（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统智能控制技术的研究.pdf

沈阶r ：业大学硕+ 学位论文 摘要 直接转矩控制同矢量控制相比，作为一种新颖的控制方式，具有转子参数鲁棒性和 结构上的简单性，但是在技术实现上，直接转矩控制系统难以获得如矢量控制那样宽广 的调速范围。其根源主要在于低速转矩特性变差、稳态转矩脉动的存在及带负载能力的 下降。本论文针对感应电机直接转矩控制系统运行时存在的问题进行了深入研究。 传统异步电动机直接转矩控制系统中低速性能较差的原因源于定子电阻所引起的 磁链增量误差。因此如何处理定子电阻的问题已成为提高直接转矩控制系统低速性能的 热点问题之一。在传统的直接转矩控制的基础上，本论文给出了一种全速范围变频调速 策略。以p w m 电压信号合成圆形磁链轨迹来替代传统的六边型磁链轨迹，提高系统的 阻抗至可忽略定子电阻。同时以旋转电压矢量运行轨迹矫正旋转磁链运行轨迹，消除定 子磁链的电压电流模型的积累误差。 对于高性能电动机控制系统，对速度的精确辨识是十分必要的。而对于异步交流电 机控制中，速度传感器的安装不仅增加控制系统的成本，还存在安装和维护上的困难， 降低系统的可靠性，并且不适恶劣的工作环境，因此如何通过其它途径对异步交流电机 进行速度观测，实现无速度传感器转子转速辨识是感应电机直接转矩控制的另一热点问 题。本文通过小波神经网络离线学习在线控制的方法辨识电动机转速，实现对电动机转 速的闭环控制。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是美国t i 公司推出的面向电机控制领域的芯片，它运算速度 快，能实现电流实时控制。用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为核心控制器件组建数字模糊直接 转矩控制实验系统，使得可以从软件方面着手改善系统的性能。最后完成了系统的软硬 件调试，通过实验证明了所提方案的有效性。 关键词：直接转矩控制，异步电动机，智能控制，小波神经网络 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 t h ed i s q u i s i t i o no fi n t e l l i g e n ta l g o r i t h m si nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t m p a p e re n 血e l ys u i 砌a r i z e st h ea 咖a l 毋a i l dd e v e l o p m e i l to fd i r e c tt 0 r q l j ec o r l 廿o l ( d t c ) s y s t e mo fi 1 1 d u c t i o nm o t o r s ，a n dd e t a i l e di n 仃o d u c c st l l eb 鸽i ct h e o r ya 1 1 dp 面c i p l e s a c c o r d i n g t om a i np e 晌n i l a l l c e si 1 1t l l ed t ca r es h o wb ys h u l a l i o ne x p e r i m e 咄血ea p p l i c a t i o no f m 铷i g e ma l g 甜岫1 si n 妞d t c i sp r e s e n t e d 锄de x p e r i r n e n t 印p r 0 v em cv a l i d i 哆 b a s e do nt 1 et l l e o r e t i ca n a l v s i so f d e r f b 姗a n c eo f m e 如d u c t i o nm o t c i r ( i m ) ，也ei 1 1 c r e m e n to f e l e c 仃o m a 印e t i ct o r q u eo fi mi sa i l a l y z e di nd e t a i l t sp 印c re x p l 如t l l er e a s 0 nw h yt 1 1 ei m p e r f b 册a n c ei nt h el o ws p e e dr e g i o ni sp o o r u 1 1 d e rc o n v e 以o n a ld i r e c tt o r q u ec o n 仃o l ( d t c ) 1 1 1 e h i 曲能q u e n c yv 0 1 t a g ep u r l sm a l ( es y s t e m si m p e d a n c ei m p r o v eo b 、，i o u s l y hc a l le 恐c t i v e l y r c d u c et 1 1 ei 1 1 n u e n c eo fs t a t o rr e s i 站l n c ci i lf l u xl i n k a g e t h e n ，w ec a na v o i df 砬i n gt 1 1 e 仃a d m o n s t a t o rr e s i s t a n c ee x 锄i r l i l l gp r o b l e m t h r o u 曲d u t ) ，r a t i oc o m r o lt e c m q u e 访k g h 矗e q u e n c y v o l t a g ep u 】s e ，t k ss c h e m ec a ne f f b c t i v e l yr e d u c et l l et o r q u er i p p l ei n1 0 ws p e e da n d s t a t i cm n c t i o n o f t h es y s t e mi si m p r o v e df e a t l y f o rr e a l i z i n gh j g hp e r f o r m a l l c ea s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，s p e e di n f o n n a t i o n m u s tb ek 1 1 0 w ne x a c t l y h o w e v e r ，t h eu s e so fs p e e ds e n s o rn o to n l yr e d u c es y s t e mr c l i a b i l i t y ， b u ta l s oa d ds y s t e mh a r d w a r ec o s t s o ，a c c o r d i n gt om a t h e m a t i cm o d e lo fa s y n c l l r o n o u s m o t o r ，、v a v e l e tn e t w o r km o t o rs p e e di d e n t i f i c a t i o nm o d e li sc o n s t m c t e da 1 1 dm i x e di n t e l l i g e m a l g o r i m m si su s e dt o 佩nw a v e l e tn e t w o r k t h e no n en e wc o n t r o ls t r a t e g yo fi mi sp r o p o s e do nt h eb a s i so fc l a s s i c a ld i r e c tt o r q u e c o n t r o l( d t c ) n es c h e m ei sr e p l a c i n gt h es i n g l ev 0 1 诅g es p a c ev e c t o r 、v i t hh 砷疗e q u e n c y v o l t a g ep u l s ew h e ni mm 1 1 si nt h e1 0 ws p e e dr e g i o n b yc o n t r o lv o l t a g ep u l s e ，af u z 巧n e u r a l n e t w o r kd i r e c tt o r o u ec o n t r o ls v s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 p 2 4 0i sm a d e ，t h er e s u l t so fm e e x p e r i m e n tv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ) ，o f t h ep r 叩o s e ds 仃a t e g y k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ( i m ) ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，i n t e u i g e n ta i g o r i t h m s ， w a v e l e tn e t w o r k 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：孙蹶碘羽1 粤 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) 虢避翩虢鳖一两：逝旧 沈阳工业人学硕士学位论文 1 月l 】吾 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、国防、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，一是要便电动机 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。根掘采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。 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。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅速发展，为交流 调速发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。目前，交流调速已进入逐步取代直流 调速的时代。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，由于直流电动本身结构上 存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来一系列限 制，如： ( 1 ) 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值，这就限制了单 机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调 速系统的复杂性。因此在工业生产中，对一些要求特高转速、特大功率的场合则很难采 用直流调速方案。 ( 2 ) 为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器的直径，导致电 机转动惯量很大。对于要求快速响应的生产工艺，直流调速方式难以实现。 ( 3 ) 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。因此维检工作量大， 维修费用高，同时停机检修和更换电刷也直接影响了正常生产。 ( 4 ) 在一些易燃、易爆的生产场合，一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能 或不宜使用直流电动机。 基丁jd s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜，坚 固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。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。而矢量控制技术和直接转矩控制的 产生，使交流电机获得了与直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术登 上了一个新的台阶。 1 2 直接转矩控制的提出 交流电机控制技术具有代表性的有调压调频控制、转差频率控制、磁场定向控制( 矢 量控制) 以及近些年出现的直接转矩控制等。要使电机的转速得到快速响应，必须有效 地控制转矩。调压调频控制只控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩。转差频率控制 能够在一定程度上控制电机的转矩，但它是以电机稳态方程为基础设计的，并不能真j 下 控制动态过程中的转矩。基于模糊控制和d s p 的异步电机直接转矩控制研究1 9 7 1 年， 德国西门予公司的f b l a s c h k e 提出异步电动机的矢量控制技术，使交流电动机的调速控 制理论获得第一次质的飞跃。矢量控制技术的物理意义为，以转子磁链这一旋转空间矢 量为参考坐标，利用坐标变换实现定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，使交流电 机能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像直流电机一样良 好的动念特性。 尽管矢量控制方法从理论上可以使交流传动系统的动态特性得到显著改善，但实现 时要进行复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大，难以保证动态过程完全解耦， 使转矩控制效果打了折扣，针对这一问题，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年首 先提出异步电动机直接转矩控制方法。直接转矩控制是一种更先进的控制技术，它不需 要解耦电机模型，强调对电机的转矩进行直接控制。在很大程度上克服了矢量控制的缺 点，成为交流电机调速控制理论第二次质的飞跃。直接转矩控制从一诞生，就以新颖的 控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到人们的普遍关注。目前直接 转矩控制理论已成为国内外的研究热点，可以预见，以直接转矩控制理论和无速度传感 器的转速估算理论构成的交流调速系统，将成为交流电气传动的主要发展方向之一。直 沈阳工业大学硕士学位论文 接转矩控制的中心在于“直接自控制( d i r e c ts e l f c o n 仃0 1 ) ”，这个思想不仅用于转矩 控制，同样也适用于磁链的控制。其实，直接控制磁链和转矩的概念在1 9 7 7 年就由 a b p 1 u 1 1 l ( e t t 首先提出，但当时对定子磁链的检测没有很好的方法，实现起来颇为困 难而未曾引起广泛注意。1 9 8 3 年，y m u r a i 等人将瞬时空间矢量理论作为工具应用到 p w m 逆变器供电的交流传动系统中，提出空间矢量p w m 法，成功地解决了“磁链自 控制”的问题。1 9 8 1 年，s y a m 锄u r a 提出磁场加速法( f a m ) 时关键性地指出；只要 维持气隙磁链幅值不变，那么转差频率是唯一的状态变量，调整它，其他状态变量( 如 电流、电压、转矩等) 都随着改变。这是“转矩自控制”的理论基础。1 9 8 5 年，m d 印e n b r o c k 综合了以上控制方法的优点，提出了直接转矩控制理论，在维持定子磁链幅值恒定的同 时，调节零矢量的作用时间以调整定子磁链在空间的旋转速度，就可以改变瞬时转差频 率达到控制瞬时转矩的目的。 德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领 域的实际应用。目前已经把直接转矩控制技术成功地应用到大功率电力机车和提升机的 电气传动上，所用的功率器件由g t r 到g t o ，再到i g b t ，信号处理器是t m s 3 2 0 c 2 5 。 控制技术方面。己拓宽到低速范围和弱磁范围。日本则采用近似圆形磁链的控制方案， 侧重于中小功率高性能调速领域的研究。1 9 8 7 年，i t a k a h a s h i 用两组逆变器和1 5 k w 异步电动机构成直接转矩控制调速系统，通过实验获得了创世界纪录的性能指标，其转 矩响应频率达到2 k h z 以上，空载转速的阶跃响应高达一5 0 0 一十5 0 0 ( r m i n ) ( 4 m s ) 。 这些数据充分显示了直接转矩控制的优越性能。在美国，进行直接转矩控制研究的主要 有t g h a b e t l e r 等人。其目的是把这种先进的技术应用到电动汽车的牵引中，因此研 究重点并不是如何精确地调速，而是在全速范围内有效地控制转矩。1 9 8 9 年，他们把直 接转矩控制用于直流环节谐振逆变器，用反向电压矢量代替零矢量，加快了转矩响应， 同时使只用一个直流侧电流传感器估算电机三相电流成为可能。逆变器的开关频率高达 2 7 k h z ，减小了嗓音。1 9 9 2 年，他们提出了无差拍预前控制法，克服了b a n d b a n d 控制 开关频率可变的缺点。1 9 9 5 年他们指出，无差拍控制的思想只适用于稳态，动态时为了 加快转矩响应，可以不考虑磁链的控制而直接选取使转矩改变最快的电压矢量。仿真和 实验结果表明，这种方法在动态过程中会使磁通控制出现小的偏差，但转矩响应更快了。 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 1 3 无速度传感器的直接转矩控制 在交流电机控制中，速度传感器的安装不仅增加控制系统的成本，还存在安装和维 护上的困难，降低系统的可靠性，并且不适恶劣的工作环境，因此限制了它的应用范围。 无速度传感器技术，就是如何通过己知的调速系统参数快速而准确地估算出电机的实际 转速值。1 9 7 5 年，a a b b o r d 等人根据异步电机数学模型及控制原理，推导出电机的滑 模表达式，在无速度传感器领域做出了首次尝试，1 9 8 2 年，k j o e t a e n 首次将无速度传 感器技术用于矢量控制，使得交流传动又上了一个新台阶。 从2 0 世纪7 0 年代至今，国内外学者提出了诸多方法对转速进行估算。例如，采用 扩展卡尔曼滤波器估算电机转速，建立以定子电流和转子磁链为状态变量，以转速为参 数的电机状态方程，将状态方程线性化，根据卡尔曼滤波器的递推公式估算转矩。另外 还有模型参考自适应法( m r a s ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) ，它的主要思想是 将不含参数的方程作为参考模型，将含有待估计参数的方程作为可调模型，并且两模型 具有相同物理意义的输出量，利用两模型的输出量的误差构成合适的自适应律来调节可 调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参数模型的目的。由于转速可以看成是定子 电压和电流的函数，而人工神经网络具有逼近任意非线性函数的能力，且神经网络具有 自学习和自适应能力以及较强的抗干扰能力，所以也可以采用人工神经网络进行转速的 估计f 2 那。利用神经网络进行辨识，一般都是预先规定网络结构，通过学习系统的输入输 出，使要求的误差函数达最小，进而归纳出隐含的系统输入、输出之间的关系。 1 4 智能控制与全数字化控制 直接转矩还有些问题未解决，如低速时转矩观测器和转速波动等。目前在实际中使 用的直接转矩控制系统，大多都是或者采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方 法。低速时采用磁链定向控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时观测转子磁链，作 为直接转矩控制系统的校正。这种方法平稳切换的时机较难确定，并且当低速时采用磁 链定向控制、或采用观测转子磁链的方法时，还是要依赖转子参数卜”。也就是说只要 有转子磁链的成分在里面，就还是对转子参数较敏感，无法体现直接转矩控制的优势。 除此之外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦 沈阳工业大学硕士学位论文 控制、模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然 建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观测器，因而结构复杂， 有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。目前，解决上述问题的途径是将现有的 各种控制理论加以结合，互相取长补短，或者将其它学科的理论、方法引入电机控制， 走交叉学科的道路。 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 1 7 1 s l ，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i 啦“】。近年来将神经网络控制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。 有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制 系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的 进步，采用集成电路甚至专用集成电路。这些电路大多为模拟数字混合电路，既提高了 可靠性、抗干扰性，又缩短了开发周期和研制费用，减小了体积，因而发展很快。作为 专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c 施ch t e 掣a t e dc i r c u i t ) 的一个重要方面，几乎所有 先进工业国家半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专用集成电路。所以电机控制 专用集成电路品种、规格繁多，产品资料和应用资料十分丰富。但同时由于各厂商之间 无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要，往拄 要花很大力气、很多时间去收集整理资料。如前所述，当前电机控制的发展越来越趋于 多样化、复杂化。所以有时未必能满足越来越苛刻的性能要求。这时可以考虑自己开发 电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列( f p g a ) 可以作为一种解决方案。作为开发 设备，f p g a 可以方便地实现多次修改。简单地打个比方，f p g a 相对于a s i c 好比 e e p r o m 相对于掩模生产的r o m 。由于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几千 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 个等效门，多则几万或几十万个等效门。所以一片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑， 替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言( v h d l ) 来对系统 进行设计，v h d l 是一种标准化的硬件描述语言，已经大量出现在e d a 系统中。它可 以用简洁明确的原代码来描述复杂的逻辑控制，具有多层次的设计描述功能，层层细化， 最后可直接生成电路级描述。这对电机控制设计方案的实现提供了有利支持。 目前，变频器大多都是采用单片机来控制。应用较多的是8 0 9 6 系列产品。但单片 机的处理能力有限，特别是采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数量大，实时性 和精确度要求高，单片机往往不能满足要求。因此人们自然而然的又想到了数字信号处 理器( d s p ) 。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和开发工具 越来越多，越来越好：价格却大幅度下滑，目前低端产品己接近单片机的价格水平，且 具有更高的性能价格比。 与单片机相比d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ，更大容量的存 储器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a 仍和采样保持电路， 可提供p w m 输出。更为不同的是，d s p 器件为精简指令系统计算机( i u s c ) 器件，大 多数指令都能在一个指令周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完 成多条指令。d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程 序和数据。内置高速的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。增强的多级流水线， 处理器可以并行处理2 - 4 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。这都使d s p 器件具 有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机( c i s c ) 器件，多数指令要2 3 个指令周期来完成。单片机采用冯诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时 刻只能单独访问指令或数据。a l u 只能做加法，乘法需由软件来实现，因此占用较多 的指令周期，也就是速度比较慢。所以，结构上的差异使d s p 器件比1 6 位单片机指令 执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。简单地说，就是d s p 器件运算 功能强，而单片机的事物处理能力强。 d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的 运算速度。采用基于d s p 的电机专用集成电路的另一个好处是，可以降低对传感器等 外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 专利技术的保密。 1 5 研究直接转矩控制的现实意义 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 t c 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 l l g b a r i 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 ，随后又将d t c 技术应用于i g c t 三电平高压变频器。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。 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 2 异步电动机直接转矩控制的基本理论 直接转矩控制技术，德语称为d s r ( d i r e k t es e l b s tr e g e l u l l g ) ，英语称为d t c ( d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) ，是近2 0 年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有高动静 态性能的交流调速技术。不同于矢量控制技术，直接转矩技术有着自己的特点。它在很 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 2 1 异步电动机的电压电流数学模型 异步电动机直接转矩控制系统中采用的分析方法是空间矢量的数学分析方法，使得 问题变得简单明了。图2 1 是异步电动机的空间矢量的等效电路图。 j o 零， 图2 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 f i g2 1l n d u c t l o nm o t o rs p a c ev e c t o re q u i v a l e n tc i r c u nd i a g r 枷 五。：单相定子电阻 三，：单相转子漏感与定子漏感之和 ，：转子反电势 妒，：漏磁链矢量 f ，：转子电流矢量 i ；：定子电压矢量 r ，：折算到定子侧的单相转子电阻 三。：单相励磁电感与定子漏感之和 歹，：定子磁链矢量 _ j ：定子电流矢量 l ：励磁电流矢量 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： 一8 一 沈阳_ t 业大学硕士学位论文 沾己足+ 等 ( 2 1 ) 转子电压方程： o = 一誓+ 耳i + q 万 ( 2 2 ) 衍 。“7 由定子电压方程可以推出定子磁链的表达式： 瓦= h 嚣一e 足) 疵 ( 2 3 ) 由电磁关系可得漏磁链表达式： 歹：= 盯i ( 2 4 ) 由矢量关系，可得转子磁链表达式： 万= 瓦一万 ( 2 5 ) 根据电磁关系，可得电流表达式： 励磁电流： i2 等 6 ， 转子电流： i2 孥 ( 2 ，) 定子电流： i = i + i 。弩+ 琶 汜s ， 将上述式子合并，并将微分形式写成稳态的觑形式，可得： 重- - ! ( 竺二竺) 生：丛 ( 2 9 ) y ，代r矗， 其中，一q = q ，q 是转差角速度。将上式取绝对值，可得定子磁链矢量与转 子磁链矢量的央角的i f 切函数表达式： 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 增让警 1 0 ) 由上式可得定转子磁链之间夹角o 的表达式： 占：a r c t a n 竺 ( 2 1 1 ) 尼 电磁转矩表达式： 瓦= 吾( 瓦乏) ( 2 1 2 ) 将上式带入，并利用磁链关系，可得： 瓦2 薏陬如 旺 上式表明，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央 角就可以改变转矩，这实际上就是直接转矩控制的之所以简单的根本所在。其中l ：转 子漏感和定子漏感之和：_ ，孑，：转子反电势；瓦：定子磁链空间矢量；瓦：漏磁链 矢量；e ：励磁电流空间矢量。 2 2 直接转矩控制的基本理论 2 2 1 电压空间矢量的概念 一台逆变器如图2 1 所示，由三组、六个开关( s 。、& 、s c 、e 、& 、& ) 组 成。由于s 。与万、是与万、& 与i 之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所 以三组丌关有2 3 = 8 种可能的开关组合。 沈阳工业大学硕士学位论文 巧 瓦 图2 2 逆变器开关 f i g2 2 l n v e r t e rs w i t c h 把开关毛、巧称为a 相开关，用e 表示；& 、瓦称之为b 相开关用品表示； & 与称之为c 相开关，用& 表示。也可用s 。同时表示三相开关只、& 、& 。 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“”极接通时，该相的开关状态为“0 ”态。 表2 1 逆变器的8 种开关状态组合 t a b l e1 1i n v e r t e rs w i t c hs t a t ea s s e m b l e d 2 2 2 定子磁链空间矢量 在2 2 1 节分析了变频器开关状态与定子电压矢量的关系。首先建立静止的旺、b 坐 标系，设定a 轴( 即复平面的实轴) 与定子a 相绕组轴线重合，b 轴( 即复平面的虚轴) 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 在轴逆时针旋转9 0 。的位置上。根据定子磁链方程式，当忽略定子电阻压降时，磁链 方程可化简为： 虮= k 西 ( 2 1 4 ) 当电机定子绕组上施加空间电压矢量乏( 只& ) ，在t 时间内，相同方向的磁链 虬。兰“，( 只品& ) ，在电机气隙内产生，这表明： ( 1 ) 定子电压矢量的方向决定了定子磁链矢量增量的方向。 ( 2 ) 定子电压矢量的大小决定了定子磁链增量的大小，即磁链的变化率。 如下图所示，假设在t - o 时刻，定子磁链空间矢量为瓦，电机输入电压五，经过 时间t 后，磁链矢量的增量为；，f ，则在时刻磁链矢量为两个矢量的合成矢量瓦。因 此，当输入电压为一个非零矢量时，定子磁链的空间矢量将沿着输入电压的空间矢量方 向，以正比于输入电压的速度移动。通过控制逆变器的8 个开关状态使定子磁链按目标 轨道运行，保持磁链幅值恒定，磁链将按圆形轨迹运动。但是由于逆变器的电压矢量是 离散的，开关频率也有一定限制，使定子磁链只能在一定误差范围内逼近圆形。 图2 3 六边形磁链 f 瑭2 3 h e x a 9 0 nn u o n = ：4 矗、6 口 n = j 搬羹7 懈咖蛾，薰 基于d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制系 统是以对定子磁链的控制为基础的，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，定子磁链无论是幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变 坏，甚至出现不稳定。直接转矩控制系统低速时定子磁链难以准确观测使得其低速性能 大大下降，这一点与矢量控制中转子磁链观测困难在本质上是一致的。 在直接转矩控制中，传统的磁链观测器模型一般有三种：u i 模型，i n 模型，u n 模型。其中u i 模型最为简单和常用，此模型仅需要知道定子电阻风，通过对定予 电压方程的积分即可计算出定子磁链。在高速领域精度比较高，当电机运行于高速时， 定子电阻的影响可以忽略，利用该方法计算磁链可以取得较好效果，但在低速时因纯积 分环节的误差积累以及直流偏移问题致使模型精度严重下降。当电机运行于低速时逆变 器输出的相电压较小，此时定子电阻r s 的影响不能够忽略。由于计算时设定的r s 和实 际的r s 不可避免存在着偏差，而且定子电流的检测值中包含有a d 转换噪声，通滤波器 之间的作用。进一步分析表明，这种积分器相当于一个截止频率可调的惯性环节，对于 输入理想的情况下，它的截止频率就是0 ，如果由于输入的误差导致积分器输出发生漂 移，这时反馈环节的限幅作用就体现出来了，零漂越大，反馈作用越弱，积分器的截止 频率越大再加之由于p w m 和死区效应的影响使得定子电压不可避免的存在测量偏差， 这些误差成分虽然很小，但会随着积分运算的不断积累，最终使计算磁链严重偏离实际 值。由于定子磁链的精确观测是提高d t c 系统性能的关键，而且转矩的计算也依赖于定 子磁链，因此上述问题是导致d t c 低速性能差的重要原因之一。i n 模型虽然使得系统 不受定子电阻的影响，去掉了积分环节，但过分依赖于主电感、漏电感、转子电阻等电 机参数的准确性，而且需要准确测量电机的转速。因此，电机参数的变化和转速估计的 偏差都将产生很大的影响，高速时模型的精度无法保证。为了克服该问题，必须对电机 参数进行在线辨识，但是这样做又增加了控制系统的复杂程度。u n 模型被认为是最有 优势的电动机模型，它综合了u i 模型和i n 模型的优点，高速时工作在u i 模型下， 低速时工作在i n 模型下，很自然地解决了模型的切换问题，但此模型实现起来较为复 杂。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 智能算法理论基础 3 1 小波网络理论 小波分析概念出现于1 9 8 4 年，法国地球物理学家m o r l e t 在分析地震数据时发现传 统的傅立叶变换难以达到要求，因此他在信号分析中引入小波概念对信号进行分解，提 出将地震波按一个确定函数的伸缩、平移系i 口i y ( 孚) ；见6 亢，口。) 展誓。随后， m e y e r 于1 9 8 6 年证明了确实存在小波正交系，掀起了人们研究小波分析的热潮。在 m a l l a t 、d a u b e c h i e s 、崔锦泰等诸多学者的努力下，小波分析的理论发展与实际应用达到 了一个新的高潮。目前小波分析在许多领域得到了应用，如地震信号的分析与处理、涡 流和研究、图象压缩、噪声中的未知瞬态信号、语音信号的分析、变换和综合、时频分 析、算子及拟微分算子的化简、解微分方程、电磁场领域等l 吣“。 3 1 1 小波网络理论基础 小波神经网络由于把神经网络的自学习特性和小波的局部特性结合起来，具有自适 应分辨性和良好的容错能力，因此特别适合应用在函数逼近、系统辨识、数据压缩等领 域。小波神经网络可以看作是一种以小波函数为基底的一种函数连接型网络结构，其理 论基础是小波的框架理论”1 。在h i b e r t 空间l 2 ( r ) 上选取( x ) 作为母小波，( x ) 应 满足允许条件： f 坦屿 0 ，6 0 o ，当具有如下性质时： 彩2 ，矿；is 髟2 o _ b = 1 0 + m + ： 其中，m 为输入层节点个数，n 为输出层节点个数。对于权重码，采用实数编码，串长 度为上2 = 1 + ( 吖+ ) 。按照控制码在前，权重码在后的方式排列，组成一个长串，每个 串即每个个体，对应一个网络结构及其连接权值。编码串如图所示： 权重码 控制码 权值 尺度因子 位移吲子 图3 9 混合学习算法编码示意图 由于此时的遗传算法编码由二部分组成，所以，在后面的交叉、变异操作中，都要对 这二部分进行单独操作。控制码与权重码分别拥有各自独立的交叉概率与变异概率，并按 照各自的概率分别进行操作，互不影响。下图为实数交叉过程示意图： a al = a l f a + b + ( 1 一a l f a ) + a 交叉 b bl = a l f a + a + ( 1 一a l f a ) b 其中：a l f a 为【0 ，1 】间随机数 图3 1 0 实数交叉操作示意图 f i g3 1 0 r e a ln u m b e ra c r o s s 叩e r a t i o “ 在遗传学习过程中，以网络的均方误差的倒数作为适应度函数，即： ( 3 2 0 ) 肚肚 工杠 p 舻么 沈阳工业大学硕士学位论文 由于每个个体所对应的网络结构不同，如果某个节点的所对应的控制码为o ，即这个节 点不存在时，与这个节点相连接的所有权值都为0 ；如果某个节点存在时，与这个节点 相连接的所有权值为其权值本身。所以，在计算适应度函数时，权值的实际有效值为： 权值有效值= 权重码中权值+ 相连节点控制码。下图为混合学习算法优化网络的算法流程 图： j 始化( 遗传种群个数确定交叉变异 率，b p 学习速率，动量因子等) t v 生成混合编码的初始种群 b p 正向传播 ， 根据适应度函数泳个体适应度 1r t 素；到纛纛漆是 弋睾罗j 4 y 交叉，变异生成新一代种群i、输出最优解) i 反向传播；调整权值i 图3 ，1 l 混合学习算法优化网络的算法流程图 f i g m i xl e a r n i n ga r “h l l l e t i co p t i m i z en e t w o r kf l o wc h a r t 从上图可以看出，混合学习算法的程序执行流程。在初始化过程当中，对遗传算 法与b p 算法中所涉及到的所有参数进行设置，本文中，相关参数设置如下：遗传种群 个数s i z e = 8 0 ；权重码中交叉概率p c w = 0 8 ；权重变异采用自适应变异概率 p m w = o 卜 1 ：1 ：s i z e $ o 0 1 s i z e ；在这里需要事先将s i z c 个个体的适应度值按其大小 进行排列。控制码中交叉概率p c c = o 8 5 ；控制码变异概率p m c = o 0 8 ；b p 算法的学习速 基丁d s p 的直接转矩控制系统智能控制技术的研究 度”= 0 9 ；动量因子6 = o 7 。经过一系列的遗传操作后，所生成的控制码与权重码都接 近于网络的最优结构与最优解，当遗传操作误差值达到给定的遗传误差标准时，将遗传 操作中所生成的控制码，即小波网络的隐层节点个数赋给b p 算法作为b p 算法网络结 构初始值，而将遗传操作中生成的权重码，赋给b p 算法作为b p 算法的权重初始值。 由于b p 算法的初始权重码已经接近无网络的最优解心5 j2 ，所以，在b p 算法的反向调 节过程中，就会明显的减小网络的收敛时间。 3 4 本章小结 本章是本文所用到的智能算法的理论基础。本章首先介绍了小波网络的理论基础， 构造了小波网络的结构，并将小波网络与神经网络从仿真给出了对比分析。然后介绍了 遗传算法及b p 算法，分析了这二种算法的优缺点，从而提高了将二种算法互补性结合 的混合学习算法，并用其对小波网络进行了学习、训练。 沈阳工业大学硕士学位论文 4 新型直接转矩控制系统方案 4 1 概述 传统异步电机直接转矩控制中低速性能较差的原因源于定子电阻所引起磁链增量 误差问题，因此如何解决定子电阻问题已经成为直接转矩控制进一步发展的障碍。有良 好鲁棒控制性能而又便于实际应用的感应电动机控制器设计，自然是人们期望的。由于 感应电动机的磁链和转矩不直接可测，这一问题的解决存在很大的难度，2 “。直接转矩 控制系统的设计方法，以降低传统矢量控制系统对电动机参数的依赖性，提高系统性能 为目的。至今为止，很多为提高其低速性能努力，仍旧无法摆脱对电动机转子参数的依 赖性。而经研究证实即使定子电阻测量得足够准确，根据定子磁链的电压电流模型设计 的经典d t c 系统的低速性能仍得不到改善。而解决问题的方法是使得r 。的改变对磁链 矢量的增量影响可以忽略，即采用高频脉冲来替代单一的电压矢量提高定子的阻抗，使 定子电阻对磁链的影响可忽略不计。并以旋转电压矢量轨迹矫正旋转磁链轨迹，消除定 子磁链的电压电流模型的积分积累误差。 由于传统异步电机直接转矩控制需要对电动机速度进行精确测定，而用速度传感器 对检测系统速度，增加了系统成本，还存在安装和维护上的困难，降低系统的可靠性， 在恶劣的工作环境，速度传感器并不适合。所以无速度传感器直接转矩控制技术成为当 前研究的热点。随着智能控制技术的发展，将智能控制技术引入直接转矩控制系统解决 该问成为