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存檔資料 成績： 所屬課程名稱 題 目 　 　 　 分 院 　 　　 　 專業(yè)班級 學　 號 　　 學生姓名 　 　 　　　 指導教師 　 2013 年 11 月 11 日 異步電機調速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況 異步電機相對于直流電機在結構簡單、維護容易、對環(huán)境要求低以及節(jié)能和提高生產力等方面具有明顯的優(yōu)勢，使它已經廣泛運用于工農業(yè)生產、交通運輸、國防以及日常生活之中。早期交流調壓調速系統(tǒng)的主回路基本上都采用SCR開關器件，輸出的電壓或電流波形中含有較多的諧波，造成電機轉矩脈動大，功率因數較差。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平滑調速的問題，同時也基本上具備了直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，結構也不算太復雜，己能滿足許多工業(yè)應用的要求，具有較廣泛的應用價值。然而，當生產機械對調速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述系統(tǒng)還是比直流調速系統(tǒng)略差一些。原因在于，其控制規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)推導出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統(tǒng)設計時，不得不做出較強的假設，忽略較多的因素，才能得出一個近似的傳遞函數，這就使得設計結果與實際相差較大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及動態(tài)響應等方面的性能尚不能令人滿意。 1971年，德國學者F.Blaschke提出了交流電機的磁場定向矢量控制理論[1]，標志著交流調速理論的重大突破。1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了一種新型交流調速理論一直接轉矩控制。這種方法結構簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大，控制結構復雜，系統(tǒng)性能受電機參數影響較大等缺點。直接轉矩控制在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機與直流電動機做比較、等效、轉化；既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機的數學模型。直接轉矩控制技術采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電機的轉矩，采用電子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。它省掉了復雜的矢量變化與電動機數學模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，該控制系統(tǒng)的轉矩響應迅速，限制在一拍以內無超調，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調速方法。 第一節(jié) 傳統(tǒng)的直接轉矩控制系統(tǒng)原理 傳統(tǒng)的直接轉矩控制的結構框圖如圖：1-1所示。其根據轉矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器輸出的開關信號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信號選擇表中選擇合適開關狀態(tài)，控制逆變器輸出空間電壓矢量，以維持轉矩和定子磁鏈的偏差在滯環(huán)比較器的容差范圍內，從而實現對轉矩和磁鏈的直接控制。定子磁鏈和電磁轉矩的反饋值，可由磁鏈和轉矩計算單元觀測得到。之前已經介紹了電壓型逆變器和異步電機的數學模型，下面再對傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)的其他組成部分得工作原理進行簡要說明。 圖1-1 傳統(tǒng)的直接轉矩控制系統(tǒng)的結構框圖 1.1 磁鏈和轉矩計算單元 直接轉矩控制中，定子磁鏈是不能直接檢測的，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。該模型結構簡單，受參數影響小，適用范圍在額定轉速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確地觀測出定子磁鏈。但是當電機在低速運行時，的值將變得很小，由于定子電阻參數變化及測量所帶來的誤差會把實際值淹沒掉，而且積分器漂移的影響也變得嚴重起來，從而就無法有效使用該模型。因此，當電機轉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—轉速模型，即根據定子電流和轉速來觀測定子磁鏈。 用定子電流和轉速來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電流—轉速定子磁鏈模型，在30%額定轉速以下時，能準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，在計算過程中需要用到的電機參數有、、和。需要采集的輸入變量為定子電流和電機轉速。較模型，模型的表達式較為復雜，計算量也相對增加。 圖1-3 定子磁鏈的模型框圖 計算定子磁鏈需要的定子兩相電壓和的是根據逆變器開關信號、、和直流側電壓的值計算得到的 （1-4） 定子兩相電流和通過3/2變換獲得，再根據三相電流的關系式進行化簡，得到計算式為： （1-5） 定子磁鏈幅值計算表達式為 （1-6） 電磁轉矩通過定子電流和定子磁鏈計算 （1-7） 式中為電機極對數。 1.2 磁鏈調節(jié)器 磁鏈調節(jié)器功能是根據定子磁鏈幅值實際值和幅值給定值的偏差確定磁鏈開關信號。其工作原理是根據定子電壓和定子磁鏈的矢量表達式 （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系，即增量關系，定子磁鏈矢量的變化方向跟隨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，磁鏈調節(jié)器可以采用滯環(huán)比較器實現，滯環(huán)寬度從到，如圖2-5所示。 圖1-4 定子磁鏈圓形軌跡 其工作過程如下：當時，說明定子磁鏈幅值實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，開關選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以增大；當時，說明定子磁鏈幅值實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，開關選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以減少；當時，定子磁鏈幅值實際值與幅值給定值之差在容差范圍內，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 磁鏈調節(jié)器 1.3 開關選擇單元 開關選擇單元的功能是，綜合磁鏈開關信號、轉矩開關信號TQ和定子磁鏈扇區(qū)信號，再根據轉矩調節(jié)優(yōu)先的原則，選擇合適的定子電壓矢量，以達到控制電機轉矩和磁鏈的目的。開關選擇表如表2-1所示 表2-1 定子電壓開關信號選擇表（逆時針旋轉） 磁鏈信號 轉矩信號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 -1 V2 V3 V4 V5 V6 V1 1 V7 V0 V7 V0 V7 V0 1 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V0 V7 V0 V7 V0 V7 在電機運行過程中，電機參數隨現場工況變化的影響在一定范圍內變化，且這種變化規(guī)律事先難以獲取，這將導致定子磁鏈觀測器的精度降低。在定子磁鏈和電磁轉矩閉環(huán)的異步電機直接轉矩控制系統(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際值，將導致電動機的弱磁運行；反之，如果磁鏈觀測器的幅值小于實際值，將導致電動機的過勵運行。 為了彌補電機參數變化導致的定子磁鏈和電磁轉矩觀測失準問題，考慮到模型和模型各自的特點，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折頻率相同，即可實現模型之間的平滑過渡。 基于濾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 電機參數變化導致定子磁鏈觀測器的精度降低，其、和這三個參數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改進的磁鏈調節(jié)器和開關選擇表 電機低速時，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，而導致定子磁鏈軌跡內陷非常明顯。因此在原來磁鏈調節(jié)器兩級容差的基礎上擴展一級容差[9]，磁鏈開關信號在“1”和“-1”基礎上再增加“-2”，磁鏈調節(jié)器如圖3-2所示。并且引入相應的定子磁鏈補償電壓，補償低速時定子壓降引起的內陷，得到改進的定子電壓開關信號選擇表3-1[10]。 圖3-2 增加“-2”級的磁鏈調節(jié)器 表3-1 增加“-2”級的定子電壓開關信號選擇表 磁鏈信號 轉矩信號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 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V1 V2 V3 V4 V5 V6 -1 -1 V2 V3 V4 V5 V6 V1 1 V7 V0 V7 V0 V7 V0 1 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V0 V7 V0 V7 V0 V7 第二節(jié) 直流轉矩控制的發(fā)展方向 十幾年來，在國內外直接轉矩控制不斷得到發(fā)展和完善，特別是隨著各種智能控制理論的引入，涌現出了許多基于模糊控制和人工神經網絡的DTC系統(tǒng)，使得控制性能得到了進一步的改善和提高。控制系統(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實現的，改善和優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的結構，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矩控制中各控制環(huán)節(jié)的研究情況。 （1）新型開關狀態(tài)選擇器的研究 用施密特觸發(fā)器實現直接轉矩控制的轉矩調節(jié)和磁鏈調節(jié)時，需要人為設定觸發(fā)器的容差，而該容差大小與系統(tǒng)的性能密切相關。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的智能控制理論應用于直接轉矩控制的新方案，通過應用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經網絡等來選擇開關狀態(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，用該選擇器構成的系響應快、超調量小、抗擾動能力強，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，例如模糊控制算法的應用中，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和盲目性，一旦選擇不當，系統(tǒng)性能的改善就不復存在，甚至還會變得更差。為了解決這個問題又有學者提出了采用遺傳算法來學習轉矩誤差的隸屬度函數分布[13]，以達到進一步提高轉矩響應速度與減小轉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，因此如何準確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻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、轉速和運動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設計了模糊觀測器。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網絡來實現定子電阻觀測器，實驗結果也證明是可行的，但具體的網絡結構還有待研究完善。 （3）轉速辨識 直接轉矩控制本身不需要轉速信息，但為了精確地控制轉速，還是應該進行轉速閉環(huán)。以往是安裝轉速傳感器進行速度反饋，不僅增加了成本，而且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實際應用時，有些場合根本不能安裝轉速傳感器，有時甚至找不到轉速反饋的位置。因此，很有必要進行轉速辨識。有人曾推導出一個簡單的轉速估算公式，僅需定子電壓和電流就可計算轉速。但這只適用于中高速以及系統(tǒng)動態(tài)速度性能要求不高的場合。卡爾曼濾波用于估算電機轉速，仍是十分有力的工具。實驗表明，轉速估算值與實際值非常接近，既使在極低速情況下，估算誤差仍很小，但隨電機參數變化而變大，需要考慮溫度對參數的影響，應用受到限制。除此以外，MARS方法也被用于轉速估算，但當轉速很低時，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，有學者提出了一種用于矢量控制的自適應速度辨識方案，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參數不準的誤差區(qū)分開來，從檢測出的載波信號可算出轉子的位置和速度。 總之，直接轉矩控制的發(fā)展得益于現代科學技術的進步?，F代控制理論和智能控制理論(以模糊控制和人工神經網絡為主)是人們改進DTC系統(tǒng)最主要的理論依據；高性能的數字處理器DSP(Digital Signal Processor)和眾多新型的器件的出現，則為改進DTC系統(tǒng)提供了強大的物質基礎。現在，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行部分的改進。也就是說，整個領域的研究還基本停留在一個局部完善的水平上，而沒有達到全面提高的層次。 由于近期研究成果的大量涌現，人們現在對直接轉矩控制的認識更加深刻，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)將成為今后直接轉矩控制研究的主要方向。通過改進系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的內部結構來提高系統(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)展起來的將神經網絡和模糊控制結合起來的神經網絡或神經網絡模糊控制肯定會成為直接轉矩控制的重要手段。學者們一般認為傳統(tǒng)的直接轉矩控制采用兩個滯環(huán)比較器，通過bang-bang控制實現對磁鏈和轉矩的解禍控制，而矢量控制的主要目標是采用坐標變換方法對定子電流進行解禍控制，并間接地實現對轉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)，而直接轉矩控制沒有。實際上，目前的直接轉矩控制和矢量控制正在不斷地融合，取長補短，區(qū)別特征己經不太明顯。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矩則采用滯環(huán)控制，這與直接轉矩控制十分相似。目的都是實現對磁鏈和轉矩的解藕控制，其控制目標均是空間矢量，數學模型也都是建立在空間矢量的基礎上。兩種方法取長補短相互融合以構成更加優(yōu)良的控制系統(tǒng)，也將是未來的發(fā)展方向。 參考文獻: [1] 李夙.異步電動機直接轉矩控制. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1994. 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