西南交大硕士论文：基于DSP的异步电机磁场定向控制系统的研究

西南交通大学硕士毕业论文第1页摘要本文对交流调速系统控制方法中的磁场定向控制做了深入研究。对一个改进转差频率观测器的间接磁场定向控制系统，利用MATLAB软件对整个控制系统进行仿真，并通过和实际实验结果相对比，得出该控制系统具有较高的可靠性。论文对实验中出现的主要问题进行了分析，并提出了解决方法。首先，论文给出了一个异步电机的空间矢量数学模型，分析了在仿真时利用这个数学模型建模的优点。针对高性能交流调速控制方法中普遍需要电机参数的现象，论文给出了一种异步电机参数离线辨识方法，通过把仿真结果与传统实验方法测得的数据对比可以看出，该方法较为简单实用。接着，对现有的脉宽凋制技术进行了总体介绍，着重论述了空间电压矢量脉宽调制技术。分析了空间电压矢量脉宽调制技术的同步调制和异步调制的异同，并给出一个异步调制实现的详细步骤。然后，论文详细分析了磁场定向控制方法，比较了直接磁场定向控制和间接磁场定向控制的异同。对一个改进转差频率观测器的间接磁场定向控制进行MATLAB仿真，并验证了该系统的解祸性能。论文设计了一个基于高速数字信号处理器DSP的磁场定向控制系统硬件平台，并利用这个硬件平台完成实验文中给出了系统软件设计详细流程图，并对实验结果进行了分析。最后，文章对两种无速度传感器磁场定向控制系统的速度观测方法，即模型参考自适应法和推广的卡尔曼滤波算法进行了对比研究。关键词磁场定向控制异步电机DSPMATLAB仿真无速度传感器西南交通大学硕士毕业论文第1N页ABSTRACTTHISDOCUMENTPRESENTSRESEARCHRESULTSFORIMPROVINGSPEEDCONTROLALGORITHMSFORFIELDORIENTEDCONTROLFOCINDUCTIONMACHINEDRIVESINADDITIONTHEIMPROVEMENTOFANIFOCISATTEMPTEDBYUSINGANIMPROVEDSLIDINGOBSERVER,SIMULATIONBASEDMATLABANDEXPERIMENTPRESENTTHATTHISCONTROLSYSTEMISRELIABILITYANDACCURACYTHEIMPORTANTPROBLEMSDURINGEXPERIMENTAREANALYZEDINDETAIL,ANDTHEWAYSOFSOLVINGTHESEPROBLEMSAREINTRODUCEDFIRSTOFALL,THEMATHSMODULEOFINDUCTIONMOTORBASEDONSPACEVECTORISINTRODUCEDTHEPAPERANALYZEDTHEMERITWHENUSEDTHEMODULEIFWESIMULATEINMATLABSOFTWAREBECAUSEMANYPARAMETERSOFINDUCTIONMOTORARENEEDEDINHIGHPERFORMANCEDRIVESMETHODS,THISPAPERPRESENTSAWAYBYWHICHTHESEPARAMETERSAREGOTOFFLINEAFTERANALYZINGTHEDIFFERENCEBETWEENTHESIMULATIONRESULTANDTHEEXPERIMENTRESULT,THEWAYISSIMPLEANDRELIABLESECONDLY,ALLOFPWMWAYSAREINTRODUCED,ANDTHESVPWMISSPECIALLAYINTRODUCEDTHEPAPERANALYZESTHEALGORITHMOFTHESVPWMWITHBOTHSYNCHRONOUSMODULATIONANDASYNCHRONOUSMODULATION,ANDGIVESANEXAMPLEOFASYNCHRONOUSMODULATIONTHEN,THEFIELDORIENTEDCONTROLMETHODISCOMPLETLYPRESENTEDTHEPAPERCOMPARETOTHECONTROLPERFORMANCEBETWEENDIRECTORIENTEDCONTROLFOCANDINDIRECTORIENTEDCONTROLIFOCINADDITIONTHEIMPROVEMENTOFANIFOCISATTEMPTEDBYUSINGANIMPROVEDSLIDINGOBSERVER,SIMULATIONBASEDMATLABISDONE,ANDPROVETHATTHESYSTEMISCONTROLLEDINDEPENDENTLYTHEHARDWARESTRUCTUREOFFOCSYSTEMBASEDONDSPISINTRODUCEDTHESOFTWAREDESIGNFLOWISGIVENINDETAILTHEEXPERIMENTRESULTISANALYZEDFINALLY,THEPAPERPROPOSESACOMPARISONBETWEENTHEPERFORMANCESOFAMODELREFERENCEANDADAPTIVESYSTEMMARSANDEXTENDEDKALMANFILTERBASEDALGORITHMIMPLEMENTEDINTHESPEEDESTIMATORFORACMOTORKEYWORDSFIELDORIENTEDCONTROL,SPEEDSENSORLESSMOTOR,DSP,SIMULATION西南交通大学硕士毕业论文第1页第一章绪论电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和变换的新兴学科。现代电力电子技术主要由三大部分组成电力电子开关器件，电力电子变换器主电路及其拓扑，以PWM技术占主导的控制技术。八十年代中后期，由于微电子技术的进步，各种新型高频的全控开关器件如GTO,MOSFET,IGBT以及以其为基础的智能功率集成电路工PM等纷纷诞生，使得电力电子学科取得了飞速发展。而各种高速实时微处理器特别是数字信号处理器的出现，更使得现代控制理论和智能控制中较为复杂的算法在电力电子技术中的应用得以实现。随着人类的科技不断进步，人们越来越认识到合理、高效地使用电能的重要性。而电力电子技术这门融合微电子学、控制理论、计算机技术、电机学等多种学科的高新技术成为当前国内外热门的研究学科。而作为电力电子技术发展水平标志的交流电机调速领域，由于交流调速系统自身具有的非线性、参数变化的不可预测性等原因使得控制系统非常复杂，一直是电力电子技术研究人员最为关注的领域。可以这么说，电机调速控制性能的每一次提高，都代表着电力电子技术应用的一次巨大进步。近二十年来，由于先进的控制方法诸如异步电机磁场定向控制和直接转矩控制在交流调速中的应用，以及高速微处理器特别是DSP的出现，使得交流调速系统的性能有了很大的提高，而且逐步发展的交流调速全数字化系统使得系统的性能更加稳定。交流调速系统最为广泛使用的磁场定向控制，以其解祸性能好，动态响应快的显著特点在高性能的调速应用场合比如电梯控制、数控机床，电力机车牵引等占有主导地位。而后期出现的直接转矩控制方式以其控制方式的简单、优越的力矩响应性能也越来越受到人们的重视。纵观磁场定向控制的发展过程，经历了直接磁场定向控制到间接磁场定向控制也即转差频率磁场定向控制，从有速度传感器控制到无速度传感器控制，其控制方法也从初始的磁通观测器发展到现在的自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等。近几年来，由于高速数字信号处理器DSP的工程应用，磁场定向控制所谓的坐标变换复杂，计算量大的缺点已不复存在。而九十年代出现的被仿真证明具有极高性能的高次谐波注入法、扩西南交通大学硕士毕业论文第2页展的卡尔曼滤波算法等新型转子磁通位置观测方法，由于涉及到大量复杂的矩阵乘法运算原先都无法实时实现，如今都可以利用一片或者多片DSP得以实现，这大大促进了磁场定向控制的发展。而磁场定向控制的精髓一一基于解祸控制思想，近来被广泛应用在诸如四象限变流器、无功补偿器ASVG等领域，显示了极大的生命力。从近期的学术动态来看，磁场定向控制近几年又将成为学者们研究的热点。11现代电力电子器件的发展及其特点电力半导体器件是构成电力电子设备的核心，是电力电子技术的基础，它的特性和应用方法直接影响着电力电子系统的性能价格和可靠性。电力电子器件在电力电子技术中作为开关元件，要求其开关速度快、承受电流和电压能力大、工作损耗小。理想的电力电子器件应在断态时能承受很高的电压而漏电流很小在通态时能有很高的电流密度而压降很低在断态和通态间又能很快的转换。电力电子器件发展非常迅速，从普通晶闸管SCR到双极性晶闸管TRIAC，从可关断晶闸管GTO到电力晶体管GTR，从功率场效应管MOSFET到绝缘栅双极晶体管IGBT，再到如今新型的功率集成模块PIC,智能功率模块工PM。新型电力电子器件主要具有以下几个特点1开关器件的全控化由半控型的普通晶闸管到全控型的各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的一大突破，全控化避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换相电路，大大简化了电路结构。2开关器件的集成化与传统的电力电子分立元件相比，现代的所有全控型器件都是由多个单元器件并联形成3开关器件的高频化随着器件集成化的程度越来越高，器件的工作速度也越来越快，从工作频率在1KHZ到2KHZ的GTO器件，到工作频率可达到几十千赫的IGBT，而功率MOSFET的开关频率则高达数百千赫。4开关器件的高效率电力电子器件的导通压降在不断的改善，比如工GBT的发展都经过了五代，其导通压降也由32V降到L5V,西南交通大学硕士毕业论文第3页降低了导通的损耗。而且开关器件的上升和下降过程加快，也降低了开关损耗。1212交流调速逆变器主电路1两点式、三点式逆变器交流调速两点式、三点式逆变器主电路分别如图11,12所示11两点式逆边器示意图图12三点式逆边器示意图11中的两点式逆变器电路中，其每相交流输出端只有UA/2图图和UA/2电平两种，一台三相逆变器总共有238种工作状态，目前国内正在使用和正在研制的逆变器大部分采用两点式电路。为了提高中间直流电压和改善逆变器交流输出波形，人们发明了三点式逆变器电路，如图12所示其交流输出端有UA/2,UD/2,0三种电平，一台三相逆变器总共有3327种工作状态。与两点式逆变器相比，在同样的直流电压，三点式电路主元件承受的电压近似为两点式的一半，采用三点式逆变器可以加快主电路对控制系统的响应速度，提高系统的动态特性，与此同时，三点式逆变器交流输出波形优于两点式逆变器，有利于改善输出电压波形，降低输出正弦电流的脉动性。三点式逆变器在国外己经广泛使用，日本E2系、E4系车辆的牵引变流器大量采用三点式电路，我国200KM/H动力分散交流传动电动车组也采用了三点式牵引变流器。122层要母线技术层叠母线技术又称为BUSBAR技术。在图11所示的两点式电路中，当电压型逆变器上下桥臂换流时，二极管开始处于饱和导通状西南交通大学硕士毕业论文第4页态，由于二极管的载流子的存储作用，导致二极管的反向恢复的DIDT非常大，只要主电路很小的电感均会使IGBT击穿。BUSBAR又称为低电感母排，为了避免上面情况出现和省去吸收电路，将整个逆变器的开关元件与低电感结构的支撑电容器用低电感的复合母排连接在一起，使得元件、电容和整个连线的电感总和很小，即使鱼较大也不DT致使峰值电压过大而击穿IGBTBUSBAR的基本结构是多层结构的连接母线，使流过母线的电流的正负电流方向相反，从而抵消了线路上的差模杂散电感。BUSBAR技术主要是中间绝缘层和粘接剂的选择。我国株洲电力机车研究所己经成功研制出耐压等级为AC10000V的层叠母线排，且工艺上达到可以实现批量生产。13脉宽调制技术分类与特点随着电压型逆变器在高性能电力电子装置交流传动、UPS、无功补偿器中的应用越来越广泛，脉宽调制技术PWM技术作为其共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究。说到PWM技术，1964年ASCHONUNG和HSTEMMLER发表文章把通信系统的调制技术应用到交流传动，从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想。PWM技术的发展经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦从效率最优，转矩脉动最小到消除噪声等。到目前为止，仍然有新的方案不断的提出。从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生PWM信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦PWM波产生芯片如HEF4752等，再到如今采用高速微处理器80C196MC,80C196KC,TMS320F240,TMS320LF2407,ADMC401等实时在线PWM信号输出，基本实现了全数字化的方案。从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPWM做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化PWM技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基波1/4的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现西南交通大学硕士毕业论文第5页的空间电压矢量PWM技术初始是以保持电机磁链幅值不变在平面坐标中轨迹为圆形为出发点得到的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有一定的三次谐波，由于其具有控制简单、数字化实现极其方便的特点，目前也逐渐有取代传统SPWM的趋势。而最近几年研究很多的优化PWM技术具有电流谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算复杂、实时控制较难，但由于与其它PWM技术相比，具有电压利用率最高、开关次数少、可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高，这种PWM技术也逐渐走入实用化阶段。而另外一种应用较多的PWM技术是电流滞环比较PWM以及在它基础上发展起来的无差拍控制PWM均具有实现简单的特点，当开关频率足够高的时候，可以得到非常接近理想正弦的电流波形。到八十年代中后期，人们出于对PWM逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的关注，由于PWM逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。人们为了解决此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲PWM技术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。14现代交流调速的控制技术由交流调速系统中三相异步电动机的运动方程JDCO,一兀一一一一DT其中J为转动惯量，。，为旋转角速度，T为电机的电磁转矩，几为负载转矩，我们可以看出，要控制电机转速，唯一的途径就是控制电机的电磁转矩，使速度变化率按期望的规律变化。因此，转矩控制是交流调速控制系统的根本问题。在早期的控制方法中，人们主要采用的是恒电压/频率比速度闭环控制方式，但由于其只适合于稳态控制，过渡过程控制难已实现，不能满足高性能调速系统的要求。而后发展起来的磁场定向控制和直接转矩控制均具有良好的动态性能，快的转矩响应。在高性能的交流调速系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。为了有效的控制电磁转矩，西南交通大学硕士毕业论文第6页充分利用电机的铁芯，在一定的电流作用下，尽可能的产生最大的电磁转矩，加快系统的过渡过程，必须在控制转矩的同时也控制磁通。因为即使定子电流很大，而磁通很小时，实际转矩值仍然很小，因此，磁通控制和转矩控制同样重要，通常在基速以下采用恒磁通控制，而基速以上采用弱磁控制。磁场定向控制采用控制转子磁链的方法，而直接转矩控制系统采用控制定子磁链的方法。141磁场定向控制磁场定向控制模仿直流电机调速控制，利用旋转的转子磁场坐标定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，通过分别控制两个分量来达到快速控制电机转矩的目的。其基本出发点还是在于追求加在电机三相绕组上的电压电流的正弦性好。磁场定向控制分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制，直接磁场定向控制由于其磁通观测传感器造价昂贵，而新发明的磁链观测方法难以实时实现而一度被人们放弃，而随着新一代的高速数字信号处理器的出现，近两年又重新唤起学者们研究的兴趣，最新的进展即为意大利ALFIOCONSOLI教授提出并实验证明可行性良好的高次谐波注入方法。间接磁场定向控制的研究重点主要集中在转差频率观测器的改进和无速度传感器技术，而最为热点的是基于模型参考自适应方法和推广的卡尔曼滤波算法，鉴于国内这两方面的研究进展甚为缓慢，本文最后一章对此做了介绍。间接磁场定向控制的缺点是对电机参数，特别是转子时间常数敏感，需要复杂的在线参数辩识。国内的NJ1型机车和200KM/H动力分散交流传动电动车组牵引逆变器采用磁场定向控制技术。142直接转矩控制与磁场定向控制追求的电压电流正弦出发点不同，直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，省掉了较为复杂的矢量旋转变换的计算，直接通过两个所谓的BANGBANG控制器来控制电机的磁链和电磁转矩。其控制方法不取决于电机数学模型是否能够简化，而取决于转矩的实际状况。直接转矩控制并不为了获得理想的正弦波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，而只强调转矩的直接控制效果，由于其具有控制方法简单，在很低的开关频率下仍可获得较高的转矩动态响应，近年来应用越来越广泛。直接转矩控制页低国西南交通大学硕士毕业论文第7的缺点在于低速时定子磁通的估计受定子电阻压降的影响较大，速性能有待改进，内的DJ型机车和术。定子电流中的谐波含量大，转矩的脉动很大。DWA型地铁工程车牵引逆变器采用直接转矩控制技15数字化的交流调速系统交流调速系统的数字化工作也称为计算机控制系统，是把自动控制理论和计算机技术结合的产物。当用计算机参与控制开环或者闭环控制系统后，系统通常具有精度高、速度快、存储量大、逻辑判断功能强等优点，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把电机控制、过程控制和整个生产管理结合起来，从而实现生产的全面自动化川。相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点在1精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。专门为用户设计的大规模集成电路VLSI加软件构成的控制芯片，或为大批量生产设计的专用集成电路ASIC均使系统硬件成本大大降低。体积更小、重量更轻、功耗更小是进一步发展的目标。2改善系统的可靠性。VSLI使得线路连线减小到最少，其平均无故障时间远远长于分立元器件电路。3数字电路不存在温漂等问题，不存在电路参数变化的影响。其内部的数字计算100准确，只是受字长影响量化误差定点微处理器采用定标可以避免溢出。4可以设计统一的硬件电路，通过对软件的设计变化，可以应用于不同的电机控制系统，灵活性很高，软件的设计也具有很大的灵活性，便于修改，升级。5可以完成非常复杂的功能，诸如磁场定向控制的坐标运算、推广的卡尔曼滤波的矩阵变换、反馈、PID调节、监控、报警、PWM脉冲产生等功能。数字控制系统的主要缺点在于1存在采样和量化误差尽管计算机内部的数字量非常精确，但和外部接口通过A/D和D/A转换器进行，而A/D,D/A转换器的位西南交通大学硕士毕业论文第8页数和计算机的字长是一定的，不可能无限制的增加。2系统的响应速度往往慢于专用的硬件或模拟系统。虽然计算机的运算速度越来越快，但计算机内部的运算在任务比较复杂的时候需要较长的时间，采样时间也要影响整个系统的响应速度。3软件的成本较高，调试较复杂，需要专门人员进行。16本论文的主要工作I本论文给出了一个基于统一空间矢量方式简化的异步电机数学模型。对获得磁场定向控制所需的电机参数的一种离线测试方法进行MATLAB仿真，结果证明该方法准确性很高，而且不需要附加的测试设备，简单有效。2本论文对当前国内外工程应用最关注的空间电压矢量PWM技术做了深入研究，揭示其本质。考虑到中小功率和大功率场合应用的不同，剖析了空间电压矢量PWM技术同步调制和异步调制的根本区别，给出了具体的实现方法3论文对间接矢量控制中常用的电流模型磁通观测器做出一种改进，使得转差频率计算综合快速性和稳定性的优点。仿真和实验证明该方法具有一定的可靠性。4完成一个改进的间接矢量控制系统的整体MATLAB仿真，给出了该系统的各个环节的仿真实现方法。对比直接建模和调用SFUNCTON函数建模实现的难易，说明S函数是MATLAB的核心，掌握S函数就是掌握了MATLAB的精髓。5本论文完成一个基于高速TIDSP芯片的通用交流调速系统硬件平台，并测试通过，通过实验证明，该平台性能良好，可靠性高。6论文采用汇编语言和C语言完成磁场定向控制的软件设计，并用VB设计一个上位机的用户接口程序。实验证明，软件设计是成功的，稳定性良好。论文给出了详细的流程图。7对目前国外研究最多的两种无速度传感器矢量控制速度观测方法模型参考自适应和推广的卡尔曼滤波算法进行详细分析，给出其数字实现步骤，对比其性能。西南交通大学硕士毕业论文第9页第二章异步电机数学模型及其参数辩识由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强祸合的多变量系统，其动态和静态特性相当复杂。在交流调速传动系统中，异步电机主要由三相PWM逆变器供电，PWM逆变器输出电压是宽度变化的方波，具有离散性。因此PWM逆变器一一异步电机是一个离散一一连续的复合系统，很难求出解析解，而通过计算机数字仿真，得到其数值解。数学模型是对物理对象的数学描述，同时也是分析和解决问题的必要基础。相同的物理对象可有多种不同形式的数学表达对于异步电机而言，常用的数学模型表达形式有空间矢量数学模在两相静止坐标系A,0上的数学模型和按转子磁场定向M、式型T的数学模型等。虽然数学模型有不同的表达式，但都是同一对象的数学描述，各种表达式之间存在一定的对应关系。因此通过数学变换可以将一种表达方式转化为另一种表达方式。在交流传动中，不同的控制系统有不同的控制方法，在系统的分析和设计中采用不同的数学模型表达式可达到简化问题的目的，但在仿真中，不必在不同的控制系统中采用不同的电机模型，可通过变换将电机的一种表达方式下的物理量转化成其他表达式的物理量。21异步电机的数学模型及其在不同坐标系的转换我们首先假设A三相绕组在空间上对称互差120度，磁势在空间按正弦分布B忽略磁芯损耗C不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感均为线性D不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。异步电机的数学模型由电压方程，磁链方程，转矩方程和运动方程组成。211异步电机的空间矢量数学模型定义定子电流、电压和磁链矢量，以定子A相绕组轴为参考轴西南交通大学硕士毕业论文第10页刃KI,OI,BEJZ,R，I,REJ4,RL3一KU,U,BEI“U,REJ4,R，一、G,AP,BEI“9,REJ4,R132一1一气一叭其中的系数K为待定系数，根据磁势相等且匝数相同的等效原则，取K1若按磁势相等且功率相等的原则，则取K拒万。同理定义转子电流、电压和磁链矢量、以定子考轴咖币KI,I,BEI，一I,REJ4,R/3J,根据空载和堵转实验，测量的电机参数为瓦0,4912H,凡415S2，L,04912H,凡4480，几04704H计算出来的转子时间常数界0112,几0041H223测试步骤总漏感L,的测试令电流给定I0，这时电压、电流的波形如图23所示。此时相当于给电机施加一个阶跃电压，异步电机的转子时间常数T,一般在西南交通大学硕士毕业论文第8页第三章电压空间矢量PWM技术PWMPULSEWIDTHMODULATION脉宽调制技术是一种以参考波为调制波，N倍频率于调制波的三角波为载波，按相交关系得到开关信号的方法。当调制波为正弦波，输出矩形波序列的脉宽按正弦函数规律变化时，就是应用最多的正弦脉宽调制技术。随着逆变器在交流传动、UPS电源、有源滤波器和无功补偿器等中的广泛应用，以及高速全控开关的大量使用，PWM技术已经成为逆变技术的核心。近几年，随着高速数字信号处理器DSP的实用化，PWM技术更是花样翻新，不断有新的PWM方式出现。PWM技术从大的方面可以分为三大类，即正弦PWM技术、优化PWM技术、随机PWM技术。正弦PWM技术由于PWM脉冲宽度按正弦规律变化，因此可以有效地抑制低次谐波，使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小。我们可以把正弦PWM技术分为电压、电流、磁通正弦几种方式。从1964年ASCHNOUNG和HSTEMMLER把通讯系统的调制技术应用到交流传动逆变器中，产生了所谓的正弦脉宽调制技术，后来，BOWES又提出全数字化SPWM方案，以及规则采数字化PWM方案及准优化PWM技术。1983年，JHOLTZ等又提出了空间矢量PWM技术，以追求电动机磁链圆形轨迹为目的，使实现方法更加简单。另一方面，在特定谐波消除法的基础上，GSBUJA,FCZACK和KTANIGUCHI等提出了电流谐波畸变率最小、效率最优及转矩脉动最小的优化PWM技术。还有应用较广的PWM方法为1980年由ABPLUKETT提出的电流滞环比较PWM技术，具有实现方式非常简单，电流波形较好的优点。而由AMTRZYNADLOWSKYVGAGELIDIS在1993年提出的随机PWM方法，由于是从改变谐波的频谱分布入手，使谐波均匀分布在较宽的频带范围内，可以达到抑制噪声和机械共振的目的。在本章中，我们主要讨论应用最为广泛的正弦PWM技术川。31电压正弦PWM方法通过参考正弦波调制信号和三角载波信号比较，来确定逆变器某一桥臂开关器件的开通和关断。数字化正弦PWM方法发展迅速，西南交通大学硕士毕业论文第14页典型的有自然采样和规则采样PWM两种方法。三角波和正弦波的交点时刻可转化为一个采样周期内对输出脉冲宽度时间及间隙时间的计算，由计算机来完成，时间的改变可通过定时器来完成。自然采样PWM虽然可真实地反映控制规律，其脉冲宽度为T,212S一。一一L31但由于式31是一个超越方程，需要计算机迭代求解，难以用于实时控制。当用查表法实现时，由于频率范围变化很大时，将占用很大的内存空间。规则采样PWM是对自然采样的简单近似，此时脉冲宽度为T,二卜MSINW,T,”或T,警，警SINW,“一，NW,1,习3一2由于式32中的T,气，为己知，可以利用计算机快速计算出每相的脉宽和间隙时间规则采样PWM具有实现简单、控制线性度好的优点，但和自然采样一样有直流电压利用率低的缺点，其输出线电压的峰值只能达到直流电压的0866倍。而1985年SRBOWES等人提出的准优化PWM技术，其调制波采用基波和三次谐波的叠加，其调制波的数学表达式为二一MSINT,4SIN3T,33上式33中T,KTL2。加入三次谐波以后，调制比M和输出电压之间的关系仍为线性，但由于三次谐波将基波的峰值削平，过调制只出现在M12以上时。因此，直流电压利用率提高了20，达到了1以上。3,2电流正弦PWM方法交流电机的控制性能主要取决于在保持磁通恒定的条件下转矩或者电流的控制质量。为了满足电机控制良好的动态响应，并在极低转速下也能平稳运转的要求，经常采用电流的闭环控制，及采用电流正弦PWM技术。实现电流正弦PWM逆变器的方法很多，大致有PI调节器、滞环控制及无差拍控制几种，它们都具有控制简单、动态响应快和电压利用率高的特点。ABPLUNKETT提出的电流滞环西南交通大学硕士毕业论文第加页PWM，把正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，由其结果决定逆变器桥臂上下开关器件的导通和关断。这种方法最大优点是控制简单，很容易用模拟器件实现。在器件开关频率很高的时候，系统响应可以非常快，对负载及其参数变化不敏感。但是这种方法的开关频率不固定，随着电机电抗大小及反电动势变化而变化，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰。当直流电压不够高或反电动势太大或电流太小时，电流控制效果不理想。后来提出的固定开关频率的调制法，要求采样频率非常高，否则会出现电流上升和下降的速度不同，产生不对称的脉动。为了解决在有限采样频率下的电流有效控制，JHOLTZ等人提出了电流预测控制，电流预测控制是在采样周期的开始，根据电流的当前误差和负载情况选择一个使误差趋于零的电压矢量去控制逆变器中开关器件的通断。33电压空间矢量PWM方法磁通轨迹跟踪PWM电压空间矢量PWM方法磁通轨迹跟踪PWM法和普通的正弦PWM方法不同，它是从电机的角度出发，把电机和逆变器看作一个整体考虑，不简单的从得到电压电流正弦出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。其以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由他们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于该控制方法把逆变器和异步电机看作一个整体来处理，所用到的数学模型和数字算法均很简单，便于微处理器实时控制。其具有转矩脉动小，噪声低、直流电压利用率高、开关频率低的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到最为广泛的应用，市面上的最新变频产品无一例外的使用空间矢量PWM调制方式。下面介绍电压空间矢量PWM的工作原理。逆变器的主电路拓扑图如图31所示西南交通大学硕士毕业论文第21页图31逆变器主电路图当电机的理想供电电压为三相对称正弦电，其表达式如下U。一USINWTU,USINWT一2R/3U,USINWI27RL33一4由PARK变换得到合成电压空间矢量的定义如下一号U。吞一二3一5式中AEIXI3由电机学知识可以得到，一JU，一IR,KTP3一6当电机的定子电阻压降可以忽略时有DQ,_“DT3一7成立在理想的情况下，电压空间矢量为圆形旋转矢量，而磁通为电压的时间积分，也是圆形的旋转矢量，且电压矢量应该超前磁通矢量90度相位角。我们定义三个桥臂的上半桥臂的开关函数为SA,SB,SC，当其开关导通时SA,B,C1，当其关断时SA,B,C0。对于两点式逆变器来说，三相桥臂的开关状态只有8个，其中包括6个非零电压U1100、U2110、U3010、U4011、U5001、U6101和两个零电压矢量0111,U0000，把U0,U7称为零电压矢量是因为当该两个电压矢量作用时，三相负载线接在同一个直流电位西南交通大学硕士毕业论文第22页点上，没有电流流过，对电机磁通运动不起作用。逆变器的电压矢量空间分布如下图所示011一V/1,0011011图32空间电压矢量分布扇区图当分别作用6个非零空间电压矢量时，磁链轨迹为正六边形。一个48边形空间矢量调制磁链轨迹图如下图3348边形空间矢量磁链拟合图由以上的介绍，要有效的控制电机磁通轨迹，必须解决以下三个问题0，则使A1，否则AO2如果行屹一心0，则使B1，否则BO3如果,F3V心T5T2TS八TIT2。取值TI,T2赋值后，还要对则取T1T1TS八TIT2,T2第26页表31西南交通大学硕士毕业论文六个扇区矢量作用时间分配表扇区号IIIIIINVVITIZY一Z一XX一YT2Y一XXZY一Z3计算电压空间矢量切换点TCM1,TCM2,TCM3定义T仅一T,一T,14T6TT,L23一14TTT,12则在不同的扇区内TCM1,TCM2,TCM3根据表32进行赋值，就可得到如图36所示的电压矢量波形。表32六个扇区比较器定时值扇区号IIIIIINVVITCMITBTATATCTCTBTCM2TATCTBTBTATCTCM3TCTBTCTATBTA34电压空间矢量PWM与其他PWM方法的比较由式38可以得出，零电压矢量的作用时间为飞孟、JJESJ了T、了TOT一T一一鲁COS6VTTUUCOS一。随着合成电压矢量U的长度的增加3一15、T2也逐渐加大，TO逐渐减小，但是为了满足U在线性度区内的要求，必须使T。非负，也且口二，VOC“二一一厂，一N厂R7L、MSCOST一一U16316在夕取任意值的情况下上式均成立，则有下式成立，VD“二军二V3317可见当比正弦PW从U的幅值达到上限时，输出线电压的基波峰值为VRX，它高1547常规SPW”在满调制MI时，输出的线电西南交通大学硕士毕业论文第27页压的基波峰值为0866叹。在这一点上，和前面介绍的准优化PWM有异曲同工之处。图37为一个输出基波为50HZ时三相电压的理想波形，可以清楚的看出SVPWM的调制波的构成。图38为一个实际实验得到的三相相电压PWM调制波滤波后的波形。口口日李口日日了I人产诩刀盯盯A丁队/丫丫洲日TI划J、T1口曰曰曰门门门门图37理想调制波的构成原理图图38实际实验三相调制波形从上面的分析和实验波形可以看出，SVPWM的调制波相当于在原正弦波上叠加了一个零序分量。理论分析表明，SVPWM具有如下优点1输出电压比普通正弦波调制时提高15,2谐波电流有效值的总和接近优化。西南交通大学硕士毕业论文第28页第四章磁场定向控制的MATLAB仿真对于所有的电动机调速系统来说，其实质是控制电动机的转速。对于直流电动机来说，因为其空间位置固定而大小可调的定子磁场和转矩电流完全解祸，其转矩M可以简单的表示为M吼呱T4一1所以可以分别对转矩电流和励磁电流控制来达到对电机转矩的控制。然而异步电动机情况要复杂得多。首先，异步电机没有独立可控的励磁支路，与外部的联系只有输入的定子电压，所以其励磁电流和转矩电流都是由定子电流提供，无法简单加以解祸控制。在控制中，定子电流的转矩分量和励磁分量相互影响，破坏整个系统的动态响应。其次，有效的磁通是绕定子旋转的空间矢量，不是简单的标量控制。41磁场定向控制的理论基础我们可以分析得到对异步电机的转矩控制其实质还是对电机磁通和定子电流的控制，因为异步电机的磁通和三相合成定子电流矢量均是以定子频率旋转的空间矢量，而且三相合成定子电流矢量的空间位置和磁通矢量的位置不是重合的，是相差一个固定的角度。如图41所示图41异步电机数学模型坐标系从第二章的异步电机的数学模型中得到电机转矩表达式为西南交通大学硕士毕业论文第29页一2N,、7TJTL141,X明一2N,73K、一，会IYL,4一2我们可以简单的这样分析因为电机的转矩与磁通和定子电流有关，异步电机的磁通和合成定子电流均为空间矢量，所以可以理解为电机的转矩是磁通和电机定子电流的叉乘，而磁通是由电机定子电流的磁通分量产生，其空间位置为磁通位置角。则转矩又可以变为定子电流自己和它的一个坐标分量的叉乘，而为了有效的利用电机，电机磁通应该保持不变，及定子电流的磁通分量不变。所以电机转矩为定子电流和它的一个大小不变的坐标分量简称为励磁分量的叉乘，如果我们建立一个这样的坐标系，励磁分量为X轴称为M轴，与其垂直且逆时针旋转90度的为Y轴称为T轴。这时候可以简单得到电机转矩是定子电流在M,T轴上的分量的乘积的倍数关系。因为磁通要保持不变，所以定子电流的励磁分量不变，所以电机转矩只与定子电流在T轴上的分量有关，可以通过这个分量的控制来达到直接控制电机转矩的目的。在M,T坐标系中，我们可以看到定子电流的励磁分量和转矩分量是垂直的，也就是说这两个量是完全解祸的。磁场定向控制的出发点是模拟直流电动机的控制原理，通过磁场定向的方式，借助于矢量变换，将异步电动机三相动态方程变换为旋转坐标系下的两相正交模型，从而将控制变量的定子电流分解为励磁分量和转矩分量。通过前馈解祸，实现磁通和转矩的独立控制。411三相/两相变换这个变换是根据磁场等效原则用一个所谓的对称两相原型电机代替一个对称的三相电机，并保持变换前后的功率不变，对称是指变换前后的定子绕组和转子绕组分别具有相同的匝数和有效电阻。可以证明变换后A,T3绕组的电压和电流均为原三相绕组每相电压西南交通大学硕士毕业论文第30页和电流的J21V,，_、，二_、，3、谁个日切平增刀U刹，估，Z但相数由原来的三相变为两相，所以变换前后的总功率没有发生变化。4一3UO气UC，犷”“TJ1一2迈一212石2、一一反变换为气与44一，1卫卫J气气气尸1ESESL412旋转变换PARK变换在上面的三相/两相变换中，两个坐标系都是静止的，在磁场定向控制中，最核心的问题在于将定子电流在以转子磁链角为M轴，且与转子磁链同步旋转的坐标系中的分量找到，并加以控制。所以，旋转变换可以说是体现磁场定向控制精髓所在。当我们将两相静止坐标系A,F1中的向量与转子磁链同步旋转M,T坐标系分解，可以得到旋转变换。日一COS8SIN8FZAISIN8COSOITF反旋转变换公式如下IPIASIN8COSB,CIR,4546从上面的分析，我们可以总结出磁场定向控制的特点1基于转子磁链同步旋转坐标系，通过坐标变换，得到定子电流转矩分量和磁通分童的完全解祸。可以达到很理想的动静态性能，其解祸控制计算出电动机端电压，进行PWM调制后控制逆变器具有很高的可靠性。2转子磁链的计算精度、系统特性受电机参数，尤其是转子时间常西南交通大学硕士毕业论文第3页数的影响较大，要最大限度的提高系统的可靠性必须进行电机参数的在线辩识。3由于坐标变换的计算量相当复杂，必须采用运算速度快、数字处理能力强的微处理器才能实现实时控制。42两种磁场定向控制的对比磁场定向控制能够达到对异步电机的转矩和磁场的快速响应和完全的解祸控制。为了得到这样的完全解祸控制，磁场定向控制算法需要得到一个准确的相对于静止定子坐标系的旋转的转子磁通位置角。只有得到这个准确的位置角变量，才可能实现定子电流的力矩分量和励磁分量的完全解藕，通过独立的调节力矩分量和转矩分量来控制异步电机的转矩和励磁，也才可能得到像直流电机那样可以独立控制转矩和磁场的性能。为了准确的得到转子磁通的位置，两个不同的方法被采用，由此，磁场定向控制可以分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制两种1间接磁场定向控制。现在国内外研究最多的间接磁场定向控制也称为滑差或转差频率磁场定向方式。其本质思想是从异步电机的数学模型出发，推导出电机的转差频率表达式，利用测速装置测得的转速或无速度传感方法估算出来的转速得到转子频率，将获得的转子频率和转差频率相加，再完成一个积分运算，得到转子磁通的位置。2直接磁场定向控制。这是磁场定向控制方法诞生出来一段时间普遍采用的方式。直接磁场定向控制中转子磁通位置通过气隙磁通矢量位置计算，而气隙磁通矢量位置可以通过可靠的磁通传感器获得或通过BACKEMF的积分得到磁场定向控制经历了直接磁场定向控制，再到间接磁场定向控制，在前一段时间，学术界研究的大部分重点在于间接磁场定向的各种观测器上，以及各种计算滑差频率的控制理论上。当前，由于各种高性能的处理器的出现，直接磁场定向控制提出几种新的方法诸如高次谐波注入法得以实时实现，直接磁场定向又重新回到人们的研究视野。西南交通大学硕士毕业论文第32页421直接矢量控制系统直接磁场定向控制是矢量控制出现初期广泛采用的控制方式，其实质是通过直接用磁通传感器测量出转子磁通大小和位置，或者通过测量的定子电压和定子电流间接的得到转子磁通大小和位置。一个典型的间接观测磁通位置的直接矢量控制图如下所示图42直接磁场定向控制框图转子磁通大小和位置通过如下推导得到、二一FUGDTR,FLDT47WFL二一和AFRJI,DT48YLLTOIU十咋498ARCTAN红汽410SIN夕二COS夕二4一114一12吟件叽叭其基本工作原理是分别采样定子两相电流和三相电压，通过三相/两相变换，得到定子静止A,6坐标系的量，通过积分器得到转西南交通大学硕士毕业论文第33页子磁链的大小和方向的观测值，把转子磁通观测值和参考值比较得到定子电流的磁通分量。采样获得电机实际转速进行速度环调节，得到定子电流的力矩分量给定值。接着进行旋转变换，将旋转变换后得到的M、T坐标系的实际值与给定值分别进行比较，完成电流环调节，将得到的M,T坐标系的电压分量进行反旋转变换，得到A刀坐标系的电压矢量，最后送入空间电压矢量PWM单元。直接磁场定向控制不需要转子时间常数，所以对转子参数变化不敏感，这是其显著的优点，但不管是用磁通传感器直接检测磁链位置，还是用检测电压、电流间接观测磁链位置，直接磁场定向控制都需要较多的传感器，整个系统检测量太多，运算比较复杂，严重影响了系统的可靠性。在矢量控制系统早期广泛被使用，后来逐渐被间接磁场定向控制所代替。但近来随着高次谐波注入，磁通观测技术面临更新，直接矢量控制又引起学者们的注意。422间接磁场定向控制系统转差频率矢最控制间接磁场定向控制又被称为转差频率矢量控制，其基本结构如下图43所示图43间接磁场定向控制框图一个典型采用电流模型来计算转子磁链角的间接矢量控制的理论基础如下反馈回的定子电流经过三相/两相变换成为在静止坐标西南交通大学硕士毕业论文第34页系A3轴系上的两相电流5I与，在经过旋转变换得到M,T轴系下的两相电流TAI,、_TPLL,ORLTPLT、会YRT，则可以由以下公式得到转子磁链角413414山YL,生TR01TRP卫。丘TRM4154一16CO,W,MR转子磁链的相位角是定子角频率的积分，扒DT417以上各式中的P代表微分算子。这就是间接矢量控制的精髓，其本身不直接检测或计算转子磁通的位置，而是通过计算转差频率来间接得到转子磁通的位置角。对转子磁链角位置观测的一个改进模型匕日半诸WSF十WSFWSF图44改进的转差频率观测结构图将系统中按M,T坐标系中给定的奋，弓计算出来的转差为。吞，而把实际采样得到的TDDSIT计算出来的转差为“Y把两者的差值通过PI调节，再与实际转差相加，得到理想的转差频率值。一般的间接矢量控制的转差计算方法如上面给出的数学模型所示，一种方式是采用实际采样得到的IM,7T，另一种方式是采用给定西南交通大学硕士毕业论文第”页的I“I计算转差频率。仿真和实验表明，当采用实际采样值进行计算时，系统的稳定性比给定计算时差，但系统响应加快。在本次论文中，我们加入一个转差矫正环节，结构如图44所示。利用给定值计算转差频率稳定性好的优点，加入实际值计算的转差进行修正，加快系统的响应。如图43所示的间接矢量控制工作原理为采样定子两相电流，通过三相/两相变换，得到定子静止A,Q坐标系的量，通过旋转变换后，经过转差计算环节得到转差频率，加上转子频率后积分得到转子磁链的位置角，作为下次旋转变换的变换角。把转子转速送入弱磁单元得到定子电流的磁通分量参考值。采样电机实际转速进行速度环调节，得到定子电流的力矩分量给定值。分别与实际采样值进行比较后得到M,T坐标系的电压分量，再接着进行反旋转变换，得到A,8坐标系的电压矢量，最后送入空间电压矢量PWM单元，进行脉宽调制对如图43所示的间接磁场定向控制，要清楚的了解系统的控制作用，应该对系统的动态过程进行深入分析。现在对电动机的启动过程做一分析在图示的系统中，调节器均为PI调节器，在PI调节器不饱和时，它的输入、输出关系为UKPU一。K,UUDT418其中，K，为比例放大倍数，K,为积分系数。当调节器出现饱和的时候，PI调节器的输出由限幅值确定。即UUMAX在启动的瞬间，电动机的转速为零，速度调节器的输入为/7一。，W419速度调节器的积分部分在启动的瞬间TO输出为零，调节器的输出由比例放大部分决定。即，TT0K,TV通常我们设定耳TD锌MSX，启动时给定转矩电流的分量为JTROAX西南交通大学硕士毕业论文第36页随着时间的推移，积分部分将开始起作用，电动机开始转起