現代控制理論在電機中的應用

1、現代控制理論與電機控制劉北070301071電氣工程及其自動化0703 班現代控制理論在電機控制中的具體應用：自 70 年代異步電動機矢量變換控制方法提出，至今已獲得了迅猛的發(fā)展。這種理論的主要思想是將異步電動機模擬成直流機， 通過坐標變換的方法， 分別控制勵磁電流分量與轉矩電流分量， 從而獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調速特性。這種控制方法現已較成熟，已經產品化，且產品質量較穩(wěn)定。因為這種方法采用了坐標變換，所以對控制器的運算速度、 處理能力等性能要求較高。 近年來，圍繞著矢量變換控制的缺陷， 如系統(tǒng)結構復雜、 非線性和電機參數變化影響系統(tǒng)性能等等問題，國內、外學者進行了大量的研究。伴隨著推

2、進矢量控制、直接轉矩控制和無傳感器控制技術進一步向前發(fā)展的是人工智能控制， 這是電機現代控制技術的前沿性課題，已取得階段性的研究成果，并正在逐步實用化。矢量控制和直接轉矩控制技術的一個新的發(fā)展方向是直接驅動技術， 這種零方式消除了傳統(tǒng)機械傳動鏈帶來的一系列不良影響， 極大地提高了系統(tǒng)的快速響應能力和運動精度。 但是，這種機械上的簡化， 導致了電機控制上的難度。 為此，需要電機控制技術的進一步提高和創(chuàng)新。 這正是電機現代控制技術有待深入研究和具有廣闊開發(fā)前景的新領域。電機的現代控制技術與先進制造裝備息息相關， 已在為先進制造技術的重要研究領域之一，國內很多學者和科技人員正在從事這方面的研究和開發(fā)

3、。一、三相感應電動機的矢量控制1、 定、轉子磁動勢矢量三相感應電動機是機電能量轉換裝置， 這種的物理基礎是電磁間的相互作用或者磁場能量的變化。 因此，磁場是機電能量轉換的媒介， 是非常重要的物理量。為此，對各種電動機都要了解磁場在電動機空間內的分布情況。 感應電動機內磁場是由定、轉子三相繞組的磁動勢產生的， 首先要確定電動機內磁動勢的分布情況。對定子三相繞組而言，當通以三相電流i A 、 iB 、 iC 時，分別產生沿著各自繞組軸線脈動的空間磁動勢波，取其基波并記為f A 、 fB 、 fC ，顯然它們都是空間矢量。對于分布和短矩繞組， 定義正向電流產生的空間磁動勢波基波的軸線為該相繞組的軸線

4、，亦即fA 、 f B 、 fC 是以 ABC 為軸線沿圓周正弦分布的空間矢量，各自的幅值是變化的，取決于相電流的瞬時值，即有FA (t )4N sk s i A（ 1）2pnFB (t )4N sk s i B（ 2）2pnFC (t )4 N sk s i C（ 3）2pn式中， pn 為極對數； N s 為每相繞組匝數； k s 為繞組因數。當相電流瞬時值為正值時，磁動勢矢量方向與該相繞組軸線一致，反之則相反。2、定、轉子電流空間矢量與定、轉子磁動勢矢量類似，轉子電流也可能理解為三相矢量。考慮到功率不變約束，確定單軸線圈有效匝數為每相繞組有效匝數的 3 / 2 倍，于是可以得出22（ 4

5、）is3(i Aai Ba iC )同理，有ir2 (ia ai b a2ic )e j r（ 5）3或者i r2 (iaA aibB a2icC )（ 6）3式中， ia 、 ib 、 ic 是轉子實際電流，iaA 、 ibB 、 icC 是以靜止軸系ABC 表示的轉子電流，也就是上面提到的經轉子頻率歸算后的電流。3、定、轉子電壓空間矢量感應電動機在運行中，就控制相電流而言，外加相電壓相當于系統(tǒng)的外部激勵，可以通過調節(jié)相電壓來改變相電流， 進而控制電動機內的磁動勢和空間磁場，實現對電動機物理量的矢量控制。從這個角度說，可以將電壓看成是空間矢量。同定子電流空間矢量一樣，可以將定子電壓空間矢量定

6、義為us2 (uA auB a2uC )（ 7）3在電動機矢量控制中，一般是通過控制三個相電壓來控制電壓空間矢量。當 A 相繞組正向連接， B 和 C相繞組同時反向連接時，則有uBuC（ 8）uAuB Vc（ 9）即us2Vc（10）34、定、轉子磁鏈空間矢量由電工理論可知Li（11）所以，若電流是空間矢量，則磁鏈一定也是空間矢量。同定子電壓空間矢量一樣，可將定子磁鏈空間矢量定義為s2 (A a B a2C )（12）3式中，A 是鏈過定子 A 相繞組磁鏈的總和，包括它的自感磁鏈，也包括其他定、轉子繞組對它的互感磁鏈，對B 和C 也是如此。同理，在以轉子自身旋轉的abc 軸系中，定義轉子磁鏈空

7、間矢量為abcr2 (A a B a2C )（13）3而以 ABC 軸系表示的轉子磁鏈空間矢量為rrabce j r（14）二、三相感應電動機直接轉矩控制直接轉矩控制與矢量控制不同，它是直接將磁通和電磁轉矩作為控制變量，因此無需進行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉矩的直接控制，無疑更為簡捷和快速，進一步提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應能力。正因如此，雖然直接轉矩控制從理論提出到實際應用都滯后于矢量控制，但由于該方法本身固有的優(yōu)勢，使直接轉矩控制的理論研究和技術開發(fā)越來越受到重視，進展的步伐也越來越快。直接轉矩控制是把轉矩作為直接控制變量， 利用離散的逆變器開關電壓矢量對定子磁鏈矢量軌跡控制的同時實現對轉矩

8、的直接控制。由于直接轉矩控制不是通過定子電流來間接控制轉矩， 因此省掉了電流或電壓的控制環(huán)節(jié)， 這對提高系統(tǒng)的快速響應能力是有利的。 直接轉矩控制是直接將轉矩檢測值與轉矩給定值進行滯環(huán)比較， 根據比較結果選擇開關電壓矢量， 開關電壓矢量可以直接控制定子磁鏈矢量的速度， 也就實現了對轉矩的直接控制。 滯環(huán)比較器相當于兩點式調節(jié)器， 滯環(huán)比較器屬于 Bang-Bang控制，使轉矩能快速調節(jié)。另外，直接控制的運算均在靜止的定子坐標系中進行， 不需要旋轉軸系到靜止軸系的變換，也就不需要像矢量控制那樣進行復雜的矢量變換或坐標變換；由于不需要磁場定向， 也就不需要復雜的磁場定向算法， 大大簡化了運算處理過

9、程，提高了控制運算速度。直接轉矩控制是將轉矩直接作為控制變量， 從控制轉矩的角度出發(fā)， 強調的是轉矩的控制效果， 追求轉矩控制的快速性和準確性。 直接轉矩控制是控制定子磁鏈適量的走走停停， 通過控制定子磁鏈矢量相對轉子磁鏈矢量的平均旋轉速度來控制電磁轉矩， 這種控制過程始終是在動態(tài)下進行的。 不需要給出定子磁鏈矢量精確的空間位置， 只需要了解定子磁鏈矢量所在區(qū)間的位置， 因此位置檢測比較簡單。矢量控制系統(tǒng)當電壓源逆變器時，為能獨立地控制定子電流的兩個分量，需要附加電壓解耦電路， 或者增加電流快速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)， 將電壓源逆變器構成為電流可控 PWM逆變器。直接轉矩控制可以直接利用電壓源逆變器，

10、不需要電壓解耦，直接對逆變器開關狀態(tài)進行最佳控制。 直接轉矩控制的解耦體現在選擇合適的矢量開關電壓，通過它們的徑向分量和切向分量來獨立地控制定子磁鏈矢量的幅值或轉速。傳統(tǒng)的轉子磁場定向控制系統(tǒng)一般需要四個調節(jié)器，而直接轉矩控制只需要速度、位置調節(jié)器和兩個滯環(huán)控制器， 這不僅使控制系統(tǒng)得到簡化， 也有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。三、三相永磁同步電動機直接轉矩控制直接轉矩控制與矢量控制的比較直接轉矩控制PMSM直接轉矩控制的實質是通過控制交軸電流iq 控制轉矩，所以直接轉矩控制與矢量控制在轉矩控制原理上是相同的，差異主要體現在控制方式上。電磁轉矩生成的實質是磁場間的相互作用， 而磁場是由定子電流產生的

11、， 所以無論采用何種控制方式，最終都只能通過控制定子電流才能實現對轉矩的控制。從這一點上說， PMSM直接轉矩控制其實并不 “直接”，因為它不是直接將 i q 作為控制變量，而是通過定子電壓來間接控制iq 。其中 i q 的表達式為1 (uqr f )iqRs（15）1Ts p式中， TsLs / Rs ， Ts 為定子時間常數。矢量控制矢量控制基本原理是將i q 和 id直接作為控制變量， 通過iq 控制轉矩，通過 i d 控制s。所以，矢量控制更“直接”地控制轉矩。矢量控制對iq 和 id的控制，一種方法是采用快速電流控制環(huán)， 構成電流可控 PWM逆變器。另一種方法是利用電壓源逆變器，但要

12、采用電流調節(jié)器， 若不考慮調節(jié)器的滯后因素， 可以認為實際電流是嚴格跟蹤指令電流的。 直接轉矩控制不采用電流調節(jié)器和坐標變換， 提高了系統(tǒng)的快速性，但它是以降低轉矩控制精度為代價的?？v觀電機工業(yè)的發(fā)展史， 幾乎每一次大的發(fā)展都是有理論方面的突破。 但現在作為一些較成熟的現代交流系統(tǒng)， 再提出具有劃時代意義的理論不太容易。 因此今后的發(fā)展， 相當長一段時間內還會是將現有的各種控制理論加以結合， 互相取長補短，或者將其它學科的理論、方法引入電機控制，走交叉學科的道路，以解決上述問題。近年來，智能控制研究很活躍，并在許多領域獲得了應用。典型的如模糊控制、 神經網絡控制和基于專家系統(tǒng)的控制。 由于智能控制無需對象的精確數學模型并具有較強的魯棒性， 因而許多學者將智能控制方法引入了電機控制系統(tǒng)的研究， 并預言未來的十年將開創(chuàng)電力電子和運動控制的新紀元。 比較成熟的是模糊控制， 它具有不依賴被控對象精確的數學模型、 能克服非線性因素的影響