（电工理论与新技术专业论文）基于滑模变结构的永磁同步电机直接转矩控制的研究.pdf

t h er e s e a r c ho nd i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nv a r i a b l es t r u c t u r e s l i d i n gm o d e a b s t r a c t m o d e r np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rd r i v es y s t e mw i t hh i g h p e r f o r m a n c en e e dt h e c o n t r o l l e ro ff a s t s p e e dr e s p o n s e ，g o o dr o b u s t ，e a s y r e a l i z a t i o ni np r o j e c ta n dh i g ha n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t y t h et h e s i sr e s e a r c ht h e c o n t r o ls c h e m eo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) b a s e d o na 1 1 s i d e dr e s e a r c ho fd i f i e r e n tc o n t r o lt h e o r i e s t h ew o r ko fr e s e a r c h a b s o r bn e wt h e o r ya n di d e at o o a tl a s t ，t h ew o r kf o c u so ns t u d yo fd i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a n dv a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d e ( v s s m ) b y c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o n a f t e r c a r e f u l l ya n a l y z i n g t h et w ok i n do fc o n t r o lm e t h o d ，t h ew o r k e m p h a s i z et h a td i r e c tt o r q u ec o n t r o li n t e g r a t ew i t hv a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n g m o d ea n da p p l yt op m s ms u c c e s s f u l l y t h ev s s mm a k eu pt h es h o r t a g eo fd t c a n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fp m s mb e t t e r t h e o r ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o n r e s u l t st e s t i f yt h a tt h en o v e lv s s mc o n t r o ls t r a t e g ys o l v et h e s ep r o b l e m s e f f e c t i v e l ya n ds h o ws t r o n gr o b u s tt om o t o ro fp a r a m e t e r su n c e r t a i n t y , e x t e r n a l d i s t u r b a n c ea n dn o i s e t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mh a sh i g h p e r f o r m a n c ed y n a m i c a n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，o v e r c o m e st h ep r o b l e mo nh i g hf l u xa n dt o r q u er i p p l eo f c o n v e n t i o n a ld t c t h ec h a t t e r i n gp r o b l e mo fv s s mi sr e s t r a i n e d o b v i o u s l y a c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e dm e t h o d k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， v a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，v a r i a b l ee x p o n e n tr e a c h i n gl a w ，p i d s l i d i n gs u r f a c e 前言 1 9 5 3 年，w u n c h 的博士论文中首次出现了“改变系统结构”这一 思想。之后前苏联学者s v e m e l y a n o v ，v i u t k i n 和u i t k i s 等于上世 纪6 0 年代开始全面系统的研究变结构控制系统。目前，取得最多研究 应用、最有发展前景的是滑模变结构。滑模变结构控制在控制理论中 已经形成了一个独立的分支，可以让系统的结构在瞬变过程中，根据 系统当时的状态( 误差和各阶导数) ，以跃变方式，有目的的变化，强 迫系统进入预定的4 滑动模态”运动。各国学者大量的研究和工程实 践表明，由于“滑模面”可以设计且与控制对象的参数及扰动无关， 使得滑模变结构具有快速响应，对参数和外部扰动变化不灵敏，无需 系统在线辨识，工程实现简单等许多优点。 永磁同步电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、惯量小、 效率高。正是由于这些优点，永磁同步电机可调拖动系统在风力发电 系统中取代其它电机已经成为一个趋势，同时永磁同步电机拖动控制 技术本身也取得了很大的发展。永磁同步电机采用了稀土金属永磁材 料，如钕铁硼( n d f e b ) ，钐钻( s m c o ) 等，其磁能积高，有较高的气 隙磁通密度，因此容量相同时电机的体积小，重量轻。转子没有铜损 和铁损，也没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高。转子转动惯量 小，允许脉动转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好，且结构紧 凑，运行可靠。在伺服系统和高性能的调速系统中得到广泛应用 永磁同步电机模型是一个高阶，非线形、强耦合的多变量系统， 调速控制系统复杂。而滑模控制中“滑动模态”恰好与控制对象的参 数和扰动无关，将滑模变结构控制应用到永磁同步电机中可以将二者 的优缺点结合互补，形成一个性能优良的调速系统。 论文的独创性表现在以下几个方面： 1 ) 设计出一种新的变指数趋近律，将变指数趋近律滑模变结构控制策 略应用到永磁同步电机直接转矩控制中； 2 ) 设计出一种基于积分分离思想的滑模变结构控制，将该思想用于永 磁同步电机直接转矩控制中； 3 ) 设计了一种新的带系统参数的比例积分求导滑模面，将该滑模面用 于永磁同步电机直接转矩控制中； 4 ) 设计出一种新的带系统参数的比例积分滑模面并给出了构造思路， 将该滑模面用于永磁同步电机直接转矩控制中； 插图清单 图2 1v v v f 控制原理圈 图2 2 矢量控制原理图一 图2 3 直接转矩控制原理图 图2 4p m s m 模糊d t c 原理框图 5 7 图2 - - 5p m s m 神经模糊d t c 控制器方框图一1 1 图2 6p m s m 人工神经网络控制图 图2 7m r a c 控制方框图 1 2 1 3 图3 一l 时变对象的m a t l a b s i m u l i n k 仿真图2 4 图3 2 误差绝对值滑模控制仿真图- 图3 3p i d 调节器控制仿真图 图3 4 比例积分滑模面仿真图 2 7 图3 5 比例积分求导滑模面的输出响应及放大图2 9 圈3 6 比例积分求导滑模面的跟踪响应图( t - ls 时负载突变) 2 9 图3 7 时变系统p i d 控制器和滑模控制器比较图一3 l 图3 8 时变系统p i d 控制器和滑模控制器比较放大图 图3 9 时变系统p i d 控制器和滑模控制器指令信号跟踪响应图3 1 图3 一1 0 指数趋近律仿真图3 4 图3 1 l 指令信号为2 s i n ( 4 nt ) 输出响应 图3 一i 2 指数趋近律相轨迹 图3 一1 6 变指数趋近律的输出信号图 图3 一1 7 指数趋近律的输出信号图3 7 图4 一l 永磁同步电机d q 坐标下的数学模型一4 1 图4 2p m s ms m cd t c 结构图4 2 图4 3 传统典型控制给定转速5 0 r a d s ，负载转矩5 n m 时转速，转矩响应， 负载转矩变化时转速响应 图4 4 加入自适应控制前后转速响应一 4 5 图4 5 滑模控制给定转速5 0 r a d s ，负载转矩5 n m 时转速，转矩响应，负 载转矩变化时转速响应 图4 6 滑模控制给定转速5 0 r a d s ，负载转矩5 n m 时转速。转矩响应，负 载转矩变化时转速响应 图4 7 加入自适应控制前后转速响应一一4 9 5 6 7 3 3 3 一 - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图 一 - 号图信号差信误差迹踪误轨跟踪相的跟律律的近近律趋趋近数数趋指指数变变指 3 4 5 一 一 一 1 j 3 3 图图图 图4 8 转速指令由由5 0 r a d s 变为6 0 r a d s 时转速，转矩响应4 9 图4 9 给定转速5 0 r a d s 。负载转矩5 n m 变为l o n m 时转速，转矩响应两 种策略比较图5 2 图4 1 0 转速指令由由5 0 r a d s 变为6 0 r a d s 时两种策略转速，转矩响应比 图4 一l l 变指数趋近律滑模控制系统结构框图 5 2 图4 1 2 传统d t c 给定转速( 3 0 0 0 r m i n ) 。负载转距5 n + m 时磁链、转速 和转矩图 图4 一1 3 指数趋近律滑模d t c 给定转速( 3 0 0 0 r m i n ) ，负载转距5 n * m 时 磁链、转速和转矩图 图4 1 4 滑模d t c 给定转速( 3 0 0 0 r m i n ) ，负载转距5 n * m 时磁链、转速 和转矩图一6 0 图4 一1 5 负载转矩从5 n * m 变为1 0 n * m 时传统d t c 、指数趋近律和变指 数趋近律d t c 的转矩比较一6 l 图4 - - ，1 60 1s 转速指令从3 0 0 0 r m i n 变为3 5 0 0 r r a i n 时传统d t c ，指数和 变指数趋近律滑模d t c 的转速比较 6 2 图5 一l 永磁同步电机积分分离控制系统图一6 5 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志和致谢的地方外，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 盒壁王些盍堂 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。 学位论文作者签字遗如签字帆叮年z 月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅或借 阅本人授权 金胆工些叁堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 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) 学位论文者签名 签字日期：p _ 7 年6 月_ 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址： 导师签名： 签字日期：沙7 年，月，。日 电话： 邮编 致谢 感谢我的导师张兴三年来的悉心指导，在问题的研究和论文的完 成过程中，导师都在百忙之中给予认真帮助和指导，对发表文章内容 作了细致修改与完善。导师不但学识渊博、治学严谨，更是诲人不倦， 督促我不断研究学习。在三年的学习中，导师的严谨作风深深的影响 了我，使我受益终身。在此谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和衷心的 感谢。 感谢东北大学薛定字老师在m a t l a b s i m u l i n k 仿真上给予耐心细致 的指导。 感谢我的同学张昱、陈威、吴玉杨、周小义、周志健、程显忠、 张显立、伍瑶、戴莹给予的帮助和探讨。 最后感谢我的父母多年来在生活中对我无微不至的关怀和学习上 无私的支持，没有他们的鼓励与支持就没有我的今天。还要特别感谢 我的夫人，她的关心和照顾给了我克服困难，逆风前行的无限动力 感谢所有帮助过我的各位老师和同学。 作者：咱 o - 2 0 0 7 年5 月1 8 日 第一章绪论 1 i 引言 风能作为一种无污染、可再生的清洁绿色能源越来越被人们重视。 永磁同步电机由于其优良的性能，越来越多的被风力发电机组使用，如何 建立性能优良的永磁同步电机调速系统是一个重要且不可缺少研究方向。针对 当前永磁同步电机控制的缺点与不足，研究一种工程上实际有效的控制方法来 获得优良的调速性能也是是迫切需要研究的内容。 风电机组中的永磁同步电机由于经常遇到转矩突变问题，需要转矩响应特 别迅速，而直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的高 性能交流调速技术，正好可以满足转矩响应快的特点，因此十分适合永磁同步 电机调速控制，但是该控制方法还有明显的缺点需要改进。 滑模变结构控制是自动控制系统的一种设计方法，目前形成了一个相对独 立的研究分支。滑模变结构控制适用于连续或离散系统、线性或非线性系统、 确定性或非确定性系统、集中参数或分布参数系统和集中控制或分散控制等 等。该控制方法通过一定的控制策略让控制量不断的切换，即系统的结构不停 的变化，从而让系统进入我们预先设定的滑模面滑动。系统如果进入了滑模状 态后，系统参数扰动与外部干扰对系统无作用，系统的稳定性与动态品质仅取 决于滑模面及其滑模面的参数。正是这种特性使得滑模变结构控制受到世界各 国学者的广泛重视，并在各个应用领域得到越来越多的推广 滑模变结构控制策略与常规控制策略的根本区别在于控制的不连续性，即 一种系统结构不断变化的开关特性。由于滑动模态是可以设计的，且与系统的 参数变化及外部扰动无关，因此鲁棒性强、可靠性高，过去被广泛应用于运动 控制中，特别是用于可建立精确数学模型的确定性控制系统中。随着滑模变结 构的发展、改进及和其他控制的融合，对时变系统、不确定系统、非线性系统 等无法建立精确模型的系统也同样具有良好的控制作用。 滑模控制目前已发展到和智能控制系统相结合的地步，将自适应控制、 模糊控制和神经网络控制与滑模控制相结合。可以大大提高整个系统的性能， 这是发展的一个趋势。 近年来国外学者对一般的非线性系统，用微分集合理论给出了滑动模态 存在条件、可到达条件和等效控制描述，将线性切换超平面改成了非线性的开 关超曲面，给出了选择非线性流形，从而获得理想滑动模态的新途径。 国外对分布参数系统的滑模控制研究现已逐步开始，在分布参数的情况 下，原先集中参数所用的滑模理论全部不适用，滑模存在性、可达性、稳定性 和等效控制都要重新建立，而对带有概率分布参数的滑模结构控制的研究才刚 刚起步，两者目前都没有成熟的结果和理论。 第1 页 在应用方面，滑模变结构已经用于解决更加复杂的问题，如解决运动跟踪、 模型跟踪、不确定系统控制等等一系列问题，并和l y a p u n o v 稳定性理论、超 稳定性理论、模型参考自适应理论互相结合，产生了大量的新的控制方法，这 同样是它的一个发展趋势。 我国学者高为炳院士针对系统从任意一点出发的状态如何到达滑模面的 问题提出了趋近律的概念，并给出了部分趋近律，把滑模变结构从求解不等式 问题变成了求解代数方程的问题，通过选择合适的趋近律，可得到我们要求的 动态品质。在设计复杂的滑模系统时这一点是十分重要的。高为炳还首次提出 自由阶梯的概念。王丰尧对滑模变结构理论作了系统的阐述。此外，国内在控 制滑模的抖振问题、电机、机器人和多变量离散系统等应用方面做了很多工作。 取得了部分成绩。 综上所述，改进现有的滑模变结构控制策略，研究新的滑模变结构控制策 略，将滑模变结构控制策略应用到永磁同步电机直接转矩控制中，进一步解决 滑模变结构的抖振问题，提高滑模变结构的应用效果与价值是一个十分有意义 的研究方向。 1 2 论文研究的意义与内容 1 2 1 研究意义 永磁同步电机系统是参数不断变化的非线性复杂系统，为了获得优良的调 速性能，人们作了大量的研究工作，解决了部分问题，但同时出现了新的矛盾， 为了让系统呈现优良的动态性能，目前设计的方案普遍比较复杂，有的方案由 于过于复杂繁琐，稳定性和收敛性难以证明，暂时无法应用于实际。当前研究 一种工程上实际有效的控制方法是急需解决的问题。 滑模变结构控制响应快，对系统参数变化和外部干扰呈不变性，可以保证 系统是渐进稳定的，更为突出的是算法简单，工程上易于实现。其缺点主要是 存在变结构固有的抖振问题和不确定的上下界等问题。研究新的滑模变结构控 制策略，使抖振减小到可接受的范围，是需要不断研究的重要内容。用自适应 参数估计法或其它方法来估算不确定的上下界，同样可减小滑模变结构固有的 抖振问题。 电机的直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的 高性能交流调速技术。它用空间矢量的分析方法，采用定子磁场定向，借助于 滞环控制器的离散两点式调节( 砰砰控制) ，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，是目前广泛研究的电机控制策略。 将滑模变结构控制方法引入直接转矩控制，可以有效抑制转矩、磁链和电 流的脉动，但是由于滑模变结构固有的抖振问题，会激发系统未建模的高频成 分，影响了控制效果，如何削弱抖振的影响是妨碍滑模应用的最大问题，也是 第2 页 各国学者不断研究，努力解决的一个问题，也是本文研究的一个重要方面。 由此可见，研究现有的滑模变结构控制策略，使之与自适应等控制相结合 达到估计不确定因素的上下边界的目的，同时进一步解决滑模变结构的抖振问 题，提高滑模变结构在永磁同步电机直接转矩控制中的应用效果与价值是本论 文研究的目的与意义。 1 2 2 研究内容 本论文的研究包括以下几个方面： 1 ) 对滑模变结构的发展、主要研究方向和存在的主要问题进行了综述； 2 ) 对永磁同步电机控制策略、优缺点和各种智能控制的融合进行了研究，针 对永磁同步电机各种滑模变结构控制方式进行了总结； 3 ) 针对二阶交参数系统研究了一种状态变量取绝对值的新型滑模变结构控 制，并做了仿真研究； 4 ) 研究了一种新的带系统参数的积分滑模面控制策略，并在永磁同步电机上 做了仿真与试验研究； 5 ) 在带系统参数的积分滑模面控制策略基础上，设计了另一种新的比例积分 求导滑模面和相关控制策略，并在永磁同步电机上做了仿真与试验研究； 6 ) 为了克服比例积分求导滑模面的不足，将积分分离思想应用于滑模变结构 控制，在永磁同步电机上做了仿真研究。 7 ) 将比例积分求导滑模面和趋近律概念相结合，提出了一种新的控制策略， 并作了仿真研究； 8 ) 从状态变量取绝对值的滑模变结构控制中得到启发，设计出了一种新的变 指数趋近律，并用于永磁同步电机转矩和磁链环中，用于解决直接转矩控 制存在的问题且消除滑模变结构固有的抖振问题。 第3 页 第二章永磁同步电机控制策略 2 1 永磁同步电机的v v v f 控制策略 变压变频控制策略( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 的控制变量为电 机的外部变量，即电压和频率控制系统将参考电压频率输入到可以实现 v v v f 的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子 绕组上，使之运行在指定电压和参考频率下逆变器所用的调制方式为脉冲宽 度调制( p w m ) 。p w m 可以有很多种不同的实现方式，如正弦波脉宽调制 ( s p w m ) 、空间矢量调制( s v p w m ) 等。p m s m 的v v v f 控制方框图如图所示。 s 、，p 、7 l 礓i - 3 - p h a s e - - - - - - + i n v c r t 盯 - - - + - + 图2 1v v v f 控制原理图 这种控制方法无需从电机端引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号， 属于开环控制。这种控制系统的特点是易于实现且价格低廉。由于系统中不引 入速度、位置或其它任何反馈信号，因此不能实时获得电机的工作状态，无法 精确控制从而得出最佳的电磁转矩。同时由于仅使用一个调节器实现对输入电 压和磁链的调制，因此导致输入电压、频率信号和电机最终的转矩、速度反应 之间通讯速度降低，使电机的响应性能变慢。这种驱动系统仅适用于风机、水 泵之类无需精确控制的场合和需要超高速调速的电机。 文献【l 】用高性能的d s p t i t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现了永磁同步电机v v v f 控制的超高速控制器，工作速度商达到2 0 0 0 0 0 r p m 。正是由于电机的高速度的 特点，采用v v v f 这种开环控制，此时电机定子电阻作用超过电感，不可以忽 略，设计时必须加以考虑，文中采用了一种最优v v v f 控制曲线设计的方法实 现电机的高效率和高性能。 2 2 永磁同步电机矢量控制策略 b l a s c h k e 在1 9 7 1 年发表了第一篇有关异步电机( i m ) 的矢量控制( v c ) 的方 法，之后该方法被应用于p m s m 中。这种控制方法目前已经大范围的应用， 并且在工业上被认为是理论和实际上比较成熟的技术，目前已有一些公司生产 出采用不同控制方式和具有不同性能的p m s m 矢量控制驱动系统投入市场进 行工业应用。 p m s m 矢量控制的基本思想是模仿直流电机的控制方式，即模仿其磁场定 第4 页 向过程。在p m s mv c 系统中，电机的电磁转矩与由永磁体产生的磁链和定子 电流成正比，正是因为这种正比关系，于是可以通过控制电机在交轴上由永磁 体产生的电流来控制电机的电磁转矩，进而实现对速度的控制。由于进行坐标 变换的是电流空间矢量( 代表磁动势) ，因此称为矢量控制系统( v e c t o r c o n t r o l s y s t e m ) 。为了模仿直流电机的磁场定向过程，矢量控制需要p m s m 内部的转 子磁链矢量空间角位置，并使用调制器合成一个电压空间矢量，进一步产生一 个系统需要的磁链矢量。在p m s m 矢量控制中，磁场定向是采用电子方式而 不是通过类似于直流电机中的换相器或电刷得到的。 矢量控制系统中，p m s m 转予空间位置信息通过编码器得到，矢量控制器 产生如电压，电流以及频率的各种控制变量，并通过一个调制器反馈到p m s m 中。因而电磁转矩不是直接控制的，而是通过电流的控制而得到间接控制的。 p m s m 矢量控制的方框图如图2 2 所示 矢量控制系统的优点是具有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可 实现全负载，进而可获得类似于直流电机的工作特性。为得到高性能的转矩和 速度控制，转子空间位置反馈装置是必须的，这将会提高系统硬件造价，电机 的坐标变换使简单的交流结构交复杂。同时调制器的使用也降低了输入信号和 电机输出信号之间的通讯。因此与直流电机驱动比较，这种控制方式虽然整个 系统结构简单，但是控制系统非常复杂，需要旋转坐标变换和反旋转坐标变换。 图2 2 矢量控制原理圈 2 3 永磁同步电机的直接转矩控制策略 无论是交流传动还是直流传动，无论是电动状态还是稳态传动系统最根 本的问题是电磁转矩的控制。因此。很多学者致力于直接对电机转矩进行控制 的研究。在同步电机普遍采用的矢量控制中，由于磁链位置的偏移、磁性材料 第5 页 的分布不均、电流传感器非线性化和电流调节器的控制局限等因素，以及非优 化的参考电流等导致电机转矩和电机的铜耗增大，因此矢量控制并不能实现转 矩的直接控制。从上一节可以看出，矢量控制虽然在理论上日趋完美，但在具 体实现过程中十分复杂，而且矢量控制在转矩控制、弱磁控制和无传感器技术 方面都存在由于本身控制思想带来的实现上的复杂性，因此人们试图寻找一种 新的思路来摆脱矢量控制所面临的困难。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制( d i r e c t t o r q u e c o n t r o l ，简称d t c ) 的理论2 i 【2 1 ，1 9 8 7 年推广到弱磁调速范围。这种控 制方式使定子磁链依照正六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边分别与六个 非零电压空间矢量对应，因此可以通过三个施密特触发器来简单切换逆变器的 六个工作状态，直接通过六个非零电压空间矢量实现磁链轨迹控制。与其它方 式相比，这种控制方法结构简单，在输出同样的频率时元件开关次数最少，开 关损耗低，因而在要求元件开关频率不太高的大功率场合得到广泛应用。这种 技术已成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上，如德国的大功率g t o 电力 机车，s i e m e n s 新研制的样车e u r o s p i n t e r 等。由于这种方法中的定予磁链 是按照六边形轨迹运动的，电压、电流波形畸变比较严重，低速时转矩脉动非 常大，因此在很大程度上限制直接转矩控制性能的充分体现。 直接转矩控制的另一种形式是由日本学者i t a k a h a s h i2 l f 3 】提出的，是一 种定子磁链运动轨迹近似为圆形的控制方案。这种控制方法通过实时计算电机 转矩和磁链误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。由于 磁链运动轨迹近似为圆形，电压、电流中的谐波含量在一定程度上减少了，但 控制系统显得复杂一些，这种控制方式能充分发挥新型电力电子器件( 如 i g b t ) 的开关频率优势史州4 1 。因而在中小功率场合获得广泛应用。 与矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了电流解耦思想，取消了旋转坐标变 换，通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 转矩，并根据与给定值比较所得差值，通过滞环控制器实现磁链和转矩的直接 控制。因此，该方案一经提出就有很多学者进行了大量的研究，并努力应用于 实际电机中2 i 5 , 6 1 。直接转矩控制技术是现代先进的电机控制技术之一，它的 优秀动态性能以及对电机参数的鲁棒性，引起了国内外电力电子技术界和产业 界的热切关注，是本文研究的中心，控制原理图如图2 3 所示。 第6 页 图2 3 直接转矩控制原理图 与矢量控制相比直接转矩控制有以下几个优点： 夺省掉了旋转坐标变换，只采用静止坐标变换，坐标变换的复杂度大大降低； 磁链控制采用对定子磁链控制，只要知道定子电阻就可以对定子磁链进行 观测，因此对转子参数变化不敏感，减弱了对电机参数的依赖性； 夺由于直接使用转矩反馈进行控制，因此转矩响应十分迅速； 夺用空间电压矢量的概念分析三相交流电机的数学模型和控制其物理量，问 题交得简单明确； 目前直接转矩控制存在的主要问题是： 1 ) 由于采用滞环控制( 砰砰控制) ，实际转矩必然在上下门限内脉动，转矩 不恒定； 2 ) 由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累计误差和定子 电阻的变化会影响磁链计算的准确度，造成磁链控制困难； 3 ) 由于采用开关表产生逆变器的控制矢量，逆变器的开关频率是不恒定的且 逆变器开关频率不高，造成转矩和速度脉动加剧； 上述问题中的( 1 ) 和( 2 ) 在低转速的情况下特别明显，严重影响了电机 在低速范围中的应用，为此各国学者展开了大量的研究工作，采用的不同方法 来解决上述问题。主要方面可以归纳为以下几种： 1 ) 对传统d t c 的开关表加以改进，如增加零电压矢量和对空间电压矢量细 分。从各个论文和实际使用效果来看，此方法对减小转矩脉动的效果有限； 2 ) 采用多电平功率变换器，通过控制多个空间矢量作用于电机，使磁链、转 矩平滑。该方法增加了系统硬件成本且系统控制十分复杂； 3 ) 运用空间电压矢量调制方法使逆变器开关频率恒定以减小转压矢量调制， 保证了逆变器开关频率恒定，提高了逆变器的工作频率。这种解决方案中 第7 页 采用了p i 型调节器替代滞环型调节器来控制定子磁链和转矩，因而引入 了p i 调节器的共同缺点，即特定的p i 系数对电机参数、转速和负载变化 敏感，而且根据幅频响应理论，p i 调节器本身具有相位滞后效应。对转矩 响应快速性有一定的影响； 4 ) 用智能控制理论的d t c 控制，缺点是进行在线模糊推理或神经网络权值 的计算工作量大，难以实时控制，无法体现d t c 转矩响应快速的优点； 由于上述方法还存在各自的缺陷，因此仍然需要进行更深入的研究工作。 下面两节将详细介绍p m s m 目前最主要的先进控制策略。 2 4 永碱同步电机滑模变结构控制 将滑模变结构控制应用于永磁同步电机的直接转矩控制已经成为电机研 究的中心之一，由于滑模变结构控制具有响应快，鲁棒性强，对系统参数变化 不敏感的特点。非常适合用于永磁同步电机控制系统。国内外关于滑模变结构 的各种电机控制有大量的文献和研究工作。从控制策略角度来看，共分为两种： 一种是将滑模变结构和矢量控制相结合，另一种是将滑模变结构和直接转矩控 制相结合。从应用的位置来看，也分为两种，种用于外环一速度环，用于抗 负载扰动、转动惯量变化和粘滞系数变化。另种用于内环一电流环或转矩与 磁链环，用于减小电流脉动或转矩与磁链脉动，增强对电机参数变化的鲁棒性， 响应的快速性。此外，滑模变结构还用于定子电阻观测、定子磁链观测和无速 度传感器。 2 4 1 基于滑模变结构控制的永磁同步电机矢量控制 基于滑模变结构控制的永磁同步电机矢量控制目前都集中于各种参数的 观测器，文献 7 】用了一种改进的滑模无速度传感器，去掉了低通滤波器，将 符号函数改为连续的s 函数，以减小抖振现象。 滑模变结构控制在电机外环一速度环上的应用多集中于感应电机，此类 应用的优点是在抗负载扰动、转动惯量变化和粘滞系数变化有强鲁棒性，缺点 是是对电机本身的一些参数，如定子、转子电阻，定子、转子磁链和定子、转 予自感等参数变化无作用。文献【8 】在速度环采用了滑模变结构控制器。为了 避免计算系统的不确定因素的上下边界，采用了一种简单的自适应控制方法， 保证广义滑模条件的满足。电流环采用了典型的矢量控制。 文献【9 】将二阶滑模控制用于凸极无励同步电动机的速度环。滑模变结构 控制设计在控制律的导数上，通过不连续的导数控制信号可使滑模面在有限时 间内趋于零，相应的实际控制信号是连续的。二阶滑模控制可削弱滑模变结构 的抖振问题，在消除抖振研究中具有很好的效果。缺点是系统的降阶特性不复 存在，降低了系统的鲁棒性和抗干扰能力。 将滑模变结构控制用于矢量控制的内环一电流环。文献【1 0 l 将滑模变结构 第8 页 控制同时用于永磁同步电机矢量控制的内环和外环，提高了对电机参数变化的 不敏感性和强鲁棒性，保持了快速性。缺点是控制电压矢量用查表的方式产生， 选择和变换时会产生误差。 2 4 2 基于滑模交结构控制的永磁同步电机直接转矩控制 永磁同步电机直接转矩控制的缺点在2 4 节已经介绍过，国内外学者针对 直接转矩控制的这些不足与缺点展开了大量研究工作2 _ 【1 1 ，2 1 3 1 4 1 5 ，16 1 。在解决 电流、磁链和转矩脉动过大，定子磁链估计，逆变器开关频率不恒定，低速运 行时难以精确控制等方面展开了一系列探索并取得了部分成果。 文献【1 1 】提出了将空间矢量调制方法( s v p w m ) 用于电机直接转矩控制，固 定了逆变器的开关频率，转矩和转速脉动都得到了减小。缺点是p i 调节器参 数设定困难，固定的p i 系数对电机的参数、转速和负载变化敏感，鲁棒性差， 控制系统的收敛性缺乏理论依据。 文献 1 2 】将变结构控制方法引入感应电机直接转矩控制中的转矩和磁链 控制器，动态响应快，鲁棒性强，且详细证明了系统渐进稳定性提出的 s v m d t c 方法采用变结构控制器控制定子磁链和转矩。该控制器算法简单， 不需要转速信息。仿真和实验结果表明该系统具有动态响应估算速度快、转矩 和磁链脉动小、鲁棒性强等特点。缺点在于变结构切换增益大，满足稳定性的 参数选择复杂，交结构的收敛方式为振荡收敛，且只采用了饱和函数方法削弱 抖振，变结构的抖振问题没有得到有效解决。 文献【1 3 】用m a t l a b s i m u l i n k 仿真方法说明了空间矢量调制方法原理以及它 固定了逆变器开关频率后，电机转矩、磁链脉动的明显减小，缺点是文中在转 矩和磁链环中没有采用任何控制器，造成对参数变换敏感，鲁棒性差。文献【1 4 】 用d s p 实现了电压矢量细分和新型开关表的直接转矩控制中的应用。 文献【15 】将滑模变结构控制策略用于直接转矩控制中，转矩和磁链的脉动 减小，快速性和鲁棒性得到增加，收敛方式为沿预先设计的滑模面振动收敛， 收敛速度快。缺点在于满足广义滑模条件的参数设置复杂，设置不当会引起系 统的不稳定。或者由于电机参数的变化超出了预先设定参数所满足的条件，同 样会引起系统的不稳定。抖振问题仍然采用饱和函数法，没有采用进一步有效 的解决方法。 文献f 1 6 将指数趋近律滑模变结构控制用于直接转矩控制，此方法对滑模 运动阶段外系统的正常运动阶段进行了运动轨迹规定，因此进一步改善了动、 静态性能且参数选择比较容易。不足之处在于； 1 ) 指数趋近律的滑模运动切换带为带状，系统在切换带中向原点运动时， 最终不是趋近于原点，而是趋近于原点附近的一个抖振，这个高频抖振可激发 系统建模未考虑的高频成分，增加控制器的负担。 第9 页 2 ) 文中采用的滑模面是线性滑模面，线性结构的滑模面能充分满足线性 系统控制性能的设计要求，使得系统处于滑动模态时稳定性分析简洁、方便， 其参数设计也容易。直到目前许多关于滑模控制的研究仍然采用线性滑模面， 但是线性的滑模通常在复杂非线性系统面前无能为力，在减弱抖振问题时也没 有太大益处。永磁同步电机是一个复杂的非线性系统，因而采用非线性滑模面 是一个很好的选择。 因此，如何设计合适的滑模面，充分体现出滑模变结构控制的优点：如 何改善控制策略，降低变结构的抖振问题是必须研究的问题。 2 5 永磁同步电机的智能控制理论 除了滑模变结构控制外，将各种智能控制用于永磁同步电机也是研究的热 点内容，智能控制解决非线性控制上有特殊的优点，缺点主要是响应速度慢， 稳定性证明困难，实际应用与实现困难，但是作为一种先进的控制方式，也是 我们必须关心的，下面关于主要的智能控制做一个简要介绍。 2 5 1 模糊控制 d t c 已成功应用于永磁同步电动机，但是永磁同步电机d t c 与异步电动 机d t c 在实施上有一定的差异，尤其是表现在零电压矢量的使用上在异步 电动机d t c 中，零电压矢量能有效控制定子磁链的运动进而控制转矩的瞬时 变化，获得快速的动态响应，但在p m s m 中由于转子永磁磁通一直存在，使用 零电压矢量虽能控制定子磁链走走停停，但无法控制转矩瞬间减小，此时须采 用反电压矢量来实现。反电压矢量的应用使p m s m 转矩响应加快的同时也带 来了磁链和转矩的剧烈变化，影响d t c 的稳态性能，当然这也是由于d t c 系 统中磁链和转矩控制采用了离散两点值滞环控制器所造成的，因此妥善解决动 态响应速度与稳态特性之间的矛盾是永磁同步电机d t c 中有待解决的问题和 p m s m 中应用d t c 的难点。 为有效提高动、静态控制性能，一些学者已在同步电动机d t c 中引入了 模糊逻辑思想。文献 1 7 】针对p m s md t c 动、静态性能的改进进行控制策略 研究，以提高系统转矩响应速度和减少转矩脉动为目标，引入了模糊逻辑思想， 将定子磁链误差、转矩误差和磁链角度进行了合理的模糊分级，以利准确选择 电压空间矢量，改善磁链和转矩的平稳性及快速性。将定子磁链角度进行映射 处理，以减少模糊控制规则数，缩短控制计算时间，加快响应速度。作者仿真 结果表明，这种根据永磁同步电动机本身特性建立的模糊直接转矩控制策略能 获得比常规直接转矩控制更优越的运行性能。 第l o 页 图2 4 ：p m s m 模糊d t c 原理框图 p m s m 模糊d t c 系统框图如图所示，模糊控制器一般包含模糊化、模糊 推理和解模糊三部分，用它取代了常规d t c 系统中的磁链滞环控制器，转矩 滞环控制器与电压空间矢量选择单元( 开关表) ，因此其输入量同样选为磁链 误差、转矩误差和定子磁链角度，其输出用于驱动逆变器，因而6 个非零电压 空间矢量被直接选为模糊控制器输出。 文献【1 8 1 在永磁同步电机d t c 控制中同样用模糊控制器代替了滞环控制 器，为了保证磁链计算的准确性，加入了定子电阻的神经网络观测器，实时估 算电机的定子电阻。同时，为了加快神经网络的权值计算，另外使用了一个模 糊控制器，用该模糊控制器的输出调整人工神经网络的权值，快速预测定子电 阻。神经网络采用的是b p 网络，计算复杂，实际应用困难，作者只采用了仿 真加以验证说明，控制框图如图2 5 所示。 图2 5p m s m 神经模糊d t c 控制器方框图 2 5 2 神经网络控制 神经网络由于对非线性函数具有非凡的逼近能力，作为一种新的控制策略 已有了广泛的应用，在交流传动领域也有了一定的应用。神经网络由于计算复 杂，容易影响电机的转矩和磁链调节的快速性，因此在电机控制中多用于实时 第1 i 页 性要求不高的速度环控制器、电机的状态观测器或作为其它控制策略的补充。 文献【2 0 】对永磁同步电机采用了矢量控制策略，在速度环中加入了人工神经网 络来控制速度并且增强系统抗不确定性扰动的能力。为了提高人工神经网络的 优化速度与实时性，加入了在线自适应学习算法，控制框图如图2 6 所示。 图2 6p m s m 人工神经网络控制图 2 5 3 自适应控制 自适应控制由于其良好的参数调节能力，在各个方面得到广泛应用。目前， 自适应的控制方法主要分为三种，分别是： 1 1 基于局部参数最优化理论的自适应控制，设计过程是先确定目标函数，根 据该函数计算出自适应参数，方法简单，思路清晰，容易理解。最大的缺 点是无法保证全局的稳定性； 2 ) 基于l y a p u n o v 稳定理论的自适应控制，设计方法为构造一个正定的 l y a p u n o v 函数，确保对时问的导数是负定或半负定来确定适应律。可以保 证系统全局的稳定性，并且自适应速度快。缺点是构造l y a p u n o v 函数困难， 一般凭借技巧与经验； 3 1 基于p o p o v 超稳定理论的自适应控制，主要用于m r a c ( 模型参考自适应 法) 系统，将m r a c 转化为线性前向方块和非线性时变反向方块，用反向 方块满足p o p o v 积分不等式，求反向方块中参数自适应律，用前向方块满 足严格正实的求出前向方向中线性补偿器的系数，最后返回原系统。超稳 定理论同样可以设计出全局稳定的系统，设计时结构明晰，选择适应律灵 活。避免了构造l y a p u n o v 函数。但是设计复杂，不容易理解，且有严格正 实等条件的限制； 在p m s m 中引用的自适应控制方法主要是模型参考自适应法( m r a c ) ， 目前大多用于速度环和其它控制策略的补充，文献( 2 1 1 对永磁同步电机采用了 第1 2 页 矢量控制策略，在速度环中加入了m r a c 控制策略，用参考模型和对象模型 的转速差通过滑模控制器来控制电流。并且加入了负载转矩观测器算出给定电 流的数值。 图2 7 m r a c 控制方框图 综上所述，基于智能控制如模糊控制理论和神经网络理论的d t c 控制 缺点是进行在线模糊推理和神经网络参数调节的计算工作量大，难以实时控 制，需要其它算法或控制策略辅助。文献 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 等仅进行了这种控 制策略的仿真研究，仿真结果也没有保证d t c 固有的转矩快速响应的特点。 而m r a c 法只能用于速度环，无法直接用于电机的控制策略中，因为电机的 精确参考模型是无法建立的，参考模型不准确，m r a c 方法就不可以用于矢量 控制电流环或直接转矩控制转矩和磁链环。 通过本章分析比较，滑模变结构控制