六相交流感應(yīng)電機(jī)新穎控制策略研究

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，交流傳動(dòng)系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)已逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

由于交流電機(jī)本質(zhì)上為非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變、大干擾的復(fù)雜對(duì)象，它的有效控制一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，現(xiàn)已提出了多種控制策略與方法。其中經(jīng)典線性控制不能克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化及非線性因素的影響，控制性能不高；矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制也存在一些問(wèn)題：近年來(lái)，隨著現(xiàn)代控制和智能控制的理論發(fā)展，先進(jìn)控制算法被應(yīng)用于交流電機(jī)控制，并取得一定成果 。

交流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制方法

常用的穩(wěn)態(tài)模型控制方案有開環(huán)恒v/f比控制(即電壓/頻率=常數(shù))和閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制。

(1)恒壓頻比控制

此法是從變壓變頻基本控制方式出發(fā)的且不帶速度反饋的開環(huán)控制方式。由于在額定頻率以下，若電壓一定而只降低頻率，那么氣隙磁通就要過(guò)大，造成磁路飽和，嚴(yán)重時(shí)燒毀電機(jī)。為了保持氣隙磁通不變，采用感應(yīng)電勢(shì)與頻率之比為常數(shù)的方式進(jìn)行控制。

此法優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，控制運(yùn)算速度要求不高等。

此法缺點(diǎn)：開環(huán)控制的調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能較差；只控制了氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，性能不高；由于不含有電流控制，起動(dòng)時(shí)必須具有給定積分環(huán)節(jié)，以抑制電流沖擊；低頻時(shí)轉(zhuǎn)矩不足，需轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

(2)閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制

此法是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)差率很小的變化范圍內(nèi)，只要維持電機(jī)磁鏈不變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比，因此控制轉(zhuǎn)差角頻率即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

此法優(yōu)點(diǎn)：基本上控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

此法缺點(diǎn)：不能真正控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)性能不理想。

上述兩種控制方法基本上解決了電機(jī)平滑調(diào)速問(wèn)題，但系統(tǒng)的控制規(guī)律是只依據(jù)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，沒(méi)有考慮過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等動(dòng)態(tài)性能不高；轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)请妷悍导邦l率的函數(shù)，當(dāng)僅控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，由于I/O間的耦合會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢，即使有很好的控制方案，交流電機(jī)也很難達(dá)到直流電機(jī)所能達(dá)到的性能。但這兩種控制的規(guī)律簡(jiǎn)單，目前仍在一般調(diào)速系統(tǒng)中采用，它們適用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的交流調(diào)速場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載 。

交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型控制方法

要獲得高動(dòng)態(tài)性能，必須依據(jù)交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。它的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量為定子電壓和頻率，輸出變量為轉(zhuǎn)速和磁鏈。當(dāng)前最成熟的控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)

它是由Blasehlke F．在1971年提出。根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用矢量變換方法，將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)，從而獲得良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。

它可分為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制和定子磁場(chǎng)定向控制兩種，其中轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制以轉(zhuǎn)子磁鏈為參考坐標(biāo)，通過(guò)靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換，將定子電流分解成產(chǎn)生磁鏈的勵(lì)磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，并使兩分量相互獨(dú)立而解耦，然后分別對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制。通常的控制策略是保持勵(lì)磁電流不變，改變轉(zhuǎn)矩電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩；定子磁場(chǎng)定向控制是將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸放置在定子磁場(chǎng)方向上，有利于定子磁通觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)，減弱轉(zhuǎn)子回路參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，但低速運(yùn)行時(shí)，定子電阻壓降不容忽略，反電勢(shì)測(cè)量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。若采用轉(zhuǎn)子方程實(shí)現(xiàn)磁通觀測(cè)，會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

此法優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，可對(duì)它們分別獨(dú)立控制，明顯改善了控制性能。

此法缺點(diǎn)：對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性大，而電機(jī)參數(shù)存在時(shí)變性，難以達(dá)到理想的控制效果；即使電機(jī)參數(shù)與磁鏈能被精確測(cè)量，也只有穩(wěn)態(tài)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)解耦，弱磁時(shí)耦合仍然存在；需假設(shè)電機(jī)中只有基波正序磁勢(shì)，太理論化，不完全符合實(shí)際；若解耦后的控制回路采用普通PI調(diào)節(jié)器，其性能受參數(shù)變化及各種不確定性影響嚴(yán)重。

矢量控制已獲得非常廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)控制，且為克服其缺點(diǎn)，它常與其他控制方法相結(jié)合來(lái)使用。

(2)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)

它是由德國(guó)Depenbrock M．于1985年提出，它摒棄了解耦思想，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，不需要復(fù)雜的變換與計(jì)算，把電機(jī)和逆變器看成一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算定子磁通和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。

此法優(yōu)點(diǎn)：控制思路新穎，采用“砰．砰”控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，無(wú)需對(duì)定子電流解耦，靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良；采用定子磁鏈進(jìn)行磁場(chǎng)定向，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)，使系統(tǒng)性能對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性；可被推廣到弱磁調(diào)速范圍。

此法缺點(diǎn)：功率開關(guān)器件存在一定的通、斷時(shí)間，為防止同一橋臂的兩開關(guān)發(fā)生直通而短路，必須在控制信號(hào)中設(shè)置死區(qū)，但死區(qū)會(huì)使在各調(diào)制周期內(nèi)引起微小畸變，畸變積累后會(huì)使逆變器的輸出電流產(chǎn)生畸變，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速時(shí)死區(qū)效應(yīng)更明顯；低速時(shí)定子電阻的變化引起的定子電流和磁鏈的畸變；對(duì)逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大；無(wú)電流環(huán)，不能做電流保護(hù)，需加限流措施。

此法已逐步大量用于交流電機(jī)控制，且為克服它的缺點(diǎn)，常與其他控制方法相結(jié)合。VC和DTC兩法表面上不同，控制性能上各有特色，但本質(zhì)是相同的，都采用轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別控制，其中轉(zhuǎn)矩控制環(huán)(或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán))都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，可抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)近似解耦 。

設(shè)計(jì)機(jī)器人力控制結(jié)構(gòu)，處理力和位置控制二者之間的關(guān)系，也就是機(jī)器人柔順控制之策略，為主動(dòng)柔順控制研究中的首要問(wèn)題.有關(guān)力控制的研究首先集中于此，都是從不同的角度對(duì)控制策略進(jìn)行闡述，雖然觀點(diǎn)各異，但從機(jī)器人實(shí)現(xiàn)依從運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)看，一般可歸結(jié)為4大類：阻抗控制策略、力/位混合控制策略、自適應(yīng)控制策略和智能控制策略。

柔順控制阻抗控制

其特點(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力，而是根據(jù)機(jī)器人端部的位置(或速度)和端部作用力之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來(lái)達(dá)到控制力的目的，此時(shí)接觸過(guò)程的彈性變形尤為重要，因此也有人狹義地稱為柔順性控制。此中以Whitney, Salisbury, Hogan,Kazarooni等人的工作具有代表性。并且Maples和Becker進(jìn)行了總結(jié)：這類力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時(shí)，這種力控制稱為剛度控制當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度修正量時(shí)，這種力控制稱為阻尼控制當(dāng)把力反饋信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時(shí)，即為阻抗控制。阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣K設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)修正矩陣似WX=K F，從力控角度，希望K陣中元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位控來(lái)看，希望K中元素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。從而也體現(xiàn)了機(jī)器人剛?cè)嵯酀?jì)要求的矛盾，這也給機(jī)器人力控制帶來(lái)了極大的困難。

柔順控制力/位混合控制

從具有代表性的Mason, Paul和Mills等人的研究可以看出力/位混合控制的提出有一個(gè)過(guò)程。

機(jī)器人力控制的最佳方案：以獨(dú)立的形式同時(shí)控制力和位置，理論上機(jī)器人力自由空間和位置自由空間是兩個(gè)互補(bǔ)正交子空間，在力自由空間進(jìn)行力控制，而在剩余的正交方向上進(jìn)行位置控制。此時(shí)的約束環(huán)境被當(dāng)作不變形的幾何問(wèn)題考慮，也有人狹義地稱為約束運(yùn)動(dòng)控制。

Mason于1979年最早提出同時(shí)非矛盾地控制力和位置的概念和關(guān)節(jié)柔順的思想，他的方法是對(duì)機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)根據(jù)具體任務(wù)要求分別獨(dú)立地進(jìn)行力控制和位置控制，明顯有一定局限性。1981年Raibert和Craig在Mason的基礎(chǔ)上提出了力/位混合控制，即通過(guò)雅可比矩陣將作業(yè)空間任意方向的力和位置分配到各個(gè)關(guān)節(jié)控制器上，可這種方法計(jì)算復(fù)雜。為此H. Zhang等人提出了把操作空間的位置環(huán)用等效的關(guān)節(jié)位置環(huán)代替的改進(jìn)方法。但必須根據(jù)精確的環(huán)境約束方程來(lái)實(shí)時(shí)確定雅可比矩陣并計(jì)算其坐標(biāo)系，要實(shí)時(shí)地用反映任務(wù)要求的選擇矩陣來(lái)決定力和位控方向?？傊?位混合控制理論明確但付諸實(shí)施難。下圖為力/位混合控制結(jié)構(gòu)。

柔順控制自適應(yīng)控制策略

力控制目的是為了有效控制力和位置。但機(jī)器人為多自由度、時(shí)變和強(qiáng)耦合的復(fù)雜體，系統(tǒng)本身的位姿隨時(shí)而變，加上外部環(huán)境存在極大的模糊性，有時(shí)無(wú)法確定。上述兩種策略廣義上屬于經(jīng)典控制的范疇，為力控制研究發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但從適用范圍和控制效果看仍有不足，更無(wú)法使其推廣應(yīng)用。機(jī)器人本身的多自由度和位姿的不確定性，力和位置強(qiáng)耦合的力控制特點(diǎn)，以及阻抗控制和力/位混合控制策略的局限性，決定了眾多學(xué)者進(jìn)行自適應(yīng)研究嘗試的必然性。具有代表性的是：Chung Jack G H , Leininger Gay G 直接在多任務(wù)坐標(biāo)系統(tǒng)中，用學(xué)習(xí)進(jìn)行重力、動(dòng)摩擦力和柔順?lè)醋饔昧ρa(bǔ)償，以插孔為目標(biāo)，進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)；KucTae-Yong, Lee Jin S , Park ByungHyun采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)的混合控制方法，進(jìn)行了約束運(yùn)動(dòng)控制嘗試，在逆動(dòng)力學(xué)求解、收斂性及抗干擾方面獲得滿意的效果。NicolettiGuy M 用Lyapunov穩(wěn)定理論，針對(duì)約束運(yùn)動(dòng)，對(duì)模型參考自適應(yīng)PID控制的穩(wěn)定性條件和判據(jù)進(jìn)行了研究。另外，針對(duì)機(jī)器人力控制特點(diǎn)眾多學(xué)者進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)力控制嘗試.從現(xiàn)有的成果來(lái)看，自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制大部分處于理論研究和仿真實(shí)現(xiàn)的水平，并沒(méi)有取得突破。

柔順控制智能控制新策略

上述3種控制策略，存在一個(gè)共同的建模難題.就機(jī)器人本身來(lái)講，時(shí)變、強(qiáng)耦合以及不確定性給機(jī)器人控制帶來(lái)了困難.再加上力反饋的輸入，更增加了建模的難度.從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，上述3種策略各有優(yōu)缺點(diǎn)但大多處于理論探索和仿真階段，無(wú)法尋找徹底解決機(jī)器人力控制問(wèn)題。另外機(jī)器人研究已進(jìn)入智能化階段，決定了機(jī)器人智能力控制策略出現(xiàn)的必然性。具有代表性的研究：Connolly Thomash.等將多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于力拉混合控制，根據(jù)檢測(cè)到的力和位置由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算選擇矩陣和人為約束，并進(jìn)行了插孔實(shí)驗(yàn)；日本的福田敏男等用4層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了神經(jīng)伺服控制器，進(jìn)行了細(xì)針刺紙實(shí)驗(yàn)，能將力控制到不穿破紙的極小范圍。此后不久，又將之用于碰撞試驗(yàn)，取得了一定的成果，但機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，針對(duì)性強(qiáng)，尚缺少普遍性；Xu Yangsheng等提出了主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順相結(jié)合的觀點(diǎn)，研制了相應(yīng)的機(jī)械腕，采用模糊控制的方法，實(shí)施插孔。從研究成果來(lái)看，智能控制仍處于起步階段，尚未形成獨(dú)立的控制策略，僅僅將智能控制原理如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)以往研究中無(wú)法解決的難題進(jìn)行新的嘗試，仍具有一定的局限性。

從機(jī)器人力控制的特點(diǎn)來(lái)看，它是在模擬人的力感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制，因而智能控制具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。有人詳細(xì)分析了各種各樣的研究方法，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能“力/位并環(huán)”的控制策略。

智能力拉并環(huán)控制結(jié)構(gòu)的基本原理如圖所示。將力控制大系統(tǒng)分解成子系統(tǒng)，將力拉并行輸入，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合，輸出為位置量。這樣，并不改動(dòng)機(jī)器人的位置伺服系統(tǒng)，可以充分利用原機(jī)器人的優(yōu)良位置控制性能。另外還有其他特點(diǎn)：

1)它既具有阻抗控制的優(yōu)點(diǎn)又具有力/位混合控制的特點(diǎn)；

2)具有聯(lián)想記憶的功能，容錯(cuò)、糾錯(cuò)、自學(xué)習(xí)和自組織為此一大特色。尤其，該策略的學(xué)習(xí)功能明顯優(yōu)于自適應(yīng)學(xué)習(xí)；

3)擁有知識(shí)庫(kù)一一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各神經(jīng)元之間的聯(lián)接權(quán)值.能根據(jù)輸入力和位置的模糊劃分，自行進(jìn)行匹配，選擇相應(yīng)的權(quán)值；

4)無(wú)須進(jìn)行建模，適用范圍廣，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

控制策略標(biāo)準(zhǔn)（Control Performance Standard，CPS）

目前我國(guó)許多互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域聯(lián)絡(luò)線控制中通常采用的是傳統(tǒng)的A1、A2控制策略。其中A1要求ACE（Area Control Error）每10min過(guò)零一次，因此機(jī)組調(diào)節(jié)頻繁。在系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，有些電廠由于調(diào)速器的一次調(diào)頻作用自動(dòng)增、減出力而受到不合理的考核，從而降低了ACE的偏差控制有利于系統(tǒng)頻率恢復(fù)的作用。

隨著研究的深入，逐步推出了新的更有效、更科學(xué)的聯(lián)絡(luò)線控制模式。北美電氣可靠性委員會(huì)（NERC）在1996年推出了適應(yīng)于互聯(lián)電網(wǎng)AGC控制的CPS。CPS是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法導(dǎo)出的。美國(guó)從1998年初開始采用CPS，實(shí)現(xiàn)控制區(qū)域內(nèi)機(jī)組的最優(yōu)控制，同時(shí)調(diào)整電網(wǎng)頻率，對(duì)事故頻率的恢復(fù)起到了良好效果，減少了控制區(qū)內(nèi)機(jī)組調(diào)整的頻度，充分發(fā)揮了互聯(lián)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。