【正文】 b） 計(jì)算新的插入點(diǎn) 4 對(duì)應(yīng)的 4s? 及 42k ； 4 3 2 31 ()2s s s s? ? ? ?? ? ? （ ） 4 2 4 2 4 2( ) / ( )in in s sk p p ??? ? ? （ ） （ C）檢驗(yàn) 32k 和 42k 的符號(hào)相同，轉(zhuǎn)（ e）否則轉(zhuǎn)（ d）。當(dāng) 21k 與 32k 的符號(hào)不同，即相鄰兩點(diǎn)的梯度方向相反時(shí)，則說明最優(yōu)點(diǎn)存在于 1s? ， 3s? 之間，于是改變搜索方向和步長(zhǎng)，繼續(xù)搜索直至達(dá)到終止條件。 梯度法 對(duì)于電機(jī)最小損耗控制問題，利用梯度法在線搜索最小輸入功率運(yùn)行點(diǎn)，依據(jù)這樣一個(gè)事實(shí)，即輸入功率是定子磁鏈的凹函數(shù)，存在一個(gè)全局最優(yōu)點(diǎn)，算法沿著輸入 功率減小的方向逐漸增加、減小定子磁鏈確定出最優(yōu)點(diǎn)可能存在的區(qū)間，然后改變步長(zhǎng)搜索直至滿足終止條件便達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)。假設(shè)整個(gè)第 三 章 在線搜索控制效率優(yōu)化的方法 16 搜索過程預(yù)計(jì)在時(shí)間 T 完成，搜索的每一步所用時(shí)間為 stepT ，那么磁鏈遞減的步長(zhǎng)應(yīng)該是 TTstep)1( min?? 。其流程圖如圖 所示。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第三章 在線搜索 控制效率優(yōu)化 的方法 單調(diào)遞減法 在忽略逆變器損耗的前提上，異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的輸入功率實(shí)際上就是電機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗的功率。 滯環(huán)控制屬于 BangBang 控制，滯環(huán)控制器相當(dāng)于兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，也可看成是具有高增益的 P 調(diào)節(jié)器，雖然能使磁鏈和轉(zhuǎn)矩快速調(diào)節(jié)，但是磁鏈和轉(zhuǎn)矩不可避免地會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，若使脈動(dòng)減小，可以減小滯 環(huán)比較器帶寬，但會(huì)增大逆變器的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗，降低了運(yùn)行效率，也提高了對(duì)電子開關(guān)的 技術(shù)要求。圖中，僅給出了速度控制環(huán)節(jié)，也可在此基礎(chǔ)上構(gòu)成位置系統(tǒng)。但在查詢前，需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔?，圖中的 S? 表示的是扇區(qū)順序號(hào)。 [15] 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 C Te? Te 圖 零電壓矢量 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 圖 圖 24 為 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)原理框圖 。可以看出零電壓矢量能夠“緩和”電磁轉(zhuǎn)矩的急劇變化。當(dāng) ||e erefTT? 時(shí)，零電壓矢量仍要起作用，在它的作用下可使轉(zhuǎn)矩變化放緩。 同定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂撇煌氖?，電磁轉(zhuǎn)矩控制中采用了零電壓矢量 78,ssuu，主要是為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚝笮D(zhuǎn)時(shí)，即有： 若 | | | |e eref eT T T? ? ?，則輸出為 1 ， T? 取 1。 表中， T? 符號(hào)由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的三個(gè)輸出信號(hào)來確定，當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚯靶D(zhuǎn)時(shí)，即有： 若 | | | |e eref eT T T? ? ?，則輸出為 1， T? 取 1。 開關(guān)電壓矢量查詢表 ?? T? 1 2 3 4 5 6 1 1 2su 3su 4su 5su 6su 7su 0 7su 8su 7su 8su 7su 8su 1 6su 5su 4su 3su 2su 1su 1 1 3su 4su 5su 6su 1su 2su 0 8su 7su 8su 7su 8su 7su 1 5su 6su 1,su 2su 3su 4su 表中 ?? 的正負(fù)是根據(jù)滯環(huán)比較器的數(shù)字輸出來確定的，即有： 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 12 若 | | | |s sref s? ? ?? ? ?，則輸出為 1， ?? 取 1。對(duì)于其它區(qū)間可做出同樣的合理選擇。前四個(gè)開關(guān)電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用分別用 ,????和,tt??來表示，下表“ +”號(hào)表示增加，“ — ”號(hào)表示減小。 [6] 開關(guān)電壓矢量的合理選擇 如圖 21（ d）給出了定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在區(qū)間（ 1）的情形，在次區(qū)間內(nèi)選擇 1su 和 4su 是不合適的，因?yàn)闀?huì)使 s? 幅值急劇變化，而難以將其控制在滯環(huán)帶寬內(nèi)，可選擇的電壓矢量有 2 3 5 6, , ,s s s su u u u 以及 78,ssuu。例如定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 若在區(qū)間（ 1）內(nèi)，可選擇 1su ， 6su 和 2su 使其幅值增大，還可選擇 3su ， 5su 和 4su 使其幅值減小。然后，將空間復(fù)平面分成六個(gè)區(qū)間，對(duì)照?qǐng)D 22（ c）和圖22（ a）可以 看出，每個(gè)區(qū)間的范圍是以定子電壓矢量空間為中線，各向前后擴(kuò)展了 30 電角度，因此區(qū)間的跨度是 60 電角度，區(qū)間的序號(hào) K=1,2,3…… 6 與定子電壓空間矢量的序號(hào)相同，例如區(qū)間（ 1）就是在 1su 所在的區(qū)間。 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通常設(shè)定 s? 的參考值（指令值）， sref? 的運(yùn)行軌跡為一圓形，如圖 22（ c）然后對(duì) s? 采取滯環(huán)控制。反之，根據(jù)希望或設(shè)定的定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)行軌跡，可以選擇合適的定子電壓空間矢量來予以實(shí)現(xiàn)。為此，希望定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)行軌跡為圓行。由定子每相磁鏈變化可知，定子每相電流波形將是非正弦的。由矢量 s? 在三相繞組 ABC 軸線上的投影可得到鏈過每相繞組的磁鏈值。 圖 22（ a）逆變器開關(guān)電壓矢量 假如定子磁鏈?zhǔn)噶康某跏贾?s OM? ? ,那么在定子 電壓矢量 1su （ 100）作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 一定沿著 MN 的軌跡變化，因?yàn)?s?? 的方向要與 1su 一致，變化的速率則等于 1||su ，當(dāng) s? 運(yùn)動(dòng)到 N 的位置時(shí)， 1su （ 100）轉(zhuǎn)化為 2su （ 110），在 2su （ 110）作用下， s? 將沿著 NP 的軌跡變化，一次下去，便得到 s? 正六邊形的運(yùn)動(dòng)軌跡 MNPQRS。 如果逆變器開關(guān)順序按 001， 110， ? 101 的狀態(tài)一次變化，每次變化的間隔時(shí)間相同，就可得到如圖 22（ a）所示的六個(gè)以步進(jìn)形式輸出的電 壓矢量 1su ， 2su … . 6su ，這六個(gè)電壓矢量的一次作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓壽E為一正六邊形如圖 21（ b）。 在動(dòng)態(tài)控制中，只要控制的響應(yīng)時(shí)間 比較子時(shí)間常數(shù)快得多，那么在這短暫的過程中就可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴遣蛔兊?，進(jìn)而只要保持定子磁鏈的幅值不變，通過改變 sr? 就可以迅速地改變和控制電磁轉(zhuǎn)矩這就是感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩。 式（ ）表明 ，電磁轉(zhuǎn)矩決定于定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康氖噶糠e，即決定于兩者幅值和期間的空間電角度。 同樣，在定子三相軸系中定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量都可表示為： s s s m rL i L i? ?? （ ） 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 r m s r rL i L i? ?? （ ） 由式（ ）可 得： 1 ()r r m sri L iL ??? （ ） 將式（ ）代入（ ），可將定子電流空間矢量表示為： smsrs r sLi L L L? ????? （ ） 式中， sL? 為定子瞬態(tài)電感， 2mssrLLLL? ??。 [5] 圖 （ a）異步電機(jī)空間矢量等效電路圖 電磁轉(zhuǎn)矩可 為： ssne iPT ?? ? （ ） 式中， s? 是定子磁鏈空間矢量； si 是定子電流空間矢量。 在滿足上述理想電機(jī)假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得 感應(yīng) 電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 （ 3） 電機(jī)氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間正弦分布。在討論 感應(yīng) 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前假設(shè)電機(jī)有如下特性： （ 1） 電機(jī)三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對(duì)稱。 （ 5） 對(duì)本文工作的總結(jié)，并展望進(jìn)一步研究方向。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 3） 目前在線搜索控制器效率優(yōu)化的方法有 單調(diào)遞減法 、黃金分割法、梯度法等本文主要采用單調(diào)遞減法。 （ 1） 本文首先簡(jiǎn)單回顧了感 應(yīng)電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用狀況。 [20]首先，在優(yōu)化 ADRC參數(shù)時(shí)將混沌變量引人到 ADRC 參數(shù)的尋優(yōu)方式中，找出滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件和目標(biāo)函數(shù)最小原則的一組參數(shù)作為 ADRC 參數(shù)的次優(yōu)解，然后利用變尺度優(yōu)化算法再次進(jìn)行混沌變量的局部搜索找出全局最優(yōu)或接近最優(yōu)的 ADRC控制參數(shù)，對(duì)一個(gè)控制 系統(tǒng)而言，滿足穩(wěn)定性是最首要的條件，應(yīng)該保證滿足目標(biāo)函數(shù)取得最小值的某一組參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，為便識(shí)別某組參數(shù)是否使閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)散在設(shè)定值附近設(shè)定一個(gè)可行的區(qū)間，只要系統(tǒng)的輸出超出該區(qū)間，則舍棄這組參數(shù)重新搜索。利用混沌變量對(duì)初值的敏感性賦予式（ 1）為若干微小差異的初值（不能映射的不動(dòng) 點(diǎn)： ， ， ），即可得到不同的軌跡的混沌變量。搜索效率高，計(jì)算速度快，將變尺度混沌優(yōu)化策略應(yīng)用到 ADRC 參數(shù)的優(yōu)化中，在得到 ADRC 參數(shù)的次優(yōu)解基礎(chǔ)上，利用變尺度優(yōu)化搜索次優(yōu)值附近的全 局最優(yōu)解，避免了時(shí)間上的浪費(fèi)，且在設(shè)計(jì)變量的取值區(qū)間得到了全局最優(yōu)解。 （ 3）基于混沌優(yōu)化的多變量自抗繞控制 [18] 混沌是一種普遍的非線性現(xiàn)象，混沌運(yùn)動(dòng)具有對(duì)初值的高度敏感性運(yùn)動(dòng)軌跡的遍歷性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，它不能在一定的范圍內(nèi)按自身的規(guī)律遍歷每一個(gè)第 一章 緒論 4 軌跡，既不自我重復(fù)又不自我交叉。Kirschen 等針對(duì)矢量控制系統(tǒng)以小步長(zhǎng)減小磁鏈，直至達(dá)到最優(yōu)，這種方法能夠得到最優(yōu)磁鏈，但是收斂速度較慢，特別是當(dāng)最優(yōu)磁鏈遠(yuǎn)離額定磁鏈的時(shí)候；Sul 和 Famour 通過在線搜索最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率，直至輸入功率最小，然后將最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率以表格形式 存于內(nèi)存實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)通過查表使實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率跟蹤最優(yōu)值；Moreira 等則提出通用型變頻調(diào)速系統(tǒng)利用定子相電壓三次諧波分量定理的SC；何光東提出基于斐波那契數(shù)列的尋優(yōu)方法，并采用前饋算法來補(bǔ)償尋優(yōu)過程中因磁鏈變化引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，使轉(zhuǎn)矩保持恒定，這種控制方法不依賴電機(jī)參數(shù)且全局有意義，但其時(shí)間步長(zhǎng)受到電機(jī)時(shí)間常數(shù)的限制，因此到達(dá)最優(yōu)工作點(diǎn)所需要的搜索時(shí)間較長(zhǎng)。 （ 2）在線搜索控制器（ SC） [11] 以搜索法為基礎(chǔ)的在線效率優(yōu)化控制十分引人注意，這種控制不需要知道電機(jī)任何參數(shù)，而且算法對(duì)于任意電機(jī)都廣泛適用。 依據(jù)損耗模型來優(yōu)化變頻調(diào)速系統(tǒng)效率的方法其效率是全局最優(yōu)的，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于最優(yōu)磁鏈直接由計(jì)算得到，控制速度快，但需要電機(jī)模型和參數(shù)的信息，因此建立一個(gè)可靠、正確的損耗模型對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化性能是至關(guān)重要的，由于溫度和飽和效應(yīng)的影響，電機(jī)模型的參數(shù)在不同工況下變化明顯，特別是 PWM 變頻驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電機(jī)是在非正弦波電壓供電下運(yùn)行。 Garcia 和 Kioskcridis 等將這一問題簡(jiǎn)化并分別南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 得出了在矢量控制和標(biāo)量控制條件下求最優(yōu)磁通的解析方程。對(duì)于矢量控制的感應(yīng)電機(jī)來說，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流是解耦的，因而磁通和轉(zhuǎn)矩的控制彼此獨(dú)立， LMC 的嵌入非常容易。 [21]因此，變頻器供電的效率依然有很大的改進(jìn)空間，在降低電動(dòng)機(jī)自身損耗，提高電動(dòng)機(jī)自身的效率方面仍有很大的潛力。在這些情況下，不可能通過改進(jìn)波形與電機(jī)的設(shè)計(jì)來優(yōu)化效率。在額定負(fù)載附近運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電機(jī)的效率較高，如對(duì)于額定功率為 1~75KW 的電機(jī)，額定工 作點(diǎn)的效率在 76~%之間。許多負(fù)載如壓縮機(jī)、真空機(jī)械等，一旦壓力達(dá)到規(guī)定值后，電動(dòng)機(jī)只需提供很小的機(jī)械功率即能維持。在實(shí)運(yùn)行中，由于 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品容量的不連續(xù)性、安全系數(shù)選擇過高等因素，使電動(dòng)機(jī)的額定功率總是超過最大可能的峰值負(fù)載功率約 30%，而負(fù)載峰值所持續(xù)的時(shí)間又往往遠(yuǎn)小于總運(yùn)行時(shí)間。因此，研究電動(dòng)機(jī)特別是感應(yīng)電機(jī)的節(jié)能措施，提高其運(yùn)行效率，對(duì)節(jié)約能源有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 第 一章 緒論 2 感應(yīng)電機(jī) 效率優(yōu)化研究的現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量不斷提高，對(duì)各種電設(shè)備的效率要求也越來越高，電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中起著基礎(chǔ)作用，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中耗電量做多的一種電氣設(shè)備。本文主要采用在線搜索控制來實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)常采用的磁通恢復(fù)額定、定子電流動(dòng)態(tài)分配等方法，因受運(yùn)行條件及電壓限制等因素而無法直接擴(kuò)展到高速區(qū)。目前已有的效率優(yōu)化及快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)算法的文獻(xiàn)中，對(duì)感應(yīng) 電機(jī)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，即基頻以下的情形分析較多，一般在穩(wěn)態(tài)時(shí)利用優(yōu)化算法提高效率，進(jìn)入動(dòng)態(tài)過程即退出優(yōu)化，采取某種方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速提升以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。上述效率優(yōu)化策略各具特色，但是不管是哪一種方法，其本質(zhì)都是采用在輕載時(shí)降低電機(jī)磁通水平以減小鐵芯損耗的方法來實(shí)現(xiàn)效率的提升。然而，標(biāo)準(zhǔn)矢量控制存在輕載低效的缺陷，使其在此類場(chǎng)合中的應(yīng)用遇到