交流电机控制技术作图题交流电机控制技术的发展与展望

交流电机控制技术作图题交流电机控制技术的发展与展望 引言 与直流电机相比，交流电动机是多变量，强耦和的非线形系统，要实现良好的转矩控制非常困难。20世纪70年代德国工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。1985年，德国的Depenbrock教授提出了异步电动机直接转矩控制方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现。 矢量控制技术的现状与展望 矢量控制新技术 磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。 参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。 非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。 矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。 矢量控制技术的发展 矢量采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。 直接转矩控制技术的现状与展望 直接转矩控制新技术 直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。 转矩(磁链)跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制，控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。 直接解耦控制(DDe)有两种方法，一种是预测直接解耦控制(P-DDC)，另一种是使用PI调节器的直接解耦控制(PI-DDC)。PI-DDC控制方法具有很好的动、静态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下，转矩脉动也非常小。 PI调节器控制是使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其中磁链调节器AR和转矩调节器ATR都使用PI调节器，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量，提高控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。 间接转矩控制是通过计算相邻控制周期的磁链增量来决定定子电压空间矢量，并且在保证磁链轨迹为圆形的条件下，对电磁转矩进行控制。 直接转矩控制的发展方向 随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制(SVPWM)和软关断技术又是重点。二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高，这是直接转矩控制的未来。 先进控制理论在电机控制中的应用 模糊控制和神经网络控制 模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。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辨识中的应用；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等。 神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性系网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。 鲁棒控制和自抗扰控制器 鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。算法不需要精确的过程模型，但需要离线辨识。近年来，在多电机协调控制中有重要的应用。 自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷，抵消和估计出异步电动机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中，同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用，使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响，主要用于异步电动机的非线性控制。 复合控制 也可以将上述几种控制方法组合起来使用，如神经网络与内模复合控制；模糊与变结构控制，在滑模变结构控制系统中用模糊控制取代Bang-Bang控制；滑模、模糊、神经网络的复合控制；自调整模糊滑模变结构控制和自适应模糊神经网路滑模变结构控制等。 电机控制相关技术的发展 电机控制器电路集成化 目前用于电机控制的集成电路可分为三大类：电机控制专用集成电路(ASIC)、专门为电机控制设计的MCU和DSP。电路集成有两个途径，一是将电动机控制器和中等电流功率MOSFET集成在一个芯片上。二是将硬件和程序基础结构放在一个模块里，如数字式智能电机控制模块，它集单片机数字化控制、键盘操作、LED显示电路于一身，通过设定可实现垒压起动、软起动、斜坡起动、阶跃起动，限流起动、限压起动、节能运行并可实现软停车。另外，把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力集中于一块芯片上，能解决大多数工程问题。对于少数需要大量并行处理的电机控制，可以采用专用的控制芯片，如FPGA或ASIC芯片。 电机控制微控制器的应用 MCU侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，应用于一些精度要求不高的电机控制系统中。 世界上著名的集成电路芯片制造商均推出各自的产品。如，最近ZiLOG公司推出了Z8Encore!MC(FMCl6100系列)，据称是首例支持矢量控制性能的8位MCU，它将高速CPU(高达10MIPS)、高速ADC，集成运算放大器和优化的C言编译程序结合起来，提供与DSP矢量控制同样的功能。又如，Infineon公司推出了8位XC886和XC 888产品家族，可实现磁场定向控制。再如，Microchip公司推出的8位picl8fxx31系列，适合低成本的先进无刷直流和交流感应电机电机控制应用， 16位dspic30fdsc电机控制和功率转换系列，适用于精度更高、运行速度更快或无传感器控制的电机控制应用；picl6f7x78位单片机系列，适合对感应电机进行高效控制。 数字信号处理器(DSP)的应用 DSP芯片内部集成了模数转换、数字输入输出、串口通信，电机控制PWM信号输出等接口，因此使得电机控制系统硬件设计更加灵活、简易。DSP的特长在于高速运算，侧重于运算速度，DSP一般用于高档工业电动机控制中，如伺服电动机控制。近年来，随着DSP价格的降低，逐渐用DSP代替MCU实现电动机控制。 TI、ADI、Freescale三家公司都生产满足电机控制要求的DSP。TI公司的相关产品为TMS320C2000系列，ADI公司的相关产品为ADMC系列，Freescale公司的相关产品为DSP56800系列，各系列产品中功能最强的DSP分别是TMS320LF2407A，ADMC401和DSP56FS07，三种产品性能比较。 未来，具有更高速、方便的周边功能模块的电机专用DSP是电机控制微处理器的方向。直接集成FPGA、CPLD等大规模逻辑器件，将两者的优势相结合，设计混合式CPU/DSP也是发展方向之一。更高效的支持C/C+等高级语言编程，采用更强大的集成调试环境，从硬件上更好地支持实时在线调试，实时操作系统在控制系统软件中的应用是软件方面的发展方向。 计算机辅助设计与仿真 计算机技术的发展为电机控制系统的设计了便利条件，如用MATLAB中的real-time workshop，可将Simulink生成的控制系统转化为C语言文件，将其编译成可执行文件后，在独立的机器上运行，通过接口卡，将计算机的信号输出到合适的控制系统的执行部分，即可实现在线仿真。 如建立异步电动机直接转矩控制的MATLAB/Simulink仿真系统，并进行仿真，同时对仿真结果进行分析。又如，在MATLAB/Simulink环境下对所建立的交流异步电机转差型矢量控制系统采用变步长方法进行仿真等。 采用具有很强运算能力的数学软件Mathematica，也可以对控制系统的控制理论进行仿真设计。还有利用Orcad、Pspice模拟电路仿真软件，可以对控制系统的主电路和执行元件进行仿真。目前在将不同的仿真软件结合起来的方面也有研究，例如将MATLAB的系统功能与Pspic