（检测技术与自动化装置专业论文）预测模糊优化控制在dtc系统中的应用研究.pdf

沈阳工业大学硕十学位论文 摘要 本文系统地介绍了直接转矩控制( d t c ) 的现状及发展情况，并对直接转矩控制的基 本理论进行了详细的介绍。提出了智能算法在直接转矩控制系统中的应用，通过实验证 明其有效性。 在电机控制系统中，直接转矩控制是最有效的交流调速技术之一，异步电机直接转矩 控制中电动机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程等组成，采用传统的控制策略 对其进行控制时，动态控制效果较差。一般的控制理论在将运动状态的变化反应到控制力 的变化上，都不同程度的存在着滞后问题。很难真正做到实时性、准确性、适应性。 本文采用灰色预测方法提取系统的行为数据，寻求系统运动规律，从而能按规律预 测系统未来的运动趋势；并根据系统未来的运动趋势，确定相应的控制决策实现准确的 预测控制。 为了具有更好的预测结果和自调整能力，本文采用遗传算法优化组合预测权重系 数，并以此为基础，经模糊推理给出相应的最佳或次最佳控制方案。解决常规模糊控制 器在直接转矩控制过程中因电机模型参数不变，及滞后所带来的超调量大、响应慢和不 稳定性等问题。 本文在仔细研究异步电动机运动控制策略发展历程的基础上，在t i 公司生产的数 字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心的开发实验平台上，进行了控制系统的软件 设计。系统的软件部分采用c 语言中嵌入汇编语言的方法完成了d t c 系统新算法的编 程，实现了定子相电流的采样、定子相电压的计算、定子磁链的观测和开关信号的输出 等功能。 i 实验结果验证了采用遗传算法优化组合预测模糊控制器方法的有效性，克服了滞后 效应对系统的影响，使系统在动态响应、抗干扰能力和鲁棒性等方面均获得了满意的效 果，实验结果表明系统的控制精度及动态品质均优于普通的模糊控制器。 关键词：直接转矩控制，组合预测，遗传算法，模糊控制器 预测模糊优化控制在d t c 系统中的应用研究 a p p l i c a t i o ns t u d yo f p r c d i c t i o nf u z z y o p t i m i z a t i o nc o n 仃0 1 l e ri nd t c a b s t r a c t t h ep a p e re n t i r e l ys l 曲m a r i z e st 1 1 ea c t u a l 匆a n dd e v d o p m e n to f d i 删t o r q l 圮c o n 们l t c ) s y 卧e mo fi n d u c t i o nm o t o r s ，a r l dd “l e di m r o d l l c e st h cb 鹃i c 也c o r y 锄dp r i l l c i p l e s a c c o r d i l 唱t o m a i np e r f b m l a n c e si nt h ed t ca r es h o wb ys h n u l 觚o ne x p e r i m e n t ，t 1 1 ea p p l i c a t i o no fi i l t e l l i g e n t a l g o r i 恤n s 访m ei ) t ci sp r e s e n t e da r 】de x p 商m e m 印p m v e t h ev a j i d 时 d i r e c tt o r q u ec o n 廿0 1 ( d t c ) i sak i n do fa c 劬血gt e c h n o l o g y c o m m o r d y ，m o t o r m a m e m 撕c a lm o d c li sc o n s 曲n c db yv o h a g ee q 嘶0 n ，n l 】) 【e q u a 士i o na n dt o l _ q u ee q u a t i o n t r a d m o n a lc o 曲f 0 1s 廿a 嘲搿砌c hd y n a r l l i cc o n 血d le 腩c ti so f as o r ta 1 1 dd e l a yp m b l e me x i s t smt o e x t 锄s oi ti sv e r yd i 伍c u l tt l l a t 仃a d i t i o i l a lc o 昀ls n 组e g ) ，删i z e sr e a l - t i n l e ，v e r a c i o u sa 1 1 d 却t l v ec o n 缸d g r e yp r e d i c t i o nc o n t r o ls e e k ss y s t e mm o v c m e n tm l eb ys y s t e mb e h a v i o rd a t ai nt h i s p 印e r i tc a i lp r e d i c ts y s t e mf h t u r em o v c m e n tt r e n db ym em o v e m e mr u l et oc o n f i m r e l e v a n tc o n t r o ld e c i s i o 小m a k i n gw h i c hi su s e dt oa c t u a l i z e 燃i o u sp r e d i c t i o nc o n 虹0 1 f o rt h es a k e o fo b t a i n i n g o p t i m i z a t i o np r e d i c t i o n a n da d j u s t i n g p e b n i l a n c e ，t h e c o e f f i c i e mo fc o m b i n i n gp r e d i c t i o ni so p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i m m ( g a ) ，a t1 a s tt h eb e s t c o n 圩o lp r 0 斟锄i sg a i n e dt 量l r o u g hf l l z z yi n f e r e n c e t h i sm e t h o da v o i d sm et i m ed e l a y r e s p o n s eo f t h es y s t e m t h ep a p e ra 1 1 a l y s e st h ec o n d l 吐啪r i e so fi i l d u c t i o nm 曲”i i ld “l ，t i l es o f tp r o g r a mi s d e s i g n e da tt h ep a i no ft m s 3 2 0 f 2 4 0d s ps e n i n g t h es o f c w a r eo f 廿1 ec o r m ls y s t e mi s c o m p l i e dw i t l le m b c d d i n ga s s e m b l el a i l g u a g ei ncp m 掣锄t oa c c o m p l i s ht h ei m p r o v e d d t ca l g o r i t h md e s i g n t h i ss o f h v a r ch a sr c a l i z e d 如n c t i o n so fm es a m p l i n go fs t a t o rp h a s e c u r r e n t ，c a l c u l a t i n go fm ep h a s ev o l t a g e ，血eo b s e r v i n go fs t a t o rn u xa 1 1 dt h eo u t p u to f s w i t c i l i n gs i g n a le t c e k p c 咖e n ti - e s l l l 招s h o wt 1 1 ec o m b i m n gp r e d i c t i o nf h z 巧c o n 垃0 1 l e rb a s e do ng ah a sg o o d 耐b r n l a i l c ea n di sn 眦e 位c t i v et l l a i l 舰d m o 删触巧c o n t r o l l e r t h es y s t e mc a l lg c tm o r e s a d s f k t o r yr e s l l l t so f d y n 锄i cr e s p o l l s e 、s 臼_ o 】唱a m i - i m e r f b r e n c ea n ds t r o r 培r o b u s 加e s s 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 ( d t c ) ，c o m b i n i n gp r e d i c t i o n ， g e n e t i ca l g o r i t h m ， f u z z yc o n t r o l l e r 独创性说明 本人郑重声明：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的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 签名：童叠日期：筮缢i 蟹坶 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 童塑导师签名：宴嵫日期：鲨z 垒主瘟博 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展和现状 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国仿j 科 技及社会生活等各方面。电动机负荷约占总发电量的6 0 7 0 ，成为用电量最多的 电气设备。 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，一是要使电动机具有 较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速 度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决 定性的影响i l j 。 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节。因此，2 0 纪8 0 年代以前，在变速传 动领域中，直流调速系统一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在 机械式换向器和电刷这一致命弱点，给直流调速系统的开发和应用带来一系列限制，一 些要求特高转速、特大功率、快速响应、条件恶劣等场合不能适用。 同直流电动机相比，交流电机特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的特点：制造成 本低、重量轻、惯性小、可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，所以能在恶 劣的环境中安全的运转。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速 电机的困难问题未能得到较好的解决。直到7 0 年代以后，电力电子器件和微型计算机 控制技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础【“l 。 1 9 7 1 年，德国学者f b l a s c h k e 提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标志着调 速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变 换来实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立调节，从而获得高 性能的转矩和转速响应特性【5 】。 矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用哪 种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的 好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现，直接法就是通过在电动 机内部埋设感应线圈以检测电机磁链，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低 了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期地保证。因此，间接法是实现应用中 预测模糊优化控制在d ，f c 系统中的应用研究 实现磁链检测的常用方法。这种方法便于实现，也能在一定程序上确保检测的准确观测， 为了补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的 引入也会使系统算法复杂化。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e 口e i l b r o c k 教授提出了一种新型交流调速理论直接转 矩控制。这种方法是在定子坐标系下对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服 了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受到电机参数影 响较大等缺点，系统的动、静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速 方案。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛的关注。目前国内处围绕直接转矩控 制的研究十分活跃。 由此交流传动技术的发展经历了以下几个阶段，即：交流变压调速系统一交流变压 ( v v v f ) 变频调速系统一矢量控制的交流变频调速系统一直接转矩控制( d t c ) 的变频 调速系统，在交流传动矢量控制技术普遍应用的今天，d t c 技术是最新、最先进的交流 调速技术，它标志着继矢量控制技术之后，交流传动控制技术又发展到一个新的里程。 1 2 直接转矩控制技术的诞生与特点 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提出，1 9 8 5 年由德国 鲁尔大学的德彭布罗克( d 印朗b r o c k ) 教授首次取得了实际应用的成功，1 9 8 7 年又将它推 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并得到了迅速的发展。 与矢量控制相比直接转矩控制系统具有以下主要特点： ( 1 ) 直接转矩控制是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 定子磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；即不需 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比较简单，所用的控 制信号易于观察者对交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。 ( 2 ) 直接转短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把它观 沈阳工业大学硕士学位论文 测出来。而矢量控制的磁场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 1 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与矢量控制的方法不同，直接控制 转矩不是通过控制电流、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，通过转矩两点式调节器把转矩检测 值与转矩给定值做滞环比较，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。它的控制既直接又简单，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，但 以转矩为中心来进行综合控制。 综上所述，直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算 与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节( b 锄g b a l l g 控制) 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。该控制系统的转矩响应迅速，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1 6 j 。 1 3 直接转矩控制的发展趋势与现实意义 传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进 一步研究。仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊 径现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撵，它 已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。 现代直接转矩控制通常采用空间矢量调制模块来调制电压空间矢量，这样更容易实 现直接转矩控制技术与先进控制技术的集成，实现更复杂的运算，尽管牺牲了传统控制结 构的简单性，然而带来了传统直接转矩控制无法媲美的性能，并且随着计算机技术的发展， 这种复杂度往往是可以接受的。为了得到理想电压空间矢量，线性磁链与转矩控制器在直 一3 一 预测模糊优化控制在d t c 系统中的应用研究 接转矩控制技术中的应用得到了一定的研究。针对交流调速系统内部参数变化、外部干 扰等不确定性因素对控制性能的影响，变结构控制思想也引入到现代直接转矩控制技术 中。然而交结构固有的抖振问题是一大障碍，利用入工智能技术解决变结构控制自身的抖 振问题将是现代直接转矩控制技术研究的一个核心内容。 目前直接转矩控制技术的研究热点有如下几个方面： ( 1 ) 先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问题 对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压 量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑 性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上 增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以_ 大大改善控制性能。 ( 2 ) 磁链与转矩估计问题 对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影晌控制性能的好坏，甚至会导致 控制失败。高速运行时现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其接近零速 时很多估计方法往往会失效解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义 ( 3 ) 速度估计问题 近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估计方 法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电动机转速不可观测性，开发高精度及适用于 超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。 ( 4 ) 空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题 现有的直接转矩控制方案通常按照额定负载条件，把定子磁链设置成恒定值进行磁 链开环的控制，而忽略定子磁链对转矩脉动的影响电动机在实际运行中，经常在空载或 者欠载条件下运行，这样原来给定的定子磁链不再是优化的定子磁链优化参考定子磁 链，对于削弱转矩脉动、改善控制性能具有重大意义。 直接转矩控制的出现引起交流电机控制理论的研究热潮，国内不少高校对d t c 技术 及系统进行深入研究，不少文章提出一些有益的改进方法，对d 1 理论与实践作出贡献。 但应该指出，d t c 引入中国的初期，人们的视角多集中在d t c 的不用旋转变换和 b a i l g b a i l g 控制上。随着计算机技术的飞速发展，矢量控制的旋转坐标应用实例局限于 g t o 电压型变频器的机车牵引传动，使得国内学术界和变频器制造商没有条件对实用 一4 一 沈匿工业大学硕士学位论文 的d t c 技术以及d t c 变频器的静态和动态特性进行深入研究。1 9 9 5 年瑞士a b b 公司 第一次将d t c 技术应用到通用化变频器上，推出采用d t c 技术的i g b t 脉宽调制变频 器a c s 6 0 0 0 。睫后又将d t c 技术应用于i g c t 三电平高压变频器a c s 6 0 0 0 也采用了 d 1 直接转矩控制技术。 随着中国经济的飞速发展，交流调速技术得到了广泛的应用，通用变频器年销售额 已超过5 0 亿。国家“十五”期间，许多大型项目需要交流调速传动，例如，西气东输 的大型压缩机传动，大型船舶电力推进，大型热轧机交流传动，高速铁路牵引传动，以 及风机水泵高压变频节能传动等等。目前，国产变频器大多数处在v f 控制水平，而国 外早已实现了无速度传感器控制的产品化。国内与国外在产品的实用化方面存在较大的 差距。因此，研究直接转矩控制技术使其国产化、商品化，对国家的经济建设具有重要 而现实的意义 1 4 智能控制综述 科学技术的高速发展使得控制的对象日益复杂化。传统的自动控制理论在面临复杂 性所带来的困境时，力图突破旧的模式以适应社会对自动化学科提出新的要求。智能控制 作为自动控制理论的前沿学科之一。反映了控制理论界近年来在迎接对象复杂性的挑战 中作出的种种努力。目前，智能控制技术的应用可以说涉及非常广泛的领域，例如医学、 航空航天、机器人、家电及工业产品、机电设备、交通工具、仪器仪表、核反应堆控制 等。智能控制从理论到应用都得到发展。 智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相关 的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自 适应控制、自组织控制、( 自) 学习控制等技术。智能控制的研究内容之一就是把智能控 制的相关技术与控制方式结合或综合交叉结合构成风格和功能各异的智能控制系统和 智能控制器。由于智能控制所具有的重要特性，因而受到广泛重视和研究【7 1 。 智能控制的特点之一是它适用于不确定的或难定义的过程控制、复杂的非线性被控 对象控制、随时间变化的过程控制等。作为复杂模型的描述可以有定量的( 由数字或参 数描述) 或定性( 由因果关系描述) 的描述。一般情况下，一个系统的输入输出响应不能很方 便地被定量地描述。这是由于系统的复杂性；缺乏对物理系统的理解；系统动力学 一5 一 预测模糊优化控制在d ，r c 系统中的应用研究 的随机性。 在智能控制技术中，专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等技术都可用于描述 复杂的模型或过程。其中模糊逻辑擅长复杂模型的定性的描述。当然模糊逻辑也可以和 其他技术样用于定量描述，而其他技术都是基于定量的描述。由于多数系统的描述是无 法定量的描述，因此，为了扩大对各种定性问题的描述，基于模糊逻辑的专家系统、神经网 络、遗传算法技术及其混合技术已被广泛应用。 智能控制的特点之二是它利用自适应、自组织、( 自) 学习等方式来提高系统的自动 化和智能化控制。智能控制的特点之三是它能综合交叉各种技术使得智能控制系统和智 能控制器设计形式日益多样化和智能控制技术应用范围日益广泛。单纯的技术难以实现 智能模拟，而多项技术的结合有利于智能模拟；单纯的控制方式使系统缺少智能，而综合自 适应、自组织、( 自) 学习及其他技术的控制可以提高系统的智能控制。目前，基于各种技 术的智能控制系统和智能控制器的设计被广泛研究。智能控制的特点之四是它可以向传 统控制理论分析系统的动态性一样，描述系统的稳定性、系统的能控和能观性、系统的最 优控制( 即熵函数和能量函数的描述) 、系统的复杂性等。 1 5 本文主要工作内容 本文系统缝介绍了直接转矩控制的产生和发展情况。并利用仿真结果说明了其特点 及存在的问题，从而引入了智能控制的方法，并对文中所涉及的智能算法进行了详细的描 述。将智能算法引入直接转矩控制系统当中。并且本文利用d s p ( 1 m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 实现 了直接转矩控制系统的数字化。以电机控制专用d s p 控制器为核心，完成了异步电机 数字式直接转矩控制系统的设计，通过软件设计实现近似圆形定子磁链控制算法，并利 用d s p 电机控制实验系统开发平台对控制算法进行了实验，实验结果表明了智能方法 实现了直接转矩的智能化控制，并提高了系统的控制性能。 全文共分八章，内容安排如下： 第一章综述了交流电机变频调速的控制方法，然后介绍了直接转矩控制的发展现状 及发展方法，由此引出了智能控制技术。提出了本文的主要研究问题。 第二章从异步电动机的数学模型出发，深入地分析了直接转矩控制基本原理，指出 只要控制异步电机的输入电压矢量就可以控制定子磁链的大小、旋转方向及转速，直接 沈阳工业大学硕士学位论文 转矩控制的核心思想就是合理的选择电压矢量。 第三章详细地介绍了文中所涉及的智能算法，给出了模糊控制的理论基础，并阐述 了以模糊控制器取代传统直接转矩控制系统中的磁链和转矩控制的理论，提出了基于模 糊算法的直接转矩控制。 第四章将预测算法应用于直接转矩控制系统当中，提出了基于两种预测算法的组合 预测，给出了用来预测直接转矩控制系统中的磁链、转矩与位置角的组合预测模型。 第五章构造了一种基于遗传算法优化的灰色预测器应用于直接转矩控制中，用来优 化组合预测的权系数，使预测模型达到更好的预测效果。 第六章介绍了d s p 控制器1 m s 3 2 0 f 2 4 0 以及全数字化直接转矩控制系统的硬件构 成与设计。并阐述了直接转矩控制算法的c 语言实现，介绍了程序的软件设计方案与实 现。 第七章给出了利用d s p 系统开发平台对圆形控制算法进行实验的结果和分析说明。 第八章给出了全文的结论，证明了预测模糊优化算法在直接转矩控制系统中的应用 提高了控制系统的动、静态特性。 预测模糊优化控制在口r c 系统中的应用研究 2 直接转矩控制系统的基本理论 2 1 前言 直接转矩控制是一种高性能的交流电机驱动控制技术，是继矢量控制之后提出的一 种新方法，其核心为磁链和转矩的“直接自控制”，避免了矢量控制存在的一些问题， 因而受到人们的重视。它用空间矢量理论计算异步电机的定子磁链和电磁转矩，由磁链 和转矩的”b a i l g b 雏g “控制产生p w m 信号，对逆变嚣的开关状态进行控制，控制思想 独特，系统结构简单。 2 2 三相感应电动机控制原理 三相感应电动机在构造上可大致分为定子与转子两个部分，定子上三相绕组的结构 是以空间上互差1 2 0 度的位置加以排列而成，转子绕组直接短路，在定子三相绕组上输 入适当变化的交流电源，就能建立定子磁场，定子磁场切割到转子绕组，在转子上感应 出电动势，并且产生电流而后建立起转子磁场，如图2 1 所示，转子磁场建立后会与定 子旋转磁场互相吸引产生转矩，进而带动转子转动。 图2 1 三相感应电机旋转磁场示意图 f i g 2 1n i n p h a i n d u c t i e l e c 研cm l l i r y 咖m a 鲫“i c6 e l d 2 3 直接转矩的结构与原理 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此对异步电动机的数学模 型进行分析时，通常作以下一些假设： 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，所产生气隙磁场按正弦分布： 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 忽略磁路饱和现象； 不计铁心损耗； 不考虑频率温度变化对绕组的影响： 基于上述假设的异步电机数学模型等效于图2 2 。 d 口 图2 2 异步电动机的空间矢量等效电路图 f i g 2 2e q u i v 缸e 眦s p a v t o rc i r c u to f i n d 时o nm a t o r 图中r 5 和心分别为单相的定子电阻和转子电阻：l ，为单相的转子漏感与定子漏 感之和；厶为单相励磁电感与定子漏感之和；_ ，国妒，是转子反电势：，和y ，分别为 定子磁链矢量和漏磁链矢量：0 ，毒和f 。分别为定子电流矢量，转子电流矢量和励磁电 流矢量：“。是定子电压矢量嘲。 2 3 1 电压空间矢量的概念 交流电机的电压、电流、磁链等均是三相电磁量。如果在复平面内，用一个矢量来 表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为两维物理量，给分析控制带来很多 方便。把三维向量变为一个矢量时，通常采用p a r k 变换。 若v 口( f ) 、珊( f ) 、w ( f ) 为三相电磁量在三相坐标系下的瞬时幅值函数，则其全成矢 量v ( f ) 是p a r k 矢量变换关系可表示为： 哥c r ，= ； v a t r ，+ v * c r ，e j ；f + v 。c r ，c j ；。 c z - ， 预测模糊优化控制在d r c 系统中的应用研究 v ( f ) 则为p a r k 矢量，它表示在某一时刻三相电磁量合成作用在坐标系中的空间位 置，故称为空间矢量。 由上图可以得出定子电压方程和转子电压方程： 定子电压方程： = 墨+ 等 ( 2 z ) 转子电压方程： o ：一华+ 警+ r ，f r + 归炸 ( 2 3 ) d td l 11。1 定子磁链和转子磁链由下式获得： 虮= ( “，一墨) 盛 ( 2 4 ) 妒，= j 一口 ( 2 5 ) 根据电磁关系可得电流表达式： 转子电流方程： 定子电流方程： 2 等 啪。2 鸶+ 等 由式( 2 2 ) 式( 2 7 ) 可以得出转矩： r = 孚印 - 。仃 此外可以表示为定子磁链和定子电流形式： f = 萼毗表d ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中n 。为电机极对数。 式( 2 9 ) 表明，当维持定子磁链和转子磁链都恒定不变时，只要改变它们两者之间 的夹角就可以改变转矩，这是直接转矩控制的根本所在【9 1 。 2 3 2 逆变器的数学模型 控制逆变器电路动作，即可产生前述的空间矢量，由此可知，逆变器电路在整个电 动机控制系统中占着不可缺少的关键地位。如图2 3 左侧即为逆变器电路结构示意图， 逆变器电路是由六个固态开关组件组成，共分为三组三个路径，通常会称一个路径为一 臂，而上面三个开关统称为上桥开关，下面三个开关则称为下桥开关，由电路左边输入 稳定的直流电源，就因为是这样的电路结构，所以，单一臂上的上桥开关与下桥开关， 绝对不可同时关闭，否则必将导致电源短路而造成严重损坏，因此，上下桥开关的动作 若不是一起开路，就是以一个开一个关的互补方式进行切换。规划这些开关连续切换， 可控制a ，b c 三处输出正负电压交替变换的三相交流电源，在电动机控制的应用中， 将a ，b ，c 三处电路位置与三相电机定子绕组引出线相连接，于是定子绕组得以接受三 相交流电源而产生旋转磁场，进而驱使电动机转动1 1 0 1 。 图2 3 电压型逆变器示意图 f i g 2 3v o l t a g e u r c ei n v e r t 盯 a 逆变器的开关由自关断器件构成，每相的开关状态互锁，因而六个开关器件的工作 状态并不完全独立。实际上只有三个独立变量。这样逆变器可用三个单刀双掷开关只， s 和最表示。若规定a 、b 、c 三相负载的某一相与“+ ”极接通时，该相的开关状态 为“1 ”态；反之，与“一”极接通时，为“o ”态。当疋= l 时，表示逆变器的a 相上桥 预测模糊优化控制在d 1 r c 系统中的应用研究 臂开关闭合，下桥臂开关关断：当咒= o 时，a 相状态刚好相反。这样根据e 、墨和 为0 或为l ，可以组合成2 3 = 8 个p 么( 咒，s ，足) ，用二进制表示逆变器的开关状态如表 2 1 ，空间分布如图2 4 所示。 表2 1 逆变器的开关状态 t a b 2 1s w i t c hs t a t eo f i n v e r t 盯 开关状态 u o u l u 2 u 3 u 4u 5 u 6 u 7 ol1oool1 品 ool1loo 1 兰! ! p a r k 变换就是将三个标量( 三维) 交换为一个矢量( 二维) 。图2 4 为逆变器开关 组合的电压空间矢量。如果将电动机a 、b 、c 三相定子绕组接成星形，其输出电压空 间矢量u s ( t ) 的p a r k 矢量变换表达式为： 陆( ，) = ( 妇叻阮) = ；陆+ 踟e j 2 州3 + 沈一4 州3 】 = ；泓k + 酣2 棚+ 跗4 叫 “， 0 1 l o ，国口， 0 叭1 叭 图2 4 电压空间矢量 f 嘻2 4v o l t a g es p 獬v e c 6 吖 “，( f ) u b 1 0 0 u c s a b c 蹿与1 ，3 u d l：1 l 一 r r 一 埘 。_ 一 卜 i i r w t 川i ： i ， ；ii 埘 d l l ：0 0 11 0 l ：1 0 0 ：11 0 ：0 1 0 图2 5 无零状态输出时相电压波形 f 嘻2 5p 1 1 a 鞠v o l t a g cc u r v ew i n l o mz e m s t a t e 沈阳工业大学硕士学位论文 其中u a 、u b 、u c 分别是电动机a 、b 、c 三相定子绕组的相电压，s a ，s b ，s c 分别 为讪，c 三相的开关状态。通过公式( 2 1 0 ) 就可以用电压矢量u s ( t ) 来表示逆变器三相 输出电压的各种状态。矢量的顺序正是从状态“l ”到状态“6 ”逆时针的旋转，所对应 的开关状态是0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 ，如表2 1 所示。图2 4 所示电压型逆变器，在 不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，其输出的6 种工作电压状态的电 压波形见图2 5 。图2 5 表示出逆变器的相电压波形、幅值及与开关状态对应关系。 由图2 5 可知：相电压的波形的极性和逆变器的开关状态的关系为某相负载与“+ ” 极接通时，该相逆变器的开关为“1 ”态，反之为“o ”态。因此由相电压u a ，u b ，u c 的波形图可直接得到逆变器的各开关状态。由相电压波形得到的开关状态顺序与表 2 1 中所规定的顺序完全一致。电压状态和开关状态都是6 个状态为一个周期，从状 态“l ”至状态“6 ”，然后再循环。相电压波形的幅值是两个：u d 3 和2 u d ，3 。 2 3 3 三相一两相坐标变换 由于转子的旋转，定、转子绕组的互感将是定、转子相对位置的函数，使得交流电 机的数学模型为一组非线性的微分方程。为了解除这种非线性的耦合关系，需要进行变 量的坐标变换，建立d - q 轴参考坐标系的异步电机数学模型。其转换原理如图2 6 所示， 通过三角函数的运算便可将三相坐标轴上的函数投射至d q 轴坐标上j d 暑 图2 6 三相坐标轴与d q 轴转换 f 培2 61 h n s f b mb 吣v e e nt i l r e ep h 硒e a ) i s 锄dd qa 】i s 见式( 2 11 ) ( 2 2 0 ) 所示之转换推导过程，其中以胁，f b s ，f c s 代表欲进行d - q 轴坐标 转换的三相坐标轴函数，f 凼， f q s ，f o s 则表转换结束后的d - q 轴函数。 预测模糊优化控制在d r c 系统中的应用研究 如= ； 厶c o s 占+ 允c o s ( 护+ 詈石) + 厶c o s ( p 一；z ) q ，。 知= ； 允s 缸日+ 厶s m ( 口+ 詈石) + 厶s m ( 口一；厅) c z 比， 当日= 0 时， = 三k + 允+ 厶】 将( 2 1 4 ) 式至( 2 1 6 ) 式加以整理可得( 2 1 7 ) 式： 褂 2 l 33 o 3 ll 33 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 假设三相平衡，故而可以成立( 2 1 8 ) 式，并代换至( 2 1 7 ) 式中，于是可得( 2 1 9 ) 式与( 2 2 0 ) 式： 厶+ 厄+ 厶= o ( 2 1 8 ) 缸= f m ( 2 1 9 ) 岛= 去厶+ 击允 q 2 将( 2 1 8 ) 式与( 2 2 0 ) 式加以整理而得( 2 2 1 ) 式的转换通式： 1 4 一 ，讥 汛，派 颤扒氟扣蝣扣 出 口 j 厶 岛 风 1，j 厶丘厶 lihjjll 沈阳一2 大学硕士学位论文 阱b 撇 ( 2 2 1 ) 将相电压代入，即令矗= ，m ，丘= 代入( 2 2 1 ) 式，可得( 2 2 2 ) 式： 阱陪辨 ( 2 2 2 ) 将相电流代入，即令知= f ，丘= 代入( 2 2 1 ) 式，可得( 2 2 3 ) 式： 州去湖 z s ， 至此，相电压相电流皆己转成d q 轴形式，接下来的分析皆以d q 轴形式进行计算。 交流电机定子磁链观测的准确性，可以说是直接转矩控制技术实现的关键。定子磁 链无论其幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，甚至出现不稳定。直 接转矩控制系统中，磁链观测模型一般有三种：一f 模型、f 一疗模型、“一h 模型。他们 具有不同的参数依赖性，因而也具有不同的测量精度、不同的使用范围和不同程度的鲁 棒性。其中“一f 模型最为简单和常用，它在高速域精度高，但在低速时囚积分项的误差 使模型箱度严重下降。f 一甩模型虽然使得系统不受定于电阻的影响，但受主电感、漏电 感、转子电阻的影晌，高速下模型的精度无法保证。“一肛模型是最有优势的电动机磁链 模型，它综合了、f 一疗模型优点，实际上高速时工作在“一f 模型下，低速时工作在 f n 模型下，但它实现起来较困难，实际系统较少使用。 ( 1 ) 定子磁链的“一f 模型 根据图2 1 交流电机的数学模型，定子电压与定子磁链的关系可写为： 忱= i 他一置弦 ( 2 2 4 ) 预测模糊优化控制在d t c 系统中的应用研究 在叩坐标系下磁链分量可写成： 舻睁咄u 以 ( 2 2 5 ) l 讥p = f “，一毽如) 毋 ”。 虬= 乞+ ”= 瓴一屯) t + = 也一孥) 厶+ ( 2 2 6 ) 虬2 e ( f ，厶+ 悱) q 2 7 警= 归”+ 母= 徊+ 考一竹) ( 2 2 8 ) ，一寺e 汜：。， 【等一国y 啊+ 专c 一， 沈阳工业大学硕士学位论文 ，驴壶c ，驯 眨。， 【誓= 喇+ 号c 一， “ 誓= ( _ 惫伽耵鼍 ( 2 。t ， d l 、l + l ，。l + l i 警2 弦+ 专( 训 ( 2 3 2 ) 预测模糊优化控制在d ，r c 系统中的应用研究 2 4 电压矢量对定子磁链的作用 由于磁场的效应无法瞬间变化，调整磁场大小或驱使角度偏移需要经过一段时间， 逐步累进，即磁场磁通的效应绝对是随时间累加变化的，不可能在零时间的情况下，瞬 间跳跃成另一状态。直接转矩控制的空间矢量调制的基本原理，就是利用磁场磁通的累 积特性，应用上述的电压向量切换原理，以某一个电压向量维持一段很短暂的时间，而 提供定子磁场一份微小的变化量，在许多次有规则的电压向量切换之后，定子磁场也就 跟着累加了许多次微小变化量，逐渐地出现磁通大小改变或角度偏移等情况，据此可进 一步达成磁通与转矩的控制【1 2 1 。 2 4 1 空间电压矢量对定子磁链的作用 根据对空间电压矢量的描述可知在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量，则可得 到定子磁链的运动轨迹形成正六边形磁链。直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单 地得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这种方法是直接转矩控制的基本思想。电压空 间矢量对定子磁链矢量九的影响可以通过以下两种方式来实现。 ( 1 ) 在有效空间电压矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效空间电压矢量作 用时，定子磁链九沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作用时，定子磁链 停止不 动。由于零矢量的插入，九走走停停，所以旋转速度变慢了。如果在插入零矢量后仍保 持每个有效空间电压矢量的作用总时间不变，则定子磁链矢量的幅值将不变。用这种方 法可以控制异步电动机的恒磁通调速，亦即恒转矩调速。 空间电压矢量对磁链幅值作用如图2 7 所示，其中地伽一1 ) 为施加的电压矢量，乃 为电压矢量作用的时间，0 为电压矢量与磁通矢量的夹角。图中所示为离散化后的表示， 并且忽略定子电阻的作用。 由图2 7 分析可得，当所施加的电压矢量与磁通的夹角0 小于9 0 度时，该电压矢量 作用的结果使磁通幅值增加：当0 大于9 0 度时，电压矢量作用的结果使磁通幅值减小： 当o 等于9 0 0 或施加的是零矢量时，磁通幅值基本保持不变。 ( 2 ) 改变有效空间电压矢量的交替作用时间，即改变磁链的旋转速度。由于有效空间 电压矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后定子磁链所围的面积将会发生变 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 7 定子磁通与电压矢量关系简图 f i g 2 7 r e l a t i o n o f s 妇l t o r n u ) 【a n d v o i t a g es p e v e 咖r 化。作用时间变短，面积将变小，定子磁链矢量的幅值也将变小。因此用这种方法可以 控制异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。 2 4 2 空间电压矢量对电动机转矩的作用 异步电动机转矩的大小不仅与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关，还和它们的夹角 有关，夹角从0 0 到9 0 0 变化时，电磁转矩从零变化到最大值。在实际运行中，一般保持 定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，而转子磁链幅值由负载决定，因此要 改变电动机转矩的大小可以通过改变磁通角的大小来实现。在直接转矩控制中，就是通 过空间电压矢量l i s ( t ) 来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度的大 小，从而改变转差也即磁通角的大小来控制电动机的转矩： ( 1 ) 若要增大电磁转矩，就加载有效空间电压矢量，使电压的幅值足够，定子磁链 的转速就会大于转子磁链，磁通角增大，从而使转矩增加。 ( 2 ) 若要减小电磁转矩，则加载零电压矢量，定子磁链就会停止转动，磁通角减小， 从而使转矩减小。通过转矩两点式调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态的交替 出现，就能