硕士论文-基于DSP的多相感应电机矢量控制系统.pdf

学校代号： 学号： 密级： 1 0 5 3 2 s 0 2 0 9 1 0 3 l j ， 湖南大学硕士学位论文 y8 3 2 五8 t l 基于d s p 的多相感应电机矢量 控制系统 堂僮由遣厶丝名；梅焦壁 昱咂丝名叠驱整；匦圈红拄副麴援 一 墙羞望僮； 电氢墨擅皇王猩堂暄 童、业名鲞!控剑理论皇控剑王猩 迨窒握童旦塑； 2 q q 5 生q ! 旦1 5 旦 迨窒签燮旦塑；2 q q 生q 3 旦2 z 日 鳘避委基金圭虚! 童调生教握 硕士学位论文 摘要 多相感应电机相对传统的三相电机而言，它的系统可靠性高，直流侧电压低，用 较低电压等级的器件就可以实现大功率传动。然而作为一种新的技术，它的控制方法在 理论和实践中仍然存在大量值得研究和探讨的问题。 本文首先介绍了矢量控制的基本原理，在m a t l a b s i m u l i n k 中实现了三相感应电机 矢量控制系统，取得了满意的效果，为后续章节对多相感应电机进行同类分析做好了充 分准备。然后以多相感应电机为研究对象，利用电压矢量空间解耦方法分析逆变供电下， 供电电压中各次时间谐波在电机运行中所起的作用，提出标准基与谐波基之间的变换矩 阵，建立任意多相感应电机在谐波基f 的数学模型。并借此证明了任意多相电机在两相 静止坐标系下的数学模型是一致的，为将成熟的三相电机高性能的矢量控制策略用于多 相电机系统提供了理论依据。在建立多相电机在两相静止坐标系下的数学模型基础之 后，利用微量分析方法实现了电机模型的完全解耦并对系统的稳定性进行了分析：以双 y 移3 0 。六相感应电机为例，推导出6 s 2 s 、6 s 2 r 等坐标变换公式，以此变换公式建立 了六相电机在同步旋转坐标系( d - q ) 下的数学模型和矢量控制基本方程， 并在 m a t l a b s i m u l i n k 中实现了其矢量控制系统。仿真结果表明双y 移3 0 。六相感应电机比 传统三相电机有更好的动静态性能。 本文最后以数字信号处理器( d s p ) 为核心、以i p m 作为功率元件开发了一套六 相感应电机矢量控制系统。重点介绍了d s p 最小系统、电流检测电路、速度检测电路 和以i p m 为核心的主电路；进一步介绍了控制系统的软件结构，给出了详细的软件流程 图。 关键词：矢量控制：多相感应电机；坐标变换；稳定陛；仿真；d s p 基于d s p 多相感麻电机的矢量控制系统 a b s t r a c t t h eu s eo fm u l t i p h a s ei n d u c t i o nm o t o rf o ri n d u s t r i a ld r i v e sp r e s e n t ss e v e r a la d v a n t a g e s o v e rt h ec o n v e n t i o n a lt h r e e p h a s ed r i v e ，s u c ha si m p r o v e dr e l i a b i l i t y ，r e d u c t i o no nt h ep o w e r r a t i n g sf o rt h es t a t i cc o n v e r t e r sa n dh a r m o n i cr e d u c t i o n f o rt h e s er e a s o n s ，m u l t i p h a s e i n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l yu s e di nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s a l t h o u g ht h i st o p o l o g yh a s r e c e i v e ds o m es u c c e s s f u la p p l i c a t i o nr e c e n t l y ，t h e r ea r eal o to fp r o b l e m sa b o u ti t sc o n t r o l m e t h o di nt h et h e o r i e sa n dp r a c t i c e st h a td e s e r v e dt ob er e s e a r c h e d t h ep e r f o r m a n c eo fa cv a r i a b l es p e e dd r i v es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l ys i n c e f i e l d - o r i e n t e dc o n t r o li s a p p l i e d f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo ff i e l do r i e n t e d c o n t r o l ( f o c ) i s i l l u s t r a t e d a n dt h ef i e l d0 r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mo fc o n v e n t i o n a l t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sr e a l i z e di nm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o v et h a t t h es c h e m ei sd e s i r a b l e s e c o n d l y ，t h ee f f e c to f o u t p u tv o l t a g e st i m eh a r m o n i co nt h em o t o r ， f e db ym u l t i p h a s ei n v e r t e ri sw o r k e do v e r ，a n dam a t r i xt r a n s f o r mb e t w e e nt h en a t u r eb a s e a n dh a r m o n i cb a s ei s p r o p o s e d u s i n gt h i s m a t r i xt r a n s f o r m ，t h em o d e lo t m u l t i p h a s e i n d u c t i o nm o t o ri nt h en a t u r eb a s ec a nb et r a n s f o r m e dt os e v e r a lm u t u a 】v e r c i c a lp l a n e s ，t h e h a r m o n i cb a s es p a c e a n dt h e nt h el i l a c h i n em o d e lo ft h em u l t i p h a s eo nt h eh a r m o n i cb a s ei s d e v e l o p e d i ti sp r o v e dt h a ti nt h es t a t i ct w o n h a s ec o o r d i n a t e ，m a c h i n em o d e lo fi n d u c t i o n m o t o rw i t ha n yn u m b e ro fp h a s e si sa c c o r d a n t ，w h i c hi st h et h e o r yf o u n d a t i o nf o ra p p l y i n g t h ea l m o s tm a t u r et h r e ep h a s eh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o ls t r a t e g yt om a c h i n ea d j u s t a b l ed r i v e s y s t e m ，b a s e do nt h es t a t i ct w o p h a s ec o o r d i n a t em a c h i n em o d e l ，t h es t a b i l i t ys t u d yo fa m u l t i p h a s e ( s i x p h a s e ) i n d u c t i o nm a c h i n eh a sb e e np e r f o r m e db ya p p l y i n gt h ee i g e n v a l u e s s t a b i l i t yc r i t e r i o nt ot h es m a l ld i s p l a c e m e n te q u a t i o n so b t a i n e db y1 i n e a r i z a t i o na b o u ta n o p e r a t i n gp o i n t t h i r d l y ，t a k i n gad u a lt h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r f o re x a m p l e ，c o o r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o ni sd e r i v e d b a s e do ni t ，t h em a c h i n em o d e lo f d u a lt h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r i sd e v e l o p e d t h e l lt h ef o cs y s t e mo fd u a lt h r e e d h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sr e a l i z e di n m a t j a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti sm u c hb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a l t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o rs y s t e m f i n a l l yad r i v ed e v i c eb a s e do nd s pa n di p mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，e s p e c i a l l yt h e d e s i g no ft h ed s p m i n i m a ls y s t e m ，c u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i t ，s p e e da n dp o s i t i o n a c q u i r i n g c i r c u i t ，p o w e rc i r c u i tb a s e do ni p ma r ef u r t h e rr e s e a r c h e d t h es o f t w a r ef r a m eo f t h es y s t e m i si n t r o d u c e da n dt h ef l o wc h a r ti sg i v e n k e y w o r d ： f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ：m u l t i p h a s ei n d u c t i o nm o t o r ；c o o r d i n a t et r a n s t o r m s t a b i l i t y ；s i m u l a t i o n ；d s p 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：秘哆铬日期：卿相罗曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：讳纽伫雄 导师签名：钐娴儡蒜氛 日期：，咐年年月r 日 日期：灿j 年耻月，o 曰 硕士学位论义 1 1 引言 第1 章绪论 电机广泛应用于工农业生产、交通运输、同常生活及国防军事中，且有些应用场合 要求电机具有良好的调速性能，而有些场合则要求电机有较低的能耗，因此必须对电机 进行速度控制，即进行电机调速。 自电机问世以来，最开始占统治地位的是直流电机，因其励磁电路与电枢电路相互 独立，转矩易于控制，有良好的动态性能。然而直流电机的机械接触式换向器结构复杂， 制造成本高，易于损坏，且直流电机无法构造出高速大容量的调速系统，远远不能满足 现代化大生产的需要。然而，交流电机结构简单，价格低廉且坚固耐用，以及三相交流 电的成功输送，都促进了交流调速系统的b 速发展。 交流电机的传统调速方法有调压调速、转差率调速、串级调速及变极调速，但采用 这些方法所得到的性能不佳，且有些方法不易实现。1 9 7 1 年eb l a s c h k e 等提出的“感 应电机磁场定向的控制原理”和p cc u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机 定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的理论基础，使交流传动控制理论得到质的 升华。同时电力电子器件和微处理器的飞速发展，给矢量控制的具体实现提供了物质 基础，从而使得交流调速系统逐步占据主导地位。最近在某些国家应用的磁悬浮列车驱 动技术更是进一步确定了交流电机的霸权地位1 2 】。 交流电机分为异步电机和同步电机，异步电机又叫感应电机，自从上世纪八十年代 以来，由于它消耗材料少、制造成本低、结构简单牢固、运行方便可靠和易于向高压、 大容量发展而得到广泛的应用。统计资料表明，感应电机在全部运行电机总数中占 8 0 h 】。百十年以来，人们一直致力于感应电机传动系统的研究，以满足社会化大牛产 的要求。自1 9 5 8 年晶闸管( s o r ) 在g e 公司诞牛以来，电气传动技术就进入了电力电子 发展时代。感应电机变频调速技术作为重要的节能和环境保护技术，在各种生产、交通 运输和家用电器中得到广泛的应用。 1 2 电力电子器件和微处理器的发展 矢量控制技术提高了交流调速系统的静、动态性能，但它包含功率转换和坐标变换 等复杂计算，采用传统模拟电路无法实现。电力电子器件和微处理器的飞速发展给矢量 控制的实现提供了物质基础【4 】 5 1 。 基于d s p 多相感应电机的矢量控制系统 1 2 1 电力电子器件的发展 在现代电机控制系统中，无论是直流凋速还是交流调速，都需要可控电源。在2 0 世纪5 0 年代，可控电源都采用旋转变流机组，控制器件都是电磁器件，整个控制设备 庞大而笨重。5 0 年代末出现的静止电力电子变流装置，逐步精简了设备，在体积、成本 和效率方面有所突破，并消除了噪声，使电机控制系统获得了飞速发展，从此“电予” 进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控 制系统的核心。 5 0 年代末，晶闸管( s c r ) 在美国通用电气公司的实验室诞生，标志着现代电力电 子技术的开端。近2 0 年来，电力电子器件的发展非常迅猛，从只能触发导通不能控制 关断的半控型器件，到可控制通断的全控型器件，从电流控制到电压控制( 场控) ；从 低频开关到高频开关；从单片元件到模块化、集成化、智能化；从小功率到大功率，新 代的器件带来新一代的变流技术和变频器，又推动了新一代电机控制系统的产生，成 为现代电机控制技术发展的先锋。 ( 1 ) 晶闸管是初期可控变流装置采用的主要器件，它只能触发导通不能控制关断， 属于半控器件，用于可控整流很适合，若用于可控的逆变器，就需要强迫换流电路。 ( 2 ) 7 0 年代以后p m o s f e t 、b j t 、g t o 和i g b t 等全控器件问世，其中b j t 和 g t o 是电流控制型，而p m o s f e l l 和i g b t 是电压控制型，即场控器件。8 0 年代出 现的i g b t 融合了m o s f e t 和b j t 的优点，其开关频率高、采用m o s 门驱动、无二 次击穿问题、导通压降小、安全工作区域宽，噪音低，成为中小容量交流变频器的主要 功率器件。 ( 3 ) 随着超大规模集成电路制造技术的提高，电力电子技术领域的新趋势是发展功 率集成电路( p i c ) ，将电力电子器件和驱动电路、保护电路、一部分检测电路、甚至和 微机的接口电路等集成在一个芯片内，体积小、功能多、成本低，使硬件电路设计和开 发变得简单可靠。目前p i c 只能达到低压小功率的水平，如智能功率模块( i p m ) ，作 为p i c 的过渡产品，在交流变频调速器中己大量使用。 随着电力电予器件的不断更新换代，变流技术也在向前飞速发展。由晶闸管组成的 相控型逆变器，在负载及输电线路上产生较大的低次谐波，并从输电线路吸收大量滞后 的无功电流，常需配备庞大而昂贵的滤波器，使装置复杂化、体积庞大，性价比较低。 电流电压p w m 逆变器则能有效地消除谐波，并不产生无功功率。更值得一提的是，采 用双p w m 的逆变器的功率因素能达到l ，并能使电机四象限运行，能量双向流动。电 力电子器件和变流技术的广泛应用，将节省许多能量，大大减小设备尺寸，增大性价比， 同时将导致水力、风力及火力发电机退出历史舞台，进而消除空气污染、酸雨、温室效 应等一系列环境问题，以及缓和能源危机问题。 硕士学位论文 1 2 2 微处理器的发展 在现代交流调速系统中，由模拟电子电路构成的模拟控制己不能适应复杂控制策略 和大量数据计算的需要，以微处理器为核心的数字控制器己经成为交流调速控制器的主 流。采用微处理器控制，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，既降低了成本， 又提高了可靠性，同时控制软件执行速度快，且易于移植和升级，能够实现各种新型的 复杂控制策略，如无速度传感器矢量控制，自适应控制，模糊矢量控制及神经网络控制 等智能控制算法。 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如i n t e l 公司的5 1 系列和】9 6 系列单片机，都得到了广泛应用，特别是8 0 c 1 9 6 m c 具有片内波形发生器( w f g ) ，可 产生3 对独立的p w m 信号，特别适合于交流电机控制，在一般的变频器中很多都采用 这种单片机。它具有丰富的软、硬件资源，可用于实时控制，但当数据计算量较大或需 进行浮点运算，或对快速性要求较高时，它不能满足需要。为了进一步提高运算速度， 特别是针对矢量控制这种具有复杂控制方案和大量数据计算的场合，8 0 年代初推出了数 字信号处理器( d s p ) ，目前最常用的是i 、i 公司专门为数字电机控制设计的 t m s 3 2 0 f c 2 4 x 系列d s p 。2 4 x 采用改进的哈佛结构，程序存储空问、数据存储空间 和输入输出端口并行分布设计，其指令执行采用4 级流水线操作，运算速度快，最快 可达到3 3 n s ，适用于对快速性和实时性要求很高的控制场合。同时它内带的“事件管理 器”中含有定时器、比较单元以及p w m 产生电路，可以根据需要产生6 路互补并带死 区控制的p w m 信号。2 4 x 具有1 6 路1 0 位片内a d 、串行通讯、中断控制、串行外设 接口等功能，像2 4 0 7 还带有c a n 模块。所有这些功能都使得2 4 x 特别适合于交流调 速控制。本文实验部分就采用f 2 4 0 作为控制器来实现多相感应电机的矢量控制。 综上所述，电力电子器件和微处理器是现代交流调速系统发展必备的两项物质基 础，它们的迅速发展推动交流调速系统不断更新，促进了矢量控制理论的不断发展和具 体应用。 1 3 交流电机调速系统的发展与现状 工业领域中，一种简单经济的交流感应电机控制方法就是开环v h z 控制，但控制 性能不佳，尤其当负载或电源波动时性能更差。矢量控制用解耦的方法实现了对交流电 机的控制，它促使交流调速逐步取代直流调速。矢量控制又分为b l a s c h k e 提出的直接矢 量控制方法和h a s s e 提出的间接矢量控制方法。前者易产生谐波噪声，且低速时因定子 压降相对较大而导致控制性能不佳，而后者则不存在上述问题，但它过分依赖于电机参 数，因而电机参数辨识也度成为研究热点。一种比较理想的控制方法就是将两者相结 合，即低速时采用间接矢量方法，高速时切换到直接矢量方法。采用矢量控制时交流电 机和直流电机的数学模型相似，许多直流电机的控制算法能直接用于交流电机。同时， 基于d s p 多相感应电机的矢量控制系统 高性能d s p 、精简指令集微处理器及专用集成电路的问世，也促进了交流电机自适应控 制及最优控制的发展。为了进一步提高交流调速系统的性能，交流电动机的自学习、自 组织等智能控制方法( 如专家系统控制、模糊逻辑控制及神经网络控制等) 也相继提出。 这些智能控制方法特别适用于调速系统的在线离线故障诊断以及系统数学模型不准确 或系统模型参数不稳定的场旮8 州。 综上所述，三相交流变频调速系统经过多年的发展，各种高性能的调速方法已近成 熟，但在提高系统可靠性方面做的工作不多。多相电机的提出，从系统级提高了调速系 统的可靠性，相对普通三相交流电机而言，它具有许多独特的优点1 1 。j j ，且制造工艺和 成本与三相电机相当。这些都促进了多相电机调速系统的飞速发展。 品闸管的问世以及功率器件的发展，解决了功率变换的器件问题。各种变换电路的 出现以及功率变换技术的发展，使由多相变频器和多相电机组成的多相电机调速系统的 实现和应用成为可能，引起了人们对多相电机调速系统开发的广泛关注。 调速系统的设计目标是获得变频器和电机褶结合的最佳整体性能。输出电压电流为 方波时，变频器性能最佳；用正弦电压电流供电时，交流电机的气隙磁场按正弦分布， 其性能最佳。因此设计调速系统时，有必要在电机和变频器的性能需求上寻求某种折衷 的方案。多相电机调速系统的研究大体上也是沿着这条主线发展的。e ew a r d 、g m c l e a n 、且且n e l s o n 、，ek r a u s e 等在这方面做了许多研究，发现多相感应电机的转矩 脉动频率增大且脉动幅值减小。定子电流谐波幅值却增大，定子损耗也增加【l 7 j 【l 洲11 9 1 o 通过坐标变换，h a m i d a t o l i y a t 等建立了砌掣标系下五相感应电机的数学模型，并利 用滞环p w m 电流型逆变器实现了矢量控制 2 0 1 圳。y f a nz h a o 从空问矢量解耦的角度出 发，通过空间分解得到幽能量转换平面和2 个只产生谐波的零序子空间，提出多相电 机空间电压矢量的选择方法，并采用扩展的矢量控制方法对双y 移3 0 。六相电机系统 进行控制，不但可获得高性能的控制效果，而且可使定子谐波电流最小【2 2 1 。 随着交流调速系统的兴起，人们越来越关注调速系统的可靠性，在2 0 世纪7 0 年代 末，多相电机调速系统成为新一轮的研究热点。b e t c r a od er o s s i t e rc o r r e al l j a u r i c i o 、 r i c h a r d z h a n g 等通过给三相交流调速系统的中线加一桥功率器件，增强了三相电机的冗 错工作能力 2 3 1 i “，t mj a h n s 提出了相冗余的概念，通过增加调速系统的相数来增强系 统可靠性口”，l t a m i d a t o l i y a t 、p a v i t h r a n 足等分别对五相开关磁阻同步电机及感应电 机的矢量控制做了深入研究，并进行了数字仿真和实验f 2 6 】f 2 7 】。1 c f a nz h a o 利用空间矢量 解耦的方法，也对因定予绕组开路而造成的不对称多相感应电动机调速系统进行了数学 建模、数字仿真和实验【28 1 1 2 9 i 。上述研究结果都表明，多相电机的性能明显优于普通三相 电机，尤其是当多相电机一相( 几相) 定子开路或短路时，调速系统性能仍然比较理想， 多相调速系统的确具有较高可靠性。 多相电机调速系统比三相系统具有更高的可靠性，但故障后需修正控制算法。为了 真难实现多相系统的可靠运行，人们竞相研究多相电机故障后的运行情况，并采取各种 一4 硕士学位论文 控制策略以实现多相电机的无扰运转。在三相电机调速系统中，当变频器某相开路或二 相电机缺相时，需连接中线以便实现剩余两相的独立控制。多相电机调速系统则充分利 用相冗余的优势，当某相( 或几相) 逆变器桥臂( 或电机定子绕组) 开路时，无需连接 中线并能继续运行，在不平衡供电情况下，通过采用电流滞环控制和电流预测控制等抗 扰策略对剩余各相电流的幅值和相位进行调整，以维持电机的圆形旋转磁动势不变，从 而保证系统性能基本不变，系统故障时可降额运行而不必停机”川”。 数字信号处理器( d s p ) 和大规模可编程逻辑器件( c p l d 等) 的迅速发展，使得 它们被广泛应用于实现高性能的电机调速。侯立军等使用浮点型d s p 和c p l d 实现1 5 相感应电机的矢量控制方法，并取得了很好的实验效果【j 。 然而，我国目前对多相电机调速系统的研究刚刚开始起步，在许多相关领域还是一 片空白，有待于我们进一步研究。 1 4 本文研究的目的和内容 大功率变频调速是电力节能的主要渠道之一。在大功率拖动领域，我国一直没有自 主知识产权的产品。从大功率交交变频到现在的大功率调速的主流产品一三电平变频 器，我国一直受制于国外公司。大功率变频调速器受制于国外，一个主要原因是我国的 功率半导体器件的研发、制造水平低，阻碍了高性能的高压大功率逆变器的产品化。而 单元串联型中压变频器和多相变频器呵以使用目前技术比较成熟、货源充足的较低电压 等级的功率半导体器件来实现大功率。串联型变频器已经由北京凯奇公司率先实现了国 产化，功率等级从儿百千瓦至千千瓦不等，并已有多台投入工业运行，节能效果显著。 但这种拓扑结构的逆变器由于难以实现四象限运行，因而只适合于风机、水泵等拖动等 对调速要求不高的场合。而多相变频调速系统因其系统可靠性高、能实现低压大功率、 转矩脉动小等优点，非常适合于精密的、大功率的和高性能的传动场合。本文的研究对 于多相变频调速系统的进一步深入研究具有一定指导意义，将对我国拥有自主技术的大 功率拖动系统起到积极的推动作用。 多相变频调速系统控制方法目前还限于简单借鉴三相变频调速的控制方法。多相电 机作为较新的控制对象，在电机数学模型、p w m 调制算法和高性能调速策略方面缺乏 深入的研究。本文的目的就是在详尽分析多相感应电机的特点的基础上，综合、吸收三 相电机变频调速系统成熟的控制方法，结合多相感应电机的特点，研究适用于任意多相 感应电机的矢量控伟j j ( f o c ) 高性能调速策略，并以六相感应电机为例进行仿真和实现。 具体包括如下内容： 矢量控制原理及三相感应电机矢量控制仿真； 多相感应电机的数学模型及稳定性分析； 多相感应电机矢量控制系统仿真分析； 多相感应电机矢量控制系统基于d s p 的具体软硬件实现。 控制策略以实现多相电机的无抚运转。在三相电机调速系统中，当变频器某相开路或二 相电机缺相时，需连接中线以便实现剩余两相的独立控制。多相电机调速系统则充分利 用相冗余的优势，当某相( 或几相) 逆变器桥臂( 或电机定子绕组) 开路时，无需连接 中线并能继续运行，在不平衡供电情况下。通过采用电流滞环控制和电流预测控制等抗 扰策略对剩余各楣电流的幅值和桐位进彳丁调整，以维持电机的圆形旋转磁动势不变，从 而保证系统性能基本不变，系统敞障时lu 降帮l 运行而不必停机”o 【”j 。 数字信号处理器( d s p ) 和大规模可编程逻辑器件( c p l i ) 等) 的迅速发展，使得 它们被广泛应用于实现高性能的电机调速。候立擎等使用浮点型d s p 和c p l d 实现1 5 相感应电机的矢量控制方法，并取褶了很好的实验效果。“j 。 然而，我国目前对多相电机调速系统的研究刚刚开始起步，在许多相关领域还是一 片写芒自，有待于我们进一步研究。 1 4 本文研究的目的和内容 大功率变频调速是电力节能的辛要渠道之一。在大功率拖动领域，我国一直没有自 主知识产权的产品。从大功率变交变频到现在的大功率调速的主流产品一三电平变频 器，我国一直受制于国外公司。大功率变频调速器受制于国外，一个卞要原因是我困的 功率半导体器件的研发、制造水平低，阻碍了高性能的高压大功率逆变器的产品化：| f | 】 单元串联型中压变频器和多相变频器口丁以使用目前技术比较成熟、货源充足的较低电压 等级的功率半导体器件来实现丈功率。串联型变频器已经出北京凯奇公司率先实现了圈 产化，功率等级从几百千轧至千丁瓦不等，并已有多台投入i q k 运行，节能效果显著。 但这种拓扑结构的逆变器南于难以实现网象限运行，因而只适合1 。风机、水泵等拖动等 对调速要求不高的场合。而多相变频调速系统因其系统可靠性高、能实现低压大功率、 转矩脉动小等优点，非常适合丁精密的、大功平的和高性能的传动场合。本文的研究对 于多相变频调速系统的进一步深入研究具有一定指导意义，将对我国拥有自主技术的犬 功率拖动系统起到积极的推动作用。 多相变频调迷系统控制方法目前还限1 简单借鉴- - $ f f 变频凋速的控制方法。多相电 机作为较新的控制对象，在电机数学模型、p w m 调制算法和高胜能调速策略力面缺乏 深入的研究。本文的目的就足在详尽分析多相感应电机的特点的基础上，综合、吸收i 相电机变频调速系统成熟的控制方法，结合多相感应甫机的特点，研究适用于任意多褶 感应电机的矢量控制r f o c ) 高性能调速策略，并以六相感应电机为例进行仿真和实现。 具体包括如下内容： 矢量控制原理及三相感应电机矢量控制仿真； 多槲感应电机的数学模型及稳定性分析； 多相感应电机矢量控制系统仿真分析； 多相感应电机矢量控制系统基于d s p 的具体软，硬件实现。 多相感应电机矢量控制系统基于d s p 的具体软，硬件实现。 基于d s p 多相感应电机的矢量摊制系统 第2 章矢量控制原理及三相感应电机矢量控制仿真 2 1 矢量控制的发展和基本原理 类似于电力系统中有交流供电与直流供电方案之争一样，在现代电机调速中，长期 以来就存在交流调速和直流调速方案之争，最后因多相交流电的发明，电力系统的交流 化获得胜利，从而使交流调速在电力拖动系统中拥有一席之地。在交流调速控制中，也 有标量控制和矢量控制。标量控制基于交流电动机的静态数学模型，只对电机的电压、 电流大小进行控制，因而不能获得理想的动态控制性能，要想获得理想的动态性能指标 必须寻找新的控制策略。 众所周知，直流电机的励磁电路与电枢电路相互独立，其励磁电流和电枢电流可单 独调节，从而使其励磁磁通、电磁力矩和转速也可分别调节，因此直流电机具有良好的 控制性能。然而交流电机中励磁电路与电枢电路不再独立，这导致交流调速系统的静态 性能和动态性能没有直流调速系统理想，因此探求一种与直流电机尽可能相同的交流电 机控制方案，是从事电力拖动的工作者多年向往的奋斗目标，也是交流电力拖动系统控 制的关键技术问题之一。1 9 7 1 年西德凡舭b l a s c h k e 等人首先提出矢量变换控制 ( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论，成功解决了这一难题，由此开创了交流电机等效直流电机 控制的先河。其基本思路是以产生同样的旋转磁场为准则，通过坐标变换，建立三相交 流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标系中正交绕组直流电流之间的等效关系， 把定子电流分解为两个正交分量转矩分量和励磁分量，实现交流电机磁链和电磁力 矩的解耦控制，从而可按照直流电机的控制规律来控制交流电机，获得与直流电机一样 良好的动态调速性能。 随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，无转速传感器矢量 控制、直接转矩控制、自适应控制、模糊逻辑控制及神经网络控制等各种新型控制策略 不断涌现。由于矢量控制中包含大量坐标变换、矢量运算以及非线性的复杂运算，必须 对交流瞬时值进行高速运算和实时控制，所以它对控制器的运算速度、处理能力等性能 要求较高【j 。它的应用曾一度因处理器性能低而受到制约，但1 6 位单片机8 0 1 9 6 m c ， 尤其是d s p 的出现促进了它的飞速发展和广泛应用。 2 2 坐标变换 直流电机的数学模型比较简单，而交流电机在三相静止坐标系中的数学模型很复 杂，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，难于采用传统的控制方法进行交流 调速，因此有必要采用矢量控制，即通过坐标变换将其数学模型做尽可能的简化，使其 硕j 。学位论文 数学模型类似于直流电机的数学模型。 _ ：= 三相系统的矢量控制中常用以下三种坐标变换：三相二相的静止坐标变换( 3 s 2 s 变 换) 、二相二相旋转坐标变换( 2 s 2 r 变换) 和三相仁相旋转坐标变换( 3 s 2 r 变换) 。 2 2 1 从三相到两相的静止坐标变换( 3 s 2 s ) 图21 中，a 、b 、c 为三相刘称静止绕组，通以三 相平衡的正弦电流，产生合成磁动势f ? ，以刚步转速 。，旋转，a 、b 、c 轴称为三相静j t ：坐标系。a 、卢 为两相静止绕组，它们在空间相互羞9 0 ”，且通入时间 ：互差9 0 0 的两相电流，也产生相同的磁动势f ，口、 卢轴称为两相静止坐标系。由于它们的磁动势和转速 相等，因而认为这两种坐标系等效。由静ra 、b 、c 坐标系到静止a 、坐标系的变换矩阵。胁为： 图213 s 2 s 坐标变换 ( 2 1 ) q 。，斟d 亿：、 2 2 ，2 从两相静止到两相旋转的坐标变： 奂( 2 s 2 r 1 图2 2 中，口一p 为两相静止坐标系，d - q 为两相旋转坐标系。d 、q 绕组在空间上互 差9 0 0 。若让d 、q 坐标以同步角速度。，旋转，则产生的磁动势与。- 口为两相静止坐标 其变换矩阵为： i i 。，r 、 上 ，9 、 ，。+ 、 ，7+ !一，目 j t 。一l d 图222 s 2 r 坐标变换 ， ， 一 x 一 声 一 b乩。，、|j|圯 一 。一：拈一：，一托。一：店一：。一压 。 。上压 压怄 = h ：= ：= ：= ：= = ：! ：! ：! ，：一一i 堑霉! 量塑壁壅皇垫塑墨量焦型丕笙 其逆变换矩阵为 rc o s os i n 0 。2 “2r 2 b n 0c 。s 0 j r ，一c o s 0 一s i n 0 q ”。一l s i n 0 c o s oj 2 2 3 从三相静止到两相旋转的坐标变换( 3 s 2 r ) 3 s 2 r 坐标变换是前两者的合成。由( 2 ，1 ) 及( 2 - 3 ) 可得其变换矩阵为o ”1 口s i n ( o - 1 2 0 。) s i n ( o + 1 2 0 。) c ，s j ：r 。j 吾l 。彳移c 。s e 8 i 1 2 。，c 。s ( 移j 1 2 。) l 压 压压 2 3 三相感应电机在不同坐标系下的数学模型 2 3 。1 在两相静止坐标系( 盯一5 ) 7 的数学模型 电压方程： “ “弘 “甜 “西 0 + l ，p 0 l 。p 一，三。 0 r 、+ l ，p ，。 l 。，p 0 l j ，p 。l 0 + l ，p 其中，l ，= 工，、+ 吾e 。，e ，= ，+ ；。，上。，= 吾上。p = i d 电磁转矩方程： l = 凡。( f 口i 。一i 。f p ) 2 3 2 在两相旋转坐标系( d - q ) t 自o 数学模型 电压方程： 卧隧嚣漉1 l “ 批 z 甜 z “ 1 “ z 廿 z 矿 ( 2 3 1 r 2 4 1 f 2 5 ) f 2 6 、 r 27 1 ( 2 8 ) f 2 9 、 o 也 磁链方程 小 妒“， 毕d ， 。， i 上。0，- 。0 0 、0 上。 l 。，0 0 0 。0 上， f 2 1 0 ) 电磁转矩方程： r ，= 凡。( f q 。f “m i ) ( 2 1 1 ) 2 4 磁场定向和矢量控制的基本方程 在三相感应电机中定子电流并不和磁场转矩成正比，它既有产生转矩的有功分量， 又有产生磁场的励磁分量。矢量控制的思想就是通过坐标变换，来实现定予电流转矩分 量与励磁分量的解耦，从而实现感应电机磁场和转矩的独立控制。 2 4 1 磁场定向 规定d 轴沿着转子总磁链矢量1 l ，的方向，则v ，在q 轴上的分量为零，即转子磁道 仅由d 轴电流珏产生。因而有1 1 ，= vd r ，且1 | ，。t ：o 。由式( 2 10 ) 的第三、阳行有： 帆p = 上。f + l r i “= “ ( 2 1 2 ) 。，= 工。f “ 十上w i = 0( 2 1 3 ) 将式f 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) ，得： “小 “ 州 甜d r u i m + l 、p 1 三， l 。，p 。l m c o l t j4 - 上、p 0 0 l 。p 叫t 0 + 上，p 。上， 一种i 厶， 。p 0 r 4 - l ，p t ：h t ! 、 ，出 0 ( 2 1 4 、 将式( 2 1 2 ) ，( 2 13 ) 代入式( 2 】1 ) ，得： ， t = p ；旦f 掣妙， ( 2 1 5 ) “ 由( 2 1 5 ) 式，可以看去感应电机在d - q 坐标系上得转矩方程与直流电机得非常相似， 从而实现非线性解耦。 2 4 2 矢量控制基本方程 1 电压方程 对于鼠笼式感应电机，转子绕组短路，故有“，= 0 ，由式( 2 1 4 ) n - i - 得： 基于d s p 多相感应电机的矢量控制系统 “幽 “m 0 o ，：+ l 。p c 0 1 l ， l 。p 。上。， 一国1 l 。 + 上。p 0 0 上。p一国1 l 。 l l 、l n , p ，+ l ，p 0 国，l ， z 。“ z 州 l l 旷 ( 2 1 6 ) 2 磁链方程 磁场定向后，转子磁链矢量1 l r ，的方向与d 轴正方向一致，即i l sr = i l rd 2 ，1 l ，。2 - - 0 。 由式f 2 1 0 ) 有： 降 l 。0 上。，0 0 l 。0j l 。， l 。j 0 l?0 0 l ，。0l ， 3 转矩方程 与式( 2 1 5 ) 相同： 丁：= p 毒生f 妒l ；f ， l ， 4 电流方程 由式( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 可得出d - q 坐标系中的定、转子电流 ：! 掣 l i ，= 南，? jp y ， f 一一 1 z 。一妒，印、，j 式中，d 为转子时间常数，t , - l r , ，。，为转差频率。 5 转速方程 由式( 2 1 6 ) 第四行可得： y2 一j | ：? r ， 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 2 2 ) ，并考虑到t ，l r , ，则 上i ，。 珊= o - ， 6 转子磁链位置方程 1 0 一 ( 217 1 f 2 1 8 1 汜1 9 1 ( 2 2 0 ) f 2 2 1 1 【2 2 2 ) ( 2 2 2 ) “ ”啪? ” riiiii。iiiiiiii址 | 1ll，j 硕十学位论文 正像交流异步电动机的“异步”定义那样，它的转子转速并不等于转子磁链的 转速。这就是说不能通过位置传感器或速度传感器直接检扫l t l n 交流异步电机的转子 磁链位置。而转子磁链位置在交流异步电机的矢量控制中是。个非常重要的参数， 没有它就无法进行坐标变换和逆变换。卜面来推导转子磁链位置的计算方法：利用 矢量控制方程可以得到y ，和“，。信号，【l 。信号与实测的转速信号u 。相加得到定 子频率信号。- ，再经积分，即得转子磁链的相位信号0 。： 吼= i ( ，+ ，瑚 ( 22 3 ) 这种磁链位置观测模型适合于微机实时计算，一般都容易稳定，而且比较准确。 磁链幅值可以由公式( 2 1 8 ) 得到： ， “ 2 7 意弘 2 2 4 ) 2 5 三相感应电机矢量控制的仿真 本节将简单介绍本论文所用到的计算机仿真环境一m a t l a b s l m u l i n k ，并根据前 面推导的数学模型建立仿真模型，利用它对三相感应电机矢量控制系统进行数字仿真， 以便和后续章节的多相感应电机矢量控制做性能比较。 2 5 1m a t l a b s i m u l i n k 简介 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的用丁数学计算的一套软件，它具有强大的数值 运算功能、丰富的工具箱、简便的绘图功能、可视化的仿