（机械电子工程专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统研究与实现.pdf

摘要 直接转矩控制作为一种比较新型的交流调速方法，具有控制思想简明、动态 响应速度快等优点，但是作为一种新的控制理论自然存在不完善、不成熟之处， 因此直接转矩控制成为了交流调速系统研究的热点之一。本文针对如何在直接转 矩控制过程中保持其快速响应的特点的同时，又要克服磁链和转矩波动过大的缺 点，对感应电机直接转矩控制做了深入的分析和研究。 首先，本文的研究从异步电动机的数学模型出发，根据变频调速的原理以及 传统直接转矩的控制原理，对于近似圆形磁链的直接转矩理论进行了试验分析， 利用电压矢量查表的方法，通过实时判断磁链的区间和幅值以及转矩的大小，继 而从表格中选择合适的电压矢量。 其次，本文在电压矢量状态选择器的设计过程中，基于智能控制思想，设计 出了四种电压矢量状态选择器，并设计了由这些智能控制器所组成的直接转矩控 制交流调速系统。为了验证系统理论的可行性，建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 软件包的仿真系统。仿真结果表明，采用了模糊及模糊神经电压状态选择器后， 直接转矩控制系统转矩响应加快，转矩、磁链脉动减小，动静态性能得到改善， 鲁棒性得到了提高。同时应该看到，虽然单纯的神经网络电压矢量状态选择器并 没有对直接转矩控制系统的动态性起到积极的改善作用，但毕竟这是神经网络控 制理论在交流调速技术上应用的一次尝试。 最后，本文在仔细研究异步电动机控制策略的基础上，使用数字信号处理器 d s p 作为微处理器，搭建出异步电动机的直接转矩控制系统。实现了s v p w m 直接 转矩控制系统的交流调速，并验证了该方法的有效性与实用性。论文最后，总结 了整个系统的成功和不足，并展望了直接转矩控制今后的发展。 关键词：交流调速直接转矩d s p 模糊控制神经网络 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 ) i saf a i r l yn e wq u a l i t yc o n t r o lv e l o c i t ym e a n sf o r a s y n c h r o n o u sm o t o r s ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec o n t r o li d e aa n dg o o ds t a b l e a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e h o w e v e r , a sak i n do f t h en e wt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , i tn o t p e r f e c t o w i n gt ot h er e a s o n sa b o v e ，d t ch a sb e c o m eo n eo fi n c r e a s i n gh o tp o i n t sf o r a cm o t o rd r i v e i no r d e rt os u s t a i nt h er a p i dr e s p o n s eo fd t ca n do v e r c o m et h ef l u x a n dt o r q u er i p p l e s ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et h e o r yo f d t c f i r s t , w ei n v e s t i g a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f a s y n c h r o n o u sm o t o r s a c c o r d i n g t ot h et r a d i t i o n a lt h e o r yo fd t ca n dt h ep r i n c i p l eo fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l ，w e a n a l y z et h ea p p r o x i m a t er o u n df l u xt h e o r yo fd t ci nt h ee x p e r i m e n t u s i n gt h e m e t h o do fv o l t a g ev e c t o rs e l e c t i o n , w ec a l ls e l e c tt h ep r o p e rv o l t a g ev e c t o rb yt h e p o s i t i o na n dm a g n i t u d e o f s t a t o rf l u xf l sw e l la st h em a g n i t u d eo f t o r q u e s e c o n d a r y , b a s e do nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y , f o u rk i n d so fv o l t a g ev e c t o r s t a t es e l e c t o ra r ep r o p o s e da n dw ed e s i g nt h ed t c a cv a r i a b l es p e e ds y s t e mi n c l u d i n g t h e s e i n t e l l i g e m c o n t r o l l e r s as i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gt h e m a t l a b s i m u l i n kf o r t h ep u r p o s eo fv a l i d a t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mh a si m p r o v e dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e s p e c i f i c a l l y , t h er e s p o n s eo ft o r q u eg e t sq u i c k e r a n dt h ef l u c t u a t i o no ft o r q u ea n df l u x t u r n sm i l d e r a n db e t t e rr o b u s t n e s si so b t a i n e da f t e ru s i n gt h ef u z z ya n dt h ef u z z y - n e u r a l c o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ，a l t h o u g ht h es i m p l en e u r a ln e t w o r kv o l t a g ev e c t o rs t a t o r s e l e c t o rd o e sn o tt a k ep o s i t i v ee f f e c tt ot h ed y n a m i co fd t cs y s t e m s ，a f t e ra l l ，i ti sa t r yf o rt h en e u r a ln e t w o r kt h e o r ya p p l y i n gt oa cv a r i a b l es p e e d f i n a l l y , w ei l l u s t r a t e sav a r i e t yo fc o n t r o lt h e o r yo fi n d u c t i o nm o t o r si nd e t a i l s ， a n dd e s i g n sad t cs y s t e mv i ad i z i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 1 1 1 es v p w md i r e c t t o r q u ec o n t r o le x p e r i m e n ti sc o n d u c t e do nae x p e r i m e n tp l a t f o r m ，w h i c hr e a l i z e st h e a cv a r i a b l es p e e da n dv a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e d t e c h n i q u e i nt h ee n d ，w es u mu pt h ei n s u f f i c i e n c yo f t h ew h o l es y s t e ma n dp r e d i c tt h e d i r e c t i o no f d t ca sw e l l k e y w o r d ：a cv a r i a b l es p e e d d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d s p f u z z yc o n t r o l n e n r a ln e t w o r k 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：墼：丛日期：塑望! 堑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 垒垒丛 圭篷盐 e t 期：! 竺墨，f ! 垫 日期：乏丛! 绌 第一章 交流电动机调速技术的发展概况 第一章交流电动机调速技术的发展概况 1 1 交流电动机调速技术的发展和现状 在现在的工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面，电动机无疑是作 为主要的动力设备而被广泛的采用。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备， 在实际应用中，一方面是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；另一方面是 要根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能对 提高产品质量、提高生产效率及电能的节省有着直接的决定性影响。为了控制电 动机的运行，就要为电动机配上控制装置，即交流电机+ 控制装置= 交流调速系统 l i j 。然而长期以来，在调速传动领域大多采用磁场电流和电枢电流可以独立控制 的直流电动机传动系统，它的调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良好 的动态响应，然而由于在结构上存在的问题使其在设计容量上受到的限制，不能 适应高速大容量化的发展方向【孙。交流电动机以其结构简单、制造方便、运行可 靠，可以以很高的转速运行、可用于恶劣环境等优点得到了广泛的运用，但交流 电动机的调速比较困难。在上世纪2 0 年代，人们认识到变频调速是交流电动机一 种最理想的调速方法，由于当时的变频电源设备庞大，可靠性差，变频调速技术 发展缓慢。上世纪6 0 年代至今，电力电子技术和控制技术的发展，使交流调速性 能可以与直流调速相媲美【3 】。现代电子技术( 包括大规模集成电路技术、电力电 子技术和计算机技术) 的飞速发展、电动机控制理论的不断完善以及计算机仿真 技术的日益成熟，极大的推动了交流电动机变频调速技术的发展。2 0 世纪9 0 年 代以来，电气传动领域面貌焕然一新。各种类型的异步电动机压频比恒定的变压 变频调速系统、同步电动机变频调速系统、交流电动机矢量控制系统、异步电动 机直接转矩控制系统等在工业生产的各个领域中广泛应用，为工农业生产及节省 电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统已逐步完全取代直 流调速系统在电气传动领域占据统治地位【4 j 。 1 2 交流调速系统的必要性和特点 1 2 1交流调速系统与直流调速系统的比较嘲 与直流调速系统相比，交流调速系统应用越来越广泛的主要原因在于交流电 机与直流电机相比有很多优点。在看到直流电机调速性能好，控制简单等优点的 同时，我们必须注意到直流电机所固有的缺点，而正是这些固有的缺陷限制了直 流电机在现代调速系统中的应用。直流电机的主要缺点有： ( 1 ) 直流电机的机械换向器由很多的铜片组成，铜片之间用云母片隔离绝 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 缘，因此制造工艺复杂，费时费料，增加了直流电机的成本。与同等重量的鼠笼 型异步电动机相比，直流电机要贵好几倍，单位重量的功率要少一倍。 ( 2 )换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度。直流电机的极限容 量和速度之积约为1 0 6 k w r m i n ，许多大型机械的传动电机已接近或超过该值， 设计制造困难，不得不采用双电枢或三电枢结构，使成本大大提高、体积大大增 加。 ( 3 )电刷火花和环火限制了直流电机的安装环境，易燃、易爆、多尘以及 环境恶劣的地方不能使用直流电机。 ( 4 )直流电机的大部分功率( 除励磁以外) 都是通过换向器流入电枢的， 转子发热多，电机效率低。由于转子散热条件差，中大功率的电机需要强迫风冷 或水冷。 ( 5 ) 换向器和电刷易于磨损，需要经常更换。这样就降低了系统的可靠性， 增加了维修和保养的工作量。 与此相应，交流电机虽然控制比较复杂，但结构简单、成本低、安装环境要 求低，适于易燃、易爆、多尘的条件。尤其是在大容量、高转速应用领域，备受 人们青睐。交流电机和直流电机的比较如表1 1 所示。由表可知，直流电机优于 交流电机唯一的地方就是转矩控制简单。但是，随着交流电机调速理论和技术的 进步，交流电机这一弱点己被克服，发达国家从2 0 实际8 0 年代起开始用交流传 动系统取代直流传动系统。目前，交流调速系统的性能已经能达到直流调速系统 的水平。在实际应用中，交流调速系统在以下方面优于直流调速系统： ( 1 )在大功率负载，如电力机车、卷扬机、厚板轧机等控制系统中，采用 交流调速时性能价格比最优。在中压( 6 k v 1 0 k v ) 调速系统中，现阶段只能采用 交流电机的变频调速系统。 ( 2 ) 在对“功率重量”比、“功率，体积”比要求高的领域，如电动自行车、 电动汽车、飞机中的电机拖动等，永磁同步机己成为主流。 ( 3 )在高速运行的设备，如高速磨头、离心机、高速电转等的控制中，转 速要达到数千到上千万，交流电机的转动惯量小，交流调速系统可满足高速运行 的要求。 ( 4 )适用于易燃、易爆、多尘的场合，不需要过多的维护。 ( 5 )从控制系统成本上看，现阶段系统的控制单元、功率单元及电机三部 分在总调速装置成本中所占的比例大约为：直流调速系统中各部分分别为5 ， 4 0 和5 5 ，而交流调速系统分别为1 0 ，6 0 和3 0 。特别是当功率大于5 0 0 k w 以后，交流调速系统的成本比直流调速系统的成本明显降低。随着大功率器件的 发展，功率装置成本降低，交流调速装置的成本也会大幅度的降低。 第一章交流电动机调速技术的发展概况3 表1 1交流电机和直流电机的比较 比较内容直流电机交流电机 结构及制造有电刷，制造复杂无电刷，结构简单 重量功率 2 1 体积，功率 2l 最大容量1 2 1 4 m w ( 双电枢)几十m w 最大转速 1 0 0 0 0r m i n数万r m i n 最高电枢电压 lk v6 1 0 k v 安装环境要求高要求低 维护较多较低 转矩控制 简单复杂 1 2 2 交流调速系统的难点和复杂性 交流调速系统的难点主要来自于交流电机的数学模型，它造成转矩控制困难； 而电力电子器件和微处理器更新换代的速度，也制约着交流调速系统的发展。 ( 1 ) 交流电机转矩控制困难。众所周知，交流电机是一个多输入多输出、非 线性、强耦合且时变的被控对象。对象的复杂性直接带来了转矩控制的困难这可 以从异步电动机的转矩公式中看到。稳态时异步电动机的转矩公式为： t = q 丸厶e o s 0 2 ( 1 - 1 ) 式中，g 为转矩系数，九为气隙磁通，厶为折算到定子侧的转子电流幅值，0 2 为 转子侧等效电路的功率因数角。 转矩控制的困难体现在以下几点： 九是由定子电流和转子电流共同产生的。 丸和厶是两个相互耦合的变量，且厶对于一般的异步电动机是无法测量 的，更无法直接控制。 0 2 是与转速相关的时变量( 与转差s 有关) ，且当电机运行时转子电阻随温 度的变化而变化，z 也随之变化。除此以外，式( 1 1 ) 中的t 只是平均转矩的概念。 对平均转矩的控制已经十分困难了，更何况瞬时转矩。对转速的控制的本质上就 是对转矩的控制，转矩控制的困难就是实现交流电机高性能调速的主要障碍，也 是交流调速必须采用的现代控制方法的主要困难。 ( 2 ) 调速装置中器件发展的限制。调速装置中两大组成部件是变频器和控制 器。变频器中的主要器件大功率电力电子器件在近五十年就更新换代了五代 之多，以适应高频变频调速的需要。控制器的主要器件微处理器在近二十年 4基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 中运算速度提高了数倍，以适应复杂的交流调速算法的需要。直到进入上世纪9 0 年代，这些器件的发展才日渐成熟。基本上能够满足高性能的交流调速系统的需 要。 ( 3 ) 调速系统精度和成本的限制。针对如此复杂的控制对象，新的控制方法、 新的器件构成的新的调速系统，很难一步达到已经成熟的直流调速系统所具有的 精度，因此需要反复的大量的科研工作，并接受长期的、各种工况的实际考验。 这其中不仅需要大量的时间，而且需要大量的资金。 1 2 ，3 现代交流调速系统的发展趋势和动向 纵观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展趋 势和动向： 1 控制理论与控制技术方面的研究与发展。应用实践表明，矢量控制和直接 转矩控制技术及其他现代控制理论的应用进一步提高了交流调速系统的控制性 能。为了建立交流调速系统的合理适用的控制结构，需要对交流电机数学模型的 性质、特点及内在规律作更加深入的研究和探讨。不依赖电机模型的模糊自寻优 控制、人工神经网络等智能化控制方法在交流调速系统中的应用，成为交流调速 控制理论、控制技术新的研究发展方向【6 j 。 2 变频器主电路拓扑结构研究发展。谐振直流环逆变器，使电力电子器件在 零电压或零电流下转换，工作在“软开关”状态下，从而使开关损耗降到零，提 高了变频器输出效率。同时也可以有效地抑制电磁干扰。 3 p w m 模式改进与优化。近年来，随着中压变频器的兴起，对于电压空间 矢量p w m 模式进行了改进和优化研究，为了解决三电平变频器中点电压偏移问 题，研究了电压矢量合成p w m 模式。级联式多电平中压变频器的脉冲移相技术 已经得到了应用。 1 3 直接转矩控制技术概况 1 3 1 直接转矩控制技术的产生与发展 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。然而，实际上转子磁链难以准确观测，并且系统特性 受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换 的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在 第一章交流电动机调速技术的发展概况 实践上的不足之处【7 】【”。 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e r 在i e e e 上首先提出，1 9 8 5 年由德 国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次取得实际应用的成功，接着1 9 8 7 年把它推广 的弱磁调速范围f 9 】。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，在很 大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数影响变化的影响、实 际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接转矩控制技术的一诞生， 就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到普遍 的关注并得到了迅速的发展。 采用直接转矩控制的异步电动机变频调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小、 损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。直接转矩控制系统的主 要特点有： 1 直接转矩控制时直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电 动机的磁链和转矩，它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、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， 省去了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，所需要的信号处理工作比较简 单，所用的控制信号易于观测者对交流电动机的物理过程做出直接和明确的判断。 2 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以 观测出来。而矢量控制的磁链定向所用的是转子磁链轴，观测转子磁链需要知道 电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性 能易受参数变化影响的问题。 3 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和 控制各物理量，使问题变得简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 与矢量控制方法不同，直接转矩控制不是通过控制电流、磁链等量来间接控 制转矩，而是把转矩直接作为被控制量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。 其控制方式是，通过转矩滞环调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把 转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小还可以由转矩调节器来控制。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。 综上所述，直接转矩控制技术，用矢量的分析方法，直接在定子坐标系基础 上计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助于滞环调节器调节产 生p w m 信号，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。它省去了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制简单， 控制手段直接，信号处理物理意义明确。转矩相应迅速，限制在一拍以内，且无 超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术l l o 】i l l l 。 6 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 1 3 2 直接转矩控制系统研究的现状 近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控 制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于无需对象的精确数学模型并具有 较强的鲁棒性，因而将智能控制方法引入到电机控制系统的研究有着光明的发展 前景。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服 非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制 已在交直流调速系统和伺服系统中取得满意的效果。它的典型应用如：用于电机 速度控制的模糊控制器，模糊逻辑在电机模型及参数辩识中的应用，基于模糊逻 辑的异步电动机效率优化控制，基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。神经网络 控制技术和专家控制系统引入异步电动机的直接转矩控制系统的研究正在兴起， 相信不久的将来会获得实用性结果。 i 4 本论文的研究内容 异步电机直接转矩控制技术是随着现代交流传动控制技术的发展，在深入研 究异步电机控制规律基础下的产物。它是异步电机变频调速技术的重要发展方向， 将对异步电机调速系统性能的提高和广泛应用起到巨大的促进作用，因此研究和 开发异步电机直接转矩控制技术具有重大意义和实用价值。 为了进一步改善异步电动机直接转矩控制系统的动态和稳态性能，提高系统转 矩响应速度和减少转矩脉动，特别是减少在低速度时的脉动。在常规直接转矩控 制镱略中引入了模糊逻辑控制及神经网络控制，融入了人类的控制经验，将定子 磁链误差、转矩误差和磁链角度进行了合理的智能分级，用模糊控制器及神经网 络控制器来取代传统直接转矩控制中的转矩和磁链b a n g b a n g 控制器，优化空间电 压矢量的选择，改善磁链和转矩的综合控制性能，提高系统的动态响应，构建出 全速度的智能型的异步电动机的直接转矩控制系统。异步电机直接转矩控制技术 设计基于d s p 的异步电机直接转矩控制系统的实验装置，并在m a t l a b s i m u l i n k 平 台上对其进行控制系统的模拟仿真。 论文在第一章和第二章分别介绍了交流调速系统的发展和直接转矩控制的 原理与建模。第三章介绍了智能控制理论在直接转矩控制系统中的应用第四章利 用m a t l a b s i m u l i n k 工具对智能直接转矩控制系统的圆形磁链控制系统进行了 仿真研究。第五章详述了s v p w m 直接转矩控制算法的实现，对实验结果进行了分 析说明。 第二章直接转矩控制理论 7 第二章直接转矩控制理论 直接转矩控制变频调速技术( d t c ) 是近年来继矢量控制变频调速技术之后 发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。自从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、动态性能上能 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速和磁链控制的完全解藕。它 的提出具有划时代的重要意义，其所达到的静态精度和动态响应并不亚于直流控 制系统的指标。然而，在实际上由于转子磁链难于准确观测，同时系统特性受电 动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复 杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。这是矢量控制技术的不足 之处。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制的理 论，接着1 9 8 7 年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。它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，就以自己新颖的控制思想，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，得到迅速的发展。在短短不到l o 年的时间里，单由 德国工程师协会出版社出版的新技术丛书里，有关直接转矩控制的博士论文就有 几十本。目前该技术已成功地应用在电力机车牵引及提升机的大功率交流传动上 德国、日本、美国都竞相发展此项新技术，目前己取得较大发展。 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，它包含有两层意思：直接控 制转矩和转矩的直接控制。直接控制转矩与著名的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。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。 相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离 散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。而对转矩的直接控 制是指利用直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两 点式调节器或三值调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波 动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。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。它 的控制即直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种 “直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制， 但以转矩为中心来进行综合控制。 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 2 1 异步电动机动态数学模型 要实现高动态性能，必须充分研究电动机的物理机理和动态数学模型。三项 交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，做 如下假设【1 2 】： 电机定、转子三相绕组完全对称，及定子三相绕组的结构完全相同，空问 位置彼此相差1 2 0 度；转子的铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全对称； 电机定、转子表面光滑，无齿槽效应； 电机气隙磁动势和磁感应强度在空间呈正弦分布： 电机的导磁系数为常数，铁芯的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。 由于电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止的坐 标系中描述电动机的模型将非常方便。进行坐标变换，将三相异步电动机在三相 静止坐标系上的电压方程变换到两相静止坐标系上的电压方程，可以简化模型并 获得常参数的电压方程。将参考坐标系放在定子绕组上，即通常所用的盯- p 坐标 系。定子电压矢量为f j 3 】： 毪= t f 时，如果电机的转矩t f 在增加并且z q = 1 ，则只有等t f 增加到t 2 时，调节 器的输出z q 才变为0 ，如果电机转矩在减少且z q = o ，则只有等到t f 减小到乏一占 时，调节器输出t q 才变为1 ；当1 g o 。 ( 5 ) 反向传播算法 由输出层，依据t ，按照梯度下降法反向计算，可逐层调整权值。取步长为 常值，可得到神经元，到神经元珀q 连接权t + 1 次调整算式： 州) = w o ( t ) 一叩丽a j ( t ) 刚h 莩器 = ( f ) + ( f ) 式中，玎为步长，即学习算子。 具体算法如下： o e vo e p o a w q 瓠p 却q 岛= 卺 式中，如是第j 个节点的状态对e p 的灵敏度( 第p 组样本输入时) 。 由上面的两式进而可得： 瓦a e p = 6 _ p i j p ( 3 - 1 n ( 3 q 2 ) ( 3 - 1 3 ) 第三章智能直接转矩控制系统设计 分以r 内柙倩况计算a 若i 为输出节点，即i = k 由式( 3 - 7 ) n 式( 3 1 2 ) 可得： = = 瓦0 e p = o e a y e = 嘞，( ) ) 将( 3 一1 4 ) 带入( 3 11 ) 中，则 熹= ，o 若f 不为输出节点，即f i 此时式( 3 1 2 ) 为： & = 薏= 装= 薏八， 其中 - 吗g - - ：一- g 识- - - 凯d - - 一：芋辱易 一，pq 一，瓠吣a ) ) p 1 ” = 焉芋、，= ( 3 - 1 7 ) 智，管” 、。 式中，是节点f 后边一层的第玛个节点；乓是节点的第，个输入( 第p 组 样本输入时) ，当i = j f i e i ，- - 6 ，将式( 3 - 1 6 ) n 1 5 ( 3 - 1 7 ) 代入式( 3 一1 3 ) ，有 薏= 厂嘞如萎丢t2 厂k 荨 的 由此可见，利用式( 3 1 5 和式( 3 1 8 ) ，可对式( 3 一l o ) 进行权值调整计算。 3 2 4 甚千神绎网络柠制的盲捶转铕梓制甫压开关状杰j 先柽肯塞 1 神经网络结构选择h 町 由神经网络的理论可知，三层前向神经网络能映射任意非线性函数，而查询 表就是一种非线性函数，因此这里利用b p 三层前向网络作为逆变器的开关电压状 态选择器替代矢量优化选择表，利用离线训练成功的神经网络完成查询表功能。“。 在b a n g - b a n g 控制器的基础上结合直接转矩控制的原理确定神经网络为3 个输入 1 个输出： i 输入：磁链滞环输出信号，转矩滞环输出信号，磁链角所在扇区输出信号。 输出：逆变器的开关电压u i ( i = o 7 ) 。 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 图3 7 神经网络电压矢量状态选择器 2 样本的确定及其训练 样本应该包含足够的信息以使网络能通过学习掌握被控对象的内在规律。根 据d t c 的原理，由电压开关优化表( 表2 - 2 ) 作为其训练的样本，按照下表( 3 5 ) 中的数字编号进行网络诩练，便可实现电压开关优化表功能。由于隐层神经元的 具体数目无规律可循，需要通过反复的实验确定。 为加快神经网络的训练速度，本文采用l e v e n b e r g - m a r q u a r d t ( l m ) 方法来训练 神经网络，它是一种基于梯度下降法和牛顿法的参数优化学习算法。l m 算法是 为了在以近似二阶训练速率进行修正时避免计算h e s s i a n 矩阵而设计的当误差 性能函数具有平方和误差( 训练前馈网络的典型误差函数) 的形式时，h e s s i a n 矩阵 可以近似表示为 日= ，7 ， ( 3 1 9 ) 梯度计算表达式为： g = j 1 e( 3 2 0 ) 式中：h 是包含网络误差函数对权值一阶导数的雅可比矩阵，e 是网络的误差向 量。l m 算法用上述近似h e s s i a n 矩阵按下式进行修正： 表3 - 5 神经网络电压矢量状态选择器训练样本 定子磁链所在扇区n 妒o硷 l23456 123456l lo707o7 o - 161234 5 l 3456 l2 2o0707o7 - 15612 34 第三章智能直接转矩控制系统设计 x c k + 1 ) = x ( _ j ) 一【，7 j + , l l 】_ 1 j 7 e ( 3 - 2 1 ) 当系数z 为0 时，上式即为牛顿法：当系数的值很大时，上式变为步长较小的 梯度下降法。牛顿法逼近最小误差的速度最快，更精确，因此应尽可能使算法接 近于牛顿算法，在每一步成功的迭代后( 误差性能减小) ，使减小；仅在进行尝 试性迭代后的误差性能增加的情况下，才使增加。这样，算法每一步迭代的误 差性能总是减小的 4 6 j 。 在具体的设计过程中，网络的训练误差不要求很精确，因为神经网络控制器 的输出是一个带有误差的非整数，所以只要对训练后的数据进行四舍五入取整， 达到样本输出期望值就可以了，这样可以节省训练时间及神经网络的复杂程度。 按照上述方法设计的神经网络电压矢量状态选择器替换传统直接转矩控制系统中 的电压矢量状态选择器，就形成了具有如图3 8 所示结构的系统框图。 图3 8 神经网络控制器直接转矩系统 3 3 模糊一神经直接转矩控制系统基本理论 为了进一步提高模糊控制器的智能水平以便更好地适应对象的变化，提高控 制系统的动态品质，将神经元网络技术和模糊控制技术相结合，极大地促进了模 糊控制方法的发展，便产生了模糊神经控制理论。为了简单起见，我们基于前面 所述的模糊控制基本理论和神经网络基本理论，设计出了模糊- 神经电压矢量状态 选择器。控制器的结构如图3 9 所示：对磁链误差矿、转矩误差t 以及磁链角 晓进行模糊等级划分后的输出作为神经网络的输入。 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 图3 9 模糊一神经电压矢量状态选择器 在具体的设计过程中，可以对各自的模糊等级进行数字编号，然后按照模糊 控制规则表结合相应的数字编号作为训练样本。具体做法为：磁链误差模糊等级 p ，z ，n ) 的编号可以设为 l ，2 ，3 ) ；转矩误差模糊等级 p l ，p s ，z ，n s ，n l 的编号可以设为 l ，2 ，3 ，4 ，5 ) ；磁链角的模糊等级划分为 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ， 7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，；电压矢量u i ( i = 1 7 ) 依次编号为1 0 。这些数字编号不 是固定的，只是作为训练样本而已。根据这些编号结合模糊控制规则我们可以得 到下表中的训练样本。 表3 _ 6 模糊神经电压矢量状态选择器训练样本 lb r el0203 0 t0 0 ot 0 l 9gei o0l loi ： 12 345 67 8 9l ol l1 2 112233 4 45566l l 2l2 2 334 45 566l 3o770o77o077o 41l2233445566 561l223344556 l233445566ll2 2 2233445566l12 370o77oo77o o 7 470o77o077o0 7 56ll 2 2334 4 5 56 1 3 3445566 l l 22 3244 5 566l l 2233 37 70 o 77oo 7 7 0o 45566ll 22 3344 556 61l223 3 44 5 对由表3 - 6 构成的样本，仍然采用b p 神经网络的l m 算法进行离线训练， 将训练好的模糊神经网络电压状态选择器加到直接转矩控制系统中，便构成具有 第三章智能直接转矩控制系统设计 如图3 1 0 结构的直接转矩控制系统框图。 本章小结 图3 1 0 模糊前经网络直接转矩控制系统 7 这一章详细介绍了模糊控制理论和神经网络控制理论，并结合相应的智能控 制理论设计相应电压矢量状态选择器，最终完成各自直接转矩控制交流调速系统 的构建。 第四章 异步电动帆直接转矩交流调速系统仿真研究3 第四章异步电动机直接转矩交流调速系统仿真研究 随着科学技术的发展，计算机仿真技术日趋成熟，并在实际系统的实验研究。 工程设计、产品研究发挥着巨大的作用。在众多的仿真软件中，m a t l a b 是国际 控制界应用最广泛的计算机软件。本文以目前流行的m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 作为 仿真工具，采用s i m p o w e r s y s t e m s 库提供的模块组建仿真平台，对智能电压矢量 状态选择器在直接转矩控制交流调速系统上进行了仿真研究2 9 1 1 4 ”。 图4 1 异步电动机d t c 控制系统仿真模 4 1 系统仿真模型的建立 本文采用s i m p o w e r s y s t e m s 库提供的电气模块，在m a t l a b s i m u l i n k 环境 下构建了交流调速异步电机d t c 系统得仿真模型。如上图所示，该系统主要由： 异步电动机( i n d u c t i o nm a c h i n e ) 、电压源型逆变器( v s it h r e e p h a s ei n v e r t e r ) 、 电压电流测量单元( m e a s u e r su n i t ) 、转速控制器( s p e e dc o n t r o l l e r ) 、转矩磁链观 测器( t o r q u e & f l u xc a l c u l a t o r ) 、转矩磁链滞环调节器( t o r q u e & f l u xh y s t e r e s i s ) 、磁 链扇区判断单元( f l u xs e c t o rd e c i s i o n ) 、电压矢量状态选择器( v o l t a g es t a t e s e l e c t o r ) 、p w m 波发生器( p w mc r e a t o r ) 、电机测量单元( m a c h i n em e a s u r e m e n t d e m u x ) 以及相应测量得示波器等组成1 2 6 1 。 基于d s p 的直接转矩控制系统研究与实现 4 1 1 异步电动机模块 对于异步电动机，可以根据异步电动机在口一口坐标系中的异步电动机电压方 程、磁链方程、电磁转矩方程以及转子运动方程建立其仿真模型。由于本文着重 对控制算法得研究，所以采用s i m p o w e r s y s t e m s 库中提供得鼠笼式异步电动机电 机模型，如图4 2 所示： 图4 2 电动机模型图4 3 电压源型逆变器模型 4 1 2 电压源型三相逆变器 对于逆变器模型我们这里依旧采用s i m p o w e r s y s t e m s 库所提供得逆变器模 型，如图4 3 所示。逆变器由直流电压源供电，p w m 脉冲信号输入逆变器后，形 成三相电压供电动机使用。 4 1 3 电压电流测量单元 为了对电动机电磁转矩及定子磁链进行正确的观测，必须要对电机定子恻的 电压电流进行测量，这一任务由电压电流测量单元来完成，模块内部仿真结构图 如下所示： 4 1 4 转速控制器 图4 4 电压电流测量单元模型 转速控制器模块将反馈回的转速当前值与转速给定值进行比较，通过比积分 调节器的调节而得到转矩的给定值。 第四章异步电动机直接转矩交流调速系统仿真研究 4 1 5 转矩磁链观测器 图4 5 转速控制模型 由于转矩和定子磁链是一种概念量，不能直接测得，所以用定子侧得电压电 流值对其进行观测，得到反馈回得电磁转矩值和定子磁链值。对于直接测量而来 得电压值必须经过3 2 变换才能利用第二章所述得电磁转矩和磁链观测原理进行 计算。具体仿真结构如下图所示： 图4 6 转矩磁链观测器模型 图4 7 电压3 2 变换模型 图4 8 电流3 2 变换模型 积分采用离散积分模块，对磁链幅值和磁链角得计算采用了s i m u l i n k 模块 具体如上图所示。 4 1 6 转矩磁链滞环调节器 转矩控制器采用三点式控制，磁链控制器采用两点式控制( 图4 9 ) ，施密特 基于d s p 的直