0前言

    雖然直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)都已誕生了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但由于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較早形成了較為完善的理論和結(jié)構(gòu)，其具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性，故在20世紀(jì)70年代以前，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)基本以直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為主。但由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在很多缺點(diǎn)，像要定期更換電刷和換向器，維護(hù)困難；容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速等受到制約等。相比之下，交流電動(dòng)機(jī)就具有很多優(yōu)勢(shì)，像造價(jià)低：事故率低、容易維護(hù)；容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速不容易像直流電動(dòng)機(jī)那樣受影響。

    目前，交流調(diào)速系統(tǒng)裝置已經(jīng)從最初的只用于風(fēng)機(jī)、水泵等地方過(guò)渡到各類(lèi)高精度、快響應(yīng)的高性能指標(biāo)的場(chǎng)合。隨著交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的成熟和完善．交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能差的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了克服，現(xiàn)在交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。早期，變頻器是根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的等效電路采用恒壓頻比(v／f)或轉(zhuǎn)差頻率(SF)控制方式，但是這兩種方式是建立在電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型之上的。其動(dòng)態(tài)性能不佳。經(jīng)過(guò)不懈的努力。國(guó)外學(xué)者提出了矢量控制方式(VectorContro1)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式，并將其應(yīng)用到實(shí)際之中，取得了非常令人振奮的控制效果。前者參照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流空間向量解耦為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，其缺點(diǎn)是要根據(jù)坐標(biāo)變換以推算轉(zhuǎn)速信號(hào)，于是在此基礎(chǔ)上逐漸又提出了無(wú)速度傳感器矢量控制方式，它根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的相電壓和相電流以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)推算出轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向的矢量控制：而后者則不采用解耦的思想，借助瞬時(shí)空間矢量計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值進(jìn)行比較的差值，直接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制。除此以外，采用正弦脈寬調(diào)制SPWM(SinusoidalPulse．WidthModulation)或空問(wèn)向量脈寬調(diào)制SVPWM(SpaceVectorPulse．WidthModulaion)技術(shù)，在輸出端用很簡(jiǎn)單的濾波器就可以得到很純正的正弦波。

1控制方案

    異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線性和強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。其矢量控制方式是比較復(fù)雜的，要確定最佳的控制方式，必須對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行充分的分析，其最重要的環(huán)節(jié)就是建立合適的數(shù)學(xué)模型，而這主要是借助坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

    對(duì)于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制這兩種控制方法，可以從許多方面進(jìn)行比較，比如控制理論、控制軟硬件實(shí)現(xiàn)、主電路以及外圍電路要求等。鑒于實(shí)現(xiàn)樣機(jī)方式的多樣性，兩種控制方法的試驗(yàn)比較具有一定的困難性。本文將給出相應(yīng)的特性曲線，以及簡(jiǎn)單的試驗(yàn)結(jié)果描述。選定A公司的矢量控制通用變頻器（15kW，稱(chēng)為“VC變頻器”）和B公司的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器（15kW，稱(chēng)為“DTC變頻器”）作為本次試驗(yàn)樣機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制是以電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的參數(shù)為前提的。但隨著電機(jī)運(yùn)行中負(fù)載以及溫度等的變化，轉(zhuǎn)子的電阻也要發(fā)生變化，這樣將會(huì)影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)參數(shù)必須進(jìn)行在線修正，可采用模型參考自適應(yīng)法，主要是將不含轉(zhuǎn)子電阻的電壓模型作為參考模型，面將含有轉(zhuǎn)子電阻的電流模型作為可調(diào)模型，兩個(gè)模型具有相同的物理意義的輸出量，利用兩個(gè)模型輸出量的誤差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。在試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)測(cè)取的過(guò)程中，充分考慮了試驗(yàn)環(huán)境和條件的相同性（比如，環(huán)境溫度、電機(jī)起始溫度、錄波儀采樣率等）。

    由于某些指標(biāo)的特殊性和試驗(yàn)條件限制，這些指標(biāo)不是一次測(cè)取量，是經(jīng)過(guò)其它一次測(cè)取的原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到。在計(jì)算這些指標(biāo)時(shí)，對(duì)于兩種控制方法，采用完全相同的計(jì)算公式和流程，而且該計(jì)算程序完全對(duì)外公開(kāi)。對(duì)計(jì)算程序中的某些數(shù)據(jù)處理方法可能會(huì)有不同意見(jiàn)，可對(duì)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行充分的討論。

2硬件連接

    正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM已被廣泛應(yīng)用于逆變器中，可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓，其缺點(diǎn)是直流電壓利用率低，輸出最大相電壓只有輸入直流電壓的一半，并且其功率器件的開(kāi)關(guān)損耗較大。隨著國(guó)外學(xué)者在交流電機(jī)調(diào)速中提出了磁通軌跡控制的思想，提出電壓空間向量(SpaceVector)的概念，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，其直流電壓利用率比SPWM高。

    本文以一個(gè)25kW的異步電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該平臺(tái)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)變頻器――異步電機(jī)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。

圖1試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    本試驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)備有：VC和DTC變頻器樣機(jī)各一臺(tái)（15kW）、3kW三相繞線式異步電機(jī)一臺(tái)、3kW直流發(fā)電機(jī)一臺(tái)、功率電阻箱一個(gè)、可變直流電壓源二套、錄波儀一臺(tái)和配套電壓電流探頭若干。三相工頻380V電源通過(guò)調(diào)壓器為變頻器供電，變頻器輸出接3kW繞線式異步電機(jī)，此電機(jī)與一等容量的直流發(fā)電機(jī)同軸連接。在試驗(yàn)測(cè)試階段，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的適配軟件對(duì)變頻器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)視，而試驗(yàn)所需要的幾組重要的數(shù)據(jù)（Uab、Ucb、Ia、Ic以及變頻器幾個(gè)模擬口輸出量）則通過(guò)DL750錄波儀從電機(jī)機(jī)端和變頻器輸出端子直接測(cè)取和記錄。這些原始數(shù)據(jù)通過(guò)FTP協(xié)議從錄波儀下載計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)化為文本數(shù)據(jù)文件。最終使用這些文本數(shù)據(jù)文件在Matlab下計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)果。

    在實(shí)現(xiàn)機(jī)組低速運(yùn)行時(shí)，大負(fù)載轉(zhuǎn)矩是通過(guò)在直流發(fā)電機(jī)機(jī)端順接直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工頻220V電源通過(guò)調(diào)壓器接不控整流橋，整流橋輸出并聯(lián)電容產(chǎn)生可調(diào)直流電源，該電源通過(guò)斷路器的切合來(lái)加減機(jī)組的負(fù)載。直流電源與電流電機(jī)機(jī)端之間串有電阻負(fù)載。

3實(shí)驗(yàn)原理分析

    本試驗(yàn)中，主要通過(guò)異步電機(jī)的機(jī)端測(cè)量來(lái)獲取電機(jī)性能的參數(shù)，以此來(lái)得到兩臺(tái)變頻器樣機(jī)的控制特性。

3.1異步電機(jī)坐標(biāo)變換

    為了使試驗(yàn)分析的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化，由三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)的變化是必需的。在此次試驗(yàn)的分析中，采用的是靜止兩相坐標(biāo)系（ab坐標(biāo)），以避開(kāi)旋轉(zhuǎn)變換。變換矩陣為[1]

    (1)

    利用線電壓與相電壓的關(guān)系和公式（1）可以得到ab坐標(biāo)下異步電機(jī)的定子電壓和電流如下：

3.2異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算

    在定子磁鏈計(jì)算的基礎(chǔ)上，可以得到異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：

    其中，pn是電機(jī)極對(duì)數(shù)。

    3.3異步電機(jī)輸入功率計(jì)算

    對(duì)于異步電機(jī)，有效輸入功率P1的計(jì)算式為

    3.4異步電機(jī)輸入電壓電流畸變率計(jì)算

    其中，U1和I1是基波電壓電流有效值，Uk和Ik(k=2,3…)是各電壓電流諧波有效值。

    3.5直流發(fā)電機(jī)特性分析

    對(duì)于直流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，有以下公式成立：

    其中，Ia為發(fā)電機(jī)電樞電流，Ea為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，If為勵(lì)磁電流，T為直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

    當(dāng)進(jìn)行低速負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，由于直流電機(jī)負(fù)載的特殊性，系統(tǒng)的啟動(dòng)和停機(jī)操作規(guī)程如下：

    在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，保持整流橋與電阻箱之間的斷路器斷開(kāi)，合直流勵(lì)磁電路；

    啟動(dòng)電機(jī)至期望頻率，測(cè)量電流電機(jī)機(jī)端電壓VO以及整流橋輸出VC,保證VC和VO在合理范圍內(nèi)時(shí)，合斷路器；

    通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)電容電壓直至負(fù)載電流達(dá)到一定值，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，記錄電容電壓和電阻兩端的電壓；

    當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，首先降低電容電壓約等于直流電機(jī)開(kāi)路電壓，斷開(kāi)斷路器，異步電機(jī)停機(jī)，直流電容放電。

窗函數(shù)的選取

    信號(hào)處理中的數(shù)據(jù)截?cái)?，就是一個(gè)窗函數(shù)的選擇問(wèn)題。而窗函數(shù)的引入對(duì)信號(hào)在時(shí)域和頻域都有影響。窗函數(shù)的選取總是要求其頻譜的主瓣盡量的窄，邊瓣峰值盡量的小。而在幾種常用的窗函數(shù)中，Hamming窗和Hanning窗具有比較小的邊瓣和較大的衰減速度。在此選用Hamming窗。

    本試驗(yàn)濾波器設(shè)計(jì)

    首先設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器，然后利用相減的方法得到高通濾波器，保證在低速時(shí)能較好地濾掉磁鏈和電流的直流分量，以利于準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)和最終的轉(zhuǎn)矩計(jì)算。

4數(shù)據(jù)處理流程

    為了處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和方便，在此次試驗(yàn)絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)取過(guò)程中，都統(tǒng)一采用錄波儀記錄以下六個(gè)測(cè)量量，即：異步電機(jī)機(jī)端的Uab、Ucb、Ia、Ic、變頻器模擬輸出端子AO1、AO2(各自代表實(shí)際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩設(shè)定值或者電機(jī)轉(zhuǎn)速)。

    此次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理分成幾個(gè)步驟，簡(jiǎn)單描述如下：

    將錄波儀記錄的原始數(shù)據(jù)*.HDR和*.WVF通過(guò)ftp協(xié)議從錄波儀下載到計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)化為文本數(shù)據(jù)文件*.CSV，為提高計(jì)算速度，將其轉(zhuǎn)化為*.MAT文件，形成原始數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)情況和采樣率等信息被記錄在清單文件中。

    根據(jù)試驗(yàn)原理中描述的公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)試驗(yàn)中的異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線。絕大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用同一程序進(jìn)行計(jì)算，該程序的流程圖如圖2所示。

    計(jì)算結(jié)果后處理，主要將各不同試驗(yàn)得到的曲線進(jìn)行比較。

圖2計(jì)算程序流程圖

5試驗(yàn)結(jié)果和分析

5.1穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

    穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)主要考察兩個(gè)變頻器輸出不同頻率時(shí)異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，主要以異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)為考察性能指標(biāo)，變頻器的頻率設(shè)定分別為1Hz、5Hz和50Hz，速度反饋分帶碼盤(pán)和不帶碼盤(pán)兩種情況。在變頻器設(shè)定頻率為50Hz時(shí)，直流電機(jī)負(fù)載只使用電阻負(fù)載；而在5Hz和1Hz時(shí)，直流電機(jī)負(fù)載為電阻加直流源負(fù)載，以提高低速時(shí)負(fù)載大小。在變頻器設(shè)定頻率為50Hz時(shí)，同時(shí)考察電機(jī)輸入側(cè)的電流波形和電壓畸變率、異步電機(jī)的功率因數(shù)以及異步電機(jī)――直流電機(jī)系統(tǒng)的效率。

    在詳細(xì)考察高性能的異步電機(jī)矢量控制(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)控制策略時(shí)，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是必不可少的。此次試驗(yàn)采用的是歐姆龍公司的NPN集電極開(kāi)路輸出，E6C2-CWZ6C型速度碼盤(pán)，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)2000，安裝時(shí)有較高的同軸度，從而可以較好的保證速度檢測(cè)精度。

    相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖3-5所示。

圖3不同頻率電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)(帶碼盤(pán))

圖4不同頻率下VC電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)

(帶碼盤(pán)vs不帶碼盤(pán))

圖5不同頻率下DTC電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)

(帶碼盤(pán)vs不帶碼盤(pán))

    試驗(yàn)說(shuō)明，無(wú)論VC還是DTC,不帶碼盤(pán)相比較帶碼盤(pán)，尤其在低速的情況下，轉(zhuǎn)速性能都會(huì)出現(xiàn)不同程度的惡化，尤其在低于5Hz后，兩者對(duì)碼盤(pán)的依賴(lài)性急劇增加。VC表現(xiàn)的對(duì)碼盤(pán)的依賴(lài)性更突出一些。因此，單就A和B這兩種型號(hào)的產(chǎn)品來(lái)講，其無(wú)速度傳感器的調(diào)速性能還不能夠和帶碼盤(pán)時(shí)的性能相媲美，尤其在極低速的情況下。

6結(jié)論

    本文是以矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制策略比較為核心，從異步電機(jī)廣義派克方程分析入手，對(duì)比兩種控制策略原理，進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析，在變頻器－異步電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行規(guī)范的試驗(yàn)。采用FIRDF較好地計(jì)算出異步電機(jī)定子磁鏈，給出兩種控制策略下異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能對(duì)比，對(duì)比結(jié)果與理論分析相符。