交流牵引传动控制策略综述

摘要：对交流牵引传动系统的三种主要控制策略——转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制策略进行了较为全面的综述与比较，展望了交流牵引传动系统控制策略的发展趋势。

关键词：牵引传动系统 控制策略 综述

交流传动系统的性能很大程度上取决于所用的控制策略。由于半导体变流器承受过电流的能力小，所以在正常运行时，控制策略必须保证电动机尽可能工作在高效的区域中。交流传动系统的控制策略有很多种，其中具有代表性的有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、智能控制等。这些策略各有优缺点，在实际应用中如能全面了解，适当选择，就能实现最佳控制效果。本文正是基于此目的，对交流牵引传动的各种控制策略进行全面的综述与比较，力图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。

1、转差频率控制

1.1 控制原理

对交流调速系统的研究发现，如能像控制直流电动机那样，用直接控制电枢电流的方法控制异步电动机的转矩，那么就可用异步电机来得到与直流电机同样的静动态特性。而转差频率控制就是这样一种直接控制转矩的方法。

从式（2）可知，当转差频率f s较小时，如E/f=常数，则电动机的转矩基本上与f s成正比。异步电动机的这个特性意味着，在进行E/f 控制的基础上，只要对电动机的转差频率f s进行控制，就可达到控制电动机输出转矩的目的。

另一方面，对于异步电动机来说，其定子电压频率f 、电动机的实际转速nn作为同步转速时的电源频率fn以及转差频率fs三者之间满足关系：

f =f n+f s （3）

所以，在进行E/f 控制的基础上，只要知道了异步电动机的实际转速nn对应的电源频率f n，并根据希望得到的转矩（对应于某一转差频率f s0），按照式（2）调节变流器的输出频率f ，就可以使电动机具有某一所需的转差频率f 0，即给出所需的输出转矩。这就是转差频率控制的基本原理。

1.2 主要特点

转差频率控制策略需要保持磁通恒定，同时加强了对磁场的控制，有利于系统响应的快速和稳定性。但是在实际应用中，温度变化、磁饱和等引起的电机参数变化都将导致气隙磁通的变化，磁通不可能保持恒定。因此，该控制策略虽然能够在一定程度上控制电机转矩，但并不能真正控制动态过程中的转矩，动态控制性能并不理想。

2、矢量控制

针对转差频率控制的弱点，20世纪70年代初，美国和德国学者各自提出了基于异步电机真实动态模型的矢量控制策略。矢量控制（VectorControl），又称为磁场定向控制（Field-OrientedControl），它的诞生使交流调速技术在精细化方面大大迈进了一步。

2.1 基本控制原理

将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过3/2相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量：一个与磁链同方向，代表励磁电流分量，另一个与磁链方向正交，代表与转矩成正比的电枢电流分量。我们可以模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量。然后经过2/3变换，实现对异步电动机的正交或解耦控制。

2.2 基本特点

矢量控制理论上可以得到与直流电动机相同的控制性能，具有以下优点：

（1）不需抑制电流变化率，可以获得1000rad/s快速响应；

（2）磁场控制范围（恒功率范围）广，调速范围广；

（3）能胜任列车频繁的急加减速运转和连续四象限运转。

矢量控制策略从理论上使交流牵引传动系统的动态特性得到了显著改善，但实现这种控制策略需要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。此外，由于电机的某些参数具有一定时变性，尤其是转子时间常数，会随温度和激磁电感的饱和而变化。矢量控制对这些参数变化的很敏感，从而使得实际控制效果难以达到理论分析的预期效果。即使精确知道电机参数与转子磁链被，也基于电机稳态才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。

另外，对于采用普通PI调节器的矢量控制，系统参数变化及各种不确定性因素会严重其影响性能。在参数匹配良好的条件下系统或许能取得较好的性能，但一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，性能则会变差。

3、直接转矩控制

针对矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制策略。直接转矩控制，简称DSC（DirectSelf-Control）或DTC（DirectTorqueControl），是继矢量控制技术之后的又一种新型的具有高性能的交流调速技术。

3.1 控制原理

其中，R1为电机定子电阻；V1为电机端电压；ψ1为定子磁链；I1为电机定子电流。由式（4）（5）可知，T是I1、R1、V1的函数，只要已知R1的在线数值，控制V1、I1就能达到直接控制电磁力矩的目的。

由此可见，直接转矩控制不同于矢量控制，它不去考虑如何通过解耦，将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值实现磁链和转矩的直接控制。

3.2 主要优点

直接转矩控制着眼于转矩控制以得到快速的转矩响应，在最直接的定子坐标系下进行磁链和转矩的控制，避免了矢量控制系统中复杂的坐标变换和参数运算，使系统结构变得十分简单，更为容易实现。

直接转矩控制策略通过检测定子电阻就可以观测出定子磁链，而且定子电阻的变化很容易补偿。所以，对二次参数而言，直接转矩控制系统本质上是鲁棒性的。这就大大地改善了牵引传动系统对电机参数的依赖关系，简化了控制方案，提高了控制精度。

直接转矩控制建立于瞬间空间理论的基础之上，故应用空间矢量方法来分析三相交流电动机的数学模型及控制其各物理量都显得非常方便。逆变器的开关状态可以直接得到，系统的工作状态更易于优化，从而更易于实现无速度传感器的交流调速。

此外，直接转矩控制以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助于转矩的Band-Band控制来实现PWM控制策略和高动态性能。故直接转矩控制系统的逆变器成本较低，而效率较高。

3.3 直接转矩控制的缺陷及改进方案

直接转矩控制理论和技术固然有其许多优点，但作为一种诞生不久的新理论、新技术，自然又有其不完善、不成熟之处，有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍。

（1）在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题。主要是定子电流和磁链的畸变非常严重。

（2）低速时死区效应、转矩脉动、开关频率问题也比较突出。系统互锁延时避免了上下桥臂同时导通而造成直流侧短路，但却带来了死区效应。死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真，进而产生电流失真，加剧了脉动和系统运行不稳定的问题。

针对以上问题，目前主要采用以下方案进行改善：

（1）使用改进的开关表，改进控制参数与开关量之间的对应关系，使之产生更优的控制电压波形。

（2）通过PWM和SVM技术实现直接转矩控制的固定开关频率运行方案。

（3）引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。

（4）改善磁通轨迹。采用矢量细分法，消除所选矢量在某些区域的不对称作用，提高其在磁通旋转速度上的对称性，消除电流畸变，改善磁通轨迹。

4、结语

综上所述，转差频率控制的动态性能较差，远不能和直流调速系统相媲美。目前在牵引传动系统中，主要采用矢量控制和直接转矩控制。

矢量控制方案强调转子磁链与转矩的解耦，实行连续控制，调速范围较宽；而直接转矩控制方案则控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化的影响，避开了旋转坐标变换。它简化了控制结构，动态响应快，但却引起了电流和转矩的脉动，低速性能差，调速范围受到限制。两种控制方案各自的优缺点正好适用于不同应用条件。通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。

此外，为了解决系统的鲁棒性，一些智能控制思想纷纷应用到牵引传动系统上，诸如：神经网络、遗传算法、卡尔曼滤波、专家系统、模糊控制等等。然而这些控制方案虽然能够解决一定问题，但是都存在复杂性大、难于实现等缺点，离实际应用还有一定距离。

参考文献

[1]BimalK.Bose著，王聪等译，现代电力电子学与交流传动[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]葛宝明，王祥珩.苏鹏声等，交流传动系统控制策略综述.电气传动自动化，2001.8.

[3]陈伯时，陈敏进.交流调速系统.北京：机械工业出版社，1998.