異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況

1、存檔資料 成績：所屬課程名稱 題 目 分 院 專業(yè)班級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2013 年 11 月 11 日 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況早期交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主回路基本上都采用SCR開關(guān)器件，輸出的電壓或電流波形中含有較多的諧波，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大，功率因數(shù)較差。隨后發(fā)展的滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題，同時也基本上具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)也不算太復(fù)雜，己能滿足許多工業(yè)應(yīng)用的要求，具有較廣泛的應(yīng)用價值。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略差一些。原因在于，其控制規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和

2、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，不得不做出較強(qiáng)的假設(shè)，忽略較多的因素，才能得出一個近似的傳遞函數(shù)，這就使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際相差較大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及動態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。1971年，德國學(xué)者F.Blaschke提出了交流電機(jī)的磁場定向矢量控制理論1，標(biāo)志著交流調(diào)速理論的重大突破。1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論一直接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計(jì)算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受電機(jī)參數(shù)影響較大等缺點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模

3、型、控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用電子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變化與電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍以內(nèi)無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。第一節(jié) 傳統(tǒng)的

4、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖：1-1所示。其根據(jù)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號TQ和，以及定子磁鏈所在的扇區(qū)信號sector，從已知的定子電壓開關(guān)信號選擇表中選擇合適開關(guān)狀態(tài)，控制逆變器輸出空間電壓矢量，以維持轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差在滯環(huán)比較器的容差范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制。定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的反饋值，可由磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元觀測得到。之前已經(jīng)介紹了電壓型逆變器和異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，下面再對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的其他組成部分得工作原理進(jìn)行簡要說明。圖1-1 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1.1磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈?zhǔn)遣荒苤苯?/p>

5、檢測的，需要通過定子磁鏈觀測器觀測得到。 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電壓電流定子磁鏈模型，可得定子磁鏈的模型的矢量表達(dá)式：（1-1）圖1-2 定子磁鏈的模型框圖模型框圖如圖1-2所示。該模型結(jié)構(gòu)簡單，受參數(shù)影響小，適用范圍在額定轉(zhuǎn)速30%以上。由于值較大，測量誤差及積分漂移的影響就變得微不足道；采用此模型能比較準(zhǔn)確地觀測出定子磁鏈。但是當(dāng)電機(jī)在低速運(yùn)行時，的值將變得很小，由于定子電阻參數(shù)變化及測量所帶來的誤差會把實(shí)際值淹沒掉，而且積分器漂移的影響也變得嚴(yán)重起來，從而就無法有效使用該模型。因此，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時定子磁鏈的觀測就不能再采用電壓一電流模型了，而是要采用電流轉(zhuǎn)速模

6、型，即根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)速來觀測定子磁鏈。 用定子電流和轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電流轉(zhuǎn)速定子磁鏈模型，在30%額定轉(zhuǎn)速以下時，能準(zhǔn)確比較觀測定子磁鏈。由以上得：（1-2） （1-3）式（1-2）（1-3）組合得到定子磁鏈的模型，模型框圖如圖1-3所示。從式（1-2）（1-3）可以看出，在計(jì)算過程中需要用到的電機(jī)參數(shù)有、和。需要采集的輸入變量為定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。較模型，模型的表達(dá)式較為復(fù)雜，計(jì)算量也相對增加。圖1-3 定子磁鏈的模型框圖計(jì)算定子磁鏈需要的定子兩相電壓和的是根據(jù)逆變器開關(guān)信號、和直流側(cè)電壓的值計(jì)算得到的（1-4）定子兩相電流和通過3/2變換獲得，再根據(jù)三相電流的關(guān)系式進(jìn)行化

7、簡，得到計(jì)算式為：（1-5）定子磁鏈幅值計(jì)算表達(dá)式為（1-6）電磁轉(zhuǎn)矩通過定子電流和定子磁鏈計(jì)算 （1-7）式中為電機(jī)極對數(shù)。1.2磁鏈調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器功能是根據(jù)定子磁鏈幅值實(shí)際值和幅值給定值的偏差確定磁鏈開關(guān)信號。其工作原理是根據(jù)定子電壓和定子磁鏈的矢量表達(dá)式（1-8）由于定子電阻通常很小，在分析時若忽略定子電阻壓降的影響，則有8 （1-9）式（1-9）上式表明定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間為積分關(guān)系，即增量關(guān)系，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓较蚋S電壓空間矢量的變化方向。因此，如要使定子磁鏈軌跡為圖2-4所示的半徑為，容差范圍為的圓形軌跡，磁鏈調(diào)節(jié)器可以采用滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)，滯環(huán)寬度從到，如圖

8、2-5所示。圖1-4 定子磁鏈圓形軌跡其工作過程如下：當(dāng)時，說明定子磁鏈幅值實(shí)際值少于幅值給定值，并且超出了容差上限，滯環(huán)比較器輸出，開關(guān)選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以增大；當(dāng)時，說明定子磁鏈幅值實(shí)際值大于幅值給定值，并且超出了容差下限，此時滯環(huán)比較器輸出，開關(guān)選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以減少；當(dāng)時，定子磁鏈幅值實(shí)際值與幅值給定值之差在容差范圍內(nèi)，此時滯環(huán)比較器輸出保持不變，電壓矢量也保持不變。圖1-5 磁鏈調(diào)節(jié)器1.3開關(guān)選擇單元開關(guān)選擇單元的功能是，綜合磁鏈開關(guān)信號、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ和定子磁鏈扇區(qū)信號，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)優(yōu)先的原則，選擇合適的定子電壓矢量，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的目

9、的。開關(guān)選擇表如表2-1所示表2-1 定子電壓開關(guān)信號選擇表（逆時針旋轉(zhuǎn)）磁鏈信號轉(zhuǎn)矩信號TQ扇區(qū)1扇區(qū)2扇區(qū)3扇區(qū)4扇區(qū)5扇區(qū)6-1-1V2V3V4V5V6V11V7V0V7V0V7V01-1V3V4V5V6V1V21V0V7V0V7V0V7在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)隨現(xiàn)場工況變化的影響在一定范圍內(nèi)變化，且這種變化規(guī)律事先難以獲取，這將導(dǎo)致定子磁鏈觀測器的精度降低。在定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，磁鏈觀測器工作在反饋通道，如果磁鏈觀測器的幅值大于實(shí)際值，將導(dǎo)致電動機(jī)的弱磁運(yùn)行；反之，如果磁鏈觀測器的幅值小于實(shí)際值，將導(dǎo)致電動機(jī)的過勵運(yùn)行。為了彌補(bǔ)電機(jī)參數(shù)變化導(dǎo)致的定子磁

10、鏈和電磁轉(zhuǎn)矩觀測失準(zhǔn)問題，考慮到模型和模型各自的特點(diǎn)，可以采用基于濾波器的定子磁鏈觀測器。高速時定子磁鏈模型觀測精度高；低速時定子磁鏈模型觀測精度相對較高，因此將定子磁鏈模型和模型綜合在一起，即在高速時讓模型起主要作用，通過低通濾波器將模型的觀測值濾除。在低速時讓模型起主要作用，通過高通濾波器將模型的觀測值濾除。并且使這兩個濾波器的轉(zhuǎn)折頻率相同，即可實(shí)現(xiàn)模型之間的平滑過渡?；跒V波器的定子磁鏈觀測器原理框圖如圖3-1所示。定子磁鏈模型的觀測值通過高通濾波器，定子磁鏈模型的觀測值通過低通濾波器，再將這兩個值相加，即為定子磁鏈的觀測值。圖3-1 基于濾波器的定子磁鏈觀測器電機(jī)參數(shù)變化導(dǎo)致定子磁鏈觀

11、測器的精度降低，其、和這三個參數(shù)的變化對定子磁鏈觀測器的影響較大。通過增加低通和高通濾波器，提高了定子磁鏈觀測器的精度。1.4改進(jìn)的磁鏈調(diào)節(jié)器和開關(guān)選擇表電機(jī)低速時，工作電壓矢量作用時間很短，零電壓矢量作用的時間卻很長，定子電阻壓降對時間的積分值較大，其對定子磁鏈的影響也就不能忽略，而導(dǎo)致定子磁鏈軌跡內(nèi)陷非常明顯。因此在原來磁鏈調(diào)節(jié)器兩級容差的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一級容差9，磁鏈開關(guān)信號在“1”和“-1”基礎(chǔ)上再增加“-2”，磁鏈調(diào)節(jié)器如圖3-2所示。并且引入相應(yīng)的定子磁鏈補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償?shù)退贂r定子壓降引起的內(nèi)陷，得到改進(jìn)的定子電壓開關(guān)信號選擇表3-110。圖3-2 增加“-2”級的磁鏈調(diào)節(jié)器表3-1 增

12、加“-2”級的定子電壓開關(guān)信號選擇表磁鏈信號轉(zhuǎn)矩信號TQ扇區(qū)1扇區(qū)2扇區(qū)3扇區(qū)4扇區(qū)5扇區(qū)6-2-1V3V4V5V6V1V21V1V2V3V4V5V6-1-1V2V3V4V5V6V11V7V0V7V0V7V01-1V3V4V5V6V1V21V0V7V0V7V0V7第二節(jié) 直流轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向十幾年來，在國內(nèi)外直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到發(fā)展和完善，特別是隨著各種智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出了許多基于模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTC系統(tǒng)，使得控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高?？刂葡到y(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉(zhuǎn)矩控制中各控

13、制環(huán)節(jié)的研究情況。（1）新型開關(guān)狀態(tài)選擇器的研究用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)時，需要人為設(shè)定觸發(fā)器的容差，而該容差大小與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。為減少人為因素對系統(tǒng)性能的影響，有人提出將各種先進(jìn)的智能控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過應(yīng)用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)11-12，完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，用該選擇器構(gòu)成的系響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗擾動能力強(qiáng)，特別適用于要求快速跟蹤的場合。但是這種方案也存在一統(tǒng)些難于克服的缺點(diǎn)，例如模糊控制算法的應(yīng)用中，由于人為選取的模糊狀態(tài)選擇器中各變量隸屬度具有較大的主觀性

14、和盲目性，一旦選擇不當(dāng)，系統(tǒng)性能的改善就不復(fù)存在，甚至還會變得更差。為了解決這個問題又有學(xué)者提出了采用遺傳算法來學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬度函數(shù)分布13，以達(dá)到進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度與減小轉(zhuǎn)矩諧波和電流諧波的目的，這方面的研究還在繼續(xù)。（2）改善低速性能的研究傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準(zhǔn)確地檢測定子電阻的實(shí)時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設(shè)計(jì)了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻(xiàn)里提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀測器14。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個因素一定子電流、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸

15、出，設(shè)計(jì)了模糊觀測器。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。這種觀測方法能比較準(zhǔn)確地觀測電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。最近又有人提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)定子電阻觀測器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明是可行的，但具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還有待研究完善。（3）轉(zhuǎn)速辨識直接轉(zhuǎn)矩控制本身不需要轉(zhuǎn)速信息，但為了精確地控制轉(zhuǎn)速，還是應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)。以往是安裝轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行速度反饋，不僅增加了成本，而且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)際應(yīng)用時，有些場合根本不能安裝轉(zhuǎn)速傳感器，有時甚至找不到轉(zhuǎn)速反饋的位置。因此，很有必要進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識。有人曾推導(dǎo)出一個簡單的轉(zhuǎn)速估算公式，僅需定子電壓和電流就可計(jì)算轉(zhuǎn)速。但這只適用于中高速以

16、及系統(tǒng)動態(tài)速度性能要求不高的場合?？柭鼮V波用于估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，仍是十分有力的工具。實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速估算值與實(shí)際值非常接近，既使在極低速情況下，估算誤差仍很小，但隨電機(jī)參數(shù)變化而變大，需要考慮溫度對參數(shù)的影響，應(yīng)用受到限制。除此以外，MARS方法也被用于轉(zhuǎn)速估算，但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時，MARS模型輸出變?yōu)榱?，失去對速度的控制，此方法不再適用。鑒于此，有學(xué)者提出了一種用于矢量控制的自適應(yīng)速度辨識方案，它比以往的MRAS方法簡單、穩(wěn)定，獲得了較寬的速度控制效果。利用加載波信號的方法亦可把與電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)的誤差區(qū)分開來，從檢測出的載波信號可算出轉(zhuǎn)子的位置和速度?？傊苯愚D(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

17、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論(以模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主)是人們改進(jìn)DTC系統(tǒng)最主要的理論依據(jù)；高性能的數(shù)字處理器DSP(Digital Signal Processor)和眾多新型的器件的出現(xiàn)，則為改進(jìn)DTC系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，人們對DTC系統(tǒng)的研究往往還是從改善系統(tǒng)某些性能出發(fā)，對所用的理論思想進(jìn)行部分的改進(jìn)。也就是說，整個領(lǐng)域的研究還基本停留在一個局部完善的水平上，而沒有達(dá)到全面提高的層次。由于近期研究成果的大量涌現(xiàn)，人們現(xiàn)在對直接轉(zhuǎn)矩控制的認(rèn)識更加深刻，對各種局部性能的改善也有了更多的選擇方案。因此，追求整體性能最優(yōu)將成為今后直接轉(zhuǎn)矩控制研究的主要方向。通過改進(jìn)系統(tǒng)各組成環(huán)

18、節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)性能，其效果是非常有限的，從軟件方面著手改進(jìn)系統(tǒng)將是今后的大勢所趨，智能控制會發(fā)揮越來越大的作用，成為整個系統(tǒng)的控制核心。近幾年發(fā)展起來的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制結(jié)合起來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制肯定會成為直接轉(zhuǎn)矩控制的重要手段。學(xué)者們一般認(rèn)為傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩個滯環(huán)比較器，通過bang-bang控制實(shí)現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解禍控制，而矢量控制的主要目標(biāo)是采用坐標(biāo)變換方法對定子電流進(jìn)行解禍控制，并間接地實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解禍控制。兩者的主要區(qū)別在于：矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環(huán)，而直接轉(zhuǎn)矩控制沒有。實(shí)際上，目前的直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制正在不斷地融合，取長補(bǔ)短，

19、區(qū)別特征己經(jīng)不太明顯。例如Mario Marchesoni等人所提出的定子磁場定向控制方法中去掉了電流閉環(huán)洲，仍保留著PWM逆變器，但是對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩則采用滯環(huán)控制，這與直接轉(zhuǎn)矩控制十分相似。目的都是實(shí)現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解藕控制，其控制目標(biāo)均是空間矢量，數(shù)學(xué)模型也都是建立在空間矢量的基礎(chǔ)上。兩種方法取長補(bǔ)短相互融合以構(gòu)成更加優(yōu)良的控制系統(tǒng)，也將是未來的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn):1 李夙.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994.2 陳堅(jiān). 交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng). 北京: 國防工業(yè)出版社, 19893 高景德,王祥珩,李發(fā)海. 交流電機(jī)及其系統(tǒng)分析（AC Machine and System Analysis）. 北京:清華大學(xué)出版社,1993.4 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社,19955 李永東. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社,2003,046 D.Casadi, G.Serra and A.Tani. Stator Flux Vector Control for High Performance InductionMotor Drives Using Space Vector Modulation. Electromation,2(2):79 867 肖岸文,佘致廷. 模糊控制技術(shù)在異步電機(jī)直