhuǎn)子回路引入外加電勢(shì)（串級(jí)調(diào)速）、電磁轉(zhuǎn)差離合器等。

　　隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)和微電子技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，交流調(diào)速已經(jīng)獲得了突破性的發(fā)展，出現(xiàn)了許多效率高、能耗低、性能好的調(diào)速系統(tǒng)。

　　異步電動(dòng)機(jī)的速度控制方法

　　1、矢量控制技術(shù)

　　在異步電動(dòng)機(jī)中，定子電流不但建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，也建立了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。假如能定子電流的總效應(yīng)等效兩個(gè)虛擬的彼此垂直的直流分量，一個(gè)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，另一個(gè)控制電磁轉(zhuǎn)矩，那么對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制就如同對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制一樣簡(jiǎn)單了。矢量控制正是基于這一想法而提出的。矢量控制根據(jù)矢量變換理論，采用按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向定向，把定子電流矢量分解為在同步旋坐標(biāo)系中的兩個(gè)互相垂直的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦；通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的線性化處理，得到了與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。

　　異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)矢量變換控制后獲得了與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制特性，采用矢量控制技術(shù)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能達(dá)到了直流雙閉環(huán)傳動(dòng)系統(tǒng)的水平。實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵是要解決沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的問題，即MT同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)M軸要沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向定向。直接磁場(chǎng)定向控制需要獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的知識(shí)，一般采用磁鏈反饋控制方式。電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈可直接檢測(cè)，或用磁鏈觀測(cè)器得到。磁場(chǎng)定向是異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的基礎(chǔ)，在上述的磁場(chǎng)定向系統(tǒng)中，無(wú)論采用哪種方法，均涉及到電動(dòng)機(jī)參數(shù)。若參數(shù)值與實(shí)際不符，或者在運(yùn)行中發(fā)生了變化，都將直接影響到磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確性。磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)確，會(huì)使矢量控制失去原本方法上的優(yōu)勢(shì)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能下降。

　　2、直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)后的又一種高動(dòng)態(tài)性能的交流傳動(dòng)控統(tǒng)。其特點(diǎn)是在靜止的兩相坐標(biāo)系中控制定子磁鏈幅值基本保持恒定并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩反饋控制。其核心問題是轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋模型，以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量控制器的開關(guān)狀態(tài)。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所采用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)，因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題;而且直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要為解禍而簡(jiǎn)化交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，即省掉矢量旋轉(zhuǎn)變化等復(fù)雜的變換和計(jì)算。其缺點(diǎn)是：輸出轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)，低速性能較差，限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。

　　3、自適應(yīng)控制

　　具有固定的控制器參數(shù)的線性控制系統(tǒng)可以利用經(jīng)典設(shè)計(jì)理論比較容易實(shí)現(xiàn)。理想狀態(tài)下，矢量控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)可以認(rèn)為是線性的，就像直流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一樣。但是在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，控制對(duì)象參數(shù)很少保持不變，另外負(fù)載轉(zhuǎn)矩也變動(dòng)，而且結(jié)果系統(tǒng)性能可能惡化，在極端情況下引起不穩(wěn)定，這個(gè)問題能夠用自適應(yīng)控制技術(shù)來(lái)解決。因此，能夠克服參數(shù)變化影響的各種自適應(yīng)控制便成為研究工作的重要課題。主要的自適應(yīng)控制有自校正控制、模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

　　4、無(wú)速度傳感器高動(dòng)態(tài)性能控制

　　高精度、高分辨率的速度和位置傳感器價(jià)格昂貴，而且在惡劣環(huán)境下無(wú)法使用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，無(wú)速度傳感器控制技術(shù)的研究進(jìn)展很快。無(wú)速度傳感器控制技術(shù)的核心問題是如何獲取電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，解決的出發(fā)點(diǎn)是利用容易測(cè)量到的定子電流、定子電壓量推算出速度或估計(jì)出速度，常用的方法有：

　　（1）利用電機(jī)模型計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)行補(bǔ)償。

　　（2）利用電機(jī)模型推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速方程式，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速。

　　（3）根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)模型，利用自適應(yīng)算法辯識(shí)轉(zhuǎn)速，或者同時(shí)辯識(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　（4）利用增廣卡爾曼濾波方法。

　　（5）利用電機(jī)的齒諧波電勢(shì)計(jì)算轉(zhuǎn)速。

　　（6）利用滑模變結(jié)構(gòu)控制，同時(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。目前，已有若干品種的無(wú)速度矢量控制變頻器問世，但是電機(jī)參數(shù)變化問題，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接近零速情況下速度的正確估算，仍需要進(jìn)一步研究。

　　5、基于人工智能的異步電動(dòng)機(jī)控制

　　在經(jīng)典和各種近代的控制理論基礎(chǔ)上提出的控制策略都有一個(gè)共同的問題，即控制算法依賴于電機(jī)的模型，當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用的影響時(shí)，如何進(jìn)行有效的控制，系統(tǒng)仍能保持優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，是困擾設(shè)計(jì)者的一大課題。專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法屬于人工智能的范疇，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支。近年來(lái)，人工智能快速的滲透到電氣工程學(xué)科中，其在電力電子和傳動(dòng)控制方面非常有發(fā)展前途。近年來(lái)，人們提出了各種基于智能控制的電機(jī)控制策略，主要包括以下幾個(gè)方面：

　　（1）基于智能控制的電流、速度和位置調(diào)節(jié)器。

　　（2）基于智能控制的參數(shù)估計(jì)和狀態(tài)估計(jì)。

　　（3）基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能逆變器。

　　（4）基于智能控制的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

　　（5）基于遺傳算法的智能控制技術(shù)。雖然基于人工智能的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究已取得了不少成果，但是還有諸多理論和技術(shù)問題尚未解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)性能尚缺少客觀的理論預(yù)見，且智能控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)硬件要求高。到目前為止，僅依靠智能控制還很難理想地解決電機(jī)控制問題，一般多是和傳統(tǒng)的異步電機(jī)控制相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短交叉綜合控制異步電動(dòng)機(jī)。