（电力电子与电力传动专业论文）异步电机直接转矩智能控制方法的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sah i g hp e r f o r m a n c ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) s p e e d r e g u l a t i n gt e c h n o l o g ya f t e rv e c t o rc o n t r 0 1 i ta r o u s e 、加d ec o n c e r nb e c a u s eo fi t ss t r a i g h tc o n t r o l t h o u g h t , s i m p l es y s t e ms t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tf o rd i g i t a l i z a t i o n , a sw e l la sg o o ds t a t i ca n d d y n a m i cq u a l i t i e sw h e ni tw a sp r o p o s e d i t sb a s i cp r i n c i p l ei sc h a n g i n gt h ea n g l eb e t w e e n s t a t o r f l u xa n dr o t o rf l u xb ya d j u s t i n gt h er o t a t i n gs p e e do fs t a t o rf l u xw h i l et h ea m p l i t u d eo fs t a t o r f l u xi sc o n s t a n t , t h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dr o t o rs p e e da r ec o n t r o l l e d c o m p a r e dw i t h v e c t o rc o n t r o l ，n on e e dt oc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n dc o n t r o lf l u xa n dt o r q u es t r a i g h t l ya r e d t c sm a i na d v a n t a g e s d t ci sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yi ns o m ef i e l d s b u ta san e wt e c h n o l o g y , i t h a ss o m ed e f i d e n c yi nt e r mo fi t st h e o r ya n dp r a c t i c ea p p l i c a t i o n , n e e d st ob ea d v a n c e d i m p r o v e d s t a r t i n gf i - o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r , d t c st h e o r ya n ds y s t e m s t r u c t u r ea r ea n a l y z e dd e e p l y , f o u n dt h ek e yp o i n t st oa f f e c ts y s t e mm a i np e r f o r m a n c e sa r et h e j u d g e m e n to fs t a t o rf l u xb i a sa n dt o r q u eb i a sa n dc h o i c eo fv o l t a g es p a c ev e c t o r t h e r e f o r e ， s o m ei m p r o v e dm e t h o d so fs w i t c hs t a t ec h o i c ef o r ma lep r o p o s e di no r d e rt op e r f e c ts t a t o rf l u x m a pa n dr e s t r a i nt o r q u er i p p l e t h ef i r s ts c h e m ei ss u b d i v i d i n gt h ef l u xb i a sa n dt o r q u eb i a s ，i n c r e a s i n ga m o u n to f c o m b i n a t i o no ff l u xh y s t e r e t i cc o m p a r e ro u t p u t sa n dt o r q u eh y s t e r e t i cc o m p a r e ro u t p u t sa n d o p t i m i z i n gt h ec h o i c eo fv o l t a g es p a c ev e c t o rs ot h a ti m p l e m e n tr e g u l a t i n gs t a t o rf l u xa n d t o r q u em o r ea c c u r a t e l y t h es e c o n ds c h e m ei st oi n t r o d u c ef u z z yl o g i ci n t od t cs y s t e m t h en e wf u z z y c o n t r o l l e rr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lf l u xa n dt o r q u et w op o i n t sb a n g - b a n gc o n t r o l l e r a d o p t m e m b e rf u n c t i o n st oe s t i m a t ef l u xb i a sa n dt o r q u eb i a sa n dt a k et h e mt o g e t h e ri n t o c o n s i d e r a t i o n , s oa st oa c h i e v eb i ge r r o rc o u l db ea d j u s t e dr a p i d l yw h i l es m a l lo n es h o u l db e a d j u s t e da c c u r a t e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tf u z z yl o g i cv o l t a g ev e c t o rc o n t r o l l e r m a k es y s t e mh a v er a p i dd y n a m i cr e s p o n s e ，s t a t o rf l u xm a pi sc l o s et or o u n dv e r ym u c ha n d t o r q u et i p p l ei sc o n f i n e de x c e l l e n t l y t h et h i r ds c h e m ei st oi m p l e m e n tt h ec h o i c eo fv o l t a g e s p a c ev e c t o r 、析ln e u r a ln e t w o r k t h el l e u r a ln e t w o r kv o l t a g ev e c t o rc o n t r o l l e re m p l o y sb pn e t w o r kw i t hf o r w a r ds t r u c t u r ea n d 唧b a c k p r o p a g a t i o n i t st r a i n e do f fl i n ea n dc o n t r o l l e do nl i n e b e c a u s eo fn e u r a ln e t w o r k s s t r o n gt o l e r a n c e ，r o b u s t n e s si si n c r e a s e d b e s i d e s ，n e u r a ln e t w o r kc o u l dp r o c e s sm o r er a p i d l ya s i t sp a r a l l e lo p e r a t i o na b i l i t y , a n dt h e nt h es w i t c hf i e q u e n e yc o u l db ef 1 1 r t h e ri n c r e a s e d h e n c e ， t h es y s t e mh a sf a v o r a b l ed y n a m i cr e s p o n s e a i m e da tc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et h r e ei m p r o v e dm e t h o d s ，t h es i m u l a t i o nm o d e ho f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f f1 页 a l lk i n d so fc o n t r o la l g o r i t h m sw e r ee s t a b l i s h e do i lm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h a t t h e s ec o n t r o ls c h e m e sa r ef e a s i b l ea n da c h i e v e da n t i c i p a t i v ee f f e c t k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r , d t c ；f u z z yl o g i c ；n e u r a ln e t w o r k 西南交通大学曲南父逋大字 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。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打叶) 学位论文作者签名：指导老师签名： 日期：o ) 口肜罗矽 日期 芡多 文移 o 严“ 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 深入分析了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统结构； 2 对传统直接转矩开关状态选择表进行了改进； 3 将模糊逻辑控制引入到直接转矩控制中，设计了模糊逻辑电压矢量控制器； 4 将神经网络引入到直接转矩控制中，设计了神经网络电压矢量控制器； 5 对设计的控制系统进行了仿真论证。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 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说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：1 日强：l i i 口 9 ，s ；口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼舅舅曼曼! 曼曼皇! ! ! 曼! ! 曼曼! 曼曼曼! ! ! ! 兰! ! 曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼曼皇曼! 曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼i i i i 舅曼曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼 第1 章绪论 1 1 交流调速技术的现状和发展方向 交流电动机的诞生和发展已有一百多年的历史，至今已经研究、制造了形式多样、各 种容量、各种品种的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步( 感应) 电动机两大 类。同步电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，而异步电动机则不保 持这种关系。统计表明，交流电动机的用电量占电机总用电量的8 5 左右，可见交流电动 机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位【l 】。 在2 0 世纪3 0 年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机最理想的调速方式。但 是改变供电频率需要一套变频电源。过去采用的旋转变频机组或离子变流器，由于设备 笨重庞大，可靠性差，变频调速的技术发展相当缓慢，实际运行的装置很少。6 0 年代， 随着电力和电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调速技术重新受到人们的 重视，成为电动机调速的发展方向。7 0 年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约能 源成为人们关注的焦点。大量以前不调速的传动装置，如风机、水泵等，为了减少电能 损失，也都采用了调速传动。由此，对交流电动机调速技术的发展起到了巨大的推动作 用。9 0 年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理 论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的发展，逐步具备了调速范围宽、 稳速精度高、动态响应快以及可做四象限运行等优良的技术技能。 1 1 1 交流调速技术的现状 2 0 世纪6 0 年代中期，德国的as c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他 们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化 开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展【2 】。 1 电力电子器件 电力电子器件是近代交流传动的基础和支柱，传动技术的发展总是伴随电力电子器件 的发展而发展的。任何一种新器件的问世，都使交流传动技术得到巨大的推动。2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管原件。装置的效率、成本、体积均无法 与同容量的直流调速装置相比。8 0 年代中期以后用第二代电力电子器件g t r ( g i a n t t r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r no f ft h y r i s t o r ) 、v d m o s i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 等制造的变频装置的性价比上可以与直流调速装置想媲美。随着向大电流、 高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制 造变频器的主流器件，中、小功率的变频调速装置( 1 - 1 0 0 0 k w ) 主要是采用i g b t ，中、大 功率的变频调速装置( 1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 k w ) 采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末至今，电力电子器 件的发展进入了第四代。实用化的第四代器件主要为：高压i g b t 、i g c t ( i n s u l a t e dg a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 c o n t r o l l e dt r a n s i s t o r ) 、i e g t ( i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ) 、s g c t ( s y n t n e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 等。在人类社会进入信息化时代后，电力 电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍将是2 l 世纪最重要的两大技术。 2 脉宽调制( p 卅p u l s ew i d t hm o d u i a t i o n ) 技术 脉宽调制技术的发展及应用优化了变频装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交 流调速技术的普及发挥了巨大作用。 p w m 控制技术是由通信系统的调制技术推广而来的，而基本原理是用等幅不等宽，并 按一定时间排列的脉冲波来逼近一条正弦曲线，从而使得系统产生的电压、电流波形更接 近正弦。p w m 技术的种类很多，并且还在不断发展。基本上可以分为四类，即等宽p w m 法、 正弦p 1 i y m 法( s p l 】l m ) 、磁链追踪型p w m 法与电流跟踪型p w m 法。p 1 j i m 技术的应用客服了相控原 理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波的电压和电流，是减小谐波含量的有 效方法，进而大幅提高了电机的功率因数和输出效率。现代p w m 生成电路大多采用具有高 速输出口的单片机和数字信号处理器( d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ( 如t m s 2 4 0 7 ) ， 通过软件编程生成p w m 。 3 矢量变换控制技术 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。交流电动 机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概 念可以将交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量进行解耦，实现了将交流电动机的控 制过程等效为直流电动机的控制过程，是交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提 高。目前对调速性能要求较高的生产工艺广泛采用了矢量控制型变频调速装置。经实践证 明，矢量控制的交流调速系统优于直流调速系统。 受到矢量控制的启迪，今年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制等方法。 针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中增加了自适应控制技术。毋庸置疑，矢量控制 技术在应用实践中将会更加完善，更加具有实际应用价值。继矢量控制技术之后，2 0 世纪 8 0 年代有德国鲁尔大学德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首先取得了直接转矩控制技术实际 应用的成功。近十年的实际应用表明，与矢量控制技术相比，直接转矩控制技术可获得更 大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接转矩控制也是一种很有前途的控 制技术。目前，采用i g b t 和i g c t 的直接转矩控制方式的变频调速装置己广泛应用与工业生 产和交通运输部门。 4 微型计算机全数字控制技术 早期的交流调速系统的控制器多为模拟电子电路组成。近十几年来，由于微机控制技 术，特别是以单片机和数字信号处理器d s p 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛 应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字 控制。当今模拟控制器已经普遍被全数字化的交流调速系统所取代。 数字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量 控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采 用微机控制器后都得到了很好的解决。高性能的矢量控制系统如果没有具有高速运算、处 理能力的微机的支持根本是无法实现。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方 面的功能，特别是故障诊断技术和多重保护技术得到了完全的实现。微机控制技术及大规 模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 变频调速装置的成本、体积，以及整个系统的开发周期。总之，以微处理器为核心的数字 控制已经成为了现代交流调速系统的主要特征之一。 1 1 2 交流调速技术的发展方向 交流调速技术是一门跨学科的技术，它涉及到电力电子器件、变流器、交流电机、 控制理论及微电子学在内的许多领域。经过2 0 多年的发展，交流传动在工业及交通运输 业中己得到普遍应用。但是，由于这一领域所具有的跨学科的特点，在系统控制理论上 和许多实用技术上，还存在一些问题，有待迸一步的研究。综观交流调速的发展过程和 现状，器发展方向可归纳为以下几个方面【3 】。 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是近代交流调速的基础和支柱，交流调速技术的发展总是随着器件的 发展而发展的。前面已简述了电力电子器件发展的历史，其中影响最为深远的就是构成 第三代电力电子产品的复合型器件。在器件复合化思路的基础上，工业先进的国家正在 向研制智能功率模块( i p m ) 的方向上发展。在i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 器件 上，是把能承受高电压大电流的功率器件和其控制作用的逻辑电路( 驱动电路、保护电 路、检测电路等) 以及温度自动控制电路集成在一起，最后形成一个整体，构成称之为 智能功率装置，这可以算作第四代电力电子器件。这种智能功率模块能使变流装置进一 步向小型化、智能化和节能化方向发展，并促使交流调速与电子信息学科相结合，为机 电一体化开辟了广阔前景，将成为其它各项高科技发展的基础。 从电力电子器件的发展和现状不难看出，电力电子器件主要沿着两大应用领域：大 功率电力变换和智能化传动控制方向发展。今后，电力电子器件将进一步向高电压、大 电流、高频、快关断、低耗易驱动以及集成化、智能化的方向发展。 2 变频器主电路拓扑结构的研发 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中主要解决的主要问题之一。而降低电 力电子器件开关损耗是提高变频器输出效率的主要措施。具体解决方法是开发新型变频 器主电路，如使电力电子器件在零电压或零电流下转换，即工作在所谓“软开关 状态 下，从而使开关损耗降低到零。目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展， 这使装置内部电压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输 入、输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害即所谓 的电磁干扰( e m i e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。抑制e m i 的有效方法也是采用软 开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在国内外都在积极进行研究与开发。不久就会 推出商品化的串并联谐振式变频器。针对交一交变频器输出频率低的缺点，2 0 世纪8 0 年 代人们开始研究矩阵式变频器( m a t r i xc o n v e r t e r ) 。矩阵式变换器是一种可供选择的交 一交变换器结构。最近的研究成果表明，可望在不久的将来将其推进到实用化阶段。 3 控制理论和控制技术发展 实践表明，矢量控制理论及其他现代控制理论的应用尚待随着交流调速的发展而不 断完善，从而进一步提高交流调速系统的控制性能。各种控制结构所依据的都是被控对 象的数学模型，因此，为了建立交流调速系统的合理适用的控制结构，仍需对交流电动 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 机数学模型的性质、特点及内在规律做深入研究和探讨。其中今后交流调速系统的重要 研究课题就是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法。按转子磁场定向的异步 电动机矢量控制实现了磁链电流和转矩电流的完全解耦，转矩数学模型与直流电动机的 转矩模型完全一样。然而转子参数估计的不准确及参数变化影响造成定向坐标的偏移问 题，因此转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究的核心课题。 这些年来，不依赖电机模型的智能控制，如模糊自寻优控制、人工神经网络等方法开始 引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。 4 p w m 模式的优化研究 目前，随着中、高压交频器的兴起，对于电压空间矢量控制p w m 模式进行了改进和 优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电压矢量合成p 1 j | m 模式( 不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量的组合) ，已经取得了具有 使用价值的研究成果，用于级联式多电平中压变频器的脉冲移相p 1 】i m 技术也有应用。 1 2 直接转矩控制系统综述 交流电机控制技术具有代表性的有变压变频控制、矢量控制即磁场定向控制以及近 期出现的直接转矩控制等。直接转矩控制技术是在本世纪8 0 年代中期继矢量变换控制技 术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术【4 】。直接转矩控制变频调速系统，德语称 之为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ，英语称之为d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 。 1 2 1 直接转矩控制的提出和发展 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年在i e e e 杂志上被a b p i u n k e t t 提出【5 】，1 9 8 5 年由德国 鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次取得了实际应用的成功。接着1 9 8 7 年把 它推广到了弱磁调速范围。这种控制方式是使定子磁链依照六边形轨迹运动，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。不 同于矢量控制技术，直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中的计算复杂、特性易 受电动机参数变化的影响，实际性能难以达到理论分析结构的一些重要技术问题。直接 转矩控制技术一诞生，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态 性能受到了普遍的关注，并得到了迅速的发展。 几乎在d s c 被提出的同时，在上世纪8 0 年代中期，i t a k a h a s h i 和t n o g u c h i 提出 了d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 。它被认为是一种可以和f o c ( f i e l d o r i e n t e dc o n t r 0 1 ) 相提并论的革命性理论，同时也被视为是d s c 的改进。与d s c 相比，在原理上几乎完全 相同，它也是通过改变整流电路的瞬时通电状态来控制转矩和磁链的。然而，它的定子 磁链变化却是接近于圆形，而非像d s c 中为6 边形。它除了d s c 具有的一系列优点，比 如：简化的模拟算法、系统鲁棒性的增强和因为电机模型不确定性而引起的转矩不稳定 也减小了。同时，d t c 还具有以下的优点： ( 1 ) 转矩控制和磁链控制的解耦； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 极好的转矩动态性能，没有转矩超调。 目前直接转矩控制的主要研究方向为开发高性能的感应电动机、神经元网络及模糊 控制应用于直接转矩控制、如何减小转矩及电流波动和直接转矩控制应用于同步电机中。 为了克服标准d t c 的缺点，在上世纪9 0 年代，特别是近几年，提出了一些新的直接控制 策略。其中一些继承了常规d t c 基本特性，它们仍旧是非线性、转矩和定子磁链在定子 的口一坐标系下分别控制，空间向量也是根据瞬时偏差给出的。但是它们一般都具有更 加复杂的算法。 1 2 2 直接转矩控制的特点 实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机变频调速系统，定子磁链接近圆形， 谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电动机小很多。归纳起来，直接转 矩控制系统有如下特点【6 j 。 1 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的 磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；既不需要模 仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，他省掉了矢量旋 转变换等复杂的变换和计算。因此，她所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信 号易于观测者对交流电动机的物理过程作出直接和明确的分析和判断。 2 直接转矩控制采用定子磁场定向，只要知道定子电阻就可以把磁场观测出来。而 矢量控制的磁场定向采用的是转子磁场定向，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和 电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能受参数变化影响的问题。 3 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物 理量，使问题更加简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与著名的矢量控制方法不同，直接 转矩控制不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进 行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩 检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由 转矩调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能简化，而是 取决于转矩的实际状况。其控制既直接又简单。这种直接控制的思想不仅用于转矩控制， 也用于磁链的控制，但以转矩为中心综合控制。 总之，直接转矩控制技术，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最优控制，以获得转矩的高动态性能。它 省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手 段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且 无超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 3 智能控制在直接转矩控制中的应用 近年来，智能控制研究非常活跃，并在许多领域获得了应用。智能控制 i c ( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械实现其目标的自动 控制，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系 统的控制。由于它无需对象的精确数学模型，并可以在处理不精确性和不确定性的问题 中获得可处理性、鲁棒性，因此许多学者进行了将智能控制方法引入交流传动控制系统 的研究。智能控制与传统的经典、现代控制方法相比，具有独到之处。首先，它突破了 传统的控制理论中必须基于数学模型的框架，不倚赖或不完全倚赖控制对象的数学模型， 只按实际效果进行控制。其次，集成了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特 性同时利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法 改善系统的性能。从系统的角度来看，智能行为是一种从输入到输出的映射关系，而这 种映射关系并不能用数学方法精确地加以描述。电机是一个典型的非线性、强藕合的系 统，故采用智能控制是一个比较理想的方法。智能控制具有学习、适应、组织等功能。 常见的智能控制方法有模糊控制、专家控制、神经网络控制和模糊神经网络控制等。将 这些智能控制方法应用与交流电机传动控制中，从而提高交流调速系统的控制性能。 智能直接转矩控制是基于智能控制策略如模糊控制，神经网络控制技术等的直接转 矩控制。采用智能方法控制的目的是为了进一步解决现有的直接控制方法中存在的传统 方法很难解决的问题，进步提高调速系统的动静态性能和鲁棒性。比如说直接转矩控 制系统的低速性能存在的磁链凹陷等问题。当转速较低时，定子电阻在运行中的变化将 大大影响定子磁链的幅值，不能保证定子磁链幅值为常量，使定子磁链的控制效果变差。 同时，为了进一步提高系统的性能，应对磁链运行的空间区域上的开关矢量进行合理的 选择尤其是如果能根据转矩、磁链误差程度的大小来分别选择电压矢量，将大大提高在 转矩突变时的响应速度。智能控制策略中的模糊控制和神经网络都可以用来改善系统低 速性能。其中神经网络具有大规模并行分布处理、高度的鲁棒性、自适应性和具备类似 人类的学习能力可以用来设计控制器，从而提高转速的动态响应，减少脉动。因而采用 智能控制策略去完善直接转矩控制是非常有意义的。 1 3 论文研究内容和结构安排 本文全面、系统地介绍了直接转矩控制策略，并将智能控制方法应用到直接转矩控 制中，将二者有机地结合起来。主要是对模糊逻辑和神经网络在直接转矩控制中的应用 进行了研究。本论文的主要研究内容： 首先，从异步电动机的数学模型出发，深入透彻地分析和研究异步电动机直接转矩 控制的原理和实现方法，发现对电机定子磁链、旋转方向、电磁转矩、转速的控制归根 结底是对异步电机输入电压空间矢量的控制。以此为基础，通过细分定子磁链和电磁转 矩偏差的方法对传统d t c 系统的开关状态选择表进行了改进。 其次，详细分析了模糊逻辑的基本原理，发现其非常适合对不确定量的控制，而直 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 接转矩控制中正是将磁链偏差和转矩偏差限定在允许的范围( 容差) 内，因此，将模糊 逻辑引入到对电压空间矢量的选择中。给磁链偏差、转矩偏差、磁链角设定隶属度函数， 通过专家的经验确定规则库，最后通过模糊推理选择出最合适的电压空间矢量，设计出 模糊逻辑电压空间矢量控制器。 最后，深入研究了神经网络的工作原理，尤其是b p 神经网络，其具有很好的非线性 映射能力和学习能力。采用神经网络重构电压空间矢量控制器，可以较好地解决传统电 压矢量选择表在区段变化时磁链变形严重，引起较大电流谐波分量，增大转矩脉动的问 题。仿真结果证明了用b p 神经网络模拟传统d t c 电压空间矢量选择器的可行性。 本文共由六部分组成，结构安排： 第1 章绪论 第2 章直接转矩控制的基本原理和系统结构，本章对电机的数学模型，直接转矩控 制的原理和系统结构进行了深入分析，推导出了开关状态选择表，以及改进开关状态选 择表。 第3 章模糊控制在直接转矩控制中的应用，本章分析了模糊逻辑的基本原理，根据 其特点和传统直接转矩控制中存在的主要问题，设计出模糊逻辑电压空间矢量控制器， 取代原有的开关状态选择表。 第4 章神经网络在直接转矩控制中的应用，本章分析了神经网络的基本原理，尤其 是b p 神经网络的映射原理和学习方法，并用三层b p 神经网络模拟直接转矩控制中的电 压空间矢量选择器，最后设计出神经网络电压矢量控制器。 第5 章仿真实验和结果分析，本章在m a r l a b 平台上搭建了前几章设计的直接转矩 控制系统仿真模型，包括模糊逻辑电压矢量控制器模型和神经网络电压矢量控制器模型。 最后的仿真结果证实了本文采用的控制算法的正确性。 最后对论文的研究内容进行了结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章直接转矩控制基本原理 直接转矩控制是在矢量控制和电流跟踪p w m 控制的基础上发展起来的。它与矢量 控制采用的解耦方法不同，而是通过快速改变电机磁场对转子瞬时转差调速，直接控制 电机的转矩和转矩增率。在直接转矩控制系统中，用电机定子侧参数，即电机定子电压、 电流、电阻等计算磁通和转矩，并用两点式调节器直接控制逆变器的开关状态，对电机 的磁通和转矩进行直接自调整控制，它不仅能获得快速的动态响应，而且有最佳的开关 频率和最小开关损耗。和矢量控制相比，其控制电路简单，克服了矢量控制系统对电机 转子参数的依赖和控制系统复杂等缺剧。 2 1 坐标变换与异步电机的数学模型 电机是以磁场作为耦合场的机电能量转换装置，其机电能量转换是通过磁场来实现 的。对于异步电动机来说，他受到定子电流所产生的旋转磁场的作用而产生运动，转子 所受到的仅仅是磁场的大小、方向、速度等，只要磁场相同，这个磁场到底由什么产生 的，怎么产生的等问题并不影响电机的出力。所以，定子旋转磁场既可以由通常的三相 定子绕组通入对称的三相交流电流产生，也可以由定子两相绕组来产生。且直接转矩控 制基本上是基于定子两相静止坐标系进行分析的，所以，首先给出电机三相静止坐标系 到两相静止坐标系的坐标变换原理，以及两相静止坐标系下的异步电机数学模型瞵j 。 2 1 1 坐标变换 为了分析和求解异步电机非线性的数学模型，通常采用3 2 坐标变换的方法，使数 学模型更易处理。这里所谓的3 2 坐标变换是指从三相静止坐标系变换到两相静止坐标 系。静止三相a 、b 、c 系统的定子绕组轴线a 、b 、c 之间的空间夹角互差1 2 0 。电角度； 静止两相q 、b 系统的b 在空间上超前q 轴9 0 。电角度，在a 、b 、c 与q 、1 3 之间转换 时，通常把q 轴、a 轴取在同一轴线上，如图2 一l 所示。 图2 1 静止三相到静止两相的坐标变换图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 以定子三相电流变换为例，为了便于将3 2 变换进行逆变换，增加一项零序电流i o 。 则最终的变换关系式为： 黔 1 一三 一三 22 o 笪一笪 22 111 压压压 ( 2 - 1 ) 设c 3 屋为三相坐标系变换到两相坐标系的变换阵，其逆矩阵为两相坐标系变换到三 相坐标系的变换阵，则按照变换前后功率保持不变的原则，可以得到3 2 变换及其逆变换 2 3 变换的变换矩阵： = 层 1一三一三 2 2 o 笪一鱼 22 111 压压五 7 1 一，一一f t - , 2 1 3 一k , - 3 2 一、f i yj 可以证明电压、磁链的变换矩阵皆同为式( 2 2 ) 。 2 1 2 两相静止坐标系下的异步电机数学模型 1 0 1 4 2 1压 1 224 2 1 , 3 1 224 2 ( 2 - 2 ) 在直接转矩控制系统中，采用空间矢量的数学分析方法，在电机的定子坐标系下对异 步电动机进行描述【9 】，可使问题变得简单、清晰。异步电动机各量的空间矢量关系如图2 2 所示。 图2 - 2 异步电动机各量空间矢量图 在电机学中，依据空间矢量的概念，把交流电动机三相电磁量的合成作用用一个空间 矢量表示，并将其在a 轴上的投影称为q 分量，在正交的b 轴上的投影成为1 3 分量。据此， 得到异步电动机的标准状态方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 辨塞潍臌挑 式中 艿= 工，三，一三乙，p 微分算子； t ，如，k ，0 一定子电流和转子电流在q ，b 轴上的分量； 材豫，“姐一定子电压在q ，b 轴上的分量； 厶，t ，厶，r 一定子电感，转子电感，定转子间互感，定子电阻； 乱转子转速。 磁链方程： v s 口 v s b 咋口 v rb l s 0 0三s o 0 三 脚 o 朋 0上 ，刀 三o ， 0三 ，- 转子运动方程： 万j 百d c o ，- = 互一瓦 式中卜机械转动惯量，p ，i 电机极对数； t e 一电磁转矩，t 广负载转矩。 在两相静止坐标系下，异步电动机的电磁转矩方程有多种表达方式， 链分量和定子电流分量可表示为： 疋= 吾只( 如一虬如) 2 2 直接转矩控制的基本原理 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中用定子磁 ( 2 - 6 ) 直接转矩控制( d t