【正文】 　　　　　—的協(xié)方差　　（3）計(jì)算卡爾曼濾波器增益　　　　式中 　　　　　　—的協(xié)方差　?。?）更新狀態(tài)協(xié)方差矩陣 　?。?）更新狀態(tài)矢量 　速度估計(jì)濾波器算法　　對于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為參數(shù)，在定子靜止坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的狀態(tài)方程，如式所示。 式中　　　　　　　　，，　　式顯然是一非線性狀態(tài)方程，需要運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。當(dāng)采樣周期很小或者負(fù)載慣性很大時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化很小，可以忽略不計(jì)，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為如下形式： 　　按照離散化算法：， 對式離散化，得到離散的電機(jī)狀態(tài)方程。 式中 　　　　，　　　　　　　式中 　　　　　　——采樣周期　　考慮并加入系統(tǒng)模型噪聲和輸出模型噪聲，重構(gòu)異步電機(jī)非線性狀態(tài)方程及輸出方程如下： 式中 　　　　　　，—采樣周期下面利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，步驟如下：　?。?）預(yù)測狀態(tài)矢量 　?。?）估計(jì)狀態(tài)協(xié)方差矩陣 式中 　　 　　　　　　　　　　　——的協(xié)方差　　（3）計(jì)算擴(kuò)展卡爾曼濾波器增益 　　　　式中 　　　　　　　　　　　　—的協(xié)方差　?。?）更新狀態(tài)協(xié)方差矩陣 　?。?）更新狀態(tài)矢量 　　經(jīng)過以上遞推，即可實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)狀態(tài)矢量，也就估計(jì)出了電機(jī)的轉(zhuǎn)速?！∷俣裙烙?jì)仿真　　圖510是擴(kuò)展卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)速估計(jì)框圖。擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程的輸入量是定子電壓，量測方程的輸入量為定子電流，狀態(tài)變量為，即定子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)速。圖510　　擴(kuò)展卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)速估計(jì)系統(tǒng)框圖　　Block diagram of estimated speed using EKF　　電機(jī)參數(shù)為：定子電阻， 轉(zhuǎn)子電阻，定子自感等于轉(zhuǎn)子自感，定、轉(zhuǎn)子互感，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，極對數(shù)。擴(kuò)展卡爾曼濾波器采用SIMULINK中的sfunction來實(shí)現(xiàn)，采樣周期的選擇對仿真結(jié)果的影響會(huì)很大，過大會(huì)造成系統(tǒng)難以收斂。狀態(tài)變量的初始值、的選擇都要合適，原則上的大小影響濾波器的收斂性仿真結(jié)果，、對于濾波器的影響不是很大。經(jīng)過試驗(yàn)，以上參數(shù)的取值為：，,。仿真結(jié)果如下圖所示。圖511　　實(shí)際轉(zhuǎn)速 　　Real speed圖512　　估計(jì)轉(zhuǎn)速　　Estimated speeda) b) c) 圖513　　白噪聲對估計(jì)轉(zhuǎn)速的影響　　Influence on speed whit white noise　　仿真開始時(shí)定子磁鏈給定值，電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速給定為。在圖511中，電機(jī)在以0啟動(dòng),實(shí)際轉(zhuǎn)速在時(shí)達(dá)到給定值，估計(jì)轉(zhuǎn)速在時(shí)達(dá)到實(shí)際值（圖512）。比較圖511和圖512可以看出轉(zhuǎn)速的估計(jì)值準(zhǔn)確地跟蹤了實(shí)際值。在圖513中，對輸入擴(kuò)展卡爾曼濾波器的定子電流加入了均值為零協(xié)方差為的白噪聲，實(shí)際轉(zhuǎn)速保持不變。從圖513的a)、b)和c)中可以看出，隨著協(xié)方差的增大，估計(jì)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)隨之劇烈，調(diào)節(jié)時(shí)間有所變長，但是轉(zhuǎn)速的估計(jì)值仍然能夠準(zhǔn)確地跟蹤實(shí)際值，同時(shí)也說明擴(kuò)展卡爾曼濾波器對電流干擾有較好的適應(yīng)能力。在低速的情況下取得上述仿真效果，也驗(yàn)證了擴(kuò)展卡爾曼濾波方法應(yīng)用于異步電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的可行性。６　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)　　第4章介紹了新的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，從仿真結(jié)果看，所搭建的控制系統(tǒng)是可行的，且比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在性能上有很大的提高。本章通過DSP電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)開發(fā)平臺對該控制系統(tǒng)進(jìn)行初步的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，對其正確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！】刂葡到y(tǒng)的硬件構(gòu)成　　圖61是清華大學(xué)電力電子與電機(jī)系開發(fā)的DSP電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)開發(fā)平臺，其開發(fā)環(huán)境采用主機(jī)目標(biāo)機(jī)的模式，可以充分利用主機(jī)豐富的軟件資源和硬件資源，便于DSP的開發(fā)和調(diào)試。該平臺是針對電機(jī)控制的科研特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，并具有強(qiáng)大圖形化功能，為高性能電機(jī)控制系統(tǒng)的理論研究、產(chǎn)品開發(fā)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極大方便。系統(tǒng)的軟硬件均為模塊化的集成方式，預(yù)留端口和軟件資源豐富，因此使用非常靈活，利用該系統(tǒng)可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成不同控制策略和不同控制對象的實(shí)驗(yàn)過程[56]。圖61　　控制系統(tǒng)硬件配置圖　　Hardware block diagram of digital control system　　該實(shí)驗(yàn)平臺主要有五部分組成：、TMS320F240DSP控制板、TMS320C2XX JTAG仿真器、異步電機(jī)和控制用微機(jī)。其中功率變換器包括三相整流濾波、IPM隔離驅(qū)動(dòng)、開關(guān)電源和電流電壓檢測。硬件資源：　?。?）八路有隔離的開關(guān)量輸入；　?。?）三路集電極開路的開關(guān)量輸出；　　（3）一路故障信號繼電器輸出；　　（4）高速光電編碼盤接口；　?。?）兩路模擬信號輸入接口；　?。?）兩路模擬信號輸出；（7）十二路（六組獨(dú)立）PWM驅(qū)動(dòng)輸出接口，硬件上保證了可同時(shí)控制　　　　 兩臺三相電機(jī)，或同時(shí)控制一臺三相電機(jī)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFC或PWM　　　　 整流功能，或者進(jìn)行三電平逆變器的控制研究；　?。?）十二路（六組獨(dú)立）PWM驅(qū)動(dòng)輸出接口皆有死區(qū)時(shí)間設(shè)置；　　（9）RS232串行接口、RS485串行接口和F240的SPI同步串行接口；　?。?0）串行EEPROM及其讀寫程序；　?。?1）手動(dòng)復(fù)位按鈕；　?。?1）多種保護(hù)功能：硬件輸出過流保護(hù)、IPM故障保護(hù)、輸入缺相保護(hù)、主電路過熱保護(hù)。軟件資源：　　（1）F240示波器程序（PC機(jī)程序，DSP匯編語言程序）；（2）DSP匯編程序包括：F240函數(shù)庫（正余弦函數(shù)，正切函數(shù)，直角坐　　 極坐標(biāo)標(biāo)轉(zhuǎn)換程序,3s/2s變換，2s/3s變換，空間電壓矢量）；VVVF　 異步電機(jī)控制例程；控制板初始化程序；（3）DSP控制板輸入輸出宏指令，TMS320C2XX仿真器調(diào)試程序，　　　 　TMS320C2XX匯編連接程序。實(shí)驗(yàn)機(jī)組：三相異步電機(jī)　　型號：Y100L14 額定值：,380V,1420r/min 　　主要參數(shù)：,負(fù)載機(jī)組：直流電機(jī)　　型號：Z242 額定值：,230V,1480r/min　　勵(lì)磁電壓：220V,速度傳感器：E6B2CWZ6C，分辨率1000P/R　無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制軟件設(shè)計(jì)　　對于交流調(diào)速控制系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)來說，硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心?？刂葡到y(tǒng)中的各種控制算法最終都要靠應(yīng)用程序來完成，程序設(shè)計(jì)一般應(yīng)該滿足實(shí)時(shí)性、可靠性和易修改性的要求。在軟件的設(shè)計(jì)中，必須在一定的時(shí)間限制內(nèi)，完成一系列的處理過程，包括對異步電機(jī)的電流、電壓以及轉(zhuǎn)速的采樣，坐標(biāo)變換，定子磁鏈計(jì)算，轉(zhuǎn)矩計(jì)算，速度調(diào)節(jié)和邏輯判斷，然后完成控制算法，輸出控制信號，同時(shí)要對可能出現(xiàn)的故障報(bào)警并進(jìn)行處理[57]?！　”敬螌?shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)采用匯編語言，控制系統(tǒng)采用具有幅值補(bǔ)償?shù)挠^測器和新的無差拍控制算法。主程序流程圖如圖62所示。主程序主要包括系統(tǒng)初始化，置位運(yùn)行標(biāo)志位，等待定時(shí)器T1下溢中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)算法及控制功能。圖62　　主程序流程圖　　Block diagram of main program　　中斷服務(wù)程序如圖63所示。當(dāng)定時(shí)器T1完成整個(gè)周期減計(jì)數(shù)至0時(shí)產(chǎn)生中斷，同時(shí)定時(shí)器開始下一次增/減計(jì)數(shù)周期。定時(shí)器T1下溢中斷屬于中斷級INT2，初始化時(shí)開中斷屏蔽寄存器IMR和EVIMRA的相應(yīng)屏蔽位。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU指向中斷向量表的相應(yīng)地址，并置位中斷標(biāo)志IFR和EVIFRA,CPU響應(yīng)中斷后，跳轉(zhuǎn)到指定的中斷服務(wù)程序，中斷標(biāo)志IFR自動(dòng)清零，并置位中斷方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中斷。圖63　　定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序流程圖　　Block diagram of timer1 interrupt subprogram　　響應(yīng)定時(shí)器中斷后，程序指針指向INT2級中斷向量的地址，轉(zhuǎn)至通用中斷服務(wù)子程序GISR2，在中斷程序中首先保護(hù)現(xiàn)場，之后轉(zhuǎn)而執(zhí)行特定的中斷服務(wù)子程序。如圖63所示在定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序中，要完成對電壓、電流采樣和轉(zhuǎn)換，然后判斷母線電壓是否過壓，如果過壓則置故障標(biāo)志位并自由停車；否則開始檢測轉(zhuǎn)速，坐標(biāo)變換，定子磁鏈計(jì)算，坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)矩計(jì)算，轉(zhuǎn)速計(jì)算及PI調(diào)節(jié)，無差拍控制，SVMPWM生成等操作，最后恢復(fù)現(xiàn)場，并返回至主程序，等待下一次中斷發(fā)生。　　為保證控制系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠的工作，TMS320X240還提供了PDPINT輸入信號，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。各種故障信號經(jīng)光電隔離輸入到DSP的PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)PDPINT引腳被拉為低電平，此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出管腳全部呈高阻狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過程不需要程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成，這對實(shí)現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。故障中斷處理流程圖如圖64所示。圖64　　故障中斷服務(wù)程序流程圖　　Block diagram of breakdown interrupt subprogram　　無差拍控制算法流程如圖65所示。首先根據(jù)公式(415)計(jì)算滿足定子磁鏈關(guān)系的勵(lì)磁電壓，根據(jù)公式(417)計(jì)算滿足轉(zhuǎn)矩關(guān)系的轉(zhuǎn)矩電壓，然后對和做變換，求得輸出的電壓矢量和。圖65　　無差拍控制流程圖　　Block diagram of deadbeat control　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　　圖66～614是無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖66　　電機(jī)轉(zhuǎn)速波形　　Waveform of mechanical speed圖67　　給定轉(zhuǎn)矩波形　　Waveform of torque圖68　　電磁轉(zhuǎn)矩波形　　Waveform of electromagnetic torque圖69　　定子電流軸分量　　Waveform of 圖 610　　定子電流軸分量　　Waveform of 圖611　　定子電流軸分量　　Waveform of 圖612　　定子電流軸分量　　Waveform of 圖613　　定子磁鏈軸分量　　Waveform of 圖 614　　定子磁鏈軸分量　　Waveform of 　　實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)從零轉(zhuǎn)速開始啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速給定值為60。從圖66的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線中可以看出，轉(zhuǎn)速從零開始上升，經(jīng)過超調(diào)，在2時(shí)開始穩(wěn)定，到6時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)基本接近給定值60。圖67和圖68分別是給定轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的波形，電磁轉(zhuǎn)矩基本上地跟蹤了給定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較仿真時(shí)大。此外，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，圖68和圖69，圖610和圖61圖614的波形十分相似，這正符合無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的控制策略，因?yàn)闊o差拍控制就是通過電壓軸分量來控制電磁轉(zhuǎn)矩，電壓軸分量來控制定子磁鏈。　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，所搭建的無差拍控制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是可行的。但是，可以看出本次實(shí)驗(yàn)還不是很理想，希望能夠從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：　?。?）理論上無差拍控制可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)完全消除磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，電壓、電流和轉(zhuǎn)速的采樣以及控制算法的實(shí)現(xiàn)都需要花費(fèi)機(jī)器時(shí)間，無差拍控制的輸出信號是在本次采樣周期結(jié)束時(shí)才發(fā)出的，實(shí)際起作用是在下一個(gè)采樣周期，因此存在滯后性。改進(jìn)方法是通過預(yù)測下一個(gè)采樣周期的定子電流和磁鏈，在本次采樣周期內(nèi)完成對下一個(gè)采樣周期磁鏈和轉(zhuǎn)矩的無差拍計(jì)算。　?。?）磁鏈觀測對控制系統(tǒng)的影響很大，因此，選擇更為合適的磁鏈觀測方法將有助于提高控制系統(tǒng)的性能。結(jié)　　論　　本文的主要工作和貢獻(xiàn)　　在閱讀了與課題相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。對無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制采取了新的控制算法，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證了其可行性。主要工作簡述如下：　?。?）研究了空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了仿真比較，分析了其優(yōu)勢及存在的問題?！　。?）分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的定子磁鏈觀測模型的局限性，研究了三種改進(jìn)型磁鏈觀測方法：飽和反饋法、幅值補(bǔ)償法和自適應(yīng)補(bǔ)償法，通過仿真對其觀測效果進(jìn)行了分析比較?！　。?）擴(kuò)展卡爾曼濾波器是一種全階隨機(jī)觀測器，其噪聲源考慮了系統(tǒng)測量和建模的不精確性，可以通過使用含有噪聲的信號對非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遞推最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)。本文利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器對電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)行了實(shí)時(shí)估計(jì)，研究了其低轉(zhuǎn)速估計(jì)效果和對定子電流干擾的適應(yīng)能力。　?。?）在分析已有無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，研究了一種新型無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法不需要求解二次方程，直接在定子磁場定向的同步坐標(biāo)系下，通過定子磁鏈和電流的坐標(biāo)變換，分析和計(jì)算電壓矢量，然后由空間矢量調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該方法計(jì)算簡單，物理意義明確，通過仿真和初步的實(shí)驗(yàn)對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證?！　∵M(jìn)一步工作的設(shè)想　　改善異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的低速特性是一個(gè)重點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)，需要研究的內(nèi)容還有很多，進(jìn)一步深入研究與實(shí)踐的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：　?。?）電機(jī)數(shù)學(xué)模型十分依賴電機(jī)參數(shù)，各種控制方法中都要用到電機(jī)參數(shù)，而電機(jī)參數(shù)又特別容易受到環(huán)境等因素的影響，特別是電機(jī)運(yùn)行在低速范圍的時(shí)候，電機(jī)參數(shù)受環(huán)境影響引起直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能變差不容忽略。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線檢測，將在很大程度上提高定子磁鏈的觀測精度，改善轉(zhuǎn)速的估計(jì)的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)整體性能的提高?！　。?）擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以有效的估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，但是受算法復(fù)雜、計(jì)算量大等因