1、存檔資料 成績：所屬課程名稱 題 目 分 院 專業班級 學 號 學生姓名 指導教師 2013 年 11 月 11 日 異步電機調速系統控制策略發展概況早期交流調壓調速系統的主回路基本上都采用SCR開關器件，輸出的電壓或電流波形中含有較多的諧波，造成電機轉矩脈動大，功率因數較差。隨后發展的滑差頻率速度閉環控制系統基本上解決了異步電機平滑調速的問題，同時也基本上具備了直流電機雙閉環控制系統的優點，結構也不算太復雜，己能滿足許多工業應用的要求，具有較廣泛的應用價值。然而，當生產機械對調速系統的動靜態性能提出更高要求時，上述系統還是比直流調速系統略差一些。原因在于，其控制規律是從異步電機穩態等效電路和

2、穩態轉矩公式出發推導出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統設計時，不得不做出較強的假設，忽略較多的因素，才能得出一個近似的傳遞函數，這就使得設計結果與實際相差較大，系統在穩定性、起動及動態響應等方面的性能尚不能令人滿意。1971年，德國學者F.Blaschke提出了交流電機的磁場定向矢量控制理論1，標志著交流調速理論的重大突破。1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了一種新型交流調速理論一直接轉矩控制。這種方法結構簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大，控制結構復雜，系統性能受電機參數影響較大等缺點。直接轉矩控制在定子坐標系下分析交流電動機的數學模

3、型、控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機與直流電動機做比較、等效、轉化；既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機的數學模型。直接轉矩控制技術采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電機的轉矩，采用電子磁場定向，借助于離散的兩點式調節產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。它省掉了復雜的矢量變化與電動機數學模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發生器，它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，該控制系統的轉矩響應迅速，限制在一拍以內無超調，是一種具有高靜動態性能的交流調速方法。第一節 傳統的

4、直接轉矩控制系統原理傳統的直接轉矩控制的結構框圖如圖：1-1所示。其根據轉矩滯環比較器和磁鏈滯環比較器輸出的開關信號TQ和，以及定子磁鏈所在的扇區信號sector，從已知的定子電壓開關信號選擇表中選擇合適開關狀態，控制逆變器輸出空間電壓矢量，以維持轉矩和定子磁鏈的偏差在滯環比較器的容差范圍內，從而實現對轉矩和磁鏈的直接控制。定子磁鏈和電磁轉矩的反饋值，可由磁鏈和轉矩計算單元觀測得到。之前已經介紹了電壓型逆變器和異步電機的數學模型，下面再對傳統直接轉矩控制系統的其他組成部分得工作原理進行簡要說明。圖1-1 傳統的直接轉矩控制系統的結構框圖1.1磁鏈和轉矩計算單元直接轉矩控制中，定子磁鏈是不能直接

5、檢測的，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。該模型結構簡單，受參數影響小，適用范圍在額定轉速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確地觀測出定子磁鏈。但是當電機在低速運行時，的值將變得很小，由于定子電阻參數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重起來，從而就無法有效使用該模型。因此，當電機轉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，而是要采用電流轉速模

6、型，即根據定子電流和轉速來觀測定子磁鏈。 用定子電流和轉速來確定定子磁鏈的觀測器模型叫電流轉速定子磁鏈模型，在30%額定轉速以下時，能準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參數有、和。需要采集的輸入變量為定子電流和電機轉速。較模型，模型的表達式較為復雜，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逆變器開關信號、和直流側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，再根據三相電流的關系式進行化

7、簡，得到計算式為：（1-5）定子磁鏈幅值計算表達式為（1-6）電磁轉矩通過定子電流和定子磁鏈計算 （1-7）式中為電機極對數。1.2磁鏈調節器磁鏈調節器功能是根據定子磁鏈幅值實際值和幅值給定值的偏差確定磁鏈開關信號。其工作原理是根據定子電壓和定子磁鏈的矢量表達式（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系，即增量關系，定子磁鏈矢量的變化方向跟隨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，磁鏈調節器可以采用滯環比較器實現，滯環寬度從到，如圖

8、2-5所示。圖1-4 定子磁鏈圓形軌跡其工作過程如下：當時，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，滯環比較器輸出，開關選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以增大；當時，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，此時滯環比較器輸出，開關選擇表輸出合適的定子電壓空間矢量以減少；當時，定子磁鏈幅值實際值與幅值給定值之差在容差范圍內，此時滯環比較器輸出保持不變，電壓矢量也保持不變。圖1-5 磁鏈調節器1.3開關選擇單元開關選擇單元的功能是，綜合磁鏈開關信號、轉矩開關信號TQ和定子磁鏈扇區信號，再根據轉矩調節優先的原則，選擇合適的定子電壓矢量，以達到控制電機轉矩和磁鏈的目

9、的。開關選擇表如表2-1所示表2-1 定子電壓開關信號選擇表（逆時針旋轉）磁鏈信號轉矩信號TQ扇區1扇區2扇區3扇區4扇區5扇區6-1-1V2V3V4V5V6V11V7V0V7V0V7V01-1V3V4V5V6V1V21V0V7V0V7V0V7在電機運行過程中，電機參數隨現場工況變化的影響在一定范圍內變化，且這種變化規律事先難以獲取，這將導致定子磁鏈觀測器的精度降低。在定子磁鏈和電磁轉矩閉環的異步電機直接轉矩控制系統中，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，將導致電動機的弱磁運行；反之，如果磁鏈觀測器的幅值小于實際值，將導致電動機的過勵運行。為了彌補電機參數變化導致的定子磁

10、鏈和電磁轉矩觀測失準問題，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折頻率相同，即可實現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參數變化導致定子磁鏈觀

11、測器的精度降低，其、和這三個參數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改進的磁鏈調節器和開關選擇表電機低速時，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，而導致定子磁鏈軌跡內陷非常明顯。因此在原來磁鏈調節器兩級容差的基礎上擴展一級容差9，磁鏈開關信號在“1”和“-1”基礎上再增加“-2”，磁鏈調節器如圖3-2所示。并且引入相應的定子磁鏈補償電壓，補償低速時定子壓降引起的內陷，得到改進的定子電壓開關信號選擇表3-110。圖3-2 增加“-2”級的磁鏈調節器表3-1 增

12、加“-2”級的定子電壓開關信號選擇表磁鏈信號轉矩信號TQ扇區1扇區2扇區3扇區4扇區5扇區6-2-1V3V4V5V6V1V21V1V2V3V4V5V6-1-1V2V3V4V5V6V11V7V0V7V0V7V01-1V3V4V5V6V1V21V0V7V0V7V0V7第二節 直流轉矩控制的發展方向十幾年來，在國內外直接轉矩控制不斷得到發展和完善，特別是隨著各種智能控制理論的引入，涌現出了許多基于模糊控制和人工神經網絡的DTC系統，使得控制性能得到了進一步的改善和提高。控制系統的性能是借助于控制環節來實現的，改善和優化各個環節的結構，必然有利于控制系統性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉矩控制中各控

13、制環節的研究情況。（1）新型開關狀態選擇器的研究用施密特觸發器實現直接轉矩控制的轉矩調節和磁鏈調節時，需要人為設定觸發器的容差，而該容差大小與系統的性能密切相關。為減少人為因素對系統性能的影響，有人提出將各種先進的智能控制理論應用于直接轉矩控制的新方案，通過應用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經網絡等來選擇開關狀態11-12，完全抵消了觸發器的容差影響，使性能改善更加明顯。和傳統的系統相比，用該選擇器構成的系響應快、超調量小、抗擾動能力強，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些難于克服的缺點，例如模糊控制算法的應用中，由于人為選取的模糊狀態選擇器中各變量隸屬度具有較大的主觀性

14、和盲目性，一旦選擇不當，系統性能的改善就不復存在，甚至還會變得更差。為了解決這個問題又有學者提出了采用遺傳算法來學習轉矩誤差的隸屬度函數分布13，以達到進一步提高轉矩響應速度與減小轉矩諧波和電流諧波的目的，這方面的研究還在繼續。（2）改善低速性能的研究傳統的直接轉矩控制系統中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統低速性能的首要問題。近來人們設計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻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、轉速和運動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸

15、出，設計了模糊觀測器。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網絡來實現定子電阻觀測器，實驗結果也證明是可行的，但具體的網絡結構還有待研究完善。（3）轉速辨識直接轉矩控制本身不需要轉速信息，但為了精確地控制轉速，還是應該進行轉速閉環。以往是安裝轉速傳感器進行速度反饋，不僅增加了成本，而且降低了系統的穩定性和可靠性。實際應用時，有些場合根本不能安裝轉速傳感器，有時甚至找不到轉速反饋的位置。因此，很有必要進行轉速辨識。有人曾推導出一個簡單的轉速估算公式，僅需定子電壓和電流就可計算轉速。但這只適用于中高速以

16、及系統動態速度性能要求不高的場合。卡爾曼濾波用于估算電機轉速，仍是十分有力的工具。實驗表明，轉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，但隨電機參數變化而變大，需要考慮溫度對參數的影響，應用受到限制。除此以外，MARS方法也被用于轉速估算，但當轉速很低時，MARS模型輸出變為零，失去對速度的控制，此方法不再適用。鑒于此，有學者提出了一種用于矢量控制的自適應速度辨識方案，它比以往的MRAS方法簡單、穩定，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參數不準的誤差區分開來，從檢測出的載波信號可算出轉子的位置和速度。總之，直接轉矩控制的發展得益于現代科學技術的進步。

17、現代控制理論和智能控制理論(以模糊控制和人工神經網絡為主)是人們改進DTC系統最主要的理論依據；高性能的數字處理器DSP(Digital Signal Processor)和眾多新型的器件的出現，則為改進DTC系統提供了強大的物質基礎。現在，人們對DTC系統的研究往往還是從改善系統某些性能出發，對所用的理論思想進行部分的改進。也就是說，整個領域的研究還基本停留在一個局部完善的水平上，而沒有達到全面提高的層次。由于近期研究成果的大量涌現，人們現在對直接轉矩控制的認識更加深刻，對各種局部性能的改善也有了更多的選擇方案。因此，追求整體性能最優將成為今后直接轉矩控制研究的主要方向。通過改進系統各組成環

18、節的內部結構來提高系統性能，其效果是非常有限的，從軟件方面著手改進系統將是今后的大勢所趨，智能控制會發揮越來越大的作用，成為整個系統的控制核心。近幾年發展起來的將神經網絡和模糊控制結合起來的神經網絡或神經網絡模糊控制肯定會成為直接轉矩控制的重要手段。學者們一般認為傳統的直接轉矩控制采用兩個滯環比較器，通過bang-bang控制實現對磁鏈和轉矩的解禍控制，而矢量控制的主要目標是采用坐標變換方法對定子電流進行解禍控制，并間接地實現對轉矩和磁鏈的解禍控制。兩者的主要區別在于：矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環，而直接轉矩控制沒有。實際上，目前的直接轉矩控制和矢量控制正在不斷地融合，取長補短，

19、區別特征己經不太明顯。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洲，仍保留著PWM逆變器，但是對定子磁鏈和轉矩則采用滯環控制，這與直接轉矩控制十分相似。目的都是實現對磁鏈和轉矩的解藕控制，其控制目標均是空間矢量，數學模型也都是建立在空間矢量的基礎上。兩種方法取長補短相互融合以構成更加優良的控制系統，也將是未來的發展方向。參考文獻:1 李夙.異步電動機直接轉矩控制. 北京: 機械工業出版社, 1994.2 陳堅. 交流電機數學模型及調速系統. 北京: 國防工業出版社, 19893 高景德,王祥珩,李發海. 交流電機及其系統分析（AC Machine and System Analysis）. 北京:清華大學出版社,1993.4 陳伯時. 電力拖動自動控制系統. 機械工業出版社,19955 李永東. 交流電機數字控制系統. 機械工業出版社,2003,046 D.Casadi, G.Serra and A.Tani. Stator Flux Vector Control for High Performance InductionMotor Drives Using Space Vector Modulation. Electromation,2(2):79 867 肖岸文,佘致廷. 模糊控制技術在異步電機直