1. 目前交流電機(jī)一般數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成及各部分的功能介紹
交流電機(jī)的一般數(shù)字控制系統(tǒng)是指以工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，控制對(duì)象為各種交流電機(jī)的開環(huán)或閉環(huán)的控制系統(tǒng)。一般情況下為了提高交流電機(jī)的控制精度和動(dòng)態(tài)特性我們均采用閉環(huán)控制的方式。
針對(duì)交流電機(jī)的不同類型，目前已經(jīng)典型應(yīng)用的控制系統(tǒng)有以下幾種：
同步電機(jī)控制系統(tǒng)，異步電機(jī)控制系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)等。雖然不同的控制方式控制原理不同，但是系統(tǒng)的構(gòu)成和各部分的功能基本一致。
1) 電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)是指將輸入系統(tǒng)的動(dòng)力電源轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的直流或交流電源，根據(jù)實(shí)際控制方式的不同，一般可以分為“交直交”電壓源型逆變電路，“交直交”電流源型逆變電路，“交交”型變頻電路以及泵電源電路等。圖1是“交直交”電壓源型電源系統(tǒng)的典型電路，如果將并聯(lián)的濾波電容去掉，在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大濾波電感則為“交直交”電流源型電路。
2) 微處理器板
微處理器是用來實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)各種數(shù)字控制算法的硬件平臺(tái)。主要組成如下：
a) CPU，通常根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度選擇通用單片機(jī)或?qū)Ｓ玫腄SP芯片
b) RAM，ROM，EPROM，CPU外圍驅(qū)動(dòng)芯片組
c) 實(shí)時(shí)鐘，通訊接口
d) 總線系統(tǒng)，用來連接主機(jī)板和各種外圍系統(tǒng)支持板，接口板等。主要有STD總線，工業(yè)PC總線，VME總線等
e) 在實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行的各種控制算法（U/F控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，無速度傳感器控制等）
3) 功率開關(guān)器件
功率開關(guān)器件通過根據(jù)來自微處理器板的控制信號(hào)控制大功率輸出器件的關(guān)斷和導(dǎo)通，來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的輸出電流和電壓的控制。根據(jù)控制方式的不同，其輸出方式由方波輸出逐漸發(fā)展到PWM輸出或SPWM輸出。開關(guān)器件也由原來的GTR，MOSFET，發(fā)展到IGBT，IPM等。參見下面的典型IGBT逆變輸出電路。
4) 接口和外圍設(shè)備
接口和外圍設(shè)備主要用來連接外部的輸入裝置和數(shù)字控制系統(tǒng)的各種數(shù)字量，模擬量等被控量的反饋信號(hào)。
a) 數(shù)字輸入輸出接口，主要分為并行輸入輸出接口擴(kuò)展和串行輸入輸出接口擴(kuò)展，主要用來擴(kuò)展系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器和數(shù)字量的輸入輸出。
b) 模擬量輸入輸出接口，主要分為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。來自微處理器的數(shù)字量控制信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出到外圍控制部件，同樣系統(tǒng)外部的各種傳感器信號(hào)（電壓，電流，溫度 等）也經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過總線系統(tǒng)傳送到CPU中進(jìn)行相應(yīng)的控制。
c) 通信接口，主要分為并行通信和同步或異步串行通信。使用通信接口可以將多個(gè)處理器系統(tǒng)連接起來實(shí)現(xiàn)故障診斷，軟件監(jiān)控，多臺(tái)交流電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制等功能。
d) 鍵盤與顯示接口，用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
5) 信號(hào)檢測(cè)及處理
采用閉環(huán)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的各個(gè)參變量，然后反饋給主CPU。交流電機(jī)的主要檢測(cè)物理量為，電機(jī)電樞溫度，定子電流，電子電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)位置等。
a) 電流檢測(cè)主要采用采樣電阻法，電流互感器法和霍爾元件檢測(cè)法。
b) 電壓檢測(cè)主要采用電阻分壓法，電壓互感器法和霍爾傳感器法
c) 溫度檢測(cè)主要采用熱電阻和熱開關(guān)繼電器等元件
d) 電機(jī)位置和速度檢測(cè)主要采用測(cè)速電機(jī)和位置編碼器等反饋形式。其中位置編碼器可以根據(jù)實(shí)際使用的要求分別選用旋轉(zhuǎn)編碼器，光電編碼器等多種類型。
一般數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)成框圖請(qǐng)參見圖3：
2. 異步電機(jī)調(diào)速通用控制方法：標(biāo)量控制，矢量控制，無傳感器控制，直接轉(zhuǎn)矩控制的原理介紹及功能特點(diǎn)分析
標(biāo)量控制是指對(duì)只對(duì)交流異步電機(jī)的輸入電壓和輸入頻率進(jìn)行幅值的控制，不考慮電機(jī)中各物理量之間的相互耦合效應(yīng)。這里以標(biāo)量控制中典型的U/F方式為例介紹其工作原理。
在交流電機(jī)的控制過程中，為了充分利用鐵芯，電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)磁通處于接近飽和的工作點(diǎn)，所以必須控制電機(jī)的每極磁通在電機(jī)工作過程中保持基本不變。由上面兩式可知只要同時(shí)協(xié)調(diào)控制控制Es和Fs就可以達(dá)到上述控制要求。
2) 電機(jī)工作在額定頻率以上
當(dāng)電機(jī)在額定頻率以上調(diào)速時(shí)，逆變器的輸出頻率可以繼續(xù)升高，但是輸出端電壓只能維持
在額定輸入值，此時(shí)定子磁通和調(diào)速頻率成反比下降，異步電機(jī)的工作狀態(tài)等同于直流電機(jī)的弱磁升速，電機(jī)的輸出扭矩隨磁通變化，輸出扭矩隨速度增加逐漸變小為恒功率工作模式。
標(biāo)量控制模式除了上面介紹的U/f模式外還有帶轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)的速度控制模式，帶轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的速度控制模式等，這些控制模式控制特性有所改善，但本質(zhì)還是標(biāo)量控制。標(biāo)量控制在技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，也不需要高速高性能的DSP處理器等的昂貴硬件，但是標(biāo)量控制由于只是對(duì)電壓和頻率等變量的幅值進(jìn)行控制，沒有考慮異步電機(jī)是一個(gè)多變量耦合關(guān)聯(lián)的非線性系統(tǒng)，異步電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)请妷汉皖l率的函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行高動(dòng)態(tài)控制時(shí)（快速控制電機(jī)的輸出扭矩）由于電機(jī)磁鏈的響應(yīng)比較緩慢，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率增加時(shí)，磁鏈趨于減少，輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法快速增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性比較差。另外當(dāng)電機(jī)工作在偏離額定轉(zhuǎn)速的低頻狀態(tài)時(shí)，由于無法準(zhǔn)確保持磁鏈穩(wěn)定，導(dǎo)致電機(jī)或者輸出扭矩下降，或者由于磁鏈飽和而導(dǎo)致銅損鐵損增加。
矢量控制是指根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀況同時(shí)控制輸出量的幅值和相位。其基本的工作原理是通過電機(jī)內(nèi)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的參考d－q參考坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)方法，解藕出控制電機(jī)勵(lì)磁方向的電流分量Id和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向的分量Iq，從而可以將異步電機(jī)的控制方法等效為傳統(tǒng)直流電機(jī)的控制。
直流電機(jī)忽略電樞效應(yīng)和磁場(chǎng)飽和時(shí)，其扭矩表達(dá)式如下：
異步電機(jī)矢量控制的方法克服標(biāo)量控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性差，低速扭矩特性差，電機(jī)損耗大的許多缺點(diǎn)，使交流異步電機(jī)的控制特性和直流電機(jī)的特性相當(dāng)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要高速的DSP處理器來完成復(fù)雜的控制運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的硬件成本和開發(fā)成本。
無速度傳感器控制模式其核心還是前面所述的矢量控制技術(shù)�；诖艌�(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)必須依靠準(zhǔn)確的電機(jī)速度反饋值，在實(shí)際的工業(yè)使用過程中由于安裝速度傳感器會(huì)帶來系統(tǒng)硬件成本增加，系統(tǒng)可靠性降低，安裝維護(hù)工作量增加等不利因素。因此在實(shí)際的工業(yè)控制中開發(fā)了基于電機(jī)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)速自動(dòng)識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)速的無傳感器矢量控制方法。
目前使用的轉(zhuǎn)速估算方法有一下幾種：
1) 轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算法
2) 基于狀態(tài)方程的直接綜合法
3) 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）
4) 速度自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器
5) 擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）
6) 轉(zhuǎn)子齒諧波法
7) 凸極高頻信號(hào)注入法
各種不同的速度辨識(shí)的方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，無速度傳感器控制方法的主要問題在于系統(tǒng)魯棒性較差，速度的辨識(shí)精度比較依賴于電機(jī)的參數(shù)，當(dāng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行或工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)速度計(jì)算值偏差較大。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用過程中往往會(huì)在控制系統(tǒng)中使用一種或兩種以上的控制方法來達(dá)到比較滿意的控制效果。
直接轉(zhuǎn)矩控制方法是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，省去了矢量控制算法中解藕和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等復(fù)雜的運(yùn)算過程，通過雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接控制逆變器的功率器件的開關(guān)狀態(tài)來達(dá)到電機(jī)輸出扭矩的高速動(dòng)態(tài)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本工作原理就是根據(jù)當(dāng)前電機(jī)的扭矩計(jì)算值，通過電壓空間矢量來控制定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變轉(zhuǎn)子磁通的夾角，使電機(jī)的輸出扭矩得到高速的動(dòng)態(tài)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制沒有使用復(fù)雜的矢量變化算法，計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)潔，控制方式直接，電機(jī)扭矩的動(dòng)態(tài)特性好，其控制特性和矢量控制方法接近，缺點(diǎn)是電機(jī)控制存在磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 |
