1、現(xiàn)代控制理論與電機(jī)控制劉北070301071電氣工程及其自動化0703班現(xiàn)代控制理論在電機(jī)控制中的具體應(yīng)用：自70年代異步電動機(jī)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(jī)模擬成直流機(jī)，通過坐標(biāo)變換的方法，分別控制勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，從而獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。這種控制方法現(xiàn)已較成熟，已經(jīng)產(chǎn)品化，且產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。因為這種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器的運(yùn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能等等問題，國內(nèi)、外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。伴隨著推進(jìn)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩

2、控制和無傳感器控制技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展的是人工智能控制，這是電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)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(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(jī)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(yùn)動精度。但是，這種機(jī)械上的簡化，導(dǎo)致了電機(jī)控制上的難度。為此，需要電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)一步提高和創(chuàng)新。這正是電機(jī)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(jī)的現(xiàn)代控制技術(shù)與先進(jìn)制造裝備息息相關(guān)，已在為先進(jìn)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)。一、三相感應(yīng)電動機(jī)的矢量控制1、

3、定、轉(zhuǎn)子磁動勢矢量三相感應(yīng)電動機(jī)是機(jī)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(jī)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(jī)都要了解磁場在電動機(jī)空間內(nèi)的分布情況。感應(yīng)電動機(jī)內(nèi)磁場是由定、轉(zhuǎn)子三相繞組的磁動勢產(chǎn)生的，首先要確定電動機(jī)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）

4、（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。考慮到功率不變約束，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(jī)在運(yùn)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(jìn)而控制電動機(jī)內(nèi)的磁動勢和空間磁場，實現(xiàn)對電動機(jī)物理量的

5、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(jī)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、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

6、的轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量為 （14）二、三相感應(yīng)電動機(jī)直接轉(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(jìn)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(jìn)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(jìn)展的步伐也越來越快。直接轉(zhuǎn)矩控制是把轉(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?zhǔn)噶寇壽E控制的同時實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。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

7、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(jìn)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?zhǔn)噶康乃俣龋簿蛯崿F(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(yùn)算均在靜止的定子坐標(biāo)系中進(jìn)行，不需要旋轉(zhuǎn)軸系到靜止軸系的變換，也就不需要像矢量控制那樣進(jìn)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(yùn)算處理過程，提高了控制運(yùn)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(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的控制效果，追求轉(zhuǎn)矩控制

8、的快速性和準(zhǔn)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?zhǔn)噶肯鄬D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康钠骄D(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(jìn)行的。不需要給出定子磁鏈?zhǔn)噶烤_的空間位置，只需要了解定子磁鏈?zhǔn)噶克趨^(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，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(jìn)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

9、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。三、三相永磁同步電動機(jī)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

10、是通過定子電壓來間接控制。其中的表達(dá)式為 （15）式中，為定子時間常數(shù)。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(rèn)為實際電流是嚴(yán)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?？v觀電機(jī)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(xiàn)在作為一些較成熟的現(xiàn)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(dāng)長一段時間內(nèi)還會是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長補(bǔ)短，或者將其它學(xué)科的理論、方法引入電機(jī)控制，走交叉學(xué)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(lǐng)域獲得了應(yīng)用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)學(xué)模型并具有較強(qiáng)的魯棒性，因而許多學(xué)者將智能控制方法引入了電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，并預(yù)言未來的十年將開創(chuàng)電力電子和運(yùn)動控制的新紀(jì)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(shù)學(xué)模型、能克服非線性因素的影響、對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性等等優(yōu)點。模糊控制已在交直流調(diào)速系統(tǒng)和伺服