【正文】 鏈向量去追蹤準(zhǔn)確的磁場(chǎng)圓。 5 本文主要對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制這一課題進(jìn)行研究。第二章主要介紹當(dāng)今交流伺服系統(tǒng)的控制策略，直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和發(fā)展趨勢(shì)。第三章對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，分類，及它在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹。第四章主要講述了直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步電機(jī)上的引用，列出了雙滯環(huán)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)重要的構(gòu)成部分進(jìn)行了說明。第五章介紹了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真環(huán)境，仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。第六章為結(jié)論章節(jié)，對(duì)前面五章的內(nèi)容，特別是仿真結(jié)果進(jìn)行歸納 ，最后的得出本文的結(jié)論。 6 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制概述 上文已經(jīng)提及到由于科技的革新和技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機(jī)應(yīng)用日漸廣泛，所以對(duì)交流伺服電機(jī)控制策略的研究的重要性也不斷提高。交流伺服電機(jī)的控制策略大概可以分為以下幾類： 一、基于穩(wěn)態(tài)的控制策略 其中較有代表性的就是恒壓頻比控制。它忽略了控制變量的相位，只關(guān)注其的幅值，而且其反饋量和輸入量之間的比值為直流量，所以它的本質(zhì)是一種標(biāo)量控制方法。它具有操作簡(jiǎn)易，投入成本低， 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在動(dòng)態(tài)性能差，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)低，參數(shù)設(shè)計(jì)難，沒有解決非線性、多變量的問題等缺點(diǎn)。因此，不能用在高精度要求的場(chǎng)合上，也就是說只能用于如風(fēng)機(jī)、泵機(jī)這一類對(duì)控制精度要求不高的電機(jī)上。 二、基于動(dòng)態(tài)的控制策略 矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行解耦，分別對(duì)電機(jī)的磁鏈和電流進(jìn)行獨(dú)立的控制。具體實(shí)現(xiàn)方式是把轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作為參考系，將定子電流分解成兩個(gè)分量，一個(gè)是與轉(zhuǎn)子同向的分量，即直軸分量；一個(gè)是與轉(zhuǎn)子正交的分量，即交軸分量。這樣就消除了轉(zhuǎn)子和定子之間的互感的影響， 成功解耦。然后分別獨(dú)立對(duì)兩個(gè)分量進(jìn)行控制，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。究其實(shí)質(zhì)，就是將復(fù)雜的交流電機(jī)控制，通過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變成直流電機(jī)的控制。但是，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這種控制方法，就必須在系統(tǒng)中增設(shè)位置傳感器，觀測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置。這樣就是的成本增加，而且加大了操作難度。另一方面，由于坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換，增加了大量的運(yùn)算，降低了效率，帶來了諸多不便。 直接轉(zhuǎn)矩控制 （ direct torque control，簡(jiǎn)稱 DTC），１９８５年，德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock 教授和日本的 Takahashi 教授提出了直接轉(zhuǎn)矩控制這一控制 策略。這一控制策略并沒有繼承前人提出的矢量控制策略的解耦思想，而是另辟蹊徑，把轉(zhuǎn)矩作為被控量，直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。有關(guān)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理下文有詳細(xì)的介紹，在這里暫且不說。 反饋線性控制，反饋線性控制主要分為兩類，第一類是微分幾何反饋線性控制；第二類是動(dòng)態(tài)逆控制，又稱直接反饋線性控制。這兩種方法都是針對(duì)解決非線性問題而提出的。微分幾何反饋線性法因?yàn)橐獙栴}轉(zhuǎn)換到幾何域里，比較抽象，在實(shí)際應(yīng)用中不如物理概念清晰的動(dòng)態(tài)逆控制法。 自適應(yīng)控制，自適應(yīng)控制能根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況不斷提取實(shí)時(shí)參數(shù)，然后根據(jù)新的參數(shù)合理地修 改控制策略。這樣，有利于加強(qiáng)動(dòng)態(tài)性能。自適應(yīng)控制主要包括模型自適應(yīng)、參數(shù)自適應(yīng)和非線性自適應(yīng)。這種控制方式的不足在于當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)變化太快的時(shí)候，無(wú)法很好地跟蹤其參數(shù)，提取的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差較大，導(dǎo)致修改后的控制策略不合理。 7 另一方面，由于電機(jī)模型的復(fù)雜性，導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，降低了控制的效率。但這一不足隨著微處理器的不斷更新?lián)Q代，得以克服。 三、不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的控制策略 模糊控制，模糊控制是利用模糊集合制造出模糊性和不確定性，從而模仿在實(shí)際控制過程中的人手操作。模糊控制主要包括三部分，分別是精確量的 模糊化，模糊推理和模糊判斷。早期的模糊控制沒有加入積分環(huán)節(jié)，雖然控制的魯棒性有所加強(qiáng)，但同時(shí)在帶負(fù)載時(shí)出現(xiàn)了較大的靜態(tài)誤差。經(jīng)改進(jìn)后，如今的模糊控制已經(jīng)有了積分效應(yīng)，能做到無(wú)靜態(tài)誤差控制。但是，如果單靠模糊控制，特別是在控制精度要求高的場(chǎng)合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制一般與其他的控制策略相配合使用。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是 20 世紀(jì) 80 年代末發(fā)展起來的高新控制策略，它是智能控制的一個(gè)分支。它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和自動(dòng)控制理論結(jié)合起來的產(chǎn)物。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像人一樣，擁有學(xué)習(xí)和記憶能力。在電機(jī)的控制上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的主要任務(wù)是觀測(cè)估算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)速，并作出自適應(yīng)調(diào)整。但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種比較新的控制策略，所以技術(shù)還不是很成熟，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致估算值出現(xiàn)很大的誤差或者系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制策略后又一應(yīng)用廣泛的控制策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機(jī)，而是通過直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。它并沒有像矢量控制一樣，用轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考系，而是把定子磁鏈作為參考系，這樣就使磁鏈僅僅由定子電阻確定，大大弱化了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)對(duì)控制策略的影響。確定了參考系后，只需測(cè)定定子的電壓和電流，就能通過空間矢量理論去計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩以及定子磁鏈。通過給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩以及給定的定子磁鏈和實(shí)際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶窟M(jìn)行控制。 直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾方面： 一、直接轉(zhuǎn)矩控制直接以定子磁鏈為參考系。只需要在此參考系中對(duì)電機(jī)的各個(gè)變量進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，既沒有像矢量控制一樣，需要一系列繁瑣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也沒有了旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)各個(gè)變量的影響，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算量和信號(hào)的處理難度。而且另觀測(cè)者更直觀地了解到電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 二、直接轉(zhuǎn)控制只需要對(duì)定子電阻進(jìn)行觀測(cè)就能得到定子磁鏈，從而估算到磁通。和矢量控制要通過觀測(cè)轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感相比，大大減弱了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。因此直接轉(zhuǎn)矩控制擁有較強(qiáng)抗干擾能力。 三、由于直接轉(zhuǎn)矩控制是通過給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，得到誤差，經(jīng)過滯環(huán)比較器，然后選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶咳フ{(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，它的控制效果是由實(shí)際的轉(zhuǎn)矩情況決定的，這使它得到較迅速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 8 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向 直接轉(zhuǎn)矩控制也并不是十全十美的控制策略，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制同樣存在著缺點(diǎn)。它要將 給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實(shí)際定子磁鏈的誤差輸入到滯環(huán)比較器中。由于滯環(huán)比較器存在一個(gè)閥值，而且電壓逆變器只有八種狀態(tài)可選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)矩或者定子磁鏈從一個(gè)很小的值變化到另一個(gè)很小的值，即電機(jī)運(yùn)行在低速狀態(tài)，如在啟動(dòng)階段時(shí)，電壓逆變開關(guān)沒來得及改變，導(dǎo)致電壓矢量繼續(xù)作用，直至給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實(shí)際定子磁鏈的誤差達(dá)到滯環(huán)比較器的閥值，電壓逆變器才開始改變狀態(tài)，終止電壓矢量的作用。因此，在此過程中，會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈產(chǎn)生較大的波動(dòng)。 為了解決傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)性能不足這個(gè)缺點(diǎn)，目前專家提出了幾種解決方法。這就確定了直接轉(zhuǎn)矩控制在今后的發(fā)展方向。 一、對(duì)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的空間電壓矢量開關(guān)表進(jìn)行改進(jìn)。以永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制為例，可以在原有的開關(guān)表的基礎(chǔ)上加上兩個(gè)零矢量，即 000 和 111，把開關(guān)表從 4 行擴(kuò)充到 6 行。插入了零矢量后，有效地把轉(zhuǎn)矩的變化維持在一定的范圍內(nèi)。這樣，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率和電壓逆變器的開關(guān)次數(shù)就相應(yīng)減少了。此外，有專家提出了把空間電壓矢量細(xì)分的方法。把原來的 6 等份擴(kuò)大到 12 等份或者 24 等份，從而減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。但是這兩種方案還是 存在不足，插入零矢量雖然能有效把轉(zhuǎn)矩維持在一定范圍內(nèi)，卻同時(shí)使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)變慢了。這樣一來就失去了直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)。細(xì)分電壓矢量法雖然能有效抑制轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，但其效果與細(xì)分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加運(yùn)算量。 2)用空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法去代替空間電壓矢量開關(guān)表，從而得到恒定的開關(guān)頻率。以定子的磁鏈為參考系，把檢測(cè)到的定子電壓和定子電流進(jìn)行 3/2 變換。把變換后的定子電流和定子電壓通過全速度磁鏈模型去計(jì)算，從而得到定子磁鏈值Ψ s 、電磁轉(zhuǎn)矩值與磁鏈位置角。給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差不 再經(jīng)過滯環(huán)比較器，而是經(jīng) PI 調(diào)節(jié)后得到磁鏈增量角。然后通過對(duì)參考電壓的預(yù)測(cè)計(jì)算可以得出期望的參考電壓矢量，再經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制得到所需要的開關(guān)控制信號(hào)。 3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像人一樣有這很強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)能力。但它不能處理已有的有規(guī)則的知識(shí)，所以在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，不能運(yùn)用已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，只能重新給他一個(gè)初始值，這樣就使訓(xùn)練時(shí)間大大增加，效率很低。模糊控制，主要在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，模糊調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差以及誤差的變化率。但這種方法要經(jīng)過模 糊推理和模糊判斷，大幅增加了計(jì)算的復(fù)雜程度，所以目前還得不到廣泛的應(yīng)用。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié) 9 合，把模糊集合所定義的模糊概念應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和計(jì)算之上，這樣就能在普通的