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(fā)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(shù)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(shù)，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(fā)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(shù)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(tài)數(shù)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(tǒng)，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(fā)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(fā)環(huán)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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?？墒窃谑噶靠刂扑惴ㄖ校姍C的磁鏈瞬時值不能直接測量，需根據(jù)定子電流、電壓瞬時值和電機參數(shù)推算。電機參數(shù)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(xiàn)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(tài)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(shù)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(jīng)變形后得到的動態(tài)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(shù)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(tài)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(fā)建模技術。

2.2 自整定技術

從上節(jié)看到，控制方法越先進，越需要正確的電動機參數(shù)，為得到準確的電動機參數(shù)，則要求實現(xiàn)自動調諧(自整定)，即根據(jù)速度和負荷的變化，自動調整控制系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)具有快速的動態(tài)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(shù)的功能。由離線式自整定測定的電動機參數(shù)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(shù)與實際的電動機參數(shù)有誤差，系統(tǒng)運行后不能實時修改系統(tǒng)參數(shù)，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(shù)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(shù)將發(fā)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(shù)在線辨識算法，以實現(xiàn)完全解耦控制。

2.3 實時模擬裝置

實時模擬器是將PE裝置的滋s級現(xiàn)象與電動機及負荷等的秒—分級現(xiàn)象同時處理的裝置。由于以前就采用了對電力系統(tǒng)瞬時值的實時分析計算，也由于迄今CPU 及數(shù)字模擬技術的進步，在電動機控制領域中，正在不斷推廣應用實時模擬裝置。

圖3為實時模擬裝置的應用形式。圖3(a)是對變頻器和電動機進行的實時模擬，能代替實際設備用于控制器的試驗。優(yōu)點是在沒有實際設備時也能完成試驗，容易設定實驗條件以及可進行危險性試驗等。

圖3(b)為實時執(zhí)行的控制算法，驅動實際的變頻器和電動機，被稱為快速設計原型(prototyping)，即使未試制出專用的原型，也能實時試驗。最近的實時模擬裝置，與通常的數(shù)字仿真一樣使用方便，能進行實時試驗，取樣周期為50 滋s左右。由于采用了FPGA(場可編門陣列)等，能實現(xiàn)10 滋s以下的高速化。今后在速度上將繼續(xù)提高，可望進一步擴大應用范圍。

高精度的模型提高了與真機的等值性，這與提高實時性縮短運算時間二者之間存在折衷關系。因為在實時模擬裝置中模型的重要性，故著重要求提高模型的精度和性能。

3 模型的高精度化

3.1 有關模型的課題

可變速電動機驅動中，作為模型高精度化的一個例子，選取永磁式同步電動機，以勵磁作用的磁通方向為d軸，與其正交的方向為q 軸。把模型置于dq軸組成的旋轉坐標系中，優(yōu)點是可將電壓與電流作為直流來處理。

這一模型由于其處理簡單而多被采用。但在抑制電動機控制中產生的轉矩脈動時，以及優(yōu)化變頻器和電動機整個系統(tǒng)的損耗時，仍按式(3)建模就不適用，必須將模型的參數(shù)作表格化之類的處理改進，這種場合下存在以下三個課題。

1)模型參數(shù)的提取由上式可知，電動機的模型是用電路方程式描述的，但不能反映電動機的結構及鐵心等材料的特性。因此，為獲得詳細的模型參數(shù)，需要測定真機的電氣特性。

2)模型的工作范圍在特定的電壓、電流、轉速條件下，若求得模型參數(shù)，只要測定一點就行，但變速電動機驅動時，電動機的電壓、電流、轉速均在0~100%以上的范圍內變化，模型參數(shù)的電壓、電流、轉速之間存在相互依賴性問題。故在條件改變下進行測定，須按照依賴性列出的表格或按近似式來模擬參數(shù)的變化。

3)高次諧波的影響為對附加于基波特性上的轉矩脈動進行模擬，應考慮諧波成分的影響，掌握了椎fa 與轉子位置的依存關系，才能將轉矩脈動簡易地模型化。

本文提出了與電磁場分析結合的方法，以解決上述課題。藉電磁場分析求知電動機參數(shù)之間的依賴關系。由此，盡管采用目前的d-q 軸模型，也能提高模型的精確度。

從表1可見，電動機模型高精度化的概況，不僅要求改進現(xiàn)有的d-q 軸模型，而且要求由電動機模型能反映其結構與材料特性的精確模型，因這樣的模型用于PE系統(tǒng)的控制分析，裝入與d-q 軸模型同樣的控制程序后，就能容易與控制模擬器和電動機電路模擬器組合。

3.2 與電磁場分析的結合

由上節(jié)所述，與電磁場分析結合的電動機模型可取得高精度化的成果，通過電磁場的分析，因能對永磁電動機負載時的交鏈磁通進行分析，故可計算出基于磁通方程式(4)的電感值。

在這種情況下，由磁體產生的磁通

，與由d軸電流產生的磁通LdId不能分離，故進行了對微小改變d軸電流的分析，并假定相應這一微小變化導致磁飽和的影響相同。由兩個分析結果可將

與LdId分離。若按此法，能考慮到磁飽和的影響，并求知與電流有依賴關系的電動機參數(shù)

、Ld、Lq。因此，采用這些參數(shù)，與固定參數(shù)的模型比較，可在更廣的范圍內達到高性能。

這一方法能用于可變速電動機驅動用PE 裝置系統(tǒng)的最佳化，圖4 所示為一例。藉電磁分析求得高精度的電動機參數(shù);藉控制及電路的模擬，能進行控制系統(tǒng)的最佳設計及電路損耗的計算。此時，還要求計算流過電動機的電流波形及其相位，在此基礎上進行電磁場分析，則可計算出電動機的轉矩、電壓、損耗，特別是由變頻器載波電流導致的鐵損(漂移負荷損耗)也能計算。因此，對圖4所示的一連串分析、計算以后，可獲得高精度控制特性的同時，又求得了變頻器和電動機的損耗。在真機沒有試制之前，僅作分析就可實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

4 結語

可變速電動機驅動用PE 裝置的控制性能正在逐年提高，使用電動機的模型仍屬于按電路方程式建模水平。隨著市場需求的提高，今后，對自整定技術的高精度化，考慮電動機結構特點的模型，以及與電磁場分析的結合等，預計均將進一步地改進開發(fā)。

為實現(xiàn)可變速電動機驅動用PE 裝置的高性能化，應減小變頻器輸出電壓的誤差。不僅需要電動機的高精度模型，也需要與變頻器或放大器有關的高精度模型。此外，為控制電動機驅動負荷的操作，還需要高精度的負荷模型。只有各種模型的高精度化，才能確?？勺兯匐妱訖C驅動用PE裝置工作性能的全面提高。