基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究_圖

1、江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研 究姓名:蔣彥申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):控制理論與控制工程指導(dǎo)教師:劉國海20060401江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要永磁交流伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床、機器人等的重要組成部分,隨著加工制造、 汽車等行業(yè)的發(fā)展,已成為國內(nèi)外研究和應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。在對永磁同步電 動機(PMSM的數(shù)學(xué)模型和控制理論進行全面、深入研究的基礎(chǔ)上,本文在PMSM 的參數(shù)估計、無位置傳感器控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC方面做了大量的理論和實 驗研究。論文給出了PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)方法,推導(dǎo)出在電流限制條件下,基 速以上采用MTPF(最大轉(zhuǎn)矩磁鏈運行時的

2、穩(wěn)定條件。論文提出了一種基于擴展卡爾曼濾波器(EKF的PMSId直接轉(zhuǎn)矩控制方法, 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能很大程度上取決于定子磁鏈估計精度,而它們的精度既 取決于合適磁鏈的估計模型,又決定于定子電流、電壓的測量精度。擴展卡爾曼 濾波器是建立在基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下由定子電流、電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和其它電機參量 所構(gòu)成的電機模型上,將定子電流、定子磁鏈、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子角位置作為狀態(tài)變量, 定子電壓為輸入變量,定子電流為輸出變量。通過對磁鏈和轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,降 低電流、電壓測量的隨機誤差,提高定子磁鏈的估計精度,于此同時還能估計出 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。該方法有效提高了定子磁通觀測的準(zhǔn)確性,并對電機參數(shù)變化和負載 擾動具有較

3、強的魯棒性。由于卡爾曼濾波器不需要準(zhǔn)確的初始值,所以解決了直 接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)子初始位置的要求,該方法是一種本質(zhì)上的無位置傳感器控制方 法,可以極大地提高控制系統(tǒng)的性能,仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。最后針 對仿真結(jié)果的偏差,提出了改進措施。在上述工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計出基于TMS320F240DSP微控制器的交流調(diào)速控 制硬件平臺。通過系統(tǒng)在所設(shè)計的硬件平臺上的實時實驗對所提出的控制策略的 可行性和實用性進行分析和研究,證明其具有多種接口方式、寬調(diào)速范圍和良好 的動靜態(tài)特性。關(guān)鍵詞:擴展卡爾曼濾波器,永磁同步電機,參數(shù)估計,直接轉(zhuǎn)矩控制, 最大 轉(zhuǎn)矩/磁鏈江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTWit

4、h development of the manufacturing&automobile industry,as atl important part of digital control machine tool and robot etc.,PM AC servo system has been the important domain of domestic and foreign research/application.Based on the comprehensivelyfurther research on PMSMS mathematic model and control

5、 theory, further theory and substantially experimental research are discussed on PMSMl S parameters estimation,sensor-less control and direct torque contr01.In this thesis,a method of PMSM direct torque control(DTCis presented,and the steadiness condition with MTPF operation is deduced(above base sp

6、eed,undrr current limitation.A PMSM direct torque control based on EKF is presented in this thesis. Performance of DTC system depends greatly on the accuracy of the estimated stator flux and rotor speed,which in turn depends on the proper models and accuracy ofthe monitored currents and voltages.EKF

7、 is based on d-q axis motor model consists of stator current,stator flax linkage,angular speed&position of rotor and other motor parameters(state vector:stator current,stator flux linkage,rotor angular speed& position;input:stator voltage;output:stator current.EKF is designed for stator flux and rot

8、or speed estimation in close-loop contr01.It carl decrease the errors of monitored currents and voltages,improve the estimated accuracy of stator flux and rotor angular speed&position to perform sensor-less contr01.EKF improves the accuracy of stator flux,and it is robust to parameters change and lo

9、ad disturbance. Since the initial value is not necessary for EKF,the problem,rotor initial position required by DTC,is solved.It is all essential sensor-less control method and its validity is verified by simulation.Finally,an improved method is proposed according to the deviation ofthe simulation r

10、esults.Based on the research above,the design of AC regulator based on TMS320F240 DSP is introduced.The feasibility and practicability of the method was discussed according to real time experiment results,and qualifies,such as multiinterface,wide speed range,and good dynamic and static performance,h

11、as been testified. Keywords:Extended Kalman Filter,permanentmagnet synchronous motor, parameters estimation,Direct torquecontrol,MPIl學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定, 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版, 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密口,在 年解密后適用本授權(quán)書。

12、 本學(xué)位論文屬于不保密固。學(xué)位論文作者簽名:蔣 磚 簽字日期:知d年莎月,j7日學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位:通訊地址: 導(dǎo)師簽名:痧1/氣伊 簽字日期:1年6月Ir日電話:郵編:獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨立進 行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容以外,本論文 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的 研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人 完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:荇 彥 B強:2e。6年6只iB江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論1.1課題的背景和意義永磁同步電機(P

13、MSM采用永磁體產(chǎn)生磁場,結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約能量。從70年 代末、80年初起,就因其具有體積小、功率密度高、效率和功率因數(shù)高等明顯 的特點引起了從事電機及其驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)研究的學(xué)者和研究人員的廣泛注意和 重視“。永磁同步電機的發(fā)展是同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的。19世紀(jì)20年代出現(xiàn) 的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但當(dāng)時所用的永磁 材料是天然磁鐵礦石(Fe。0。,磁能密度很低,用它制成的電機體積龐大,不久 被電勵磁電機所取代。直到20世紀(jì)60年代至80年代,稀土鉆永磁和釹鐵硼永 磁(二者統(tǒng)稱稀土永磁相繼問世,它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和 線性退磁曲線等優(yōu)異磁性能特別適合

14、于制造電機,從而使永磁電機的發(fā)展進入一 個新的歷史時期。稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分成三個階段。第一階段:20世紀(jì)60年代后期至70年代,由于稀土鈷永磁價格昂貴,研究 開發(fā)重點是航空、航天用電機和要求具有特殊高性能的高科技領(lǐng)域。第二階段:20世紀(jì)80年代,特別是1983年出現(xiàn)了價格相對較低的釹鐵硼永 磁后,國內(nèi)外永磁電機的研究開發(fā)重點轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機上。由于稀土永磁 的優(yōu)異磁性能,加上電力電子器件和微機技術(shù)的迅猛發(fā)展,使許多傳統(tǒng)的電勵磁 電機紛紛采用稀土永磁電機來替代,從而可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到 的高性能。第三階段:20世紀(jì)90年代之后,隨著永磁材料性能的不斷提高和完善,

15、特 別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子 器件的進一步發(fā)展,再加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟,除了大力推廣和 應(yīng)用已有研究成果,使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個方面獲得 越來越廣泛的應(yīng)用外,同時稀土永磁電機的研究開發(fā)也進入一個新階段。一方面, 向大功率化(高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、.高功能化和微型化方向發(fā)展。目前,稀土永磁 電機的單臺容量已超過1000kW,最高轉(zhuǎn)速己超過300000r/min,最低轉(zhuǎn)速低 于0.01r/min,最小電機外徑只有0.8mm,長1.2硼。另一方面,促使永磁電江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文機的設(shè)計理論、計算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的

16、研究工作出現(xiàn)嶄新的局 面,有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科研成果大量涌現(xiàn),形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路 解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計算機輔助設(shè)計軟件。我國的稀土資源豐富,稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁 材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平,因此,有充分的條件發(fā) 揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢,大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機為代表的各種 永磁電機。永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比,不需要無功勵磁電流,可以顯著提高功 率因數(shù)(可達到l,甚至容性,減少了定子電流和定子電阻損耗,而且在穩(wěn)定 運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗,進而可以減小風(fēng)扇(小容量電機甚至可以去掉風(fēng)扇和相 應(yīng)的風(fēng)摩損耗,效率比

17、同規(guī)格感應(yīng)電動機可提高28個百分點。而且,永磁同 步電動機在25%120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù),使輕載 運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動繞組,具有在某一 頻率和電壓下直接起動的能力。目前主要應(yīng)用在油田、紡織化纖行業(yè)、陶瓷玻璃 行業(yè)和年運行時間長的風(fēng)機水泵等領(lǐng)域。我國自主開發(fā)的高效高起動轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動機起動轉(zhuǎn)矩比感應(yīng)電 動機大50%100%,在油田中的應(yīng)用中,可以替代大個機座號的感應(yīng)電動機, 節(jié)電率在20%左右。紡織化纖行業(yè)中負載轉(zhuǎn)動慣量大,要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計永磁同步電動 機的空載漏磁系數(shù)、凸極比、轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)可以提

18、高永 磁電機的牽入性能,促使它應(yīng)用于新型的紡織化纖工業(yè)。大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風(fēng)機、泵類用電 機是耗能大戶,而目前所用電機的效率和功率因數(shù)較低,改用釹鐵硼永磁后不僅 提高了效率和功率因數(shù),節(jié)約能源,且為無刷結(jié)構(gòu),提高了運行的可靠性。目前 l 120kW永磁同步電動機是世界上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機,效率 高于96.5%(同規(guī)格電機效率為95%,功率因數(shù)0.94,可以替代比它大12個 功率等級的普通電動機。永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場,但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制 其磁場極為困難。這使永磁電機的應(yīng)用范圍受到了限制。但是,隨著MOSFET、 IGBT

19、等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展,大多數(shù)永磁電機在應(yīng)用中,可以 不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需要把稀土永磁材料、電力電子器2江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)合起來,使永磁電機在嶄新的工況下運行。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢最早永磁同步電機的高性能控制采用電流型的矢量控制“3。矢量控制最早是 F.Blaschke針對于異步電機提出的,它是通過將強耦合的交流電機通過旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)變換成等效的直流電機而進行的一種解耦控制方式。后來拓展應(yīng)用到永磁同步 電機上.控制的基本思想是通過控制垂直于轉(zhuǎn)子磁鏈的定予電流來控制轉(zhuǎn)矩。在 交流系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子以定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),相對于轉(zhuǎn)子磁鏈靜止的定子電流

20、在三相系 統(tǒng)中的分量就是正弦的。永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型可以通過坐標(biāo)變換得到簡化,通常坐標(biāo)系取相在相 對轉(zhuǎn)子靜止的坐標(biāo)系上。這個坐標(biāo)系的x軸通常叫做直軸(用符號表示:d,與 之垂直的軸叫做交軸(用符號表示:日,其中直軸與轉(zhuǎn)子磁鏈重合。如果控制定 子電流,使其僅僅含有交軸分量,那么通常稱作這種控制方式為=0控制方式。 但是毛=0的控制方式并不是適用于所有的永磁同步電機。原因在于氣隙磁 鏈會受到電機電流和電感的影響,這種現(xiàn)象通常稱為電樞反應(yīng)。如果氣隙磁場并 不是和上述的坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn),就會產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩,這個轉(zhuǎn)矩又被稱作磁阻轉(zhuǎn)矩。 如果直軸的定子電流為零,產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也為零。不同的交直軸電感是由于交

21、直軸不同的磁路導(dǎo)致的。如果轉(zhuǎn)子是表面凸出式 結(jié)構(gòu)的永磁同步電機,由于永磁材料的相對可逆磁導(dǎo)率接近1(意味著永磁體在 磁路中的性質(zhì)和空氣一樣,那么電機的等效氣隙就會很大,電機的電感就會很 小,但是得到的交直軸電感相等。如果轉(zhuǎn)子是其他結(jié)構(gòu)的,由于交直軸磁路的不同,就會形成不等的交直軸電 感:因為交軸的磁路不經(jīng)過永磁體,得到的交軸電感通常大于直軸電感。上述的問題必須在永磁同步電機的控制策略中予以考慮。1986年Jahns首 先分析了這個問題,得到了最大轉(zhuǎn)矩電流比的表達式,并以此進行控制。這種控 制方式通常被稱作最大轉(zhuǎn)矩電流比控制,又稱作最小電流控制。1985年德國Depenbrock也提出了一種新型

22、的交流電機控制方式“1。其基本 思想是通過控制定予磁鏈來直接控制轉(zhuǎn)矩,不是像矢量控制那樣通過控制電流來 控制轉(zhuǎn)矩,而是在定子坐標(biāo)系下觀測電機定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩,將磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀 測值與給定值之差經(jīng)兩值滯環(huán)比較器后得到磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制信號,綜合考慮定子磁鏈位置,通過事先定義好的開關(guān)表選擇適當(dāng)空間電壓矢量,控制定子磁鏈的走 向,從而控制轉(zhuǎn)矩。這種控制方式不需要任何的轉(zhuǎn)子位置信息和電機的轉(zhuǎn)子參數(shù), 無需將交流電機與直流電機作等效與轉(zhuǎn)化,省去復(fù)雜的空間坐標(biāo)變換和電機模 型。轉(zhuǎn)矩直接控制采用定子磁鏈定向,只需檢測定子電阻即可準(zhǔn)確觀測定子磁鏈, 解決了矢量控制中控制性能受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響的問題。1986年日本的T

23、akalzashi“又提出一種類似的控制方案。方案起初之始, Takahashi并沒有給這種的控制方式命名,在后來的文章才命名這種方式轉(zhuǎn)矩直 接控制(Direct Torque Control,DTC,而Depenbroek稱之為DSC(Direct Self Contr01。此后,有關(guān)轉(zhuǎn)矩直接控制。H”的文章大量出現(xiàn),但是有關(guān)永磁同步電機轉(zhuǎn)矩 直接控制的討論還不多見。由于永磁同步電機控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點,國內(nèi)外大學(xué)和公司投入了大量的人 力、財力加以研究,從20世紀(jì)80年代已經(jīng)提出了一系列控制方法。在研究過程 中發(fā)現(xiàn);由于使用傳感器給永磁同步電機系統(tǒng)帶來很多問題,所以無傳感器的控 制系統(tǒng)越來越引

24、起人們的重視。無傳感器控制系統(tǒng)“”?！?是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號,通過適當(dāng)方法 估計出轉(zhuǎn)子的位置和速度,取代傳感器,實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。我國也有許多的單 位在研究、開發(fā)和引進永磁同步電機控制系統(tǒng)的技術(shù)、元器件和裝備。下面對各 種估算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子磁鏈的方法逐一進行介紹。l、宣接計算方法“”。”從電機電磁關(guān)系式和轉(zhuǎn)速的定義中可以得到關(guān)于轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速關(guān)系的量。 由于定子的三相端電壓和電流是可直接檢測的量,因此利用它們計算出e和。是 最簡單、最直接的方法。這種方法的特點是計算簡單,動態(tài)響應(yīng)快,幾乎沒有什么 延遲。但它對電機參數(shù)的準(zhǔn)確性要求比較高,隨著電機運行狀況的變化(例如溫度 的升高

25、,電機參數(shù)會發(fā)生一定的變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和位置的估算值偏離真實值。而 這種方法沒有補償或校正環(huán)節(jié)。因此,應(yīng)用這種方法時最好結(jié)合電機參數(shù)的在線 辨識。2、基于反電動勢或定子磁鏈的估算方法。61利用計算反電動勢來估算轉(zhuǎn)子位置和速度是較早提出的方法,這種方法僅依 賴于電機的基波方程,因此實施起來較簡單。但是這種方法最大的問題在于低速 時,當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時,反電動勢的值也很小,所以這種方法在低速時誤差很大。我們4還可以通過計算定子磁鏈來估計轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置,磁鏈由反電動勢積分求得,但 是由于積分器的零漂問題,這樣得到的磁鏈的值會有積分誤差。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較低 時,問題更為嚴(yán)重。為了克服這個問題,需要引入誤差補償環(huán)節(jié)

26、,使得估算的磁通 和實際值相等。3、模型參考自適應(yīng)方法“73還有一種較常用的估算轉(zhuǎn)子位置和速度的方法就是模型參考自適應(yīng)(MRAC 法。模型參考自適應(yīng)辨識的主要思想是將含有待估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型, 將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型,兩個模型具有相同物理意義的輸出量。兩 個模型同時工作,并利用其輸出量的差值根據(jù)合適的自適應(yīng)率來實時調(diào)節(jié)可調(diào)模 型的參數(shù),以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。根據(jù)穩(wěn)定性原理得到速 度估計自適應(yīng)公式,系統(tǒng)和速度的漸進收斂性由Popov的超穩(wěn)定性來保證。MRAC 應(yīng)用到轉(zhuǎn)速估計方面較有影響的方法是Schauder“81提出的轉(zhuǎn)速MRAC辨識方法。 他的主要思想是將

27、不含真實轉(zhuǎn)速的磁鏈方程(電壓模型作為參考模型,含有待 辨識轉(zhuǎn)速的磁鏈方程(電流模型作為可調(diào)模型,以轉(zhuǎn)子磁鏈作為比較輸出量, 采用比例積分自適應(yīng)律進行轉(zhuǎn)速估計,狀態(tài)和轉(zhuǎn)速的漸進收斂性由Popov的超穩(wěn) 定性理論來保證。這種方法由于仍采用電壓模型法來估計轉(zhuǎn)子磁鏈,引入了純積 分環(huán)節(jié),使得在低速時轉(zhuǎn)速的誤差較為明顯。其后Y.Hori,P.Z.Zheng“”。1等對 該方法作了改進,改進的主要方面是在選擇不同的參考模型和比較輸出上及避免 純積分環(huán)節(jié)?；贛RAC的參數(shù)估計是以參考模型的準(zhǔn)確為基礎(chǔ)的,參考模型本 身的參數(shù)準(zhǔn)確程度直接影響著參數(shù)辨識和控制系統(tǒng)工作的效果,由于對電機參數(shù) 的依賴性強,所以要同

28、時對多個參數(shù)進行辨識,保證參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)同時收斂到 真值。4、基于各種觀測器的估算方法觀測器的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu),其原理是重新構(gòu)造一個系統(tǒng),利用原系統(tǒng)中可直 接測量的變量如輸出量和輸入量作為它的輸入信號,并使其輸出信號量(,在一定 的條件下等價于原系統(tǒng)的狀態(tài)x(f。通常,稱i(f為x(f的重構(gòu)狀態(tài)或估計狀態(tài), 而稱這個用以實現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)為觀測器。法。這種方法具有穩(wěn)定性好、魯棒 性強、適用面廣的特點。但是由于它算法比較復(fù)雜,計算量較大,受到計算機或微 處理器計算速度的限制,近年來,隨著微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了高性能 的微處理芯片和數(shù)字信號處理器(DSP,大大地推動了這一方法在無速度傳感器

29、 矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在這些方法中較常見的如下;江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文滑模變結(jié)構(gòu)法?！?2。1986年,J.J.Slotine提出了滑模觀測器的非線性估 計問題,引起對滑模變結(jié)構(gòu)觀測器的廣泛重視?；？刂浦?傳動系統(tǒng)被切換算 法強制在參考模型或相平面預(yù)先確定的超平面(滑模面上,使得控制系統(tǒng)狀態(tài) 量最終穩(wěn)定在滑模面上。Sangwonwanich提出了利用靜止兩相坐標(biāo)系下的派克 模型的電流估計偏差信號來確定滑?？刂茩C梅,并將滑模開關(guān)輸出直接用于電機 模型的參數(shù)補償和轉(zhuǎn)速估計?；？刂葡到y(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng),在魯棒性和簡 便性上的表現(xiàn)也較為突出,從而使系統(tǒng)參數(shù)變化和負載轉(zhuǎn)矩的擾動不敏感。但它 存在的

30、主要問題是抖動,即由非線性引起的自振。抖動產(chǎn)生的原因是由于系統(tǒng)慣 性引起的切換滯后以及離散化采樣的影響,抖動的存在使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度 較差,尤其在重載下更為突出。目前雖然有積分補償?shù)热ザ秳拥姆椒?但如何在 去抖動的同時仍然保證足夠的參數(shù)魯棒性和狀態(tài)收斂的轉(zhuǎn)速仍是一個具有實際 意義的課題。擴展卡爾曼濾波法。”。2。卡爾曼濾波是由R.E.Kalman在六十年代提出的一 種最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測估計的方法,其突出特點在于可以有效地削弱隨機 干擾和測量噪聲的影響。擴展卡爾曼濾波算法則是線性卡爾曼濾波器在非線性系 統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。將電機參數(shù)視做狀態(tài)變量,考慮電機的非線性模型,在每一步 估計時都重新

31、將模型在該點線性化,再沿用線性卡爾曼濾波器的遞推公式進行估 計。在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下以定子電流,電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子角位置為狀態(tài)變量,建立 離散化的非線性模型,在k時刻線性化,用線性遞推公式進行計算。擴展卡爾曼 濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計方法,避免對測量量的微分計算,且可 以通過對Q陣和R陣(Q陣和R陣代表噪聲的統(tǒng)計特性的選擇來調(diào)節(jié)狀態(tài)收斂 程度。5、高頻注入方法。這種方法是給電機注入高頻電壓,并檢測其相應(yīng)的電流來獲取轉(zhuǎn)子的位置和 轉(zhuǎn)速。這種方法只適用于IPMSM,即它要求電機有一定的凸極。它利用固定載波 頻率勵磁的方法來估算轉(zhuǎn)子位置和速度。這種方法的優(yōu)點是可以應(yīng)用于較寬的速 度范圍內(nèi),低速

32、時也能得到較好的估算結(jié)果。但是由于有高頻信號注入,它又會帶 來高頻噪聲的問題。6、人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法進入20世紀(jì)90年代,電機傳動上的控制方案逐步走向多元化。智能控制思 想開始在傳動領(lǐng)域顯露端倪,專家系統(tǒng)、模糊控制、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文絡(luò)紛紛應(yīng)用于電機控制方案中。這方面的文章雖也屢有發(fā)表,只是產(chǎn)業(yè)化的道路 仍綴漫長,相信在不遠的將來,隨著智能控制理論與應(yīng)用的日益成熟,會給交流傳 動領(lǐng)域帶來革命性的變化。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例介紹如下:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法?！?。以電壓模型作為參考模型,電流模型作為對象模型, 用神經(jīng)元與電流模型構(gòu)成可調(diào)系統(tǒng)。以電壓模型和電流模型的狀態(tài)變量轉(zhuǎn)子

33、 磁鏈的誤差,通過BP算法,調(diào)節(jié)神經(jīng)元的權(quán)值,使兩模型的狀態(tài)誤差為零,由 于轉(zhuǎn)子速度信號包含在某一權(quán)值中,故可提取出來,從而得到轉(zhuǎn)子速度。此方法 還可以辨識其他時變參數(shù)。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,以轉(zhuǎn)子電流作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 輸入樣本,以電機實際轉(zhuǎn)速為目標(biāo)樣本,建立多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用BP算法調(diào) 整其權(quán)值,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與目標(biāo)樣本一致,得到一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來辨識電機 轉(zhuǎn)速。1.3本文的主要研究內(nèi)容由于實現(xiàn)永磁電機的調(diào)速,轉(zhuǎn)子位置傳感器必不可少,一般采用旋轉(zhuǎn)式傳感 器,它與電機同軸安裝,所以帶來安裝上困難和維護性能差,不僅如此,而且在 中小功率范圍內(nèi)電機傳感器在調(diào)速系統(tǒng)成本中占較大部分?？梢钥闯鲭姍C無傳

34、感 器調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的應(yīng)用前景,對推廣電機的應(yīng)用范圍有重要的價 值。對高性能、無傳感驅(qū)動技術(shù)而言,至關(guān)重要的是精確估計不可測的可變電機 參數(shù)。分析各類文獻己提出的眾多可觀參數(shù),其中僅有-+部分能在寬調(diào)速范圍、 無傳感器的系統(tǒng)內(nèi)被長期觀測并精確測量。在低速范圍內(nèi),由于這些參數(shù)易受無 規(guī)律的非線性噪聲的干擾且難于與模型參數(shù)相匹配因此對它們的觀測與量測難 于進行?？柭鼮V波器提供了一種解決方案,即直接關(guān)注系統(tǒng)噪聲和量測噪聲所 帶來的影響。參數(shù)中的錯誤亦可被視為噪聲一樣處理。將擴展卡爾曼濾波器應(yīng)用 于永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的參數(shù)估計方面是一個新的領(lǐng)域。本文對永磁同步電機控制系統(tǒng)主要研

35、究工作如下:1.對擴展卡爾曼濾波器的原理進行了深入地分析,在理解卡爾曼濾波模型的基 礎(chǔ)上,把擴展卡爾曼濾波應(yīng)用于永磁同步電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的估計。2.對永磁同步電機(剛S妍的數(shù)學(xué)模型、等效電路及其直接轉(zhuǎn)矩控制進行了深 入地分析,闡明了在電流限制條件下,PMSM實現(xiàn)MTPF控制的條件和方法。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文3.由于實現(xiàn)永磁電機精確控制的關(guān)鍵是獲得比較準(zhǔn)確的電機轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)角,基于如 何獲取有效轉(zhuǎn)角這一目的,結(jié)合前人所作的工作,把最優(yōu)估計理論應(yīng)用于對 電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行估計。4.對擴展卡爾曼濾波進行了詳細的研究和分析,指出了抑制卡爾曼濾波發(fā)散的 辦法,如增加衰減因子、保證P陣非負定、應(yīng)用可調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)和

36、平方根濾波。 5.把擴展卡爾曼濾波應(yīng)用于永磁同步電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的估計,對無傳感器調(diào)速 系統(tǒng)進行了深入的仿真研究,對仿真中出現(xiàn)的錯誤估計現(xiàn)象作了深入的分析, 得出這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由電機模型本身所引入的,可根據(jù)估計轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn) 角和測量轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角之間的成比例關(guān)系增長這個特性來克服。6.在理論仿真的基礎(chǔ)上,設(shè)計了本系統(tǒng)的硬件電路,對整個控制系統(tǒng)作了大量 的調(diào)試工作。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 擴展卡爾曼濾波器及其原理2.1擴展卡爾曼濾波器的提出為了滿足高性能交流傳動的需要,必須知道轉(zhuǎn)速、磁鏈等參數(shù)的精確值,并 對這些狀態(tài)實現(xiàn)閉環(huán)控制。在永磁同步電機控制系統(tǒng)中,由于噪聲和誤差極易干 擾積分項,因此常用

37、的轉(zhuǎn)速、磁鏈等的模型在低速狀態(tài)下不準(zhǔn)確。為了解決這些 問題,一般采用的方法是通過傳感器直接檢測出所需參數(shù)值。然而,實踐證明, 使用傳感器會帶來一系列的問題:它們通常依賴電子線路工作,在惡劣的環(huán)境中, 信號易受電磁干擾,難以保證檢測的精度:傳感器的接入由于受到機械加工條件 等的影響不僅耗時耗力更降低了整個系統(tǒng)的可靠性,且維護起來也很困難;傳感 器的價格普遍較高,它們的引入大大增加了系統(tǒng)的成本。為了進一步完善永磁同 步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),提高系統(tǒng)的可靠性、方便性、性價比,本文利擴展卡 爾曼濾波算法分析了系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、磁鏈和轉(zhuǎn)子位置等的辨識方法,并通過計 算機實現(xiàn)無速度傳感控制。由于以往一些解決

38、方案的計算量很大,特別是隨著參 數(shù)量測次數(shù)的增加,計算量將迅速加大到難以在數(shù)字計算機上實現(xiàn);又因為后面 的計算需要前面所有的量測值,因此隨著時間的推移,存儲量也將越來越大.難 以保證實時性。采用擴展卡爾曼濾波器可以解決這些問題。對它而言無論量測次 數(shù)如何增加,既不需要解高階逆矩陣,又不需要存儲大批歷史的量測數(shù)據(jù),從而 滿足了應(yīng)用上實對性的要求。2.2擴展卡爾曼濾波器的基本原理2.2.1卡爾曼濾波的基本思想卡爾曼濾波器是由R.E.Kalman在六十年代初提出的一種最小方差意義上的 最優(yōu)預(yù)測估計的方法洶H,它的突出特點是可以有效地削弱隨機干擾和測量噪 聲的影響。擴展卡爾曼濾波算法則是線性卡爾曼濾波

39、器在非線性系統(tǒng)中的推廣與 應(yīng)用?？柭鼮V波的基本思想是把不可觀測的待估計的狀態(tài)變量工看做隨機變 量,它與觀測得到輸入輸出變量是密切相關(guān)的,卡爾曼濾波正是基于這些可觀測 的輸入輸出變量去推斷那些不可觀測的狀態(tài)變量?，F(xiàn)給出如下定義:設(shè)Yk=【y(1,y(2,y(七】,依據(jù)幾,對第,時刻狀態(tài)工,進行估計,所得 9江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文的狀態(tài)估計量記作:t肚;估計誤差記作:知=xjx肚:估計的誤差均方陣記作:靠=三靠。按照_,和_j的不同的關(guān)系,稱,=k時為濾波:稱k時為預(yù)測或外推;稱 .,J,k與_,兩個瞬時的狀態(tài)都滿足以下方程 矗z歡po+峻p現(xiàn)一,雌一,i=j+l若已知直到J瞬時的實測的輸出值:玎

40、=M7,y:7,”,乃10 Xkj k(2,3 (2.4江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文則據(jù)tL,=E耳x(k、的最小均方預(yù)測值為:口=E以=點tly,兒,Y,=純uE_1”+窆九聃一.wi一.EwJ。ly,當(dāng)k_,。根據(jù)下列方程:Exk一磊一試7=0EM一誡n一蟊2=o工,一;,w。一it7=0Eu一詵ni2=0 (2.5 (2.6式中xI,x,w分別為坼t x,%的均值。得到:E心ly。,n,y,=E【u1=0(2-7 于是得到狀態(tài)預(yù)測公式:xkIJ=九I,xA (28 由于最小方差估計是一種無偏估計,故上面預(yù)測誤差的方差可寫作:只1,=Ez。x。j,z。一x。l,j=EM礦b+.缸讓叫 汜9, x如

41、卜小,缸一,7考慮到w(,k Er的獨立性質(zhì),以及Ex(J,w(O=O毛Ejf時成立,故 有狀態(tài)誤差的方差預(yù)測公式如下:PkI,=tI,P,I,廬j,+。玎.。Qq-。妒五 (2.10從上面的一系列推導(dǎo)演化,可以看出若想預(yù)測狀態(tài)并確定狀態(tài)誤差的方差, 應(yīng)解決狀態(tài)濾波以及濾波誤差的方差問題。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文2.2.3卡爾曼濾波公式1.求濾坡方程由式(2(2.10可知,狀態(tài)的一步預(yù)測為w。=札1t帕 (211 一步預(yù)測誤差的方差為:只卜l=噍E一1岬7t卜l+礬一1Q,77(212定義y7_-y11,兒7,y,_lr對以所作的最小方差預(yù)測的誤差為新息,則有: Y】女一1=歹=:YkHxkkl

42、(213利用新息玩對預(yù)測值Xklk一。進行修正,即可得濾波值:鼉k=E以l幾=Ek1肌一。+點t眵。一五:x。k。,+cOVXk,歹。var一1多。歹。-j(;。(2.14 =訕+KkYk一硯卜1上式中墨為修正系數(shù)陣,即濾波增益矩陣。Kk=covIxk,多。var1甌(215 2.求墨的實用計算式已知K中有:c。v孔,;。=E魄一;t;。一E(多。7=E卜一k-It-一磊蝸一E(硼7(2.16 =Exktt一-+以H一,J7;t一-+vt2其中x小一-為估計誤差,由于:ax岫。=E(坼IYk一。,x。l。是兒一。的線性函數(shù);b唯與yL。=fH7,y:7,n一17中的所有元素互相獨立,因此唯亦是

43、獨立于 Yk一,的線性函數(shù),故有Elt卜。|h】7=0;c咋與亦是相互獨立的,而;*I-以一EkYkl】,mEx,1【唯】7=0;d考慮到1和3中的等式可知;*l與n一。相互獨立因此;*與兒一。的線性函數(shù) 相互獨立。又因坼。 Yk一。的某個特定線性函數(shù),堅苧查堂堡主蘭墮絲苧一故Eh一,B=0記,E陬一tIx肛坷記一2E一肛-J則有c。VK玩=鈾H7又由于:var網(wǎng)=Ey。一Hx柑nm僻tT =Enxt*一-+Kf,;t一一,+Vt1 =職H7+R將式(2.19、(2,20代入(2.15中得 Kk=%日7魍H礦十R_【3. 確定濾波誤差的方差濾波誤差的方差可以表示為:最,=E;t*;t一7由于:

44、a;雌=耳一以*=;*一-一Kky,-Hx。*一,=【JK。R一瓦ub最。=i-K。日】最【j一/qn7+KkRKj (2.17 (2.18 (2.19(2.20 (2.21 (2.22 (2.23:I-qH】最州一最糾H7群+毛職H7T十AtnnT (2-24 :fj一以H】只一最州H7群T+H斥Hr+RK;由(2.21則知:甄職H7+R=只州7將其代入式(2.24,得:i-墨日h一。 22是 4.選取與的初值對于卡爾曼濾波器而言要保證其可靠性就必須保證k瞬時濾波無偏,即 13E陬=o。因為:E陸=Ek一2E一,“t+KkHxk+Vk一取(2.26 2純州Elx“j一日純蚪Exk_1-Xk嘶

45、。=t-墨Hk。E融蚪所以,要點;雌=o,即要求E;“=o。依此類推,只要=0時刻瞬 時濾波無偏,即初值無偏,就可以保證所有瞬時的濾波無偏。要初值無偏,就要使:EXo一=o,因此可取J0jo=Ef】=聊此時昂p=Exo一棚】【一mr=晶。其中,R為正定矩陣。2.3擴展卡爾曼遞推公式2.3.1卡爾曼濾波器的推廣上述卡爾曼濾波器是針對線性系統(tǒng)的最優(yōu)濾波算法,但是在實際應(yīng)用中,更 多的是要處理非線性系統(tǒng)的問題。例如,當(dāng)需要對系統(tǒng)的未知狀態(tài)和參數(shù)聯(lián)合進 行估計時,系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型實際是非線性的。擴展卡爾曼濾波器就是針對非 線性系統(tǒng)的濾波算法。般的非線性系統(tǒng)狀態(tài)方程如下:卜=,(z(r,“(r,+w(

46、r【y(f=(x(,r+V(f (2.27 式中x(r是系統(tǒng)狀態(tài)變量,“(f是系統(tǒng)輸入量,y(t是系統(tǒng)輸出量,w(t是 系統(tǒng)噪聲向量,v(f是量測噪聲向量,W和v是不相關(guān)的零極點高斯白噪聲序列。 設(shè)Q,R分別為w(t與v(f的協(xié)方差矩陣,即誤差矩陣。為了應(yīng)用卡爾曼濾波公式首先需要將非線性的模型線性化。已知 廠(工(f,“(f,t和(x(f,t都是非線性函數(shù),若其足夠光滑,可將它們沿均值條件 即f時刻的濾波值展開,則有:,一,虬J2,XtpUl,:+Fk EX,I-tPj+ (2.28 矗(,r=(,f+風(fēng)l Xt一I+冥中:E=%掣b。珥=掣。唧如果忽略泰勒級數(shù)中的高次項,則系統(tǒng)方程可以寫為:

47、灃=Fkxk+wk+bkl以=Hk%+K+礬其中:以=f(xk。,七一Ex雌或=A(,k-Hkxk*如此系統(tǒng)就可以應(yīng)用濾波方程了。2.3.2擴展卡爾曼濾波公式 (2.29 (2.30 (2.31(2.32 (2.33經(jīng)過上一小節(jié)的論述,可知擴展卡爾曼濾波器為一個循環(huán)遞推算法。這個循 環(huán)體主要由兩步構(gòu)成:預(yù)測與濾波。第一步預(yù)測,對于所有的量進行預(yù)估。它們是基于上一個估計值tm一.和實 際上在瓦一,到瓦之間提供給系統(tǒng)的輸入均值一。來計算得到的。式中F為系統(tǒng)梯 度矩陣,丁為采樣周期,Q,R分別為w(t與v(,的協(xié)方差矩陣,即誤差矩陣。 一l=x啡一1+丁,(坼母1,ukt (I 一l=最*1+(鞏嘶

48、一1+最-llk-IF7+T+Q (II 第二步濾波,應(yīng)用這些實測的量來反饋修正在上一步預(yù)測出的狀態(tài)估計值和 它的協(xié)方差矩陣。迭代關(guān)系式如下:t=以一+K+(耳一取艫I(III 最k=只岫一/qH5岫 (IV 式中濾波增益矩陣墨被定義為:甄=毋。(H5肛.H7+月。 (V 其中H是變換矩陣。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文綜上所述,對于一個擴展卡爾曼濾波器,要已知x。、B,要實時提供實測 數(shù)據(jù)廠=M7,_y:7,兒7,要根據(jù)給定的系統(tǒng)模型與測量模型算出,、日、Q、 R,再根據(jù)遞推公式進行計算。由于它的種種特性極適于在計算機上實現(xiàn),下圖 為它的程序框圖:廝蓀匠jii習(xí)圈2.2卡爾曼濾波器程序框圖2.3.3擴

49、展卡爾曼濾波器的性質(zhì)經(jīng)過上面兩小節(jié)的推導(dǎo)與說明,給出了擴展卡爾曼濾波器的遞推公式,現(xiàn)總 結(jié)其性質(zhì)如下:1.從遞推方程可以看出,估計誤差方差陣最。依賴于測量值。這就帶來了一種 可能,當(dāng)輸入鞏很小時,輸入輸出的測量值都很小,就可能使參數(shù)估計的精 度得不到保證,甚至參數(shù)估計的誤差方差陣收斂不到希望值。因此,輸入信 號值必須保證一定的大小并且要保持持續(xù)的激勵。2.當(dāng)系統(tǒng)模型采用式(2.28至(互33,濾波方程采用(I至(V時,須知 所得的預(yù)測值t。和E州是近似值而非最優(yōu)值a3.由于墨,一,的計算依賴于E和峨,而E和風(fēng)的計算又依賴于xk州和z堆, 16江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文因此缸,只。都必須在線計算而不能

50、離線進行。這就帶來一個后果會加大計 算量,因此慎重選擇并簡化系統(tǒng)模型就顯得更為重要了。4.由于擴展卡爾曼濾波器的應(yīng)用中使用線性模型近似代替原有的非線性系統(tǒng), 因而其近似度就成為衡量其性能的一個重要指標(biāo)。校驗方法有兩種:一是量 度lk雄一文I|忙雄一童雄一,4的大小,這可以作為檢驗?zāi)Ｐ褪欠襁_到近似的要 求。二是檢查濾波器的新息序列是否接近于白噪聲序列。這是一種可以在線 檢驗的方法,當(dāng)新息序列接近白噪聲的程度越高,就說明濾波器的性能越好。2.4本章小結(jié)在這一章主要介紹了擴展卡爾曼濾波器的基本原理。描述了擴展卡爾曼濾波 器的基本架構(gòu),預(yù)測與濾波方程的基本組成,遞推算法的基本實現(xiàn)過程。闡述了 算法中需

51、要注意的規(guī)則和濾波器的性質(zhì)與注意事項。為其在永磁同步電機直接轉(zhuǎn) 矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做了理論準(zhǔn)備?？柑K大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章 直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 3.1概述直接轉(zhuǎn)矩控制o”?！?(DTC系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)之后的發(fā)展起來的另一種 高動態(tài)性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng),它是由德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授于 1985年率先提出的,隨后日本的學(xué)者I.Takahashi也提出了類似的方案。這種 控制技術(shù)不同于矢量控制技術(shù),它跳出了交流調(diào)速研究的傳統(tǒng)思維框架,不去考 慮如何通過解耦,將定子電流分解為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩分量,而是簡單的通過 檢測到的定子電壓和電流,借助瞬時空間矢

52、量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。使用 直接轉(zhuǎn)矩控制的電機調(diào)速系統(tǒng)不僅線路簡單,而且對電機參數(shù)魯棒性高,在很大 程度上解決了矢量控制中計算控制復(fù)雜、實際性能難于達到分析結(jié)果要求等重大 問題,其性能明顯優(yōu)于矢量控制系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論的誕生使交流調(diào)速技術(shù) 進入一個新的發(fā)展階段。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比,主要有如下特點:1.過程簡化。直接轉(zhuǎn)矩控制無需如同矢量控制一樣簡化、等效電機模型和 以直流電機控制系統(tǒng)為藍本進行模擬,避免了一系列的坐標(biāo)變換與復(fù)雜 計算。它可以直接在定子坐標(biāo)系下分析電機模型,觀測和控制電機轉(zhuǎn)矩 與磁鏈,從而簡化了控制過程。2.控制直接。直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)直接控制,即用滯環(huán)調(diào)節(jié)器

53、控制轉(zhuǎn) 矩給定值與檢測值間的差值。它的控制是直接針對轉(zhuǎn)矩的實際情況進行 調(diào)控,而非通過控制電流,磁鏈等間接控制,這就不再受電機模型能否 簡化或簡化程度的限制。因此直接轉(zhuǎn)矩控制采用的是離散電壓狀態(tài)和近 似圓形磁鏈軌跡的概念,不再強調(diào)理想的正弦波形和磁鏈理想的圓形軌 跡。對于磁鏈等也采用直接自控制,不過是以轉(zhuǎn)矩為中心綜合控制。 3.影響降低。在直接轉(zhuǎn)矩控制中只要知道定子電阻就可以觀測出定子磁鏈 從而估算磁通。與之相比磁場定向矢量控制中需要知道轉(zhuǎn)子電阻和電感 才能觀測轉(zhuǎn)子磁鏈。顯然后者更易受參數(shù)變化的影響。1996年首次出現(xiàn)了異步電機(IM直接轉(zhuǎn)矩控制的工業(yè)應(yīng)用報道,之后直接 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)就得到越來

54、越多的關(guān)注?，F(xiàn)在直接轉(zhuǎn)矩控制已成功應(yīng)用于異步電 機,并有許多相關(guān)方面的文獻發(fā)表”H”。最近,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注直接轉(zhuǎn) 矩控制在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及對其性能的改進?，F(xiàn)有的研究結(jié)論認為,經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度比矢量控制要快得多。但是到目 前為止并未有相關(guān)成熟理論進入實際工業(yè)應(yīng)用,因此仍有許多相關(guān)的問題值得進 行深入研究。3.2直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制原則就是根據(jù)事先定義好的開關(guān)表或者實時優(yōu)化 的開關(guān)表選擇正確的電壓矢量。而選擇的電壓矢量是根據(jù)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩個滯環(huán) 比較器的輸出即磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差信號和定子磁鏈的當(dāng)前位置決定的。下圖為直 接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)

55、框圖。尉3.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖上圖中PWM逆變器輸出的空間電壓矢量可以由施加于電機上的三相電壓表 示如下:虬=麗(%。+U。j2”/3+訪盧如同步電機主電路圖3.2所示,“。、“。、分別為三個橋臂對直流中點 的電壓,對于這樣的180。導(dǎo)通電壓型逆變器而言,同一橋臂的上下兩個開關(guān)器件 是互鎖的,所以若用一個開關(guān)函數(shù)表示則有:虬(毛,氣,Sc=麗(%+Sbj2卵+s。m”圖32同步電機主電路式中,L、矗、Se為“0,1”狀態(tài)量。當(dāng)So=1時表示A橋上橋臂導(dǎo)通,當(dāng) 8a=0時表示A橋下橋臂導(dǎo)通,依此類推可以得到8組電壓矢量。下表即電壓矢 量的對應(yīng)表。其中/,/,U6為非零矢量,和“,分別表示A、B、c三相下橋臂或 上橋臂同時導(dǎo)通,即表示電機三項繞阻短接,稱為零矢量。表3.1電壓矢量對應(yīng)表塢(0,o,0 虬(LQ 0 毽(LL0 嵋(ql,0 嗨(0,1,1 毽(0,q1 虬(1,0,1 虬(1,1,1 %“t “2% 蠔 “, 在以口為實軸,口為虛軸的坐標(biāo)平面上.各電壓矢量的空問分布如圖3.3所示。由于定子的電壓方程可以表示為: ,%=【(虬一疋矽+虬。式中,虬為電機定子磁鏈,為電機定子磁鏈的初始值,虬為定子電壓, f,為定子電流,R;為定子電阻。從這個方程可以看出定子磁鏈帆的運動方向基 本是沿著Us進行的。當(dāng)合理地選擇非零矢量甜。的旋加順序及分配時間,可以使 磁通軌