基于在线搜索控制器的感应电机效率优化毕业论文

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1、南京工业大学本科生毕业设计（论文） 毕业设计(论文) 课题名称基于在线搜索控制器的感应电机效率优化院 (系)专 业自动化姓 名学 号起讫日期指导教师I基于在线搜索控制器的感应电机效率优化摘 要感应电机变频驱动系统效率优化控制已经引起国内外学者的广泛关注，现有的方法大致可分为四类：基于简单状态变量的效率优化控制（SSC），基于搜索法的效率优化控制（SC）,基于电机损耗模型的效率优化控制（LMC），以及结合以上几种方法特点的混合优化控制（HC）。上述上述效率优化策略各具特色，但是不管哪一种方法，其本质都是采用在轻载时降低电机磁通水平以减小铁心损耗的方法实现效率的提升。为了减小损耗本文采用在线搜索控

2、制的方法来实现效率的最优。目前在线搜索的方法分为三类。一混合在线式直流最小功率模糊搜索效率优化控制算法（FLSC）,二黄金分割法，三梯度法。“黄金分割法”的收敛速度较快，但其磁链的波动程度仍较大，因此本文采用单调递减法来实现效率最优化。单调递减法在线搜索最小输入功率运行点，依据这一事实，即输入功率是定子磁链的凹函数，存在一个全局最优点。算法沿着输入功率减小的方向逐渐增加或减少定子磁链，确定最优点可能存在的区间，然后改变步长搜索直至满足终止条件，便达到最优点。这种方法兼有收敛速度快和对参数变化鲁棒行强的优点，是一种颇具发展前途的感应电机效率优化控制策略。仿真结果证明这种方法具有算法简单、对电机参

3、数变化鲁棒性强的优点，很好的提高电机运行效率。关键词： 感应电机 直接转矩控制 在线搜索 仿真Loss Minimization in Scalar-Controlled Induction Motor Drives with Search ControllersAbstractInduction motor variable frequency drive system efficiency optimization control has attracted wide attention from scholars, Existing methods can be divided into

4、 four categories: efficiency based on a simple state variable optimal control (SSC), the efficiency of search-based optimal control method (SC), the efficiency loss model based on optimization of motor control (LMC), and with more than a few Ways characteristic mixture of optimal control (HC). The e

5、fficiency of the optimization strategies with different features, but no matter which method, and its essence is used at light loads, reducing the level of the motor flux method to reduce the core losses to achieve efficiency gains.To reduce the loss of this control method using online search to ach

6、ieve the optimal efficiency. The current method of online search into three categories. The first hybrid DC minimum power line efficiency optimization control algorithms for fuzzy search (FLSC), the second golden section method, and the third gradient method. Golden Section of the convergence speed,

7、 but the volatility of the flux is still large, the gradient method used to achieve this efficiency optimization. Gradient Method to search for using the minimum input power operating point, based on the fact that the input power is the stator flux of the concave function, there is a global optimum.

8、 Algorithm along the direction of the input power decreases gradually increase or decrease the stator flux, determine the most advantage of the possible range, then change the search step until a terminating condition, we will achieve the most benefits .This method is both fast convergence and robus

9、tness of the parameters of the advantages of strong lines, is a quite promising strategy for induction motor efficiency optimization control. Simulation and experimental results show that this method not only has the loss model controller optimization speed advantages, but also has the search parame

10、ters of the robust controller of the advantages of strong lines, is the speed control system for induction of electrical engineering to attract the minimum loss of control rather Force method.Key words: induction motor; direct torque control; search control; simulation显示对应的拉丁字符的拼音III目录基于在线搜索控制器的感应电机

11、效率优化2摘 要2Abstract3第一章 绪论61.1课题研究的目的及意义61.2感应电机效率优化研究的现状91.3 主要工作及章节安排12第二章 直接转矩控制的基本原理122.1感应电机的数学模型122.2定子电压矢量的作用与定子磁链轨迹142.3开关电压矢量的合理选择172.4.1开关电压矢量查询表182.4直接转矩控制系统结构图192.5本章小结20第三章 在线搜索控制效率优化的方法213.1单调递减法213.2梯度法223.3黄金分割法243.4 本章小节26第四章 在线搜索效率优化Matlab仿真274.1 基于Matlab的直接转矩控制的建模274.1.1仿真平台的概述274.1

12、.2 MATLAB/SIMULINK及其Power System Blockset 工具箱简介284.2感应电机直接转矩控制仿真模块的建立294.2.1感应电机直接转矩控制系统的仿真模型294.2.2考虑铁损感应电机的模块294.2.3 3/2电流和电压仿真模型314.2.4定子磁链仿真模型324.2.5速度控制仿真模型334.2.6单调递减法效率优化模型334.3单调递减搜索法的仿真结果及分析344.3.1仿真结果344.3.2仿真分析374.4本章小结38第五章 结 语39参考文献40致谢42V第一章 绪论1.1课题研究的目的及意义感应电机具有体积小、重量轻、成本低、坚固耐用、免维护等优点

13、，是电动汽车驱动电机极具竞争力的选择。23作为响应迅速、控制精度的主流高性能调速方案，按磁场定向的矢量控制策略在汽车点驱动系统中以得到广泛的应用。然而，对于电动汽车、空间电驱动装置等运动控制系统来说，除要求上述高控制性能外，还必须极大限度地提高驱动系统的效率，有效地利用有限的能量。然而，标准矢量控制存在轻载低效的缺陷，使其在此类场合中的应用遇到新的挑战。感应电机效率优化控制已经引起国内外学者的广泛关注，现有的方法大致分为四类1：基于简单状态变量的效率优化控制（SSC），基于搜索法的效率优化控制（SC），基于电机损耗模型的效率优化控制（LMC），以及结合以上几种方法特点的混合优化控制（HC）。上

14、述效率优化策略各具特色，但是不管是哪一种方法，其本质都是采用在轻载时降低电机磁通水平以减小铁芯损耗的方法来实现效率的提升。磁通水平的降低不可避免地带来转矩输出能力的减弱，进而使矢量控制的响应速度大打折扣，必须采取一定措施改善其动态性能。目前已有的效率优化及快速动态响应算法的文献中，对感应电机运行于恒转矩区，即基频以下的情形分析较多，一般在稳态时利用优化算法提高效率，进入动态过程即退出优化，采取某种方法实现转矩的快速提升以改善动态响应的速度。然而，许多运动控制系统在高速下仍然期望有较高的动态响应速度，如电动汽车在高速公路上的超车加速时间就是评价其动力性能的重要指标。恒转矩区常采用的磁通恢复额定、

15、定子电流动态分配等方法，因受运行条件及电压限制等因素而无法直接扩展到高速区。目前，基频以上的研究集中在最大转矩输出能力上，主要是对标准矢量控制的弱磁策略的分析和改进，得到的结论基本都是基于稳态分析的，未对电机转矩响应能力进行探讨。本文主要采用在线搜索控制来实现效率最优化。感应电机在电动汽车驱动中得到了广泛的应用。1.2感应电机效率优化研究的现状随着经济的发展，用电量不断提高，对各种电设备的效率要求也越来越高，电动机在现代工业中起着基础作用，是工农业生产和日常生活中耗电量做多的一种电气设备。据资料统计，三相感应电机拖动着90%以上以电为能源的运动机械。因此，研究电动机特别是感应电机的节能措施，提

16、高其运行效率，对节约能源有着重要的现实意义。理论和实践以证明电动机的效率与负载率密切相关。在实运行中，由于电动机产品容量的不连续性、安全系数选择过高等因素，使电动机的额定功率总是超过最大可能的峰值负载功率约30%，而负载峰值所持续的时间又往往远小于总运行时间。因此，在实际生产中绝大部分的电动机处于轻载运行状态，“大马拉小车”的现象十分普遍。许多负载如压缩机、真空机械等，一旦压力达到规定值后，电动机只需提供很小的机械功率即能维持。而排风扇和水泵在不同时间和季节，要求不同的风量或水量，故电动机轻载运行的时间也往往占它运行寿命的大部分。在额定负载附近运行时感应电机的效率较高，如对于额定功率为175K

17、W的电机，额定工作点的效率在7696.3%之间。但轻载时，尤其是负载率低于20% 的情况下，由于有功电流很小，而无功电流不变、励磁损耗不变，因此，电机效率明显下降，甚至会降至20%以下。在这些情况下，不可能通过改进波形与电机的设计来优化效率。不同负载和转速条件下电机的效率有很大的差异，在远离额定工作点时电机的效率下降较为严重。21因此，变频器供电的效率依然有很大的改进空间，在降低电动机自身损耗，提高电动机自身的效率方面仍有很大的潜力。目前研究感应电机的效率优化存在以下几种方法：（1）模型损耗控制器（LMC）10 损耗模型控制方法就是建立异步电动机的损耗模型（对于大功率场合可能会包含逆变器的损耗

18、模型），解析地求出总损耗最小点。对于矢量控制的感应电机来说，由于稳态时励磁电流和转矩电流是解耦的，因而磁通和转矩的控制彼此独立，LMC的嵌入非常容易。基于损耗模型的矢量控制变频调速感应电机的效率优化最早由Lorez和Yang研究，并证明了在电机运行的动态过程中通过选择最优磁通可以明显降低损耗。Garcia和Kioskcridis等将这一问题简化并分别得出了在矢量控制和标量控制条件下求最优磁通的解析方程。Abrahamsent等研究了适用于矢量控制和开环标量控制的效率优化策略。 依据损耗模型来优化变频调速系统效率的方法其效率是全局最优的，这种方法的优点在于最优磁链直接由计算得到，控制速度快，但需

19、要电机模型和参数的信息，因此建立一个可靠、正确的损耗模型对于系统的优化性能是至关重要的，由于温度和饱和效应的影响，电机模型的参数在不同工况下变化明显，特别是PWM 变频驱动的感应电机是在非正弦波电压供电下运行。电机气隙中存在的谐波励磁电流产生大量谐波磁场，不可避免地增加了电机定子电机铁损，因此这种方法的控制精度受到电机参数变化和模型准确度的影响。（2）在线搜索控制器（SC）11 以搜索法为基础的在线效率优化控制十分引人注意，这种控制不需要知道电机任何参数，而且算法对于任意电机都广泛适用。搜索控制策略是在电机输出功率不变的前提下通过在线搜索的方式使输入功率最小，实现效率优化。Kirschen 等

20、针对矢量控制系统以小步长减小磁链，直至达到最优，这种方法能够得到最优磁链，但是收敛速度较慢，特别是当最优磁链远离额定磁链的时候；Sul和Famour通过在线搜索最优转差频率，直至输入功率最小，然后将最优转差频率以表格形式存于内存实时运行时通过查表使实际转差频率跟踪最优值；Moreira等则提出通用型变频调速系统利用定子相电压三次谐波分量定理的SC；何光东提出基于斐波那契数列的寻优方法，并采用前馈算法来补偿寻优过程中因磁链变化引起的转矩损失，使转矩保持恒定，这种控制方法不依赖电机参数且全局有意义，但其时间步长受到电机时间常数的限制，因此到达最优工作点所需要的搜索时间较长。 最近日本学者Minh

21、和Yoichi采用“黄金分割法”将寻优算法的收敛时间减少至2s以内，但总的来说这种方法的动态收敛速度还不能令人满意，尤其不适用于负载变化快的调速系统，因为这时寻优时间过长，节能效果变差，反而会引起系统控制性能下降。（3）基于混沌优化的多变量自抗绕控制18 混沌是一种普遍的非线性现象，混沌运动具有对初值的高度敏感性运动轨迹的遍历性和随机性等特点，它不能在一定的范围内按自身的规律遍历每一个轨迹，既不自我重复又不自我交叉。搜索过程完全按照混沌运动自身的规律进行，更容易跳出局部最优点。搜索效率高，计算速度快，将变尺度混沌优化策略应用到ADRC参数的优化中，在得到ADRC参数的次优解基础上，利用变尺度优

22、化搜索次优值附近的全局最优解，避免了时间上的浪费，且在设计变量的取值区间得到了全局最优解。采用Logistic 映射产生混沌变量： （1.1）其中，当时，系统处于混沌状态，它能不重复地遍历（0，1）区间的任意状态。利用混沌变量对初值的敏感性赋予式（1）为若干微小差异的初值（不能映射的不动点：0.25，0.5，0.75），即可得到不同的轨迹的混沌变量。 混沌优化方法对目标函数的性能没有特殊要求，但对自抗控制参数进行优化时，目标函数必须与系统的性能指标密切相关，对运动控制系统而言，取时域性能指标：超调量、调节时间、稳态误差或它们的组合。20首先，在优化ADRC参数时将混沌变量引人到ADRC参数的寻

23、优方式中，找出满足系统稳定性条件和目标函数最小原则的一组参数作为ADRC参数的次优解，然后利用变尺度优化算法再次进行混沌变量的局部搜索找出全局最优或接近最优的ADRC控制参数，对一个控制系统而言，满足稳定性是最首要的条件，应该保证满足目标函数取得最小值的某一组参数对控制系统是稳定的，为便识别某组参数是否使闭环系统发散在设定值附近设定一个可行的区间，只要系统的输出超出该区间，则舍弃这组参数重新搜索。1.3 主要工作及章节安排 感应电机以其坚固耐用结构简单便于维修等优点在工业生产中得到了广泛的应用，其总用电量占全国工业用电量60%以上，随着能源危机和环境要求的日益高涨，感应的效率优化控制研究引起了

24、广泛的关注，但大多数的研究是基于稳态的，而且取得了一些研究成果。（1） 本文首先简单回顾了感应电机及其控制技术的发展及应用状况。（2） 介绍感应电机直接转矩控制技术及数学模型以便于更好的了解其性能为下一章作准备。（3） 目前在线搜索控制器效率优化的方法有单调递减法、黄金分割法、梯度法等本文主要采用单调递减法。（4） 主要介绍各仿真模块组成及各个模块的功能，并进行仿真对结果进行分析。（5） 对本文工作的总结，并展望进一步研究方向。35第二章 直接转矩控制的基本原理2.1感应电机的数学模型感应电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强耦合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论

25、感应电机的数学模型前假设电机有如下特性：（1） 电机三相定、转子绕组完全对称。（2） 电机定、转子表面光滑，无齿槽效应。（3） 电机气隙磁动势在空间正弦分布。（4） 铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。在满足上述理想电机假设条件下，经推导可得感应电机在静止坐标系下的数学模型。对于分析直接转矩控制系统，采用矢量的数学模型分析方法，以定子磁链定向，建立在静止d-q正交定子坐标系下，图2-1（a）是异步电机的等效电路。5图2.1（a）异步电机空间矢量等效电路图电磁转矩可为： （2.1） 式中，是定子磁链空间矢量；是定子电流空间矢量。两者都是以定子三相轴系表示的矢量。 同样，在定子三相轴系中定子磁链和转

26、子磁链空间矢量都可表示为： （2.2） （2.3）由式（2.3）可得： （2.4） 将式（2.4）代入（2.2），可将定子电流空间矢量表示为： （2.5）式中，为定子瞬态电感，。 将（2.5）代入（2.1）可得： （2.6）式中，和分别是定子磁链和转子磁链矢量相对与A轴的空间电角度；是两者间的空间电角度，称其为负载角。式（2.6）表明，电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的矢量积，即决定于两者幅值和期间的空间电角度。若和保持不变则由式（2.6）可得： 通常，在稳态情况下，的值较小，显然对电磁转矩的调节和控制作用是明显的。在动态控制中，只要控制的响应时间比较子时间常数快得多，那么在这短暂的过

27、程中就可以认为转子磁链矢量是不变的，进而只要保持定子磁链的幅值不变，通过改变就可以迅速地改变和控制电磁转矩这就是感应电机直接转矩。22.2定子电压矢量的作用与定子磁链轨迹当存在定子电压矢量作用下，定子磁链矢量的幅值和相位放生变化，如果忽略定子电阻的影响，则两者具有微分关系。如果逆变器开关顺序按001，110，101的状态一次变化，每次变化的间隔时间相同，就可得到如图2-2（a）所示的六个以步进形式输出的电压矢量，. ，这六个电压矢量的一次作用下，定子磁链矢量的变化轨迹为一正六边形如图2-1（b）。图中的虚线轨迹表示计及了定子电阻影响后，定子磁链矢量的实际轨迹。图2-2（a）逆变器开关电压矢量假

28、如定子磁链矢量的初始值,那么在定子电压矢量（100）作用下，定子磁链矢量一定沿着的轨迹变化，因为的方向要与一致，变化的速率则等于，当运动到N的位置时，（100）转化为（110），在（110）作用下，将沿着的轨迹变化，一次下去，便得到正六边形的运动轨迹MNPQRS。13图2-2（b）定子磁链轨迹但是，由图2-2（b）可以看出，定子磁链矢量的幅值不是恒定的，七仔正六边形的拐点处达到最大值，当运动到与正六边形某条边垂直的位置时幅值最小。由矢量在三相绕组ABC轴线上的投影可得到链过每相绕组的磁链值。显然，每相绕组的磁链值不会是时间的正弦函数。由定子每相磁链变化可知，定子每相电流波形将是非正弦的。13式

29、（2.6）表明希望的幅值能基本保持恒定，这样将有利于转矩的控制和减小脉动，并是定子每相磁通基本按正弦规律变化。为此，希望定子磁链矢量的运行轨迹为圆行。定子磁链空间矢量的运动轨迹决定于定子电压空间矢量的选择。反之，根据希望或设定的定子磁链矢量的运行轨迹，可以选择合适的定子电压空间矢量来予以实现。这就需要对定子电压空间矢量进行调制，以获得正弦分布的定子磁场。在直接转矩控制中，通常设定的参考值（指令值），的运行轨迹为一圆形，如图2-2（c）然后对采取滞环控制。图2-2（c）圆形轨迹与矢量控制中对定子电流的滞环控制一样需要始终将的幅值控制在滞环的上下带宽内，滞环的总带宽为，其上限值为，下限值为。然后，

30、将空间复平面分成六个区间，对照图2-2（c）和图2-2（a）可以看出，每个区间的范围是以定子电压矢量空间为中线，各向前后扩展了电角度，因此区间的跨度是电角度，区间的序号K=1,2,36与定子电压空间矢量的序号相同，例如区间（1）就是在所在的区间。14由图2-2（c）可知，如果定子磁链矢量位于第K个区间，那么可以选择定子电压矢量、使其幅值增大，也可以选择，使其幅值减小，下标括号内“+”表示往前旋（逆时针），“-”表示往后旋（顺时针），亦即，若使的幅值增大，应选择所在区间和相邻两个区间内的定子电压矢量，因为这些电压矢量的作用方向都是转子圆心向外；若使的幅值减小，应选择另外三个电压矢量，因为这些电压

31、矢量的作用方向是由外指向圆心。例如定子磁链矢量若在区间（1）内，可选择，和使其幅值增大，还可选择，和使其幅值减小。除了六个电压矢量外，还可以选择零电压矢量和，当选择零电压矢量时，定子磁链矢量的变化率为零（因定子电阻的影响还要有些变化），以后统一称电压矢量为开关电压矢量。62.3开关电压矢量的合理选择如图2-1（d）给出了定子磁链矢量轨迹在区间（1）的情形，在次区间内选择和是不合适的，因为会使幅值急剧变化，而难以将其控制在滞环带宽内，可选择的电压矢量有以及。由每个电压矢量在定子磁链矢量运动轨迹径向和切向方向的投影可以判断出改开关电压矢量对磁链和转矩所起的作用。前四个开关电压矢量对磁链和转矩的作用

32、分别用和来表示，下表“+”号表示增加，“”号表示减小。于是可根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号来合理选择其中的开关电压矢量。对于其它区间可做出同样的合理选择。表1给出了六个区间的开关电压矢量查询表，其中（1），（2）（6）来表示区间。2.4.1开关电压矢量查询表123456110-1-110-1表中的正负是根据滞环比较器的数字输出来确定的，即有：若，则输出为1，取1。若，则输出为0，取1。表中，符号由转矩滞环比较器的三个输出信号来确定，当需要定子磁链矢量向前旋转时，即有：若，则输出为1， 取1。若，则输出为0，取0。当需要定子磁链矢量向后旋转时，即有：若，则输出为-1 ，取-1。若，则输出为0

33、，取0。同定子磁链矢量控制不同的是，电磁转矩控制中采用了零电压矢量，主要是为了减小转矩脉动。如图2.4.1所示当电磁转矩实际值达到滞环比较器下限值后，即，选择合适的开关电压矢量使定子磁链矢量向前快速旋转，电磁转矩随之增大，当转矩由图2.4.1中A点升高到时，开始采用零电压矢量，此时转矩不会即刻停止变化。当时，零电压矢量仍要起作用，在它的作用下可使转矩变化放缓。反之当电磁转矩达到上限值后，即，在选择合适开关电压矢量迫使转矩下降的过程中也采用了零电压矢量。可以看出零电压矢量能够“缓和”电磁转矩的急剧变化。通过利用零电压矢量的这种作用，来进一步对开关电压矢量的选择进行优化，可以次来减小电磁转矩的脉动

34、。15 图2.3-1零电压矢量2.4直接转矩控制系统结构图图2-4为感应电机直接转矩系统原理框图。图中电压源逆变器能提供8个开关电压矢量，将定子磁链实际值与给定值比较后的差值输入磁链滞环比较器，同时将转矩实际值与给定值比较后的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，通过查表，可以选择到合适的开关电压矢量。但在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息，图中的表示的是扇区顺序号。9图2-4感应电机直接转矩系统原理框图根据定子三相电压和电流的检测值可估计出定子磁链矢量的幅值和相位，同时给出转矩值。图中，仅给出了速度控制环节，也可在此基础上构成位置系统。作为速度控制系统，还可以进行弱磁控制。滞

35、环控制属于Bang-Bang控制，滞环控制器相当于两点式调节器，也可看成是具有高增益的P调节器，虽然能使磁链和转矩快速调节，但是磁链和转矩不可避免地会产生脉动，若使脉动减小，可以减小滞环比较器带宽，但会增大逆变器的开关频率和开关损耗，降低了运行效率，也提高了对电子开关的技术要求。2.5本章小结 本章首先介绍了感应电机的数学模型，然后从定子电压矢量的作用与定子磁链轨迹、开关电压表的选择等方面介绍直接转矩运行的原理，最后介绍了直接转矩控制系统原理框图，为下章节作好准备。第三章 在线搜索控制效率优化的方法3.1单调递减法 在忽略逆变器损耗的前提上，异步电机直接转矩控制系统的输入功率实际上就是电机运行

36、时消耗的功率。电机的输入功率可以表示为2： (3.1)图3-1 单调递减搜索法流程图单调递减搜索法是将给定定子磁链逐步减小，相应的检测异步电机驱动系统的输入功率，当输入功率呈现上升趋势的时候，停止磁链递减，并将上一步的磁链值作为最终的磁链。其流程图如图3.1所示。在仿真系统中定子磁链给定由0.8Wb开始，选择一定的步长逐步缩减到事先设定的。假设整个搜索过程预计在时间T完成，搜索的每一步所用时间为，那么磁链递减的步长应该是。流程图中的为一个储存上一步磁链幅值的中间变量。3.2梯度法 对于电机最小损耗控制问题，利用梯度法在线搜索最小输入功率运行点，依据这样一个事实，即输入功率是定子磁链的凹函数，存

37、在一个全局最优点，算法沿着输入功率减小的方向逐渐增加、减小定子磁链确定出最优点可能存在的区间，然后改变步长搜索直至满足终止条件便达到最优点。如图1.4(c)为矢量控制电机输入功率与定子磁链的近似关系曲线控制磁链从给定值开始按某步长逐渐减小，同时检测输入功率值，分别定义与为相邻搜索点1、2和2、3的梯度（即倒数方向），与的计算公式为： （3.2） （3.3）式中、分别是1、2、3点的输入功率；、分别是1、2、3对应的定子磁链。当与的符号不同，即相邻两点的梯度方向相反时，则说明最优点存在于，之间，于是改变搜索方向和步长，继续搜索直至达到终止条件。图3-2（c）为梯度法原理图终止条如下：（a） 确定

38、搜索方向，从额定磁链开始按步长减小，若0且0,则按照磁链减小的方向继续搜索；若0且0，则按照磁链增大的方向搜索；若则转（b）。（b） 计算新的插入点4对应的及； （3.4） （3.5）（C）检验和的符号相同，转（e）否则转（d）。（d）用点1，2，3分别代替点2，4，3，重新计算和，转(b)。（e）用点1，4，3分别代替1，2，4，按式（e）重新计算，再计算，转（c）。 （3.6）终止条件：如果，停止搜索，并令为最优磁链给定。3.3黄金分割法合理选择搜索步长是基于梯度法的在线搜索控制算法的关键问题，若搜索区间和搜索步长设置不合适，则导致收敛时间长，或引起磁链和转矩的脉动。那么怎样选择搜索步长才

39、能有效地减少搜索次数和缩短搜索时间呢？黄金分割法为此提供了一个很好的思路。黄金分割法适用于a,b区间上的任何单谷函数求极小点的问题。它对函数除“单谷”外不作其它要求，甚至可以不连续。单谷函数（如图3-3(a)所示）有一条很重要的性质利用这个性质可以把搜索区间迅速缩小，从而求得函数的最小值。图3-3（a）单谷函数性质：设a,b是单谷函数极小点的一个搜索区间，在a,b上任取两点，且，若则a, 是极小点的一个搜索区间；若则,b是极小点的一个搜索区间。黄金分割法的基本思想是：在搜索区间a,b内适当插入两点，它们把a,b分为三段，通过比较这两点的函数值并根据单谷函数的性质就可以删去最左段或最右段这样迭代

40、一次，然后在保留下来的区间上作同样的处理，如次迭代下去可将搜索区间无限缩小。但是如何寻找这两个插入点的位置才能使得在函数值计算的条件下区间缩短地最快呢？分析如下：设区间a,b的长为1，在与a相距分别为和的点处插入，为确定和提出了一些条件：a)希望和两点在a,b中的位置是对称的，这样无论删去那一段总是保留长度为的区间如图3-3(b)所示， 图3-3（b）于是： (3.7)b)无论删掉那一段，例如删掉,b在保留下来的区间来再插入一个点使得、在a,b中的位置与、在a,b中的位置相同的比例，这样就可以保证每次迭代都以同一比率缩短区间，由可得： （3.8）将（3.7）带入（3.8）可以得到关于的一元二次

41、方程，解得因此按0.618的比率分割线段的方法被成为黄“金分割”，一次上面缩短搜索区间的迭代方法也成为黄金分割法或迭代法。18 3.4 本章小节本章主要介绍单调递减法、梯度法和黄金分割法的原理，它们都是通过在线搜索的方式获得最优磁链值，使输入功率达到最小，实现效率最优控制。本文采用单调递减法来实现感应电机直接转矩控制的效率优化。第四章 在线搜索效率优化Matlab仿真4.1 基于Matlab的直接转矩控制的建模4.1.1仿真平台的概述随着计算机技术的发展，仿真已成为科技工作者广为采用的手段。仿真软件的迅速发展，使得各个学科的研究工作者从大量、繁琐的数学计算中解脱出来，减轻了计算的工作量，缩短了

42、开发时间，同时极大地改善了仿真的精度和效果。九十年代以来，国外开发了大量的仿真软件，美国MathWorks公司推出的MATLAB软件是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体，编程效率极高，同时也是一个十分出色的模块仿真工具。24MATLAB提供的图形界面仿真工具SIMULINK，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，不仅界面友好，而且支持灵活的模型描述手段。启用时只需要从模块库中拖出相应的模块，经有机的组合即可实现系统仿真。SIMULINK包含有连续模块组（Continuous）、离散模块组（Discrete）、函数与表模块组

43、（Function&Tables）、数学运算模块组（Math）、非线性系统模块组（Nonliner）、信号与系统模块组（Signals&Systems）、输出模块组（Sinks）、输入源模块组（Sources）等子模型库，也可以根据需要混合使用各库中的功能模块，封装出自己的系统模块，实现全图形化仿真。MATLAB5.2以上版本提供了电力系统仿真模块库，可以从SIMULINK模块浏览窗口直接启动。其功能非常的强大，包括电源（Electrical sources）、元件（Elements）、电力电子（Power Electronics）、电机系统（Machines）、连接器（Connectors）

44、、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模型的绘制。24具体到永磁同步电机伺服系统的设计，仿真工作可以确定PI参数的大致范围，保证电机数学模型与坐标变换的正确对应，从而在实验阶段少走弯路，缩短整个系统的开发时间。本文所有的仿真均采用MATLAB/SIMULINK仿真工具作为平台。4.1.2 MATLAB/SIMULINK及其Power System Blockset 工具箱简介MATLAB是Mathworks公司开发的用于数学计算的土具软件。它具有强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境SIMULINK。SIMULINK可以对通信系统、非线

45、性控制、电力系统等进衄淰入的建模、任真和研究。SIMUuNK由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分组成。26用户进行仿真时很少需要写程序，只需要用鼠标完成拖拉笉简单的操作，就可以形象地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研穖27。SJMULINK仿真工具箱还包括了专门用于电力电子、电气传动学科进行仿真的电气系统模块库 (PowerSysteeBlockset)。电气系统模块库包括以下六个子模块库组成: 25(1) 电源模块:包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。(2) 基本元件模块库:包括串联RCL负载、并联RCL负载、性变压器、饱和变压、亐感器、断路

46、器，N相分布参数纯路、单相二型集中参数传输线路和浪涄放电器等。(3) 电力电子模块亓:包括二极管、晶闸管，GTO，MOS死T和理想开关等。为满足小同的仿真要求并提高仿真速度还有晶闸管简化模型。(4) 电机模块库:包括激磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同电加朚及其简化模型和永磁同步电动机等。(5) 连接模块库:包括地和中性点和母线(公共点)等。(6) 测量模块库:包括电流测量和电压测量模块。(7) 附加电气系统模块库:包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器、同步脉冲发生器亥及三相库等。在以上模块亓的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库

47、中去。4.2感应电机直接转矩控制仿真模块的建立4.2.1感应电机直接转矩控制系统的仿真模型图4-1感应电机直接转矩控制系统的仿真模型该仿真系统使用了考虑铁损感应电机的仿真模型、3/2电流和电压仿真模型、定子磁链仿真模型、速度控制仿真模型、单调递减法效率优化模型。以下是介绍主要模块的组成及功能。4.2.2考虑铁损感应电机的模块在二相静止坐标系下，考虑铁损的感应电机动态数学模型。在此数学模型基础上，使用常规Simulink模块建立了考虑铁损的感应电机仿真模型。图4-2（a）为考虑铁损感应电机的封装图，图4-2（b）为考虑铁损感应电机的仿真模块图。10图4-2（a）考虑铁损感应电机的封装图图4-2（

48、b）考虑铁损感应电机的仿真模块图4.2.3 3/2电流和电压仿真模型4.2（c）3/2电流仿真模块图4.2（d）3/2电压仿真模块坐标变换包括静止三相ABC坐标系统下的三相定子电压，到静止两相dq坐标系统下的两相定子电压，的等效变换。10（1）电压的变化为： (4.1)（2）电流的变化为： (4.2)4.2.4定子磁链仿真模型定子磁链观测器模型使用U-I模型，即用定子电压和电流来确定定子磁链，和，分别是定子在静止两相坐标系下的电压和电流幅值。和为静止两相坐标系下对应的定子磁通分量，对应的定子磁链观测模型如下：图4-2（e）定子磁链的仿真模块4.2.5速度控制仿真模型图4-2（f）速度控制模块从

49、此模块可得知，给定的转速经过限流器再取绝对值，然后查表得到磁链设定值。给定的转速与实测得的转速的差值，经过PI调节器得到符合直接转矩控制的转矩设定值。积分器采用模块库中的时间积分器构建。Kp与Ki分别为比例增益系数和积分增益系数，调节器输出的转矩由Saturation环节来限定幅值。4.2.6单调递减法效率优化模型图为单调递减法效率优化仿真模型。单调递减搜索法是将给定定子磁链逐步减小，相应的检测异步电机驱动系统的输入功率，当输入功率呈现上升趋势的时候，停止磁链递减，并将上一步的磁链值作为最终的磁链。在仿真系统中定子磁链给定由0.8Wb开始，选择一定的步长逐步缩减到事先设定的。假设整个搜索过程预

50、计在时间T完成，搜索的每一步所用时间为，那么磁链递减的步长应该是。图4-2(g) 单调递减法效率优化仿真模型4.3单调递减搜索法的仿真结果及分析4.3.1仿真结果将效率优化控制策略应用于感应电机直接转矩控制系统，电机的参数：额定功率1.1kw，电机极对数2，定子电阻1.115，转子电阻1.083,铁损等效电阻106.53，定子漏感0.0060H,转子漏感0.0060H，互感0.2037H,转动惯量0.02 kgm2。采用基于滞环和开关逻辑表典型直接转矩控制，其中定子磁链估计采用电压-电流模型，速度调节采用PI控制器(Kp=5，Ki=0.1)，转矩滞环带宽Tb=0.2Nm，磁链滞环带宽b= 0.

51、1Wb，设定磁链最小值min= 0.35Wb，时间步长Tstep=0.2s，时间T=1s。对系统运行仿真，通过示波器观察各变量的变化。图4-3为单调递减搜索法的仿真结果，（a）（e）依次为定子磁链轨迹、电机转速、电磁转矩、定子磁链幅值、电机损耗。 （a）定子磁链轨迹（b）电机转速 （c）电磁转矩（d）定子磁链幅值（e）电机损耗图4-3 单调递减搜索法的仿真结果4.3.2仿真分析图4-3为单调递减搜索法稳态运行的仿真结果，电机带动负载转矩1N.m启动，转速为700r/min，当t=0.4s时负载转矩变为3N.m。在t=0.6s时启动效率优化算法，在t=0.6s时启动搜索控制器后，系统进行了5步寻

52、优（1秒），最终达到效率最优，优化前后定子磁链从0.8Wb由下降为0.41Wb，电机损耗由152下降为66，效率由59.5%上升为73.8%。在整个搜索控制过程中，电机转速保持不变，定子磁链波动较大。文中介绍了MATLAB7.1环境下搭建的直接转矩控制系统，经理论分析及仿真结果研究，可以得到如下三个结论：1）所搭建的系统稳定，转速、转矩等波形符合理论分析，具有比较好的动态和静态性能。2) 根据感应电机数学模型和所设计的直接转矩控制系统模型，通过设计合理的搜索方法，在搜索的过程中保证系统的稳定性。3）仿真结果表明，单调递减法搜索控制器算法简单，能够有效提高感应电机直接转矩控制系统的运行效率，且不

53、受电机参数变化的影响，其最大缺点是收敛时间较长，一般不适合需要频繁改变电机运行状态的应用场合，有待改进。4.4本章小结本章阐述了仿真平台和Matlab/Sinmulink及其Power System Block工具箱的介绍，在此基础上分析了感应电机的建模与仿真；以及对感应电机各个模块的具体介绍，而且具体阐述了各模块的组成及用途。对感应电机直接转矩控制的仿真做了详细的介绍。第五章 结 语本文首先介绍了感应电机效率优化的现状及发展趋势，详细地说明了直接转矩控制的基本原理，该技术必须借助于坐标变换的方法实现，文中给出了三相abc坐标系到dq变换。建立了考虑铁损感应电机的数学模型，同时讨论了感应电机的

54、直接转矩控制方法，给出了系统框图。利用MATLAB/SIMULINK 工具箱建立坐标变换模块，以及效率优化等重要模块，对这些模块进行整合，得到感应电机控制的仿真模型。仿真结果和实际理论推导的结果相一致。总结全文所做的工作如下：（1）推导了感应电机的直接转矩控制技术主要包括感应电动机的数学模型、定子电压矢量的作用和开关表的选择。（2），详细介绍了感应电机效率优化的方法，本为主要采用单调递减法来实现效率最优。（3）在MATLAB/SIMULINK仿真工具箱中搭建仿真模型，通过设置合理的仿真参数和设计合理的搜索方法，对系统进行仿真研究。（4）系统仿真研究是从理论上定量分析仿真的结果，从而理论上验证系

55、统设计的有效性。基于单调递减法的搜索控制技术算法简单，能够有效提高感应电机直接转矩控制系统的运行。参考文献 1 崔纳新，张承慧. 变频调速异步电动机效率优化控制的研究进展J. 电工技术学报，2004，19(5): 36-42.2 Bimal K B. Power Electronics and Motion Control technol- ogy status and Recent TrendsJ. IEEE Trans. Industry Applications，1993，29(5): 902-909. 3 Ta C M，HORI Y. Convergence improvement o

56、f efficiency optimization control of induction motor drives，IEEE Trans. Industry Applications， 2001，37(6): 1746-1753.4 Kioskeridis I, Margaris N. Loss Minimization in Scalar-controlled Induction Motor Drives with Search ControllersJ. IEEE Transactions on Power Electronies, 1996, 11(2):213-220.5 Shah

57、riyar Kaboli , Mohammad Reza Zolghadri, Esmaeel Vahdati-Khajeh. A fast flux search controller for DTC-based induction motor drivesJ. IEEE Trans. Industrial Electronics , 2007, 54(5): 2407-2416.6 A.Haddoun，M.E.H.Benbouzid，D.Diallo，R.Abdessemed，J.Ghouili，and K.Srairi，“A loss-minimization DTC scheme fo

58、r EV induction motors，”IEEE Trans. Veh.Technol.，vol.56，no.1，pp.8188，Jan.2007.7 LEVIE J. Impact of Iron Loss on Behavior of Vector Controlled Induction MachinesJ. IEEE Trans. Industry Applications，1995，31(6): 1287-1296.8 李坷，张承慧，崔纳新. 考虑铁损的电动汽车用感应电机矢量控制及其能量优化策略J. 控制理论与应用，2007，24(6): 959-968.9 朱鹏程, 康勇,

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