电机具有哪几种控制方法？它们之间的区别是什么？

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刘欣

2021-10-13 11:41:38

变频器控制电机的方式主要分为VF控制模式、开环矢量控制模式(SVC)、闭环矢量控制（VC）以及直接转矩控制（DTC）等几种模式。
  1 V/F控制

  V/F控制是永磁同步电机最简单的一种控制方法，易于实现、价格低廉，它是通过改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运转时，电机的功率因素和效率不下降，即在控制过程中始终保持V/F为常数，来保证定子磁链的恒定。这种控制方法的特点是可以进行电机的速度开环控制，不需要从电机端引入任何速度、位置、电压或电流反馈信号，控制电路结构简单，所以它实质上属于开环控制。
如果电机电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。V/f控制就是基于这种思想，保证输出电压跟频率成正比的控制这样可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。V/F控制一般多用于风机、泵类电机负载。
  2 矢量控制

  矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Id、Iq，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
矢量控制又分为闭环矢量控制与开环矢量控制，接下来对两种控制方式进行分别介绍。
  2.1 开环矢量控制

  开环矢量控制又称无速度传感器矢量控制（sensorless vector control，SVC），上世纪80年代末，Joetten.R成功地将无传感器技术与矢量控制相结合并在永磁同步电机上进行了实际应用。这种技术解决问题的出发点是利用可以直接测量的电机定子绕组中电压、电流等物理量作为输入变量，通过一定的控制算法估算出电机转子的位置和速度信息，进而取代传统的机械传感器，实现对永磁同步电机的闭环控制。这种无传感器矢量控制技术省去了磁极位置和速度传感器，使得系统结构得以简化，成本有所降低，提高了控制和计算精度，可靠性强，成为永磁同步电机控制领域的重要研究方向。但是，无传感器矢量控制需要准确的估算出电机转子的位置和速度信息，一旦估算不准，则会导致软件锁相失败，容易引起永磁同步电机失步或停止运转，严重时会损坏电机。特别是在高速应用场合，永磁同步电机的无传感器矢量控制计算复杂，速度和位置信号估算不稳定，磁通观测困难，不易实现弱磁控制，而且需要一个高速的位置估计来限制电流调节器和调速器的设计，降低了系统的稳定性。
SVC控制其实不是真正意义上的开环，因为这种控制方式下，其转速外环还是存在的，只不过这个时候，转速反馈值不是电机的真正转速反馈值，而是变频器根据电机模型算出来的转速值作为反馈信号。电机不带转速反馈装置，变频器依靠自身内部软件中的转速观测器，来计算出电机转速，从而达到对电机转速的控制，它本质上是一种“不带转速反馈的闭环控制”。
  2.2 闭环矢量控

  闭环矢量控即VC控制方式下，电机配有编码器，转速反馈值为编码器测出的实际转速，为电机真正转速，将实际测量的转速带入转速PI进行动态调节，使得电机转速更快、更好地接近给定的转速。因此，闭环矢量控制多用于需求精度高和高动态响应的场合。
闭环矢量控制时, 永磁同步电机具有非常好的低速特性, 在零速时能够提供很大的静止力矩来平衡负载转矩，所以闭环矢量控制被广泛应用于永磁同步伺服电机、注塑机、电梯曳引机、拉丝机、电主轴等等。
  3 直接转矩控制

  直接转矩控制(DTC)方法采用空间矢量分析方法直接在定子静止坐标系中分析交流电动机的数学模型，构建转矩和磁链的算法模型，计算和控制交流电机的转矩，借助于滞环控制器（Bang-Bang 控制）产生PWM 信号，通过开关表直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。
基本原理是充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而使交流电机的磁链和转矩按要求快速变化。
异步电机直接转矩控制(DTC)系统由逆变器、三相异步电机、磁链估算、转矩估算、转子位置估算、开关表、PI调节器、滞环比较器等组成。控制系统将电机给定转速和实际转速的误差，经PI调节器输出作为转矩的给定信号；同时系统根据检测的电机三相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别计算电机的磁链和转矩的大小，计算电机转子的位置、电机给定磁链和转矩与实际值的误差；最后根据它们的状态选择逆变器的开关电压矢量，使电机能按控制要求调节输出转矩，最终达到调速的目的。
  4 区别

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