早期异步电机调速多采用标量控制，依据异步电动机的稳态数学模型仅对变量的幅值进行控制，且忽略电机中的耦合效应。因而，虽然能够获得良好的静态性能指标，但是动态过程中不能获得良好的动态响应。与直流调速系统相同，当在额定转速以下进行调速时，需要保持电机中每个磁极的磁通量为额定值。如果每极磁通量下降，异步电动机的电磁转矩将随之减少，这样在基速以下调速系统的恒转矩机械特性就会失去，同时会造成异步电机机械特性中最大电磁转矩的减少，容易造成电机堵转。反之，如果每极磁通量上升，又会使电机磁路出现饱和效应，电机励磁电流将迅速上升，导致电机铁损大量增加，会造成电机铁心严重过热，不仅会使电机输出效率大大降低，而且造成电机绕组绝缘性降低，甚至会烧毁电机。根据保持磁通恒定的方法不同，产生了开环恒压频比控制方式和转差频率控制方式。

开环恒压频比控制一般应用在对调速性能要求不太高的场合，不需要速度闭环，只要求供电电压与其频率成正比，这样就能保持磁链为常数。注意，恒压频比控制在低速时由于定子线圈压降比重增大，会造成气隙磁通下降，异步电动机处于弱磁工作状态，最大转矩必然下降，导致电动机过载能力降低。所以在低速时要进行电压补偿，保证气隙磁通恒定，提升电动机最大转矩和过载能力。开环恒压频比控制结构简单、计算量小、对硬件要求不高、容易实现，但是调速精度和动态性能较差。

开环恒压频比控制的一种改进方法是带转速闭环的转差频率控制，如图1-2所示。其中，速度环误差通过比例积分控制器和限幅器后得到转差给定值ω_sl。该转差率给定值与速度反馈信号ω_r相加产生频率指令值ω_e。该频率指令值ω_e再通过一个V/f函数发生器产生电压指令值，该发生器含有低频定子压降补偿。由于在恒定磁链下的转差率与输出转矩成正比例，可认为该方案在速度控制环内存在一个转矩开环控制。但它依据的仍是电机稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，而且无论转矩还是磁通，都不能直接进行控制，因此得不到较理想的动态性能，在转矩控制的动态性能上都无法与直流调速相比。

20世纪70年代，德国西门子公司的Blaschke工程师在电机的物理模型上首次提出了异步电机磁场定向坐标控制电流的概念^[40]，奠定了矢量控制系统的基础，其基本思想是通过三相/两相静止坐标变换和经过磁场定向的三相/两相同步旋转变换后，将定子电流分解成产生磁链的励磁直流分量i^e_ds和产生转矩的转矩直流分量i^e_qs，并使两直流分量正交，彼此独立，然后分别进行控制，这样异步电动机便可以像直流电动机一样实现对转矩瞬时的良好阻尼的控制，不用受异步电机本身固有机械特性的限制。1985年，W.Leonhard教授出版的著作《Control of Electrical Drives》中，建立了用空间矢量表示的异步电动机动态数学模型和矢量控制方程，并对电机模型进行了转子磁场定向的变换，完成了矢量控制理论；提出了磁链模型，建立了具有磁链反馈和转矩反馈的直接矢量控制系统。直接矢量控制系统中转子磁链的获取最初采用直接检测法，但在实际中很难应用，后来采用磁链模型计算的间接方法，这使得磁链反馈和定向的精度以及控制的鲁棒性问题始终是影响矢量控制系统运行性能的关键问题。日本的Akira Nabae教授为了避开磁链信号估计不准的问题，提出了转差频率控制方法，又称为间接矢量控制方法。他舍去了磁链反馈环节，直接用磁链给定值产生励磁电流分量，以加快转子磁链控制，同时根据转差频率表达式计算转差频率，与实际转速求和得到定子同步频率。20世纪90年代以后，异步电动机的矢量控制系统，无论间接矢量控制还是直接矢量控制，都获得了成熟的、广泛的应用。大到几兆瓦功率的轧机传动系统和电力机车交流传动系统，小到几十瓦的伺服系统，都已成功采用矢量控制系统。可以说，矢量控制的出现将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得了第一次质的飞跃。

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图1-2 异步电动机转差频率控制框图

矢量控制的优点是可以从零转速起进行速度控制，调速范围宽，可以对转矩实行精确控制，系统的动态响应快，电动机的加速特性好。主要缺点是易受电机参数变化的影响，其磁链观测、速度观测、调节器整定都与电机参数密切相关，而且在运行中电机参数会随着温度和运行状态而发生变化，因此准确获取电机的参数以及电机运行过程中的参数自适应是实现高性能矢量控制的关键。

矢量控制可以使交流调速达到直流双闭环调速的水平，大大促进了交流调速的推广，但各国学者并没有止步，而是继续研究寻求更简单有效的方法。20世纪80年代，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论（DTC）^[41]，引起学术界广泛关注。不同于矢量控制技术，直接转矩控制策略没有电流闭环，不需要复杂的坐标变换，它只是在定子静止坐标系下分析交流电机的数学模型，并直接在定子静止坐标系下构建转矩和磁链算法模型，所以直接转矩控制本质上为一种无位置传感器控制策略。另外，直接转矩控制采用电磁转矩闭环结构将电动机和逆变器作为一个整体，利用空间电压矢量直接实现电磁转矩和磁链的控制，并通过对定子磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制。由于直接转矩控制是通过定子磁链进行磁场定向，在进行定子磁链观测时只需要定子电阻参数，并且没有电流闭环，因此直接转矩控制具有控制结构简单、转矩动态响应快、对电机参数依赖小和对电机参数变化鲁棒性强等特点，大大减少了矢量控制技术中控制性能易受电机参数变化影响的问题，使交流电机控制理论获得了第二次质的飞跃。

直接转矩控制分为六边形磁链轨迹直接转矩控制（DSC）^[41]和圆形磁链轨迹直接转矩控制（DTC）^[42]两种类型。DSC控制策略是将定子磁链轨迹控制为六边形，即逆变器产生的六个基本空间电压矢量通过一定次序组合作用于电动机，在定子线圈中就会产生六边形磁链轨迹。将零电压矢量加入到次序组合中，通过基本空间电压矢量和零电压矢量的交替作用来实现电磁转矩的两点式控制。DSC控制策略在1/6周期仅使用一种基本空间电压矢量，有利于减少功率器件的开关频率，适用于大功率场合。DSC策略的缺点是转矩脉动和噪声比较大。DTC控制策略是将定子磁链轨迹控制为圆形，将电压矢量所在的360°空间按照一定的规律分成N个扇区，每一个扇区中选择一定数量的电压矢量，并判断这些电压矢量对电磁转矩和定子磁链幅值的控制效果。DTC控制策略的开关频率比DSC控制策略要高，一般用于中小功率高性能场合，DTC控制策略有效减少了电机损耗、转矩脉动和噪声等，但是在低速时的转矩脉动问题一直是DTC控制的弱点。目前对DTC的改进主要集中在改善低速和稳态性能^[43-44]，拓宽调速范围。由于没有电流环，如何减少起动电流也是DTC实际应用中需要解决的一个问题^[45-47]。