異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況.doc

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存檔資料 成績： 所屬課程名稱 題 目 　 　 　 分 院 　 　　 　 專業(yè)班級 學(xué)　 號 　　 學(xué)生姓名 　 　 　　　 指導(dǎo)教師 　 2013 年 11 月 11 日 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略發(fā)展概況 異步電機(jī)相對于直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、對環(huán)境要求低以及節(jié)能和提高生產(chǎn)力等方面具有明顯的優(yōu)勢，使它已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防以及日常生活之中。早期交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主回路基本上都采用SCR開關(guān)器件，輸出的電壓或電流波形中含有較多的諧波，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大，功率因數(shù)較差。隨后發(fā)展的滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題，同時也基本上具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)也不算太復(fù)雜，己能滿足許多工業(yè)應(yīng)用的要求，具有較廣泛的應(yīng)用價值。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略差一些。原因在于，其控制規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統(tǒng)設(shè)計時，不得不做出較強(qiáng)的假設(shè)，忽略較多的因素，才能得出一個近似的傳遞函數(shù)，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差較大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及動態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。 1971年，德國學(xué)者F.Blaschke提出了交流電機(jī)的磁場定向矢量控制理論[1]，標(biāo)志著交流調(diào)速理論的重大突破。1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論一直接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受電機(jī)參數(shù)影響較大等缺點。直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用電子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變化與電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍以內(nèi)無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。 第一節(jié) 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖：1-1所示。其根據(jù)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和磁鏈滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號TQ和，以及定子磁鏈所在的扇區(qū)信號sector，從已知的定子電壓開關(guān)信號選擇表中選擇合適開關(guān)狀態(tài)，控制逆變器輸出空間電壓矢量，以維持轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差在滯環(huán)比較器的容差范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制。定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的反饋值，可由磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算單元觀測得到。之前已經(jīng)介紹了電壓型逆變器和異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，下面再對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的其他組成部分得工作原理進(jìn)行簡要說明。 圖1-1 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 1.1 磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算單元 直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈?zhǔn)遣荒苤苯訖z測的，需要通過定子磁鏈觀測器觀測得到。 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電壓—電流定子磁鏈模型，可得定子磁鏈的模型的矢量表達(dá)式： （1-1） 圖1-2 定子磁鏈的模型框圖 模型框圖如圖1-2所示。該模型結(jié)構(gòu)簡單，受參數(shù)影響小，適用范圍在額定轉(zhuǎn)速30%以上。由于值較大，測量誤差及積分漂移的影響就變得微不足道；采用此模型能比較準(zhǔn)確地觀測出定子磁鏈。但是當(dāng)電機(jī)在低速運(yùn)行時，的值將變得很小，由于定子電阻參數(shù)變化及測量所帶來的誤差會把實際值淹沒掉，而且積分器漂移的影響也變得嚴(yán)重起來，從而就無法有效使用該模型。因此，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時定子磁鏈的觀測就不能再采用電壓一電流模型了，而是要采用電流—轉(zhuǎn)速模型，即根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)速來觀測定子磁鏈。 用定子電流和轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電流—轉(zhuǎn)速定子磁鏈模型，在30%額定轉(zhuǎn)速以下時，能準(zhǔn)確比較觀測定子磁鏈。 由以上得： （1-2） （1-3） 式（1-2）（1-3）組合得到定子磁鏈的模型，模型框圖如圖1-3所示。 從式（1-2）（1-3）可以看出，在計算過程中需要用到的電機(jī)參數(shù)有、、和。需要采集的輸入變量為定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。較模型，模型的表達(dá)式較為復(fù)雜，計算量也相對增加。 圖1-3 定子磁鏈的模型框圖 計算定子磁鏈需要的定子兩相電壓和的是根據(jù)逆變器開關(guān)信號、、和直流側(cè)電壓的值計算得到的 （1-4） 定子兩相電流和通過3/2變換獲得，再根據(jù)三相電流的關(guān)系式進(jìn)行化簡，得到計算式為： （1-5） 定子磁鏈幅值計算表達(dá)式為 （1-6） 電磁轉(zhuǎn)矩通過定子電流和定子磁鏈計算 （1-7） 式中為電機(jī)極對數(shù)。 1.2 磁鏈調(diào)節(jié)器 磁鏈調(diào)節(jié)器功能是根據(jù)定子磁鏈幅值實際值和幅值給定值的偏差確定磁鏈開關(guān)信號。其工作原理是根據(jù)定子電壓和定子磁鏈的矢量表達(dá)式 （1-8） 由于定子電阻通常很小，在分析時若忽略定子電阻壓降的影響，則有[8] （1-9） 式（1-9）上式表明定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間為積分關(guān)系，即增量關(guān)系，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓较蚋S電壓空間矢量的變化方向。因此，如要使定子磁鏈軌跡為圖2-4所示的半徑為，容差范圍為的圓形軌跡，磁鏈調(diào)節(jié)器可以采用滯環(huán)比較器實現(xiàn)，滯環(huán)寬度從到，如圖2-5所示。 圖1-4 定子磁鏈圓形軌跡 其工作過程如下：當(dāng)時，說明定子磁鏈幅值實際值少于幅值給定值，并且超出了容差上限，滯環(huán)比較器輸出，開關(guān)選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以增大；當(dāng)時，說明定子磁鏈幅值實際值大于幅值給定值，并且超出了容差下限，此時滯環(huán)比較器輸出，開關(guān)選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以減少；當(dāng)時，定子磁鏈幅值實際值與幅值給定值之差在容差范圍內(nèi)，此時滯環(huán)比較器輸出保持不變，電壓矢量也保持不變。 圖1-5 磁鏈調(diào)節(jié)器 1.3 開關(guān)選擇單元 開關(guān)選擇單元的功能是，綜合磁鏈開關(guān)信號、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ和定子磁鏈扇區(qū)信號，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)優(yōu)先的原則，選擇合適的定子電壓矢量，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的目的。開關(guān)選擇表如表2-1所示 表2-1 定子電壓開關(guān)信號選擇表（逆時針旋轉(zhuǎn)） 磁鏈信號 轉(zhuǎn)矩信號TQ 扇區(qū)1 扇區(qū)2 扇區(qū)3 扇區(qū)4 扇區(qū)5 扇區(qū)6 -1 -1 V2 V3 V4 V5 V6 V1 1 V7 V0 V7 V0 V7 V0 1 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V0 V7 V0 V7 V0 V7 在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)隨現(xiàn)場工況變化的影響在一定范圍內(nèi)變化，且這種變化規(guī)律事先難以獲取，這將導(dǎo)致定子磁鏈觀測器的精度降低。在定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，磁鏈觀測器工作在反饋通道，如果磁鏈觀測器的幅值大于實際值，將導(dǎo)致電動機(jī)的弱磁運(yùn)行；反之，如果磁鏈觀測器的幅值小于實際值，將導(dǎo)致電動機(jī)的過勵運(yùn)行。 為了彌補(bǔ)電機(jī)參數(shù)變化導(dǎo)致的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩觀測失準(zhǔn)問題，考慮到模型和模型各自的特點，可以采用基于濾波器的定子磁鏈觀測器。高速時定子磁鏈模型觀測精度高；低速時定子磁鏈模型觀測精度相對較高，因此將定子磁鏈模型和模型綜合在一起，即在高速時讓模型起主要作用，通過低通濾波器將模型的觀測值濾除。在低速時讓模型起主要作用，通過高通濾波器將模型的觀測值濾除。并且使這兩個濾波器的轉(zhuǎn)折頻率相同，即可實現(xiàn)模型之間的平滑過渡。 基于濾波器的定子磁鏈觀測器原理框圖如圖3-1所示。定子磁鏈模型的觀測值通過高通濾波器，定子磁鏈模型的觀測值通過低通濾波器，再將這兩個值相加，即為定子磁鏈的觀測值。 圖3-1 基于濾波器的定子磁鏈觀測器 電機(jī)參數(shù)變化導(dǎo)致定子磁鏈觀測器的精度降低，其、和這三個參數(shù)的變化對定子磁鏈觀測器的影響較大。通過增加低通和高通濾波器，提高了定子磁鏈觀測器的精度。 1.4改進(jìn)的磁鏈調(diào)節(jié)器和開關(guān)選擇表 電機(jī)低速時，工作電壓矢量作用時間很短，零電壓矢量作用的時間卻很長，定子電阻壓降對時間的積分值較大，其對定子磁鏈的影響也就不能忽略，而導(dǎo)致定子磁鏈軌跡內(nèi)陷非常明顯。因此在原來磁鏈調(diào)節(jié)器兩級容差的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一級容差[9]，磁鏈開關(guān)信號在“1”和“-1”基礎(chǔ)上再增加“-2”，磁鏈調(diào)節(jié)器如圖3-2所示。并且引入相應(yīng)的定子磁鏈補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償?shù)退贂r定子壓降引起的內(nèi)陷，得到改進(jìn)的定子電壓開關(guān)信號選擇表3-1[10]。 圖3-2 增加“-2”級的磁鏈調(diào)節(jié)器 表3-1 增加“-2”級的定子電壓開關(guān)信號選擇表 磁鏈信號 轉(zhuǎn)矩信號TQ 扇區(qū)1 扇區(qū)2 扇區(qū)3 扇區(qū)4 扇區(qū)5 扇區(qū)6 -2 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V1 V2 V3 V4 V5 V6 -1 -1 V2 V3 V4 V5 V6 V1 1 V7 V0 V7 V0 V7 V0 1 -1 V3 V4 V5 V6 V1 V2 1 V0 V7 V0 V7 V0 V7 第二節(jié) 直流轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向 十幾年來，在國內(nèi)外直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到發(fā)展和完善，特別是隨著各種智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出了許多基于模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTC系統(tǒng)，使得控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高?？刂葡到y(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉(zhuǎn)矩控制中各控制環(huán)節(jié)的研究情況。 （1）新型開關(guān)狀態(tài)選擇器的研究 用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)時，需要人為設(shè)定觸發(fā)器的容差，而該容差大小與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。為減少人為因素對系統(tǒng)性能的影響，有人提出將各種先進(jìn)的智能控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過應(yīng)用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)[11-12]，完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，用該選擇器構(gòu)成的系響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗擾動能力強(qiáng)，特別適用于要求快速跟蹤的場合。但是這種方案也存在一統(tǒng)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(dāng)，系統(tǒng)性能的改善就不復(fù)存在，甚至還會變得更差。為了解決這個問題又有學(xué)者提出了采用遺傳算法來學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬度函數(shù)分布[13]，以達(dá)到進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度與減小轉(zhuǎn)矩諧波和電流諧波的目的，這方面的研究還在繼續(xù)。 （2）改善低速性能的研究 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準(zhǔn)確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設(shè)計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻(xiàn)里提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀測器[14]。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個因素一定子電流、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設(shè)計了模糊觀測器。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。這種觀測方法能比較準(zhǔn)確地觀測電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。最近又有人提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)定子電阻觀測器，實驗結(jié)果也證明是可行的，但具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還有待研究完善。 （3）轉(zhuǎn)速辨識 直接轉(zhuǎn)矩控制本身不需要轉(zhuǎn)速信息，但為了精確地控制轉(zhuǎn)速，還是應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)。以往是安裝轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行速度反饋，不僅增加了成本，而且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實際應(yīng)用時，有些場合根本不能安裝轉(zhuǎn)速傳感器，有時甚至找不到轉(zhuǎn)速反饋的位置。因此，很有必要進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識。有人曾推導(dǎo)出一個簡單的轉(zhuǎn)速估算公式，僅需定子電壓和電流就可計算轉(zhuǎn)速。但這只適用于中高速以及系統(tǒng)動態(tài)速度性能要求不高的場合?？柭鼮V波用于估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，仍是十分有力的工具。實驗表明，轉(zhuǎn)速估算值與實際值非常接近，既使在極低速情況下，估算誤差仍很小，但隨電機(jī)參數(shù)變化而變大，需要考慮溫度對參數(shù)的影響，應(yīng)用受到限制。除此以外，MARS方法也被用于轉(zhuǎn)速估算，但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時，MARS模型輸出變?yōu)榱?，失去對速度的控制，此方法不再適用。鑒于此，有學(xué)者提出了一種用于矢量控制的自適應(yīng)速度辨識方案，它比以往的MRAS方法簡單、穩(wěn)定，獲得了較寬的速度控制效果。利用加載波信號的方法亦可把與電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)的誤差區(qū)分開來，從檢測出的載波信號可算出轉(zhuǎn)子的位置和速度。 總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論(以模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主)是人們改進(jìn)DTC系統(tǒng)最主要的理論依據(jù)；高性能的數(shù)字處理器DSP(Digital Signal Processor)和眾多新型的器件的出現(xiàn)，則為改進(jìn)DTC系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，人們對DTC系統(tǒng)的研究往往還是從改善系統(tǒng)某些性能出發(fā)，對所用的理論思想進(jìn)行部分的改進(jìn)。也就是說，整個領(lǐng)域的研究還基本停留在一個局部完善的水平上，而沒有達(dá)到全面提高的層次。 由于近期研究成果的大量涌現(xiàn)，人們現(xiàn)在對直接轉(zhuǎn)矩控制的認(rèn)識更加深刻，對各種局部性能的改善也有了更多的選擇方案。因此，追求整體性能最優(yōu)將成為今后直接轉(zhuǎn)矩控制研究的主要方向。通過改進(jìn)系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)性能，其效果是非常有限的，從軟件方面著手改進(jìn)系統(tǒng)將是今后的大勢所趨，智能控制會發(fā)揮越來越大的作用，成為整個系統(tǒng)的控制核心。近幾年發(fā)展起來的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制結(jié)合起來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制肯定會成為直接轉(zhuǎn)矩控制的重要手段。學(xué)者們一般認(rèn)為傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩個滯環(huán)比較器，通過bang-bang控制實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解禍控制，而矢量控制的主要目標(biāo)是采用坐標(biāo)變換方法對定子電流進(jìn)行解禍控制，并間接地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解禍控制。兩者的主要區(qū)別在于：矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環(huán)，而直接轉(zhuǎn)矩控制沒有。實際上，目前的直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制正在不斷地融合，取長補(bǔ)短，區(qū)別特征己經(jīng)不太明顯。例如Mario Marchesoni等人所提出的定子磁場定向控制方法中去掉了電流閉環(huán)洲，仍保留著PWM逆變器，但是對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩則采用滯環(huán)控制，這與直接轉(zhuǎn)矩控制十分相似。目的都是實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解藕控制，其控制目標(biāo)均是空間矢量，數(shù)學(xué)模型也都是建立在空間矢量的基礎(chǔ)上。兩種方法取長補(bǔ)短相互融合以構(gòu)成更加優(yōu)良的控制系統(tǒng)，也將是未來的發(fā)展方向。 參考文獻(xiàn): [1] 李夙.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994. 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