通過輸出反饋形成雙饋感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)力控制摘要現(xiàn)在已經(jīng)提出了雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIM）新的輸出反饋控制的算法。通過定子電流矢量的有功和無功成分的直接閉環(huán)控制獲得有功和無功的漸進(jìn)調(diào)整，其中電流矢量體現(xiàn)在線性電壓定向參考結(jié)構(gòu)中。為了體現(xiàn)該方法的最大一般性通常忽略定子電阻的假設(shè)并沒有在這兒采用。全維DFIM控制模式被用作控制算法發(fā)展。推薦的控制系統(tǒng)是關(guān)于有限及其參數(shù)變量和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差的魯棒。在本文中，同時(shí)也提出了如何將建議的電流控制算法加以改進(jìn)從而在穩(wěn)定狀態(tài)下達(dá)到漸進(jìn)有功的電流跟蹤以及零值無功的穩(wěn)定化。也講述了在激發(fā)同步階段中速度控制目標(biāo)和EMF控制的拓展。方針和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了對(duì)于典型運(yùn)行狀態(tài)控制算法高的動(dòng)力學(xué)特性和魯棒性.建議的控制器同時(shí)適合于存在有限速度變化范圍的發(fā)電機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。1．緒論矩陣控制的雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIM）為高性能的有限速度范圍的電氣傳動(dòng)及發(fā)電應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展前景。如圖1為這種電機(jī)的典型連接線路。其中定繞組直接連接到線柵欄上，而動(dòng)繞組則雙向動(dòng)力轉(zhuǎn)換器提供動(dòng)力。這種方法適合于所有同步速度附近存在有限速度變化的應(yīng)用。因?yàn)橛赊D(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)差功率）控制的動(dòng)力與轉(zhuǎn)差成正比，能量轉(zhuǎn)換需要一轉(zhuǎn)子功率轉(zhuǎn)換器，它僅能控制整個(gè)系統(tǒng)功率的一小部分。此外，當(dāng)DFIM用作變速驅(qū)動(dòng)器時(shí)，轉(zhuǎn)差功率會(huì)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)到線型柵欄處時(shí)重新產(chǎn)生，從而達(dá)到高效率的能量轉(zhuǎn)換。與恒速同步感應(yīng)電機(jī)相比，運(yùn)行在變速狀態(tài)下的發(fā)電系統(tǒng)由一些優(yōu)點(diǎn)。有柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)中，依賴于產(chǎn)生動(dòng)力的變速運(yùn)行狀態(tài)體現(xiàn)了燃料消耗的減少。在水力電氣系統(tǒng)中，這種方法將發(fā)電效率提高了10%。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，作為風(fēng)速功能對(duì)軸速做出調(diào)整可以通過最大化渦輪的效率從而獲得更高的能量捕獲。在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中由于扭矩模式回響引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的減小可以附加地借助于變速控制得到。在Leonhard和Vas中報(bào)道的DFIM轉(zhuǎn)矩控制的一個(gè)重要特點(diǎn)是在電機(jī)和發(fā)生器應(yīng)用中都有可能得到定子有功和無功功率的解耦控制。此外，如果將適當(dāng)控制的AC/DC轉(zhuǎn)換器用作提供轉(zhuǎn)子的動(dòng)力，整個(gè)系統(tǒng)的功率成分將有定子和轉(zhuǎn)子中的低電流諧波失真來控制。DFIM的基本原理已經(jīng)在Leonhard(1995)中得以陳述。為了解決DFIM控制問題提出了許多不同的解決方案。其最重要的結(jié)論報(bào)道在leonhard(1995),Pena,Clare,Asher(1996a),Hopfensperger,Atkinson以及Lakin中?所有這些都是基于經(jīng)典的磁場(chǎng)定向(定子或者氣隙)概念的，此概念用于感應(yīng)電機(jī)控制的轉(zhuǎn)矩解耦技術(shù)。由于在DFIM中定子和轉(zhuǎn)子電流能夠通過測(cè)量得到，從而向量(定子，氣隙或轉(zhuǎn)子)變化可以用電流相關(guān)的方程計(jì)算得到。所以，DFIM的控制問題可以歸位典型的非線性狀態(tài)反饋控制問題。在轉(zhuǎn)子是電流反饋的DFIM以及忽略定子電阻的假設(shè)下，如果轉(zhuǎn)子電流定義在磁場(chǎng)定向參考結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩和定子的有功功率控制問題就轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子電流控制問題。轉(zhuǎn)矩(有功功率)或者速度控制的目的以及定子有功功率調(diào)節(jié)(穩(wěn)定化)都考慮在內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)DFIM控制器的結(jié)構(gòu)包括附帶PI電流控制器的兩軸高增益轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)，其被用于磁場(chǎng)定向參考系統(tǒng)中。兩個(gè)轉(zhuǎn)子電流參考被用作轉(zhuǎn)矩和有功功率的放大參考。leonhard(1995),Yamamoto，Motoyoshi(1992),Panaetal.(1996a),Hopfensperger(2000),Walcyzyna(1991)中報(bào)道的基于直接定子磁場(chǎng)定向的控制方法取決于一些簡(jiǎn)化的假設(shè)。特別地，定子電阻通常是忽略不計(jì)的。這種對(duì)于高功率的DFIM系統(tǒng)很典型的假說導(dǎo)致在控制其設(shè)計(jì)中也忽略掉定子磁場(chǎng)的有阻尼動(dòng)力，因?yàn)槎ㄗ哟艌?chǎng)向量在代線性電壓矢量的積分中總是視為恒定不變的。就作者所知，還沒有基于定子磁場(chǎng)定向可分析證明的全維控制算法著作出現(xiàn)。狀態(tài)反饋線性化已經(jīng)被應(yīng)用于Bogalecka和Kzreminski中來解決DFIM的控制問題。電流反饋電機(jī)的假說用于在控制環(huán)節(jié)中首先附加的過濾器。在Xu和Cheng(1995),Hopfenspergeretal.(2000)和Bogalecka(1993)中已經(jīng)考慮到了電機(jī)無位置傳感器。向量控制的DFIM的運(yùn)行提供了一個(gè)單獨(dú)的通路已經(jīng)在Pena,Clare，Asher(1996b)中報(bào)道了。DFIM的向量控制的經(jīng)典方法要求對(duì)定子，轉(zhuǎn)子電流及電機(jī)位置進(jìn)行測(cè)量。為了與線性電壓向量達(dá)到同步從而與線性柵欄建立軟連接，關(guān)于線性電壓的信息也是需要的。當(dāng)然也需要感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)系數(shù)的準(zhǔn)確知識(shí)來從電流中計(jì)算通量。在Xu和Cheng(1995)已經(jīng)陳述了對(duì)高精度電機(jī)進(jìn)行位置測(cè)試的必要性。在Penaetal(1996a,b)中，作者運(yùn)用定子電壓方程的綜合評(píng)價(jià)定子通量。這種方法需要做特別的調(diào)整從而避免由于定子電阻以及測(cè)量偏移量引起的開環(huán)集成漂移。但必須強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于DFIM這種效應(yīng)的補(bǔ)償并沒有典型感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)困難。實(shí)際上，在固定a,b參考框架中定子通量成分與線性柵欄和定子電阻頻率相等的頻率成正弦關(guān)系。在大型的DFIM中定子電阻通常很小，經(jīng)常在工業(yè)實(shí)踐中應(yīng)用。在Hopfenspergeretal.(2000)中已經(jīng)討論了定子磁場(chǎng)參考結(jié)構(gòu)實(shí)施的不同方法。在Peresada,Tilli,和Tonielli(1998)中，提出了DFIM有功一無功功率動(dòng)力控制的設(shè)計(jì)方法?？刂破鞯陌l(fā)展是基于線性電壓向量定向的參考結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。由于線性電壓向量可忽略誤差易于測(cè)量，這種參考結(jié)構(gòu)是相對(duì)于磁場(chǎng)定向系統(tǒng)的獨(dú)立參數(shù)DFIM.此外，為了在初級(jí)激發(fā)同步階段中使DFIM與線性柵欄建立軟連接特別需要有關(guān)線性電壓方面的信息。這種全維算法確保大范圍漸進(jìn)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩跟蹤以及定子統(tǒng)一的功率因數(shù)。有人證明了如果將定子功率因數(shù)設(shè)為定值，定子磁場(chǎng)定向以及線性電壓向量定向的狀況是相同的。在Peresada,Tilli,和Tonielli(1998)中，Peresada的方法被拓展為轉(zhuǎn)子電流反饋DFIM的速度跟蹤和定子功率因數(shù)穩(wěn)定化的控制問題。轉(zhuǎn)子速度/位置傳感器被用在Peresada的算法中了，但是沒有特別的精度要求。以上的控制算法運(yùn)用了間接通量調(diào)解的概念(類似于鼠籠感應(yīng)電機(jī)的間接磁場(chǎng)定向控制)。直接和間接定子磁鏈定向方法都是和輸出變量有關(guān)的開環(huán)，例如轉(zhuǎn)矩和無功功率等。上述有關(guān)參數(shù)變化以及定子位置測(cè)量的控制算法的穩(wěn)定性是按照雙饋感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(doubly-fedinductionmachines,DFIM)電磁輔助系統(tǒng)的自然穩(wěn)定因素而確定的。為了提高參數(shù)變化的穩(wěn)定性，減少定子位置測(cè)定的誤差，外定子側(cè)增加了無功線圈和有功線圈。然而，目前還沒有得出這些措施的穩(wěn)定性分析。在Peresada,Tilli,Tonielli(1999b)的工作中，提出了一種新型自適應(yīng)非線性控制算法。在可測(cè)量定子電流、電壓，轉(zhuǎn)子位置、速度等條件下，對(duì)有功和無功閉合回路的直接控制保證了輸出變量和內(nèi)部穩(wěn)定性的總體漸進(jìn)調(diào)節(jié)。本文的主要工作是對(duì)Peresada等（1999b）在轉(zhuǎn)矩和速度控制方面初步結(jié)論的概括。對(duì)電磁動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性分析做了一些工作。基于這些結(jié)果，一種利用負(fù)荷補(bǔ)償?shù)男滦蛣?dòng)態(tài)二階轉(zhuǎn)速監(jiān)控器已經(jīng)被開發(fā)出來。這種方案保證了在常負(fù)荷轉(zhuǎn)矩下，定子側(cè)無功調(diào)節(jié)和漸進(jìn)速度調(diào)節(jié)均可滿足要求。此外，提出了新型的閉合回路同步激勵(lì)控制算法，可以保證DFIM到壓線格的瞬時(shí)自由連接。利用定子電流（輸出）和轉(zhuǎn)子電壓（輸入）之間的一個(gè)DFIM相當(dāng)?shù)南鄬?duì)次數(shù)，確定有關(guān)參數(shù)。為了達(dá)到控制目的不需要有關(guān)轉(zhuǎn)子電流的信息，因此，在工業(yè)工廠里，對(duì)這些變量進(jìn)作粗略的測(cè)量出于保護(hù)的目的是必要的。值得觀察的是沒有轉(zhuǎn)子電流反饋并不意味著這些變量是”不可控”的,實(shí)際上，正如在基于李亞甫諾夫控制器的發(fā)展中強(qiáng)調(diào)的，所有狀態(tài)變量的大范圍漸進(jìn)穩(wěn)定化得以保證。提議的非線性輸出反饋控制器證明了關(guān)于定子和轉(zhuǎn)子電阻/感應(yīng)系數(shù)變化以及轉(zhuǎn)子位置測(cè)量誤差的強(qiáng)的魯棒特性。此外，由于閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中附帶真實(shí)的定子電流反饋，控制器補(bǔ)償了電機(jī)磁性結(jié)構(gòu)的非理想性，從而輸出改進(jìn)的定子電流波形。這種控制器適合于驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和發(fā)電過程（如在發(fā)電廠），其中包括在激發(fā)同步階段作為自發(fā)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用。此篇論文的安排具體如下?在第2部分中，陳述DFIM模式機(jī)器控制問題。特別是，較深層次地討論了線性電壓矢量定向地參考結(jié)構(gòu)的選擇，也回顧了Peresada（1996b）中考慮的有功/無功功率控制的目的。第三部分設(shè)計(jì)了定子有功和無功功率的電流控制器。第四部分給出了基于速度控制目的的有效電流控制的拓展。在第五部分陳述了仿真和試驗(yàn)結(jié)果。正如第三部分強(qiáng)調(diào)的，提議的定子電流控制器的變量在附錄A中給出了。這種控制器保證定子有效電流跟蹤和穩(wěn)定化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的定子無功電流的零值。在附錄B中給出了上面提到的激發(fā)同步的算法，它體現(xiàn)了在第三部分提出的電流控制器。2.DFIM模型和控制方程在線性磁路和平衡運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的假設(shè)下，兩相對(duì)稱DFIM模型，在選擇坐標(biāo)系（d—q）下表示為￡=r.-）_也=土［耳一邛耳=MW搗-W訶\◎=-曲I嘰卜邛譏?卜和。叭I!切■曲％L=-忸-險(xiǎn)札I汕札I十心_%譏=7叭\w蚣一小曲qI心“I心

札=一伽一訕d一珅j心MI畑式中，id,iq,屮d,屮q表示定子電流的成分和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量，u2d,u2q是轉(zhuǎn)子電壓矢量，而ud,uq表示線性電壓成分；￡和?是轉(zhuǎn)子角坐標(biāo)和速度；T是DFIM系統(tǒng)中的外部轉(zhuǎn)矩；Tg是電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；J是總轉(zhuǎn)子慣量;wo和30表示d—q坐標(biāo)下的角坐標(biāo)和速度。d—q坐標(biāo)系下的變量表達(dá)為：X[曲r=1& &N]血7: ，其中J "Sr■J "Sr■Sill<_■ 5S.]]lCCOSC式中，xyz表示在普通坐標(biāo)系（y—z）下的二維向量；下標(biāo)‘1'表示定子變量而下標(biāo)‘2'表示轉(zhuǎn)子變量；（u—v）表示轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，w表示轉(zhuǎn)子角。DFIM中的電參數(shù)和機(jī)械參數(shù)有關(guān)的正常數(shù)，可表示如下：雖=仁盲心曲丿式中，R1,R2,L1,L2分別表示定子/轉(zhuǎn)子電阻和感應(yīng)系數(shù)，Lm是磁化電感。為不失一般性起見，假定了一個(gè)極對(duì)。按照DFIM的應(yīng)用，T有不同的意義。當(dāng)DFIM用于發(fā)電機(jī)時(shí)，T代表控制主要原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。DFIM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tg是原動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的擾動(dòng)。為不失一般性，假定DFIM的機(jī)械動(dòng)力由原動(dòng)機(jī)速度控制器所確定。當(dāng)DFIM用于電動(dòng)機(jī)，T是外部負(fù)荷扭矩。通常，此條件下，需要一個(gè)由DFIM產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)矩Tg起作用的速度控制回路。這一速度控制系統(tǒng)可以在風(fēng)力設(shè)備上得到體現(xiàn)，并且能夠作為風(fēng)速用以調(diào)節(jié)渦輪速度。考慮到主要的控制目的是D