現(xiàn)代控制理論在電機中的應(yīng)用

1、現(xiàn)代控制理論在電機控制中的應(yīng)用現(xiàn)代控制理論在電機控制上的發(fā)展現(xiàn)狀：1971年，德國學(xué)者Blaschke提出了交流電動機矢量控制，它的出現(xiàn)對電機控制技術(shù)的研究具有劃時代的意義，使電機控制技術(shù)的發(fā)展步入了一個全新的階段。在此后的20多年里，矢量控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)逐步代替了直流系統(tǒng)。盡管如此，矢量控制仍有許多技術(shù)問題需要進一步解決和完善。1985年，德國學(xué)者Depenbrock提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，由于它直接控制定子磁鏈空間矢量和電磁轉(zhuǎn)矩，使控制系統(tǒng)得以簡化，并且提高了快速響應(yīng)能力。它不僅拓寬了矢量控制理論，也促進了電機現(xiàn)代控制技術(shù)的進一步發(fā)展。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)還有待進

2、一步深入研究和改進，加快向?qū)嵱没较蛲七M的步伐。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制正在向?qū)崿F(xiàn)無傳感器控制方向發(fā)展，但是無傳感器控制技術(shù)總體上還處于研究和開發(fā)階段，只在部分產(chǎn)品上開始實用化。進一步加大和拓寬無傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用，還有許多理論和技術(shù)問題需要解決。伴隨和推進矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無傳感器控制技術(shù)進一步向前發(fā)展的是人工智能控制，這是電機現(xiàn)代控制技術(shù)的前沿性課題，國內(nèi)外學(xué)者正在競相研究，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(zhuǎn)矩控制技術(shù)的一個新的發(fā)展方向是直接驅(qū)動技術(shù)，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(yīng)能力和運動精度。但是，這種機械上

3、的簡化，導(dǎo)致了電機控制上的難度。為此，需要電機控制技術(shù)的進一步提高和創(chuàng)新。這正是電機現(xiàn)代控制技術(shù)有待深入研究和具有廣闊開發(fā)前景的新領(lǐng)域。電機的現(xiàn)代控制技術(shù)與先進制造裝備息息相關(guān)，已在為先進制造技術(shù)的重要研究領(lǐng)域之一，國內(nèi)很多學(xué)者和科技人員正在從事這方面的研究和開發(fā)?，F(xiàn)代控制理論在電機控制中的具體應(yīng)用：一、三相感應(yīng)電動機的矢量控制1、 定、轉(zhuǎn)子磁動勢矢量三相感應(yīng)電動機是機電能量轉(zhuǎn)換裝置，這種的物理基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(nèi)的分布情況。感應(yīng)電動機內(nèi)磁場是由定、轉(zhuǎn)子三相繞組的磁動勢產(chǎn)生的，

4、首先要確定電動機內(nèi)磁動勢的分布情況。對定子三相繞組而言，當(dāng)通以三相電流、時，分別產(chǎn)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、，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(chǎn)生的空間磁動勢波基波的軸線為該相繞組的軸線，亦即、是以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 （1） （2） （3）式中，為極對數(shù)；為每相繞組匝數(shù)；為繞組因數(shù)。當(dāng)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(zhuǎn)子電流空間矢量與定、轉(zhuǎn)子磁動勢矢量類似，轉(zhuǎn)子電流也可能理解為三相矢量?？紤]到功率不變約束，確定單軸線圈有效匝數(shù)為每相繞組有效

5、匝數(shù)的倍，于是可以得出 （4）同理，有 （5）或者 （6）式中，、是轉(zhuǎn)子實際電流，、是以靜止軸系表示的轉(zhuǎn)子電流，也就是上面提到的經(jīng)轉(zhuǎn)子頻率歸算后的電流。3、 定、轉(zhuǎn)子電壓空間矢量感應(yīng)電動機在運行中，就控制相電流而言，外加相電壓相當(dāng)于系統(tǒng)的外部激勵，可以通過調(diào)節(jié)相電壓來改變相電流，進而控制電動機內(nèi)的磁動勢和空間磁場，實現(xiàn)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義為 （7）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(dāng)A相繞組正向連接，B和C相繞組同時反向連接時，則有 （8） （9）即 （10）4、 定、

6、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量由電工理論可知 （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 （12）式中，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(zhuǎn)子繞組對它的互感磁鏈，對和也是如此。同理，在以轉(zhuǎn)子自身旋轉(zhuǎn)的abc軸系中，定義轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量為 （13）而以軸系表示的轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量為 （14）二、 永磁電動機矢量控制1、矢量控制在三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子磁通矢量控制中，是通過控制同步旋轉(zhuǎn)MT軸系中的兩個坐標(biāo)矢量和來控制的幅值和相位，為了能獨立地控制勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，就要先觀測轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，然后使M軸與轉(zhuǎn)子磁場取得一致，即進

7、行磁場定向。在PMSM中，同樣可以通過控制同步旋轉(zhuǎn)dq軸系中的兩個坐標(biāo)分量和來控制的幅值和相位。由于PMSM的轉(zhuǎn)子磁極在物理上是可觀測的，因此可通過傳感器直接檢測到軸線位置，這要比觀測感應(yīng)電動機內(nèi)的轉(zhuǎn)子磁場容易得多。所以，PMSM的矢量控制要比感應(yīng)電動機容易實現(xiàn)。2、面裝式PMSM矢量控制系統(tǒng)由于計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字信號處理器（DSP）的廣泛應(yīng)用，加之傳感技術(shù)或無傳感器控制技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的日漸成熟，使得交流電動機矢量控制不僅理論上更加完善，而且實用化程度也越來越高?？梢哉f，目前在高性能交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，基本都采用矢量控制技術(shù)。當(dāng)采用具有快速電流控制環(huán)的PWM逆變器時，電流控制環(huán)

8、應(yīng)該能對電流指令的變化做出快速反應(yīng)，使實際電流能夠嚴格地跟蹤指令電流。但是當(dāng)某些電流控制方法使逆變器達不到這種要求時，實際定子電流矢量就不能理想地跟蹤參考定子電流矢量。3、插入式和內(nèi)裝式PMSM矢量控制系統(tǒng)插入式和內(nèi)裝式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，由于永磁體是嵌入或內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，在力學(xué)性能上就比較堅固可靠，可允許在更高的速度下運行。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定了電動機直軸同步電感要小于交軸同步電感，通常可達到5倍左右。磁阻轉(zhuǎn)矩大小和有關(guān)。因此利用凸極效應(yīng)可以獲得較高的轉(zhuǎn)矩/電流比，或者減少永磁體的體積，降低永磁體勵磁磁通，這樣既有利用弱磁運行，擴大速度范圍，又可降低電動機成本。三、三相感應(yīng)電動機直

9、接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它是直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)能力。正因如此，雖然直接轉(zhuǎn)矩控制從理論提出到實際應(yīng)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(zhuǎn)矩控制的理論研究和技術(shù)開發(fā)越來越受到重視，進展的步伐也越來越快。直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過磁場定向和控制定子電流矢量的勵磁分量來間接控制電磁轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩作為直接控制變量，利用離散的逆變器開關(guān)電壓矢量對定子磁鏈矢量軌跡控制的同時實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，對磁鏈軌跡的控制設(shè)定有兩種模式，一個是正六邊形模式

10、，另一個是圓形模式，正六邊形磁鏈軌跡造成定子磁場和轉(zhuǎn)矩脈動很大，盡管其具有控制簡單，逆變器開關(guān)頻率低等特點，但在性能要求較高的伺服驅(qū)動中還很少采用，主要用于大功率傳輸系統(tǒng)。由于直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過定子電流來間接控制轉(zhuǎn)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(yīng)能力是有利的。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值進行滯環(huán)比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇開關(guān)電壓矢量，開關(guān)電壓矢量可以直接控制定子磁鏈矢量的速度，也就實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩的直接控制。滯環(huán)比較器相當(dāng)于兩點式調(diào)節(jié)器，滯環(huán)比較器屬于Bang-Bang控制，使轉(zhuǎn)矩能快速調(diào)節(jié)。另外，直接控制的運算均在靜止的定子坐標(biāo)系中進行，不需要旋轉(zhuǎn)軸系到靜止

11、軸系的變換，也就不需要像矢量控制那樣進行復(fù)雜的矢量變換或坐標(biāo)變換；由于不需要磁場定向，也就不需要復(fù)雜的磁場定向算法，大大簡化了運算處理過程，提高了控制運算速度。直接轉(zhuǎn)矩控制是將轉(zhuǎn)矩直接作為控制變量，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的控制效果，追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準確性。直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈矢量的平均旋轉(zhuǎn)速度來控制電磁轉(zhuǎn)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(dāng)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，

12、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(gòu)成為電流可控PWM逆變器。直接轉(zhuǎn)矩控制可以直接利用電壓源逆變器，不需要電壓解耦，直接對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的解耦體現(xiàn)在選擇合適的矢量開關(guān)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(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)一般需要四個調(diào)節(jié)器，而直接轉(zhuǎn)矩控制只需要速度、位置調(diào)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。四、三相永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的比較直接轉(zhuǎn)矩控制PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)是通過控制交軸電流控制轉(zhuǎn)矩，所以直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制在轉(zhuǎn)矩控制原理上是

13、相同的，差異主要體現(xiàn)在控制方式上。電磁轉(zhuǎn)矩生成的實質(zhì)是磁場間的相互作用，而磁場是由定子電流產(chǎn)生的，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(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。從這一點上說，PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制其實并不“直接”，因為它不是直接將作為控制變量，而是通過定子電壓來間接控制。其中的表達式為 （15）式中，為定子時間常數(shù)。為種控制方式會產(chǎn)生如下問題：（1）逆變器提供的離散開關(guān)電壓矢量難以時刻滿足的控制要求。（2）由于定子電感的存在，定子電流的變化總是要滯后于定子電壓，因為式（15）是個一階滯后環(huán)節(jié)。（3）在給定電壓大小受轉(zhuǎn)速影響將是明顯的。但在低速時，若施加過大的，便會產(chǎn)生較大的沖擊電流，

14、并引起轉(zhuǎn)矩脈動。（4）與永磁體勵磁磁場正交的定子開關(guān)電壓矢量才是純轉(zhuǎn)矩矢量，而不是與定子磁鏈矢量正交的開關(guān)電壓矢量。矢量控制矢量控制基本原理是將和直接作為控制變量，通過控制轉(zhuǎn)矩，通過控制。所以，矢量控制更“直接”地控制轉(zhuǎn)矩。矢量控制對和的控制，一種方法是采用快速電流控制環(huán)，構(gòu)成電流可控PWM逆變器。另一種方法是利用電壓源逆變器，但要采用電流調(diào)節(jié)器，若不考慮調(diào)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(zhuǎn)矩控制不采用電流調(diào)節(jié)器和坐標(biāo)變換，提高了系統(tǒng)的快速性，但它是以降低轉(zhuǎn)矩控制精度為代價的。五、 電動機無傳感器控制技術(shù)1、 自適應(yīng)觀測器在基于電機數(shù)學(xué)模型的各種開環(huán)估計中，估計結(jié)果的

15、正確性要受到參數(shù)變化的影響，轉(zhuǎn)速越低，這種影響就越嚴重。使伺服驅(qū)動系統(tǒng)低速時的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都變壞。但是，若采用閉環(huán)估計就可以提高伺服驅(qū)動系統(tǒng)克服參數(shù)影響的剛性。閉環(huán)與開環(huán)估計的差別在于是否采用了可以調(diào)節(jié)估計器響應(yīng)的校正環(huán)節(jié)。閉環(huán)估計器又稱觀測器。觀測器分為確定型和隨機型兩類，目前應(yīng)用較多的是Luenberger觀測器和Kalman濾波器。基本的Luenberger觀測器用于線性時不變確定系統(tǒng)，擴展的Luenberger觀測器可用于非線性時變確定系統(tǒng)?；镜腒alman濾波器只能應(yīng)用于線性隨機系統(tǒng)，而擴展的Kalman濾波器可用于非線性隨機系統(tǒng)?？梢栽O(shè)計合適的觀測器用于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，

16、使伺服驅(qū)動系統(tǒng)在很寬的速度范圍內(nèi)，甚至在低速下也能穩(wěn)定運行。2、 擴展的卡爾曼濾波前已指出，觀測器基本上分為確定型和隨機型兩類，卡爾曼濾波屬于后者。擴展的卡爾曼濾波是線性系統(tǒng)狀態(tài)估計的卡爾曼濾波算法在非線性系統(tǒng)的擴展應(yīng)用，因為濾波器增益能夠適應(yīng)環(huán)境而自動調(diào)節(jié)，所以擴展的卡爾曼濾波本身就是一個自適應(yīng)系統(tǒng)?？柭鼮V波器是在線性最小方差估計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種遞推計算方法，這種算法可一邊采集數(shù)據(jù)，一邊計算。這種遞推式計算可由DSP在線完成，因此擴展的卡爾曼濾波器可對系統(tǒng)狀態(tài)進行在線估計，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。擴展的卡爾曼濾波器適用于高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可以在很寬的速度范圍內(nèi)工作，甚至在很低的速度

17、下完成轉(zhuǎn)速估計，也可對相關(guān)狀態(tài)和某些參數(shù)進行估計。擴展的卡爾曼濾波器是一種非線性系統(tǒng)的隨機觀測器，其優(yōu)點之一是當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)和測量噪聲時，仍能對系統(tǒng)狀態(tài)進行準確估計。這些噪聲具有隨機性，根據(jù)噪聲來源可分為系統(tǒng)噪聲和測量噪聲。其中系統(tǒng)噪聲來源于數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的不準確性或運行中參數(shù)的變化以及系統(tǒng)擾動噪聲，還有定子電壓測量引起的噪聲，測量噪聲來源于對定子電流的測量，也是由于對傳感器和A/D轉(zhuǎn)換引起的。六、智能控制技術(shù)基于智能控制的電機驅(qū)動技術(shù)智能控制理論是自動控制科學(xué)領(lǐng)域里的一門新興學(xué)科，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是該學(xué)科發(fā)展和研究的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用這種先進的控制技術(shù)可以有效解決一些傳統(tǒng)和其他現(xiàn)代控制方法還難以解決的問題，可以提高控制的質(zhì)量和效果，這是因為智能控制有其自身的特點和優(yōu)勢。首先，智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)學(xué)模型，只按實際效果進行控制，在控制中有能力并可以充分考慮系統(tǒng)的不精確性和不確定性。其次，智能控制具有明顯的非線性特征。就模糊控制而言，無論是模糊化、規(guī)則推理還是反模糊化，從本質(zhì)上來說都是