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1、第6章 系统的闭环控制,6.1 异步电机动态数学模型 6.1.1 基本假设与物理模型 6.1.2 动态数学模型 6.2 矢量控制 6.2.1 矢量控制的基本原理 6.2.2 矢量控制系统的类型 6.2.3 磁通观测器 6.3 直接转矩控制 6.3.1 直接转矩控制的基本原理 6.3.2 基本直接转矩控制 6.3.3 磁链观测 6.4 无速度传感器控制,第6章 系统的闭环控制,6.4.1 直接计算法 6.4.2 模型参考自适应法 6.4.3 观测器 6.4.4 其他方法 6.5 数字滤波器在磁链观测中的应用 6.5.1 有限冲击响应滤波器的工作原理 6.5.2 使用有限冲击响应数字滤波器的定子磁
2、链观测器 6.5.3 有限冲击响应数字滤波器的效果 6.6 矢量控制与直接转矩控制的鲁棒性分析 6.6.1 关于鲁棒性的简单说明 6.6.2 变频调速系统的鲁棒性分析 6.6.3 速度传感器对控制系统鲁棒性的影响,第6章 系统的闭环控制,6.7 矢量控制与直接转矩控制试验比较 6.7.1 试验条件 6.7.2 试验系统平台 6.7.3 试验原理分析 6.7.4 试验内容与结果分析,6.1 异步电机动态数学模型,异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。,6.1.1 基本假设与物理模型,1)忽略磁路饱和，认为磁动势、磁通、各绕组的自感和互感都是线性的。 2)忽略空间谐波，定子绕组A、B、C
3、及转子绕组a、b、c在空间对称分布，且认为磁动势和磁通等在空间上都是正弦变化的。 3)忽略铁心损耗。 4)绕组电阻为常数，不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。,图6-1 三相异步电机的物理模型 (加坐标),6.1.2 动态数学模型,(1)定子电压积分模型法 这种方法在电机的定子电压、电流测量值(如Uab,Ucb,ia,ic等)的基础上，仅仅需要知道电机的定子电阻即可得到定子磁链的观测值，而定子电阻可以容易的离线测得，因此该方法容易实现。 (2)电流模型法 即通过定转子电流值和部分电机参数计算定子磁链的幅值和相位。 (3)状态观测器法 即通过设计全阶或降阶的状态观测器来观测磁链。,6.2 矢量
4、控制,针对三相异步电机的矢量控制基本原理，即为将三相对称的定子交流绕组等效为转子边两相正交的直流绕组，其中一个直流绕组的轴线与转子磁链方向重合，称为虚拟励磁绕组，其中的电流分量为励磁电流分量；另一个绕组与转子磁链方向垂直，称为虚拟转矩绕组，其中的电流分量为转矩电流分量。通过控制定子电流在旋转坐标系的位置和大小，就可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，从而使异步电机的磁链和转矩的控制就像直流电机那样实现解耦控制。,6.2.1 矢量控制的基本原理,矢量控制也称为磁链定向控制，本质是实施励磁分量与转矩分量的解耦，其关键在于坐标变换。根据所选取的定向磁链不同，可分为转子磁链定向、气隙磁链定向和定子磁
5、链定向等几种。从理论上讲，由于所控制的磁链不同，则三者的差别在于对磁链测量和计算有所不同。,6.2.2 矢量控制系统的类型,1.直接型矢量控制 2.间接型矢量控制,1.直接型矢量控制,图6-2 直接型矢量控制框图 ASR转速调节器 ATR转矩调节器 AR磁链调节器,2.间接型矢量控制,图6-3 间接型矢量控制框图,6.2.3 磁通观测器,1.电压模型 2.电流模型 3.闭环观测模型,1.电压模型,图6-4 电压模型,2.电流模型,图6-5 电流模型(静止坐标),3.闭环观测模型,前面介绍的方法都是开环的磁链观测模型，由于没有引入误差校正项，磁链观测的精度对参数变化和测量误差等影响十分敏感。更有
6、效的方式是采用观测器的方法，如Luenberger观测器，扩展卡尔曼滤波或滑模观测器等现代控制理论中的观测器理论。限于篇幅这里不再详细介绍。,6.3 直接转矩控制,直接转矩控制(DTC)的基本思想就是避开电机转子参数及转子磁链，直接通过量测到的定子电压和电流计算出定子绕组上的磁链和相应的转矩，而对交流电机转矩进行直接控制。由于所有运算及其控制都在定子坐标系下进行，系统结构简单，控制效果不受转子参数变化的影响。下面首先分析电压与转矩和磁通之间的关系。,6.3.1 直接转矩控制的基本原理,1.磁通控制原理 2.电磁转矩控制原理,1.磁通控制原理,图6-6 定子电压与定子磁链及其增量的关系,2.电磁
7、转矩控制原理,表明在定子磁链矢量的作用下，转子磁链矢量的动态响应具有一阶滞后特性。当定子磁链矢量发生变化时，转子磁链矢量的变化总是要滞后于定子磁链矢量的变化，在短暂的时间增量内，可以认为转子磁链矢量基本不变。 直接转矩控制就是检测定子磁链和转矩的变化，通过施加不同的定子电压矢量使定子磁链快速变化，同时改变定子磁链和转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。,6.3.2 基本直接转矩控制,图6-7 转矩和定子磁链砰-砰控制的直接转矩控制系统,6.3.2 基本直接转矩控制,图6-8 转矩和磁链滞环比较器,6.3.2 基本直接转矩控制,表6-1 开关选择表,6.3.3 磁链观测,1.基本开环磁链观测方
8、法 2.u-i模型的改进 3.闭环观测模型,1.基本开环磁链观测方法,1)综合了u-i模型和i-模型的优点，又很自然的解决了切换问题。 2)引入了PI电流调节器，提高了观测模型的仿真精度，减少了定子电阻偏差所产生的观测误差，但需适当选择PI调节器的放大系数。 3)结构复杂，实现起来相对困难。,1.基本开环磁链观测方法,图6-9 u-模型算法,2.u-i模型的改进,图6-10 改进型u-i模型框图,3.闭环观测模型,除上述方法外，还可以建立系统的全阶观测器，应用现代控制理论中的观测器方法来观测磁链、转速，包括电机参数的在线辨识，鉴于篇幅的限制，本节不作一一介绍。,6.4 无速度传感器控制,无速度
9、传感器技术由于不需要昂贵的速度码盘，省却了机械安装，降低了成本，能够适应恶劣环境，提高了系统的可靠性，从而获得了较大的进展并已经运用到高性能闭环电机控制中。,6.4.1 直接计算法,直接计算法是基于电机动态模型的Park方程的一种开环计算方法，理论上无延时，但对参数的依赖性较强，需要准确的磁链观测和电机参数，而且计算中会引入微分噪声，抗干扰能力较差。对于异步电机，转速在同步转速上减去转差角速度即可。,6.4.2 模型参考自适应法,图6-11 以电压模型为参考模型的MRAS结构,6.4.2 模型参考自适应法,图6-12 基于反电动势的MRAS结构,6.4.2 模型参考自适应法,图6-13 基于无
10、功功率的MRAS结构,6.4.3 观测器,图6-14 全阶观测器系统结构框图,6.4.3 观测器,图6-15 全阶状态观测器的结构图,6.4.4 其他方法,1.卡尔曼滤波法 2.转子齿谐波方法 3.智能控制法,1.卡尔曼滤波法,它是在20世纪60年代初提出的一种最小方差意义上的最优预测估计的方法，其突出特点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。扩展卡尔曼滤波算法则是线性卡尔曼滤波器在非线性系统中的推广应用。如果将电机转速也看作一个状态变量，而考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计时都重新将模型在该点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行估计。扩展卡尔曼滤波法提供了一种迭代形式的非线性
11、估计方法，避免了对测量的微分计算，而且可以通过对误差协方差阵的选择来调节状态收敛的速度。,2.转子齿谐波方法,为了克服速度估计中对电机参数的依赖性，可利用定子电流信号中与转速相关的频率成分来分析转速。早期利用转子齿谐波电动势计算转差频率，但只能在较高控制频率下有效。由于高速DSP芯片和硬件FFT芯片的出现才使这一方法有了充分的展示。利用转子齿谐波的改进方法可以在稳态下对大范围的速度进行测量计算。,3.智能控制法,神经元网络和模糊控制由于其非线性和对数学模型依赖性不强的特点，都被用到速度辨识中并且呈现出良好的性能。如利用基于反向通道技术的两层神经元网络技术估算异步电机的转速，将神经元网络模型的输
12、出与电机的实际值进行比较，并利用两者之间的偏差反向调节神经元网络的权，最终使转速估计值跟踪转速的真实值。,6.5 数字滤波器在磁链观测中的应用,从前面的章节分析可以知道，在异步电机高性能闭环控制中，通常由电压积分模型法得到磁链，由于观测值中直流和低频分量的存在，低速时无法精确获得磁链，从而恶化了系统的低速性能。为改善高性能控制下的电机低速性能，一般的做法是在定子磁链观测值后加一个数字滤波器。本节介绍有限冲击响应数字滤波器与电压积分模型法相结合的方法，给出混合型定子磁链观测器原理结构及实施方法。,6.5.1 有限冲击响应滤波器的工作原理,该系统的相移与频率成正比。当一组离散信号序列x(n)通过此
13、系统时，其输出序列为y(n)。输出信号y(n)仅仅相当于输入信号x(n)在时间上的移位，故可以实现信号的无失真传输。,6.5.2 使用有限冲击响应数字滤波器的定子磁链观测器,消除谐波和直流分量，首先考虑设计理想低通滤波器h(n)，使其在通带内满足线性相位，阻带内幅频响应为0。显然，它是一个无限长非因果系统，为得到物理上可实现且幅频、相频响应与理想滤波器h(n)类似。,6.5.3 有限冲击响应数字滤波器的效果,1)能够较为精确地观测异步电机低速运转时的定子磁链值。 2)采用该方法可以精确地测量不同频率运行和不同负载情况下电机的电磁转矩，此转矩测量值可以用于观测不同变频器下的电机转矩响应，从而可以
14、比较不同变频器的性能。 3)将该方法用于直接转矩控制之中，可以有效改善电机的低速性能。,6.5.3 有限冲击响应数字滤波器的效果,图6-16 50Hz电机定子磁链观测效果,6.5.3 有限冲击响应数字滤波器的效果,图6-17 1Hz电机定子磁链观测效果,6.5.3 有限冲击响应数字滤波器的效果,图6-18 1Hz下的电磁转矩计算,6.6 矢量控制与直接转矩控制的鲁棒性分析,控制系统的鲁棒性是高性能交流调速研究中的热点问题之一。电机控制模型中的建模误差，以及系统运行中的参数漂移，诸如电机的定、转子电阻随着温度发生变化，相当于对所研究的控制系统加入了扰动。作为两种最具代表性的交流变频调速控制策略，
15、矢量控制和直接转矩控制在鲁棒性能上各具特色。,6.6.1 关于鲁棒性的简单说明,鲁棒性能是衡量控制系统性能优劣的一个重要指标。这其中又分为内部鲁棒性和外部鲁棒性，前者主要着眼于系统建模误差和控制器的参数变化，后者则更侧重于抗外界信号干扰的能力。对于变频调速系统而言，其鲁棒性不仅仅局限于抗外界的EMI(Electromagnetic Interference)能力上，还与其在控制策略中所采用的系统参数及其受扰动程度有关。,6.6.2 变频调速系统的鲁棒性分析,很明显，对于RFOC系统而言，磁链观测、转速观测、转矩计算等均不可避免地用到转子侧参数，其各计算量的计算精度都要不同程度地受到转子侧参数的
16、影响。,6.6.3 速度传感器对控制系统鲁棒性的影响,电力电子与电机集成系统中，不同控制策略对速度传感器(码盘)的依赖性，也是非常重要的一个方面。事实上，对于RFOC系统，一个高精度的码盘意味着由的观测而引入的偏差可以忽略不计。,6.7 矢量控制与直接转矩控制试验比较,本节从试验的角度比较矢量控制与直接转矩控制各自的特点及其优缺点。本节涉及到的部分理论分析内容在前面的章节中已经给出，不再重复。,6.7.1 试验条件,1)分别利用两典型的矢量控制通用变频器(15kW，称为“VC变频器”)和直接转矩控制通用变频器(15kW，称为“DTC变频器”)作为试验样机。 2)虽然两个变频器是被考察控制方法的主要载体，但在此试验中，主要的试验数据都是从同一台异步电机上测取，选择的试验比较指标(比如，电压电流畸变率、电磁转矩等)都是从该电机的输入端测取的。 3)在试验原始数据测取的过程中，充分考虑了试验环境和条件的相同性(比如，环境温度、电机起始温度、录波仪采样率等)。 4)由于某些指标的特殊性和试验条件所限，这些指标不是一次测取，而是由经过几次测取的原始数据计算得到。,6.7.2
