季晨宸 傅金睿 何 琳

（江蘇省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，江蘇 南京 210042）

電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

季晨宸 傅金睿 何 琳

（江蘇省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，江蘇 南京 210042）

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)車(chē)交流電機(jī)控制技術(shù)有了很大的發(fā)展，己經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)技術(shù)，應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域?，F(xiàn)今的交流電機(jī)控制技術(shù)主要朝著數(shù)字化、智能化、集成化的方向發(fā)展，集中在磁場(chǎng)定向控制（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）以及空間電壓矢量PWM（SVPWM）等方面的研究展開(kāi)。DTC作為近年來(lái)發(fā)展的一種新型的控制技術(shù)，成為了交流電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

交流驅(qū)動(dòng)；電動(dòng)車(chē)；矢量控制

由于功率電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)為數(shù)字化、模塊化、智能化的方向。

在功率電子技術(shù)方面，功率開(kāi)關(guān)元件發(fā)展己進(jìn)入于第三、第四階段，目前大多采用絕緣柵極晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT以及驅(qū)動(dòng)、自檢測(cè)、自保護(hù)功能融合的功率模塊IPM，其中比較出色有德國(guó)SEMIKRON產(chǎn)品SKiiPPACK系列的IPM模塊實(shí)現(xiàn)了在原有的基礎(chǔ)上再增加電流檢測(cè)功能，主通路基本全部集成化，三相橋臂集成于一體，使用時(shí)僅需提供一路驅(qū)動(dòng)電源，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)不需隔離，使得控制電路更簡(jiǎn)單、性能更高，容量已經(jīng)有400A/600V的產(chǎn)品。

在微處理器技術(shù)方面，從20世紀(jì)90年代以來(lái)，DSP開(kāi)始在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用，來(lái)用的DSP芯片品種主要有Tl公司的TMS320系列、Motorola公司的DSP56000系列和AT&T公司的DSP32系列。DSP介入交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域是因?yàn)樗倪\(yùn)算速度快，比目前16/32位微處理器和單片機(jī)的運(yùn)算速度至少快一個(gè)數(shù)量級(jí)，DSP這種高運(yùn)算處理能力能夠滿足先進(jìn)的現(xiàn)代控制策略的高要求，獲得更高的控制性能、更完善的功能。三菱、日機(jī)、西門(mén)子、ABB等公司已經(jīng)推出了基于DSP實(shí)現(xiàn)的高性能交流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。但是DSP也有不足之處，因?yàn)樗陌l(fā)展初期是應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的高速需要而開(kāi)發(fā)的，所以硬件資源較少，用作過(guò)程控制時(shí)則需要擴(kuò)展許多外圍電路，基于這種不足，目前TI公司、AD公司已在原有的DSP芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了適于電機(jī)控制的硬件，已有系列的產(chǎn)品出售，如TI公司的TMS320C240、AD公司的ADMC401等。

因?yàn)楸疚牡闹攸c(diǎn)是交流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究，所以著重闡述交流驅(qū)動(dòng)控制方法的發(fā)展與應(yīng)用。

1.控制方法

1971年德國(guó)F.Blaschke提出了異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制思想，1977年由A.B.Plunkett提出了直接轉(zhuǎn)矩控制荃本思想，20世紀(jì)80年代后期德國(guó)M.Depenbrock和日本I.Takahashi等人的完善與發(fā)展，以及SIEMENS和ABB公司進(jìn)行了大量的工程化實(shí)踐，現(xiàn)今交流電機(jī)的控制研究主要是在基于空間矢量的概念下的磁場(chǎng)定向控制（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、空間矢量PWM控制（SVPWM）等之間展開(kāi)的，它們的共同點(diǎn)就是力求實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制特性接近或達(dá)到線性效果。

磁場(chǎng)定向控制（FOC），即矢量變換控制技術(shù)，是交流調(diào)速技術(shù)史上的一大突破，它通過(guò)坐標(biāo)變換和計(jì)算，將電機(jī)的電流解禍為轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁分量分別進(jìn)行控制，從理論上講，實(shí)現(xiàn)了線性的控制特性，能夠明顯改善交流電機(jī)的輸出特性，因?yàn)榘l(fā)展得較早，技術(shù)上較為成熟，目前許多交流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品上都采用此技術(shù)，F(xiàn)OC對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高，早期的FOC實(shí)現(xiàn)多數(shù)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，或采用雙CPU方式，底層采用滯環(huán)比較電路，現(xiàn)今因?yàn)镈SP技術(shù)發(fā)展，多數(shù)采用DSP作為微處理器，不再使用滯環(huán)方式。研究應(yīng)用比較多的方式是通常采用反饋量少、硬件簡(jiǎn)單的滑差矢量控制方法。存在缺點(diǎn)是繁復(fù)的坐標(biāo)變換、復(fù)雜的計(jì)算、非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能，不能實(shí)現(xiàn)完全的參數(shù)解禍，工程實(shí)現(xiàn)上達(dá)不到應(yīng)有的效果。矢量變換控制中一個(gè)重要的問(wèn)題是磁鏈的定位，不管是定子磁鏈定位還是轉(zhuǎn)子磁鏈定位，磁鏈觀測(cè)結(jié)果將直接影響到控制量的解禍。為此，提出了智能觀測(cè)器、自適應(yīng)觀測(cè)器以及混合型的磁鏈觀測(cè)器，針對(duì)電機(jī)高速、低速時(shí)的不同特性，使用不同的模型（電壓電流模型和電流轉(zhuǎn)速模型），考慮到電機(jī)參數(shù)的時(shí)變性，將自適應(yīng)理論應(yīng)用于電機(jī)控制，設(shè)計(jì)全階觀測(cè)器，主要用于觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速。因?yàn)槎ㄗ与娏髟谵D(zhuǎn)子定向的坐標(biāo)系中分解的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的表達(dá)式簡(jiǎn)單，物理意義與直流電機(jī)相仿，所以大多數(shù)的研究都是在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式下進(jìn)行的，因?yàn)镕OC研究進(jìn)行得比較早，目前研究的重點(diǎn)和方向主要集中在磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)以及與智能控制的融合，工程應(yīng)用上的簡(jiǎn)化控制方法以及無(wú)速度傳感器方法的研究是熱點(diǎn)。另外在效率的控制方面，F(xiàn)OC也同樣有此方面的研究。

DTC的蓬勃發(fā)展始于20世紀(jì)80年代后期、90年代初期，它直接抓住電機(jī)輸出特性，直接控制輸出轉(zhuǎn)矩，控制思路新穎、簡(jiǎn)潔明了，克服了矢盤(pán)變換控制的復(fù)雜運(yùn)算缺點(diǎn)，是研究的熱點(diǎn)。前期由于微處理器和功率器件的原因，定子磁鏈的運(yùn)行軌跡控制為正六邊形，實(shí)現(xiàn)直接自控制（direct self control），響應(yīng)快，計(jì)算簡(jiǎn)單，但電流的畸變不可消除，含有6倍諧波成分，低速特性較差，近期由于微處理器和功率器件技術(shù)的發(fā)展，磁鏈軌跡的控制針對(duì)高低轉(zhuǎn)速，可以分別實(shí)現(xiàn)磁鏈軌跡圓形、六邊形控制方式。ABB公司已有采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的變頻產(chǎn)品出售。直接轉(zhuǎn)矩控制利用定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器，通過(guò)直接的Bang-Bang控制，控制定子磁鏈幅值為恒值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，因?yàn)樗杏?jì)算只是在定子的靜止兩相坐標(biāo)系中進(jìn)行，所以較矢量變換控制簡(jiǎn)單，因?yàn)樗捎玫腂ang-Bang控制，實(shí)際上是一種最短時(shí)間的控制，所以它的響應(yīng)快也是它的一個(gè)特點(diǎn)。同樣跟矢量變換控制一樣，直接轉(zhuǎn)矩控制需要解決的一個(gè)重要方面也是定子磁鏈的觀測(cè)，需要考慮高速、低速的磁鏈模型。所以DTC下的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的設(shè)計(jì)是DTC研究的一個(gè)熱點(diǎn)。因?yàn)殡姍C(jī)的低速磁鏈模型受影響的因素比較多，所以DTC下電機(jī)特性控制也是一個(gè)熱點(diǎn)。研究者著重分析了DTC系統(tǒng)低速特性，認(rèn)為低速時(shí)定子電阻對(duì)磁鏈的估計(jì)影響較明顯，低速時(shí)宜使用轉(zhuǎn)速電流模型估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈，而后定位定子磁鏈。同時(shí)也有研究著重分析研究逆變器的死區(qū)效應(yīng)是影響DTC調(diào)速系統(tǒng)低速轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)性能差的重要因素，死區(qū)效應(yīng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)影響的原因是因?yàn)殡妷旱臋z測(cè)被另外一種方式替代，即通過(guò)直流母線電壓和瞬時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算得到。有學(xué)者分析了死區(qū)電壓存在的必然以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響，尤其對(duì)系統(tǒng)在低速輕載的情況影響更顯著。針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速的負(fù)載特性較差，應(yīng)用在線的模糊觀測(cè)器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測(cè)定子電阻的變化，改善了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的低速性能。在工程實(shí)現(xiàn)上，DTC下的無(wú)速度傳感器方法的研究也成為了一個(gè)熱點(diǎn)。因?yàn)椴捎肬-I模型的DTC表現(xiàn)出對(duì)電機(jī)參數(shù)的不敏感性，所以在工程應(yīng)用上人們?cè)噲D通過(guò)對(duì)U-I模型的定子電阻進(jìn)行的補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高DTC系統(tǒng)的魯棒性，因此DTC的魯棒性的的研究也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。DTC的研究方向某種程度上也是參照了FOC的方向，所以關(guān)于DTC方式下的效率控制也在同步進(jìn)行。

基于空間矢量的概念，近年來(lái)又發(fā)展了SVPWM技術(shù)，它不同于SPWM控制思想，它是在引進(jìn)了矢量控制的概念之后，考慮利用三相橋臂開(kāi)關(guān)組合成的7種電壓矢量合成期望電壓矢量的一種方法，最終表現(xiàn)為PWM波，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特別適合數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率低、效率高。實(shí)際上，它只是變頻調(diào)速的一種底層實(shí)現(xiàn)方式，但是電機(jī)的控制效果仍很大程度上取決于它的方式，所以人們?cè)谘芯克姆绞讲煌瑢?duì)電機(jī)輸出效果的影響是SVPWM的研究重點(diǎn)。有研究對(duì)常規(guī)的SPWM和空間矢量PWM進(jìn)行比較，認(rèn)為后一種技術(shù)在減少電機(jī)電流諧波損耗、提高母線電壓利用率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為只有同時(shí)控制定子磁鏈的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)速度，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)才可減少，擴(kuò)大系統(tǒng)調(diào)速范圍，改善控制性能，而且其中磁鏈的瞬時(shí)速度誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響比瞬時(shí)幅值誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響大得多。有學(xué)者著重對(duì)如何在開(kāi)環(huán)條件下利用空間PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、減少電流畸變，主要途徑就是采用劈零矢量的控制方式，減少磁鏈頻率的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了平滑、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩特性。Walczyna等人融入了自適應(yīng)控制技術(shù)，硬件上實(shí)現(xiàn)了三電平PWM逆變器，使得定子磁鏈的瞬時(shí)速度誤差減少，電流畸變諧波減少，使用在大功率、高頻場(chǎng)合，減少了電機(jī)參數(shù)的變化對(duì)電機(jī)電流輸出的影響。還有研究針對(duì)SVPWM方式下的過(guò)調(diào)制以及電壓的利用率與常規(guī)的SPWM進(jìn)行了比較。在工程產(chǎn)品上，目前國(guó)內(nèi)已有利用此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)完成的PEIU150G3-4A150KW大容量變頻調(diào)速裝置。

上面三種控制技術(shù)從本質(zhì)上講是相互統(tǒng)一的，形式上看空間矢量PWM技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制都是在定子的兩相坐標(biāo)系中進(jìn)行分析，SVPWM最早是由德國(guó)RUHR大學(xué)的Depenbrock教授在實(shí)現(xiàn)DTC時(shí)引入的，實(shí)際上它與DTC還是有差別的，DTC底層的PWM直接由磁鏈和轉(zhuǎn)矩比較環(huán)節(jié)產(chǎn)生，并沒(méi)有一個(gè)合成矢量的概念，但是SVPWM著重強(qiáng)調(diào)冬個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的7種電壓矢量進(jìn)行的矢量合成，實(shí)際上它還是屬于變頻調(diào)速的底層，它并沒(méi)有直接與轉(zhuǎn)矩輸出構(gòu)成聯(lián)系，從所處的地位來(lái)講，它與SPWM處于同一層次，屬于交流驅(qū)動(dòng)的底層，只是它易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，因此在現(xiàn)代的FOC控制中己經(jīng)逐漸將原先的底層的SPWM方式替換為SVPWM方式，能夠有效簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，提高控制特性。因?yàn)镕OC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出控制量的有效調(diào)節(jié)，DTC可以簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，并且減少對(duì)參數(shù)的依賴性，交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最后的發(fā)展方向是將這三種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)的線性控制特性，這也是本論文研究的內(nèi)容之一。

2.磁鏈觀測(cè)

前面提到的控制方法的一個(gè)重要的研究方向就是磁鏈的觀測(cè)，磁鏈觀測(cè)在電機(jī)的控制中非常重要，它是交流驅(qū)動(dòng)能否實(shí)現(xiàn)線性控制的關(guān)鍵。因?yàn)殡姍C(jī)的磁鏈一般需要間接觀測(cè)，在通常采用的FOC、DTC和SVPWM技術(shù)中，F(xiàn)OC常應(yīng)用到轉(zhuǎn)子磁鏈定向，DTC和SVPWM因?yàn)槎紤?yīng)用了靜止兩相坐標(biāo)系中的電壓矢量概念，因此通常采用的是定子磁鏈定向。三種控制方式實(shí)際上與磁鏈的觀測(cè)結(jié)果有明顯的依賴性，F(xiàn)OC很明顯它需要磁鏈的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行定向，而后對(duì)控制量進(jìn)行解禍，因此磁鏈觀測(cè)在FOC中極為重要，系統(tǒng)的控制效果和振蕩與磁鏈的結(jié)果有明顯的關(guān)系，通常在FOC中采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)，因?yàn)樗軌蛴行У貙⒔涣鞣至哭D(zhuǎn)換為類(lèi)似直流電機(jī)控制中的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩分量。在DTC和SVPWM中因?yàn)槎即嬖谝粋€(gè)選擇電壓矢量的問(wèn)題，而正確選擇的前提是明確定子磁鏈的位置，因此磁鏈觀測(cè)在這兩種控制方式中同樣很重要。

磁鏈的觀測(cè)模型主要有兩種，一種是U-I模型，它比較適用于高速狀態(tài)，它是一種積分模式，涉及的參數(shù)主要是電機(jī)的定子電阻，DTC和SVPWM都是采用了該模型，使電壓矢量在空間坐標(biāo)系中與磁鏈進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制特性的分析，因此所謂DTC對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性小是基于U-I模型下的結(jié)論，這還是有一定欠缺之處的，對(duì)此許多研究己經(jīng)表明了這一點(diǎn)。磁鏈觀測(cè)的另外一種模型是I-N模型，它比較適用于低速狀態(tài)，但是它涉及的電機(jī)的參數(shù)比較多，對(duì)其觀測(cè)結(jié)果有明顯影響的是轉(zhuǎn)子的參數(shù)，而轉(zhuǎn)子的參數(shù)比較難確定，尤其是感應(yīng)電機(jī)。

也正是磁鏈低速觀測(cè)不確定性的原因，所以電機(jī)在低速時(shí)控制的特性比較差，因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)涉及的參數(shù)相對(duì)多，而且由于電機(jī)的參數(shù)會(huì)出現(xiàn)變化，而且易引進(jìn)死區(qū)效應(yīng)，當(dāng)電機(jī)承受的負(fù)載比較大時(shí)，很容易出現(xiàn)因?yàn)殡姍C(jī)的磁鏈觀測(cè)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)振蕩，這也是電機(jī)控制領(lǐng)域需要解決的難題之一。除了已討論的不可避免的死區(qū)電壓影響，認(rèn)為低速時(shí)定子電阻對(duì)磁鏈的觀測(cè)影響較明顯，需要定時(shí)更新轉(zhuǎn)子定子電阻，定子磁鏈可以精確控制，有研究應(yīng)用在線的模糊觀測(cè)器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測(cè)定子電阻的變化，提高了磁鏈觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，改善了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的低速性能，針對(duì)低速時(shí)定子線圈電阻隨溫度的變化量造成控制特性變差提出應(yīng)用PI調(diào)節(jié)和模糊控制的策略根據(jù)定子電流的變化估計(jì)電阻的變化，從而提高控制特性。

目前磁鏈觀測(cè)方面進(jìn)行的代表性研究工作有：

將現(xiàn)有的兩種模型進(jìn)行混合使用，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使磁鏈的模型對(duì)應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)在低速時(shí)為I-N模型，高速時(shí)為U-I模型，這樣可以充分利用兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，通常采用的是滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，即并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中存在響應(yīng)速度慢，容易存在靜態(tài)偏差，因此改換它的并聯(lián)結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，將I-N模型的逆方式置于U-I前端，綜合使用能夠有效消除前述缺陷；利用自適應(yīng)方法，構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，能夠有效提高觀測(cè)的準(zhǔn)確性，并且能夠提高系統(tǒng)的魯棒性，這是在磁鏈觀測(cè)中通常采用的另一種方法，但是因?yàn)榭刂平Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難；仍采用U-I模型，但是在低速段利用V鄺為常值的特性對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，這種方式可以有效簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算量，適合用于工程實(shí)踐；仍采用I-N模型，只是另外加PI調(diào)節(jié)器，利用模型輸出的電流與實(shí)際輸出電流的差值調(diào)節(jié)磁鏈的觀測(cè)結(jié)果；利用逆系統(tǒng)的控制方式，將磁鏈的觀測(cè)與轉(zhuǎn)速的控制解禍，減少觀測(cè)的復(fù)雜性，但是同時(shí)還需要加調(diào)節(jié)器進(jìn)行修正；利用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，減少控制方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響，但是使控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不容易工程化。

3.參數(shù)辨識(shí)

磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性很大程度上取決于電機(jī)參數(shù)是否準(zhǔn)確，但是由于電機(jī)模型的非線性以及參數(shù)表現(xiàn)出的時(shí)變性，而且尤其是感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)無(wú)法直接測(cè)量，所以電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)相對(duì)困難，目前在如何實(shí)現(xiàn)有效、簡(jiǎn)便測(cè)量電機(jī)參數(shù)上進(jìn)行了許多有意義的研究。

多數(shù)的研究是基于原有的變頻器基礎(chǔ)或逆變器系統(tǒng)，利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型，利用一些約束條件，簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)，減少測(cè)量的變量，比如采用轉(zhuǎn)子靜止、單相線圈激勵(lì)等方式，能夠得到一些電機(jī)的參數(shù)；研究提出了在一矢量變換控制的變頻器的條件下實(shí)現(xiàn)離線辨識(shí)定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、以及總漏感、轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較；有學(xué)者根據(jù)異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型提出了一種用單相變頻電流激勵(lì)電機(jī)，同時(shí)輔以一簡(jiǎn)單硬件觀測(cè)定子電壓瞬態(tài)值，判定轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的方法，這些方法因?yàn)槭÷粤艘恍┘s束條件，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，可操作性比較強(qiáng)，易工程實(shí)現(xiàn)，但是它因?yàn)檫M(jìn)行了一些近似，所以得到的參數(shù)是電機(jī)實(shí)際值的近似，在一般的控制要求條件下，能夠滿足要求，如果控制要求比較高，它可以被用作一些控制方法中的初始設(shè)置值，同時(shí)需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行修正。

因?yàn)榭紤]到電機(jī)模型的非線性以及參數(shù)的時(shí)變性，往往采用在線自適應(yīng)的控制方法，如設(shè)計(jì)全階的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，利用穩(wěn)定性理論簡(jiǎn)化算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)，同時(shí)也得到了磁鏈的觀測(cè)結(jié)果，如從電機(jī)的功率因數(shù)出發(fā)，通過(guò)建立轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)與它的關(guān)系，建立一種自適應(yīng)控制方法，解決了低速時(shí)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí)問(wèn)題。這些方法實(shí)際上是直接針對(duì)磁鏈的觀測(cè)，電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)或修正只是中間的一個(gè)過(guò)程，通常因?yàn)榭刂平Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，計(jì)算量比較大，正是由于近期的DSP運(yùn)用，使該種類(lèi)型的方法逐漸發(fā)展起來(lái)，但是從工程化方面看，目前許多方法還停留在實(shí)驗(yàn)室或仿真階段。

另外還有直接利用原有的矢量控制系統(tǒng)，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方式，建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)，如采用遞推最小二乘法、極大似然法設(shè)計(jì)電機(jī)的定子電流的實(shí)際輸出與模型輸出的差值為目標(biāo)函數(shù)，最后通過(guò)多次遞歸得到電機(jī)的參數(shù)，這些方法也是因?yàn)镈SP器件的發(fā)展帶動(dòng)了這些方法的發(fā)展應(yīng)用。

從上面闡述可以看到這些方法都具有各自的特色，相應(yīng)具體的應(yīng)用系統(tǒng)有比較強(qiáng)的針對(duì)性。因?yàn)楸孀R(shí)的結(jié)果直接應(yīng)用到電機(jī)的控制中，所以這些方法中多數(shù)的工程性都比較強(qiáng)。

4.現(xiàn)代控制與智能控制

現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)如果要有大的發(fā)展就需要有大的理論，但是交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)比較成熟，提出具有劃時(shí)代意義的理論不太容易，因此在電機(jī)控制的今后發(fā)展中，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，或者將其它學(xué)科的理論、方法引入，走交叉學(xué)科的道路。將現(xiàn)代控制理論和智能控制的理論運(yùn)用到電機(jī)控制，是目前解決交流電機(jī)這一時(shí)變非線性模型問(wèn)題的熱門(mén)研究，所以除了前面闡述中提到的一些研究外，這里仍舊將進(jìn)行一些歸納。

近段時(shí)間現(xiàn)代控制和智能控制在電機(jī)控制上的研究表現(xiàn)為：

自適應(yīng)控制，應(yīng)用較多的是自校正控制（STC）和模型參考自適應(yīng)控制（MRAC），通常對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測(cè)，多數(shù)應(yīng)用在矢量控制系統(tǒng)中，但現(xiàn)在也開(kāi)始有應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的研究，它通常利用超穩(wěn)定性理論或李雅普諾夫原理設(shè)計(jì)觀測(cè)器，能夠有效提高控制系統(tǒng)的魯棒性。研究提出了基于STC的速度控制方法，利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)，然后調(diào)整配置極點(diǎn)設(shè)計(jì)控制器。MRAC最早應(yīng)用在晶閘管直流調(diào)速中，針對(duì)噪聲的干擾，采用從模型提取狀態(tài)，免去計(jì)算對(duì)象的輸入輸出導(dǎo)數(shù)的技術(shù)。因?yàn)镸RAC結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)階數(shù)超出3階以上時(shí)，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜難以設(shè)計(jì)，同時(shí)系統(tǒng)的性能改善不明顯，所以對(duì)高階系統(tǒng)采用降階方法來(lái)設(shè)計(jì)。MRAC的另一方面的應(yīng)用是電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)，同其它辨識(shí)方法相比，它的性能結(jié)果比較優(yōu)越，但是計(jì)算結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

滑模變結(jié)構(gòu)控制，由于微處理器技術(shù)的發(fā)展，使它的實(shí)現(xiàn)成為可能，滑模變結(jié)構(gòu)的基本思想是，反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在它的狀態(tài)向量通過(guò)開(kāi)關(guān)超平面時(shí)發(fā)生變化，由于這種控制方式使系統(tǒng)的狀態(tài)向量進(jìn)入開(kāi)關(guān)面后就被約束在開(kāi)關(guān)面的領(lǐng)域內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)由開(kāi)關(guān)面的參數(shù)決定，而與系統(tǒng)的參數(shù)、擾動(dòng)的影響無(wú)關(guān)。理想的滑模變結(jié)構(gòu)控制其切換頻率是無(wú)窮大的，控制量也無(wú)限制，所以滑模是光滑的，但實(shí)際系統(tǒng)中無(wú)法滿足上述兩點(diǎn)要求，而且還存在著空間和時(shí)間上的滯后，使滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生自振，系統(tǒng)將不具備魯棒性。

解禍控制，主要有微分幾何方法和逆系統(tǒng)方法。微分幾何方法，作為一種將感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型線性化的方法，微分幾何受到了較多的重視，但由于其理論復(fù)雜，線性化后系統(tǒng)的物理概念不明確，不易被廣大工程技術(shù)人員所接受，限制了它的推廣應(yīng)用。逆系統(tǒng)方法是分析非線性系統(tǒng)的另一種方法，其基本思想是，對(duì)于給定的系統(tǒng)，首先，用對(duì)象的模型生成一種可用反饋方法實(shí)現(xiàn)的原系統(tǒng)的“α階積分逆系統(tǒng)”，將對(duì)象補(bǔ)償成為具有線性傳遞關(guān)系的且已解禍的一種規(guī)范化系統(tǒng)（稱為偽線性系統(tǒng)）：然后，再用線性系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)理論來(lái)完成偽線性系統(tǒng)的綜合。逆系統(tǒng)方法具有在理論上形式統(tǒng)一，在物理概念上清晰直觀，在使用方法上簡(jiǎn)單明了的一些特點(diǎn)。研究表明，逆系統(tǒng)方法應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)的研究是行之有效的。他擺脫了微分幾何方法繁瑣的理論束縛，易于被廣大的工程技術(shù)人員所接受。事實(shí)上，對(duì)電流供電型感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型使用微分幾何方法得出的線性化模型與使用逆系統(tǒng)方法得出的線性化模型是相同的。另外，在充分分析系統(tǒng)的情況下，現(xiàn)有的控制理論的結(jié)果可被很好地應(yīng)用，同時(shí)避免了理論上的繁瑣。

模糊技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)榻涣骺刂粕婕暗膮?shù)具有時(shí)變性，為了降低控制方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，模糊技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域有了很好的應(yīng)用前景。模糊控制的最大優(yōu)點(diǎn)就是不依賴于被控對(duì)象的精確模型，而且能夠克服非線性因素的影響，具有強(qiáng)的魯棒性。但是模糊控制的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)比較差，主要是因?yàn)槿鄙俜e分機(jī)制，所以應(yīng)用于交流驅(qū)動(dòng)的模糊控制大都采用模糊控制同PI控制結(jié)合的模式，當(dāng)控制誤差較小時(shí)切換到IP調(diào)節(jié)器改善穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。研究針對(duì)低速時(shí)定子線圈電阻隨溫度的變化量造成控制特性變差提出應(yīng)用IP調(diào)節(jié)和模糊控制的策略根據(jù)定子電流的變化估計(jì)電阻的變化，從而提高控制特性，研究應(yīng)用模糊技術(shù)對(duì)異步機(jī)的定子磁鏈以及轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行仿真，分析認(rèn)為這一技術(shù)可以改善系統(tǒng)的性能響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，保留了原有的靜態(tài)特性。也有文獻(xiàn)提出了模糊單神經(jīng)元混合控制來(lái)解決這一問(wèn)題，即用單神經(jīng)元取代PID調(diào)節(jié)器，充分利用單神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)、自組織能力，對(duì)控制器的權(quán)重進(jìn)行在線調(diào)整，既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和快速性，又具有良好的魯棒性。研究利用神經(jīng)元控制的逆系統(tǒng)理論求得異步機(jī)矢t控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中受控對(duì)象的逆模型，并將它與受控對(duì)象串聯(lián)構(gòu)成近似線性傳遞環(huán)節(jié)，從而抵消了受控對(duì)象中的非線性和滯后等對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性得到很大提高。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，同自適應(yīng)控制相比，自適應(yīng)控制比較適合小范圍的模型的不確定因素，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能夠適合任何不確定性的系統(tǒng)，不需要任何先驗(yàn)知識(shí)。研究提出了用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)BP法對(duì)電機(jī)進(jìn)行在線辨識(shí)，另一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用辨識(shí)后的結(jié)果對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)于PID控制器。研究通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真比較了幾種學(xué)習(xí)方法（BP算法、自適應(yīng)神經(jīng)元模型、擴(kuò)展的KALMAN濾波器以及并行遞歸誤差預(yù)測(cè)法）在直接轉(zhuǎn)矩控制中應(yīng)用的性能對(duì)比，認(rèn)為后兩種方法優(yōu)越于前兩種方法。

5.工程化

因?yàn)楸菊撐牡墓こ瘫尘氨容^強(qiáng)，所以對(duì)交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工程化方面的研究給予了更多的關(guān)注。FOC最早由西門(mén)子公司發(fā)展運(yùn)用，西門(mén)子公司的大多數(shù)變頻產(chǎn)品大多采用了FOC；而DTC最早是由ABB公司發(fā)展運(yùn)用，所以現(xiàn)在的ABB公司的許多產(chǎn)品都采用了DTC技術(shù)。

交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)工程化的研究主要有：

一個(gè)熱點(diǎn)就是無(wú)速度傳感器方法的研究，主要是基于有些場(chǎng)合無(wú)法安裝轉(zhuǎn)速傳感器，同時(shí)也是為了簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，降低成本，一般利用自適應(yīng)理論，采用PARK模型，主要解決無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)中的速度及轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)問(wèn)題。研究基于模型參考自適應(yīng)理論，利用異步感應(yīng)電機(jī)的全階模型建立了在無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行辨識(shí)的方法，對(duì)其仿真，認(rèn)為單個(gè)參數(shù)或轉(zhuǎn)速、定子電阻進(jìn)行辨識(shí)時(shí)，參數(shù)可以收斂，而對(duì)上述三個(gè)參數(shù)或轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)并未達(dá)到良好結(jié)果的結(jié)論。因?yàn)镕OC發(fā)展的比較早，將無(wú)速度傳感器與之結(jié)合的研究比較多。DTC從方法本身不需要轉(zhuǎn)速信息，但是研究認(rèn)為為提高DTC的低速性能，磁鏈低速模型仍需采用I-N模型，另外為實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速范圍內(nèi)的調(diào)速，DTC控制下的電機(jī)必須進(jìn)入弱磁調(diào)速，所以從這方面看，DTC同樣需要轉(zhuǎn)速信息，正是從這點(diǎn)出發(fā)，已經(jīng)開(kāi)始有將DTC與無(wú)速度傳感器結(jié)合的研究。只是因?yàn)槭噶孔儞Q控制出現(xiàn)的較早，將矢量變換控制與無(wú)速度傳感器技術(shù)相結(jié)合的研究比較多，而將直接轉(zhuǎn)矩控制與無(wú)速度傳感器技術(shù)結(jié)合的正在成為研究熱點(diǎn)。

簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，減少測(cè)量參數(shù)的研究。研究討論了電壓型逆變器中的DC-link通路的電流、電壓與電機(jī)相電路電壓、電流之間的關(guān)系，利用直接轉(zhuǎn)矩控制的思想，提出了一種非常利于工程實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)，即基于DC-link參數(shù)測(cè)量的控制方法，實(shí)現(xiàn)單電壓、電流傳感器的結(jié)構(gòu)。研究通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析了在轉(zhuǎn)差控制系統(tǒng)中引入矢量控制解禍?zhǔn)侄?，在不使系統(tǒng)復(fù)雜化的前提下，使系統(tǒng)獲得準(zhǔn)矢量控制的效果，著重強(qiáng)調(diào)了動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流相位補(bǔ)償手段，得出在轉(zhuǎn)子磁鏈穩(wěn)定建立后按照預(yù)定手段調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差可以得到矢量控制的效果。研究在定子磁鏈的U-I模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)濾波器和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)電機(jī)的低速磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速下的大轉(zhuǎn)矩輸出。文獻(xiàn)利用V/F的原理，對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了全速范圍內(nèi)的調(diào)速，性能近似達(dá)到矢量控制效果。文獻(xiàn)利用Lyapnov原理分析了電磁子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)出了一種使轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩跟蹤給定值的電壓控制律，使系統(tǒng)只需定子電流的反饋簡(jiǎn)化結(jié)果，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

6.結(jié)語(yǔ)

交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要從FOC、DTC、SVPWM幾方面展開(kāi)，SVPWM從某種意義上并不算一種完整的控制方法，但是它替代了SPWM，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，并且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，是今后控制結(jié)構(gòu)的底層，所以將它重點(diǎn)提出。FOC、DTC的控制效果取決于磁鏈的觀測(cè)，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)是一時(shí)變的非線性模型，使得參數(shù)辨識(shí)以及磁鏈觀測(cè)比較困難，研究的重點(diǎn)實(shí)際上就落在磁鏈的觀測(cè)上，研究方法開(kāi)始引入現(xiàn)代控制和智能控制理論。目前，在電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究方面仍然存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。

（1）磁鏈的觀測(cè)問(wèn)題，因?yàn)榇沛溡话阃ㄟ^(guò)間接測(cè)量，電機(jī)參數(shù)不易測(cè)量，造成磁鏈觀測(cè)的困難，最后影響達(dá)到線性控制特性的目標(biāo).

（2）參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，有效測(cè)量電機(jī)參數(shù)并且能夠隨參數(shù)變化作相應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)控制性能近似達(dá)到要求。

（3）現(xiàn)代控制和智能控制理論的應(yīng)用問(wèn)題，交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，或者將其它學(xué)科的理論、方法引入，走交叉學(xué)科的道路。

（4）實(shí)用化問(wèn)題，許多方法目前仍停留于理論上，由于多數(shù)研究的算法復(fù)雜，需要許多電機(jī)參數(shù)，應(yīng)用到產(chǎn)品的少。

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編輯：季晨宸