【文章內(nèi)容簡介】 校正其自身的設(shè)計參數(shù)以保證控制系統(tǒng)的性能不變。與傳統(tǒng)的反饋控制器相比，自適應(yīng)控制器包含一個自適應(yīng)機構(gòu)。這個反饋回路根據(jù)給定的期望值與實際值之間的偏差，修正控制器參數(shù)或產(chǎn)生附加控制信號，保證系統(tǒng)性能。自適應(yīng)控制這種特點在磁場定向解耦控制中的應(yīng)用比較廣泛，通過自適應(yīng)控制或校正技術(shù)將能夠正確決定磁場的位 置和大小，保證磁場與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。此外自適應(yīng)控制在電機轉(zhuǎn)速估計中也有廣泛的應(yīng)用。 滑模變結(jié)構(gòu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個新的研究方向?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的思想是設(shè)計一個合適的滑動面，使其狀態(tài)收斂在上面，它的主要特點是降低階次、實現(xiàn)解耦、抑制干擾和對參數(shù)變化不敏感 [10]。因此，將滑模變結(jié)構(gòu) 控制引入到直接轉(zhuǎn)矩控制中，可以降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動、改善低速性能。 智能控制是 現(xiàn)在控制理論發(fā)展過程中 的一個嶄新階段。它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架 ,不依賴或不完全賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型 ,只按實際效果進行控制； 繼承了人腦的非線性思維，能夠根據(jù)當前狀態(tài)用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能；針對復(fù)雜系統(tǒng)具有分層信息處理和決策的功能。在直接轉(zhuǎn)矩控制中 ,應(yīng)用較多的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊控制技術(shù) ,主要作為控制器和觀測器使用。文獻 [19]和文獻 [20]應(yīng)用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)消 除 了觸發(fā)器的容差影響，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗擾動能力強的特點。但是這種方案也存在一些難于克服的缺點，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和盲目性，一旦選擇不當，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 ， 文獻 [21]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，以達到進一步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度與減小轉(zhuǎn)矩脈動的目的。文獻 [22]提出了一種基于模糊控制的在線定子電阻觀測器。 本論文的研究內(nèi)容 本文作者在了解國內(nèi)外異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究狀況的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的不足，針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了仿真和實驗研究，采取了一些改進傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的措施，主要工作如下： 對于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器輸出電壓矢量單一、開關(guān)器件利用率低和開關(guān)頻率不固定等問題，研究了空 間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) ，并和 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng) 做了 仿真比較。 針對定子磁鏈電壓模型中純積分環(huán)節(jié)的局限性， 研究了三種改進的 磁鏈觀測 方法。第一種改進方法采用具有飽和反饋的積分器，該算法可以 消除直流偏移問題，但是卻帶來了幅值和相位的誤差。第二種改進方法通過引入定子磁鏈幅值補償環(huán)節(jié)，減小了由第一種改進方法所產(chǎn)生的誤差。第三種是在第二種方法的幅值補償環(huán)節(jié)中采用了自適應(yīng)控制，該方法增強了磁鏈對定子電阻的魯棒性，提高了磁鏈觀測的精度。 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈和轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)控制，低速時轉(zhuǎn)矩脈動較大。無差拍控制 可以克服滯環(huán)控制的不足，其主要思想是在一個采樣周期內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差 和 空間電壓矢量之間的關(guān)系組成方程組，通過解方程組就可以求出下一個采樣周期使轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量， 從而達到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制 [23]。但是已有的無差拍控制方法需要求解二次方程，算法難度較大。為此，研究了一種新的無差拍控制方法，在定子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下分析和計算電壓矢量，通過定子磁鏈和電流的坐標變換求出所需的電壓矢量。 對新的無差拍控制系統(tǒng)進行了理論分析，研究了電機參數(shù)變化和定子電流干擾對其影響。通過配置磁鏈觀 測模型，采 用匯編語言在 DSP 實驗平臺上對其 正確性進行了 初步的實驗驗證 。 無速度傳感器技術(shù)可以有效地降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)的 可靠 性 。 本文應(yīng)用 擴展卡爾曼濾波 算法對電機 轉(zhuǎn)速 進行了 估計，仿真 結(jié)果表明，采用 擴展卡爾曼濾波 算法 能夠在較低的轉(zhuǎn)速下獲得 較好 的估計效果，同時對于定子電流還有 一定 的適應(yīng)能力。 ２ 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 （ DTC， Direct Torque Control） 是在 20 世紀 80 年代中期繼矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) [3]。直接轉(zhuǎn)矩控制 避免了矢量控制中復(fù)雜的坐標變 換，去掉了 PWM 脈寬調(diào)制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并利用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，是基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的滑差控制 [24]。這種經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有如下特點 [23]: （ 1）簡單明了的控制結(jié)構(gòu)； （ 2）優(yōu)良的動靜態(tài)性能； （ 3）無需專門的 PWM 技術(shù)； （ 4）對 轉(zhuǎn)子 參數(shù)變化不敏感，魯棒性 比較 強； （ 5） 把電機與逆變器結(jié)合在一起 ,對電機的控制最為直接，且能最大限度發(fā)揮逆變器的能力； （ 6）滯環(huán)控制會產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩 脈動，且開關(guān)頻率不是常數(shù) 。 20 多年來，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多學(xué)者從不同角度提出新的見解和方法，使控制性能得到了進一步的改善和提高。 異步電機數(shù)學(xué)模型 異步電機就其本質(zhì)而一言，是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，為了便于分析，在建立異步電機的數(shù)學(xué)模型時，作以下幾點假設(shè) [26][27]： （ 1） 電機定、轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱。 三 相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組在空間對稱分布 (在空間互差 120 )，各相電流所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦 規(guī)律分布； （ 2）忽略磁路飽和。各相繞組的自感和互感都是線性的，從而可以使用疊加原理； （ 3） 鐵芯的渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計； （ 4）不考慮頻率和溫度變化對 電機 參數(shù)的影響。 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，電機的電壓和電流都是在靜止的坐標系中測量得到的，因此采用靜止的定子坐標系較為方便。異步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以由以下方程描述： 0 s s s sr r r ru i R pi R p j?? ???? ??? ? ? ? （ 21） s s s m rr m s r rL i L iL i L i?? ?? ??? （ 22） 其中 su— 定子電壓 si— 定子電壓 ri— 轉(zhuǎn)子電流 s?— 定子磁鏈 r?— 轉(zhuǎn)子磁鏈 sL— 定子電感 rL— 轉(zhuǎn)子電感 mL — 互感 ?— 電角速度 p— 微分算子，即 dtdp? 將公式 （ 21）和公式（ 22） 整理并把實部與虛部分離得 ?????????????????????????????????????rrrrrrrrsssssssspiRpiRpiRupiRu00 （ 23） 電機的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為定子電流與定子磁鏈 的矢量積 ( ) ( )e p s s s s p s sT N i i N i? ? ? ?? ? ?? ? ? ? (24) 此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈 的矢量積 s i nmme p s r p s rs r s rLLT N NL L L L? ? ? ? ???? ? ? ? (25) 式中 ?— 定子旋轉(zhuǎn)磁鏈與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁鏈的夾角，即 磁 通 角。 21 msrLLL??? ，異步電機漏磁系數(shù)。 運動方程為： ? ?eL pJT T F J pN??? ? ? ? (26) 式中 LT— 負載轉(zhuǎn)矩 F— 摩擦系數(shù) J— 電機轉(zhuǎn)動慣量 逆變器數(shù)學(xué)模型 在異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用圖 21 所示的三相電壓型 PWM 逆變器 [28]。利用逆變器 6 個功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合 ,以及開關(guān)時間 的調(diào)整 ,可以實現(xiàn)電壓空間矢量的圓形運動軌跡。 2Edc2EdcI MaS bS cSUdc 圖 21 三相電壓型逆變器模型 Model of three phase voltage source inverter 圖 21 中， 2dcE 是三相電壓型逆變器的橋臂對地電壓， aS ， bS ， cS 是兩狀態(tài)的開關(guān)量， aS ＝１表示 aS 所對應(yīng)的上橋臂功率管導(dǎo)通， aS ＝ 0 表示 aS 所對 應(yīng) 的 下 橋 臂 功 率 管 導(dǎo) 通 ， 其 余 類 推 。 定 義 開 關(guān) 函 數(shù)? ? ? ? ? ? ? ?2 / 3 4 / 3 , , 1 1 12 jja b cS S e S edcs a b c Eu S S S ????? ? ? ? ? ? ?????，開關(guān)向量 ? ?Ta b cS S S 共有328? 種開關(guān)模式，分別是 000、 00 0 01 100、 10 1 111，對應(yīng) 8 個電壓矢量 ? ?0 000U 、 ? ?1 100U 、 ? ?2 110U 、 ? ?3 010U 、 ? ?4 011U 、 ? ?5 001U 、 ? ?6 101U 、 ? ?7 111U ,其中 ? ?0 000U 和 ? ?7 111U 為兩個零電壓矢量。根據(jù)圖 21 可以得到 電機 相電壓和開關(guān)函數(shù)的關(guān)系 ，見 公式 27。 ? ?? ?? ?1[]31[ ] 31[]3a a a b c dcb b a b c dcc c a b c dcu S S S S Uu S S S S Uu S S S S U? ? ? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ??? (27) 式中 au， bu ， cu — ,ABC 三相 相電壓 dcU — 直流母線電壓 電壓矢量可以表示為： ? ?2 / 3 4 / 323 jjs a b cu u e u e??? ? ?u (28) 在兩相靜止坐標系 ??? 平面上，各電壓矢量如圖 22 所示。 ? ?1001U? ?01 03U ? ?1102U? ?00 15U? ?0114U? ?1016U? ?1117U ? ?00 00U ?? 圖 22 空間電壓矢量 Space voltage vector 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)對電機的定子電壓和電流進行采樣，然后通過 3/2ss變換將三相電壓電流信號變換到兩相靜止坐標系 ??? 平面。 3/2ss變換見公式 (29)。 3 / 21112 223 33022ssC???????????? (29) 根據(jù)變換后得到定子電壓電流，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器求出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。定子磁鏈可以根據(jù) ui? 模型求得，見公式 (210)。 ? ?( ) ( ) ( )ss s st u t R i t dt? ??? (210) 轉(zhuǎn)矩的計算通過公式 (24)進行。重寫公式 (24)如下： ( ) ( )e p s s s s p s sT N i i N i? ? ? ?? ? ?? ? ? ? (24) 將磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器求得的定子磁鏈 s? 和轉(zhuǎn)矩 eT 分別與給定值 *s? 和 *eT 比較，將比較產(chǎn)生的誤差信號 s?? 和 eT? 分別送入滯環(huán)控制器中。磁鏈控制器如圖 23a）所示，輸出關(guān)系見公式 (211)。 s??TS10 1S?eT?10 a）磁鏈控制器 b）轉(zhuǎn)矩控制器 圖 23 控制器特性 Characters of flux and torque controller a) Flux controller。 b) Torque controller 1 , ,0 , ,ss HS H ?? ???? ? ? ??? ? ? ? ??? 減 小 磁 鏈增 大 磁 鏈 (211) 式中 *s s se? ? ?? ? ? S? — 磁鏈控制器的輸出信號 H? — 磁鏈控制器的總滯環(huán)帶寬 轉(zhuǎn)矩控制器如圖 23b）所示，輸出關(guān)系見公式 (212)。 1 , ,1 , ,0 , ,eTT e TT e TTHS T HH T H? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ??增 加 轉(zhuǎn) 矩減 小 轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 矩 不 變 (212) 式中 *e e eT T T? ? ? TS — 轉(zhuǎn)矩 控制器的輸出信號 TH — 轉(zhuǎn)矩控制器的總滯環(huán)帶寬 此外，磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器還計算定子磁鏈 s? 的相角 ? ，并確定其所在的扇區(qū)。