文章编号:1005—7277(2001)04—0003—07交流传动系统控制策略综述葛宝明1,王祥珩1,苏鹏声1,蒋静坪2(1.清华大学电机系,北京100084;2.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:简要回顾了交流传动发展过程中出现的各种控制策略,分析和介绍了各控制策略的优缺点,展望了交流传动控制策略的发展趋势。
关键词:交流传动;控制策略;综述中图分类号:TM301.2文献标识码:AOverviews of control strate g ies for AC drive s y stemG E Bao _ming 1,WANG Xiang _heng 1,SU Peng _sheng 1,JIANG Jing _ping2(1.D epartm ent of El ectr ical En gineer ing ,T singhua U niv ers ity ,Beijin g 100084,China ;2.Colle g e o f Electrical En g in eerin g ,Zhe j ian g U niv er sit y ,H an g z hou 310027,China )A bstract :All kinds of control strate g ies forAC drives are reviewed ,theirs merits and drawbacks are anal y zed ,and thefut ure trends in the control schem es of AC drives is also g ived .Ke y words :AC drives ;control strate g ies ;overview s1引言随着科学技术的迅猛发展,各领域对电气传动的需求从数量、质量都呈现出空前的增长。
资料表明,最近10年,工业电气传动的增长已超过25%,仅1998年交流传动在世界范围内的销售额就达48.5亿美元,其中欧洲、中东与非洲占39%,日本占27%,北美占21%,除日本之外的其它亚洲国家占12%,拉丁美洲占1%[1]。
而且传动系统的价格与包装体积也一直在大幅度下降,如图1、2所示。
此外,交流传动系统在性能上也已取得了长足发展,具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能,其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美,被人们提了多年的“交流传动取代直流传动”的愿望正在变为现实。
交流传动系统之所以能有如此巨大进步,主要得益于电力电子学、微电子学和控制理论的惊人发展,尤其是先进控制策略的成功应用。
纵观交流电机控制策略的发展,先后涌现出大量的方式方法,其中具有代表性的有:转速开环恒压频比(U /f =常数)控制、转差频率控制、磁场定向控制(矢量控制)、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制与智能控制等。
此外,无速度传感器的交流传动控制技术也已成为近年研究热点。
这些策略各有优缺点,在实际应用中必须根据具体要求适当选择,才能实现最佳效果,能全面了解上述各种控制策略非常重要。
本文正是基于此目的,对交流电气传动自动化Electric Drive Automa tion 第23卷第4期2001年8月Vol .23,No .4AUG .,2001图1三相交流传动系统的平均价格曲线图2交流传动系统的包装体积曲线电机的各种控制策略进行了较为全面的综述与比较,力图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。
2异步电动机传动系统的控制策略2.1恒压频比控制与转差频率控制要使电机的转速得到快速响应,必须有效地控制转矩。
开环恒压频比控制只控制了电机的气隙磁通,而不能调节转矩,性能不高;转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩,但它依据的只是稳态模型,并不能真正控制动态过程中的转矩,从而得不到很理想的动态控制性能[2]。
2.2矢量控制1971年,由F Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步,使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。
其基本原理为:以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的2个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流励磁分量,另一个磁链方向正交,代表定子电流转矩分量,然后分别对其进行独立控制,获得象直流电机一样良好的动态特性。
尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善,但也带来一些问题,即太理论化,实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链,而且对电机的参数依赖性很大,难以保证完全解耦,使转矩的控制效果打了折扣。
从电机本身看,其参数具有一定时变性,特别是转子时间常数,它随温度和激磁电感的饱和而变化,矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。
即使电机参数与转子磁链被精确知道,也只有稳态的情况下才能实现解耦,弱磁时耦合仍然存在[3]。
另外,矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势,这和实际差别不小,所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果[4]。
而且,采用普通PI调节器的矢量控制系统,其性能受参数变化及各种不确定性影响严重,即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能,一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响,则导致性能变差。
2.3直接转矩控制针对矢量控制存在的不足,Depenbr ock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制方法[5][6],接着1987年把它推广到弱磁调速范围。
不同于矢量控制技术,它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,强调对电机的转矩进行直接控制,省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。
直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,只要知道定子电阻就可以把它观测出来;而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链,观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。
因此,直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题,很大程度上克服了矢量控制的缺点。
直接转矩控制从一诞生,就以新颖的控制思路,简洁明了的系统结构,优良的静、动态性能受到人们的普遍关注,各国学者在理论探讨和实验研究上都做了大量工作,出现了各种各样的控制方案。
德国作为直接转矩控制的发源地,采用的是六边形磁链控制方案,着眼于大功率领域的实际应用。
日本采用近似圆磁链的控制方案,侧重于中小功率高性能调速领域的研究[7]。
从控制效果来看,六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量,这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况(无零矢量作用时),转矩脉动、噪声都比较大,与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。
近似圆方案则比较接近理想情况,电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。
但是从另一方面看,六边形方案有利于减小功率器件的开关频率,适用于大功率领域,而近似圆方案则相反,一般用于中小功率高性能场合。
美国进行直接转矩控制研究的主要有T G Habetler等人,其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中,因此研究重点并不是如何精确调速,而是在全速度范围内有效地控制转矩,他们提出的无差拍预前控制法,克服了Band-Band控制开关频率可变的缺点。
直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展,但是它在理论和实践上还不够成熟,如低速性能、带负载能力等。
而且由于它对实时性要求高,计算量大,若没有新一代高速的微处理器,要实现直接转矩控制是不可想象的。
2.4反馈线性化控制上述几种控制策略都已经得到应用,然而所有这些控制方法都只是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制,没有或较少应用控制理论。
从第23卷第4期·4·电气传动自动化本质上看,交流电机是一个非线性多变量系统,应用非线性控制理论研究其控制策略,更能揭示问题的本质。
1987年首次将基于微分几何的非线性反馈线性化理论应用于开关磁阻电机控制[8],取得了优良性能。
同年Krzeminski Z在慕尼黑IFAC大会上发表了感应电机非线性控制的论文[9],从而使非线性反馈线性化理论在交流传动中的应用得到了发展。
非线性反馈线性化[10][12]是研究非线性控制系统的一种有效方法,它与传统的线性化方法有本质的区别。
异步电动机的非线性控制是通过非线性状态反馈和非线性变换,实现系统的动态解耦和全局线性化,将非线性、多变量、强耦合的异步电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统,其中转子磁链子系统由两阶惯性环节组成,转速子系统上一个积分环节和一个惯性环节组成,两个子系统的调节器按线性控制理论分别设计,以使系统达到预期的性能指标[13]-[15]。
然而,非线性系统反馈线性化理论是采用坐标变换及状态或输出反馈矫正非线性系统的动力学特性,如果单纯地对线性化了的系统进行鲁棒控制器设计,并不一定能得到满意的效果。
另一方面,非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统动态的精确测量或观测。
不幸的是,电动机在运行过程中参数会发生变化,比如转子发热而导致转子电阻参数变化幅度达±100%,而且磁链观测的准确性很难保证,这些都不可避免地影响系统的鲁棒性,甚至会使系统性能恶化,因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实用新型系统。
2.5自适应控制自适应控制与常规反馈控制一样,也是一种基于数学模型的控制方法,所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少,需要在系统运行过程中不断提取有关模型的信息,使模型逐渐完善,所以是克服参数变化影响的有力手段。
应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应控制、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制[16]-[18]。
但所有这些方法都存在的问题是:①数学模型和运算繁琐,使控制系统实现复杂化;②辨识和校正都需要一个过程,对于较慢的参数变化尚可以起到校正作用,如校正因温度变化而影响的电阻参数变化,但是对于较快的参数变化,如因集肤效应引起的电阻变化、因饱和作用产生的电感变化等等,就因来不及校正而维以产生很好的效果。
2.6滑模变结构控制滑模变结构控制[19]是变结构控制系统的一种控制策略,它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。
其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目的地使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。
这种滑动模态是可以设计的,且与系统的参数及扰动无关,因而使系统具有很强的鲁棒性。
另外,滑模变结构控制不需要任何在线辨识,所以很容易实现。
在过去10多年里,将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点[20]-[22],并且已取得了一些有效的结果。