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0前言

    雖然直流電動機和交流電動機都已誕生了相當長的時間，但由于直流電動機調速系統較早形成了較為完善的理論和結構，其具有較為優良的靜、動態特性，故在20世紀70年代以前，整個傳動系統基本以直流電動機調速系統為主。但由于結構上的原因，直流電動機存在很多缺點，像要定期更換電刷和換向器，維護困難；容量、電壓、電流和轉速等受到制約等。相比之下，交流電動機就具有很多優勢，像造價低：事故率低、容易維護；容量、電壓、電流和轉速不容易像直流電動機那樣受影響。

    目前，交流調速系統裝置已經從最初的只用于風機、水泵等地方過渡到各類高精度、快響應的高性能指標的場合。隨著交流電動機調速理論的成熟和完善．交流電動機調速性能差的缺點已經得到了克服，現在交流調速系統正逐步取代直流調速系統。早期，變頻器是根據異步電動機的等效電路采用恒壓頻比(v／f)或轉差頻率(SF)控制方式，但是這兩種方式是建立在電動機的靜態數學模型之上的。其動態性能不佳。經過不懈的努力。國外學者提出了矢量控制方式(VectorContro1)和直接轉矩控制(DTC)方式，并將其應用到實際之中，取得了非常令人振奮的控制效果。前者參照直流電動機的控制方式，將異步電動機的定子電流空間向量解耦為轉子勵磁分量和轉矩分量，其缺點是要根據坐標變換以推算轉速信號，于是在此基礎上逐漸又提出了無速度傳感器矢量控制方式，它根據異步電動機實際運行的相電壓和相電流以及定轉子繞組參數推算出轉速觀測值，以實現磁場定向的矢量控制：而后者則不采用解耦的思想，借助瞬時空間矢量計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值進行比較的差值，直接實現轉矩和磁鏈控制。除此以外，采用正弦脈寬調制SPWM(SinusoidalPulse．WidthModulation)或空問向量脈寬調制SVPWM(SpaceVectorPulse．WidthModulaion)技術，在輸出端用很簡單的濾波器就可以得到很純正的正弦波。

1控制方案

    異步電動機是一個高階、非線性和強耦合的系統。其矢量控制方式是比較復雜的，要確定最佳的控制方式，必須對系統的動靜態特性進行充分的分析，其最重要的環節就是建立合適的數學模型，而這主要是借助坐標變換來實現的。

    對于矢量控制和直接轉矩控制這兩種控制方法，可以從許多方面進行比較，比如控制理論、控制軟硬件實現、主電路以及外圍電路要求等。鑒于實現樣機方式的多樣性，兩種控制方法的試驗比較具有一定的困難性。本文將給出相應的特性曲線，以及簡單的試驗結果描述。選定A公司的矢量控制通用變頻器（15kW，稱為“VC變頻器”）和B公司的直接轉矩控制通用變頻器（15kW，稱為“DTC變頻器”）作為本次試驗樣機異步電動機的矢量控制是以電動機內部的參數為前提的。但隨著電機運行中負載以及溫度等的變化，轉子的電阻也要發生變化，這樣將會影響轉子的轉矩，故電機參數必須進行在線修正，可采用模型參考自適應法，主要是將不含轉子電阻的電壓模型作為參考模型，面將含有轉子電阻的電流模型作為可調模型，兩個模型具有相同的物理意義的輸出量，利用兩個模型輸出量的誤差構成合適的自適應律來實時調節可調模型的參數，以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。在試驗原始數據測取的過程中，充分考慮了試驗環境和條件的相同性（比如，環境溫度、電機起始溫度、錄波儀采樣率等）。

    由于某些指標的特殊性和試驗條件限制，這些指標不是一次測取量，是經過其它一次測取的原始數據計算得到。在計算這些指標時，對于兩種控制方法，采用完全相同的計算公式和流程，而且該計算程序完全對外公開。對計算程序中的某些數據處理方法可能會有不同意見，可對計算程序的準確性進行充分的討論。

2硬件連接

    正弦脈寬調制技術SPWM已被廣泛應用于逆變器中，可以得到相當接近正弦波的輸出電壓，其缺點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關損耗較大。隨著國外學者在交流電機調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，空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術也得到了快速的發展，其直流電壓利用率比SPWM高。

    本文以一個25kW的異步電機進行試驗，如圖1所示系統結構示意圖，該平臺是專門針對變頻器――異步電機系統而設計的。

圖1試驗測試系統結構示意圖

    本試驗系統的主要設備有：VC和DTC變頻器樣機各一臺（15kW）、3kW三相繞線式異步電機一臺、3kW直流發電機一臺、功率電阻箱一個、可變直流電壓源二套、錄波儀一臺和配套電壓電流探頭若干。三相工頻380V電源通過調壓器為變頻器供電，變頻器輸出接3kW繞線式異步電機，此電機與一等容量的直流發電機同軸連接。在試驗測試階段，通過計算機上的適配軟件對變頻器狀態進行實時控制與監視，而試驗所需要的幾組重要的數據（Uab、Ucb、Ia、Ic以及變頻器幾個模擬口輸出量）則通過DL750錄波儀從電機機端和變頻器輸出端子直接測取和記錄。這些原始數據通過FTP協議從錄波儀下載計算機，并轉化為文本數據文件。最終使用這些文本數據文件在Matlab下計算出相應的結果。

    在實現機組低速運行時，大負載轉矩是通過在直流發電機機端順接直流電源來實現的。工頻220V電源通過調壓器接不控整流橋，整流橋輸出并聯電容產生可調直流電源，該電源通過斷路器的切合來加減機組的負載。直流電源與電流電機機端之間串有電阻負載。

3實驗原理分析

    本試驗中，主要通過異步電機的機端測量來獲取電機性能的參數，以此來得到兩臺變頻器樣機的控制特性。

3.1異步電機坐標變換

    為了使試驗分析的數學模型簡化，由三相坐標到兩相坐標的變化是必需的。在此次試驗的分析中，采用的是靜止兩相坐標系（ab坐標），以避開旋轉變換。變換矩陣為[1]

    (1)

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

3.2異步電機電磁轉矩計算

    在定子磁鏈計算的基礎上，可以得到異步電機的電磁轉矩表達式如下：

    其中，pn是電機極對數。

    3.3異步電機輸入功率計算

    對于異步電機，有效輸入功率P1的計算式為

    3.4異步電機輸入電壓電流畸變率計算

    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直流發電機特性分析

    對于直流發電機來說，有以下公式成立：

    其中，Ia為發電機電樞電流，Ea為電樞感應電動勢，If為勵磁電流，T為直流電機電磁轉矩。

    當進行低速負載試驗時，由于直流電機負載的特殊性，系統的啟動和停機操作規程如下：

    在系統啟動時，保持整流橋與電阻箱之間的斷路器斷開，合直流勵磁電路；

    啟動電機至期望頻率，測量電流電機機端電壓VO以及整流橋輸出VC,保證VC和VO在合理范圍內時，合斷路器；

    通過調壓器調節電容電壓直至負載電流達到一定值，當系統達到穩定時，記錄電容電壓和電阻兩端的電壓；

    當系統停機時，首先降低電容電壓約等于直流電機開路電壓，斷開斷路器，異步電機停機，直流電容放電。

窗函數的選取

    信號處理中的數據截斷，就是一個窗函數的選擇問題。而窗函數的引入對信號在時域和頻域都有影響。窗函數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。

    本試驗濾波器設計

    首先設計數字低通濾波器，然后利用相減的方法得到高通濾波器，保證在低速時能較好地濾掉磁鏈和電流的直流分量，以利于準確的磁鏈觀測和最終的轉矩計算。

4數據處理流程

    為了處理數據的統一和方便，在此次試驗絕大部分數據測取過程中，都統一采用錄波儀記錄以下六個測量量，即：異步電機機端的Uab、Ucb、Ia、Ic、變頻器模擬輸出端子AO1、AO2(各自代表實際轉矩、轉矩設定值或者電機轉速)。

    此次試驗的數據處理分成幾個步驟，簡單描述如下：

    將錄波儀記錄的原始數據*.HDR和*.WVF通過ftp協議從錄波儀下載到計算機，并轉化為文本數據文件*.CSV，為提高計算速度，將其轉化為*.MAT文件，形成原始數據庫，每個數據對應的試驗情況和采樣率等信息被記錄在清單文件中。

    根據試驗原理中描述的公式對試驗數據進行計算，得到各個試驗中的異步電機電磁轉矩曲線。絕大部分試驗數據采用同一程序進行計算，該程序的流程圖如圖2所示。

    計算結果后處理，主要將各不同試驗得到的曲線進行比較。

圖2計算程序流程圖

5試驗結果和分析

5.1穩態試驗

    穩態試驗主要考察兩個變頻器輸出不同頻率時異步電機的穩態運行性能，主要以異步電機電磁轉矩紋波系數為考察性能指標，變頻器的頻率設定分別為1Hz、5Hz和50Hz，速度反饋分帶碼盤和不帶碼盤兩種情況。在變頻器設定頻率為50Hz時，直流電機負載只使用電阻負載；而在5Hz和1Hz時，直流電機負載為電阻加直流源負載，以提高低速時負載大小。在變頻器設定頻率為50Hz時，同時考察電機輸入側的電流波形和電壓畸變率、異步電機的功率因數以及異步電機――直流電機系統的效率。

    在詳細考察高性能的異步電機矢量控制(VC)和直接轉矩控制(DTC)控制策略時，轉速的閉環控制環節是必不可少的。此次試驗采用的是歐姆龍公司的NPN集電極開路輸出，E6C2-CWZ6C型速度碼盤，每轉脈沖數2000，安裝時有較高的同軸度，從而可以較好的保證速度檢測精度。

    相關試驗結果如圖3-5所示。

圖3不同頻率電磁轉矩穩態紋波系數(帶碼盤)

圖4不同頻率下VC電磁轉矩穩態紋波系數

(帶碼盤vs不帶碼盤)

圖5不同頻率下DTC電磁轉矩穩態紋波系數

(帶碼盤vs不帶碼盤)

    試驗說明，無論VC還是DTC,不帶碼盤相比較帶碼盤，尤其在低速的情況下，轉速性能都會出現不同程度的惡化，尤其在低于5Hz后，兩者對碼盤的依賴性急劇增加。VC表現的對碼盤的依賴性更突出一些。因此，單就A和B這兩種型號的產品來講，其無速度傳感器的調速性能還不能夠和帶碼盤時的性能相媲美，尤其在極低速的情況下。

6結論

    本文是以矢量控制與直接轉矩控制策略比較為核心，從異步電機廣義派克方程分析入手，對比兩種控制策略原理，進行簡單的理論分析，在變頻器－異步電機試驗平臺上進行規范的試驗。采用FIRDF較好地計算出異步電機定子磁鏈，給出兩種控制策略下異步電機電磁轉矩穩態和動態響應性能對比，對比結果與理論分析相符。