（电工理论与新技术专业论文）基于智能控制策略的异步电机直接转矩控制的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t a san e wc o n t r o lm e t h o d , d i r e c tt o r q u ec o n t r o im e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e d g r e a t l y b e c a u s eo fi t s s i m p l es y s t e m a n de x c e l l e n t d y n a m i ca n d s t a t i c p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h ed i s a d v a n t a g eo fd t c i so c c u r r e n c eo ft o r q u er i p p l e a n df l u xr i p p l e ，e s p e c i a l l yt o r q u er i p p l ei sv e r yl a r g e o nt h eb a s i so fc o n v e n t i o n a ld t cs y s t e m ，t h ed t cs y s t e r nb a s e do nf u z z y l o g i cc o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d af u z z yl o g i cc o n t r o l l e ri sa d o p t e d , i n s t e a do f t w oh y s t e r e s i sc o n t r o l l e r s i no r d e rt oe n h a n c et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fd t c m u c hm o r e ，f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h mi sa d o p t e d t h ed t cs y s t e m b a s e do n f u z z y n e u r a ln e t w o r ki sd e s i g n e d i n t h i s f u z z y n e u r a l n e t w o r k 。f u z z yl o g i ci sc o m b i n e dw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki ns e r i e s i th a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e l f - l e a r n l n g ，s e l f - a d j u s t i n ga n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g i ti sv e r y e a s yt or e a l i z et h i sf u z z yn e u r a ln e t w o r k i no r d e rt o a p p r o v e t h e v a l i d i t y o fi n t e l l e c t u a lc o n t r o l s t r a t e g y , t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ed t cs y s t e mb a s e do nf u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g ya n d t h ed t cs y s t e mb a s e d0 1 1f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g ya r eb u i l ti n m a t l a b s i m u l i n k b yt h e s em o d e l s ，s i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o n e f o rt h es a k e o fa p p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo fi n t e l l e c t u a lc o n t r o ls t r a t e g ys u f f i c i e n t l y , a n e x p e r i m e n ti sm a d eb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 4 0d s p s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h ed t c s y s t e mb a s e d o nf u z z yn e u r a ln e t w o r ki se n h a n c e de v i d e n t l yc o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a ld t cs y s t e m e s p e c i a l l y ，t o r q u et i p p l ea n df l u xt i p p l ea r ed i m i n i s h e v i d e n t l y c o m p a r e dw i t hf u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y , i t sc o n t r o lp e r f o r m a n c e i si m p r o v e de v i d e n t l yi nt o r q u er i p p l e i tp r o v i d e sf e a s i b l es c h e m ef o rd e v e l o p i n g t h ed t cs y s t e ma n do t h e ra cd r i v e s y s t e mw h i c h h a v e h i g h c o n t r o l p e r f o r m a n c e k e yw o r d sd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；i n t e l l e c t u a lc o n t r o l ；f u z z yl o g i c ；f u z z y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 n e u r a ln e t w o r k ；t o r q u er i p p l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义及现状 电动机是电能向机械能转换的能量载体。在工业、农业、国防科学技术 及日常生活中广泛采用电动机，也由此产生了电气传动技术电气传动分为 直流电气传动和交流电气传动两大类。由于历史上最早出现的是直流电机， 因此在过去很长的一段时间里直流电气传动占绝对的主导地位。随着生产技 术的发展，对电气传动在起制动、正反转、精度、静态特性、动态响应等方 面都提出了更高的要求，这就需要大量使用调速系统。从2 0 世纪3 0 年代开 始，直流调速系统在各个行业得到大量的使用然而，由于直流电机具有电 刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受限制等缺点， 使其很难向高转速、高电压、大容量发展，因此直流调速的弱点逐渐显示出 来。从2 0 世纪7 0 年代开始，随着电力电子器件及微电子技术的不断进步以 及现代控制理论和智能控制理论向交流调速领域的渗透，现在从数百瓦的伺 服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动 到高精度、快响应和大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎 都可采用交流调速交流调速的客观发展趋势己表明它完全可以与直流调速 相媲美、相抗衡，并逐渐占据主导地位【1 1 1 1 1 交流调速技术的发展及现状 交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四 大部分组成。交流调速系统按交流电机的类型可分为同步电动机调速系统和 异步电动机调速系统同步电动机调速系统根据频率控制方式的不同可分为 两类，即它控式同步电动机调速系统和自控式同步电动机调速系统。异步电 动机调速系统种类较多，常见的有：降电压调速、电磁转差离合器调速、绕 线转子异步电动机转子串电阻调速、绕线转子异步电动机串级调速、变极对 数调数、变频调速等1 1 】1 2 】。本论文研究的对象为交流异步电动机变频调速系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统异步电机交流调速从诞生至今先后出现了，恒压频比( v f ) 控制、转 差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等四种主要控制类型的调速系统。 v ，f 控制 v f 控制属于开环控制，是最简单的变频控制策略，是一种标量控制， 通过在控制过程中始终保持v f 为常数来保持定子磁链的恒定其缺点是： 该控制方式只是控制了电机的气隙磁通而不能调节转矩，动态性能与直流调 速双闭环控制系统相比差距很大【3 】 转差频率控制 转差频率控制引入了转速闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或 下降，与、控制之相比，加减速更平滑，更能使系统稳定因此，转差频 率控制的交流变频调速系统基本上具备了直流调速双闭环控制系统的优点。 但是，它是从电机的稳态方程推导出来的，并不能真正控制动态过程的转矩 其动态性能仍然存在缺陷1 3 】 矢量控制 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k c 等人首先提出了交流电机矢量控制理论，标志 着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制就是在异步电机动态数学模型的 基础上，将交流电机模拟成直流电机来控制，其基本的控制策略为：以坐标 变换理论为基础，将定子电流分解为相互正交的两个分量，即励磁分量和转 矩分量，通过对励磁分量和转矩分量分别独立控制，就可以有效地控制电机 的转矩，获得良好的动态特性。矢量控制交流调速系统的动、静态性能完全 能够与直流调速系统相媲美。矢量控制是交流调速理论发展史上的一个里程 碑，使交流调速理论上了一个新的台阶尽管矢量控制从理论上可以使交流 调速系统的动态性能得到很好韵改善，但是矢量控制需要进行复杂的坐标变 换，解耦时对电机参数敏感和依赖较大，在实际运行中难以达到理论分析的 效果1 3 1 直接转矩控制 直接转矩控制是在2 0 世纪8 0 年代由德国人m d c p c n b r o c k 【4 l 和日本人 i t a k a h a s h i 5 】等人提出的直接转矩控制策略的基本思想为：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。将计算出 的磁链和转矩值与给定值做比较，并将其差值送入滞环比较器，使误差限制 在一定的范围之内。直接转矩控制是继矢量控制之后交流调速理论的又一重 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 大突波与矢量控制相比，直接转矩控制摒弃了解耦思想，取消了旋转坐标 变换，直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算和控制交流电机 的转矩，采用定子磁场定向，着眼于转矩的快速响应，从而获得高效的控制 性能因此，直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性 易受电机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析的结果等一系列技术 难题吼。 1 1 2 直接转矩控制技术的优点及不足 实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电机交频调速系统，电机磁场接 近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多直 接转矩控制的主要优点有1 3 1 1 7 1 ： 1 控制算法简单，直接在静止坐标上迸行矢量分解运算，计算重大大减 少 2 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链，只要知道了定子电阻就 可以把它观测出来 3 直接转矩控制技术能够对转矩实行直接控制。通过转矩两点式调节器 ( 滞环比较器) 把转矩检测值与给定值进行滞环比较，把转矩波动限制在一 定的容差范围内，容差的大小由滞环调节器来控制。其控制效果不取决于电 机的数学模型能否简化而取决于转矩的实际状况因此，这种控制方式既简 化又直接。 4 直接转矩控制采用空间矢量概念来分析三相交流电机的数学模型和控 制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 。 尽管直接转矩控制存在以上优点，但也存在一些不足之处：主要就是存 在转矩脉动、磁链脉动和定子电流谐波，特别是转矩脉动明显，在数字化实 现中更为突i 出 3 1 1 6 1 。 针对这些问题，近年来许多学者提出了直接转矩控制的改进方法文献 【8 】介绍了一种平行的双p w m 逆变结构，它是由两个一般的p w m 逆变模块 并联而成，构成6 4 种开关模式，其中1 8 种开关模式输出非零的电压矢量， 其余模式输出零电压矢量，这种方法在一定程度上解决了转矩的脉动问题， 但是它增加了硬件系统的复杂程度，使系统可靠性降低，也增加了系统的成 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本；文献【9 】中采用较高的逆交器开关频率，其优点是降低了定子电流谐波含 量，减小了磁链和转矩的脉动，但增加了功率损失，降低了逆变器的工作效 率，同时要求逆变器具有高频开关特性；文献【1 0 】、【1 1 】利用离散空间矢量方 法，根据定子磁链和转矩的偏差来选择所需的电压矢量，然后采用空间电压 矢量p w m 的基本原理，来分配逆变器开关的导通时间，其优点是在每个开 关周期中转矩和磁链可以被调节两次，使得系统在稳定条件下的磁链和转矩 脉动减少，但该方法只适合稳态过程，在暂态时不适用，而且需要高精度的 磁链和转矩观测值，如果观测到的磁链和转矩不够精确，该方法达不到预期 的效果 随着控制理论和技术的发展，许多学者开始将现代控制理论和智能控制 理论引入到交流调速系统当中，用于改善其低速时的性能，减小转矩脉动 文献【1 2 】基于滑模交结构理论设计磁链和转矩控制器，用于产生最佳电压矢 量，虽然具有较好的鲁棒性，但滑模变结构控制存在着抖动，要消除抖动非常 困难；文献i x 3 将神经网络技术应用到直接转矩控制系统中，文献【1 4 】将模糊 神经网络控制算法应用到直接转矩控制系统中，均用于设计定子电阻估计器， 而要减小磁链和转矩脉动必须要对逆变器的开关状态进行有效的控制；文献 【1 5 “1 6 将模糊控制技术应用于直接转矩控制系统中，用于选择逆变器的开 关状态，确定最佳电压矢量，模糊控制虽然针对交流电机非线行、强耦合的 特点能够产生很好的控制效果，但缺乏在线自学习、自调整的能力，因此其 控制效果受到一定的限制。本论文在直接转矩模糊控制器的基础上设计了直 接转矩模糊神经网络控制器，用于选择逆变器的开关状态，确定最优电压矢 量，从而使磁链和转矩的脉动减小，并将模糊神经网络d t c 控制效果与模糊 d t c 控制效果进行对比、分析 1 1 3 智能控制理论及应用 由于各种实际工程系统的规模越来越庞大，各种控制对象越来越复杂， 传统的自动控制理论已越来越难以满足工程上对提高自动化水平的要求，因 此，在这种背景下智能控制理论应运而生智能控制理论是自动控制理论发 展的最新阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综 合与集成，是- - i - j 新兴的交叉前沿学科。智能控制主要用来解决无法获得精 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 确数学模型的多变量、非线性、时变性控制系统。由于交流电机具有多变量、 非线性、变参数的特点，所以将智能控制理论引入到交流调速系统中，是交 流调速系统的发展方向之一目前，智能控制理论主要包括：模糊控制理论、 人工神经网络理论、专家控制理论、大系统理论、优化理论等几个方面1 1 7 1 1 1 8 j 本论文涉及到的仅为模糊控制理论和人工神经网络理论 模糊控制理论及应用 在人的思维观念中存在着大量的模糊概念，譬如：“冷”与“热”，“高” 与“低”、“轻”与“重”等等。这种没有明确边界和外延的模糊概念在科学 领域里更是随处可见在这种模糊概念面前，传统的集合理论显得软弱无力， 呼唤一种新的集合理论的出现，成为解决模糊概念的有力工具1 9 6 5 年美国 控制论专家l a z a d e h 首先提出了模糊集合理论，他把模糊集合作为可描述 事物的模型，通过模糊集合、模糊关系和模糊变换，成功地奠定了对模糊性 做数学定量分析的基础，开辟了解决模糊问题的科学途径。模糊集合是指这 样一种集合，其元素在一定程度上属于或不属于该集合描述这一隶属程度 的量称为隶属度，隶属度由隶属度函数来定义，它在 0 ，1 内取值 模糊集合理论的诞生为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学基 础。1 9 7 4 年英国教授e h m a m d a n i 创建了基于模糊语言描述控制规则的模糊 控制理论，并将其成功应用于控制中，在自动控制领域开辟了模糊控制理论 及其应用的崭新阶段模糊控制理论主要建立在模糊集合和模糊逻辑的基础 之上模糊控制最大的特征是能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语 言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。从信息的观点来看， 模糊控制是一类规则型的专家系统：从控制技术的观点来看，模糊控制是一 类非线性控制器 与传统的控制相比，模糊控制有以下特点【1 7 】： 1 适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难 以求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识。 2 模糊控制是一种语言变量控制，其控制规则只用语言变量形式定性的 表达，构成了被控对象的模糊模型。在经典控制中，系统模型常用传递函数 来描述，在现代控制中，则用状态方程来描述。 3 系统的鲁棒性强，尤其适用于多变量、非线性、时变性、大时滞系统 的控制 。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 由于交流电机是一个非线性、强耦合、多变量的复杂对象，加之电机本 身的参数( 如异步电机的定子电阻) 和拖动负载的参数( 如转动惯量) ，在某 些应用场合会随工况而变化因而，将以解决非线性和时交系统而著称的模 糊控制引入到交流调速中来，能够获得良好的控制性能。目前，模糊控制在 交流调速中的应用主要有：异步电机定子电阻模糊观测器的设计【1 9 l ，基于模 糊逻辑的交流电机效率优化控制【2 0 l ，基于模糊控制的交流电机速度调节器的 设计【2 1 l 等等 人工神经网络理论及其应用 人工神经网络理论是智能控制理论的另一个重要分支1 9 4 3 年美国心理 学家m c c u l | o c h 和数学家p i t t s 首次提出了形式神经元的数学模型，开启了人 工神经网络理论研究的大门人工神经网络是由大量的、同时也是很简单的 处理单元相互连接而形成的复杂网络系统，这些单元类似于生物神经系统的 单元神经网络通过神经元以及相互连接的权值，初步实现了生物神经系统 的部分功能。神经网络系统是一个高度复杂的非线性动力学系统，其特色在 于信息的分布式存储和并行协同处理虽然每一个神经元的结构和功能十分 简单，但由大量神经元构成的网络系统的行为却是丰富多彩和十分复杂的 和数字计算机相比，神经网络具有具体运算的能力和自适应学习的能力，此 外，它还具有很强的容错性和鲁棒性，善于联想、综合和推广 正是由于神经网络具有非线性映射能力、并行计算能力、自学习、自适 应能力以及强鲁棒性等优点，因而已被广泛应用于自动控制领域，为解决复 杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题，开辟了一条新的途径神经 网络在控制领域中的应用大致可分为四类【1 8 l ：第一类是在基于模型的各种控 制机构中充当对象的模型；第二类是充当控制器；第三类是在控制系统中起 优化计算的作用；第四类是与其他智能控制如专家系统、模糊控制相结合。 由于，交流调速控制系统模型结构复杂，为多变量、非线性结构，并且参数 时变，因此将神经网络应用于交流调速中有以下优点： 1 神经网络采用并行计算的结构，因而计算速度较快，利用神经网络建 立的观测器和辨识器具有较好的跟踪性能，这样可以解决因计算复杂而影响 系统实现的问题。 2 由于神经网络可以通过学习电机参数交化时的映射关系来确定内部反 馈的权重系数，因此当电机参数发生变化时，可以通过自学习实现交流电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 高性能的控制 3 神经网络控制器可实现灵活的控制方案。当系统条件发生变化、或原 来网络精确性不够、或采用新的算法时，只要网络再学习，重新存储调整的 权重即可，不需要对系统作太大的改变 目前，人工神经网络理论在交流调速中的应用主要有：基于神经网络的 感应电机定子估计器的设计【1 3 l 、利用神经网络对感应电机转速进行在线辨识 1 2 2 、基于神经网络的电机转速调节器的设计f 2 1 1 、用神经网络对交流调速系统 中的电机故障进行诊断田】等等 模糊控制技术与神经两络技术的融合 模糊控制技术与神经网络技术有各自的基本特征和应用范围。模糊控制 是一种不依赖于被控过程数学模型的仿人思维的控制技术它利用领域专家 的先验知识进行近似推理，特别适合于处理那些模糊或定性的问题模糊控 制的显著优点是能以较少的规则来表达知识，系统简单透明。但是，在工程 实际应用中对于时变参数非线性系统，模糊控制缺乏在线自学习、自适应、 自调整的能力特别是对于自动生成或调整隶属度函数以及调整模糊规则， 模糊控制无能为力。神经网络的优点是具有并行计算的能力i 容错能力以及 较强的自适应、自学习能力但神经网络不适于表达基于规则的知识，因此 在对神经网络进行训练时，由于不能很好的利用已有的经验知识，常常只能 将初始权值取为零或随机数，从而增加了网络的训练时间或者陷入非要求的 局部极值，这是神经网络的一个显著缺点因此，若能将模糊控制技术与神 经网络技术适当的结合起来，取两者的长处，则可大大提高整个系统的学习 能力和表达能力 模糊神经网络就是一种具模糊逻辑推理的知识表达能力与神经网络的自 学习能力于一体的新技术，是两者的有机结合，能充分表现出两者之间的互 补性和关联性【2 0 1 模糊神经网络在结构上虽然也是局部逼近网络，但是它是 按照模糊系统模型建立的，网络中的各个节点及所有参数均有明显的物理意 义，因此这些参数的初值比较容易确定，这是模糊神经网络优于单纯的神经 网络之所在；同时，由于模糊神经网络具有神经网络的结构，因而参数学习 和调整比较容易。这是它优于单纯的模糊系统之所在 基于模糊神经网络的控制称为模糊神经网络控制。模糊神经网络控制克 服了模糊控制学习性差、神经网络控制推理性差的缺点在这种控制器中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 把神经网络的输入输出信号、隐含节点用来表示隶属度函数和模糊控制规则， 把模糊控制抽象的经验规则转换为神经网络的一组输入输出样本，使神经网 络对这些样本进行学习和记忆，并以。联想记忆”的方式来使用【l s l 1 2 本论文的主要工作 直接转矩控制是近2 0 年发展起来的新兴控制策略交流变频调速技术，其 控制思想新颖、系统简洁明了、动态性能优良，得到了越来越广泛的应用。 智能控制策略是人工智能与传统控制理论相结合的新型控制理论，将智能控 制策略引入到交流调速中来，是现代交流调速技术发展的方向之一。本论文 将智能控制策略应用到直接转矩控制中进行了探讨和研究，主要完成的工作 如下： 1 分析直接转矩控制、模糊逻辑与模糊控制、模糊神经网络控制的基本 原理，构建基于模糊逻辑的直接转矩控制系统和基于模糊神经网络的直接转 矩控制系统 2 设计模糊直接转矩控制器和模糊神经网络直接转矩控制器。在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下对基于模糊逻辑的直接转矩控制系统和基于模糊神经 网络的直接转矩控制系统进行仿真研究，对仿真曲线作对比分析 3 在基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的电机实验平台进行实验将模糊神经网络 d t c 、模糊d t c 和传统的d t c 三者的实验曲线进行比较，迸一步验证了所 采用的控制方法的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章基于智能控制策略的直接转矩控制系统基本 原理及结构 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 技术是继矢量控制技 术之后发展起来的一种新型高性能交流变频调速技术在传统d t c 系统中， 采用滞环比较器( 两点式调节器) 对交流电机的电磁转矩和定子磁链幅值直 接进行闭环比较控制，从而将转矩与磁链的脉动限定在预定的范围之内，当 时实际值超过调节范围的上下限时，滞环比较器就会产生动作，输出的数字 控制量就会发生变化，该数字控制量和磁链相位角共同作用产生p w m 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。基于智能控制策略的d t c 是采用 智能控制器来代替转矩和磁链滞环比较器，将磁链误差、转矩误差和磁链相 位角作为输入信号，输出为逆交器开关状态( 即最优电压矢量) ，该电压矢量 通过逆交器控制电机运行 2 1 感应异步电机的理想数学模型 2 1 1 三相静止坐标系中异步电机数学模型 在研究异步电动机的理想数学模型是，常作如下假设i “l 【2 5 1 1 2 6 ) ： _ 忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 。电角度) ，所产 生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布； - 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的： _ 忽略铁芯损耗； _ 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 1 电压方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 蜀0 0 足 00 0 0 00 o0 00 0 0 置0 0 月2 00 oo 00 ， 00 00 00 r 2 0 0 是 z 1 5 z c 1 4 i c + p 妒 妒。 妒c 1 ；c ，。 妒6 妒。 ( 2 1 ) 式中， h 。、h c 、h 。分别为定子、转子相电压，、 f c 、t 分别为定子、转子相电流，妒。、t o ，t o 。、妒、妒。、妒。分别 为定子、转子绕组的磁链，墨、r ：分别为定子、转子电阻，p 为微分算子。 2 磁链方程 妒一 妒矗 妒c 妒 妒 妒。 l “l l c l hl l k 。 工a 二。 l 。l 自l 。 工k工轴工k l 。l l 。 b l c l ( 2 2 ) 式中，对角线元素匕、工。、工c c 、k 、k 、工。分别为定子、转子各 相的自感，其余各项则为定子、转子和定转子之间的互感 3 转矩方程 互= 一行，l l 【以f l + + f c o s i o e + 以+ f j + i j , ) s i n ( e + 1 2 0 。) ( 2 - 3 ) 4 - q 。+ i | t i + i c i ) s i o ( e - 1 2 0 。) 式中，刀。为异步电动机极对数，l 。为定、转子两相绕组轴线一致时， 两者之间的互感最大值，口为转子4 轴与定子a 轴之问的电角度。 2 1 2 坐标交换 由于转子的旋转，定，转子之间的互感是定、转子相对位置的函数，电 磁转矩也是定、转子相对位置的函数，这使得交流异步电机的数学模型为一 组非线性的微分方程式。为了解除定转子之间的这种非线性的耦合关系，需 要对其进行坐标变换，即将三相静止坐标系a 、b 、c 变换为两相静止坐标 咖妇砧妇“如 胛 贸 “ 研 ” 跏伽彬础跏缸 址 册 岱 跏伽咖阳伽助跏肋肋“砌砌 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 系口、，建立起a p 参考坐标系内的异步电机数学模型。这种从三相静止坐 标系到两相静止坐标系之间的变换称为3 2 变换 在满足功率不变的约束条件下，三相静止坐标系到两相静止坐标系的变 换矩阵为： c 。孳2 1 一三一1 22 拓压 u 22 两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵为： 鹪 ilo ( 2 4 ) ( 2 5 ) 通过计算可以验证：变换后的两相电压和电流有效值均为三相绕组每相 电压和电流有效值的孤倍，因此，每相功率增加为三相绕组每相功率的 3 2 倍，但相数由原来的的3 变成2 ，所以交换前后总功率不变。 2 1 3 两相静止坐标系中异步电机数学模型 1 电压方程 “茁 “盘 “f “ 蜀+ t p o l 。p - o j l m o 置+ t p 咄 k p l p 0 恐+ 工，p m l o 1f f 越 k p i 声 鸸限 r 2 + t p i l i p ( 2 6 ) 式中，“。、“，、“ ，“声分别为定、转子电压的a ，分置，、0 、0 、 0 分别为定、转子电流的口，卢分量。工。为筇坐标系等效定子与转子绕组问 的互感l 为筇坐标系等效两相定子绕组的自感。，为妒坐标系等效两相 转子绕组的自感。为电机转子角速度 2 磁链方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中，妒。、妒，、 3 转矩方程 妒越 妒 妒一 妒， l 1 0 l 0 t 0 l 0 厶 0 工_ 0挑 t p 一、妒膏分别为定、转予磁链的a ，分量。 t = 以，工用a 摩0 0 0 ) 式中， ，为电机的极对数 2 2 传统直接转矩控制系统的基本原理及结构 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 经典的直接转矩控制分为两种：一种是德国的狄普洛克( m d e p e n b r o c k ) 提出的六边形磁链控制，另一种是日本的塔卡哈什( i t a k a h a s h i ) 提出的近 似圆形磁链控制。 近似圆形磁链控制要求六个非零电压矢量不停地切换，以达到磁链轨迹 近似圆形的目的而六边形磁链控制将3 6 0 。平面化分为一个正六边形，其中 六个对角线代表六个非零电压矢量，六条边代表磁链运动轨迹，六边形轨迹 要求控制过程在每6 0 。范围内只需作用一个电压矢量。对两者进行比较可知： 近似圆形磁链控制开关频率高，转矩脉动、电动机损耗和嗓声较小六边形 磁链控制相当于六边梯形波逆变器供电，功率器件开关频率较低，适用于大 功率的场合由于本文的目的是要减小转矩脉动和磁链脉动，因而本文采用 的是近似圆形磁链控制方案。 传统直接转矩控制的基本原理为：首先检测定子的电流、电压和电机转 速，将检测到的定子三相电流i 。t 和三相电压群。“。“。通过3 1 2 坐标变换后得 到0 和h 。“由然后进行定子磁链和转矩观测与计算得到妒，和0 ，使两者 分别与定子磁链给定妒和转矩给定t 相减，其差值通过各自的滞环比较器 ( b a n g 一b a n g 控制器) 后得i _ 、三 r ，磁链妒通过磁链位置检测器后得到该 磁链所处的扇区占( ) 。把d 、上l 和占( ) 一起输入逆变器开关状态选择表 ( 矢量表) ，就得到了满足磁链近似为圆形、转矩输出跟随转矩给定的空间电 压矢量，该电压矢量通过逆变器控制电机运行。其基本原理框图如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 三相电源 图2 1 传统直接转矩控制系统框图 2 2 1 磁链及转矩计算 直接测量电磁转矩值在测量技术上是有困难的，为此需用间接法求电磁 转矩t 。一般是根据定子电流和定子磁链来计算电动机的电磁转矩瓦，即； l 一万， 。i 一一妒冉) ( 2 9 ) 式中， 嚣，为极对数，妒。、妒声和乇、0 分别为定子磁链和定子电流的 口，卢分量。 定子磁链将采用以下两式计算得出，即： 1 尹。- “。一0 澎 ( 2 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 妒 - 一廖一证k 式中，i 为电机的定子电阻。 2 2 2 逆变器的开关状态选择 本文采用三相电压型逆变器如图2 2 所示 ( 2 i 1 ) 罔2 2 三相电压型逆变器结构图 三个开关变量s ，& ，s 。共有8 种组合，分别是( s ，咒，爰) = ( 0 0 0 ) ，( 0 0 1 ) ， ( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 1 0 ) ，( u 1 ) 这8 种组合中，组合( 0 0 0 ) 、 ( 1 1 1 ) 状态下，电机定子绕组线电压均为零，称为无效组合，其它6 种组合 则为有效组合。若用空间电压矢量口。o ) 来表示，则为： 1 口，( f ) - 妄阻+ “户7 “归+ ，7 “归1 ( 2 1 2 ) j 式中“，“。分别为a , b ，c 三相定子负载绕组的相电压，它们在相位上相 差1 2 0 。 图2 3 给出了8 个空问电压矢量的分布，其中，( 0 0 0 ) 、( 1 1 1 ) 对应坐标 系的圆点为零状态，其余空间电压矢量的幅值均等于4 e 3 矢量的顺序从状 态“1 ”到状态“6 ”逆时针旋转，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 ， 所对应的逆变器电压状态，即空间电压矢量是“n 一“，2 一“，一“一“j 5 一“。 零电压矢量u 。，则位于六边形的中心点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 、 、 、 、 “，o ，扯j 周2 - 3 空甸电压矢量 为了能正确选择空翱患压矢量、，需要准确知道定子磁链所处的扇区。为 此，将空间分成六个区域日( ) ，每个区域所包括的范围为 坠字石t 一0 v ) s 鲁石，其中n = 1 ，2 ，6 ，如图2 - 4 所示 图2 4 定子磁链扇区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 根据磁链、转矩滞环比较器输出值d ，d r 和磁链所处的扇区口( ) ，即 可选择出正确的空间电压矢量作用于逆变器，使定子磁链轨迹近似圆形。空 间电压矢量选择表即逆变器开关状态表如表2 - 1 所示 表2 - 1 逆变器开关状态选择表 d d r 口( 1 )口( 2 ) 日( 3 )p ( 4 )0 ( 5 )p ( 6 ) 1 j ，h ，4“，6“，2“订“j 1 o o “，0h ，7m ，0 扯j 7耻j 0 ，7 l “，2“j 3 “n口巧j “- 6 1 越“， “，2 馨，3鼙n群d 1 o “j 0“j 7“j 0“j 7j 0h 7 1 “6- m ，2 一。删力，1“d ， 扯d 一一 h ，4 2 。3 模糊直接转矩控制系统基本原理及结构 传统的直接转矩控制采用滞环比较控制器，依据转矩误差、定子磁链幅 值误差来选择逆变器的开关状态，属于b a n g b a n g 控制，无法区分定子磁链 误差、转矩误差的等级，对于一些不确定的因素引起的误差微小变化，不能 及时控制。而以鲁棒性著称的模糊控制，善于处理存在不精确性和不确定信 息的控制问题。加之，在直接转矩控制中，磁链偏差、转矩偏差和磁链角均 用一定范围的值来表示，而这个范围本身就是一个模糊的语言变量因此， 采用模糊控制的方法来求取逆变器的开关状态，不但能够提高控制系统的性 能，而且更符合控制规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 1 模糊逻辑与模糊控制原理 最基本的模糊控制系统结构如图2 5 所示【r 丌图中，) ，为系统设定值， y 为系统输出值，它们都是清晰量。从图中可以看出，它和传统的控制系统 结构没有多大的区别，只是由模糊控制器替代传统的控制器。 模糊控制器 图2 - 5 模糊控制系统结构图 从图2 5 中可以看出，模糊控制器的输入量是系统的变差量g ，它是有 确定数值的清晰量。通过模糊化处理，用模糊语言变量e 来描述偏差，若以 r 僻) 记的语言值集合，用符号n b 表示负大，n m 表示负中，n s 表示负小， z e 表示零，丹表示正小，p m 表示正中，p m 表示正大，则有： ? 旺) - n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，e b 语言规则模块式一个规则库，过程操作者用矿一t h e n 控制规则形式给出 信息。设e 是输入，u 为如出，规则形式为： 墨：i fe lt h e nu l ，e l s e r 2 ：i fe 2 t h e nu 2 ，e l s e 心：i fet h e nu 。，e l s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 每一条规则可以建立一个模糊关系足，所以系统总的模糊关系r 为： r - r i u r ：u u r 若已知系统的输入e 对应模糊变量e ，应用c r i 合成推理法，可得到模 糊输出变量【， u e o r 模糊推理输出【，是一个模糊变量，在系统中要实施控制时，模糊量c ，。还 要转化为清晰量，因此最后要进行清晰化处理，得到可操作的确定值“；，这 就是模糊控制器的输出值，通过；的调整作用，是偏差e 尽量小 一般来说，模糊控制器有三个主要的模块【1 8 l 。 ( 1 ) 模糊化 模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过 程，此相应语言变量值均由相应的隶属度来定义。 ( 2 ) 模糊推理 模糊推理包括三个组成部分：大前提、小前提和结论大前提是多个多 维模糊条件语句，构成规则库；小前提是一个模糊判断旬，又称事实以已 知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的 过程叫做模糊推理。常用的模糊推理法有：m a m d a n i 推理法、z e d e h 推理法， c r i 合成推理法、最小推理法等。 ( 3 ) 清晰化 清晰化是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程， 又叫解模糊。常用的解模糊方法有：最大隶属度平均法、重心法、加权平均 法等 在模糊控制系统中，多个输入，多个输出( m i m o ) 的系统称为多变量 模糊控制系统，控制器往往具有多变量结构，称为多变量模糊控制器。以多 输入、单输出( m i s o ) 模糊控制器为例，如图2 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 而 屯 “ 模糊 l 控制器 图2 - 6 多变量模糊控制器( m i s o ) 模糊控制系统主要采用以下两种形式的模糊规则【1 7 l ： r ：矿而妇4a n d 石2 西4 ，a n d 妇4 触) ，西马 ( 2 1 3 ) r 2 ：矿而妇1a n d 屯i s 4 ，a n d 毛i s 4 t h e n y = ，( h 屯，。) ( 2 1 4 ) 这里4 0 - 1 ，2 ， ) 和置分别是输入变量x 和输出变量y 的模糊集合， ，“，z ：，工。) 可以是任意函数采用式( 2 - 1 3 ) 模糊规则集的模糊系统称为 m a m d a n i 模糊系统采用式( 2 1 4 ) 模糊规则集的模糊系统称为t a k a g i s u g e n o ( t - s ) 模糊系统。m a m d a n i 模糊系统的后件是用语言值表示的模糊集合， 儆a g i - s u g e n o 模糊系统的后件，( h x ：，工) 是线性函数旧，本论文采用的是 m a m d a n i 模糊系统。 2 3 2 基于模糊逻辑的直接转矩控制系统的结构 基于模糊逻辑的直接转矩控制系统原理框图如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 三相电源 图2 7 基于模糊逻辑的直接转矩控制系统原理框图 它由模糊控制器、交流异步电机、逆变器、磁链观测和转矩计算器以及 p i 速度调节器组成该系统可以在速度开环和闭环两种情况下运行系统开 环运行时，给定信号为转矩给定和磁链给定妒。；闭环运行时，转矩给定信 号来自速度调节器的输出。其中模糊控制器为三输入单输出控制器，输入为 转矩偏差岛、磁链偏差e 和磁链角日，输出为逆变器开关状态万- 2 4 模糊神经网络直接转矩控制系统基本原理及结构 尽管模糊控制应用于直接转矩控制系统当中能够提高控制系统的性能， 但模糊控制难以进行自学习，因而难以建立完善的控制规则。并且，在推理 过程中，由于模糊性的增加还会损失一些信息。而神经网络具备自学习、自 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 调整的能力，将其与模糊控制技术结合起来应用于直接转矩控制系统中可以 进一步提高控制性能 2 4 1 人工神经网络与神经网络控制理论 人工神经网络( 简称神经网络n n ) 是由人工神经元( 简称神经元) 互 联组成的网络它是从微观结构和功能对人脑的抽象、简化，是模拟人类智 能的一条重要途径，反映了人脑功能的若干基本特征。 神经元是神经网络的最基本的组成部分，它一般是多输入单输出的非线 性器件，其结构模型如图2 - 8 所示1 1 7 1 而 工2 图2 - 8 神经元结构模型 其输入、输出关系可描述为： 一w f x ，一b ( 2 1 5 ) y 。- ，) ( 2 - 1 6 ) 式中，t ( ，- 1 , 2 , ，蚪) 是从其它神经元传来的输入信号；w 月表示从神经 元，到神经元f 的连接权值；b 为阈值；，称为激发函数或作用函数。 有时为了方便起见，常把一只叶看成是恒等于1 的输入的权值，这时 式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可写成： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 。荟， ( 2 1 7 ) 式中，w k 一一岛，x o 一1 输出激发函数，又称为变换函数，往往采用0 和1 二值函数或s 型函 数，如： ( a ) 二值函数： ，- 甚： 协 ( b ) s 型函数： ，o ) - l + 二e - 一一，o ，( d l ( 2 - 1 9 ) 人工神经网络有很多种模型，但从神经元的连接方式来看可分为：前馈 型神经网络和反馈型神经网络两种主要的类型 前馈型神经网络是一种强有力的学习系统，其结构简单而易于编程。从 系统的观点来看，前馈型神经网络是一种静态非线性映射，通过简单