1 概述

以變頻器和伺服器為典型的可變速電動機控制用電力電子(PE)裝置，隨著半導體器件制造技術、電路封裝技術的進步而不斷向高性能化、小型化、輕量化方向發展。在這些硬件技術提高的同時，電動機控制技術也在不斷提高。圖1所示為通用變頻器中速度控制范圍(調速比)的擴展。對于最簡單的V/f控制，模型簡化，即使電動機參數未知，也適用于大部分感應電動機的驅動，速控范圍約1∶10;而矢量控制時，要求具有精確的模型和正確的電動機參數，并配置速度傳感器，其調速比已擴展到1∶1 000，15年間通用變頻器的調速范圍約提高了10倍。

控制性能的提高，基于建立高精度的模型。在CPU(中央處理單元)初始性能階段，用于控制的電動機模型必須簡單。僅在CPU 性能提高以后，才有可能使用高精度的模型。這不僅與CPU和功率半導體器件、傳感器等硬件的發展有關，而且也涉及到電動機控制技術的進步。

如原來那樣，將電動機的電路方程式作為模型使用，理論上可適用于異步電動機和同步電動機的矢量控制。但是，因溫度、磁飽和導致電動機參數的變化，高次諧波、鐵損的影響等，仍然是產生誤差的主因。

在異步電機控制研究中，建立電機的動態數學模型時為方便分析，為便于列出其基本方程式，通常忽略電機的鐵損。但電機鐵損是真實存在的。研究表明采用高硅鋼片做鐵心材料的大型電機，其鐵損約為銅損的10%~20%，而采用較厚普通硅鋼片的小容量電機，鐵損則可達到銅損的50%;此外，在精確異步電機矢量控制中，鐵損的存在將影響定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流的解耦，造成磁場定向偏差，影響控制精度。故采用忽略鐵損的電機模型來研究其控制系統，就有可能導致研究結果的不準確。對于精確矢量控制及其相關控制的仿真研究，電機模型的準確性直接影響仿真結果的可靠性。

在電動機控制領域，由于實時模擬器的引入，提高了開發效率。用實時操作的仿真裝置代替實際的電動機和變頻器，以達到實驗驗證的高效化。而且，近年來在廣泛應用的實時仿真裝置等虛擬的開發環境中，為提高與實際設備(真機)的等值性，務必構建高精度的模型。也即，要結合電磁分析、考慮電動機結構而建立的模型。電動機模型的高精度化，則可充分顯示電機控制技術的新發展。

本文對高精度模型及電動機控制的有關研究予以闡述。

2 電動機的控制與模型

現代交流變頻調速技術中，磁場定向的異步電動機矢量控制技術實現了轉矩和磁鏈的解耦，使異步電動機的調速性能達到直流調速水平。可是在矢量控制算法中，電機的磁鏈瞬時值不能直接測量，需根據定子電流、電壓瞬時值和電機參數推算。電機參數設定不準會帶來定向誤差，破壞解耦關系，因而影響調速性能。

2.1 電動機的控制方式

為易于理解模型在電動機控制中的作用，現以感應電動機的控制方式為例說明之。感應電動機控制方式中最簡單的是V/f控制。當改變頻率(f)時使輸出電壓(V)與f的比值固定不變，從而保持勵磁電流恒定。在這一V/f 控制下，僅用勵磁電感和2 次阻抗建立電動機模型，而未考慮過渡項，這就更加簡化了正常狀態下作為感應電動機模型的T 型等值電路。V/f控制時，模型中忽略了電動機一次線圈因電壓降而導致的實際有效電壓下降，故在低速范圍內，其特性劣化。

與此相應，矢量控制仍以電動機電路方程式作為模型使用。例如在固定的正交d-q 軸上，通過式(1)建模。

采用式(1)的數學模型進行無傳感器矢量控制時，適應磁通觀測器的結構如圖2所示。我們使用的是由電動機電路方程式式(1)經變形后得到的動態方程式(2)。

控制對象為感應電動機，控制中所用的感應電動機模型由式(2)表示。如果電動機參數相符的話，對應于相同輸入s的輸出is是相同的。故若在相互輸出誤差接近零的控制下，動態變量的磁通椎在t=肄時是相等的，感應電動機的磁通則可求知。

如上所述，電動機模型達到了與電路方程式等值的水平。但隨著市場需求的不斷提高，還要求進一步改進與開發建模技術。

2.2 自整定技術

從上節看到，控制方法越先進，越需要正確的電動機參數，為得到準確的電動機參數，則要求實現自動調諧(自整定)，即根據速度和負荷的變化，自動調整控制系統的參數，使系統具有快速的動態響應。

自整定技術分為離線式(off-line)和在線式(online)兩種，離線式自整定是變頻器本身在離線情況下，具有測定、記憶電動機參數的功能。由離線式自整定測定的電動機參數參用于驅動電動機時，因損耗導致溫度升高的不同測定條件和不同溫度，使測定的電動機參數與實際的電動機參數有誤差，系統運行后不能實時修改系統參數，因而劣化了控制性能，不能達到最佳控制特性。目前，電機參數離線自測定已被應用。而電機運行中，隨著集膚效應的影響，轉子電阻和時間常數將發生較大變化，影響磁鏈定向和算法控制精度。因此，需要在矢量控制算法中，加入有效可行的轉子參數在線辨識算法，以實現完全解耦控制。

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