（信号与信息处理专业论文）无速度传感器感应电机矢量控制系统的研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 无速度传感器矢量控制( s v c ) 由于省去速度传感器，取消了相关的编码盘连线，降低 了系统的维护成本，提高了系统可靠性，故该技术近年来得到广泛关注。该技术的核心便 是如何快速准确地估算电机转速信号。目前应用较多的转速辨识方法普遍存在低速或接近 于零速时性能较差、负载及电机参数扰动时动态性能不理想等缺点，因此，对高精度速度 估计器及相应的电机参数辨识器的研究就成为了热点。在此背景下，针对现有方案的不足， 本文以感应电机( a c ) 为控制对象，对无速度传感器矢量控制技术展开理论与实验研究，主 要的研究内容如下： ( 1 ) 首先，系统地分析了感应电机矢量控制的基本原理。运用坐标变换理论，对比感 应电机在三种坐标系下的相关数学模型，阐明了转子磁链定向原理和电压型空间矢量脉宽 调制原理( s v p l i | m ) 及其实现方法；其次，针对两种典型的无速度传感器转速辨识方法 利用转子电动势计算同步角速度和基于m r a s 法构造转速方法，分析了二者的优缺点，并 在不同工况下进行了仿真效果分析，与本文所提转速辨识方法具有对比作用。 ( 2 ) 基于感应电机两相同步旋转坐标系状态方程，提出了带定子电阻辨识的转速估算 方案。在分别利用励磁电流微分方程和转矩电流微分方程推算转速的同时，利用二者的等 量关系实现了定子电阻在线辨识，通过实时更新定子电阻值，以完善所提转速估算方案。 该方法的优点是，同步转速估算无须借助转子或定子磁链，不含转子电阻，低速区定子电 阻的影响也得到有效改善。 ( 3 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境，对文章所提新的转速估算方案搭建了仿真模型， 分别在正转恒速和正转变反转两种工况下对其进行了估算误差分析，与基于m r a s 法构造 转速的仿真结果对比，论证了该方案具有较高的转速跟踪精度，对电机参数变化鲁棒性强， 系统运行稳定。 ( 4 ) 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 搭建了硬件平台，包括主电源电路、功率驱动平台以及相电压、 相电流采集电路等；给出了软件流程图，包括主程序流程图和各种中断子程序流程图，在 c c s 2 2 开发环境下编写了实验软件，最后结合实验结果对所提方法进行了有效性分析。 关键词：矢量控制；无速度传感器；转速估算；励磁电流微分；定子电阻辨识 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h e s p e e ds e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o lo ft h r e e p h a s e i n d u c t i o nm o t o r a b s t r a c t b ye l i m i n a t i n gt h es p e e ds e n s o r e a n c e l i n gt h er e l e v a n te n e o d e rc o n n e c t i o n ，r e d u c i n gs y s t e mm a i n t e n a n c e c o s t s ，i m p r o v i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y , s p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l ( s v c ) r e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni n r e c e n ty e a r s t h e nh o wt oe s t i m a t et h em o t o rs p e e ds i g n a lq u i c k l ya n da c c u r a t e l yb e c o m e st h ef o c u so f d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s a tp r e s e n t , t h em o r ea p p l i c a t i o ns p e e di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sc o m m o n l yh a v e u n d e s i r a b l es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sp o o rp e r f o r m a n c ea tl o wo rn e a rz e r os p e e dz o n e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c ei s n o ts a t i s f a c t o r yw h e nd i s t u r b a n c e db yl 0 a da n dm o t o rp a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，t h es p e e de s t i m a t o ra n dt h e c o r r e s p o n d i n gh i g h p r e c i s i o nm o t o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nd e v i c e sb e c o m eah o tr e s e a r c h i nt h i sc o n t e x t , t h ei n d u c t i o nm o t o r ( a c ) a sac o n t r o lo b j e c t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e ds p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y b o t hi nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la s p e c t s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fi n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r 0 1 u s i n gt h et h e o r yo f c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，c o m p a r e do fi n d u c t i o nm o t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h et h r e ek i n d so f c o o r d i n a t e s ，a n a l y s i s e do ft h er o t o rf l u x - o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt h e o r y , t h ep r i n c i p l eo fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) t h e o r ya n di m p l m e n t a t i o n s e c o n d l y , r e s e a r c h e do nt w ot y p i c a ls p e e di d e n t i f i c a t i o n m e t h o d s - - - - - - c a l c u l a t i n gr o t o rs y n c h r o n o u sa n g u l a rv e l o c i t yb yr o t o re m fa n dc o n s t r u c t i n gs p e e db a s e do n m r a sm e t h o d a n a l y s i s e do ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb o t h ，s i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， t h e yc a r lb ec o m p a r e dw i t hi d e n t i f i c a t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e ( 2 ) b a s e do nt h es t a t ee q u a t i o n so fi n d u c t i o nm o t o ro nt w o - p h a s es y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m ， a s p e e de s t i m a t i o nm e t h o dw i t hi d e n t i f i c a t i o no f s t a t o rr e s i s t a n c ei sp r o p o s e d o nt h eb a s eo fe s t i m a t i n gs p e e d t h r o u g ht h ee x c i t a t i o nc u r r e n td i f f e r e n t i a le q u a t i o na n dt o r q u ec u r r e n td i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，i d e n t i f i c a t i o no f s t a t o rr e s i s t a n c ei sp r o p o s e dt h r o u g he q u i v a l e n tr e l a t i o n ，s t a t o rr e s i s t a n c ev a l u ei su p d a t e di nr e a lt i m et o p e r f e c tt h es p e e de s t i m a t i o np r o j e c t t h es c h e m eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss y n c h r o n o u sr o t o rs p e e d e s t i m a t i o nw i t h o u tt h ea i do ft h es t a t o rf l u x ，r o t o rf l u xa n dr o t o rr e s i s t a n c e ，w h a ti sm o r e ，t h ei m p a c to fs t a t o r r e s i s t a n c eh a sa l s ob e e ni m p r o v e de f f e c t i v e l yi nl o w - s p e e dz o n e ( 3 ) i nm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t , b u i l d e das i m u l a t i o nm o d e lf o rt h ep r o p o s e ds p e e d e s t i m a t i o ns c h e m e r e s p e c t i v e l y , a n a l y s i s e de r r o ri nt w ok i n d so fc o n d i t i o n s c o n s t 锄ta n dc h a n g ef r o m n 浙江理工大学硕士学位论文 f o r w a r dt or e v e r s e c o m p a r e dw i t hs t r u c t u r es p e e db ym r a sm e t h o dc l o s e d - l o o ps y s t e m ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o g r a mh a sah i g hs p e e dt r a c k i n ga c c u r a c y , g o o dr o b u s t n e s sf o rm o t o rp a r a m e t e rv a r i a t i o n ，a n dt h e s y s t e mi ss t a b l e ( 4 ) b u i l d e dah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，i n c l u d i n gm a i np o w e rc i r c u i t ，p o w e r - d r i v e n p l a t f o r m sa n dp h a s ev o l t a g e ，p h a s ec u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i t ，e t c ；d r a w e das o f t w a r ef l o wc h a r t ，i n c l u d i n gt h e m a i np r o g r a mf l o wc h a r ta n df l o wc h a r to ft h ei n t e r r u p ts u b r o u t i n e w r i t t e nt h ee x p e r i m e n m ls o f t w a r ei n c c s 2 2d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t f i n a l l y , s h o w e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s e dt h ev a l i d i t yo ft h e p r o g r a n l k e y w o r d s , v e c t o rc o n t r o l ；s p e e ds e n s o r l e s s ；s p e e de s t i m a t i o n ；e x c i t a t i o nc u r r e n td i f f e r e n t i a l ；i d e n t i f i c a t i o n o fs t a t o rr e s i s t a n c e 1 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 交流变频调速是电气传动领域的核心技术之一。自2 0 世纪8 0 年代后期以来，随着现 代工业的迅速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的变频调速系统提出了越来越高的 要求，研究和实现强鲁棒性、宽调速范围的高性能变频调速系统成为国内外同仁的共识。 控制相对简单是直流电机的显著优点，然而在结构设计、制造工艺、工作可靠性、制 造成本、经济效益、节能、可维护性等方面，交流电机相比于直流电机具有较大优势，特 别在极高速传动( 离心机等) 和特大容量传动方面，交流电机具有明显优势。感应电机作 为交流传动的主流电机，在工农业和国防等方面占相当的应用比重。因此，感应电机的研 究对降低生产成本、提高产品质量以及节约能源等方面具有十分重要的意义。 但是，由于感应电机是一种多变量、强耦合、非线性的复杂系统，目前其高精度控制 问题仍然没有得到很好的解决i 。使得感应电机的控制性能无法与永磁同步电机相媲美。 所以，感应电机调速性能的改进一直是交流调速领域的研究热点。 矢量控制核心理论的提出与以d s p 为代表的高性能处理器的通用化，再加上电力电子 器件取得的进步，并辅以现代控制理论，这四大因素的结合给电气传动领域带来了深刻的 变革1 2 3 l 。感应电机的控制精度和性能也因此得到显著提高。众所周知，要想获得较高的控 制性能，必须要求转速闭环。转速传感器的应用可以提供较精确的转速信号，但是随之而 来的安装困难，硬件成本高以及在大温差、高湿度等恶劣环境下无法工作的问题，严重制 约了交流调速的发展。因此，无速度传感器技术已经成为交流调速发展的重要趋势之一。 通过检测直流母线电压和三相定子电流等可测物理量，带入相关转速辨识模型，估算 出反馈转速信号，便是实现无速度传感器矢量控制的方法。然而转速辨识的准确度一直是 该技术的重难点问题，其中重要的解决途径之一就是在转速估算的同时，对影响估算精度 的电机参数进行同步在线辨识。这些问题的研究德国、日本、美国仍然走在世界的前列， 尤以同本在无速度传感器方面做得最好。为了在该领域有所突破，国内的研究人员任务相 当之重。 现今，转速估算的方法主要有基于电机数学模型计算法，p i 调节器法，m r a s 观测器 法，卡尔曼滤波器及神经网络【4 9 】等，但是这些方法在系统实现复杂度、转速的估算宽度和 精度等方面各有不足，且很多还是在理论研究阶段。因此，研究出一种可行性好、精度高、 i 浙江理下大学硕士学位论文 实时性强的转速估算方法成为业内的当务之急。 本章首先介绍交流变频调速基本理论的发展。论述矢量控制和直接转矩控制理论的研 究现状。主要对无速度传感器技术的发展状况及当前主要的转速辨识技术做概括性介绍。 最后，给出本论文研究内容及章节安排。 1 2 变频调速理论的发展状况 1 2 1 矢量控制理论的发展 在现代交流传动控制领域的早期，由于具有转矩电流和励磁电流本质上彻底的解耦特 性，直流调速方案长期占据主导地位。但是，结构复杂、换向器高成本以及电刷寿命有限 等固有缺点使得直流电机的进一步发展应用受到了极大的限制，尤其在高转速、大功率等 应用场合，显得力不从心。另一方面，受到当时电力电子器件和交流调速控制技术的限制， 使得交流调速方案长期停留在理论研究层面。 交流电机控制难于直流电机控制的根本原因，在于它的转矩电流和励磁电流是相互耦 合的，如果要将二者解耦，分别独立控制，交流电机控制的主要难点也就得到了解决。科 学家们一直在努力探索，终于在1 9 7 1 年，由美国科学家提出的“感应电机定子电压的坐 标变换控制 和德国科学家提出的“感应电机磁场定向的控制原理 解决了困扰交流传动 界多年的理论难题。成功地实现了上述两种电流的解耦，即矢量控制理论。但是，在当时 的科技水平下，以下的几点技术难点严重制约了矢量控制技术的发展：一、复杂的坐标变 换及其他一些非线性运算，影响了控制的实时性；二、由普通晶闸管构成的逆变器的开关 频率很低，不能适应矢量控制中电压电流的快速变化；三、安装在逆变器上的复杂的换流 电路降低了系统的可靠性i 旧】。在随后的多年时间里欧洲多国以及日本对矢量控制投入了 大量的研究，其中，德国b r a u n c h w e i g 技术大学w l e o n h a r d 、r a b r i e l 、g h e i n e m a n n 等教 授、德国s i e m e n s 公司、a a c h e n 技术大学电力电子和电气传动研究院和日本安川等公 司做出了较为突出的贡献。 从2 0 世纪5 0 年代后期的可控硅( s c r ) ，6 0 年代的大功率双极型晶体管( g t r ) 、门 极可关断晶闸管( g t o ) ，发展到2 0 世纪8 0 年代的金属氧化半导体场效应管( m o s f e t ) 、 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、智能功率模块( i p m ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 【2 】 等等，尤其是i g b t 的出现，迅速促使交流调速产品的实用化。另一方面，2 0 世纪8 0 年代 初出现的高性能数字信号处理器( d s p ) ，很好地满足了矢量控制这种大计算量、高计算精 浙江理1 i 大学硕+ 学位论文 度、强实时性要求的控制场合。电力电子器件的发展、d s p 等高性能信号处理器的应用以 及现代控制理论的丰富使得交流调速技术向着更高、更宽、更精的工控领域迈进。 针对感应电机动态数学模型的复杂的特点，现今应用较多的为按转子磁链定向的矢量 控制系统。矢量控制的重点是坐标变换，坐标变化的原则有多种，通常为遵循磁链不变原 则，即将三相坐标系上的定子电流i 、i 。、i 。经过c l a r k 变换，转化为两相静止坐标系上的交 流电流i a 、i b ，再通过p a r k 变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流i 、i 。通过 控制，可以使交流电机的转子总磁通沿着m 轴所指的方向，即总磁通o ，与m 轴电流成正比， 则绕组m 相当于直流电动机的励磁绕组，i m 称励磁电流；转矩与t 轴电流成正比，绕组t 相 当于伪静止的电枢绕组，“称转矩电流，从而实现磁链和转矩的解耦控制。由此可见，通 过转子磁链定向控制后，交流调速系统等效成了直流调速系统，对直流电机的控制方法便 可应用于交流电机，同时具备了直流调速和交流调速的共同优点。该方案的不足是转子磁 链的检测精度受制于电机参数，尤其是转子时间常数的影响较为明显。但是它成功地实现 励磁电流和转矩电流的解耦，在控制精度和动态性能等方面都有较理想的效果。另外，按 气隙磁链定向和按定子磁链定向控制也是目前研究较多的矢量控制方案。但这两种方案在 解耦算法复杂度等方面不如前者，故实际应用中多采用按转子磁链定向矢量控制方案。 1 2 2 直接转矩控制理论的发展 近年来，作为交流调速的另一种较好的控制理论直接转矩控制，获得了较大的发 展【j2 1 。自1 9 7 7 年美国科学家提出的直接磁链和转矩调节法，至j j l 9 8 5 年德国教授 m d e p e n b r o c k 首次提出直接转矩理论，采用转矩模型、电压型磁链模型及电压空间矢量控 制的p w m 逆变器，实现转速和定子磁链控制，取得了实际应用的成功。随后日本学者 i t a k a h a s h i 提出了定子磁链轨迹近似圆形的直接转矩控制方法，1 9 8 7 年又将它推广到弱磁 调速范围。至此，这项着眼于定子磁链定向的交流控制技术获得了较完整的发展。该方案 利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子交流坐标系下分析感应电机的数学 模型，估算定子磁链和转矩，采用双位式b a n g b a n g 控制器，把输出转矩的给定值与估算 值、定子磁链大小的给定值与估算值进行比较，使输出转矩和定子磁链大小的波动限制在 一定的允许误差范围之内，具有较好的动态性能。 直接转矩控制直接通过检测电机定子电压和相电流信号，后经静止坐标变换，然后借 助瞬时空间理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转 矩的直接控制l l i 】。 浙江理工大学硕十学位论文 当然，矢量控制和直接转矩控制在控制性能上各有特点，表1 1 给出了这两种方案的性 能与特点比较。 表1 1 矢量控制与直接转矩控制性能与特点比较 1 3 无速度传感器技术的发展 1 3 1 无速度传感器技术发展及现状 早在2 0 世纪7 0 年代中期，国外学者就开始在无速度传感器领域进行探索， a a b b o n d a n t i 等人首先推导出了基于稳态方程的转差率估算方法，调速范围可达1 0 ：l ， 显然，较小的调速比和稳态的前提条件，限制该法动态调速性能，使其实际应用价值有所 降低。期间，又用很多学者提出采用检测对处理器速度要求过高的物理量，来辨识转速， 然而因为电力电子技术及控制处理器技术的发展水平较低，这些方法也只有在电机高速区 域才能有较好效果。直到1 9 8 3 年，r j o e t t e n 等人将无速度传感器应用于矢量控制 ( s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l ，s v c ) ，该技术的应用才得到了质的进步。 由于省去了速度传感器的安装而带来的经济和使用上的优势，使无速度传感器矢量控 制技术获得了广阔的发展空间。如何实时跟踪转速信息是这项技术的核心问题，影响转速 估算精度的电机参数在线辨识也是业内人士研究的重点。目前，针对这些焦点问题，各国 学者提出了许多方法，基本上可以分为三类：基于基波模型的方法、高频电压电流信号注 入法和人工智能法。基于基波模型的方法成果较多，主要有基于电机状态方程的开环直接 计算法【1 3 】、基于磁链等物理量的观测器模型上的转速辨识法【1 4 。7 1 、模型参考自适应法 ( m o d e lr e f e r e n c i n ga d a p t i v es y s t e m ，m r a s ) 1 t 8 - 2 0 、反电动势法【2 1 2 2 】及电感法【2 3 1 。目 前应用较为成熟的方法中以此法居多。交轴电枢和直轴电枢反应电抗对电机性能的影响称 为凸极效应，高频信号注入法【2 4 。2 6 1 正是根据此效应，将一定频率的高频信号注入到电机中， 4 浙江理工大学硕士学位论文 然后通过检测电机中相对的信号，进一步得出转子位置。人工智能是近年来兴起的一种新 理论，该法可能是未来的发展方向，目前，其中的基于人工神经网络【2 7 。2 9 】的方法在电机转 度估计中研究的相对较多。以下对上述转速辨识方法中具有代表意义的几种方法予概述。 ( 1 ) 动态转速辨识法。借助转子磁通和转子反电势估算转速时这种方法的典型代表。 优点是所建模型简洁，执行效率高。然而依据电机数学方程构建的算法，导致的不足是对 电机参数的依赖过大，鲁棒性较差。在转速估算的同时，再配合相应的参数辨识算法，将 有效提高该法的实用性。本文依据上述原理，提出了一种带定子电阻在线辨识的转速估算 法，详见第三章。 ( 2 ) 模型参考自适应法( m r a s ) ，该法的模型由三部分组成，分别为：含有转速信号 的可调模型、不含转速信号的参考模型和由前两个模型输出量之间的误差构建的自适应 率，可调模型和参考模型具有相同的输出物理量。依据参考模型不断调节可调模型，最终 使二者的误差趋于零，此时便有实际转速趋于设定转速。典型的代表法有反电势估算法、 转子磁通估算法和无功功率法。目前，这三种方法已经得到深入研究，但是美中仍有不足。 基于稳定性设计的前提保证了该法的渐进收敛性。但是，实际中，可调模型的调节标准是 参考模型，所以参考模型本身的参数准确程度是衡量该模型性能的重要依据。 ( 3 ) p i 自适应控制器法。通过将某些量的误差经p i 自适应控制器调节来获取转速 信息，有些结构实际上是m r a s 法的变形。所利用的误差量主要有转矩电流的误差、转子q 轴 磁通的误差、给定和计算的电磁转矩的误差、计算转子磁链的电压模型法和电流模型法的 误差等。利用该法所建模型结构简洁，不足之处是动态转速依赖于实际调试，存在一定的 低速估计误差。 ( 4 ) 扩展卡尔曼滤波器法。该法的前提是将电机的转速信号状态量化，核心是将电 机的五阶非线性模型在每一估计点线性化，然后利用扩展卡尔曼滤波器法估算转速。优点 是噪声抑制性好，转速估算精度高。不足是系统复杂、计算量大对电机参数变化的鲁棒性 较差。 ( 5 ) 神经网络法。是智能控制法的代表，大多是基于模型参考自适应理论建立起来 的。该法将电流模型转子磁链观测器换为神经网络，采用误差反向传播算法的自适应律估 算转速。目前，这类智能控制法在理论研究方面还不成熟，现阶段还没有相应的高速处理 能力的硬件支持，有待于更进一步的研究开发。 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 2 无速度传感器技术的研究趋势 无速度传感器技术的关键是用软件和硬件结合构建反馈速度信号以取代转速传感器。 目前已有的速度辨识器的应用大多受相关前提限制，尤其在低速范围受电机参数影响较大 的问题一直没能得到很好的解决。因此，对高精度速度估计器及相应的参数辨识器的研究 是未来无速度传感器技术研究的一个重要方向。 ( 1 ) 电机参数辨识法。感应电机的多变量、强耦合的特点，决定了其转速的估算或 多或少会受到电机参数的影响，其中低速区定子电阻和高速区转子电阻的影响尤为明显。 解决此问题的主要方法是在估算电机转速的同时，辨识转速估算模型中的相关电机参数， 通过实时更新这些参数，以提高转速估算的性能。该法在低速区研究较多，除了定子电阻 和转子电阻辨识法外，还有利用特殊激励信号响应的电机参数辨识法 3 0 - 3 2 以及通过人工智 能的方法辨识电机参数法【3 3 3 4 1 。目前人工智能的方法由于现实的硬性条件的限制，尚处在 理论研究阶段。本文为提高所提转速估算的低速性能，提出了一种新的具有感应电机励磁 电流微分方程和转矩电流微分方程的定子电阻辨识法，详细的理论推导及实验验证见以下 章节。 ( 2 ) 智能转速辨识方法。主要有神经网络控制、模糊控制、集成智能控制和组合智 能控制3 5 - 3 8 ，这些方法不依赖于电机数学模型，在一定程度上改善了系统低速性能。实时 性是控制系统的一个重要指标，因此，网络实现复杂的学习算法的费时性与当前的控制器 无法满足这一快速需求之间的矛盾，限制了该法的发展。根据控制系统特性，进一步完善 相关理论，简化算法，提高辨识效率，是目前的研究趋势。 1 4 论文主要研究内容及全文结构 进入2 1 世纪以来，随着高性能数字信号处理器( d s p ) 以及电力电子半导体开关器件 技术的迅速发展，交流传动控制得到了长足发展。德国将矢量控制技术应用于大功率系统 方面的实力很强；日本将无速度传感器应用于通用变频器；美国科技人员在电机参数辨识 方面研究的较为深入。因为省去了速度传感器而带来的优势，使得无速度传感器技术获得 了较快的发展，也是未来交流驱动产品的主流，如今有无采用无速度传感器技术已经成为 高性能通用变频器和一般变频器的分水岭。所以，分析现有方案的优缺点，继承优点，克 服缺点，进一步扩大转速辨识适用范围以及提高抗参数变化的鲁棒性，开发出强适用性、 高效率的感应电机无速度传感器矢量控制系统，具有重要意义。为此，本论文针对三相感 应电机无速度传感器矢量控制系统展开理论与实验研究。全文主要研究内容与章节安排如 6 浙江理工大学硕士学位论文 。f ： 第一章介绍无速度传感器矢量控制技术发展历程及研究现状。开篇简述感应电机控制 技术的发展，对比矢量控制和直接转矩控制的原理及优缺点；接着，主要介绍无速度传感 器技术的发展，通过对国内外文献的解读，归纳了现有的s v c 系统中主要的速度辨识方法， 并对其中具有代表意义的几种方法做简要介绍。 第二章阐述了矢量控制的基本理论，为后续研究搭上平台。运用坐标变换原理，通过 对比分析感应电机在不同坐标系上的数学模型，说明了转子磁链定向原理。接着对s v p w m 算法进行详细分析。 第三章研究了一种基于励磁电流微分方程的转速估算方法和感应电机s v c 系统的实现 方案。本章首先对现有的典型转速辨识方案深入分析，针对其中的不足，研究出基于感应 电机励磁电流微分方程的转速辨识方案，结合基于转矩电流微分方程的转速估算方案，推 导出了一种新的定子电阻辨识方法，配合提出的转速辨识方案，提高了转速辨识精度，尤 其使系统的低速性能得到改善。 第四章对设计的感应电机s v c 系统进行仿真验证及结果分析。本章首先选择了现有具 有代表意义的感应电机s v c 系统( 即通过比较转子磁链的电压模型和电流模型用p i 控制 闭环构造转速) 基于m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真分析，接下来，重点对第三章所建的感 应电机s v c 系统搭建仿真模型，分系统空载启动及正转变反转两种工况对系统中所提新的 转速辨识算法进行仿真验证。并与现有方案进行仿真对比分析。 第五章设计感应电机s v c 系统的硬软件系统及实验结果分析。硬件部分重点对主电路、 隔离电路，功率驱动电路、相电流相电压处理电路等进行了详细分析。软件部分分别给出 了软件主循环流程图、中断处理子程序流程图、转子转速估算流程图及中断保护子程序流 程图，并给出相应的分析。最后给出了与第四章仿真结果对应的实验结果图，并根据实验 结果分析了系统工作性能。 第六章总结全文的研究结果，分析研究的不足，最后提出今后的进一步研究方向。 浙江理t 大学硕十学位论文 第二章感应电机矢量控制理论 采用恒压频比控制和转差频率控制的感应电机变频调速系统，由于电磁转矩未能得到 实时高效的控制，系统动态性能较差，一般应用于只要求平滑调速的变压变频控制系统。 但在像数控机床、载客电梯等高动态性能的调速系统或伺服系统中，必须采用高动态性能 的控制系统( 矢量控制等) ，矢量控制系统成功地解决了感应电机的转子励磁电流分量和 转矩电流分量的解耦问题，从而使交流调速系统的性能达到甚至超过了直流调速系统的性 能。然而深入研究感应电机的动态数学模型依然是实现高动态性能控制的前提。 本章首先以感应电机在三相静止坐标系上的数学模型为基本剖析点，根据坐标变换原 理，利用c l a r k 变换实现了从三相坐标系n - 相静止坐标系( 仅一p 坐标系) 的转换，再通 过p a r k 变换，实现了到两相同步旋转坐标系( m - t 坐标系) 的模型变换，最终得到感应电 机在二相坐标系上的状态方程。接着讨论了基于转子磁场定向原理，最后分析了s v p 帆! 的 基本原理及实现方法。系统地介绍了感应电机矢量控制的原理，为下面研究做好铺垫。 2 1 感应电机的数学模型 直流电机的动态数学模型只有一个输入变量( 电枢电压) 和一个输出变量( 转速) 。 在工程上允许一些假设的前提下，可以等效成一个单变量的三阶系统。感应电机数学模型 有两个输入变量( 电压( 电流) 和频率) 和两个输出变量( 磁通和转速) ，转矩为磁通和 电流乘积，其中的磁通又由电流乘以电感所得，转速乘以磁通又产生感应电动势，因为磁 通和转速是相互耦合的，二者的变化相互关联。在高性能动态控制系统中，设法使磁通保 持恒定，使其成为一个独立的输出变副3 9 】。可以用图2 1 定性地表示。由图可见三相感应 电机是一个多变量( 多输入、多输出) 系统，再考虑到的绕组的电磁惯性、系统的几点惯 性以及变量之间的积分关系，从而使感应电机数学模型是一个高阶、强耦合的多变量非线 性系统。 u ( ，。) 图2 1 感应电机的变量耦合数学模型 考虑到感应电机数学模型的特殊性，实际研究中为了处理问题方便，做出相关假设前 8 浙江理工大学硕+ 学位论文 提的可取的【1 1 。 ( 1 ) 不计铁心损耗； ( 2 ) 各绕组自感系数均不变，不计磁路饱和： ( 3 ) 三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 6 电角度，不计齿槽效应及空间谐波，所产 生的磁动势均沿气隙周围按正弦规律分布。 为了便于研究，本文将电动机转子一律等效成三相绕线转子，转子绕组电感和电阻等 参数等效到定子侧，于是有转子绕组、定子绕组匝数相等。假设定转子各绕组电压、电流 及磁链的正方向符合电机惯例和右手螺旋定则。以下所列方程均遵守以上前提。 2 1 1 感应电机在三相坐标系上的数学模型 感应电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程及运动方程组成。以f 逐一 给出。 1 、电压方程 三相感应电机电压方程的矩阵形式为： 口2r i + p ( l i ) 2 乃= r i + p 缈 2 ( 1 ) 或者写为： 口= g i + 工+ d l d o c a i 2 - ( 2 ) 式中：电压矢量 髓= 【g c l t , 砟】7 电流矢量 i = 【f c 乞f 6 】7 磁链矢量l ；，= 【虬虬】7 定、转子绕组电阻r = p = 瓦d 为微分算子 阻抗z = r + p l 墨00 00 0 0 r 0000 0 0 足00 0 00 0 足0 0 0000 r r 0 00000 r 9 浙江理工大学硕士学位论文 ( d l d 口) c o i 为电磁感应电动势中与转子转速0 3 成正比的旋转电动势 ”_ ，u b ，z | c ，“。，材6 ，u 。为定子和转子相电压的瞬时值 ，i 口，七，屯，f 6 ，t 为定子和转子相电流的瞬时值 虮，沙丑，y c ，虬为各相绕组全磁链 尺，r ，为定子和转子绕组每相电阻值 上述r ，和工，都已折算到定子侧。由于电动机绕组的对称性，并假定电阻与温度及频率 无关，可规定 定子各相绕组也= = 恐= r s = 常数 转子各相绕组兄= r = r c = 耳= 常数 2 、磁链方程 在电压方程的展开式( 2 1 ) 中我们运用了下式，及磁链方程。 妒= 工j = 【虬】7 2 ( 3 ) 式中l 为电感，f 为电流 感应电机定转子每相绕组的电感主要由绕组互感和与之对应的漏感组成，即： i 厶= 乙+ k l = 厶+ k 2 ( 4 ) 同理，每相绕组的磁链等于本身的自感磁链和与之对应的互感磁链之和，故可得磁链 方程的分块矩阵形式： 刚乏l 堋，j l i , 2 彤， 式中感应电机定子磁链 毁= 【，毁， 感应电机转子磁链 彤= 【既，匕】。 三相绕组定子电流 = i a ，f c 】7 三相绕组转子电流 = 【，如订 1 0 浙江理工大学硕十学位论文 三相定子绕组自感 瓦= 三相转子绕组自感 k = 厶+ k 三厶- 三厶 - 圭厶厶+ k- 吉厶 - 吾厶- 圭厶 厶+ k 厶+ k - 吉厶一丢k 圭厶厶+ k 一圭厶 一圭乙- 圭k 匕+ k 其中l m 为定转子某相绕组最大互感值 k k 为定转子漏感 由于经过折算后定转子绕组匝数相等，且各绕组产生的互感磁通都通过气隙，磁阻相 同，故可认为k = k = 厶，于是有： l j r = l 0 = l m s c 。s 0 c 。s ( 9 一) c 。s ( p + ) c 。s ( 口+ ) c 。s 0c 。s ( 口一) c 。s ( p 一) c o s ( 口+ ) c 。s 秒 3 、转矩方程 在磁路为线性、磁动势在空间按正弦分布的前提下，根据机电能量转换原理，可求得 电磁转矩疋的一种表达式为： z ：见厶。【( 屯+ + t f c ) s i n p + ( 屯+ + f c ) s i n ( p + _ 2 ：r ) + ( ) s i n ( p 一比脯) 3 2 ( 6 ) 上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的带有电流谐波的三相感应电机调速 系统。 4 、运动方程 一般情况下，机电系统的基本运动方程式为： t 。 - - 瓦。掣+ 旦缈+ 竺已2 ( 7 ) p 。d tp np n 浙江理工大学硕士学位论文 式中t l - - 负载转矩；卢机组的转矩惯量； 掣一电机瞬时加速度；成一电机极对数。 d t 。 对于恒转矩负载，d = 0 ，k = 0 ，则， 瓦= 瓦+ 瓦j 百d t o f山t 2 1 2 感应电机在两相坐标系上的数学模型 2 - ( 8 ) 从以上所列的三相静止坐标系上的数学模型方程可见，感应电机的数学模型的特点 是：多变量、高阶、强耦合、非线性。分析和求解这组方程是非常困难的。为了使感应电 机的数学模型具有可控、可观性，必须对其进行简化解耦，使其成为一个线性、解耦的系 统。而简化和解耦的有效方法就是坐标变换。磁动势相等是不同坐标系上的电机数学模型 等效的原则。据此，矢量控制通过三相到二相变换( c l a r k 变换) ( 如图2 2 ) 将感应电机三 相坐标系上的数学模型变换n - 相静止坐标系( 仅p ) 上的数学模型，再通过旋转坐标变 换( p a r k 变换) ( 如图2 2 ) 将其变换n - - 相同步旋转坐标系( m t ) 上的数学模型，从而实 现了感应电机电流励磁分量和转矩分量的完全解剁彻。 c l a r k 互= = = = 冷 q 图2 2坐标变换图 本节主要对比分析二相静止坐标系、二相任意旋转坐标系( d q 坐标系) 和二相同步 旋转坐标系上的电压、电流、磁链和转矩及运动方程，理解坐标变换的原理，研究矢量控 制的方法。 1 、二相坐标系上的电流模型 为了研究方便，令三相的a 轴和两相的o c 轴重合( 如图2 2 ) 。假设磁势波形是按正弦 分布，或只记基波分量，当二者的旋转磁场完全等效时，合成磁动势沿相同轴向的分量一 定相等。据此，可得经c l a r k 变换( 3 2 ) 后的两相静止坐标系上的电流方程： 1 2 t 当 浙江理工大学硕士学位论文 阡赝 1 1 1 22 o 笪一笪 22 2 - ( 9 ) 盼酬豳 2 羽 同步旋转轴系，旋转角速度为w s ，m 轴与i 。之间的夹角为以，m 轴与仪轴的夹角 织2 q f + ，其中为任意的初始角，见称为磁场定向角。则经p a r k 变换后，可得同步 = 一c s o ；s n t p 缈兰翌； 笔 2 。， 与上式对应的p a r k 逆变换为： 乏 = l c s o 。n s 缈c p c s i o s n 缈缈 j l 乙i , 2 。2 ， 式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 在矢量控制的电流闭环和转矩闭环中均有应用，式中l 、l 分 “船 u 1 8 u r a u r # r 。+ ，p 0 l = p 0 ii ，口 0 r ，+ l , p o l m p0 锄 l 。p彩，工mr ，+ 三，p 彩，三， 0i ，口 缈，l 肘l m p 。缈，l ，r ，+ ，p j l f 加 上式经p a r k 变换，可得二相