摘要 ：本文在傳統(tǒng) VF 控制算法的基礎(chǔ)上，提出了一種包括預(yù)勵(lì)磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能的 VF控制策略優(yōu)化方案。通過(guò)預(yù)勵(lì)磁，可以增大電機(jī)啟動(dòng)瞬間的轉(zhuǎn)矩輸出；通過(guò)電流抑制功能，可以限制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的電流幅值，避免過(guò)流跳閘；諧振抑制功能可以消除電機(jī)在某些特定頻段的振蕩現(xiàn)象。仿真和實(shí)驗(yàn)都證明了以上算法的正確性和有效性。

1引言

變頻器驅(qū)動(dòng)控制一般分為VF開(kāi)環(huán)控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。VF控制屬于開(kāi)環(huán)控制，控制算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，不依賴電機(jī)參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性高，但是轉(zhuǎn)速控制精度不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。矢量控制則可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)解耦控制，使交流電機(jī)具有類似直流電機(jī)的優(yōu)良控制特性，轉(zhuǎn)速控制精度高，但是這種控制方法受電機(jī)參數(shù)影響較大。直接轉(zhuǎn)矩控制則是保持定子磁鏈幅值恒定，通過(guò)控制電機(jī)負(fù)載角來(lái)直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

相對(duì)于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，VF控制在轉(zhuǎn)速控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等指標(biāo)上都存在一定的差距，但是由于其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、成本低，魯棒性高，在交流調(diào)速領(lǐng)域依然有十分廣泛的應(yīng)用。此外，從系統(tǒng)通用性的角度來(lái)說(shuō)，VF控制也是交流變頻驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域最基本、適用場(chǎng)合較多的一種控制方式。因此，在傳統(tǒng)VF控制方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制策略的完善和優(yōu)化，已減少或彌補(bǔ)其在控制精度和響應(yīng)速度等方面的不足就成為一項(xiàng)重要的工作。本文提出了一種通過(guò)預(yù)勵(lì)磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能來(lái)優(yōu)化VF控制性能的控制策略，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)控制策略進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

2VF控制原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)的相電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為

式中，f1為定子電源頻率，N1為定子每相繞組匝數(shù)，KN1為繞組系數(shù)，φm為主磁通。

可以看出，當(dāng)E1/f1的值保持不變時(shí)，主磁通φm保持不變。但是電動(dòng)勢(shì)E1不能直接控制，因此我們通過(guò)控制定子電壓U1與頻率f1的比值保持不變，從而使主磁通保持恒定。當(dāng)頻率較高時(shí)，定子電壓較高，可以忽略定子電阻的電壓降；但是在低頻時(shí)，定子電阻壓降的影響不可忽略，需要通過(guò)定子電壓補(bǔ)償?shù)姆绞礁纳芕F控制的低頻性能。

本文所采用的控制策略的整體框圖如圖1所示。在傳統(tǒng)VF控制的基礎(chǔ)上增加了預(yù)勵(lì)磁、定子電流抑制和諧振抑制功能。預(yù)勵(lì)磁功能可以在電機(jī)啟動(dòng)之前預(yù)先建立磁通，使電機(jī)在啟動(dòng)瞬間有一定的轉(zhuǎn)矩輸出，加快電機(jī)的啟動(dòng)速度；定子電流抑制功能可以抑制電機(jī)加速過(guò)程中電流模值在允許的范圍內(nèi)，防止電流過(guò)流保護(hù)跳閘；諧振抑制功能則可以有效抑制電機(jī)在某些特定頻段的振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

3 預(yù)勵(lì)磁功能

在異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)往往會(huì)因?yàn)閱?dòng)轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)緩慢，從而造成啟動(dòng)電流過(guò)大，一方面可能造成系統(tǒng)的過(guò)流報(bào)警導(dǎo)致跳閘，另一方面可能對(duì)變頻器的電力電子器件造成損壞或減少裝置的使用壽命。

提高 VF 控制下啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的有效方法是直流預(yù)勵(lì)磁，就是在電機(jī)啟動(dòng)之前在定子側(cè)施加直流電壓，從而在電機(jī)內(nèi)部注入直流電流，建立一個(gè)固定方向與幅值的磁鏈，由于方向固定，轉(zhuǎn)子繞組不會(huì)切割磁力線，因此不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)勵(lì)磁時(shí)間結(jié)束后進(jìn)入 VF 正常啟動(dòng)狀態(tài)。

直流預(yù)勵(lì)磁的理論分析如下：異步電動(dòng)機(jī)的單相等效電路如圖 2 所示，圖中 為定子電壓，R s 為定子電阻，R r '/s為歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻， 為定子漏抗， 為歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗，R m 為激磁電阻，L m 為激磁電抗， 為定子電流， 為轉(zhuǎn)子電流。

電機(jī)定子磁鏈公式、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈分別為：

當(dāng)勵(lì)磁電流穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)子電流為0，式（2）可以寫(xiě)成：

可知，定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈同向。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩公式為

可知，當(dāng)定子電流與定子磁鏈方向相差90°時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩最大，因此在預(yù)勵(lì)磁結(jié)束時(shí)刻將輸出電壓矢量變換90°，即輸出一個(gè)與磁鏈?zhǔn)噶肯嗖?0°的定子電流矢量，就可以提高啟動(dòng)瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，改善啟動(dòng)性能。

本文的直流預(yù)勵(lì)磁具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。首先根據(jù)電機(jī)勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)給定預(yù)勵(lì)磁時(shí)間，給定預(yù)勵(lì)磁電流指令，采用電流模值閉環(huán)輸出得到給定電壓幅值，并給定初始電壓矢量角。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)勵(lì)磁時(shí)間后，輸出電壓矢量角增加90°，使得該瞬間的電流矢量和磁鏈?zhǔn)噶康膴A角為90°，輸出最大轉(zhuǎn)矩，之后電機(jī)慢慢回到VF曲線啟動(dòng)運(yùn)行。預(yù)勵(lì)磁時(shí)間的取值和勵(lì)磁電流的取值。

4定子電流抑制

定子電流抑制功能（Imax控制，下同）的作用是保證電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中定子電流值不會(huì)超過(guò)設(shè)定值。

根據(jù)圖2的電機(jī)等效電路所示，電機(jī)定子電流增大的原因主要有兩個(gè)：一是轉(zhuǎn)差s變大，造成電路右側(cè)之路的等效阻抗很小，定子電流變大；二是定子電壓變大，在電路等效阻抗不變的情況下，定子電流變大。針對(duì)第一個(gè)原因，可以通過(guò)減小變頻器輸出的同步頻率，從而減小轉(zhuǎn)差，從而達(dá)到減小定子電流的目的。針對(duì)第二個(gè)原因，則可以通過(guò)降低輸出定子電壓的幅值來(lái)減小定子電流。

根據(jù)以上分析，Imax控制的控制框圖如圖4所示。整個(gè)控制功能由頻率調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器構(gòu)成，前者的輸出作用于輸出頻率，后者的輸出作用于輸出電壓，兩個(gè)控制器均由PI調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到限制電流的目的，調(diào)節(jié)器的輸出必須設(shè)置上限為0，目的是當(dāng)定子實(shí)際電流值沒(méi)有超過(guò)電流設(shè)定值Imax_set時(shí)，PI調(diào)節(jié)器不起作用，以防止將電流調(diào)大。當(dāng)頻率調(diào)節(jié)器起作用時(shí)，輸出頻率減小，可以一直減小到允許的最小頻率，同時(shí)速度給定的斜坡輸出保持恒定，如果電流仍然沒(méi)有降低到要求的范圍內(nèi)，就需要通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的作用使電流繼續(xù)降低。當(dāng)電流限制在Imax_set以下時(shí)，輸出頻率仍沿著原來(lái)設(shè)定的斜坡繼續(xù)啟動(dòng)。

5諧振抑制

異步電機(jī)在VF開(kāi)環(huán)控制模式下的空載或輕載運(yùn)行時(shí)往往會(huì)在某一頻率段產(chǎn)生運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電流大幅變化和頻率的變換，也就是電流振蕩現(xiàn)象。很多論文對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，與電機(jī)參數(shù)、DC濾波電容、載波頻率、系統(tǒng)諧振頻率等眾多因素有關(guān)。該現(xiàn)象通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)流報(bào)警跳閘，使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性下降，因此對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制十分必要。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生振蕩時(shí)，定子輸出頻率不變，轉(zhuǎn)差發(fā)生波動(dòng)，意味著電流有功分量發(fā)生波動(dòng)。因此，可以通過(guò)提取有功電流振蕩分量，反饋至輸出頻率抑制轉(zhuǎn)差波動(dòng)，從而達(dá)到抑制電流振蕩的目的。

本文提出了一種基于定子電流有功分量的振蕩抑制方法，其具體控制框圖如圖5所示。

采集三相定子電流，經(jīng)過(guò)CLARK變換和PARK變換得出定子電流的有功分量iq和無(wú)功分量id，變換角度通過(guò)定子電壓矢量角減去得到，近似等于轉(zhuǎn)子磁鏈角。將有功電流分量iq經(jīng)過(guò)濾波環(huán)節(jié)（圖中M2模塊）后與iq相減，得到有功電流中所含的振蕩分量，振蕩分量經(jīng)過(guò)比例系數(shù)Kp后作用于給定頻率fset，得到最終的輸出頻率fout。圖中的M2模塊用來(lái)控制諧振抑制功能作用的頻率段，通過(guò)對(duì)f1和f2兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置，來(lái)確定諧振抑制功能的起始作用頻率和終止作用頻率。

6仿真研究

本文對(duì)上述控制策略進(jìn)行了PSIM仿真，仿真所用的電機(jī)參數(shù)如表1所示。根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)置了仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)的各變量的基準(zhǔn)值，其中電壓基準(zhǔn)值為相電壓峰值310.23V，電流基準(zhǔn)值為相電流峰值32.23A，頻率基準(zhǔn)值為50Hz，其他基準(zhǔn)值均由這些基準(zhǔn)值計(jì)算得出。此外，計(jì)算得電機(jī)額定負(fù)載為71.94Nm。

6.1預(yù)勵(lì)磁功能的仿真

預(yù)勵(lì)磁功能的仿真結(jié)果如圖6所示，電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載，變量顯示均為標(biāo)幺值。

圖6（a）為沒(méi)有加入預(yù)勵(lì)磁功能時(shí)電機(jī)直接啟動(dòng)的電流波形；圖6（b）為加入預(yù)勵(lì)磁后的電機(jī)的啟動(dòng)電流波形；圖6（c）為無(wú)預(yù)勵(lì)磁功能時(shí)的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真波形，可以看出，實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤較慢，啟動(dòng)有延時(shí)；圖6（d）為有預(yù)勵(lì)磁功能時(shí)的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真波形，實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤較快，基本是無(wú)延時(shí)啟動(dòng)。

6.2Imax控制功能的仿真

Imax控制功能的仿真波形如圖7所示，電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載，加速時(shí)間2s。沒(méi)有加入Imax控制功能時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流波形如圖7（a）所示,電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，大約在0.2s~0.45s的范圍內(nèi)，電流模值超過(guò)1.0，最大值達(dá)到1.7左右，啟動(dòng)電流比較大。使能Imax抑制功能，電流限幅Imax_Set=1.0，其電機(jī)啟動(dòng)波形如圖7（b）示，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，定子電流模值一直被抑制在1.0左右及其以下的范圍內(nèi)，可以有效控制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電流模值，避免電流過(guò)大造成過(guò)流報(bào)警甚至跳閘。

6.3諧振抑制功能的仿真

給出一組電機(jī)參數(shù)，在給定系統(tǒng)參數(shù)的情況下在20~30Hz頻段容易發(fā)生振蕩，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，電機(jī)參數(shù)如表2所示。

圖8給出了諧振抑制的仿真波形。圖8（a）為未加入諧振抑制時(shí)20Hz時(shí)的三相電流波形，可以看出發(fā)生了很嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象，圖8（b）為加入諧振抑制時(shí)的20Hz時(shí)的三相電流波形，可以看出電流變得三相對(duì)稱且正弦。

7實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

7.1預(yù)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)

預(yù)勵(lì)磁功能的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相同，通過(guò)直流預(yù)勵(lì)磁預(yù)先為電機(jī)建立磁場(chǎng)，可以有效提高電機(jī)啟動(dòng)瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，加快電機(jī)啟動(dòng)速度。

7.2Imax控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)電機(jī)空載，加速時(shí)間2s。圖10（a）為沒(méi)有Imax功能時(shí)的定子電流波形，可以看出，電機(jī)啟動(dòng)初始的0.5s時(shí)間內(nèi)，電流模值比較大，最大為0.75左右。圖10（b）為能使電流抑制功能后的定子電流波形，Imax_Set給定為0.45，可以看出，電流被有效限制在0.45及其以下的區(qū)域內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)波形可以看出，Imax抑制功能可以有效控制電機(jī)加速電流在要求的模值范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)過(guò)流跳閘。

7.3諧振抑制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)用電機(jī)在頻段10Hz~33Hz左右的范圍內(nèi)發(fā)生振蕩，因此設(shè)置諧振抑制起始頻率為5Hz，諧振抑制終止頻率為40Hz，使其包含發(fā)生振蕩的頻段。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振抑制功能中的濾波時(shí)間常數(shù)和比例控制系數(shù)，使振蕩得到有效的抑制。圖11（a）和（b）分別給出了電機(jī)在轉(zhuǎn)速500rpm時(shí)的抑制前和抑制后的三相電流波形。從圖中可以看出，加入諧振抑制功能后，電流振蕩得到有效抑制，三相電流對(duì)稱且正弦。

8結(jié)論

本文在傳統(tǒng)VF控制方法的基礎(chǔ)上研究了預(yù)勵(lì)磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能的實(shí)現(xiàn)，用以優(yōu)化VF控制的控制性能。

在電機(jī)啟動(dòng)之前通過(guò)直流預(yù)勵(lì)磁，可以有效增大電機(jī)啟動(dòng)瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，加快電機(jī)啟動(dòng)速度。

通過(guò)對(duì)三相定子電流進(jìn)行采集，并對(duì)其模值進(jìn)行監(jiān)控，利用分別作用于輸出頻率和輸出電壓的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，在電流模值超過(guò)允許值時(shí)可以通過(guò)降低頻率或電壓達(dá)到將定子電流限制在允許范圍內(nèi)的目的，防止過(guò)流故障的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)三相定子電流進(jìn)行矢量分解，得到其有功電流分量，并提取其波動(dòng)分量，使其作用于輸出頻率，可以有效抑制電機(jī)在某特定頻段內(nèi)的振蕩現(xiàn)象。

本文對(duì)以上控制算法進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性和可行性。