電動車交流驅(qū)動的研究現(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)情報研究所，江蘇 南京 210042）

電動車交流驅(qū)動的研究現(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，電動車交流電機(jī)控制技術(shù)有了很大的發(fā)展，己經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的直流傳動技術(shù)，應(yīng)用在國民經(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。DTC作為近年來發(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；電動車；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，電動車交流驅(qū)動發(fā)展趨勢為數(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、自檢測、自保護(hù)功能融合的功率模塊IPM，其中比較出色有德國SEMIKRON產(chǎn)品SKiiPPACK系列的IPM模塊實(shí)現(xiàn)了在原有的基礎(chǔ)上再增加電流檢測功能，主通路基本全部集成化，三相橋臂集成于一體，使用時僅需提供一路驅(qū)動電源，且驅(qū)動信號不需隔離，使得控制電路更簡單、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，DSP開始在交流驅(qū)動系統(tǒng)中使用，來用的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)算速度至少快一個數(shù)量級，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)字信號處理的高速需要而開發(fā)的，所以硬件資源較少，用作過程控制時則需要擴(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)動控制技術(shù)的研究，所以著重闡述交流驅(qū)動控制方法的發(fā)展與應(yīng)用。

1.控制方法

1971年德國F.Blaschke提出了異步電機(jī)的磁場定向控制思想，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，它通過坐標(biāo)變換和計(jì)算，將電機(jī)的電流解禍為轉(zhuǎn)矩、勵磁分量分別進(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)動產(chǎn)品上都采用此技術(shù)，F(xiàn)OC對控制器的運(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重要的問題是磁鏈的定位，不管是定子磁鏈定位還是轉(zhuǎn)子磁鏈定位，磁鏈觀測結(jié)果將直接影響到控制量的解禍。為此，提出了智能觀測器、自適應(yīng)觀測器以及混合型的磁鏈觀測器，針對電機(jī)高速、低速時的不同特性，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)全階觀測器，主要用于觀測轉(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)矩分量和勵磁分量的表達(dá)式簡單，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器的設(shè)計(jì)以及與智能控制的融合，工程應(yīng)用上的簡化控制方法以及無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、簡潔明了，克服了矢盤變換控制的復(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，通過直接的Bang-Bang控制，控制定子磁鏈幅值為恒值，同時實(shí)現(xiàn)了對轉(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單，因?yàn)樗捎玫腂ang-Bang控制，實(shí)際上是一種最短時間的控制，所以它的響應(yīng)快也是它的一個特點(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重要方面也是定子磁鏈的觀測，需要考慮高速、低速的磁鏈模型。所以DTC下的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器的設(shè)計(jì)是DTC研究的一個熱點(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)為低速時定子電阻對磁鏈的估計(jì)影響較明顯，低速時宜使用轉(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)對調(diào)速系統(tǒng)影響的原因是因?yàn)殡妷旱臋z測被另外一種方式替代，即通過直流母線電壓和瞬時的開關(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系統(tǒng)性能的影響，尤其對系統(tǒng)在低速輕載的情況影響更顯著。針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速的負(fù)載特性較差，應(yīng)用在線的模糊觀測器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測定子電阻的變化，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下的無速度傳感器方法的研究也成為了一個熱點(diǎn)。因?yàn)椴捎肬-I模型的DTC表現(xiàn)出對電機(jī)參數(shù)的不敏感性，所以在工程應(yīng)用上人們試圖通過對U-I模型的定子電阻進(jìn)行的補(bǔ)償?shù)姆绞絹硖岣逥TC系統(tǒng)的魯棒性，因此DTC的魯棒性的的研究也成為了一個研究熱點(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)簡單、特別適合數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，開關(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，所以人們在研究它的方式不同對電機(jī)輸出效果的影響是SVPWM的研究重點(diǎn)。有研究對常規(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，分析認(rèn)為只有同時控制定子磁鏈的瞬時幅值和瞬時速度，轉(zhuǎn)矩脈動才可減少，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速度誤差對輸出轉(zhuǎn)矩的影響比瞬時幅值誤差對輸出轉(zhuǎn)矩的影響大得多。有學(xué)者著重對如何在開環(huán)條件下利用空間PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩脈動、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，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速度誤差減少，電流畸變諧波減少，使用在大功率、高頻場合，減少了電機(jī)參數(shù)的變化對電機(jī)電流輸出的影響。還有研究針對SVPWM方式下的過調(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RUHR大學(xué)的Depenbrock教授在實(shí)現(xiàn)DTC時引入的，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，并沒有一個合成矢量的概念，但是SVPWM著重強(qiáng)調(diào)冬個開關(guān)狀態(tài)對應(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，它并沒有直接與轉(zhuǎn)矩輸出構(gòu)成聯(lián)系，從所處的地位來講，它與SPWM處于同一層次，屬于交流驅(qū)動的底層，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，能夠有效簡化控制結(jié)構(gòu)，提高控制特性。因?yàn)镕OC能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出控制量的有效調(diào)節(jié)，DTC可以簡化控制結(jié)構(gòu)，并且減少對參數(shù)的依賴性，交流驅(qū)動技術(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

前面提到的控制方法的一個重要的研究方向就是磁鏈的觀測，磁鏈觀測在電機(jī)的控制中非常重要，它是交流驅(qū)動能否實(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，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)際上與磁鏈的觀測結(jié)果有明顯的依賴性，F(xiàn)OC很明顯它需要磁鏈的觀測結(jié)果進(jìn)行定向，而后對控制量進(jìn)行解禍，因此磁鏈觀測在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，因?yàn)樗軌蛴行У貙⒔涣鞣至哭D(zhuǎn)換為類似直流電機(jī)控制中的勵磁和轉(zhuǎn)矩分量。在DTC和SVPWM中因?yàn)槎即嬖谝粋€選擇電壓矢量的問題，而正確選擇的前提是明確定子磁鏈的位置，因此磁鏈觀測在這兩種控制方式中同樣很重要。

磁鏈的觀測模型主要有兩種，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，對此許多研究己經(jīng)表明了這一點(diǎn)。磁鏈觀測的另外一種模型是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，對其觀測結(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不確定性的原因，所以電機(jī)在低速時控制的特性比較差，因?yàn)榇藭r電機(jī)涉及的參數(shù)相對多，而且由于電機(jī)的參數(shù)會出現(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，很容易出現(xiàn)因?yàn)殡姍C(jī)的磁鏈觀測不準(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)為低速時定子電阻對磁鏈的觀測影響較明顯，需要定時更新轉(zhuǎn)子定子電阻，定子磁鏈可以精確控制，有研究應(yīng)用在線的模糊觀測器，根據(jù)定子電流、同步轉(zhuǎn)速觀測定子電阻的變化，提高了磁鏈觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，改善了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的低速性能，針對低速時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)速使磁鏈的模型對應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)在低速時為I-N模型，高速時為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)子磁鏈觀測器，能夠有效提高觀測的準(zhǔn)確性，并且能夠提高系統(tǒng)的魯棒性，這是在磁鏈觀測中通常采用的另一種方法，但是因?yàn)榭刂平Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)相對困難；仍采用U-I模型，但是在低速段利用V鄺為常值的特性對觀測結(jié)果進(jìn)行修正，這種方式可以有效簡化控制結(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)磁鏈的觀測結(jié)果；利用逆系統(tǒng)的控制方式，將磁鏈的觀測與轉(zhuǎn)速的控制解禍，減少觀測的復(fù)雜性，但是同時還需要加調(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

磁鏈觀測的準(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)出的時變性，而且尤其是感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)無法直接測量，所以電機(jī)的參數(shù)辨識相對困難，目前在如何實(shí)現(xiàn)有效、簡便測量電機(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，簡化了模型結(jié)構(gòu)，減少測量的變量，比如采用轉(zhuǎn)子靜止、單相線圈激勵等方式，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)離線辨識定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、以及總漏感、轉(zhuǎn)子時間常數(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電機(jī)，同時輔以一簡單硬件觀測定子電壓瞬態(tài)值，判定轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的方法，這些方法因?yàn)槭÷粤艘恍┘s束條件，所以實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，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，同時需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器來進(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)子磁鏈觀測器，利用穩(wěn)定性理論簡化算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線辨識，同時也得到了磁鏈的觀測結(jié)果，如從電機(jī)的功率因數(shù)出發(fā)，通過建立轉(zhuǎn)子時間常數(shù)與它的關(guān)系，建立一種自適應(yīng)控制方法，解決了低速時轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的辨識問題。這些方法實(shí)際上是直接針對磁鏈的觀測，電機(jī)參數(shù)的辨識或修正只是中間的一個過程，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，使該種類型的方法逐漸發(fā)展起來，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，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)的針對性。因?yàn)楸孀R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)動技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)比較成熟，提出具有劃時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)長一段時間內(nèi)還會是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長補(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)這一時變非線性模型問題的熱門研究，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），通常對轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測，多數(shù)應(yīng)用在矢量控制系統(tǒng)中，但現(xiàn)在也開始有應(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，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，針對噪聲的干擾，采用從模型提取狀態(tài)，免去計(jì)算對象的輸入輸出導(dǎo)數(shù)的技術(shù)。因?yàn)镸RAC結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，當(dāng)階數(shù)超出3階以上時，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜難以設(shè)計(jì)，同時系統(tǒng)的性能改善不明顯，所以對高階系統(tǒng)采用降階方法來設(shè)計(jì)。MRAC的另一方面的應(yīng)用是電機(jī)參數(shù)的辨識，同其它辨識方法相比，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)向量通過開關(guān)超平面時發(fā)生變化，由于這種控制方式使系統(tǒng)的狀態(tài)向量進(jìn)入開關(guān)面后就被約束在開關(guān)面的領(lǐng)域內(nèi)滑動，此時，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)由開關(guān)面的參數(shù)決定，而與系統(tǒng)的參數(shù)、擾動的影響無關(guān)。理想的滑模變結(jié)構(gòu)控制其切換頻率是無窮大的，控制量也無限制，所以滑模是光滑的，但實(shí)際系統(tǒng)中無法滿足上述兩點(diǎn)要求，而且還存在著空間和時間上的滯后，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，對于給定的系統(tǒng)，首先，用對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)具有時變性，為了降低控制方法對電機(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)控制誤差較小時切換到IP調(diào)節(jié)器改善穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。研究針對低速時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)元混合控制來解決這一問題，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)中受控對象的逆模型，并將它與受控對象串聯(lián)構(gòu)成近似線性傳遞環(huán)節(jié)，從而抵消了受控對象中的非線性和滯后等對系統(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。研究提出了用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過BP法對電機(jī)進(jìn)行在線辨識，另一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用辨識后的結(jié)果對位置和速度進(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)測法）在直接轉(zhuǎn)矩控制中應(yīng)用的性能對比，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)，所以對交流驅(qū)動技術(shù)的工程化方面的研究給予了更多的關(guān)注。FOC最早由西門子公司發(fā)展運(yùn)用，西門子公司的大多數(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)動技術(shù)工程化的研究主要有：

一個熱點(diǎn)就是無速度傳感器方法的研究，主要是基于有些場合無法安裝轉(zhuǎn)速傳感器，同時也是為了簡化控制結(jié)構(gòu)，降低成本，一般利用自適應(yīng)理論，采用PARK模型，主要解決無速度傳感器控制系統(tǒng)中的速度及轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測問題。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速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行辨識的方法，對其仿真，認(rèn)為單個參數(shù)或轉(zhuǎn)速、定子電阻進(jìn)行辨識時，參數(shù)可以收斂，而對上述三個參數(shù)或轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電阻辨識并未達(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)開始有將DTC與無速度傳感器結(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)矩控制與無速度傳感器技術(shù)結(jié)合的正在成為研究熱點(diǎn)。

簡化控制結(jié)構(gòu)，減少測量參數(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)侄危诓皇瓜到y(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)了動態(tài)過程中的電流相位補(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，對電機(jī)的反電動勢進(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化結(jié)果，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化。

6.結(jié)語

交流驅(qū)動技術(shù)主要從FOC、DTC、SVPWM幾方面展開，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，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)是一時變的非線性模型，使得參數(shù)辨識以及磁鏈觀測比較困難，研究的重點(diǎn)實(shí)際上就落在磁鏈的觀測上，研究方法開始引入現(xiàn)代控制和智能控制理論。目前，在電動車交流驅(qū)動電機(jī)研究方面仍然存在的問題主要有以下幾個方面。

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

（2）參數(shù)辨識問題，有效測量電機(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)用問題，交流驅(qū)動領(lǐng)域相當(dāng)長一段時間內(nèi)還會是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，取長補(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