隨著電力電子技術和數(shù)字控制技術的發(fā)展，交流傳動取代直流傳動具有明顯的優(yōu)越性，各種通用的和高性能的交流傳動控制系統(tǒng)相繼誕生。但是，由于交流電機的非線性多變量耦合性質，研究其控制策略引起許多專家和學者的興趣，且取得了許多成果。目前，交流傳動控制較先進和熱門的方法是矢量控制和直接轉矩控制，特別是直接轉矩控制法受到國內外學者的關注，通過理論分析和實踐檢驗仍存在各自的優(yōu)缺點。
一、交流傳動的基本類型
異步電機從定子傳入轉子的電磁功率Pem可分為兩部分：機械功率PΩ和轉差功率Ps即：
PΩ=（l-s')Pem
Ps=sPem
從能量轉換效率的角度看，交流電動機的傳動可分為下面幾類：
轉差功率消耗型傳動系統(tǒng)，如變壓、串電阻等調速系統(tǒng)；
轉差功率回饋型傳動系統(tǒng)，如繞線式異步電動機串級和雙饋型調速系統(tǒng)；
轉差功率不變型傳動系統(tǒng)，如變壓變頻調速系統(tǒng)。
其中，轉差功率消耗型傳動系統(tǒng)控制方法最簡單，只是一般的開環(huán)和閉環(huán)控制，但其速度只能調在額定轉速以下，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低(恒轉矩負載時)，故越向下調速效率越低；轉差功率回饋型傳動系統(tǒng)中，轉差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網或轉化為機械能加以利用，轉速越低時回收的功率越多，但增設的交流裝置要多消耗一些功率；轉差功率不變型傳動系統(tǒng)中轉子銅損部分的消耗是不可避免的，但這類系統(tǒng)中無論轉速高低，其轉差功率的消耗基本不變，因此效率最高。
同步電動機沒有轉差功率，屬于轉差功率不變型傳動系統(tǒng)，只能用變壓變頻方式控制，分他控變頻調速和自控變頻調速兩種。
二、高性能交流傳動控制方法
交流電機的數(shù)學模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉速和磁鏈(定子磁鏈或轉子磁鏈、或氣隙磁鏈)，要獲得高動態(tài)性能，就必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型，就必須對數(shù)學模型加以改造，使之解耦和線性化。
1. 按轉子磁鏈定向的矢量控制
矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。
2. 基于轉差頻率控制的矢量控制方式
基于轉差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行U / f ＝恒定控制的基礎上，通過檢測異步電動機的實際速度n，并得到對應的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進行控制的。基于轉差頻率控制的矢量控制方式的最大特點是，可以消除動態(tài)過程中轉矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉差頻率控制的矢量控制方式。
3. 無速度傳感器的矢量控制方式
無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置.要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的,但即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現(xiàn)矢量控制。
4. 按定子磁鏈定向的直接轉矩控制
直接轉矩控制技術，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節(jié)器(Band—Band控制)，把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。
它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學模型，沒有通常的PWM脈寬調制信號發(fā)生器，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。
三、兩種控制方式的應用展望
1. 矢量控制方式的應用展望
無速度傳感器矢量控制的優(yōu)勢
概括來說，無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統(tǒng)V/f控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進的低速運行特性，變負載下的速度調節(jié)能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉矩，這在高摩擦與慣性負載的起動中有明顯的優(yōu)勢。正是由于這些驅動特性，該控制技術已逐漸成為通用恒轉矩驅動應用的選擇。事實上，基本上所有的AC驅動廠家都提供該控制模式。
無速度傳感器矢量控制需解決的問題
矢量控制從基本原理上講能夠獲得優(yōu)異的動靜態(tài)特性，但是對電機參數(shù)的敏感性卻成為實際應用中必須解決的問題。驅動器通過啟動前的自整定以及運行過程中的在線整定，適應電機參數(shù)變化，保持矢量控制的動靜態(tài)性能，這些復雜的自適應控制算法都必須通過強大的信號處理器才能完成。
無速度傳感器矢量控制盡管省略了閉環(huán)控制中使用的速度傳感器，SVC仍然需要采用電壓、電流傳感器對電機進行控制，在高速運算處理器的平臺上通過使用復雜的電機模型與高強度的數(shù)學運算，對傳感器輸入信號進行處理獲得電機控制所需的磁通與轉矩分量，再通過自適應的磁場向量方法實現(xiàn)解耦控制，以獲得良好的動態(tài)響應。
應當說，該控制方式目前沒有標準的解決方案，SVC控制的關鍵在于正確的轉速估計與解耦控制，但這兩者之間又存在相互耦合的關系。轉速估計的精度不僅決定于測量的定子電壓與電流，同時與電機參數(shù)密切相關。在數(shù)字化電機控制系統(tǒng)中，轉速估計的精度又與采樣頻率以及反饋信號的分辨率有關，而轉速估計的精確程度不僅影響到速度控制的準確度, 也會影響到速度環(huán)路補償器的設計。這些問題環(huán)環(huán)相扣, 稍有失誤甚至會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
SVC技術要實用化，必須解決幾個基本問題：磁通辨識、速度估計以及參數(shù)適應性。過去十幾年里，研究人員開發(fā)出了多種磁通辨識與轉速估計方法。其中以磁場定向為基礎的轉速估計法由于其快速性與較高的準確度，已成為行業(yè)設計的主流。
無論是磁通辨識還是速度估計，對參數(shù)的依賴性都較強，也正是因為如此SVC與采用速度或位置傳感器的閉環(huán)磁通矢量控制(FVC)相比，對電機參數(shù)的變化更為敏感，在速度調節(jié)與轉矩響應等動態(tài)指標上要落后于FVC控制。目前業(yè)界對SVC參數(shù)整定的設計包括初始整定與在線整定兩種。有關參數(shù)自適應這方面的研究仍在深入，如何提高SVC系統(tǒng)的適應性、魯棒性無疑是一個重要的研究課題。
總的來看，由于不需要速度傳感器，SVC的電機控制模型要十分精確。從運算量來講，SVC控制比FVC更為復雜，這也使得無速度傳感器控制的難度要明顯高于閉環(huán)控制。由于電機參數(shù)在運行過程變化很大，因此SVC驅動器的自整定能力對于獲得準確的電機參數(shù)尤為重要，這也直接決定了矢量控制的性能。事實上，如何適應電機運行條件的變化，保持模型的精確性是避免高轉矩波動的關鍵；而模型的自適應能力也是電機接近零速運行時最為重要的因素，因為此時的電機參考模型誤差已經大大增加。盡管采用了自適應的精確電機模型，目前的最高水平的SVC控制在動靜態(tài)特性上與FVC仍然存在一定差距，這在低速運行區(qū)域尤為明顯。
無速度傳感矢量控制的展望
概括來講，未來無速度傳感器矢量控制的動靜態(tài)特性的進一步提高，需要更為完善的逆變器/電機模型，綜合考慮不同運行條件下的電機磁路飽和、繞組集膚效應、逆變器的非線性以及電機參數(shù)變化等因素。在更為精確的自適應電機模型基礎上，低速轉矩脈動將進一步減小，穩(wěn)速精度將進一步提高，對負載擾動的響應更快，對電機參數(shù)變化的穩(wěn)定性將進一步加強。特別是具有寬范圍調速(包括零速)和高精度轉速調節(jié)、轉矩控制(而不僅是轉矩限定)的SVC控制系統(tǒng)與FVC控制系統(tǒng)的差距將逐步減小，并有望取代部分伺服應用領域。
未來的一些進步還將體現(xiàn)在高速處理器及外設上。DSP+ASIC/FPGA的控制器結構使得系統(tǒng)的信號并行處理能力更為強大，在此基礎上可以支持核心程序以非�？斓乃俣冗\行，保證SVC系統(tǒng)對速度指令及負載變化有更快的響應，這對高性能的數(shù)字控制系統(tǒng)來講是非常重要的。
此外，無速度傳感器控制方式下的多機運行以及在高功率低速運行的應用也將成為未來的發(fā)展方向。
2. 直接轉矩控制的應用展望
異步機直接轉矩控制法(DTC)，它不需要解耦電機數(shù)學模型，強調對電機轉矩進行直接控制，在很大程度上克服了矢量控制計算復雜和易受轉子參數(shù)變化的影響，成為交流調速控制理論第二次質的飛躍。多年來隨著智能控制理論的發(fā)展和引入，涌現(xiàn)了許多基于模糊控制、神經網絡和模糊神經網絡的直接轉矩控制，控制性能得到進一步的改善和提高。直接轉矩控制的不足之處是存在諧波分量和低速性能較差等問題，可以通過下面方法加以完善。
控制環(huán)節(jié)內部結構的改進
磁通調節(jié)器和轉矩調節(jié)器的細化改進。只有根據(jù)當前的轉矩和磁通的實時偏差合理的選擇電壓矢量，才有可能使轉矩和磁通的調節(jié)過程達到較理想狀態(tài)，因此轉矩、磁通的偏差區(qū)分得越細，電壓矢量的選擇越精確，控制性能就越好。這樣通過改進轉矩、磁通調節(jié)器的結構，細化轉矩和磁通的偏差區(qū)分。
采用這種新型磁通、轉矩DTC系統(tǒng)，不僅全面改善了動靜態(tài)性能，而且有效減少了轉矩磁通的脈動。
智能開關狀態(tài)選擇器的完善
通過使用模糊控制器或人工神經網絡來選擇開關狀態(tài)，完全抵消了觸發(fā)器容差的影響，性能改善更加明顯。但是，由于人為選取的模糊狀態(tài)選擇器中各變量隸屬度具有較大的主觀性和盲目性，一旦選擇不當，系統(tǒng)性能的改善就不復存在，甚至還會變差。采用遺傳算法來學習轉差誤差的隸屬度函數(shù)分布，進一步提高了轉矩的響應速度，減小了轉矩諧波和電流諧波。另外，用神經網絡來構造開關狀態(tài)選擇器，也可以取得較好的效果。
電壓矢量選擇方式的改進
一種新的電壓矢量選擇方法：首先根據(jù)轉矩、磁通偏差和轉速計算出一個能達到最佳控制的預期電壓VK，然后用電壓型逆變器的6個工作電壓中與之相鄰的兩個VK1、VK2來合成它。 此方法不但具有上升時間短，穩(wěn)態(tài)性能好，而且電流的高次諧波分量小。 傳統(tǒng)方式下對定子電阻觀測器的改進
傳統(tǒng)直接轉矩控制中，定子磁通一般采用u-i模型：
在低速運行時應考慮RS的影響，如果對RS估計誤差偏大，就會嚴重影響運行性能，基于此種考慮，提出了一種基于模糊控制的定子電阻觀測器，該觀測把對定子電阻影響較大的三個因素：定子電流、轉速、運行時間作為輸入量，以定子電阻變化ΔRS作為輸出量，并考慮到定子電阻上升和下降的變化規(guī)律不一樣，將這兩種情況分別對待，設計各自對應的模糊觀測器。
該觀測器在系統(tǒng)不斷改變運行方式的情況下，仍能準確跟蹤RS的變化，為改善低速性能提供了一個有效的方法。
另一種定子電阻觀測器是用神經網絡實現(xiàn)的，用3層BP神經網絡定子電阻觀測器，效果非常理想。該網絡采用 3-12-1結構，3個輸入量分別為定子電流、定子電壓頻率、運行時間，輸出是阻值變化ΔRS。離線訓練好的網絡在線運行時，能正確的估計電阻因is.f.t的變化而產生的變化值。另一種更為簡單的3層神經網絡定子電阻觀測器，它只有兩個輸入，分別是電流偏差及其差分：
輸出仍然是電阻變化值。當該網絡在隱含層設置2個神經單元，即組成2-2-1結構時，就能成功的估計出低速時定子阻值變化。若采用2-3-1或2-5-1結構時，估計效果更佳。由于這種網絡所含神經元少，實現(xiàn)起來簡單，訓練起來也很方便，可以直接在線學習。
基于氣隙磁通直接轉矩控制
直接轉矩控制低速性能較差的根本原因是系統(tǒng)未能徹底擺脫電機參數(shù)的變化所帶來的影響，若要從根本上解決這一問題，就必須選擇一種完全獨立于各種易變參數(shù)之外的實現(xiàn)方法。利用定子電壓的三次諧波分量計算氣隙磁通進行控制，就體現(xiàn)了這一思想。
無速度傳感器直接轉矩控制的探討
利用轉子磁通方程構造無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，其中的參考模型就是α、β坐標下的轉子磁通方程。在分析直接轉矩控制理論的基礎上，將電機的漏抗全部折算到轉子邊，可推導出實際轉速的計算公式，這樣就可以用軟件來實現(xiàn)轉速的計算，從而可以省略硬件上的速度辯識器。不影響系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，具有一定的實用性。
四、結語
目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。
除了上述的無傳感器矢量控制和轉矩矢量控制等，可提高異步電動機轉矩控制性能的技術外，目前的新技術還包括異步電動機控制常數(shù)的調節(jié)及與機械系統(tǒng)匹配的適應性控制等，以提高異步電動機應用性能的技術。為了防止異步電動機轉速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉速，應用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調整(AVR)控制技術的控制方式，已實用化并取得良好的效果。
和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉矩的直接控制。
追求整體性能的最優(yōu)是直接轉矩控制的發(fā)展方向，通過改進系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的內部結構，來提高系統(tǒng)性能，其效果非常有限，從軟件方面改進系統(tǒng)將是大勢所趨，智能控制會發(fā)揮越來越大的作用，成為整個系統(tǒng)的控制核心，近幾年發(fā)展起來的將神經網絡和模糊控制結合起來的模糊神經網絡或神經網絡模糊控制肯定會成為直接轉矩控制的重要手段。用DSP或CPU實現(xiàn)DTC系統(tǒng)的全數(shù)字化也是一個重要發(fā)展方向。
