【doc】直接转矩控制研究现状与前景

【doc】直接转矩控制研究现状与前景 直接转矩控制研究现状与前景 .鲻望 直接转矩控制研究现状与前景 墅盔生,坚盟,1_3+,f2 (清华大学,北京100084). 述?REVIEW 摘要:升绍了直接转拒控制的研究现状.就几个关键同题进行了讨论,并分析了其夸后的发展方向. 关?词:转矩控制;交渡调速;前景 中圈分类号,TM301.2文献标识码:A文章编号1001--6848(2000)06—0025一O4 ThePresentSituationandProspectofDirectTorqueContro[ ZHANGChun—mei.ERGui—hua (TsinghuaUniversitytBeijing100084?China) Abstract:Thispapereva]uatesthestateoftheartindirecttorquecontro1.Somekeyproblemsa rediscussed.We a]soaria[yesitsdirectionandprospectinthefuture. Keywords:torquecontrol;ACmotorspeedcontrol;prospect 1概述 交流电机高性能传动的关键在于动态力矩控 制.1985年,德国鲁尔大学Depenbrock教授提出异 步机直接转矩控制法(DTC),它不需要解耦电机数 学模型,强调对电机转矩进行直接控制,在很大程度 上克服了矢量控制计算复杂和易受参数变化影响的 特点,成为交流调速控制理论第二次质的飞跃. 1O多年来,直接转矩控制不断得到完善和发 展,特别是随着各种智能控制理论的引入,又涌现了 许多基于模糊控制,神经网珞和模糊神经网络的直 接转矩控制系统,控制性能得到了进一步的改善和 提高.本文分别就直接转矩控制技术中出现的几个 关键问题及其研究状况作一简违. 2改善低速性能的进展 传统直接转矩控制中,定子磁链一般采用u一1 r 模型;.一1(一,R.)出,为定子磁链,i分J 别是定子电压,电流瞬时空间矢量,R.为定子电阻. 当电机运行在中,高速时,若忽略定子电阻R., 控制结果仍具有很高的精度;但速度愈低,定子电压 降落于定子电阻上的分量会愈来愈大.此时,若忽略 见或认为它是常数,磁链幅角,幅值与真实值偏差 会越来越大,这是因为磁链的估算为开环积分型,一 旦有误差,贝『l无法衰减,只能依次叠加,就会严重影 收藕日期:20?一09—1B 响系统性能.因此,如何准确检测R.的实时变化一 直是改善系统低速性能的首要问题. 2.1模糊定子电阻估计 文献[1]采用模糊控制和P1控制分别对定子电 阻进行观测.模糊定子电阻估计用定子电流的误差 e(正)及其误差的差分)作为输入: e)一()一L(五) ()一e()一(一1),式中,J)是根据转 矩和磁链缋定得到的定子电流缋定值,I.()是定子 电流实际值. ___?.._??......一 L姐)一强+瑶,厶.,L.分别是定子电流在静 止坐标系下d,口轴的分量. 输出取为定子电阻的变化值AR..分别对输入 变量e(),dle(k)和输出变量AR定义了5个模糊 子集{NL,NS,ZE,PS,PL).通过模糊决策得到定子 电阻的变化值AR..初值R.与观测器的输出相加即 得到控制用的定子电阻值JR,即R.一R+?尺. P1定子电阻估计器用定子电流的误差作 为输入,定子电阻变化作为输出. Ar ?见一.+K.=},K…K是P1估计器的比 例系数和积分系数.两种方法都能估计定子电阻的 变化.两种方法比较,前者效果好,后者简单. 造成感应电机运行电阻R.变化的直接原因是 运行时绕组的温度变化.由于定子线圈电阻R,与温 度有确定的关系,可以以此进行定子电阻估计. 一 般R.与的关系可表示为: 一 25— 微电机2000年第33卷第6期(总第117期) R=R;.+d尼.(丁,一25?)(1) R..为定子电阻在25?时的电阻值,一11.21× 1O/?为电阻系数,为定子线圈温度(C).如能 准确检测定子电阻的温度,定子电阻就可以根据式 (1)准确估计.但是在无速度传感器控制系统中,加 温度传感器是不可行的.文献[2]以定子电流J和 频率作为模糊估计器的输入,来估计定子电阻温 度的变化.输出信号经过一个具有近似热时间常数 的低通滤波器来决定瞬时温度值.定子温度可以由 估计器的输出加上温度的初值得到定子电阻的温 度,经过计算进而得到定子电阻值.这种估计器在动 态和静态都取得了很好的估计效果. 文献[3]用绕组端部某点的瞬态温度r,及其时 问变化率作为模糊定子电阻估计器的输入量,定子 电阻R的变化率作为输出观测出的定子电阻值与 工业实验所测结果误差在5以内. 2.2神经网络定子电阻估计 用神经网络估计定子电阻已经有文献报道,文 献[4]给出一种新的3层神经网络定子电阻观测器. 它只有2个输入,分别是电流偏差e(K)及其差分 z3e(^),其中12(^)和I(^)分别是定子电流的给定 值和实际值.输出取为定子电阻的变化值,采用2— 2—1,2—3—1,2—5—1结构均可估计定子电阻值. 实现起来简单,训练起来很方便,可以直接在线学 习.采用2—2—1结构就可以估计低速下定子电阻 的变化,若采用2—3—1,2—5—1结构估计效果更 好. 2.3模糊神经网络定子电阻估计 模糊神经网络是模糊控制与神经网络的结合, 由于二者的互补性,关联性,近年成为研究的热点, 也被引入到直接转矩控制中.文献[53以电机绕组端 部某一点温度变化率?r,作为网络的输入,用模糊 神经网络来实时在线估测定子电阻R,的值.利用神 经网络的自学习功能,提取感应电机定子电阻观测 器的有关模糊规则,确定每条规则的前,后件参数, 从而提高了系统实时性,具有很高的可靠性. 2.4用最小=乘法估计定子电阻 文献[6]采用最小二乘法来估计定子电阻,以定 子零序电流及其微分作为输入,定子零序电压U. 作为输出来辨识定子电阻,同时给出了电机漏感的 值.其中: ‰.:(".+".+‰) 3 — 26, .一—于"s+z+) 地LU,".3为定子三相电压,il【1i小i.3为定子三 相电流. 实验和仿真都证明了这种方法的可行性. 定子电阻的估计采用最多的方法是模糊控制, 神经网络,模糊神经网络和最小二乘法估计定子电 阻的研究还很少,有待于进一步完善. 3无速度传感器的直接转矩控制的进 展 为提高系统的控制性能,应采用速度闭环控制, 因此需要检测感应电机的转速.传统的电机转速检 测装置多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器. 这些速度传感器的安装不仅增加了设备的硬件投 资,而且还存在着安装与维护的困难;同时机械上的 误差还将影响检测精度与控制性能,导致系统可靠 性下降;此外速度传感器不适用于潮湿,粉尘等恶劣 环境.所以无速度传感器感应电机控制研究多年来 一 直受到高度重视. 目前,转速辨识的方法有多种,这里单就神经网 络的方法作一介绍.文献[73用反向传播算法神经网 络进行实时电动机转速自适应辨识反向传播算法 的训练往往是为了调整神经网络的权重.这个过程 通常很慢,并且会花费很多时间此文 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的双层 "实时线性"神经网络由于并不需要训练,所以更为 合适.这种神经网络可以在线学习,离线的训练就不 必要了.目标模型由式(1)表示,神经网络模型由式 (2)表示: ^=;(n—R.一Li)(1) ^一(J+L厂)^+(2) 式(1)中^=[艋,]是转子磁通的估计.式 (2)中^一[^a,^]一是转子磁通,,一一Vqs 是定子电压.式(1)中并不包括转速,导出转子磁 通的期望值^.式(2)中包括,导出神经网络转子 磁通的估计值^.式(2)中基于磁通估计的模型可 以认为是一个可调权重的神经网络模型.只要给出 电机参数和电机转速,这两个模型的输出将一致.这 种方法估计转速与实际转速之间的平均误差小于 0.3,在实际运行远离零速度时,驱动效果非常令 人满意,很容易使速度环带宽达到60rad/s.用这种 直接转矩控制研究现状与前景张軎棒承桂花 方法估计转速是较好的选择. 从感应电机的动态方程出发,也可推导出转速 的表达式,建立转速与定子电压,转子电流,转子磁 链之间的非线性关系.文献[8]给出了两种人工神经 网络转速估计模型.一种是基于定子电流与转子磁 链的估计模型,一种是基于定子电压和电流的估计 模型,如图1所示.仿真结果表明,这两种基于人工 神经网络的转速估计模型可以准确跟踪电机转速的 变化,即使转子电阻参数发生变化,这两种转速估计 模型仍具有良好的性能,较强的鲁棒性. 图1基于定子电压和电流的转速估计模型 递归神经网络具有较强的表达和处理瞬态信息 的能力,适用于解决非线性动态辨识与控制问题.文 献E93采用了具有一个隐含层包含15个隐层节点的 实时递归神经网络.输入量包括了电机的三相电压 和三相电流,输出为电机转速.为了训练神经网络, 在电机输入已知的情况下,可以用实测的电机转速 作为神经网络理想输出来训练神经网络.初始情况 下也可用仿真数据来初始化训练,然后在实际情况 中再进行一定的再学习.经神经网络辨识的转速模 型能够较好地跟踪电机转速变化轨迹,具有良好的 动态性能.利用递归神经网络进行离线训练时,要求 的计算量比较大,这是这种网络的不足之处. 4磁链模型的研究 直接转矩控制的关键是磁链豹正确控制;直接 检测定子磁链存在不少工艺和技术的问题,因而使 用较少.实际系统中,往往采用间接观测的方法—— 即检测电机的定子电压,定子电流和电机转速等容 易测取的物理量,然后根据电机的数学模型,实时地 计算出所需磁链的幅值和相位. 文献Oo3提出一种基于模型参考自适应理论的 定子磁链自适应观测器,用波波夫理论证明了该观 测器的稳定性,而且系统低速性能较好.该观测器在 观测定子磁链的同时也辨识了随温度变化的定,转 子电阻. 文献[11]分析了磁链观测的三种模型,基于定 子电压,定子电流的U--I法,基于定子电流和转子 转速的I—法,基于定子电压,转子转速的U— 法,讨论了各自的实质和优缺点.对其误差收敛性以 及由参数变化造成的观铡误差进行了定量分析.U —m法在全速范围内能较准确观测定子磁链. 当直接转矩控制系统采用六边形磁链轨迹时, 由于励磁电流的影响,定子电流中含有高次谐波.文 献[12]采用内陷18边形磁链轨迹 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,消弱了系统 中定子电流的5次和7次谐波,电流和磁链波形更 趋近于正弦,减少了谐波对电网的污染. 传统的直接转矩控制稳态下,会产生较大的转 矩,电流,磁通脉动.文献ElS3给出了一种新的基于 空间矢量的直接转矩和磁链控制,可以有效地减小 转矩,磁链,电流和速度的脉动,而且保持了转矩,磁 链响应的快速性,同时给出了模型参考自适应理论 的改进电压一电流型速度估计模型. 除上述各项研究之外,文献E143给出一种新颖, 简单的方法,用来增大DTC系统中逆变器的开关 频率.提供了让电机工作在无噪声状态下的可能性. 为了解决传统DTC系统中,受容差的影响转矩存 在较大脉动的问题,把拌动技术介绍到传统DTC 系统中.在转矩误差,磁链误差上叠加一个小幅值, 高额率的三角波.与传统DTC相比,转矩,磁链脉 动减小3O,在速度范围1O0,1500r/rain之间,电 机噪声水平降低56dB. 5直接转矩控制的发展方向 直接转矩控制将向以下几个方向发展: (1)现代控制技术的实用化 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统 的动态性能和鲁棒性得以提高.功能强大的数字处 理芯片(DSP)的推出,许多以前无法实时实现的算 法都可以应用到实时控制系统中,如最近研究十分 活跃的模糊控制,神经网络控制,模糊神经网络控 制,非线性控制等. (2)控制手段的垒数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于垒数字化, 对处理的实时性,快速性要求很高,DSP正是能满 足这种需求的芯片,它快速高效地实现复杂的控制 规律,同时便于故障监视,诊断和保护,增强系统的 可靠性,确保系统的高速响应性. (3)无速度传感器的控制系统 无速度传感器用于矢量控制,直接转矩控制已 一 27— 搬电机2000年第33卷第6期(总第117期) 有产品,像ABB公司的ACS600系列,三垦的 SAMco—I系列,日立的SJ300系统,AB公司的 1336PLUS,但调速范围D较小,有待于进一步改 着. 该领域今后研究的努力方向仍是提高转速估计 的精度及动态响应,增强对参数变化的鲁棒性以及 获得更高的调速范围. (4)应用于同步电机的控制 DTC技术主要的应用领域是异步电机,现在^ 们开始把它用在同步电机控制中. 现代控制理论与经典控制算法的进一步结合成 为交流电机控制算法发展的一种趋势.现在人们正 致力于改着低速性能,发展鲁棒控制策略. 参考文献: [1]SayeedMir,MalikEEtbuluk,DonaldSZinger.PI— FuzzyEstimationsforTuningtheStatorResistancein DTC[J].IEEEtransonPE-I998,13(2):279--287. [2]BimalKBose.NitinRPate1.Qausi-fuzzyEstimation ofStatorResixtanceofInductionMotor[J].IEEE transonPE.1998,13(3):401—409. [3]胨其工.直接转矩控制系统中感应电机定子电阻模糊 观察[J].电子科技大学,1999,3. [4]LuisACabrea,MalikEElbu]uk,IqbalHusaln.Tuning theStatorResistanceofInductionMotorsUsingArti— ficia]NeuralNetwork[J].1EEEtransoDpowere]ec— tronlcs.1997.5. [5]胨其工.模糊神经罔络在电机调速中的应用[J]中国 矿大,I999,5. [6]Jacobina,CursinoBrandao,JoaoEdgarChaves.On lineestimationofStatorResistanceofInductionMo- totBasedonZeroSequenceModel[J].IEEEtranson PE,2000.15(2):346—353. [7]LazharBen—brahim,SusumuTadakumaAlper Akdag.SpeedcontrolofInductionMotorwithout rationalTransducersl[J].IEEEtransonIA,1999,35 (4):844—849. [8]邱阿瑞.孙健.用人工神经网络实现对感应电机转速的 估计D].清华大学,1999,9. [9]孙健,邱阿瑞.用递归神经网培对感应电机转速进行辨 识[J].电工电能新技术,I997,3. [1O]邓智泉,严仲光.异步机直接力矩控制定子磁链的自 适应观测器的研究[J].航空,1999.2. [11]谢鸿呜,胨伯时.异步电机定子礁链的问接观穗I方法 口].电气传动.1999,1. [12]夏雷.直接转矩控制的谐渡分折与改进方案[J].电气 自动化,1999,2. r13]CristionLascu.IonBoldea.AmodlliedDirect TorqueControl/orInductionMotorBensor[ess Drive口]IEEETransactiononIndustryApplica- tions,2000,36(1),122—130. [14]Noguchi.Toshihiko,yamamoto,Masaki.Enlarge SwitchingFrequencyin~rectTorqueControlled InverterbyMeansofDithering口].IEEETranson IA,1999,35(6){1358—1366. 作者简介:张春梅(1968一),女,硕士,研究方向为电力 传动系统的智能控制策略,模糊控制,神经罔络. ?广告? 址:沈阳市大东区如意五路1]8号 话;024—88091991,88091992,239678 真:024—88091991,23967855 编:l10044 系人:肖耀东 一 28—