（电力电子与电力传动专业论文）交流传动系统的新型控制策略.pdf

葛宝明交流传动系统的新型控制簸略浙江大学博士学位论文 有极高的性能价格比。而且动态响应快，调速范围宽，机械特性具有很高的静差 度。该项研究成果对s r d 的综合与分析有较大的参考、应用价值，对加快s r d 商 品化工作的进程有极其重要的意义。 关键词：同步电动机，开关磁阻电动机，交流伺服系统，模型算法控制，动态矩 阵控制，非线性内模控制 1 i 葛宝明：交流传动系统的新型控制策略 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i nv i e wo ft h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fe l e c t r i cd r i v e s ，t h en o v e lc o n t r o ls t r a t e g i e s ，w h i c h a r ea i m e da tt h eu n s o l v e dc o n t r o lp r o b l e m si nt h ec o + n v e n t i o n a la cd r i v e sa n ds r d a r e a p p l i e d t od r i v e s ，a n dt h et h e o r ya n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa r es t u d i e d i nt h ec o n v e n t i o n a la cd r i v e s s i n c et h ec o n t r o lp e r f o f i n a n c eo ft h es y s t e m sw i t hg e n e r a l p i dc o n t r o l l e ri s s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yv a r i o u su n c e r t a i n t i e so ft h ep l a n t ，w h i c h u s u a l l yc o m p r i s eu n p r e d i c t a b l ep l a n tp a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，e x t e r n a ll o a dd i s t u r b a n c e ， u n m o d e l l e dd y n a m i c s ，o rn e g l e c t e dn o n l i n e a r i t i e s ，e t c t oo v e r c o m et h e s e ，am a c c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e d t h ep m s m s p e e dc o n t r o ls y s t e ma n da cp o s i t i o ns e r v o d r i v ea r es e tu pb a s e do nt h em o d e l a l g o r i t h m i cc o n t r o l ，t h e i rr o b u s t n e s sf o r b o t hs t a b i l i t y a n dp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r ev e d f i e db ys i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s n 坞r e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o r m a n c e so f t h em a cc o n t r o ls y s t e m sf o ra c d r i v ea r eg r e a t l yi m p r o v e d t h es y s t e mi sr o b u s t 、 ，i t l lr e g a r dt op l a n t p a r a m e t e r v a r i m i o n s a n de x t e r n a ll o a dd i s t u r b a n c e t h e d e e o u p l i n g c o n t r o l l e ro f c u r r e n tl o o pi sd e s i g n e db a s e do nt h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l l e ro n l yh a sa na d j u s t a b l ep a r a m e t e ra n dt h ed e s i g np r o c e d u r ei s s i m p l e a c c o r d i n g t ot h em a x i m u m t o r q u e a m p e r ec o n t r o l ，t h er e l u c t a n c et o r q u ef o rp m s m 、i t l l p li s m a d ef u l lu s eo f c o m p a r e dw i t hi 广- - 0c o n t r o l ，t h es t a t o rc u r r e n ta m p l i t u d ei s r e d u c e d b y a l a r g ep e r c e n t a g ea n d t h e p o w e r f a c t o ri si m p r o v e dal o t t h ec o n v e n t i o n a lp i dv e c t o rc o n t r o lr e s t so na c c u r a t em o t o rm o d e l sa n d p a r a m e t e r sa n d i t ss y s t e mi sv e r yc o m p l e x s o ，i nt h es y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e s ，u s i n gt h el * * d m c c o n t r o la n dt h e s t e p p i n g m o t i o nc o n t r o li n s t e a do ft h ep i dv e c t o r c o n t r o l ，t h e s y n c h r o n o u sm o t o rl 。d m cs p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m sa r ed e s i g n e dc r e a t i v e l y t h ep r e d i c t i v em o d e lb a s e do nu n i t r e s p o n s e i s u s e d , a sb r e a k s f r e ef r o mt h e c o n v e n t i o n a ld r i v ec o n t r o lm e t h o d s ，s u c ht h a tt h e c o m p l e x i t y o f m o d e l i n g o f s y n c h r o n o u sm o t o r s i sa v o i d e d n 培i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi ss i m p l e t h eb e t t e r d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e sa n ds t r o n g e r r o b u s t n e s sa r eo b t a i n e d i n o r d e rt o s u r m o u n tad i f f i c u l t yc a u s e db yt h ea p p l i c a t i o no ft h eg e n e r a ld m ct o s y n c h r o n o u s m o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m ，a ni m p r o v e m e n to nt h ep r e d i c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mi s p r o p o s e d ， i nt h es r d b ya n a l y s i so ft h ec a u s ef o rf e e d i n g - v o l t a g es a t u r a t i o n 、v i t l lt h ec o n v e n t i o n a l s i n g l e p h a s e c o n d u c t i o ns t r a t e g ya n di t se f f e c to nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，an o v e l c o m m u t a t i o ns t r a t e g yw h o s ep r i m a r yp u r p o s ei st h ec a n c e l l a t i o no ft h et o r q u e - r i p p l eo f i i i - 墨塞塑：銮鎏堡垫墨堑盟堑型丝型鉴堕 塑坚查兰塑圭兰垡笙塞 s r m ，i sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t ef o rt h ee 施c t so f p h a s ev o l t a g es a t u r a t i o n b a s e do nt h e t h e o r e t i c a n a l y s i s ，t h ei m p o r t a n tp r o p e r t i e s o ft h en o v e lc o m m u t a t i o n s t r a t e g y a r e o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h en o v e lc o m m u t a t i o ns t r a t e g y , f o rt h ef i r s tt i m et h en o n l i n e a r i n t e r n a l m o d e lc o n t r o lw a s a p p l i e d t os r d s y s t e m a n e f f e c t i v es r mc o n t r o lm e t h o dw a s p r o p o s e d d u e t ot h en o n l i n e a ri n t e m a l m o d e l c o n t r o l l e ro fs r m e f f e c t i v e l y c o m p e n s a t e sf o rt h en o n l i n e a r i t yo f t h ep l a n t ，a n dc a n c e l st h ei n f l u e n c eo fu n c e r t a i n t i e s t h e g o o dp e r f o r m a n c e so f t h es y s t e ms u c ha sz e r os t a t i ce r r o r , t o r q u er i p p l e f r e e s t r o n g r o b u s t n e s se t c a r er e a l i z e d a t i e rt h ef u r t h e ra n a l y s e so ft h en o n l i n e a ri n t e m a l m o d e l c o n t r o ls y s t e mf o rs r d ，s o m e i m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r eg i v e n a i m e da tt h ed e s i g no fe c o n o m i cs r d 、v i m g o o dp e r f o i t n a n c e s t h ed i r e c td i g i t a lc o n t r o l s y s t e m f o r1 5k ws r mw i t ht h ec o n t r o lc o r eo f8 7 9 8 c h i p i s d e v e l o p e d ，t h e e x p e r i m e n t a lt e s t so ft h es y s t e mh a v eb e e nc a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sas i m p l es t r u c t u r e ，a n df a s t e rr e s p o n s e ，a n dw i d ea d j u s t a b l es p e e dr a n g e t h e r e s e a r c hw o r kh a sb e n e f i tal o tf o rs y n t h e s e sa n da n a l y s e so fs r da n dp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ns p r e a d i n gt h e a p p l i c a t i o n so f s r d k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r s ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ，a cs e l - v os y s t e m ，m o d e l a l g o r i t h m i cc o n t r o l ，d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ，n o n l i n e a ri n t e r n a l m o d e lc o n t r o l - l v ， 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 1 1引 言 第一章绪论 电气传动是以电动机的转矩和转速( 或转子位置) 为控制对象，按生产机 械工艺要求进行电动机转速( 或位置) 控制的自动化系统。根据在完成电能一 机械能转换过程中所采用执行部件的不同，电气传动被分为直流传动、传统交 流传动及开关磁阻电机传动( s r d ) 。 随着科学技术的迅猛发展，在工业、农业、交通运输、国防军事设施及日 常生活中，对电气传动的需求从数量到质量都呈现出空前的增长。仅最近1 0 年，工业电气传动的增长就已超过了2 5 【7 ”。从应用上可将电气传动分为工艺 性传动和节能性传动两大类：工艺性传动指工艺要求必须调速的传动，如车辆、 电梯、机床、造纸、纺织等；节能性传动是指风机、泵等以前不调速，为节能 而改用调速的传动，它的节能效果非常显著。 纵观电气传动的发展过程，最早出现的是直流传动，在1 9 世纪8 0 年代以 前，直流传动是唯一的电气传动方式。到1 9 世纪末叶，在不调速的传动领域， 交流传动占主要地位。2 0 世纪以来，生产已发展到一定高度，生产过程的进 步对电气传动在起制动、正反转及调速精度、调速范围等静态特性和动态响应 方面都提出了更高的要求。虽然直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自 身的弱点，但是其传动系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单；而交 流电机虽然结构简单，具有很多优点，但是由于当时条件限制，其传动系统性 能较差，技术上没有取得太大进展。所以，相当长的时期内，在需要可逆、可 调速与高性能的电气传动中，几乎都是采用直流电气传动系统。6 0 年代以后， 交流电气传动技术发生了日新月异的变化，这主要得益于电力电子学、微电子 学和控制理论的惊人发展，特别是交流电机矢量控制理论的产生及应用技术的 推广，使得交流传动具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限 运行等良好技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，于是 出现了交流传动取代直流传动的趋势。正当交、直流两大电气传动在相互竞争 中并存发展之时，s r d 也以其特有的魅力引起了各国电工界的重视。s r d 起 源于英国l e e d s 大学( 1 9 6 7 ) 和n o t t i n g h a m 大学( 1 9 7 3 ) ，正式得到国际承认 是在1 9 8 0 年的i c e m 会议之后。1 9 8 3 年，t a s cd r i v e s 公司推出第一台商品 化s r d o u l t o n 传动装置( 7 5 k w ，1 5 0 0 r m i n ) ；1 9 8 4 年又推出4 2 2 k w 四 个规格的系列产品。我国也于1 9 8 5 年左右以较高的起点对s r d 展开了研究， 相继涌现出不少关于s r d 研究的论文与专著1 7 2 i b 。1 。s r d 结构简单、价格便宜， 鲁棒性好，适于高速运行，调速范围广，运行效率高，几乎不需要维护，即使 在恶劣环境下也能保持高性能，具有交、直流传动系统所没有的优点i 1 1l 】郴”， 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 而且s r d 主要性能指标可与交流传动竞争i l 【3 】1 4 】1 7 ”。为此，世界各国对s r d 接 受和感兴趣的程度呈逐年上升趋势，现已形成了理论研究与实际应用并重的发 展态势。其中，英、美和意大利等国在开关磁阻式电机( s 蹦) 的生产与应用 上处于世界领先地位，美国已将s r d 系统应用在飞机发动机的高速起动上， 取得了满意成果 意大利p a d o v a 大学管理与工程研究所的g s s u j a 教授及其 研究组，在s r d 系统的分析与综合理论研究上取得了重要成就m 】1 8 5 1 【“】；英国 爱丁堡h e r i o t 。w a t t 大学在利用智能控制理论消除s r m 转矩脉动方面得到了很 好的结果 z t l ”1 。在我国，1 9 9 3 年山东淄博电机厂研制成功3 0 k ws r m ，使我 国s r m 在应用上揭开了新的一页；现在，华中理工大学正研究将s r d 应用于 电动轿车与自行车。 图1 1 1 三相a c 传动系统 的平均价格曲线 目前，交、直流电气传动与s r d 仍并存于各个工业领域，虽然s l 的完善、交流传动取代直流传动仍要 经历艰难的历程，但是伴着工业技术 的发展，s r d 的普及应用及交流传动 取代直流传动将必然成为现实。文献 【7 1 】表明，1 9 9 8 年交流传动在世界 范围内的销售额为4 8 5 亿美元，其 中欧洲、中东与非洲占3 9 ，日本占 2 7 ，北美占2 1 ，除日本之外的其 它亚洲国家占1 2 ，拉丁美洲占1 。 图1 1 24 6 0 v a c 传动系统 的包装体积曲线 酗1 1 32 3 0 v a c 传动系统 的包装体积曲线 而且只要对过去2 0 年交流传动系统的发展稍作观察，即可发现：科技的进步 也使得传动系统的价格及包装的体积大幅度下降。如图1 1 1 、图1 ，1 2 与图 i 1 3 所示。 我国较为落后，直流仍占较大比例，只是近2 3 年情况才发生变化，交流 传动开始被用户接受，以天津电气传动设计研究所为例，在1 9 9 6 。1 9 9 8 年承接 - 2 苎二塞堕笙一 塑堑盔堂堡主兰鱼笙塞 的项目中交流传动已超过直流传动i s 9 。但是，由于我国产品在性能、品质、价 格及器件等方面缺乏竞争力，市场上9 5 的产品从外国进口 9 0 l l ，l ；s r d 虽早 已被世界所公认，但由于技术与性能等诸多因素，在我国仍打不开市场【9 2 1 。这 就迫切需要我们电气工作者加强交流传动与s r d 的研究、开发，不断改进、 完善系统性能，以推广应用，推进产业化发展。 1 2 交流传动的发展现状与研究方向 1 2 1 电力电子变换器 交流传动系统由电力半导体电源变换器、交流电机、控制、检测四部分组 成，它覆盖的领域较广，极具有挑战性。电源变换器主要是由s c r 、g t o 、i g b t 、 p o w e rm o s f e t 等电力半导体器件构成的交一直一交变换器和交一交变换器， 其作用是控制输出的电压和频率。表1 2 1 列出了在实践中得到推广应用的五 种电源变换器和五种交流电动机，它们各具有自己的优点。 表1 2 1 可控交流传动一览表m 交一皇一交变换器 变换器 电压源型电流源型 交一交变换器 1 g b tg t o 、l g b t强迫换流自然换流 电动机 逆变器逆变嚣逆变器逆变器 永磁 小功率中功率 ( 1 0 k w 以下)( 1 m w 以下) 同步电动机 商动态性能高功率密度 小功率中功率 磁阻电动机 ( 1 0 k w 以下)( 1 0 0 k w 以下) 中、小功率中、大功率中、大功率大功辞之 笼型( 5 0 0 k w 以下)( 2 m w 以下)( 4 m w 以下)( 1 0 m w 以下) 感应也动帆高速高动态性能高速低速、中速 高动态性能商动态性能 双馈 船用轴带发电机大功率大功率 绕线转子 ( 2 m w 以下)( 2 0 m w 以下)1 0 0 m w 以下) 感应电动机 次同步运行有限调速范围 同步电动机 大功率大功率大功半 带励磁和 ( 2 0 m w 以下)( 5 0 m w 以下)( 5 0 m w 以下】 高速低速 5 且尼绕维 商动态性能 3 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 从表i 2 1 可以发现，当前中、小功率交流传动系统的电源变换器主要由 全控器件构成，只有特大容量的装置才不得不采用s c r 。交一直一交系统在传统 电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制( p w m ) 型变频器和多重化 技术方向发展，p w m 控制技术大致可分为三大类”4 1 ：正弦p w m ( 包括以电 压、电流或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 应归此类) 、优化 p w m 及随机p w m 。正弦p w m 旨在改善输出电压、电流波形；优化p w m 所 追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动 最小以及其它特定优化目标；随机p w m 是随机改变开关频率使电机电磁噪声 近似为限带自噪声，以大幅度削弱有色噪声强度。交一交变换器应用于低速大 容量可逆系统，但是由于其对电网污染较交一直一交系统严重。由g t o 和i g b t 构成的交一直一交系统已取得了明显优势，交一交变换器的前景不容乐观【9 2 l 。 1 2 2 交流传动系统的控制策略 1 2 2 1异步电动机传动系统的控制策赡 异步电动机传动系统的控制策略主要是变压变频控制，具有代表性的有转 速开环恒压频比( 劬产常数) 控制、转差频率控制、磁场定向控制( 矢量控制) 、 直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制及智能控制等。 要使电机的转速得到快速晌应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制 只控制了电机的气隙磁通。而不能调节转矩。性能不高，转差频率控制能够在 一定程度上控制电机的转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态 过程中的转矩。还得不到很理想的动态控制性能1 。 1 9 7 1 年，由德国珏门子公司f b l a s c b k e 提出的矢量控制理论把交流传动 的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本 原理为，以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正 交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方 向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得象直流电 机一样良好的动态特性。 尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著 改善，但也带来一些闻题，就是太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换，并 需准确观测转子磁链。而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦使 转矩的控制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转 子时间常数，它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的 敏感性使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链 被精确知道。也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在1 9 ”。另 外，矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小， 所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果1 9 2 1 。两且，采用普通p i 调 - 4 - 苎二塞笪笙一 塑兰盔笺竖主堂堡堡塞 节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参 数匹配良好的条件下能取得较好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定 性因素的影响，则导致性能变差。 针对矢量控制存在的不足，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年首次 提出异步电机直接转矩控制方法m ”，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。 不同于矢量控制技术，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转 化，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。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进 行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接转矩控制磁场定 向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁 场定向所用的是转子磁链，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易受参数变化影响的问 题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。 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，各国学者在理论探讨和实验研究上都 做了大量的工作，出现了各种各样的控制方案，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。日本采用 近似圆磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究1 9 8 】。从控制效 果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用种非零电压矢量，这相当于六 阶梯形波逆变器供电的情况( 无零矢量作用时) ，转矩脉动、噪声都比较大， 与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆方案则比较接近理想情况，电 机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案有利于减小 功率器件的开关频率，适合于大功率领域应用，而近似圆方案则相反，一般用 于中小功率高性能场合。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，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中，因此研究重点 并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出的无差 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。 直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够 成熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大， 若没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 上述几种控制策略都已经得到应用，然而所有这些控制方法都只是从物理 关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制，没有或较少应用控制理论。从本质上 看，交流电机是一个非线性多变量系统，应用非线性控制理论研究其控制策略， ，更能揭示问题的本质。1 9 8 7 年，m a r i j ai l i c s p o n g 等人首次将基于微分几何的 非线性反馈线性化理论应用于开关磁阻电机控制1 2 2 】，取得了优良性能。同年 k r z e m i n s k iz 在慕尼黑的i f a c 大会上发表了感应电机非线性控制的论文【9 9 】， 从而使非线性反馈线性化理论在交流传动中的应用得到了发展。非线性反馈线 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 性化i 1 0 9 】【”2 】是研究非线性控制系统的一种有效方法，它与传统的线性化方法有 本质的区别。异步电动机的非线性控制是通过非线性状态反馈和非线性变换， 实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强耦合的异步电动机 系统分解为两个独立的线性单变量系统，其中转子磁链子系统由两阶惯性环节 组成，转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组成，两个子系统的调节器 按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标3 h ”。 然而，非线性系统反馈线性化理论是采用坐标变换及状态或输出反馈矫正 非线性系统的动力学特性，如果单纯地对线性化了的系统进行鲁棒控制器设 计，并不一定能得到满意的效果【i ”j 。另一方面，非线性系统反馈线性化的基 础是已知参数的电动机模型和系统动态的精确测量或观测。不幸的是，电动机 在运行过程中参数会发生变化，比如转子发热而导致转子电阻参数变化幅度达 1 0 0 ，而且磁链观测的准确性很难保证，这些都不可避免地影响系统的鲁 棒性。甚至会使系统性能恶化，因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实 用的新型系统。 自适应控制与常规反馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所 不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系 统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变 化影响的有力手段。应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应控制、参 数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制i ”卧f 】。但所有这些方 法都存在的问题是：( 1 ) 数学模型和运算繁琐，使控制系统实现复杂化；( 2 ) 辨识和校正都需要一个过程，对于较慢的参数变化尚可以起到校正作用，如校 正因温度变化而影响的电阻参数变化，但是对于较快的参数变化。如因集肤效 应引起的电阻变化、因饱和作用产生的电感变化等等，就因来不及校正而难以 产生很好的效果。 滑模变结构控制l l o 1 是交结构控制系统的一种控制策略，它与常规控制的 根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。 其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数。有目的地使系统治设计好的“滑 动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关， 因而使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识， 所以很容易实现。在过去l o 多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直 是国内外学者的研究热点l ”l | l ”儿l “】，并且己取得了一些有效的结果。但是滑模 变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是： ( 1 ) 对于实际的滑模变结构控制系统，其控制力总是受到限制的，从而使系 统的加速度有限；( 2 ) 系统的惯性、切换开关的时间空间滞后以及状态检测的 误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较大时，形成“准滑模”等。 所以，在实际系统中抖振必定存在，且无法消除它，这就限制了它的应用a 在交流传动中，依据经典的和各种近代的控制理论提出的控制策略都有一 6 一 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 个共同问题，即控制算法依赖于电动机模型，当模型受到参数变化和扰动作用 的影响时，系统性能将受到影响，如何抑制这种影响直是电工界的一大课题。 上述的自适应控制和滑模变结构控制曾是人们企图用来解决这个课题的良方， 结果发现它们又各有其不足之处。近年来，十分受控制界重视的智能控制，由 于它能摆脱对控制对象模型的依赖，能够在处理有不精确性和不确定性的问题 中获得可处理性、鲁棒性，因而许多学者进行了将智能控制引入交流传动控制 的研究。 智能控制是自动控制学科发展里程中一个崭新的阶段，与传统的经典、现 代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须 基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际 效果进行控制。其次，继承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。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理 和决策的功能。因此，有人将智能控制称为继经典控制和现代控制之后的第三 代自动控制技术。 虽然智能控制的初衷是为了对付那些难以建模的复杂对象，但是由于交流 传动系统相对而言具有较明确的数学模型，所以在交流传动中引入智能控制方 法，并非象许多控制对象那样是出于建模的困难，而是充分利用智能控制非线 性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流传动系统变参数与非线性等不利因 素，从而提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流传动系统应用中较为成熟的， 当首数模糊控制和神经网络控制2 1 ”，而且大多是在模型控制基础上增加一 定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。其中模糊控制是利用模糊 集合来刻画人们日常所使用概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操 作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判 决三部分。早期的模糊控制器只是以取代传统p i d 控制器为目的，鲁棒性虽有 所加强，但一般的模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现 静差”。而增加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数p i d 调节器，可 以实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统的模糊控制器用于高精度电 机传动系统，还不能得到令人十分满意的性能。例如，系统的动态响应轨迹不 能被定量地控制，只能得到模糊控制特性等”。因此，只有与其它控制方法 相结合，模糊控制系统才能取得优良的性能，如b o s eb i m a l k 和s o u s ag i l b e r t o c d 等提出采用模型参考自适应控制技术( m k a c ) 模糊在线调节感应电机的 转差增益，使系统具有高性能特性i ”；w o nc y 和k i md h 等将模糊滑模控 制器( f u z z y s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ) 用于感应电机的位置控制“，使得系统 性能大大优于传统的模糊控制和滑模控制，等等。神经网络控制在交流传动中 的应用主要有下面几个方面：( 1 ) 代替传统的p i d 控制”l l ”l ：( 2 ) 由于实际 的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络用于电机参数的在线辨 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整9 】_ 【”1 】；( 3 ) 感应电机的矢 量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需知道 转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速2 2 】_ 【”4 1 ( 4 ) 结合 模型参考自适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器”。 虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多 问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统的性能( 如稳定性和鲁 棒性) 缺少客观的理论预见性，而且设计一个系统需获取大量数据，设计出的 系统容易产生振荡，所以在交流传动中智能控制只不过是一种方法，并不能成 为理论；另外，交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于d s p 、f p g a 和a s i c 等控制用电子器件的高速化。 1 2 2 2 同步电动机传动系统的控制策略 同步电动机的特点是转速与电源频率严格同步，其转子的转速等于旋转磁 场的转速，转差a w 恒等于零，没有转差功率。因此，改变同步电动机转速的 主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速，从控制方式上又可分为他控式 变频调速和自控式变频调速：“。 同步电动机控制策略是异步电动机控制策略的一种特例，其变压变频的原 理、方法和装置都j 异步电动机的基本相同。它也可以象异步电动机那样采用 开环恒压频比控制，用和异步电动机传动系统一样的独立的变压变频装置供电 ( 为他控式变频调速) 。这种控制方式多用于化纺工业的小容量多电机传动系 统，但存在同步电动机转子振荡和失步的隐患，用途有限。同步电动机矢量控 制系统为自控式变频调速，其性能已达到并超过了直流调速系统的水平，所以 在高性能传动系统中受到普遍应用。 与异步电动机矢量控制相比，同步电动机矢量控制有许多不同2 6 | “”o 】： ( 1 ) 异步电动机矢量控制以转子磁链为基准，对于小容量同步电机矢量控制 传动可采用转予磁链定向，但大中容量的同步电动机矢量控制传动则均采用气 隙磁链定向；( 2 ) 同步电动机的磁链主要靠励磁电流建立和控制，异步电动机 转子电流和磁链靠感应产生，无须外加励磁，省去励磁装置；( 3 ) 同步电动机 定子电流的磁化分量用于控制电动机功率因数及校正磁链的动态偏差，异步电 动机的功率因数由电动机参数和负载情况决定，不能控制，定子电流磁化分量 用于建立和控制电机磁链；( 4 ) 同步电动机d 、q 轴磁路不对称，增加了矢量 控制计算的复杂性。且定向复杂。同步电机矢量控制系统不但比异步电机矢量 控制系统复杂，异步电机矢量控制存在的问题，在同步电机矢量控制中同样存 在，而且气隙磁链定向方式属于静态解耦控制。 针对同步电机矢量控制存在的缺点与不足，近年电工界又进行了广泛深入 的研究，试图将各种控制理论、方法应用于同步电机传动系统，以改善性能。 如，将鲁棒控制、滑模控制、自适应控制、智能控制应用于同步电动机传动系 第一章绪论 浙江大学媾士学位论文 统的速度或位置控制 1 3 1 - 【1 3 6 】，以改善系统对参数变化及各种不确定性干扰的适 应性，使系统在较宽的参数变化范围内及各种不确定性影响情况下仍具有优良 的动、静态性能；将直接转矩控制、非线性控制理论应用于同步电动机传动系 统7 1 i l ”1 【”。i ，利用控制理论或技术本曳具有的优点改善系统性能。但是，目前 对同步电动机控制策略的研究还不如对异步电动机控制的研究那样深入、充 分除传统的矢量控制系统已得到应用外，其它的系统都只是停留在理论探索 或实验阶段，尚未得到应用；而且象异步电动机的各种控制策略一样，现已有 的各种同步电动机传动系统都存在各自的不足，都较复杂。计算量大，其系统 性能很大程度上依赖于d s p 、f p g a 和a s i c 等控制用电子器件的高速化。 1 2 3 交流传动控制策略的研究方向 综上可知，在交流传动的控制中，有许多问题尚需研究，现仅就控制策略 的研究方向列举如下： ( i ) 有较高动态性能、且算法简单的新型控制策略； ( 2 ) 能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的叛型控制策略； ( 3 ) 具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、设计理论； ( 4 ) 高动态性能的无速度传感器控制策略； ( 5 ) 无位置传感器永磁同步电动机的高性能控制策略。 1 3s r d 的发展现状与研究方向 1 3 1s r d 的特点 开关磁阻电机传动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ，简称s r d ) 是近2 0 年兴起的一种高度机电一体化传动系统，它融新型结构电机开关磁阻电机 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ，简称s r m ) 、功率变换器、控制器与位置检测 器为一体。 与其它传动系统相比，s r d 具有如下优点： ( 1 ) s r m 结构简单、坚固、成本低转子无绕组亦无永磁体，具有强的 鲁棒性与可靠性f 1 ) 【2 i ，热耗大部分在定子，易于冷却，最大允许温升高，适于 高速运行。即使在恶劣的环境也能保持高性能。 ( 2 ) 磁阻转矩方向与定予电流方向无关，功率变换器的结构被简化，功 率半导体开关器件的数量被减少，而且相绕组与主开关串联，从结构上排除了 短路故障的可能， ( 3 ) 只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即能方便地实现四象 限运行，控制参数多，控制方式灵活。 - 9 ， 曼二兰二兰型、_ 塑望盔堂堕主堂壁堡塞 ( 4 ) 起动转矩大，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。 ( 5 ) s r d 的主要性能指标可与异步电动机传动系统竞争，特别是转矩 转动惯量比占有较大优势【1 】- 1 ”。 然而，就目前的发展水平而言，s r d 存在着转矩脉动与噪声等缺点，这 严重限制了s r d 的广泛应用。 1 3 2 s r m 的控制模式 s r m 的可控参数为定子绕组电压、开通角与关断角，s r m 的控制就是如 何合理改变这些控制参数以达到运行要求。根据改变控制参数的不同方式，s r m 有三种控制模式，即角度位置控制( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c ) 、电 流斩波控制( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，简称c c c ) 与电压控制( v o l t a g ec o n t r o l ， 简称v c ) 。其中，a p c 是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机 转速，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通 角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很 难得到满意的性能；c c c 一般应用于电