直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、 摘要直接轉(zhuǎn)矩控制是一種控制思想新穎、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡明、動靜態(tài)特性優(yōu)良的新型高性能交流調(diào)速傳動控制技術(shù)，但是存在一些不足之處?？臻g矢量調(diào)制技術(shù)可以使逆變器的開關(guān)頻率固定，減小轉(zhuǎn)矩脈動；無差拍控制可以在一個采樣周期內(nèi)消除磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差。因此，空間矢量調(diào)制技術(shù)和無差拍控制的結(jié)合是一種很有希望提高直接轉(zhuǎn)矩控制性能的方法?；谶@兩方面的內(nèi)容，本文針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究。介紹了空間矢量調(diào)制技術(shù)的原理，對采用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較。研究了一種新的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制算法，該算法計算簡單、物理意義明確、不用求解二次方程。仿真結(jié)果表明控制效果比較好，對定子電流

2、干擾和電機(jī)參數(shù)變化有一定的魯棒性。分析了幾種磁鏈觀測方法，研究了電機(jī)參數(shù)變化和電流測量誤差對其影響。無速度傳感器技術(shù)可以提高交流傳動控制系統(tǒng)的可靠性。本文分析了擴(kuò)展卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)速估計算法，建立了轉(zhuǎn)速估計模型，研究了系統(tǒng)對干擾的適應(yīng)能力。對本文所研究的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗研究，采用了新的磁鏈觀測方法，運(yùn)用匯編語言編程，在dsp實(shí)驗平臺上初步驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制空間矢量調(diào)制磁鏈觀測無差拍控制無速度傳感器abstractdirect torque control (dtc), is a new high performance ac drive system w

3、ith novel strategy, simple control structure and excellent dynamic and static performances. but the classic dtc also have some shortages. switching frequency of inverter will be stable and torque ripple will be reduced by using space vector modulation. the errors of stator flux and torque can be eli

4、minated by using deadbeat controller in a sampling period. so combining space vector modulation with deadbeat control is a hopeful method to improve the performance of dtc. according to these, dtc is analyzed and researched in this thesis.the principle of space vector modulation is introduced, and s

5、pace vector modulation dtc and classic dtc are compared. a new method of deadbeat dtc with simple calculation, explicitly meaning and without saluting equation is researched. the simulating results show that its effect is good and the robustness to interference with currents and motor parameters is

6、high.some methods of stator flux observation are analyzed. the influence of variance of motor parameters and current error is researched.to improve reliability of system, speed sensorless technique is implemented. the method of speed estimation by extended kalman filter is analyzed. the simulation m

7、odel is set up to confirm this method. ability to adapt interference is researched.the deadbeat dtc researched in thesis is confirmed in the dsp test-bed for experimentation by dsp assembly language with a new flux observer.key words: direct torque control；space vector modulation； flux observation；d

8、eadbeat；speed sensorless目錄1緒論11.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀11.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景及研究現(xiàn)狀21.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景21.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀31.3本論文的研究內(nèi)容6直接轉(zhuǎn)矩控制82.1異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型82.2逆變器數(shù)學(xué)模型102.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)11采用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)173.1空間矢量調(diào)制原理173.2空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)203.3svm-dtc仿真21無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)254.1無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制254.2無差拍控制算法改進(jìn)284.3無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)304.4無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

9、31磁鏈觀測和速度估計365.1磁鏈觀測365.1.1飽和反饋法365.1.2幅值補(bǔ)償法395.1.3自適應(yīng)補(bǔ)償法405.2速度估計435.2.1擴(kuò)展卡爾曼濾波器445.2.2速度估計濾波器算法465.2.3速度估計仿真50直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)546.1控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成546.2無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制軟件設(shè)計566.3實(shí)驗結(jié)果59結(jié)論65參考文獻(xiàn)67 1緒論1.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀能源和環(huán)境始終是當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩條相互交織的主線。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題，節(jié)能降耗已經(jīng)成為世界各國普遍采取的措施。而電機(jī)（以下均稱電機(jī)）是把

10、電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能最主要的手段，具備高效率和變頻調(diào)速的電機(jī)可以大大提升節(jié)能的效果。電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的不斷完善和發(fā)展，為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，使交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等技術(shù)性能，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，從而開辟了交流調(diào)速的新紀(jì)元1。電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)2。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的晶閘管使交流調(diào)速擺脫了笨重的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，標(biāo)志著電力電子的誕生。70年代第一代電力電子器件晶閘管的出現(xiàn)形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品。隨后又出現(xiàn)了gtr、gto和功率mosfet等自關(guān)斷全控型第二代電力

11、電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(igbt)為代表的第三代電力電子器件，使得高頻化的pwm技術(shù)成為可能。從90年代到現(xiàn)在電力電子器件正朝著大功率化、高速化、模塊化、智能化的方向發(fā)展。隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得飛速發(fā)展。從電力電子器件的發(fā)展歷史來看，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術(shù)的革命，而每一場電力電子技術(shù)的革命都預(yù)示著新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生?，F(xiàn)代控制理論的不斷完善為交流調(diào)速技術(shù)提供了理論依據(jù)。在變頻技術(shù)日新月異發(fā)展的同時，交流調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。vvvf控制電路簡單、通用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題。但是其系統(tǒng)控制是

12、從電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)控制效果不理想。20世紀(jì)70年代提出得矢量控制理論較好地解決了交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用三相到兩相的坐標(biāo)變換方法以及轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的，獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的動靜態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速的新時代。直接轉(zhuǎn)矩控制是80年代中期提出的又一種轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機(jī)與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩計算，通過磁鏈跟蹤型pwm逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進(jìn)行解耦，免去了矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單

13、，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學(xué)者的重視。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，進(jìn)一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。微電子技術(shù)的發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)提供了可能。微處理器的引入，促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)由模擬化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。數(shù)字化技術(shù)使得復(fù)雜的控制算法得以實(shí)現(xiàn)，而電路的簡化、成本的降低、控制精度的提高以及控制系統(tǒng)可靠性的增強(qiáng)等則為交流調(diào)速的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)（如凌陽科技的spmc系列）、數(shù)字信號處理器（如德州儀器的tms320f系列）、

14、專用集成電路（application specific integrated currentasic）等。對于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要微處理器采用高速緩沖儲存器、多總線、流水線和多核的結(jié)構(gòu)。核心控制算法的實(shí)時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流調(diào)速系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高、成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價格比。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景及研究現(xiàn)狀1.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生背景隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對電氣傳動的調(diào)速精度、調(diào)速范圍、動靜態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩脈動等方

15、而提出了更高要求?；诜€(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制方式，如轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制等控制策略，己經(jīng)不能滿足高精度的工藝要求。20世紀(jì)70年代，西門子公司的f.blaschke等人提出了磁場定向控制，奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。該方法模仿直流電機(jī)控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，運(yùn)用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的完全解耦，將異步電機(jī)等效成直流電機(jī)。矢量控制的提出具有劃時代的重要意義，其靜態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)并不亞于直流控制系統(tǒng) 3。然而，矢量控制采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感，因此，容易受到電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)的影響。此外，矢量控制需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換與計算。在總

16、結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，1985年，德國魯爾大學(xué)的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi教授分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論45。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制的解耦思想和復(fù)雜的坐標(biāo)變換，通過簡單地檢測定子電壓和電流，以空間矢量的分析方法，直接在定子靜止坐標(biāo)系下計算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，利用雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生pwm,直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注并得到了迅速的發(fā)展6。目前該技術(shù)己經(jīng)成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引及提升機(jī)的大功率交流傳動上，如abb的acs600

17、0就是成功應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器，最大功率可達(dá)27兆瓦。1.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀直接轉(zhuǎn)矩控制在理論和技術(shù)上有許多優(yōu)點(diǎn)，但是作為新興的技術(shù)，還存在諸多不完善的地方，而這些問題恰恰成了目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)，吸引了該領(lǐng)域廣大專家學(xué)者進(jìn)行研究。1.2.2.1磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器的研究磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器歸根結(jié)底是對磁鏈的觀測，因為只要觀測出定子磁鏈，根據(jù)采樣得到的定子電流就容易計算出轉(zhuǎn)矩的大小。對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制來說，定子磁鏈的幅值和相角是決定電壓矢量選擇的關(guān)鍵因素。因此，合理地構(gòu)建磁鏈模型，對定子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確地觀測，對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說非常重要。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制常用的磁鏈模型有

18、三種：電壓模型、電流模型和基于電壓電流模型切換的混合模型3。電壓模型采用定子電壓和定子電流來確定磁鏈，由于該模型優(yōu)點(diǎn)是所需參數(shù)定子電壓、定子電流和定子電阻容易確定，方法簡單。缺點(diǎn)是存在純積分環(huán)節(jié)，必然帶來直流偏移和初始值問題，導(dǎo)致低速時誤差較大，且定子電阻易受溫度影響。因此，該方法適合于額定轉(zhuǎn)速以上的情況。電流模型不受定子電阻變化的影響，低速性能較好。但是受到轉(zhuǎn)子電阻、漏電感和主電感變化的影響，并且要求精確地測量角速度?；旌夏Ｐ途C合了電壓模型和電流模型的優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)運(yùn)行在高速時采用電壓模型，運(yùn)行在低速時采用電流模型，因此存在模型切換的問題。國內(nèi)外在磁鏈的準(zhǔn)確觀測方面的研究很多。針對電壓模型低速

19、時易受定子電阻影響的問題，文獻(xiàn)7提出了一種新型的定子磁鏈觀測模型,采用一階低通濾波器替換電壓模型中的純積分環(huán)節(jié),并引入pi閉環(huán)校正環(huán)節(jié)來補(bǔ)償磁鏈觀測的直流偏移誤差。實(shí)驗表明,該磁鏈觀測器精度高,對電機(jī)參數(shù)的魯棒性好,并能夠有效地解決直流偏移誤差問題。文獻(xiàn)8分析了磁鏈觀測存在的問題,在定子磁鏈定向的同步坐標(biāo)系下,以位置角為反饋量,采用閉環(huán)雙積分結(jié)構(gòu),分別估計了定子磁鏈的幅值和相位。這種結(jié)構(gòu)理論上可以從根本上解決電壓模型的初始值不準(zhǔn)確和積分零漂的問題。但是該方案受到位置角估計精度的影響較大。文獻(xiàn)9提出了一種利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計定子磁鏈的方法，使用這種方法可以同時估計定子磁鏈?zhǔn)噶亢推渌麪顟B(tài)變量，

20、但是這種方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在估計精度低，收斂速度慢等問題。1.2.2.2無速度傳感器技術(shù)鑒于安裝速度傳感器會使控制系統(tǒng)的成本增加，可靠性變差。因此，無速度傳感器技術(shù)顯得十分重要，已經(jīng)成為電機(jī)傳動領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。無速度傳感器技術(shù)常用的速度估計方法包括:模型參考自適應(yīng)法（mras）、擴(kuò)展卡爾曼濾波法（ekf）、高頻信號注入法、滑模觀測法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估計方法等。模型參考自適應(yīng)法（mras，model reference adaptive system）是將不含未知數(shù)的方程作為參考模型，將含有待估計參數(shù)的模型作為可調(diào)模型，兩個模型具有相同的物理意義，通過對兩個模型輸出的偏差根據(jù)一定的自適應(yīng)率不斷

21、調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，直到兩個模型輸出相同10。文獻(xiàn)11提出了一種以電機(jī)的瞬時無功作為輔助變量的mras方法估計轉(zhuǎn)速，避免了積分環(huán)節(jié)，對電機(jī)參數(shù)魯棒性較好，計算量小，收斂速度決，速度估計精確較高。文獻(xiàn)12提出了一種在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)的mras系統(tǒng)。該方法的參考模型和可調(diào)模型分別由電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的方程構(gòu)成。參考模型中不含定子電阻，避免了純積分運(yùn)算。為了避免對定子電流的純微分，該文應(yīng)用微分跟蹤器以提取高質(zhì)量的微分信號，仿真和實(shí)驗效果較好。擴(kuò)展卡爾曼濾波法（ekf，extended kalman filter）是將定子電流、定子或者轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，構(gòu)成電機(jī)狀態(tài)方程，根據(jù)預(yù)測值和測量值之

22、間的偏差來調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)，從而達(dá)到估計轉(zhuǎn)速的目的13。文獻(xiàn)14提出了擴(kuò)展卡爾曼濾波法。該方法在定子靜止坐標(biāo)系下以定子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，考慮電機(jī)的五階非線性模型，在每一步估計時都重新將模型在該運(yùn)行點(diǎn)線性化，再沿用線性卡爾曼濾波器的遞推公式進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計。擴(kuò)展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計方法，避免了對測量值的微分計算，可有效抑止噪聲干擾，提高轉(zhuǎn)速估計的準(zhǔn)確度。但是，缺點(diǎn)是計算量大和初始值整定復(fù)雜，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)11利用ekf算法,通過測量電機(jī)的端電壓和流過定子線圈的電流在線估計電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度，利用模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)替代常規(guī)自適應(yīng)機(jī)構(gòu),構(gòu)成一個模型參考模糊自適應(yīng)

23、系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)自適應(yīng)和抗干擾能力，但是，由于同時采用ekf算法、模型參考自適應(yīng)算法和模糊控制，系統(tǒng)過于復(fù)雜，難以數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。高頻信號注入法是向電機(jī)端部注入三相旋轉(zhuǎn)高頻信號（250hz），使轉(zhuǎn)子凸極呈現(xiàn)一定的效應(yīng)，通過檢測轉(zhuǎn)子凸極的位置，就可以獲得轉(zhuǎn)子的位置和速度。由于該方法是基于電機(jī)非理想模型，因此對電機(jī)參數(shù)的變化具有魯棒性。缺點(diǎn)是諧波的注入影響了電流波形，增加了電機(jī)損耗，且只適合低速，高速時信號濾波分離困難1516?；Ｓ^測法采用估計電流偏差來確定滑?？刂茩C(jī)構(gòu)，是控制系統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在設(shè)計好的滑模超平面上。文獻(xiàn)17針對交流電機(jī)的時變、非線性、多變量、強(qiáng)耦合的特性，運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理

24、論,設(shè)計了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制器,并對常規(guī)滑模控制器存在的抖動問題提出一種改善方法,即在滑?？刂破骱蠹右粋€模糊比例積分環(huán)節(jié)。該方法構(gòu)成的系統(tǒng)十分復(fù)雜，同時計算量也不小。文獻(xiàn)18采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實(shí)時估計，算法中基本上消除了純積分和定子電阻對控制系統(tǒng)的影響，獲得了較寬的調(diào)速范圍，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜。1.2.2.3現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用自上世紀(jì)60年代以來，基于狀態(tài)空間和狀態(tài)方程的現(xiàn)代控制理論已經(jīng)成熟和完善，在解決具有不確定性和無法精確描述的系統(tǒng)控制問題上發(fā)揮了經(jīng)典控制理論難以奏效的作用。自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制理論的一個分支。自適應(yīng)控制的控制器具備自適應(yīng)的能力，自動校正其自身的設(shè)計參數(shù)以保

25、證控制系統(tǒng)的性能不變。與傳統(tǒng)的反饋控制器相比，自適應(yīng)控制器包含一個自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。這個反饋回路根據(jù)給定的期望值與實(shí)際值之間的偏差，修正控制器參數(shù)或產(chǎn)生附加控制信號，保證系統(tǒng)性能。自適應(yīng)控制這種特點(diǎn)在磁場定向解耦控制中的應(yīng)用比較廣泛，通過自適應(yīng)控制或校正技術(shù)將能夠正確決定磁場的位置和大小，保證磁場與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。此外自適應(yīng)控制在電機(jī)轉(zhuǎn)速估計中也有廣泛的應(yīng)用。滑模變結(jié)構(gòu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個新的研究方向。滑模變結(jié)構(gòu)控制的思想是設(shè)計一個合適的滑動面，使其狀態(tài)收斂在上面，它的主要特點(diǎn)是降低階次、實(shí)現(xiàn)解耦、抑制干擾和對參數(shù)變化不敏感10。因此，將滑模變結(jié)構(gòu)控制引入到直接轉(zhuǎn)矩控制中，可以降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動

26、、改善低速性能。智能控制是現(xiàn)在控制理論發(fā)展過程中的一個嶄新階段。它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架,不依賴或不完全賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型,只按實(shí)際效果進(jìn)行控制；繼承了人腦的非線性思維，能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能；針對復(fù)雜系統(tǒng)具有分層信息處理和決策的功能。在直接轉(zhuǎn)矩控制中,應(yīng)用較多的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊控制技術(shù),主要作為控制器和觀測器使用。文獻(xiàn)19和文獻(xiàn)20應(yīng)用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)消除了觸發(fā)器的容差影響，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗擾動能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是這種方案也存在一些難于克服的缺點(diǎn)，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

27、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，文獻(xiàn)21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，以達(dá)到進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度與減小轉(zhuǎn)矩脈動的目的。文獻(xiàn)22提出了一種基于模糊控制的在線定子電阻觀測器。1.3本論文的研究內(nèi)容本文作者在了解國內(nèi)外異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究狀況的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的不足，針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了仿真和實(shí)驗研究，采取了一些改進(jìn)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的措施，主要工作如下：對于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器輸出電壓矢量單一、開關(guān)器件利用率低和開關(guān)頻率不固定等問題，研究了空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并和傳統(tǒng)直接

28、轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了仿真比較。針對定子磁鏈電壓模型中純積分環(huán)節(jié)的局限性，研究了三種改進(jìn)的磁鏈觀測方法。第一種改進(jìn)方法采用具有飽和反饋的積分器，該算法可以消除直流偏移問題，但是卻帶來了幅值和相位的誤差。第二種改進(jìn)方法通過引入定子磁鏈幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)，減小了由第一種改進(jìn)方法所產(chǎn)生的誤差。第三種是在第二種方法的幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)中采用了自適應(yīng)控制，該方法增強(qiáng)了磁鏈對定子電阻的魯棒性，提高了磁鏈觀測的精度。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈和轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)控制，低速時轉(zhuǎn)矩脈動較大。無差拍控制可以克服滯環(huán)控制的不足，其主要思想是在一個采樣周期內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差和空間電壓矢量之間的關(guān)系組成方程組，通過解方程組就可以求出下一個

29、采樣周期使轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制23。但是已有的無差拍控制方法需要求解二次方程，算法難度較大。為此，研究了一種新的無差拍控制方法，在定子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分析和計算電壓矢量，通過定子磁鏈和電流的坐標(biāo)變換求出所需的電壓矢量。對新的無差拍控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，研究了電機(jī)參數(shù)變化和定子電流干擾對其影響。通過配置磁鏈觀測模型，采用匯編語言在dsp實(shí)驗平臺上對其正確性進(jìn)行了初步的實(shí)驗驗證。無速度傳感器技術(shù)可以有效地降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)的可靠性。本文應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了估計，仿真結(jié)果表明，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法能夠在較低的轉(zhuǎn)速下獲

30、得較好的估計效果，同時對于定子電流還有一定的適應(yīng)能力。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc，direct torque control）是在20世紀(jì)80年代中期繼矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)3。直接轉(zhuǎn)矩控制避免了矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換，去掉了pwm脈寬調(diào)制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并利用兩個滯環(huán)比較器直接實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，是基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的滑差控制24。這種經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有如下特點(diǎn)23:（1）簡單明了的控制結(jié)構(gòu)；（2）優(yōu)良的動靜態(tài)性能；（3）無需專門的pwm技術(shù)；（4）對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化不敏感，魯棒性

31、比較強(qiáng)；（5）把電機(jī)與逆變器結(jié)合在一起,對電機(jī)的控制最為直接，且能最大限度發(fā)揮逆變器的能力；（6）滯環(huán)控制會產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，且開關(guān)頻率不是常數(shù)。20多年來，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多學(xué)者從不同角度提出新的見解和方法，使控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高。2.1異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)就其本質(zhì)而一言，是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，為了便于分析，在建立異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時，作以下幾點(diǎn)假設(shè)2627：（1）電機(jī)定、轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱。三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組在空間對稱分布(在空間互差)，各相電流所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和。各相繞組的自感和互感都

32、是線性的，從而可以使用疊加原理；（3）鐵芯的渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計；（4）不考慮頻率和溫度變化對電機(jī)參數(shù)的影響。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，電機(jī)的電壓和電流都是在靜止的坐標(biāo)系中測量得到的，因此采用靜止的定子坐標(biāo)系較為方便。異步電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以由以下方程描述： （2-1）（2-2）其中定子電壓定子電壓轉(zhuǎn)子電流定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈定子電感轉(zhuǎn)子電感互感電角速度微分算子，即將公式（2-1）和公式（2-2）整理并把實(shí)部與虛部分離得（2-3）電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為定子電流與定子磁鏈的矢量積(2-4)此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量積(2-5)式中定子旋轉(zhuǎn)磁鏈與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁鏈的夾角，即磁通角。

33、，異步電機(jī)漏磁系數(shù)。運(yùn)動方程為：(2-6)式中負(fù)載轉(zhuǎn)矩摩擦系數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量2.2逆變器數(shù)學(xué)模型在異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用圖2-1所示的三相電壓型pwm逆變器28。利用逆變器6個功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合,以及開關(guān)時間的調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量的圓形運(yùn)動軌跡。圖2-1三相電壓型逆變器模型fig.2-1model of three phase voltage source inverter 圖2-1中，是三相電壓型逆變器的橋臂對地電壓，是兩狀態(tài)的開關(guān)量，表示所對應(yīng)的上橋臂功率管導(dǎo)通，0表示所對應(yīng)的下橋臂功率管導(dǎo)通，其余類推。定義開關(guān)函數(shù)，開關(guān)向量共有種開關(guān)模式，分別是000、001、

34、010、011、100、101、110、111，對應(yīng)8個電壓矢量、,其中和為兩個零電壓矢量。根據(jù)圖2-1可以得到電機(jī)相電壓和開關(guān)函數(shù)的關(guān)系，見公式2-7。(2-7)式中，三相相電壓直流母線電壓電壓矢量可以表示為：(2-8)在兩相靜止坐標(biāo)系平面上，各電壓矢量如圖2-2所示。圖2-2空間電壓矢量fig.2-2space voltage vector2.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)對電機(jī)的定子電壓和電流進(jìn)行采樣，然后通過變換將三相電壓電流信號變換到兩相靜止坐標(biāo)系平面。變換見公式(2-9)。(2-9)根據(jù)變換后得到定子電壓電流，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器求出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。定子磁鏈可以根據(jù)模型求得，見公式(2

35、-10)。(2-10)轉(zhuǎn)矩的計算通過公式(2-4)進(jìn)行。重寫公式(2-4)如下：(2-4)將磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器求得的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別與給定值和比較，將比較產(chǎn)生的誤差信號和分別送入滯環(huán)控制器中。磁鏈控制器如圖2-3a）所示，輸出關(guān)系見公式(2-11)。a）磁鏈控制器 b）轉(zhuǎn)矩控制器圖2-3控制器特性fig.2-3characters of flux and torque controllera) flux controller; b) torque controller(2-11)式中磁鏈控制器的輸出信號磁鏈控制器的總滯環(huán)帶寬轉(zhuǎn)矩控制器如圖2-3b）所示，輸出關(guān)系見公式(2-12)。(2-12)

36、式中轉(zhuǎn)矩控制器的輸出信號轉(zhuǎn)矩控制器的總滯環(huán)帶寬此外，磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器還計算定子磁鏈的相角，并確定其所在的扇區(qū)。如圖2-4所示，把電壓矢量空間等分為6個扇區(qū)，每個扇區(qū)所包含的范圍為，其中。圖2-4扇區(qū)劃分fig.2-4the distribution of the plane將上面求得的信號送入開關(guān)狀態(tài)選擇單元，通過查表的方式產(chǎn)生逆變器所需的開關(guān)狀態(tài)，控制逆變器產(chǎn)生合適的電壓矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。圖2-5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖fig.2-5block diagram of dtc system下面對直接轉(zhuǎn)矩控制的控制策略做如下說明：重寫電機(jī)定子磁鏈公式(2-13)忽略定子電阻，

37、并將公式(2-13)離散化，得(2-14)或者(2-15)式中采樣周期公式(2-15)表明，定子磁鏈增量為電壓矢量與采樣周期的乘積，即定子磁鏈增量與逆變器的六個非零電壓矢量之間存在一定的關(guān)系，如圖2-6a)所示。當(dāng)電機(jī)剛上電的時候，在定子電壓作用下，電機(jī)的磁鏈軌跡逐漸建立起來。在某一時刻，磁鏈在圖中的點(diǎn)，當(dāng)下一時刻磁鏈超出圖中點(diǎn)所在的環(huán)時，應(yīng)該減小磁鏈，由公式(2-11)知。如果此時轉(zhuǎn)矩需要增加,即，而磁鏈在扇區(qū)，根據(jù)圖2-6b)可以判斷需要施加的電壓矢量為。磁鏈沿的方向到達(dá)圖中點(diǎn)，此時，如果此時，磁鏈在扇區(qū)，應(yīng)選擇電壓矢量。a) b)圖2-6a)定子磁鏈軌跡； b)逆變器狀態(tài)選擇fig.2-

38、6a) trajectory of stator flux; b) selection of inverter如此下去，磁鏈就被控制在以磁鏈幅值為半徑，容差帶寬為的圓環(huán)內(nèi)29。根據(jù)定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)信號、以及可以得到如下的開關(guān)狀態(tài)選擇表（表2-1）。表2-1開關(guān)狀態(tài)選擇表table2-1switching section1010-110-1采用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快和容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。但是也存在著低速轉(zhuǎn)矩脈動較大，開關(guān)頻率不固定等問題。有很多文獻(xiàn)對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究與改進(jìn)分析，如提高采樣頻率，減小控制周期；注入高頻信號，提高逆變器的開關(guān)頻

39、率等。然而，這些改進(jìn)方法要么是以增加系統(tǒng)的處理速度，要么是以犧牲逆變器的開關(guān)頻率為代價30-32。磁鏈和轉(zhuǎn)矩存在較大脈動的原因主要在于輸出電壓矢量單一，選擇輸出矢量的主要依據(jù)是磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差的正負(fù)，而沒有考慮誤差的大小。如果同時考慮磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差的大小和方向，那么施加的電壓矢量是實(shí)時推導(dǎo)出的任意大小、方向的電壓矢量。采用該電壓矢量就可以降低磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動。雖然逆變器輸出的基本電壓矢量數(shù)目有限，但是可以利用空間矢量調(diào)制（svm，space vector modulation）來合成，這樣就實(shí)現(xiàn)了逆變器開關(guān)頻率的恒定33。3.1空間矢量調(diào)制原理svm方法將逆變器和異步電機(jī)作為一個整體來考慮，以三

40、相異步電機(jī)理想三相對稱定子理想圓形磁鏈為參考，通過適當(dāng)切換逆變器的開關(guān)模式，從而形成pwm波，用所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。圖3-1三相電壓型逆變器空間電壓矢量fig.3-1space voltage of three phase voltage source inverter 在圖3-1中，、表示兩個相鄰的基本電壓矢量，表示控制所需的參考電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)速度就是輸出正弦電壓的角頻率。在一個采樣周期內(nèi)，可以通過、的線性組合來合成，它等于。其中、表示一個周期內(nèi)基本電壓矢量、的作用時間。在下一個采樣周期內(nèi)，只要在、所包括的范圍，那么仍然使用、來合成，只是作用時間

41、、有所不同。在每一個采樣周期內(nèi)，都可以通過相鄰的兩個基本電壓矢量來合成。針對圖3-1所示的情況，參考電壓矢量位于被基本空間矢量、所包圍的扇區(qū)中，按照伏秒平衡的原則，得6（3-1）由公式（3-1）表示的矢量關(guān)系得（3-2）（3-3）此外，零電壓矢量的作用時間為：（3-4）式中為采樣周期為直流母線電壓如果將投影到兩相靜止坐標(biāo)系上，其、分量分別為、。那么、又可以通過公式（3-5）和（2-6）求得。（3-5）（3-6）的求解公式（3-4）保持不變，重寫為公式（3-7）。（3-7）同理,可計算出目標(biāo)電壓矢量在任意扇區(qū)內(nèi)基本空間電壓矢量開通持續(xù)作用的時間、，見表3-1。表3-1每個扇區(qū)內(nèi)電壓矢量作用時間t

42、able3-1function time of voltage in every plane作用時間扇區(qū)號123456zx-z-xx-yy-xxz-y-z其中（3-8）一個采樣周期內(nèi)各個電壓狀態(tài)的導(dǎo)通順序決定了電機(jī)電流諧波分量的大小，也關(guān)系到開關(guān)器件的開關(guān)頻率。為此采用波形對稱的方法，把每個矢量的作用時間都一分為二，同時，把零電壓矢量時間等分給兩個零矢量和。圖3-2中顯示了兩個電壓矢量、及零矢量在區(qū)間的作用順序。圖3-2 電壓矢量的作用順序（七段式法）fig.3-2the application sequences of pace voltage vector以上分析都是針對正常的調(diào)制模式（線

43、性調(diào)制或者欠調(diào)制）的情況，電壓矢量的軌跡位于圖3-1所示的正六邊形的內(nèi)切圓內(nèi)。但是，當(dāng)計算求得的電壓矢量超出逆變器的輸出極限值（正六邊形內(nèi)切圓的半徑，見圖3-1）時，svm進(jìn)入過調(diào)制模式，此時電壓矢量將會出現(xiàn)嚴(yán)重失真，影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。為了解決這一問題，有些文獻(xiàn)提出了一些補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ怯嬎惚容^復(fù)雜。通常的做法是，先計算出、，然后判斷是否成立，如果不成立，則、保持不變；如果成立，則按照下面的公式計算28。（3-9）3.2空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和定子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，軸與定子磁鏈方向一致，也就是說、。則此時電機(jī)方程可以寫成（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）根據(jù)公式

44、（3-11）、（3-12）和（3-13）可以得到（3-14）（3-15）由公式（3-14）可知，定子磁鏈的變化主要由空間電壓矢量的軸分量來控制；而公式（3-15）則表明，電磁轉(zhuǎn)矩的變化主要由空間電壓矢量的軸分量來控制。圖3-3空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖fig.3-3block diagram of svm-dtc system空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制（svm-dtc）系統(tǒng)如圖3-3所示。定子電壓矢量通過定子磁鏈的誤差和轉(zhuǎn)矩的誤差得到，具體是根據(jù)磁鏈誤差通過pi調(diào)節(jié)器來計算定子電壓的軸分量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差通過pi調(diào)節(jié)器來計算定子電壓的軸分量。然后結(jié)合定子磁鏈相位角通過2r/2s變換，把旋轉(zhuǎn)坐

45、標(biāo)系的定子電壓矢量、變換成與定子坐標(biāo)系的電壓矢量、。與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制相比，空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)，采用兩個pi調(diào)節(jié)器代替兩個滯環(huán)比較器，并且用空間矢量調(diào)制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)選擇表。3.3svm-dtc仿真針對圖3-3的svm-dtc系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并和傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了比較，空間矢量脈寬調(diào)制算法采用simulink中的s-function來實(shí)現(xiàn)34。電機(jī)參數(shù)為：定子電阻， 轉(zhuǎn)子電阻，定子自感等于轉(zhuǎn)子自感，定、轉(zhuǎn)子互感，轉(zhuǎn)動慣量，極對數(shù)。系統(tǒng)采樣時間。控制系統(tǒng)在時轉(zhuǎn)速給定，在時轉(zhuǎn)速給定。仿真結(jié)果如圖3-43-9所示，圖中a) 表示傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真，b

46、)表示svm-dtc仿真。a) b)圖3-4定子磁鏈軌跡fig.3-4trajectory of stator fluxa) b)圖3-5電機(jī)轉(zhuǎn)速fig.3-5motor speeda) b)圖3-6電磁轉(zhuǎn)矩fig.3-6electromagnetic torquea) b)圖3-7定子磁鏈幅值fig.3-7amplitude of stator fluxa) b)圖3-8 定子磁鏈分量fig.3-8a)b)圖3-9定子電流fig.3-9stator current從圖3-4中可以看出，兩種方案的定子磁鏈軌跡都近似圓形，但是svm-dtc的效果更好。電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)差別不大（圖3-5），但是轉(zhuǎn)矩相

47、比較，svm-dtc的轉(zhuǎn)矩脈動已經(jīng)大為減小（圖3-6）。在圖3-7和圖3-9中，svm-dtc的定子磁鏈幅值和定子電流的波動明顯小于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制，在轉(zhuǎn)速降低以后，svm-dtc對磁鏈幅值和定子電流控制的比較好，而傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制卻有較大的脈動。值得注意的是，svm-dtc的轉(zhuǎn)矩波形不是很好，其原因是公式（3-13）中電機(jī)轉(zhuǎn)矩不僅僅由決定，同時還受同步轉(zhuǎn)速和乘積的影響，并且還是在變化的。但是，從仿真的整體效果來看，空間矢量調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，降低了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動。無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第3章在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中應(yīng)用了空間矢量調(diào)制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制的性能得到了明顯地改善。然而

48、，空間矢量調(diào)制技術(shù)盡管解決了輸出電壓矢量單一和開關(guān)頻率不固定的問題，但是由于轉(zhuǎn)矩受同步轉(zhuǎn)速的影響，pi調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以整定，轉(zhuǎn)矩控制效果不十分理想無差拍控制(deadbeat control)應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制是由美國人t.g.habetler基于離散化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)提出的3536。其控制思想是根據(jù)轉(zhuǎn)矩差值和磁鏈幅值差值與空間電壓矢量之間的關(guān)系，組成以空間電壓矢量為未知數(shù)的方程組。通過解方程組就可以求出使轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差為零的空間電壓矢量，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制。無差拍控制的最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無超調(diào)、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、易于計算機(jī)執(zhí)行等，缺點(diǎn)是它要求建立精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)理

49、想模型與實(shí)際對象有差異時，劇烈的控制動作會引起輸出電壓的振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著數(shù)字信號處理器(dsp)應(yīng)用的不斷發(fā)展，這是一種很有前途的控制方法。4.1無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制4.1.1t.g.habetler的控制方法根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在坐標(biāo)系上，一個采樣周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的給定值和反饋值的差值可以寫成如下形式30：(4-1)式中、定子磁鏈在、坐標(biāo)軸上的分量、定子反電動勢在、坐標(biāo)軸上的分量、定子電壓在、坐標(biāo)軸上的分量顯然，只要、滿足公式(4-1)的要求，在下一個控制周期內(nèi)就可以消除轉(zhuǎn)矩誤差。定子磁鏈給定值和反饋值的差值可以寫成如下形式： (4-2)當(dāng)、滿足公式(4-2)時，就可以在下一個

50、控制周期內(nèi)消除磁鏈模值誤差。 由公式(4-1)得(4-3)將公式(4-3)代入公式(4-2)得(4-4)式中采樣周期開始時刻的轉(zhuǎn)矩和給定值的差求解公式(4-4)關(guān)于的二次方程，將代入公式(4-3)就可以得到。這樣就得到了既能消除轉(zhuǎn)矩誤差又能消除磁鏈誤差的定子電壓給定值(、)，通過空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)生成該電壓矢量，從而實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩的無差拍控制。從理論上講，無差拍控制可以在一個采樣周期內(nèi)，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的動靜態(tài)誤差。同時由于這種控制方法沒有使用滯環(huán)比較器，從而消除了由于使用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)可以運(yùn)行在極低速下，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。但是，這種方法仍然是建立在定子磁鏈純積分

51、觀測器的基礎(chǔ)之上，對于純積分器的問題依然存在37。并且該方法在定子固定坐標(biāo)軸上計算，需要求解二次方程，增加了控制算法的計算量和實(shí)現(xiàn)難度。4.1.2轉(zhuǎn)矩（磁鏈）跟蹤預(yù)測法針對上述無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制計算量大的問題，出現(xiàn)了一系列的簡化的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制，其中的轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測方法應(yīng)用比較廣泛38-42。該方法分析了低速轉(zhuǎn)矩脈動的情況，得出轉(zhuǎn)矩脈動鋸齒不對稱的結(jié)論，并且根據(jù)電機(jī)模型得出轉(zhuǎn)矩變化和電壓矢量的關(guān)系。(4-5)式中逆變器輸出定子電壓矢量由公式(4-5)可以看出，如果電壓矢量為零電壓矢量，即，那么，轉(zhuǎn)矩的變化總是小于零，即；如果電壓矢量為非零電壓矢量即，那么轉(zhuǎn)矩的變化可能大于零，也可能小于零，或

52、者等于零。因此，零電壓矢量和非電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的變化是不同的。轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測方法的目標(biāo)是，在下一個采樣周期內(nèi)使非零電壓矢量和零電壓矢量共同作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等于本周期計算出來的轉(zhuǎn)矩誤差，用公式表示為(4-6)式中、非零電壓矢量、零電壓矢量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化通過求解公式(4-6)的方程，可以獲得消除轉(zhuǎn)矩誤差的非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時間，達(dá)到轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制的目的。針對求出的電壓矢量作用時間超出采樣周期或者小于零的情況，解決方法見公式(4-7)。(4-7)式中針對單一的轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制的不足，文獻(xiàn)43提出了對磁鏈和轉(zhuǎn)矩都進(jìn)行預(yù)測跟蹤控制的方法。該方法既消除了轉(zhuǎn)矩脈動,又不會產(chǎn)生磁鏈畸變,同時也沒有顯著的增

53、加控制算法的計算量。效果明顯優(yōu)于單純的轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測控制。無論是轉(zhuǎn)矩預(yù)測跟蹤控制、磁鏈預(yù)測跟蹤控制，還是轉(zhuǎn)矩和磁鏈的預(yù)測跟蹤控制，比起上述t.g.habetler的無差拍控制簡單了許多，且易于實(shí)現(xiàn)。局限性是對電機(jī)參數(shù)變化較為敏感,要提其高魯棒性，需要在線估計電機(jī)參數(shù)。4.1.3基于幾何圖形的無差拍控制在文獻(xiàn)44中，對定子磁鏈方程、轉(zhuǎn)子磁鏈方程以及由定、轉(zhuǎn)子磁鏈表示的轉(zhuǎn)矩方程進(jìn)行離散化，然后把前兩個方程帶入到轉(zhuǎn)矩方程中去。通過離散的轉(zhuǎn)矩方程分析可以知道,施加電壓矢量可以使轉(zhuǎn)矩誤差為零，滿足要求的電壓矢量的軌跡在平面上是一條直線上，且與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠较蚱叫?。采取同樣的方法可以分析知道施加電壓矢量可以使磁鏈誤差為零，該電壓矢量的軌跡在平面上是一個圓，且與磁鏈圓同心。于是利用直線和圓的交點(diǎn)就可以得到使轉(zhuǎn)矩和磁鏈無差拍控制的電壓矢量，當(dāng)然這個電壓矢量受到逆變器所能輸出的電壓大小的限制。把幾何圖形引入到無差拍的控制中來是一個比較好的思路，可以得到最優(yōu)的無差拍控制的電壓矢量，同時也有助于理論上的分析。但是就如何把圖形方式和數(shù)字化控制結(jié)合起來從實(shí)現(xiàn)方式上來說還是存在有一定的難度10。4.2無差拍控制算法改進(jìn)以上介紹的幾種無差拍控制方法都有一定的優(yōu)勢，也存在一