【正文】 。智能控制被認(rèn)為是自動控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能理論的綜合，是主要根據(jù)人工智能理論更加精確的模擬電機(jī)的非線性性，以此確定智能控制輸出模型的輸出量大小，進(jìn)而確定功率控制器開關(guān)模式。得到實際應(yīng)用的智能控制有專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這將是電機(jī)控制的發(fā)展方向[6] [7]。2 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動機(jī)相比有著根本的的區(qū)別。異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。其原因有：第一，異步電動機(jī)定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，再加上機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，它至少也是一個七階的系統(tǒng)；第二，在異步電動機(jī)中，磁通乘以電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘以磁通得到旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動勢。由于這些因素都是同時變化的，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個變量的乘積項，這樣一來，即使不考慮磁路飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的；第三，異步電動機(jī)只有一個三相電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時進(jìn)行的，為了獲得良好的動態(tài)性能，還希望對磁通施加某種控制，使它在動態(tài)過程中盡量保持恒定，才能發(fā)揮出較大的轉(zhuǎn)矩[8]。在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用的數(shù)學(xué)模型都是基于理想的電機(jī)模型。該模型對異步電機(jī)作如下的幾個基本假設(shè)： ，不計磁飽和的影響。 ，在空間上互差120度，不計邊緣效應(yīng)。 ，無齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁勢在空間上呈正弦分布。 、渦流及鐵芯損耗均忽略不計。圖 1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下異步電動機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的多變量數(shù)學(xué)模型電壓方程定子三相繞組的電壓平衡方程為： 21轉(zhuǎn)子三相繞組折算到定子側(cè)的電壓平衡方程為： 22把上面兩個式子寫成矩陣形式，并用p代替微分算子得到： 23向量表示為：式中為三相定子電壓；為三相轉(zhuǎn)子電壓；為三相定子電流；為三相轉(zhuǎn)子電流；分別為定轉(zhuǎn)子電阻；為三相定子磁鏈；為三相轉(zhuǎn)子磁鏈。磁鏈方程每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満团c六個繞組的磁鏈方程可以矩陣表達(dá)式為： 24向量表示為：上式中L是66電感矩陣，現(xiàn)對矩陣元素分析如下：對角線元素為各繞組的自感；與電機(jī)繞組相交鏈的磁通有兩類：一類是只與某一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通；另一類是穿過氣隙的主磁通。設(shè)為兩相繞組平行時的互感，繞組漏感為。由于定轉(zhuǎn)子折算后繞組匝數(shù)相等，認(rèn)為，則：定子三相繞組的自感；轉(zhuǎn)子三相繞組的自感；（2）非對角線元素為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感和定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。定子繞組位置固定相差120176。，所以定子繞組之間的互感為： 25同理三相轉(zhuǎn)子繞組之間互感為： 26定子和轉(zhuǎn)子繞組之間互感由于定轉(zhuǎn)子繞組之間的夾角是變化的，所以該互感參數(shù)是角位移的函數(shù)。定轉(zhuǎn)子之間的互感表達(dá)式為： 27由以上的討論將式（25）寫成分塊矩陣為：其中：系數(shù)矩陣L中為對稱常數(shù)矩陣；但是之間的關(guān)系為：是三角函數(shù)矩陣，比較復(fù)雜，但是和互為轉(zhuǎn)置關(guān)系，這是值得利用的特點。系統(tǒng)的強(qiáng)耦合非線性特性就是由余弦函數(shù)矩陣表達(dá)出來的。這就是異步電機(jī)控制非線性的根源所在。將式（24）代入到式（23）中并展開成得到向量形式為： 28因為L陣是角位移的函數(shù)，故上式可進(jìn)一步寫成： 29式中，為電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度（用電角度表示）。3．運(yùn)動方程電動機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程為： 210式中，為電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量；為電機(jī)極對數(shù)。4．轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中，在線性電感的條件下，磁場的儲能和磁共能為： 211而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時磁共能的變化率（電流不變），且機(jī)械角位移，則：將和代入上式并整理得： 212從以上的推導(dǎo)得出三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，由式（28）、（29）、（210）組成。 213由式(213)可知異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，本質(zhì)上因為異步電動機(jī)是高階、非線性、多變量和強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，我們希望通過坐標(biāo)變換使之簡化。式（213)的異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止A、B、C坐標(biāo)系上的，現(xiàn)在把它變換到任意二相旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系上，比原來的模型簡單。圖 2 異步電機(jī)坐標(biāo)模型該電機(jī)模型已經(jīng)由實踐所證實，圖2顯示了它的坐標(biāo)模型。其中A、B、C為三相定子繞組軸線，d、q為等效兩相電機(jī)模型軸線。由此物理模型，可推導(dǎo)得到任意速度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機(jī)的狀態(tài)方程為：電壓方程式(214): 214磁鏈方程式(215)： 215電磁轉(zhuǎn)矩方程式(216)： 216機(jī)電運(yùn)動方程式(217) 217將式（215）代入（214）式中，得： 218式中 d、q系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度當(dāng)時為同步旋轉(zhuǎn)d、q系統(tǒng)；當(dāng)時為定子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度 同步旋轉(zhuǎn)角速度，即定子角頻率 轉(zhuǎn)差角速度 定子電阻 定子電感 轉(zhuǎn)子電阻 轉(zhuǎn)子電感 極對數(shù) 定轉(zhuǎn)子互感 轉(zhuǎn)動慣量 電磁轉(zhuǎn)矩 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 微分算子下標(biāo)s、r分別表示定子、轉(zhuǎn)子側(cè)的物理量。從電機(jī)統(tǒng)一理論可知，在靜止坐標(biāo)系上的異步電動機(jī)的等值電路如圖3所示。圖 3 異步電機(jī)空間矢量等效電路對于鼠籠式異步電機(jī)而言，Ur=0，為了方便下面對直接轉(zhuǎn)矩控制的理論分析，現(xiàn)將αβ定子坐標(biāo)系下的鼠籠式異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型改用復(fù)數(shù)空間向量的形式表示如下[9]： 219 220 221 222 電壓空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制一般采用三相二點式電壓逆變器供電，如圖4用表示上橋臂3個功率器件的開關(guān)狀態(tài)，=1表示A橋臂上邊閉合，下邊斷開, =O則相反。表示法與相似。因在任意時刻同一橋臂只能有一個開關(guān)元件導(dǎo)通，這就決定A、B、C三相共有8個開關(guān)狀態(tài)，分別對應(yīng)8個電壓空間矢量。，其中6個非零電壓矢量，和兩個零電壓矢量。8個電壓矢量在復(fù)平面的空間分布如圖5所示。利用電壓逆變器的開關(guān)特點，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時按要求快速變化[10]。圖 4 電壓型逆變器理想模型圖 5 電壓空間矢量表示法3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和計算方法己經(jīng)確定，這些方法將在以TI公司的DSP(TMS320F2407A)為主體構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。所有控制算法的實現(xiàn)和實用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)?；贒SP的無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示[11]。圖 6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路的設(shè)計直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路采用交一直一交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、限流電路、濾波電路、能耗制動電路和逆變電路這幾個部分組成的[12]。本系統(tǒng)設(shè)計的主電路如圖7：圖 7 主電路整流及濾波電路整流電路的任務(wù)是把三相交流電變換成直流電。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。中間電容C的作用主要有兩點：（1） 消除二極管整流器的輸出電壓的波紋，盡量保持直流電壓的輸出的恒定波形；（2）電機(jī)屬于感性負(fù)載，故中間直流環(huán)節(jié)總和電機(jī)之間存在能量轉(zhuǎn)換，而逆變器的電力電子器件無法儲能，因此電容的另一個作用就是作為儲能元件實現(xiàn)能量的緩沖。限流電路及安全保護(hù)電路當(dāng)變頻器通電時瞬時沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件并減小通電瞬間電路對電網(wǎng)的沖擊，在電路中加入了限流電阻，通過限流電阻（即圖中的充電電阻）減小通電瞬間電流對元件的沖擊，并通過延時控制，在通電一段時間后觸發(fā)繼電器，切除限流電阻，這樣既不影響電路正常工作時的電路整體性能，又可提高電路的啟動瞬時性能。當(dāng)電路不工作時由于電容C上有大量的電荷所以電容上的電壓很高，對人的安全造成一定的威脅，所以在電路不工作的時候?qū)⒎烹婋娮杞尤腚娐分信浜侠^電器對電容C進(jìn)行放電[13]。能耗制動電路當(dāng)能耗制動時，電動機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會有短時間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過高的直流電壓將會使各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓達(dá)到的一定值，就要求提供一條放電回路——即能耗制動電路，將再生的電能消耗掉。逆變電路。逆變電路的功能是在驅(qū)動信號的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動電路組成。功率器件用于逆變器的常見功率器件有如下幾種：（1） 大功率晶體管（BJT或GTR）電流控制型器件，優(yōu)點是擊穿電壓和集電極最大飽和電流都較大，缺點是開關(guān)頻率較低，最高為2KHz左右。因而以BJT為逆變器件的載波頻率也較低，電動機(jī)有較大的電磁噪聲。另外控制電路的驅(qū)動功率也較大[14]。（2） 功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級與源級間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答20KHz以上。因此，以MOSFET為逆變器件的變頻器載波頻率也較高，電動機(jī)基本無電磁噪聲。此外，控制電路所需的驅(qū)動功率極小。但迄今為止，其擊穿電壓和漏極最大飽和電流都較小，難以滿足多數(shù)變頻器的要求。（3） 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT是MOSFET和BJT結(jié)合的產(chǎn)物，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動部分卻和場效應(yīng)管相同。電壓控制型功率器件。主要優(yōu)點是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。由IGBT模塊作為逆變器的變頻器容量已達(dá)250KVA以上。而且開關(guān)頻率也可達(dá)20KHz，電機(jī)的電流波形比價平滑，基本無電磁噪聲。目前絕大部分中、小容量變頻器的逆變模塊都在用IGBT管。其驅(qū)動電路也都已模塊化[15]。（4） 智能功率模塊（IPM）智能功率模塊是把與逆變管配套的驅(qū)動電路、檢測電路與保護(hù)電路以及某些接口電路等和功率模塊集成到一起的集成功率模塊。本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用IGBT作為逆變元件。IGBT的等效電路及開關(guān)特性見圖8。圖8 IGBT等效電路及開關(guān)特性[16]驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用是：（1） 實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；（2）