现代控制理论在电机中的应用

现代控制理论与电机控制

刘北

070301071

电气工程及其自动化0703班

现代控制理论在电机控制中的具体应用：

自70年代异步电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。伴随着推进矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制技术进一步向前发展的是人工智能控制，这是电机现代控制技术的前沿性课题，已取得阶段性的研究成果，并正在逐步实用化。

矢量控制和直接转矩控制技术的一个新的发展方向是直接驱动技术，这种零方式消除了传统机械传动链带来的一系列不良影响，极大地提高了系统的快速响应能力和运动精度。但是，这种机械上的简化，导致了电机控制上的难度。为此，需要电机控制技术的进一步提高和创新。这正是电机现代控制技术有待深入研究和具有广阔开发前景的新领域。

电机的现代控制技术与先进制造装备息息相关，已在为先进制造技术的重要研究领域之一，国内很多学者和科技人员正在从事这方面的研究和开发。

一、三相感应电动机的矢量控制

1、 定、转子磁动势矢量

三相感应电动机是机电能量转换装置，这种的物理基础是电磁间的相互作用或者磁场能量的变化。因此，磁场是机电能量转换的媒介，是非常重要的物理量。为此，对各种电动机都要了解磁场在电动机空间内的分布情况。感应电动机内磁场是由定、转子三相绕组的磁动势产生的，首先要确定电动机内磁动势的分布情况。对定子三相绕组而言，当通以三相电流A i 、B i 、C i 时，分别产生沿着各自绕组轴线脉动的空间磁动势波，取其基波并记为A f 、B f 、C f ，显然它们都是空间矢量。对于分布和短矩绕组，定义正向电流产生的空间磁动势波基波的轴线为该相绕组的轴线，亦即A f 、B f 、C f 是以ABC 为轴线沿圆周正弦分布的空间矢量，各自的幅值是变化的，取决于相电流的瞬时值，即有

4()2s s A A

n N k F t i p ωπ=? （1） 4()2s s B B

n N k F t i p ωπ=? （2） 4()2s s C C n N k F t i p ωπ=

? （3） 式中，n p 为极对数；s N 为每相绕组匝数；s k ω为绕组因数。当相电流瞬时值为正值时，磁动势矢量方向与该相绕组轴线一致，反之则相反。

2、 定、转子电流空间矢量

与定、转子磁动势矢量类似，转子电流也可能理解为三相矢量。考虑到功率

得出

2)s A B C i i ai a i =++ （4） 同理，有

2)r j r a b c i i ai a i e θ=++ （5） 或者

2)r aA bB cC i i ai a i =++ （6） 式中，a i 、b i 、c i 是转子实际电流，aA i 、bB i 、cC i 是以静止轴系ABC 表示的转子电流，也就是上面提到的经转子频率归算后的电流。

3、定、转子电压空间矢量

感应电动机在运行中，就控制相电流而言，外加相电压相当于系统的外部激励，可以通过调节相电压来改变相电流，进而控制电动机内的磁动势和空间磁场，实现对电动机物理量的矢量控制。从这个角度说，可以将电压看成是空间矢量。

同定子电流空间矢量一样，可以将定子电压空间矢量定义为

2)s A B C u u au a u =++ （7）

在电动机矢量控制中，一般是通过控制三个相电压来控制电压空间矢量。当A 相绕组正向连接，B 和C 相绕组同时反向连接时，则有

B C u u = （8）

A B c u u V -= （9）

即

s c u = （10） 4、定、转子磁链空间矢量

由电工理论可知

Li ψ= （11）

所以，若电流是空间矢量，则磁链一定也是空间矢量。同定子电压空间矢量一样，可将定子磁链空间矢量定义为

2)s A B C a a ψψψψ=++ （12） 式中，A ψ是链过定子A 相绕组磁链的总和，包括它的自感磁链，也包括其他定、转子绕组对它的互感磁链，对B ψ和C ψ也是如此。

同理，在以转子自身旋转的abc 轴系中，定义转子磁链空间矢量为

2)abc r A B C a a ψψψψ=++ （13） 而以ABC 轴系表示的转子磁链空间矢量为

r

j abc r r e θψψ= （14） 二、三相感应电动机直接转矩控制

直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将磁通和电磁转矩作为控制变量，因此无需进行磁场定向和矢量变换，这种对电磁转矩的直接控制，无疑更为简捷和快速，进一步提高了系统的动态响应能力。正因如此，虽然直接转矩控制从理论提出到实际应用都滞后于矢量控制，但由于该方法本身固有的优势，使直接转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。

直接转矩控制是把转矩作为直接控制变量，利用离散的逆变器开关电压矢量对定子磁链矢量轨迹控制的同时实现对转矩的直接控制。

由于直接转矩控制不是通过定子电流来间接控制转矩，因此省掉了电流或电压的控制环节，这对提高系统的快速响应能力是有

利的。直接转矩控制是直接将转矩检测值与转矩给定值进行滞环比较，根据比较结果选择开关电压矢量，开关电压矢量可以直接控制定子磁链矢量的速度，也就实现了对转矩的直接控制。滞环比较器相当于两点式调节器，滞环比较器属于Bang-Bang 控制，使转矩能快速调节。另外，直接控制的运算均在静止的定子坐标系中进行，不需要旋转轴系到静止轴系的变换，也就不需要像矢量控制那样进行复杂的矢量变换或坐标变换；由于不需要磁场定向，也就不需要复杂的磁场定向算法，大大简化了运算处理过程，提高了控制运算速度。

直接转矩控制是将转矩直接作为控制变量，从控制转矩的角度出发，强调的是转矩的控制效果，追求转矩控制的快速性和准确性。直接转矩控制是控制定子磁链适量的走走停停，通过控制定子磁链矢量相对转子磁链矢量的平均旋转速度来控制电磁转矩，这种控制过程始终是在动态下进行的。不需要给出定子磁链矢量精确的空间位置，只需要了解定子磁链矢量所在区间的位置，因此位置检测比较简单。

矢量控制系统当电压源逆变器时，为能独立地控制定子电流的两个分量，需要附加电压解耦电路，或者增加电流快速闭环控制环节，将电压源逆变器构成为电流可控PWM 逆变器。直接转矩控制可以直接利用电压源逆变器，不需要电压解耦，直接对逆变器开关状态进行最佳控制。直接转矩控制的解耦体现在选择合适的矢量开关电压，通过它们的径向分量和切向分量来独立地控制定子磁链矢量的幅值或转速。

传统的转子磁场定向控制系统一般需要四个调节器，而直接转矩控制只需要速度、位置调节器和两个滞环控制器，这不仅使控制系统得到简化，也有利于提高系统的动态性能。

三、三相永磁同步电动机直接转矩控制

直接转矩控制与矢量控制的比较

直接转矩控制

PMSM 直接转矩控制的实质是通过控制交轴电流q i 控制转矩，所以直接转矩控制与矢量控制在转矩控制原理上是相同的，差异主要体现在控制方式上。

电磁转矩生成的实质是磁场间的相互作用，而磁场是由定子电流产生的，所以无论采用何种控制方式，最终都只能通过控制定子电流才能实现对转矩的控制。从这一点上说，PMSM 直接转矩控制其实并不“直接”，因为它不是直接将q i 作为控制变量，而是通过定子电压来间接控制q i 。其中q i 的表达式为

1()1q r f s q s u R i T p

ωψ-=+ （15） 式中，/s s s T L R =，s T 为定子时间常数。

矢量控制

矢量控制基本原理是将q i 和d i 直接作为控制变量，通过q i 控制转矩，通过d

i

控制s 。所以，矢量控制更“直接”地控制转矩。矢量控制对q i 和d i 的控制，一种方法是采用快速电流控制环，构成电流可控PWM 逆变器。另一种方法是利用电压源逆变器，但要采用电流调节器，若不考虑调节器的滞后因素，可以认为实际电流是严格跟踪指令电流的。直接转矩控制不采用电流调节器和坐标变换，提高了系统的快速性，但它是以降低转矩控制精度为代价的。

纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都是有理论方面的突破。但现在作为一些较成熟的现代交流系统，再提出具有划时代意义的理论不太容易。因此今后的发展，相当长一段时间内还会是将现有的各种控制理论加以结合，互相取长补短，或者将其它学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路，以解决上述问题。近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究，并预言未来的十年将开创电力电子和运动控制的新纪元。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等等优点。模糊控制已在交直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用如：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等等。近年来已有一些文献探讨将神经网络控制或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信不久的将来会获得实用性结果。

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