（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络逆系统感应电机磁链观测及控制.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或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 保密囫，在叁年解密后适用本授权书。 不保密口。 户家力 指导教师 加罗年6 月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 刁年 ) i ： 7 劲 舌月 卜 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文针对交流感应电机磁链观测问题，在教育部博士点基金的资 助下，借助d s p a c e 仿真实时系统搭建实验平台，应用神经网络逆系统 的方法对感应电机磁链进行观测研究。 文章根据感应电机数学模型，分析了按定子磁场定向控制特点， 运用电流励磁分量解耦补偿环节，实现了定子磁场定向控制下电机转 速与定子磁链间的解耦控制。然后，对比几种常用的定子磁链观测方 法，对定子磁链估计算法中存在的纯积分问题，提出一种改进型定子 磁链观测方法。并且在自行设计、搭建的d s p a c e 仿真实时系统交流 电机调速实验平台上，验证了所提出的按定子磁场定向的解耦控制算 法，检验了实验平台的可靠性。 文章在对神经网络、软测量技术和逆系统的理论分析的基础上， 采用逆系统方法对感应电机系统的可逆性进行了分析，借助神经网络 对任意复杂非线性函数的逼近能力，将左逆软测量技术与之相结合提 出了针对感应电机磁链观测的神经网络左逆软测量方法，并给出了构 造神经网络逆系统的具体方法、步骤。最后，在实验平台上实现了针 对感应电机磁链观测的神经网络左逆软测量方法，证明了算法的有效 性。 神经网络左逆软测量方法是解决感应电机磁链观测问题的新尝 试，所采用的神经网络左逆软测量模型由若干微分器和一个静态神经 网络构成，其中微分器刻画了软测量模型的动态过程，神经网络则用 江苏大学硕士学位论文 于逼近非线性函数，描述了磁链观测器的非线性特性，克服了磁链观 测中对电机参数的依赖，为进一步提高感应电机控制性能打下了坚实 的基础，并拓宽了神经网络逆系统理论的应用范围。 关键词：感应电机，定子磁场定向控制，解耦控制，神经网络， 逆系统，磁链观测，d s p a c e 实验平台 一 鼻 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p p o r t e db yd o c t o r a lf u n do fm i n i s t r yo fe d u c a t i o no fc h i n a ，t h e p a p e rf o c u s e so nf l u x o b s e r v a t i o no ft h ea ci n d u c t i o nm o t o r s t h e e x p e r i m e n t i sr e a l i z e do nt h ep l a t f o r mb a s e do nd s p a c es y s t e m b y a p p l i c a t i o no f t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) i n v e r s es y s t e mm e t h o d a c c o r d i n gt o am o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s t a t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o ls c h e m ei s a n a l y z e d ad e c o u p l i n gc o n t r o l s t r a t e g yo fi n d u c t i o nm o t o r sw i t hs t a t o rf l u xo r i e n t a t i o ni sp r e s e n t e d w i t ha c u r r e n td e c o u p l e r , s t a t o rf l u xa n dr o t o rs p e e da r ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y s o m ep o p u l a rs t a t o rf l u xo b s e r v e r sa r ei n v e s t i g a t e d an e wi n t e g r a t i o n a l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h es t a t o rf l u xo b s e r v e r , am o d i f i e d i n t e g r a t o rb a s e do nt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt os o l v ep r o b l e m s a s s o c i a t e dw i t ht h ep u r ei n t e g r a t o r f i n a l l y , t h ed e c o u p l i n gc o n t r o ls c h e m e w a sv a l i d a t e do nt h ep l a t f o r mw h i c hw a sb a s e do nd s p a c es y s t e m t h e e x p e r i m e n tt e s t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep l a t f o r m i nt h ep a p e r ，t h et h e o r i e so fa n n ，s o f t - s e n s i n gt e c h n o l o g ya n d i n v e r s es y s t e ma r ea n a l y z e d t a k i n gf u l l a d v a n t a g eo fa p p r o x i m a t i o n c a p a b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r k st oa r b i t r a r yc o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e m ，a n a n nk r i n v e r s i o ns o f t - s e n s i n gm o d e li so b m i n e db yc o o p e r a t i o na n n w i t hl e f t i n v e r s i o ns o f t - s e n s i n gt h e o r y a n dt h em e t h o d sa n dt h es t e p sa r e g i v e nt oc o n s t r u c tt h em o d e l t h ee x p e r i m e n ta b o u ta p p l i c a t i o no fa n n i i i 江苏大学硕士学位论文 l e f t i n v e r s i o ns o f t - s e n s i n gm o d e lo nf l u xo b s e r v a t i o no ft h ei n d u c t i o n m o t o rw a se x e c u t e do nt h ep l a t f o r m t h er e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h ea l g o r i t h m a n nl e f t - i n v e r s i o n s o f t - s e n s i n g m o d e li san e wt e c h n i q u et o o b s e r v ef l u xo ft h ei n d u c t i o nm o t o r t h em o d e lc o n s i s t so fas t a t i ca n n t oa p p r o x i m a t et h en o n l i n e a rf u n c t i o na n das e r i e so fd i f f e r e n t i a t o r st o r e p r e s e n t i t sd y n a m i cb e h a v i o r s t h em o d e ld e s c r i b e st h en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co ft h ef l u xo b s e r v a t i o n ，a n do v e r c o m e si t sd e p e n d e n c eo n t h em o t o rp a r a m e t e r s t h em o d e li sas o l i df o u n d a t i o nt op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h ei n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l ，a n db r o a d e n st h es c o p eo f t h ea p p l i c a t i o no ft h ea n ni n v e r s es y s t e m k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o ls t a t o rf l u xo r i e n t a t i o nc o n t r o l ，d e c o u p l i n g c o n t r o l ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，i n v e r s es y s t e m ，f l u x o b s e r v a t i o n ，d s p a c ep l a t f o r m i v 一、 卜 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i ii 符号注释表v i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 电力电子技术的发展1 1 3 感应电机控制策略2 1 3 1 恒压频比控制2 1 3 2 矢量控制3 1 3 3 直接转矩控制：5 1 3 4 自适应控制5 1 3 5 智能控制6 1 4 磁链观测模型的研究7 1 5 计算机在现代交流调速中的应用8 1 6 论文研究思路与内容安排? 9 1 6 1 本文研究思路的提出9 。 1 6 2 本文内容安排9 第二章感应电机的数学模型1 1 2 1 三相坐标系中的感应电机数学模型1 1 2 2 坐标变换和变换矩阵1 3 2 2 1 坐标变换的基本思路1 3 2 2 2 三相一两相变换1 3 2 2 3 两相一两相变换1 4 2 2 4 直角坐标一极坐标变换1 5 2 3 两相坐标系中的感应电机数学模型1 6 2 4 感应电机的状态方程描述1 7 2 5 本章小结1 8 第三章基于d s p a c e 的感应电机变频调速系统构建1 9 3 1 感应电机变频调速硬件系统2 0 3 1 1 功率模块2 l 3 1 2 控制检测模块2 3 3 2d s p a c e 控制系统软件开发方案2 7 3 2 1 实时接口( r t i ) 2 8 v 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 实时工作间( r t w ) 3 3 3 2 3c o n t r o l d e s k 3 4 3 2 4 实验开发步骤3 4 3 3 本章小结3 5 第四章感应电机按定子磁场定向解耦控制研究3 6 4 1 感应电机按定子磁场定向解耦控制方案3 6 4 1 1 按定子磁场定向解耦控制方法设计3 6 4 1 2 新型按定子磁链观测方法设计3 9 4 2 控制方案仿真与实现4 l 4 3实验结果分析4 5 4 4 本章小结4 6 第五章神经网络逆系统方法感应电机磁链观测的研究4 8 5 1 人工神经网络4 8 5 2 软测量技术4 8 5 3 逆系统方法4 9 5 3 1 系统的逆4 9 5 3 2 系统的可逆性5 1 5 4 系统可逆性判别5 l 5 5 神经网络逆系统软测量方法提出5 2 5 6 神经网络逆系统感应电机磁链观测的可行性分析5 4 5 7 本章小结5 8 第六章神经网络逆系统方法感应电机磁链观测的实现5 9 6 1 神经网络逆系统磁链观测系统的构建5 9 6 1 1 实验数据的选择与采集5 9 6 1 2 实验数据的处理与训练样本的获得6 3 6 1 3 神经网络的设计与训练6 4 6 1 4 系统实现6 7 6 2 神经网络逆系统磁链观测实验的结果与分析6 7 6 3 本章小结6 9 第七章结论与展望7 0 7 1 结论7 0 7 2 研究工作的展望7 0 致谢7 2 参考文献7 3 作者在攻读硕士期间发表的论文7 9 1 江苏大学硕士学位论文 符号注释表 符号说明 转子机械角速度 转子电气角速度 同步旋转角速度 转差频率 定子电阻 转子电阻 定子电感 转子电感 互感 转子转动惯量 负载转矩 电磁转矩 转子磁链 定子磁链 极对数 转子时间常数( 乃= l ，r ，) 电机漏感系数( 盯= j 三厶屹，) v i i 靴 一 一 一 一 一 一 一 蚺 纰 地 b b 厶 l 厶 ， 乃 疋 蚱 坳 乃 l ， r 八 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在工业、农业、交通运输业以及日常生活中，电动机作为电能向机械能转化 的载体，广泛运用于电气传动领域中。其中，许多场合有调速要求，其主要目的： 一是为了满足生产工艺要求；二是为了减小损耗、节约电能，电气传动控制技术 由此产生。 电机分直流电机和交流电机两大类：直流电机具有良好的起动、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在工业领域中得到了广泛运用；交流电机，特别是鼠 笼式异步电机，由于其结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便可靠、环境适应 能力强，以及易于向高电压、高转速和大容量方向发展等优点，在工农生产中也 得到了广泛的应用，但交流电机调速比直流电机困难，其原因在于它具有多变量、 非线性、强耦合的特性，控制起来较直流电机复杂t l , 2 , 3 】。如何使交流电机具有与 直流电机一样的控制特性，一直是人们不断探索和追求的目标。矢量控制技术的 提出以及实用化，使得交流电气传动控制系统的性能达到了直流电气传动控制水 平，交流调速技术发生了质的飞跃。因此，交流电气传动控制技术也随之逐渐成 为主流。在矢量控制之后提出的非线性解耦控制、直接转矩控制，以及智能控制 等不同的先进控制策略，也不断推动着交流电气传动控制技术向前发展 4 1 。 同时，微电子技术、电力电子技术以及计算机仿真技术的飞速发展，为交流 电气传动技术的进步提供了有力保障，而控制理论的完善则为交流电机控制策略 提供了理论依据【5 1 。当今的电气传动控制技术已经成为多技术、多学科相互交叉 的新学科。 1 2 电力电子技术的发展 电力电子技术的发展是交流电机变频技术的基础，而功率器件的发展是联系 两者的纽带【6 j 。1 9 5 6 年美国的贝尔实验室发明了晶闸管( t h y r i s t o r ) 又称作可控 硅整流器( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r s c r ) ，晶闸管问世后不久，出现了全 控型器件门极可关断晶闸管( g a t e t u m o f ft h y r i s t o r g t o ) ，但由于它们开 关频率较低( 一般低于5 0 0 h z ) ，关断困难，因而在要求比较苛刻的场合中不便 使用，不过其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且 工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。随着技术的发展， 大功率电力晶体管( g i a n tt r a n s i s t o r 七t r ) 问世，从2 0 世纪8 0 年代丌始， 江苏大学硕士学位论文 在中小功率范围内取代了晶闸管，但它的开关频率一般低于2 k h z ，且存在二次 击穿现象，后来也被逐步取代。近十几年又出现了绝缘栅电力场效应管( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r - - - - - m o s f e t ) 与绝缘栅双极性晶体管 ( i n s u l a t e dg i a n tb i p o l a rt r a i l s i s t o r i g b t ) ，它们均属于电压控制型器件，驱 动功率很小，和g t r 相比具有驱动系统简单、工作频率高、安全工作区范围大 的特点。其中，i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 的优点，它的主要特点是： 1 i g b t 开关器件发热减少，将曾占主回路发热5 0 - 7 0 的器件发热降低 到了3 0 ； 2 i g b t 为高载波控制，使输出电流波形有明显改善； 3 i g b t 的开关频率提高( 超过人耳的感受范围) ，实现了电机运行的静音 化： 4 i g b t 的驱动功率减少，体积趋于更小。 i g b t 问世约二年后，以i g b t 为核心的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l r i p m ) 投入应用，i p m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路， 有些甚至把光电耦合也集成于一体，因此是一种更为经济实用的集成型功率器 件。目前，模块额定电流在1 0 到6 0 0 a 范围内的通用变频器均有采用i p m 的发 展趋势，其优点有： 1 丌关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 2 器件内部电路优化设计，抑止浪涌电压、门极振荡、噪声等干扰； 3 保护功能非常丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等； 4 经济性逐步体现，i p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而i p m 的开关电源、 驱动功率较小，器件节省，在许多场合其性价比已高过i g b t 。 此外，近年来一些厂商又推出了专用智能功率模块( a s i p m ) ，将整流部分 集成到模块中，省去光电耦合，并采用自举电路节省了直流电源【_ 7 1 ，使变频调速 系统向小型化又迈进了一大步。 1 3 感应电机控制策略 感应电机的控制策略可以分为开环控制方法和闭环控制方法。开环控制中典 型的控制策略是恒压频比控制；闭环控制主要有矢量控制、直接转矩控制、自适 应控制、智能控制等。 1 3 1 恒压频比控制 恒压频比( v f ) 控制其本质是一种标量控制，它以定子电压频率和幅值为 感应电机的控制量【引。电机运行中，控制系统保持定子电压的幅值与频率的比值 2 入 卜 江苏大学硕士学位论文 不变，以便保持定子磁链幅值的恒定，这样电机的输出转矩便与给定的频率无关， 从而达到恒定转矩的目的。尽管该方法在电机高速运行时有良好的控制效果，但 由于忽略了定子电阻压降，当转速很低时，必须适当提升电机的定子电压，对定 子电压进行补偿，才能保证低速时的控制效果。由上述可见，恒压频比控制可以 进行简单的变频调速，但无法控制空间电压矢量或空间电流矢量的方向，因而变 转矩控制的性能很差，且其只有稳态控制，没有动态控制，一般只适合于转速不 变或变化缓慢的场合。图1 3 1 所示为感应电机恒压频比控制系统的结构图，其中 空间电压矢量的位置角良，由角频率给定直接积分并取其2 7 【模后得到，逆变器的 开关信号由空间矢量p w m ( 简称s v p w m ) 方式产生。 频 1 3 2 矢量控制 图1 3 1 恒压频比控制系统结构 矢量控制是目前高性能感应电机控制的主要方法，其基本思想是通过空间矢 量坐标变换及磁场定向的方法，将感应电机模型转换成类似于直流电机的等效模 型来进行控制 9 , 1 0 j 。这种控制策略本质上是一种稳态解耦控制，根据所选择参考 矢量的不同，矢量控制可以分为按转子磁场定向和按定子磁场定向的矢量控制： 而根据坐标变换中参考矢量产生方式的不同，矢量控制又可以分为间接矢量控制 和直接矢量控制。 间接矢量控制方法于1 9 6 9 年由k h a s s 博士首先提出l ，该方法也是目前应 用最为广泛的一种高性能的交流电机控制方法。图1 3 2 是按转子磁场定向的间 接矢量控制系统结构，在转子磁链同步旋转坐标系下的定子电流的励磁分量( m 分量) 和转矩分量( t 分量) 分别独立的控制转矩和转子磁链，用于坐标旋转变 换的磁链角则由转子速度及转差速度计算得出。由于转差增益与电机的转子时间 常数有关，而电机运行时转子参数随着温度和励磁条件的变化而改变，因此控制 系统的性能很大程度上受到电机参数变化的影响。要取得理想的解耦控制效果， 通常需对转子时间常数进行在线的估计。该矢量控制系统中的转子磁链幅值反馈 信号一般由线性l u e n b e r g e r 观察器或扩展的k a l m a n 滤波器进行在线估计。系统 中转子磁链作为定子电流分量( i , m ) 的函数也可进行开环控制，以省略磁链观 测的环节，简化系统的结构。该矢量控制系统的实现结构也是目前工业上应用最 为普遍的一种，其调速范围可从零到恒功率弱磁区域。缺点是转差增益与电机参 江苏大学硕士学位论文 数有关，使得电机调速的动静态性能受到很大影响，控制器参数的整定较为困难。 码盘 ， 图1 - 3 2 按转子磁场定向的间接矢量控制系统结构 直接矢量控制方法于1 9 7 1 年由f b l a s c h k e 首先提出【l 引，除转子磁链角是由 磁链观测器估计得到之外，其控制结构与间接矢量控制系统基本相同。图1 3 3 是基于转子磁链定向的直接矢量控制系统的结构，直接矢量控制的性能在很大程 度上取决于磁链观测器的估计精度。不过，通常用于估计磁链的观测器模型在性 能上均存在缺陷：转子磁链的电流转速模型对转速的测量误差相当敏感；转子磁 链的电压电流模型存在纯积分环节，低速时应用有困难；综合电流转速模型和电 压电流模型的混合观测器可在电机全速度范围内良好运行，但混合模型中的切换 点的寻找和平稳过渡是个难题。 码盘 图1 3 3 按转子磁场定向的直接矢量控制系统结构 上述矢量控制系统的结构均是按转子磁场定向来实现的，而采用定子磁场定 向一样也可以达到转矩和磁链解耦控制的目的。定子磁场定向的矢量控制方法的 4 1 久 卜 江苏大学硕士学位论文 最大优点在于，由定子磁链观测器导出的磁链相角仅与定子参数有关，因此控制 系统受电机参数的影响最小。 1 3 3 直接转矩控制 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n 臼o l 一一d t c ) 由学者d e p e n b r o e k 和 t a k a h a s h i 在1 9 8 8 年首先提出【1 3 , 1 4 , 1 5 】。直接转矩控制利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 a n g - b a n g 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状 态进行控制，可以获得快速的转矩动态响应性能，其实现结构如图1 3 4 所示。 图1 3 4 直接转矩控制系统结构 直接转矩控制可视为是一种性能增强的标量控制方法。由于电机的输出转矩 正比于以同步转速旋转的定子磁链( ) 、转子磁链( 够) 及它们之间夹角正弦 的乘积，定子电压矢量控制定子磁链( 职) 矢量作不连续的运动，其平均转速与 处于稳态时的转子磁链矢量转速相同，定子磁链幅值由具有一定容差的施密特触 发器来调节。d t c 中的转矩和定子磁链主要由外环进行控制，也可在转矩环外 增加一个转速环来调节转速，转速的反馈信号可由光电码盘检测或估计得到。转 矩和磁链矢量由一个观测器估计，该观测器同时还用于确定定子磁链所处的扇 区。直接矢量控制方案具有相当快的动态响应速度，且没有电流控制环，无需进 行矢量变换和常规的p w m 算法，因此系统结构简单、易于实现。而存在转矩和 磁链的脉动及额外的谐波损耗，是d t c 控制方法固有的缺陷。 1 3 4 自适应控制 虽然矢量控制调速系统具有很快的响应速度，但其零极点随对象参数的变化 而改变，这将影响控制系统的性能。由于饱和现象、温度变化及趋肤效应的影响， 电机的电气参数会发生明显的变化，而负载转矩扰动则会改变电机的机械参数， 江苏大学硕士学位论文 这些因素的存在，使得基于线性时变对象参数模型的系统设计难以获得高性能的 控制。利用自适应控制技术，可以使控制器的参数不断的变化以便适应对象参数 的改变，以此来获得期望的稳定性、鲁棒性及响应性能。 自适应控制通常可分为直接白适应和间接自适应控制。直接自适应控制的一 个简单例子是在已知参数变化先验知识条件下的转动惯量增益调度调速控制系 统；而更复杂的自校正调节器( s e l ft u r n i n gc o 咖l l e r - s t c ) 大多采用的是 间接自适应控制的结构，s t c 可使得配置好的系统的极点、零点及增益与参数变 化无关【1 6 , 1 7 】。在这种控制系统中，对象的模型参数由观察器在线获取，并基于对 象参数的估值，由设计机构来调整控制器的参数。此外，基于模糊逻辑和神经网 络的自适应控制方法近年来也受到了广泛关注【1 8 】。 直接自适应控制的典型例子是模型参考自适应控制【1 9 】( m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v ec o n 仃0 1 m r a c ) 和滑模控制【2 0 ，2 1 j ( s l i d i n gm o d e sc o n n o l s m c ) ， 这些控制方法的主要特点是具有很强的鲁棒性，系统响应不受参数变化及负载扰 动的影响。在m r a c 的控制结构中，被控对象的输出响应跟踪参考模型的输出 响应，与对象参数变化及负载扰动无关，控制系统鲁棒性的获得是以失去优化响 应速度为代价的。滑模控制又称为变结构控制，它通过一个开关控制算法使被控 系统跟踪预先在相平面中确定的滑动模态，控制器的拓朴结构在正负反馈模态之 间进行切换，尽管单个的结构可能不稳定，但系统的平均输出响应是稳定的。滑 模控制的突出缺点是存在自抖动，这是阻碍其应用的主要障碍。 1 3 5 智能控制 智能控制通过模拟人脑的思维来实现对目标对象的控制，一般而言，智能控 制技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络。智能控制系统的特点在于系统具有 的自适应、自组织及自学习的能力。常规的控制方法大都基于对象的精确数学模 型，而对象模型常常是未知或是不精确的，研究的系统也可能是复杂的、多变量、 参数时变和强耦合的非线性系统，传统的控制方法难以取得满意的控制效果；而 智能控制策略可以克服常规控制方法对数学模型的依赖性，在电气传动领域中引 入智能控制技术，可有效的提高控制系统的鲁棒性和适应性，从而提高控制系统 的综合性能。 专家控制的实质是使系统的构造和运行都基于控制对象和控制规律的各种 专家知识，向且要以智能的方式来利用这些知识。求得的控制系统将尽可能地优 化和实用化。因此专家控制又称作基于知识的控制或专家智能控制。 模糊逻辑应用隶属函数( 其值在o 和l 范围内变化) 来处理不确定性问题， 采用一组模糊规则来表示一个输入输出的映射关系。由于模糊控制不依赖于对象 的数学模型，因此将模糊控制应用于交流感应电机的控制，可使系统获得对参数 6 1 奋、 卜 ， 江苏大学硕士学位论文 变化及负载扰动的强鲁棒性。研究表明模糊控制器在电机驱动控制上优于常规的 p i d 控制器【2 2 , 2 3 】，但其性能还不是十分令人满意，主要原因在于算法缺少能适应 系统复杂变化的学习能力。近年来，有学者提出了一种基于模糊模型参考学习控 制器( f m r l c ) 的间接磁场定向控制1 2 4 1 ，这种学习算法能够智能化的运用模糊 控制器来控制非线性对象，当系统出现扰动及对象参数变化时可进行在线的调 整。 较之模糊逻辑，神经网络是一种更一般的人工智能形式。神经网络是一个大 规模的并行分布式处理非线性系统，能在更高层次上体现人脑的智能行为。目前 广泛应用的神经网络类型主要是前馈和反馈多层网络结构。其中，前馈多层神经 网络包含一个输入层，一个输出层，一个或多个隐层，并在理论上已经证明这种 三层神经网络能够以任意精度逼近一个非线性映射。目前神经网络技术已在控 制、模式识别及信号处理等许多方面得到了广泛的应用，在电力电子及电气传动 领域，神经网络也已应用于非线性函数逼近1 25 、系统的状态估计和参数辨识 【2 6 , 2 7 , 2 8 】、p w m 控制例等方面。事实上，神经网络的最大优势在于其具有很强的 学习能力，可以利用充分丰富的实验数据，通过对网络的适当训练来获取具有足 够精度的对象模型或逆模型，以此来实现高性能的控制。目前，东南大学众多学 者已经将神经网络成功运用于多自由度机械手解耦控制，遥操作机器人解耦控 制，生物发酵过程解耦控制，感应电机解耦控制，电力系统发电机控制等领域中。 1 4 磁链观测模型的研究 传统的矢量控制，以磁场为状态变量的非线性解耦控制，以及直接转矩控制 等运用磁场控制的高性能感应电机调速方法，都需要实时地检测转子或定子磁链 的幅值和相位。由于受气隙齿谐波磁场的影响，测量误差较大，同时也存在着工 艺和技术上的问题，因此直接检测磁链的方法很少采用。实际系统中大都采用间 接观测的方法，即检测电机的定子电压、定子电流和电机转速等容易测取的物理 量，然后根据电机的数学模型，实时地计算出所需磁链的幅值和相位【3 0 1 。在感 应电机控制的研究中，必然牵涉到电机磁链的观测问题，故有必要对磁链的观测 方法进行研究。这里介绍几种目前常用的感应电机磁链的观测方法，并分别分析 其优缺点。 1 定子电压一电流磁链模型法 此方法根据定子电路的反电势来求解定子磁链。因其物理概念明确、实现简 单，使用最为广泛。该方法在高速区有较高的精度：在低速时受电机参数偏差影 响，并且误差不收敛；在零速时，定子电压为零，此模型无法使用。 2 定子电流一转速磁链模型法 7 江苏大学硕士学位论文 此方法根据定转子磁链等式，建立磁链与定子电流、转子速度间的关系，从 而计算出磁链。该方法不受定子电阻变化的影响，但引入了定子电感、漏感和转 子电阻参数，观测方法的鲁棒性降低，不过低速时可以克服定子电压一电流磁链 模型法中受电机参数偏差而导致不能正常工作的问题。 3 混合式磁链模型法 此方法综合应用上述两种方法的优点，将两种磁链模型配合使用。电机高速 运行时，令定子电压一电流磁链模型起作用；低速运行时，令定子电流一转速磁 链模型起作用。但是，运行中的模型切换是值得注意的问题。 除以上方法外，国内外许多学者通过对模型中积分器进行改进的办法，提出 了多种改进型磁链观测模型法【3 1 , 3 2 , 3 3 】。此外，近年来提出的一种运用神经网络逆 系统理论的磁链观测方法p 4 4 2 】，越来越受到世人关注。 1 5 计算机在现代交流调速中的应用 在现代交流调速系统中，以微处理器为核心的数字控制，已经成为交流调速 控制器的主要形式。微处理器构成的数字控制器的优越性表现为： 1 控制器的硬件电路标准化程度高、可靠性高； 2 控制软件可以根据需要替换、修改或移植，灵活性大，稳定性好； 3 信息存储、诊断和测控的能力不断提高，随着c p u 运算速度和存储容量 的提高，以及算法实现方式的优化，计算机能够实现各种新型的复杂控制策略。 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如i n t e l 公司的5 1 系列 和9 6 系列单片机，特别是8 0 c 1 9 6 m c 具有片内波形发生器( w f g ) ，可产生3 对独立p w m 信号，适合于交流感应电机控制。这类单片机具有丰富的硬件和软 件资源，可以用于实时控制，但当算法需要大量浮点运算或处理大量数据，对快 速性要求较高时，此类单片机能力不足。为了进一步提高运算速度，特别是针对 矢量控制这种具有复杂的控制方案和数据计算的场合，8 0 年代初出现了数字信 号处理器( d s p ) ，目前最常用的是德州仪器公司的t m s 3 2 0 系列d s p 。 1 9 8 2 年，德州仪器公司( t i ) 推出了第1 个t m s 3 2 0 系列产品t m s 3 2 0 1 0 ， 如今t m s 3 2 0 发展到拥有定点、浮点及多处理器等各种型号的系列产品，是世界 市场上占有量最大的d s p ，广泛用于数字信号处理、自动控制等领域。9 0 年代 t i 公司又推出一种专门用于数字电机控制( d m c ) 的d s p 产品：t m s 3 2 0 f c 2 4 x 系列1 4 3 | 。其指令执行采用4 级流水线操作，大多数指令都是单周期指令( 5 0 n s ) 。 其c p u 内部具有1 个硬件乘法器，使得乘法运算也只需1 个指令周期即可完成， 大大提高了运算速度，但其算法开发需要编写大量程序代码，实验调试过程复杂， 算法研究周期较长。 8 、 江苏大学硕士学位论文 9 0 年代末期德国d s p a c e 公司推出了一套可以和m a t l a b s i m u l i n k 无缝连接 的实验平台，可使研究人员提高算法精度，缩短算法验证时间。本文借助d s p a c e 实时仿真系统搭建了一套感应电机变频调速试验系统，并详述了其构建方案。 1 6 论文研究思路与内容安排 1 6 1 本文研究思路的提出 通过以上论述可以得出以下结论：高性能的感应电机控制方案中都离不开电 机磁链的测量，而磁链观测方法基本都基于定子电压一电流模型、定子电流一转 速模型以及混合式磁链模型这三种模型，针对电机磁链观测问题，本文提出了一 种基于神经网络逆系统的磁链软观测方法，为磁链测量提供了一条新思路；此外， 目前电机实验平台的构建基本采用单片机和d s p ，其开发过程复杂，算法实现过 程缓慢，本文针对这一问题，搭建了一套基于d s p a c e 的感应电机变频调速试验 系统，并在该试验系统上实现了所提出的控制和测量算法，初步验证了算法的正 确性和平台硬件的可靠性。 1 6 2 本文内容安排 本文分七章，具体内容安排如下： 第一章为绪论，对电力电子技术、感应电机控制策略及磁链观测方法的发展 进行综述，阐述了本文的研究目的及意义。 第二章建立了感应电机的数学模型，给出任意两相旋转坐标系下感应电机的 状态方程。 第三章为感应电机变频调速系统实验平台的研制，介绍硬件系统的构建与配 合该系统的软件开发方案，以及实验开发步骤。 第四章为感应电机按定子磁场定向解耦控制方法的实现，首先研究了按定子 磁场定向的解耦控制，提出了一种新型的定子磁链观测方法，并将该方法在所提 出的感应电机变频调速系统实验平台上予以实现，进而验证了实验平台的安全 性、可靠性和先进性。 第五章为神经网络逆系统感应电机磁链观测的研究，首先从理论上描述了人 工神经网络、软测量技术与逆系统方法的含义，再将逆系统与软测量技术相结合， 运用神经网络在电机磁链观测领域予以实现，并提出一种电机磁链观测的新方 法，就方法的可行性在理论上给予了详细的证明。 第六章为神经网络逆系统方法感应电机磁链观测的实现，在第五章理论的基 础上利用基于d s p a c e 感应电机变频调速系统实验平台上实验证明了神经网络 9 江苏大学硕士学位论文 逆系统在感应电机磁链观测领域的有效性，为磁链观测提供了一条新思路。 第七章为本文研究工作的总结，并展望下一步的研究方向。 l o p 江苏大学硕士学位论文 第二章感应电机的数学模型 感应电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。感应电机 在变频调速时需要协调控制三相的电压( 或电流) 和频率，以便控制转速和转矩 ( 磁通) 。其中电压( 或电流) 和频率为两个独立的输入量，转速和转矩( 磁通) 为输出量。因此感应电机是一个多输入多输出的系统，并且电压( 电流) 、频率、 磁通和转速之间相互影响，所以这又是一个强耦合的多变量系统。感应电机中， 磁通乘电流产生转矩，转速乘磁链得到旋转感应电动势，在数学模型中包含着变 量乘积项，因此在不考虑磁饱和等因素时，数学模型也是非线性的。感应电机中 的定子和转子均各有三个绕组，每个绕组产生磁通时均有电磁惯性，同时考虑到 运动系统的机电惯性，感应电机的数学模型相当复杂。 2 1 三相坐标系中的感应电机数学模型 在研究感应电机的多变量模型时常做如下假设m 1 ： 1 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 2 忽略空间谐波。忽略齿谐波并设三相绕组在空间上互差1 2 0 0 ，每项绕组 所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； 3 不考虑频率对绕组电阻的影响； 4 忽略铁芯损耗。 b a 图2 1 1 三相感应电机的物理模型 实际的交流感应电机可等效为如图2 2 1 所示的物理模型，其中电机的定子 有三个绕组，转子也可等效为三个绕组。定子三相绕组轴线彳、b 、c 在空间上 江苏大学硕士学位论文 = f 。f f f 一f 一1 7 (21 1 ) a b c2 【z ，k ，z m ，l r b ，z ”j l i 1 ) 碍口6 。= 【“船，“曲，甜”，u 旭，u 而，u 。】7 ( 2 1 2 ) 。= ，。，y ，6 ，沙。 r ( 2 1 3 ) k ( 糍。扯。= m 堋c ( o 驯, ) i 叫垆鸶1 - k 尼 ； c ( 包) = c o s t 9 , c o s ( o , + 1 2 0 。) c o s ( o , 一1 2 0 。) c o s ( o , - 1 2 0 。) c o s o , c o s ( o e + 1 2 0 。) c o s ( o , + 1 2 0 。) c o s ( o , 一1 2 0 。) c o s o , r 。、r ，分别为定子和转子每相绕组的电阻，厶、l 分别为定子和转子每相绕 组的电感，恕、岛分别为定子相问的耦合系数和转子相间的耦合系数，础。、址， 为定子相间的互感和转子相间的互感，m 为定转子绕组轴线重合时定转子对应相 之间的互感。 电动机的转矩等于电流不变，只有机械位置变化时，磁场储能对机械角位移 良的偏导数，即： r = 器= 砜0 ( 2 l ir l k h li 曲r 。瓦a l a b c 乙。 ( 2 1 6 ) 于是，电动机的运动方程为： 等= 等= 始幺等k 一瓦) 眩”) 1 2 八 卜 、 江苏大学硕士学位论文 上式中，c o ，是电动机转子的机械角速度，c o ，= d