异步电机矢量控制系统设计及其PI控制器参数优化研究(2)

１．１．１交流调速系统发展概况

在２０世纪的大部分年代里，约占整个电力拖动容量８０％的不变速拖动系统都采用交流电机直接拖动，占电力拖动容量２０％的高性能可调速拖动系统则采用直流电机拖动，这似乎已经成为一种举世公认的格局。但由于直流电机存在结构复杂、使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，因此直流电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制…。

事实上，从２０世纪３０年代起，不少国家就开始进行无换向器电机控制系统的研究，但由于条件限制，进展不大，而交流电机特别是鼠笼式异步电机制造成本低、结构简单、维护容易、可以实现高压大功率及高速驱动，适合在恶劣环境下工作，所以工业界和学术界一直致力于高性能交流调速系统的研究，至２０世纪６０年代，交流异步电机调速系统己有多种方案问世，主要有以下两种控１：（１）转速开环变压变频控制（劬卵

变压变频控制以异步电机的稳态方程为推导基础，以控制异步电机的气隙磁通幅值恒定为目标，具有控制简单、容易实现、静态性能指标在大多数场合都能满足需求等特点，目前市场上通用变频器大多采用这种方式，但转速开环的变压变频控制并不能真正实现异步电机拖动动态过程中的转矩控制。

（２）转速闭环转差频率控制

转差频率控制比研控制方式有了较大的提高，但转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发推导的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立，在动态中磁通不会恒定，这会影响调速系统的实际动态性能，一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合。在要求异步电机转速做出快速响应的动态过程中，异步电机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于瞬态电流的影响，异步电机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。由于这种方

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异步电机矢量控制系统设计及其ＰＩ控制器参数优化研究

法只依据异步电机的稳态模型，因此只能按异步电机稳态运行规律进行控制，不能控制任意磁场的大小和相对位置，特别是没有进行动态磁通控制，对系统的控制只是粗略的，导致转矩动态控制性能差。

综上所述，尽管在此期间提出的一些方案（如转差频率控制的变压变频调速系统）能够在一定的范围内实现异步电机平滑调速，但是由于其系统控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式推导出的，完全没有考虑动态情况及过渡过程，在系统设计时，不得不做出较多的假设、忽略较多因素才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差较大，调速系统在稳定性、启动、转矩动态响应等方面的性能不能令人满意，在数控机床、机器人等需要高动态性能的调速场合，就不能胜任了眵１。

针对上述异步电机调速方案的缺点，国外许多专家学者经过多年的潜心研究，提出了现在广泛应用的矢量控制理论，使交流调速控制理论获得了第一次质的飞跃。矢量控制理论是１９７１初由德国西门子公司的Ｆ．Ｂｌａｓｓｃｈｋｅ等人首先提出，其核心思想是考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的参数时变系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，通过Ｃｌａｒｋ和Ｐａｒｋ变换简化数学模型，就可以实现定子电流励磁分量与转矩分量的解藕，使得异步电机在理论上能像直流电机～样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，从而可以获得同直流电机一样良好的调速性能。近几十年来，随着电力电子技术、ＰｗＭ变频技术、微处理器、微电子技术的飞速发展，矢量控制理论使得高性能异步电机调速系统得以实现，并获得了广泛的应用。

在异步电机矢量控制系统中，只规定了坐标系之间的旋转变换关系，实际使用时，根据坐标定向的不同，有气隙磁场定向、定子磁场定向、转子磁场定向等不同的方案¨１。

（１）气隙磁场定向矢量控制方案

气隙磁场的定向控制就是将旋转坐标系的ｄ轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的ｇ轴分量为零。如果保持气隙磁通的ｄ轴分量恒定，转矩直接和定子电流ｇ轴分量成正比。因此通过控制ｇ轴分量，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制异步电机动态转矩的目的。

（２）定子磁场定向矢量控制方案

定子磁场的定向控制就是将旋转坐标系的ｄ轴定向于定子磁场的方向，此时定子磁场的ｇ轴分量为零。如果保持定子磁通的ｄ轴分量恒定，转矩直接和定子电流ｇ轴分量成正比，同样可通过控制定子电流口轴分量来控制异步电机动态转矩。定子磁场定向控制使定子方程大为简化，有利于定子磁通观测器的实现。但此方案在进行磁通控制时，不管采用直接磁通闭环控制还是１间接磁通闭环控制，均需要消除耦合项的影响，因此需要设计～个解耦器对电流进行解耦。２

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（３）转子磁场定向矢量控制方案

转子磁场的定向控制就是将ｄ、ｇ坐标系放在同步旋转磁场上，将异步电机的转子磁通作为旋转坐标系的ｄ坐标轴。若忽略由反电动势引起的交叉耦合，只需检测出定子电流的ｄ轴分量，就可以观测转子磁通幅值。转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的留轴分量成正比，通过控制定子电流的ｇ轴分量就可以实现对电磁转矩的控制。此时称定子电流的ｄ轴分量为励磁分量，定子电流的口轴分量为转矩分量。可由电压方程的口轴分量控制转子磁通，ｇ轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制。

１．１．２优化算法在交流调速系统中的应用现状

目前异步电机调速系统的研究主要集中在异步电机参数辨识、高性能调速控制策略、功率变换拓扑结构等方面，优化算法在参数辨识和电机高性能调速控制策略等方面也得到了广泛的使用。

（１）电机参数辨识

异步电机在运行过程中，由于温升的原因，异步电机转子参数会有较大变化，从而影响磁场定向的准确性。从２０世纪８０年代开始，转子参数辨识就已成为异步电机调速系统研究和开发的一个重要方面，国内外学者经过大量的研究，先后提出了最小二乘法、扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应法等时域辨识方法口１，这些方法各具特色，但也存在一些缺点，比如辨识精度受噪声的影响，鲁棒性有待改善等。因此许多研究人员将智能控制理论应用到电机参数辨识领域，以达到提高辨识精度的目的。文献【ｌ０】采用微分进化算法来辨识电机的参数；文献［１１】使用遗传算法进行电机参数辨识，实验结果表明在有很大噪声的情况下，仍然找到了满意的参数；文献［１２】将粒子群算法用于同步电机参数辨识，无需提取电机数学模型，直接利用稳定计算程序，简单实用，具有可行性。

（２）转速辨识

在无速度传感器异步电机调速系统中，异步电机转速辨识的精度、速度、鲁棒性是影响调速系统性能的重要因素，近年来随着智能控制思想的发展，基于人工神经网络的方法也被用来进行转速估计。由于传统ＢＰ算法收敛速度慢、容易陷入局部最优等缺陷，文献［１３】提出了一种采用遗传算法和ＢＰ算法相结合的神经网络训练方法，并将该方法用于异步电机的转速估计，仿真实验结果表明了这种方法有效性；文献【１４】提出了一种基于遗传算法的磁场定向控制系统噪声协方差的全局寻优方法，并将其用于扩展卡尔曼滤波法的异步电机转速估计，仿真结果验证了该方法的有效性。

（３）控制策略

在控制策略方面，优化算法被用来优化控制器的参数和结构。文献【１５ …… 此处隐藏：2549字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……