（电力系统及其自动化专业论文）基于磁场定向的感应电机直接转矩控制研究.pdf

第i i 页西南交通大学博士研究生学位论文 接转矩控制的优点，又能较好地克服其不足。 在以上理论分析的基础上，分别对本文所提出的新方法进行了仿真研究， 结果证明了所提出方法的正确性。采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器构建了 相应的实验系统，对传统直接转矩控制方法和基于磁场定向的直接转矩控制 方法的不同工况进行了对比实验，实验结果进一步证明了本文所提出方法的 有效性。 关键词：感应电机，直接转矩控制，磁场定向控制，空间矢量调制。 西南交通大学博士研究生学位论文第i i i 页 a b s t r a c t s i n c et h ef i e l d o r i e n t e dc o n t r o ls c h e m ef o ri n d u c t i o nm a c h i n eh a sb e e n d e v e l o p e df r o m19 7 0 s ，i th a sg a i n e dh u g e s u c c e s si np e r f e c t i n gc o n t r o lt h e o r ya n d i m p r o v i n gc o n t r o la l g o r i t h me t c i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yw i t ha d v a n c i n go f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m o d e r nc o n t r o lt h e o r y , a n dh i g h p e r f o r m a n c ep o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s a l t h o u g h t h ev e c t o rc o n t r o lo fa cm a c h i n e sh a s m a n y e x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，t h e r e s e a r c h e r sh a v e b e e n a t t e m p t i n g t o s i m p l i f y t h e c a l c u l a t i n gs t e p sa n dt h es t r u c t u r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v et h ea c c u r a t i o n o ff i l e d o r i e n t e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fa cm a c h i n e d r i v e s a m o n gt h e s e g e r m a n ya n dj a p a ns c i e n t i s t sf i r s t l yd e v e l o p e dan o v e la cm a c h i n e sc o n t r o l s c h e m en a m e da sd i r e c tt o r q u ec o n t r o li nt h em i d s tt i m eo f19 8 0 s t h i ss c h e m ei s c h a r a c t e r i z e db yc o n c i s ec o n t r o ls t r u c t u r ea n dr o b u s tt ot h ev a r i a n c eo fa na c m o t o r sp a r a m e t e r s i ti sa l s oc h a r a c t e r i z e db yt h er a p i dr e s p o n s eo f t o r q u ea n d f l u x t h e nt h i sm e t h o di se v o k i n gt h eg r e a ti n t e r e s to f m a n yr e s e a r c h e r s h o w e v e r ，t h e a p p l i c a t i o n so ft h i sm e t h o da r el i m i t e dd u et o s o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s ，t h e l a r g er i p p l e o fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ，t h eg r e a th a r m o n i cc o m p o n e n t s ，a n dt h e d i s t o r t i o no f t h es t a t o rf l u xt r a c k h o wt or e m a i ng o o dp e r f o r m a n c ea n dt oe l i m i n a t et h e d i s a d v a n t a g e so f c o n v e n t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lc a u s e sg r e a t ei n t e r e s to f m a n y r e s e a r c h e r s t h e k e yd i s c u s s i o n e s o ft h ep a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s a sw ek n o w , t h ep e r f o r m a n c eo ft h er o t o rf i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li s e a s i l ya f f e c t e db y t h ev a r i a n c eo fr o t o rp a r a m e t e r so fa na cm a c h i n e s t h i sp a p e r f i r s t l yh i g h l i g h t st h eb a s i cf a c t sa b o u tt r a d i t i o n a lt h e o r yo ff i e l d - o r i e n t e dv e c t o r c o n t r 0 1 a ni m p r o v e da l g o r i t h mf o rd - a x i sc o m p o n e n to fc u r r e n ti sp r o p o s e d ，b y w h i c ht h es t a t o rf l u xa m p l i t u d ec a nb ec o n t r o l l e da c c u r a t e l y t h e nan e w a p p r o a c h o fs t a t o rf i e l d o r i e n t e dc o n t r o lo fa cm o t o r si s p r e s e n t e d i nw h i c ht h er a p i d d y n a m i cr e s p o n s eo f f l u xa n dt o r q u ei sa r c h i e v e d i na d d i t i o n ，i t sp e r f o r m a n c ei s n o ta f f e c t e db yt h ev a r i a n c eo fr o t o rp a r a m e t e r s am o d i f i e dm e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o li sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i s o fc o n v e t i o n a ls c h e m e t h ec a l c u l a t i o n a lm e t h o d , o fs t a t o rv o l t a g ea sw e l la st h e r e l a t i o n s h i p t os t a t o rf l u xa n d s y n c h r o n o u sa n g l ev e l o c i t y a r e a n a l y z e d a s i m p l i f i e dm e t h o d o f c a c u l a t i n gt h es t a t o rs y n c h r o n o u sa n g l ev e l o c i t yi so b t a i n e d 第i v 页西南交通大学博士研究生学位论文 b yu s i n gt h er o t o rf l u xc o m p o n e n ta n dc o m p e n s a t i o no fp r o p o r t i o n a lr e g u l a t o ro f t o r q u ee r r o rc o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls i g n a l so f i n v e r t o ra r ep r o d u c e db ys p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nt oa c h i e v eas m a l l t o r q u er i p p l ea n d c o n s t a n ts w i t c hf r e q u e n c y t h e t h e o r yo fs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na n dh a r m o n i c sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ， a n dt h ea n a l y t i c a lf o r m a t i o no f v o l t a g et os p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni so b t a i n e d w e c a ne v e n l ya l l o c a t e s y m m e t r i c a l l yt h e z e r o v o l t a g e v e c t o rb e t w e e nt h ea c t i v e v o l t a g ev e c t o r sd u r i n go n er e g u l a t i n gp e r i o dt or e d u c et h et o r q u er i p p l ea n dt h e c u r r e n td i s t o r t i o n i nt h ec o n d i t i o no fk e e p i n gt h ec o n s t a n ts t a t o rf l u x a m p l i t u d e ，t h er a p i d t o r q u er e s p o n s ec a nb eo b t a i n e db ym a i n t a i n i n gt h er e f e r e n c ea n g l ev e l o c i t yo ft h e s t a t o rf l u xt ot h es u mo ft h es t a b l es t a t ee l e c t r i c a ls y n c h r o n o u s a n g l es p e e d a n dt h e p r o d u c t o ft h er o t o rc u r r e n ta m p l i t u d ed e r i c a t i v ea n da c o n s t a n t a c c o r d i n g t ot h i s ， w ed e v e l o pt h em e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do nt h ef i e l d o r i e n t e da n d d i s c u s sr e s p e c t i v e l yt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do nt h es t a t o rf i e l d o r i e n t e da n d t h er o t o rf i e l d o r i e n t e di nd e t a i l t h i sn e wm e t h o dr e s e r v e st h e a d v a n t a g eo f c o n v e n t i o n a ld t ca n do v e r c o m e si t sd i s a d v a n t a g e o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o no ft h e s en e wm e t h o d s a b o v ea r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i n gr e s u l t sv e r i f yt h a tt h ep r e s e n e d m e t h o d sa r ev a l i d t h ee x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t b yu s i n gt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r o ft m s 3 2 0 f 2 81 2 t h e c o m p a r i a b l ee x p e r i m e n t s o ft h e c o n v e n t i o n a ld t cm e t h o da n dt h ef i e l d o r i e n t e dd t cm e t h o di sd o n ea tt h e v a r i o u sw o r kc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e p r o p o s e d m e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm a c h i n e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，f i e l d o r i e n t e d v e c t o rc o n t r o l ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作考完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位的全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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密醇在年解密后适用授权书 2 不保密谢适用本授权书。 学位论文作者签名：寡弗旁k 日期：撕年f 月巧日 指导教师签名：季笤 日期：切口年f 月) 占e l 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位文的主要创新点如下： 1 提出了一种新颖的定子磁场定向控制方法，采用解析的方法直接计算 出d 轴给定电流，对定子磁链幅值进行精确控制，以获得快速的磁链与转矩 响应。相关内容见本论文第二章。 2 提出了一种直接转矩控制的改进方法，深入分析定予电压矢量与定子 磁链和同步角速度之间的关系及其求解方法，指出了改进传统直接转矩控制 不足的主要措施，实现了小的转矩脉动和恒定的开关频率。相关内容见本论 文第三章。 3 提出了在定子磁链保持恒定的条件下，控制定子磁链的角速度等于稳 态同步电气角速度与转子电流幅值的导数乘上一个常数的和，可以实现快速 的转矩响应。相关内容见本论文的第五章。 4 提出了基于磁场定向的直接转矩控制方法，实现了定子磁链恒定条件 下对转矩的连续控制。该方法既具有传统直接转矩控制的优点，又能较好地 避免其不足。相关内容同本论文第五章。 学位论文作者签名：亲$ 寺l 日期：卯锋f 月w 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章概述 电气传动作为机电能量变换的装置在工业应用中起着重要的作用。交流 电机具有结构简单、无换向器、体积小、重量轻、坚固耐用、维护性能好和 成本低廉，且对重过载具有一定的鲁棒性：同时，电力电子技术、微处理器 技术和现代控制理论的快速发展，都促使人们重新认识交流调速系统在电气 传动领域的作用。 2 0 世纪7 0 年代初，石油危机席卷全球，工业发达国家投入大量人力、财 力研究节能措施。研究发现，占电机用电量一半以上的风机、泵类负载是靠 阀门和挡板来调节流量或压力的，由于其拖动电机一般工作在恒速状态，所 以造成了大量的电能浪费。如用改变电机转速的方法调节风量或流量，在压 力保持不变的情况下，一般可节电2 0 0 一3 0 1 , 2 , 3 1 。在工业化国家，经济型交 流电机调速装置已大量地使用于这类负载中，成为重要的节能手段。因此， 研制一种经济实用的高性能交流调速系统作为此类机械的动力源具有十分重 要意义；此外，从提高产品质量上来看，在生产中采用高性能的交流调速系 统，可以进一步提高产品质量、减少废品、降低成本和提高设备的自动化水 平，从而进一步提高劳动生产率。 鉴于此，国外大学和公司投入了大量人力、财力进行此类研究，提出了 多种不同的解决方案，并在2 0 世纪8 0 年代推出了一系列商品化的交流电机 控制系统。但就其本质而言，主要有两种途径：一是在保持交流感应电机矢 量控制优良特性的前提下尽量简化控制系统。目前在这方面做了许多有益尝 试1 4 。j ，如在控制系统中采用模块化控制芯片和专用微处理器芯片，这样就大 大降低了整个系统的价格，同时也提高了系统的可靠性。二是探索新的交流 感应电机控制理论，目前这方面的研究十分活跃，如d t c 控制理论【8 - 1 2 。 1 _ 2 交流电机控制系统发展的历史背景 自十九世纪发明交流电机以来，如何实现交流电机的精确调速一直是工 业界和学术界长期追求的目标。直到通用电气公司研究发展中心的m c m u r r a y 首次提出晶闸管逆变的m c m u r r a y 换流电路和m c m u r r a y b e d f o r d 换流电路之 后”】，交流电机的的精确调速才得以实现。后来，又出现了电流型串联二极 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 管电路，以及交一交变频循环变流器电路等1 1 4 】。1 9 7 1 年b l a s c h k e 首次提出了 磁场定向控制理论l l5 1 ，它的原理是以坐标变换理论为基础，参照直流电机磁 场( 磁化电流) 与电枢电流( 产生电磁转矩的电流) 在空间相互垂直、没有 耦合、可以分别进行独立控制的特点。相应地把定子电流分解成磁化电流分 量和与之相垂直的转矩电流分量。对这两个分量分别进行控制，就可以和直 流电机一样实现解耦控制，有效地控制电机所产生的转矩，使被控系统具有 良好的动静态特性。矢量控制理论的运用使交流传动系统的动静态特性得到 了显著的改善，从而使高性能交流传动系统可能成为现实。但磁场定向控制 在2 0 世纪7 0 年代不可能得到大的发展，主要是受制于当时电力电子器件和 微处理器的运算能力较低而不能满足此种控制方式的高性能要求。磁场定向 控制真正巨大的进步和实用化是在2 0 世纪8 0 年代中期，其中l e o n h a r d 教授 和他的学生们在这方面作了大量的工作 1 7 , 1 9 , 1 9 1 ，他们的工作促使了磁场定向矢 量控制基本理论的成熟1 2 。 虽然磁场定向控制取得了巨大的成功，但由于其控制系统需要进行坐标 变换，导致整个控制系统比较复杂。另外，由于磁场定向的精度易受到转子 参数变化的影响，难以实现对磁场的精确定向控制，在一定程度上影响其控 制性能，其推广应用也受到了一定的限制。如何简化磁场定向控制系统的复 杂性，进一步提高磁场定向的精度和控制系统性能，一直是这一领域的研究 热点。其中，理论和实践的一次重大进步是，在2 0 世纪8 0 年代中后期，德 国和日本科学家相继提出的感应电机直接转矩控制理论。其特点是不需要复 杂的坐标变换，通过对反馈信号的实时运算得到定子磁通和转矩的瞬时值， 从而实现各自的自调整控制。这种控制系统结构简单，对电机参数的变化不 敏感。通过对转矩、磁通的闭环控制，可获得良好的动静态调速特性。作为 一种瞬时转矩控制系统，其控制思想新颖、直接、简练是不言而喻的。这种 方法的不足主要表现在转矩脉动大、电流谐波成分重、定子磁链轨迹存在一 定的畸变和低速性能不理想等方面。 1 3 交流电机控制系统的国内外研究现状 1 3 1 交流电机的控制策略 电压频率恒定控制是从电机稳态方程出发研究其控制特性，但由于交流 电机是一个多变量、非线性的被控对象，所以，这种方法的动态控制效果不 是很理想。2 0 世纪7 0 年代初提出了用矢量变换方法研究电机的动态控制过程， 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 不但控制各变量的幅值，而且也控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控 制概念，巧妙地实现了交流电机磁链和转矩的重构和解耦控制，从而促进了 高性能交流控制系统走向实用化。目前，国内外采用矢量控制技术的变频器 已在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中获得了成功的应用。此外， 为解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如 直接转矩控制、电压定向控制和矢量转矩控制等。下面对感应电机控制的研 究现状给予简要的评述。 1 转速开环电压频率比恒定控制【2 2 】 这种方法是从保持定子磁链恒定的变压变频的基本方式出发，同时也是 交流调速系统的一种最简单的控制方法。由于该方法只依据电机的稳态数学 模型进行控制。控制系统很简单，故为普通型通用变频器所采用，特别适用 于没有高动态性能要求的交流调速系统，如风机、水泵等。由于这种方法不 含有电流控制，必须具有给定积分环节，以抑制起动时的电流冲击，积分时 间常数可视具体要求进行相应的调整，以供不同负载需要。 2 基于稳态模型的转速闭环转差频率控制 由交流感应电机的稳态模型可知，当稳态气隙磁链保持恒定时，电磁转 矩与转差频率近似成正比关系【2 ”。如果能保持转子磁链恒定，则电磁转矩与 转差频率完全成正比关系，所以控制转差频率就相当于控制转矩。当给定转 差频率时，定子频率信号c o 。随着实际转速，增长或降落，从而得到平滑稳定 的调速，保证较宽的调速范围。但由于这种方法只依据了电机的稳态模型， 其动态控制性能不是很理想。 3 磁场定向控制 根据感应电机的动态数学模型，对电机的磁链进行定向，可以将定子电 流分解为励磁分量0 和转矩分量0 ，得到类似于直流电机的转矩模型。根据 定向系统的不同，可以将磁场定向控制分为两大类，即定子磁场定向与转子 磁场定向。当前，磁场定向控制研究的重点有： ( 1 ) 克服电机转子参数对控制系统性能的影响，这方面的研究主要集中在 参数的在线估计和补偿方面【2 4 3 0 】； ( 2 ) 新的磁场定向控制方法【3 1 】； ( 3 ) 无速度传感器控制方法【3 2 3 9 l ； ( 4 ) 稳定性分析【4 0 4 甜。 在磁场定向控制中，磁场定向的准确性是其性能发挥是否可靠的前提。 遗憾的是，在转子磁场定向控制系统中，磁通定向角的计算与转子参数有关， 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 因此对转子参数的辨识与补偿是今后需要努力解决的问题之一。在定子磁场 定向系统中，由于对电压进行积分计算磁链会有零漂存在，通常采用的措施 是先计算转子磁链，再通过转予磁链计算出定子磁链，可以避免零漂和积分 饱和作用。 4 直接转矩控制 磁链、转矩直接调节的思想是1 9 7 7 年由p l u n k e t t 首先提出的，当时只是 需要直接检测定子磁链 4 1 。2 0 世纪8 0 年代中期，一种新的感应电机转矩控制 技术分别由日本融a h a s h i 教授和德国的d e p e n b r o c k 教授研究出来，并分别 称之为直接转矩控f l ；l j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 1 8 】和直接自控带l j ( d i r e c t s e l f c o n t r o l ，简称d s c ) t ”1 。近年来，直接转矩控制技术受到了普遍的注意并 得到了迅速的发展m “j 。 直接转矩控制直接在定子坐标系中分析交流电机的数学模型，实现对电 机磁链和转矩的自调整控制。这种方法不需要将交流电机与直流电机作比较、 等效、转化处理，从而省掉了矢量旋转交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。直接转矩控制所用的是定子磁链， 只要知道定子电阻就可以把它观测出来。这样很好地解决了矢量控制技术中 控制性能易受转予参数变化影响的问题。 定予磁链观测的准确性，可以说是d t c 技术实现的关键”9 1 。定子磁链无 论其幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会交坏。甚至出现不稳 定”。在减小转矩的波动方面，文献 5 1 采用空间矢量调制的方法实现恒定 的开关频率，并取得了明显的效果。文献 5 2 的作者认为由于定子磁链和转 矩的估计延迟，即使采用零滞环控制也无法真正提高传统d t c 的开关频率， 该文作者将一种抖动技术引入传统的d t c 中，利用高频小幅值的三角波调制 磁链和转矩控制环的误差。有效地提高了逆变器的开关频率，并使得定子磁 链和转矩的脉动比传统d t c 减小3 0 ，同时也减小了在照个速度范围内的噪 声。文献 5 3 利用电机转矩的瞬时表达式推导出了电机转矩脉动的均方根计 算式，分析有效电压矢量与零电压矢量分别对转矩产生的作用，计算出在 个控制周期内需要加在定子绕组上有效电压矢量时间与零电压矢量时间，也 可以有效地减小转矩的脉动，但该方法的不足是计算复杂，采用数字化控制 难以满足实时控制的要求。文献 5 4 ，5 5 采用三电平逆变器实现更多的有效电 压矢量，但这种方法在减小转矩脉动与电流谐波的同时，由于所需要的丌关 器件多，使系统的主电路变得复杂，不仅增加了成本，而且系统在可靠性方 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 面也有所降低。意大利d o m e n i c oc a s a d e i 等学者认为有限的电压矢量、转矩 与磁链滞环的宽度以及电压矢量的选择方式是造成转矩脉动与电流波动的主 要原因，并进一步论证了同一电压矢量在电机运行于高速和低速时会产生不 同的影响【s 6 】。基于此，在不增加功率电路复杂性的情况下，通过离散空间矢 量调制的方法，将一个控制周期等分为三段，每一个控制周期就可以采用三 个不同的基本电压矢量来合成一个新的电压矢量，并根据不同的转速范围， 构成更为精细的电压矢量开关表。实践证明，在减小转矩脉动与电流谐波上， 这种方法具有明显的效果。但是这种方法实质上是增加了开关频率，相当于 减小了控制周期，在大功率场合或对开关损耗有严格要求的应用领域受到一 定程度的限制。另外，将智能控制应用于直接转矩控制也进行了深入的研究， 其主要方法有将模糊控制应用于开关表的选择【57 ，”】，用神经网络的方法实现 对定子磁链及定子电压的在线估计【5 9 1 ，并取得了一定效果。大量文献对d t c 的低速进行了深入的研究，主要集中在低速下对定子磁链的估计、定子参数 的估计以及减小转矩脉动等方面吣6 3 l 。文献 6 4 ，6 5 作者提出在每一个控制周 期内，只有通过预测技术准确地计算出下一个控制周期用于磁链和转矩误差 补偿的电压矢量，才能从根本上减小转矩的脉动现象以及电流中的谐波成分， 并实现系统对转矩的快速响应控制。 5 非线性控制 传统直接转矩控制与磁场定向控制都已经获得广泛的应用，但是它们都 只是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制，没有或较少应用控制理 论。从本质上看，交流电机是一个非线性多变量系统，宜在非线性控制理论 的基础上研究其控制策略，以真正揭示问题的本质1 6 “”】。 将非线性控制用于感应电机，其根源是在8 0 年代初非线性系统的微分几 何控制理论取得突破性的进展。其详细的情况可见i s i d o r i 的著名著作【7 ”。 其主要内容是通过非线性坐标变换及非线性反馈( 状态非线性反馈及动态非 线性反馈) ，使之大范围的完全线性化，以及完成i o 解耦，干扰解耦等【2 0 】。 在过去十多年里，非线性状态反馈控制理论已经取得了显著的进展【7 2 。5 1 。 特别是反馈线性化和输入输出解耦技术已在应用中得到了证明，甚至在 理论全面发展之前就已应用了。在非线性反馈控制理论全面发展之前，就提 出了感应电机控制的非线性状态空间坐标变换和非线性状态反馈以便获得速 度和磁链幅值的渐近解耦控制( 即所谓的磁场定向控制) 。在文献 7 6 】中，使用 了包括机械部分的五阶模型，通过静止状态反馈控倦0 器，可以达到速度和磁 链幅值的完全解耦控制。而文献 7 7 1 则使用了简化模型，仅对电磁部分进行了 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 建模，假设速度是一慢变参数，并分别通过动态( 二阶) 补偿器和静止状态反 馈补偿器来获得电磁转矩和磁链幅值的完全解耦控制。文献 7 8 n 采用无源性 ( p a s s i v i t y ) 的能量成型非线性控制，在文献【6 8 】中，作者采用逐步后推 ( b a c k s t e p p i n g ) 设计方法的非线性控制并取得了一定的成果。 6 自适应和滑模变结构控制 在电机动态数学模型的基础上，采用解耦后的线性控制或非线性控制可 以构成高性能的控制系统，进一步需要解决的是如何提高系统的鲁棒性，以 克服参数变化和各种扰动的影响，为此自适应控制便成为重要的研究课题。 近2 0 年来，主要采用的自适应方法有模型参考自适应控制和参数辨识自校正 控制陟8 ”，以及各种非线性自适应控制【8 6 】。但辨识和校正本身都要有一个过 程，对于因温度变化导致电阻变化这类较慢的参数来说，还可以起到校正作 用，而对于其较快的影响因素，就难以得到很好的动态效果1 8 ”。 变结构控制理论是近3 0 年来发展形成的理论，其实质也是一种自适应的 非线性控制。主要特点是：根据被调量的误差及其导数，有目的地使系统向 着设计好的“滑动模态”轨迹运动，与被控制对象的参数和扰动无关，因而 使系统具有很好的鲁棒性，如对系统的摄动和干扰具有完全的自适应性，它 不仅适用于线性系统，而且适用于非线性系统、不确定系统及跟踪系统【7 9 】。 近年来人们在将变结构理论用于交流电机控制方面作了大量的研究，并取得 了比较好的效果 8 8 , 8 9 】。由于变结构控制方法不需要任何在线辨识，所以很容 易实现，但是它本质上是一种开关控制，在系统中不可避免地带来“抖动” 问题，如何削弱抖动又不失系统的鲁棒性，也是目前研究的主要问题。 7 智能控制 近年来围绕着矢量控制存在的问题，如系统结构复杂、非线性和电机参 数变化影响系统性能等，国内外学者进行了大量研究 9 1 , 9 2 l ，这些研究使系统性 能获得了很大的改善，但它们仍然是建立在对象精确数学模型的基础上，需 要大量的传感器、观测器使系统结构复杂，有的还无法摆脱电机模型的非线 性和电机参数交化的影响，因而需要进一步探讨解决这类问题的方法和途径。 近年来，智能控制研究非常活跃，已在许多领域获得了应用1 9 3 9 7 1 。由于 智能控制无需对象的精确数学模型，并在处理不精确性和不确定性问题中获 得可处理性、鲁棒性。因而许多学者将智能控制方法引入电气传动控制，认 为它在功率电子和运动控制中的应用具有非常好的前景。 智能控制主要包括模糊逻辑控制、专家系统控制、神经网络控制和遗传 算法等方面的内容。这些方法都在功率电子和运动控制中得到了广泛的应用， 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 其中模糊控制和神经网络控制特别受到国内外学者的关注，研究异常活跃， 取得的成果也十分丰富【9 8 。o “。目前进行的主要研究工作有： ( 1 ) 参数的辨识与估计 9 5 , 1 0 0 】； ( 2 ) 基于智能控制的p w m 控制器和开关函数的发生器： ( 3 ) 与其它控制模式的结合 1 0 1 , 1 0 2 1 。 智能控制是一种高效的控制方法，由于这种方法是常规控制策略不能替 代的，因而在各种领域中得到了广泛应用，但将智能控制用于感应电机控制 系统的研究还刚刚起步，尽管也取得了一些成果，但还存在着一些有待进一 步研究的问题，如系统的稳定性分析、控制精度的评价等。 1 3 2 交流电机的无速度传感器控制 一般来说，为了满足高性能交流传动的需要，转速闭环控制是必不可少 的。但由于速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、 易受工作环境影响等缺陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调 速系统成为近年来的一个研究热点1 1 0 3 1 0 7 1 。 文献 1 0 3 对几种感应电机无速度控制策略进行了评论。这些没有使用速 度编码器获得感应电机速度信息的不同技术可以大致划分为以下两种： ( 1 ) 带转差补偿的开环速度控制： ( 2 ) 带速度估计的闭环控制。 1 转差频率计算方法 转差频率是电气频率与转子机械频率之间的差值，通过计算转差频率与 电气频率，可以确定转子的速度。计算电气频率有两种方法：其一是通过定 子磁链分量计算得到，其缺点是在动态过程中会出现较大的波动；其二是通 过转子磁链分量计算得到，由于转子电气时间常数较大，即使在定子磁链走 走停停的情况下，也能得到比较均匀的旋转速度，计算出的电气频率也比较 均匀动态过程中不会出现波动。在这类无速度传感器实现方法中，计算转 差频率的主要方法有以下几种， ( 1 ) 利用反电势计算【1 0 7 1 。 ( 2 ) 利用电机输出转矩与转子磁链进行计算【1 0 8 1 。 ( 3 ) 基于定子磁场定向进行计算【1 0 9 l 。 其中利用反电势计算的方法主要应用于间接转予磁场定向系统中，由于 在低速时，反向电势很小，计算出的转差速度也不够精确，所以这种方法的 低速性能不理想。利用电机输出转矩与转子磁链的方法主要应用于直接转矩 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 控制系统中0 1 ，这种方法需要通过定子磁链计算出转子磁链的幅值，但由于 在定子磁链的积分计算过程中，零漂会对系统的低速性能有较大的影响，同 时转子电阻也影响到系统的控制精度。 另外，文献【l l l 】提出了直接由定子电压与定子电流之间的相位迟后计算 转子频率的方法，文献 1 1 2 】提出了适合于电流源逆变器的转差频率计算方法， 不足的是这些方法都以电机的稳态模型为基础。 2 用状态方程估计速度 文献 1 1 3 】提出了基于状态微分方程式的感应电机无速度传感器运行的基 本关系，利用内环转差控制器通过计算静止参考坐标系中的转子电动势分量 来调节定子频率。由于转差频率是转子电动势分量的函数，使它对转子电阻 变化不敏感，且这种方法只使用电机相电压和相电流的测量值来调节转子频 率。 文献1 1 4 ，1 1 5 提出了用层次递归算法根据被测的定子电压和电流来估算 感应电机转速和参数的方法，该算法中使用了两个由电机电气方程式导出的 线性自回归模型，在每个时间尺度上估计器都涉及到根据传递函数推出的线 性自回归方程简单递归最小方差估计，传递函数反映了恒速条件下定子电压 与定子电流问的关系。由于递归结构的缘故，这种算法用于在线估计速度和 自适应控制。 3 基于观测器的速度估计 研究磁场定向控制策略的主要假设是首先知道转子磁链的确切值，因此， 这些控制器的鲁棒性主要依赖于转子磁链的完整信息。当转子磁链不能直接 测量时，提出了许多利用各种类型观测器来估计转子磁链的方法【l ”】。这些观 测器在导出坐标变换所需要的转子磁链参考角度的过程中发挥了重要作用。 文献1 1 7 提出了用降阶的状态观测器估计转子磁链，并利用电压模型和 电流模型估计磁链，然后根据这两个模型输出的差值来估计速度。在实现中， 由于纯积分器的引入将引起初值和漂移问题。通常采用低通滤波器代替积分 器。文献【1 18 】利用可任意配簧极点的状态观测器，提出了速度估计策略，该 策略可应用于直接磁场定向控制，甚至在低速区也能取得较好的效果。另外， 对观测器的收敛速度、抗干扰和鲁棒性等方面的研究也非常深入1 1 1 9 - 1 2 4 o 4 基于模型参考自适应方法的速度估计t 珏孓珏引 在模型参考自适应系统中，对两个估计器的输出进行比较，不涉及被估 计量( 在这种情况下是转速) 的估计器被当作是感应电机的参考模型，另个 是涉到转速估计量的可调模型。两个估计器所获得估计量之间的差值用于导 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 出合适的自适应机构，并用于可调模型的转子速度估计。参考模型代表感应 电机，而可调模型将是理想的矢量控制感应电机模型，在可调模型中转子速 度被认为是参数，当被估计的转予速度在可调模型中按一定的方式变化，以 使参考模型输出和可调模型输出之差为零时，估计出的速度将等于实际的转 子速度。这种将误差信号作用于转子速度辨识的算法，可以实现快速和稳定 的转子速度辨识，文献 1 2 1 描述了利用模型参考自适应控制详细的转子速度辨 议分析和设计。 5 利用扩展卡尔曼滤波器的速度辨识 已知被测量，如定子电流和直流环电压，可用扩展k a l m a n 滤波器方法来 实现对电机速度和转子磁链的同时辨识i 他9 。13 1 l 。扩展k a l m a n 滤波器的优点是： 当输入信号被噪声污染时，通过选择合理的增益矩阵可获得较优的估计效果。 一般来说，扩展k a l m a n 滤波不是最优的。相对其它方法，其计算量也非常大， 并且这种方法的估计结果与电机模型参数密切相关，所以，用扩展k a l m a n 滤 波器来实现对电机速度的估计离实际应用还有一段距离。 6 基于神经网络的速度估计 神经网络因其自学习功能、非线性特性、快速的并行计算能力和较好容 错性，已成为目前的一种很有吸引力控制方法。由于交流电机是一个非线性、 强耦合的系统，因此将神经网络技术应用于交流调速系统中的速度估计是一 种较理想的方法，且具有比较好应用前景。在这方面。众多研究人员已进行 了广泛的研究，并取得了较好效果【1 3 2 , 1 3 3 ，但由于神经网络理论的发展目前还 不够成熟，距离实际的应用还需时日。 1 _ 3 _ 3 电机参数辨识 不论是在磁场定向控制系统还是直接转矩控制系统中，为了保证系统的 高动态性能，对电机参数辨识都是必不可少的。为了解决这个问题，很多学 者就电机参数对系统性能的影响以及辨识问题进行了广泛深入的研究。文献 1 3 4 对转子磁场定向控制中的转子时间常数进行在线辨识，并通过仿真与实 验的方法验证了该方法的可行性，在低速下也取得了较好的辨识结果。马小 亮等1 1 3 5 1 在矢量控制系统中提出了一种电机参数的自设定方法，在系统进入正 常运行前，通过对电机加一定的p w m 信号来完成对电机定子电阻、转予时间 常数及漏感系数的自设定。可以在不增加设备的情况下，在现场开机前或运 行间隙中离线自动测试电机参数。具有简单实用与重复性好等特点。文献 8 7 1 采用自适应的方法实现对电机所有参数的在线辨识，并在定子磁场定向与转 子磁场定向控制系统中得到了成功的应用。文献 1 3 6 1 在考虑磁链饱和的情况 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 下，提出了电机参数的在线辨识方法，但这类方法常具有计算复杂的缺点。 文献 2 6 币t j 用扩展卡尔曼滤波器的方法对转予时间常数进行估计，获得了较好 的结果。文献【1 3 7 】则利用最小二乘法对电机的转子参数和磁链进行实时估计， 并通过基于d s p 的实系统验证了该方法的正确性，这种方法主要适合于磁场 定向控制。文献【1 3 8 根据定予电流的变化来估计转子时间常数，而文献【1 3 9 】 提出了一种只需要定子电流信号的电机参数的自动测量方法。在直接转矩控 制系统中，对电机参数的辨识的主要集中在定子电阻上，其主要方法有：自 适应定子电阻的在线辨识方法【1 4 。1 ，神经网络方法等。自适应方法一般是将矢 量控制系统中的方法应用于直接转矩控制中，但由于计算复杂，部分失去了 直接转矩结构简单的优越性。 1 3 4 空间矢量调制与软开关技术 空间矢量p w m ( 或s v p w m ) 是依据空间电压( 电流) 矢量切换来控制变换器的 一种崭新控制策略，它是s p w m 与电机磁链圆形轨迹直接结合的一种