（控制理论与控制工程专业论文）电励磁同步电动机直接转矩控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型交流变频调 速技术。它具有控制结构简单、物理概念明晰、对电动机内部参数依赖少、转矩 响应迅速和易于数字化实现等优点，在交流传动领域越来越多地受到学者、专家 们的关注。 电励磁同步电动机具有功率因数可调、效率高等优点。在高压大功率电机调 速系统中，应用越来越广泛。从工艺和节能的角度来考虑，对大功率的交流电机 采用变频调速是最经济合理的一种方式。因此研究和开发高性能的电励磁同步电 动机直接转矩控制系统具有重大的经济价值。本文对电励磁同步电动机直接转矩 控制系统理论与实践进行了初步研究。本论文主要内容如下： 首先对电励磁同步电动机直接转矩控制系统基本理论进行了研究。给出了凸 极同步电动机在自然坐标系以及d - q 坐标系下的数学模型。讨论了空间电压矢量 与定子磁链之间的关系。给出了电励磁同步电动机直接转矩控制中磁链控制的三 种方案，对直接转矩控制系统中的转矩控制以及转子励磁电流控制方案进行了详 细的分析。 在电励磁同步电动机直接转矩控制系统理论研究的基础上，对控制系统进行 了仿真。由于m a t l a b s i m u l i n k 里没有电励磁同步电动机仿真模型，利用s 函数建 立了同步电动机的标幺值仿真模型，同时利用s i m u l i n k 里的一些通用模块对直接 转矩控制系统中各个环节进行了搭建，给出了仿真系统整体模型。并对负载扰动、 转速突变以及功率因数为1 时的情况进行了仿真，对结果进行了详细的分析。 在简要地介绍了递归神经网络的两种结构的基础上，尝试将实时递归神经网 络应用到定子磁链观测器中，给出了递归神经网络的学习算法，构建了基于实时 递归神经网络的定子磁链观测器。对基于递归神经网络定子磁链观测器的电励磁 同步电动机直接转矩控制系统进行了仿真验证，从仿真的结果来看，采用递归神 经网络磁链观测器的直接转矩控制系统具有更好的静、动态性能。对常规的直接 转矩控制系统中转矩脉动、电流畸变、低速性能不理想等方面进行了改善。 最后对电励磁同步电动机直接转矩控制系统的数字化实现进行了验证。对控 制系统中硬件平台进行了搭建。给出了系统软件实现流程图。 图【4 5 】表【4 】参【8 9 】 关键词：直接转矩控制；电励磁同步电动机；递归神经网络；m a t l a b ；d s p 分类号：t p 3 4 1 a b s t r a c t a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e da f t e rv e c t o rc o n t r o li n r e c e n ty e a r s ，i san e wt e c h n o l o g yi nd o m a i no fv a r i a b l el j r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e da c d r i v e r s i th a sm a n ym e r i t s ，i t ss t r u c t u r ei sv e r ys i m p l ea n dt h ep r i n c i p l ei sc l e a r , a n d t h er e s p o n s eo ft o r q u ei sr a p i da n dl i t t l ed e p e n d e n c eo nt h ei n t e r i o rp a r a m e t e r so ft h e m o t o r s ，a n de a s yd i g i t i z a t i o n r e c e n t l y , m a n ys c h o l a r sa n de x p e r t sf o c u so ni t i n d o m a i no f a c d r i v e r s e l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r ( e s m ) h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nh i g h v o l t a g ea n dh i g hp o w e ro fm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so f a d j u s t a b l ep o w e rf a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c y u n d e rt h ep r o c e s sa n de n e r g ys a v i n g c o n s i d e r a t i o n , v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ni st h em o s te c o n o m i c a la n d r e a s o n a b l ew a yt oh i g hp o w e ro fa c - m o t o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f l l i g h - p e r f o r m a n c ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u s m o t o ri so fg r e a te c o n o m i cv a l u e t h i sp a p e rg i v e sap r e l i m i n a r ys t u d ya b o u tt h e o r y a n dp r a c t i c eo nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , i ti sa n a l y z e dt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo n e l e c t r i c a l l y e x c i t e d s y n c h r o n o u sm o t o r t h e m a t h e m a t i cm o d e lo f s a l i e n t p o l e s y n c h r o n o u su n d e rt h en a t u r a l la x i sa n dd - qa x i sh a sb e e ng i v e n i ti sd i s c u s s e dt h e r e l a t i o nb e t w e e ns p a c ev o l t a g ev e c t o ra n ds t a t o rf l u x s o m ec o n t r o ls t r a t e g i e sa b o u t s t a t o rf l u xa n dt o r q u ea n dr o t o re x c i t a t i o nc u r r e n th a v eb e e na n a l y z e da b o u td i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o ri nd e t a i l s u n d e rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i c a l l y e x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r ，s i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n e b e c a u s et h e r ei s n ts i m u l a t i o n m o d e la b o u te l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o ri nm a t l a b s i m u l i n k ，p e r - u n i tv a l u e o fs i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e nb u i l db ys f u n c t i o n a n da l s os o m eu n i t so fd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nb u i l da n da l s ot h eo v e r a l ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lh a v e b e e np r e s e n t e d i ti sd e t a i l e da n a l y z e dt h ew a v e f o r m su n d e rt h el o a dd i s t u r b a n c e ，s p e e d o fm u t a t i o na n dh i g hp o w e rf a c t o r u n d e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt w os t r u c t u r eo fr e a l t i m er e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ，t h i s p a p e ra t t e m p t st oa p p l yr e a l t i m er e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r ko ns t a t o rf l u x l e a r n i n g a l g o r i t h mo f r e a l t i m er e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k sh a sb e e n g i v e n s t a t o rf l u x o b s e r v a t i o nb a s e do nr e a l - t i m er e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k sh a sb e e np r e s e n t e d s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h es t a t o rf l u xb a s e do nr e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r ko nd i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mh a s b e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i m p r o v e dt h et o r q u e r i p p l ea n dc u r r e n td i s t o r t i o na n dn o n i d e a lo fl o ws p e e da b o u td i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 f i n a l l y , ap r e l i m i n a r yv a l i d a t i o no nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i c a l l y e x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e e nc a r r i e do u t s o m em a i n l yh a r d w a r eu n i t so fd i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mh a s b e e nb u i l t a n dt h es o f t w a r ef l o wc h a r t so ft h es y s t e mh a v e b e e ng i v e n f i g u r e 4 5 】t a b l e 【4 】4r e f e r e n c e 【8 9 】 k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，e l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r , r e c u r r e n t n e u r a ln e t w o r k , m a t l a b ，d s p c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 3 41 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 渊蝴张复盟吼彳j 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 1 绪论 l绪论 1 1 选题背景及意义【l 】f 2 1 f 3 l 电机调速中，常用的电机有三种：直流电动机、异步电动机以及同步电动机。 它们各有特点。其中直流电动机调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构 简单，应用也较为成熟，长期以来在调速传动中占统治地位。但是直流电动机本 身具有很多固有的缺点无法克服。直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护 困难且工作量大，经常因火花大而影响生产。采用机械换向器的直流电动机，限 制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用 场合。并且直流电动机的电枢在转子上，电动机的效率低下，散热差，冷却费用 高。交流调速中使用的异步电动机，尤其是笼型异步电动机结构简单，坚固耐用， 维护工作量小，运行效率高，转动惯量小，动态响应快，可以做到高电压、大容 量、高转速，无直流电动机的缺陷。高性能的异步电动机调速系统具有较高的动、 静态性能。然而由于异步电动机需从定子侧励磁，造成电动机的功率因数低，变 频装置输入的功率因数也低。普通同步电动机在结构上要比笼型异步电动机复杂， 但比直流电动机简单，和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、 体积小、转动惯量小、省维护等优点，而且可以做到大容量。和异步电动机调速 系统相比，它具有功率因数高、转子侧参数可测、效率高、定转子气隙大、控制 性能好等方面的优势。表1 为参考文献【l 】中给出的德国a e g 公司提供的有关矿 井提升机传动系统的性能分析比较，一台大型双滚筒矿用提升机，额定功率 7 0 0 0 k w ，额定转速5 7 6 r m i n ，电气传动分别为由晶闸管变流器供电的直流电动 机、由交一交变频器供电的异步电动机和由交一交变频器供电的同步电动机。表1 中为一次提升的技术数据。从表中可以看出同步电动机功率因数最高，消耗的电 能最小，运行也最为经济。 同步电动机优越的调速性能，使得其应用范围越来越广阔。1 9 6 9 年b b c 公 司研制成功世界上第一台6 4 0 0 k w 交交变频同步电动机传动装置，用作法国伦伯 尔基水泥厂球磨机无级调速传动。7 0 年代初，随着交流电机矢量控制理论的产生 及其应用技术的推广，世界各大电气公司都投入大量人力、物力对交交变频同步 电动机传动进行研究。1 9 8 1 年西门子公司研制成功世界上第一台4 2 2 0 k w 交一交变 频同步电动机矢量控制系统，用于矿井提升机主传动，同年该公司又研制成功第 一台4 0 0 0 k w 轧机传动交交变频同步电机调速系统，使得大容量交流同步电机调 安徽理t 大学硕士论文 速系统登上了高性能调速的舞台，标志着这一技术的成熟。迄今为止，世界上已 有上千套轧机及矿井传动采用了交流变频同步电机调速系统，交流同步电机调速 正在发挥越来越重要的作用。 表1 提升机所用三种传动方式的性能比较 t a b l e 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h r e ed r i v e so fh o i s t 参数直流电动机异步电动机同步电动机 工作循环时f 日q ( s ) 1 5 9 1 61 5 9 1 61 5 9 1 6 有功功率( k w ) 3 8 9 4 3 7 4 3 3 5 4 8 无功功率( k v a r ) 7 0 6 48 4 7 66 7 4 7 视在功率( k v a ) 8 0 6 69 2 6 67 6 2 3 功率因数 0 4o 40 4 7 电能消耗 1 7 2 21 6 5 51 5 6 9 若功率因数为o 8 5 所需补偿的无 4 6 5 l6 1 5 54 5 4 8 功功率( k v a r ) 与直流传动补偿容量的比值 1 0 0 1 3 2 9 8 1 9 8 5 年德国鲁尔大学m d e p e n b r o e k 教授提出了一种全新的交流电机调速控 制理论直接转矩控制( d t c ) 。随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制 方案1 4 j ，引起了学术界极大的兴趣和关注。直接转矩控制技术在异步电动机与永 磁电动机上的应用已较为成熟，但是在电励磁同步电动机上，却发展缓慢。直到 1 9 9 5 年瑞士a b b 公司才成功将直接转矩控制技术应用到通用变频器上，推出了 采用直接转矩控制技术的i g b t 脉宽调制变频器，随后又将直接转矩控制技术应 用于i g c t 三电平高压变频器并应用于大型轧钢、船舶推进中。2 0 0 6 年，淮南矿 业集团引进a b b 公司7 套电励磁同步电动机直接转矩控制设备( a s c 6 0 0 0 ) ，用 于矿井提升机传动。出于商业保密考虑，a b b 公司并未公开电励磁同步电动机转 矩控制系统的实现的具体细节。国内也有不少高校开始对电励磁同步电动机直接 转矩控制系统进行研究，但是公开发表的论文较之异步电动机与永磁同步电动机 直接转矩控制系统是少之又少。其中文献 5 1 1 6 1 中，南京航空航天大学的田淳博士 对无阻尼绕组电励磁同步电机直接转矩控制系统进行了初步研究。其中文献【6 】对 无阻尼绕组电励磁同步电动机直接转矩控制系统进行了理论分析，并对系统进行 了仿真，给出了功率因数可调的实施方案。参考文献 7 】中中国矿业大学的谭国俊 等人对凸极同步电动机直接转矩控制进行了理论研究，对阻尼绕组补偿的励磁电 2 l 绪论 流控制方案进行了说明。参考文献【8 】【9 】【1 0 】【1 1 】南京航空航天大学的周扬忠博士 对具有阻尼绕组的电励磁同步电动机直接控制系统中初始转子位置估算、转子励 磁电流控制以及阻尼绕组对同步电机动态行为的影响等方面进行了详细的理论分 析，为电励磁同步电动机直接转矩控制系统的研究提供了很好的参考材料。安徽 理工大学的王清灵教授及其硕士生钟声、娄东祥等对凸极同步电动机也做了很多 研究工作，但是很多都局限于理论推导与仿真研究【1 2 】【1 3 】。 因此，与国外电励磁同步电动机直接转矩控制系统产品的开发问世并逐渐成 熟相比，我们在理论上以及实践上都还有许多工作要做。 1 2 直接转矩控制技术的发展 自从上世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了 交流调速系统在静动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流 电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转 矩和磁链控制的完全解耦，它的提出具有划时代的意义【1 4 1 。然而，实际上由于转 子磁链难于准确观测，系统特性受电机参数的影响比较大，以及在模拟直流电机 控制过程中所用的矢量旋转变换的复杂性，使得矢量控制实际的控制效果难于达 到理论分析的程度。针对于矢量控制的不足，继矢量控制变频调速技术之后发展 起来了一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，直接转矩控制( d i r e c tt o r q u e c o n t r 0 1 ) 。德彭布罗克教授( m d e p e n b r o c k ) 在1 9 8 5 年提出了直接转矩控制( d t c ) 的理论之后，1 9 8 7 年又把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转 矩控制有着自己的特点： 1 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动 机的转矩与磁链。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化。既不需 要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省 掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简 单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的 判断。 2 直接转矩控制是采用空间矢量的概念来分析交流电动机的数学模型和控 制其各物理量，使问题变得相对简单明了。 3 直接转矩控制是采用定子磁链定向控制的，只要知道定子电阻就可以把它 观测出来。而相对于采用转子磁链定向控制的矢量控制，观测转子磁链需要知道 电动机的转子电阻和电感，较多依赖电机的参数。因此，直接转矩控制大大减少 3 安徽理t 大学硕士论文 了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 4 电机调速中，主要是对电机转矩的控制。转矩控制的好坏直接影响系统的 控制性能。而直接转矩控制的本质就是对转矩的直接控制，它包含有两层意思： 其一为直接控制转矩，与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量 来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。它并非极力获得 理想的j 下弦波，也不专门强调磁链的圆形轨迹，而是从控制转矩的角度出发，强 调对转矩的直接控制效果，因此它采用离散的空间电压状态和六边形磁链轨迹或 近似圆形磁链轨迹的概念。其二为对转矩的直接控制，通过转矩两点式( b a n d b a n d 控制) 调节器把转矩的实际值与转速p i 调节器输出的转矩期望值做滞环比较，把 转矩波动限制在一定的容差范围内。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学 模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况i l5 。 综上所述，直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法直接在定子静止坐标 系下来计算与控制交流电机的转矩和定子磁链，采用转矩和磁链双滞环砰一砰控制 以获得快速的转矩响应，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。它省掉了复杂的矢量变换，在很大程度上解决了矢量控制中计算控 制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一 些重大问题。直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统 结构，优良的静、动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。 直接转矩控制方案经过二十多年的发展，各方面性能都在不断提高，并已进 入实用阶段。但作为一种诞生不久的新理论、新技术，在实际应用中还存在一些 不成熟的地方，如低速性能差、转矩脉动、磁链脉动以及定子电流谐波大等问题。 针对这些问题，近年来许多学者提出了大量关于直接转矩控制的改进方法。文献 【1 6 】介绍了一种平行的双p w m 逆变结构，它是由两个一般的p w m 逆变模块并联 而成，构成6 4 种开关模式，其中1 8 中开关模式输出非零的控制电压矢量，余下 的均输出零电压矢量，该策略在一定程度上解决了转矩的脉动问题，但是却增加 了系统的硬件成本，而且系统的可靠性也大大降低。文献【1 7 】【1 8 】【1 9 】提出采用矩 阵逆变器来代替常规三相逆变桥给电机供电，由于矩阵逆变器产生的空自j 电压矢 量多，通过有效合理的控制，能够有效地减小转矩的脉动。文献 2 0 1 中提出采用 较高的逆变器开关频率来降低定子电流谐波含量，减小了磁链和转矩脉动，但系 统的功率损耗却大大增加了，逆变器的工作效率也被降低了。文献 2 1 1 1 2 2 采用离 散空间电压矢量p w m 的基本原理，来分配逆变器开关管的导通时间，但该方法 只适合稳态过程，对系统暂态过程不适用，而且对转矩和磁链的观测值的精度要 4 1 绪论 求严格。文献1 2 3 1 1 2 4 将三电平逆变器应用在直接转矩控制系统中，利用三电平逆 变器能够在较低的开关频率下获得谐波较小的输出电压，同时由于可控开关器件 多，控制选择更多，可获得更高的控制性能。然而由于三电平逆变器电压空间矢 量多，如果电压矢量随意切换，会引起输出电压的剧烈跳变，增加开关损耗及输 出电压d v d t ，影响电机绝缘，而且由于三电平逆变器自身拓扑结构中固有的中点 电压平衡问题使得控制策略上较两电平逆变器要复杂的多。 随着现代控制理论和智能控制的发展，许多学者、专家开始将现代控制理论 及智能控制算法引入到直接转矩控制系统中，来改善其转矩脉动、电流畸变以及 低速时的性能。文献【2 5 】【2 6 】提出采用变结构理论来设计转矩和磁链控制器，该控 制器算法简单，不需要转速信息，通过严格的理论推导证明系统的渐进稳定性， 用于产生最佳的电压矢量，以解决异步电机负载和参数变化等因素导致系统鲁棒 性下降的问题，但是变结构控制存在着抖动，要消除抖动非常困难。文献【2 7 】针 对永磁同步电动机直接转矩控制系统的转矩和定子磁链脉动等问题，提出了一种 利用模糊控制器调节p w m 信号占空比的方法，用模糊控制来代替传统d t c 中的 滞环比较器和空间电压矢量状态选择器来细分控制规则，以减少转矩和磁链脉动。 参考文献 2 8 针对直接转矩控制系统中，由于选择空间电压矢量的不合理而导致 产生电磁转矩与磁链脉动，提出采用模糊逻辑来优化直接转矩控制中的状态选择 器，同时采用粒子群( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 来优化速度p i 控制器的两参 数，系统性能获得了一定的改善。文献【2 9 】采用神经网络模拟通常d t c 的状态选 择器，用遗传算法来训练神经网络，将神经网络与遗传算法结合起来使用，在算 法上对状态选择器进行改进。针对低速时定子磁链误差较大，文献 3 0 1 采用小波 模糊神经网络来辨识定子电阻，对定子电阻进行补偿，改善低速时的定子磁链， 具有一定的研究意义。 可见直接转矩控制理论上的优越性和实践上的不成熟性，使得这项技术近年 来得到了普遍的重视和广泛的研究。可以看出，直接转矩控制技术的发展主要围 绕定子磁链、状态选择器以及电机输出转矩的基本控制方法的改进来进行，这也 是当前直接转矩控制的研究热点。 1 3 神经网络在电机控制系统中的应用 智能控制采用各种智能化技术实现复杂系统与其他系统的控制目标，是一种 具有强大生命力的新型自动控制技术。智能控制的产生和发展反映了当代自动控 制以及整个科学技术的发展趋势，是历史的必然。智能控制是以无模型为特征的 5 安徽理工大学硕士论文 更接近于人脑思维方式的一种控制理论，其主要特点是摆脱了系统模型的束缚， 算法简单、鲁棒性强。比较典型的方法有专家控制、模糊控制、蚁群算法控制以 及神经网络控制等。 神经网络控制是2 0 世纪8 0 年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之 一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统 的控制问题丌辟了另一新途径。神经网络控制发展至今，已有了多种控制结构， 如神经预测控制、神经逆系统控制等。 神经网络控制是以神经细胞模型为基础的分布式控制，是一种并行处理的多 输入多输出结构，其基本控制因素为神经元。神经元有信息综合、多输入、非线 性的特点，以神经元组成的神经网络通过各个互连的神经元之间的权系数存储信 息，这种存储特点使神经网络具有容错能力，同时也可以通过学习训练改变权系 数。它从微观结构和功能实现对人脑的抽象和简化，成为“智能控制 的一个新 的分支3 。 一般将神经网络分为静态网络与动态网络。如应用较为广泛的b p 神经网络 就是静态网络。其网络中各个神经元接受前一级的输入，并输出到下一级，网络 中没有反馈。网络中的节点为两类：分别为输入单元与计算单元，每一个计算单 元可以有任意个输入，但是只有一个输出，前馈网络可分为不同的层，除输入层 与输出层之外，中间层称为隐含层。静态网络结构简单而易于编程，通过简单非 线性处理的复合映射可获得复杂的非线性处理能力。动态网络是反馈神经网络， 也称为递归神经网络。在这种网络中，输入信号决定反馈系统的初始状态，系统 经过不断调整权值逐渐趋于平衡状态。递归神经网络中所有节点都是计算单元， 既接受外界输入，也向外界输出1 3 引。 为了更好地将神经网络应用于控制领域，国内外很多专家学者对神经网络进 行了广泛的研究，有些己经投入实际应用，并取得了满意的控制效果，这些都证 明了神经网络应用的可行性。文献【3 3 】提出了一种基于神经网络速度估算器和神 经网络p l 控制器的感应电机速度控制的新方法，其中应用一两层神经网络来实时 估算感应电机的速度，而控制器的参数按照参考模型与被控对象之间的误差最小 化的方向进行调整；同时将神经网络应用中速度p i 调节器上来整定调节器的两参 数。参考文献 3 4 1 提出一种简单的应用神经网络的异步电机伺服系统的控制结构， 系统中仅采用单神经元的在线自适应神经网络，其作用与自适应p l 控制器相似。 运用自适应的学习速率来克服系统的不确定性和非线性，系统具有很好的鲁棒性。 【3 5 1 把递归神经网络应用在异步电机的滑差频率矢量控制系统中，该反馈网络仅 6 1 绪论 包括输入、输出两层网络结构，不含隐含层。输入为速度误差及其变化率，输出 为逆变器的输出频率，采用矢量空间搜索算法更新网络的权值。 在直接转矩控制系统中，不少学者对神经网络进行了广泛的研究。文献 3 6 】 提出了采用人工神经元网络对异步电动机直接转矩控制系统中的转速进行辨识和 估算，实现无速度传感器技术。利用遗传算法的全局搜索能力以及b p 神经网络的 局部寻优的特点，文献 3 7 】将遗传算法与b p 神经网络相结合，来设计神经网络转 速辨识器。文献【3 8 】 3 9 】提出了基于小波神经网络的定子电阻辨识器，利用小波变 换表现的良好的时频局部化特性，以及多尺度的功能等优点与神经网络结合起来 对电阻进行辨识，改善直接转矩控制系统的低速性能。文献 4 0 】【4 1 】针对传统直接 转矩控制系统由于进行复杂运算时延而降低系统性能和不便于硬件实现的缺陷， 介绍了一种基于神经网络的电压矢量控制器取代常规的状态选择器。从仿真的角 度来看该方案能有效减少转矩脉动，并且具有较强的鲁棒性。 从以上的文献上大致可以看出，在直接转矩控制系统中，神经网络主要应用 于以下几个方面： 1 为提高系统的控制性能，采用速度闭环控制。传统的电机转速检测装置多 采用与电机同轴的速度传感器，不仅增加了设备的硬件投资，还存在着安装与维 护的困难，而且并不是所有的场合都适宜安装速度传感器。因此，无速度传感器 直接转矩控制系统成为当前研究的热点。近年来，神经网络己经开始应用于控制 系统的速度辨识中。 2 传统直接转矩控制系统中，依赖电机的定子电阻进行定子磁链的在线观 测，由于定子电阻的变化，导致观测出的定子磁链误差较大，在低速时，系统性 能十分恶劣。不少学者用神经网络或者改进的神经网络对定子电阻进行在线辨识， 这在直接转矩控制系统中，研究和应用的较为广泛。 3 直接转矩控制系统中的空间电压矢量选择器由于运算时延等缺陷，许多学 者提出利用神经网络并行计算的能力来进行设计空间电压选择器。 神经网络在直接转矩控制系统的应用研究还处于起步阶段，很多研究都是停 留在理论与仿真阶段。许多应用研究都是在异步电动机或者永磁同步电动机上， 而目前还没有查到相关文献将其应用在电励磁同步电动机上。本文采用递归神经 网络来对电励磁同步电动机直接转矩控制系统中磁链观测器进行优化。递归神经 网络，它是由j o r d o n 于1 9 8 6 年首次提出。所谓递归神经网络，是指神经元有一个 或者多个自身反馈环的网络，反馈可以是局部，也可以是全局的。这就使它与前 向神经网络不同，从而可以达到动态效果。构成递归神经网络模型的方法有很多， 7 安徽理1 二大学硕士论文 但总的思想都是通过对前馈神经网络中加入一些附加的、内部的反馈通道来增加 网络本身处理动态信息的能力。递归神经网络能够利用网络的内部状态反馈来描 述系统的非线性动力学行为，能更直接地反映系统的动态特性，更适合用于非线 性动态系统的辨识。因此，越来越引起人们的广泛重视。 直接转矩控制系统中，传统的基于u i 模型磁链观测器，在算法上仅用到定 子电阻一个电机参数，对电机参数变化鲁棒性好。然而电阻在电机运行过程中， 会随着环境、温度、电流频率、时间等因素发生变化，尤其在同步电机起动、低 速时该观测器误差较大，控制系统性能较差。本文尝试将实时递归神经网络应用 在定子磁链观测器上，从仿真的角度看，性能较传统模型优越，有一定的研究及 应用价值。 1 4 电励磁同步电动机调速系统的研究现状 同步电动机调速是交流调速传动的两大分支之一，在电气传动领域中占有重 要的地位。从国内外研究和国内引进的调速设备来看，同步电动机调速系统越来 越受到电气传动专家、学者和工程技术人员的广泛重视，已经成为各国众多研究 者的兴趣所在。同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：一类为他 控式变频调速；另一类为自控式变频调速。它控式变频调速系统中所用变频装置 的输出频率直接由外部给定信号决定，由于存在同步电动机的失步、振荡等问题， 所以在实际的调速场合很少使用。同步电动机变频调速系统一般采用自控式运行， 即变频器供电给同步电动机。自控式同步电动机变频调速和它控式相比，最大特 点即是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。高压大功率同步电机 采用变频调速是最经济最合理的一种调速方式。 同步电动机一般分为永磁同步电动机和电励磁同步电动机。永磁同步电动机 具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等优点。永磁同步电动机的转子是永 磁体构成的，控制较为简单。而电励磁同步电动机转子可以独立励磁。因此，可 以通过调节转子侧的励磁电流，来调节定子侧的功率因数，电机运行效率可以更 高。本文研究的就是电励磁同步电动机。电励磁同步电动机调速系统与异步电动 机调速系统，或者永磁同步电动机调速系统都有很大的不同。其中最大的不同点 就在于电励磁同步电动机需要控制转子励磁系统。励磁系统控制的好坏直接影响 系统的控制性能。 同步电机矢量控制是由德国西门子公司学者b a y e r 继b l a s c h k e 异步电机磁场 定向控制原理发表之后，在1 9 7 2 年提出来的。矢量控制的特点是通过坐标变换， 8 1 绪论 把交流电机在按磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电机，模仿直流电机进 行控制，使交流电机调速到达并超过传统的直流电机调速性能。对于电励磁同步 电动机来说其内部有转子励磁磁链、气隙磁链、定子磁链和阻尼磁链，选择不同 的磁链作为定向坐标轴线，同步电机的运行特性也不同。工程上常用转子磁链定 向和气隙磁链定向控制。转子磁链定向矢量控制一般应用于小容量同步电动机。 大容量同步电动机矢量控制一般用气隙磁链定向控制。同步电机磁场定向控制沿 袭了标量控制采用的励磁电流调节来补偿电枢反应，保持功率因数为l 的控制思 路。但是这种同步电机磁场定向控制系统存在着动态过程磁链与转矩控制不解耦 的缺陷f 2 】。而且矢量控制需要进行复杂的坐标变换，对电机参数敏感和依赖较大， 对控制器的运算速度要求很高，在实际运行中难以达到理论分析的效果。 采用定子磁链定向控制的矢量控制系统称为直接转矩控制系统。电励磁同步 电动机直接转矩控制系统近年来得到了广泛的发展。但是与应用较为成熟的异步 电动机、永磁同步电动机直接转矩控制系统相比，电励磁同步电动机直接转矩控 制系统还有许多工作要做。尤其在国内，对大容量的电励磁同步电动机直接转矩 控制系统的研究才刚刚起步。虽然国内也有一些高校及科研单位对电励磁同步电 动机直接转矩控制系统进行了研究，但是公开发表的文章少之又少，加之电励磁 同步电动机直接转矩控制系统的复杂性，电励磁同步电动机直接转矩控制系统发 展的极为缓慢。 伴随着现代控制理论、微电子技术以及各种智能控制算法的不断发展成熟， 同步电机调速系统一定会不断完善。 1 5 论文的组织结构 本论文主要对电励磁同步电动机直接转矩控制系统进行了研究。共六章内容， 除本章外，其他章节内容如下： 第二章主要对电励磁同步电动机直接转矩控制系统理论基础进行了分析。给 出了凸极同步电动机在自然坐标系以及d q 坐标系下的数学模型，同时对常用的 三种坐标系之间的关系进行了推导。给出直接转矩控制的基本原理，分析了空间 电压矢量与定子磁链之间的关系。最后对电励磁同步电动机直接转矩控制中，磁 链控制、转矩控制以及转子励磁电流控制方案进行了详细的分析。 第三章对电励磁同步电动机直接转矩控制系统进行仿真研究。利用s 函数建 立了同步电动机的标幺值仿真模型，利用s i m u l i n k 对直接转矩控制系统中各个环 节进行了搭建，并给出了系统总体仿真模型。最后对负载扰动、转速突变以及功 9 安徽理t 大学硕士论文 率因数为l 时的情况进行了仿真，并给出了详细的分析。 第四章对直接转矩控制系统低速性能不理想以及转矩脉动等问题进行了改 进。将递归神经网络应用到定子磁链观测器中，对定子磁链进行观测。简要地介 绍了递归神经网络的两种结构：全连接递归神经网络以及对角递归神经网络。给 出了递归神经网络的学习算法。最后对基于递归神经网络定子磁链观测器的电励 磁同步电动机直接转矩控制系统进行了仿真验证。给出了较传统模型下的对比仿 真波形。 第五章对电励磁同步电动机直接转矩控制系统进行试验验证。给出了系统的 数字化实现结构图。对实验中功率回路及控制电路中各个部分进行了详细的说明， 并给出了具体电路图。系统软件设计中，主要给出了软件设计的流程图。 第六章对全文进行总结，并给出进一步工作展望。 1 0 2 电励磁同步电动机直接转矩控制的理论基础 2 电励磁同步电动机直接转矩控制的理论基础 2 1 电励磁同步电动机数学模型 2 1 1 三种常用的坐标系及相互变换 为了简化和求解同步电机的数学方程，必须运用电机坐标变换理论对同步电 机自然坐标轴系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。同分析异 步电机或者永磁同步电动机一样，描述和分析电励磁同步电动机的运行行为通常 也有三种坐标系。 第一种为a b c 静止三相坐标系，如图1 ( a ) 所示，图中a 、b 、c 轴线分别 为三相定子绕组的轴线，彼此在空间上互差1 2 0 。第二种为口、静止两相坐标 系，它们在空间上互差9 0 。，该坐标系放在电机定子上，口轴与a 轴线重合，轴 超前口轴9 0 。，采用两相等效正交绕组来代替三相绕组，实现了三相定子绕组之间 互感的解耦，简化了数学模型。从矢量合成的角度推到，一个旋转矢量从一个三 相坐标系( a b c ) 变换到两相坐标系( 筇) 也称为3 2 变换，反之为2 3 变换。 1 医 假设矢量芯在三相坐标系下可表示为i s = + a i b + 口2 蕾，其中口= 一去+ ，半。 b j 竣奠 d r ，j ： 夕。泛。 ? ? a ( a )( b ) 图1 三种坐标系定义 f i g 1d i f i n i t i o no f t h r e ea x e s 在( 筇) 两相坐标系下可表示为式= 乞+ 鸬。根据坐标变换矢量保持不变的 原则，在图l ( a ) 中，可以得到沿口轴分解的分量： 乞= 一三一三七，以及沿轴分解的分量：知= 譬一譬t 。写成矩阵形式 安徽理t 大学硕士论文 即为： 卧三 21 1 3 33 o 鱼一鱼 33 ( 2 一1 ) 式( 2 一1 ) 中系数3 2 是三相与两相变换时相位比值系数。两相到三相的逆变 换为： 小 10 1压 22 1压 22 ( 2 - 2 ) 第三种坐标系为d q 旋转坐标系( 简称d - q 坐标系) ，如图1 ( b ) 所示。坐标 轴放在转子上随转子同步旋转，d 轴为转子纵轴，q 轴超前d 轴9 0 。，d 轴与