（控制理论与控制工程专业论文）基于滑模控制理论的感应电机控制方法的研究.pdf

摘要 感应电机具有可靠性好、结构简单、耐腐蚀，效率高，结构紧凑、价格低廉和体积小 等优点，成为工业伺服控制的主要传动装置。然而，感应电机又是一个多变量、强耦合的 非线性系统，磁链和转矩的非线性耦合及参数时变，使得感应电机的控制十分复杂。在已 有的交流伺服系统非线性控制方法中，滑模控制( s m c ) 在理论研究、仿真、实验和应用上 证明是一种性能良好的控制方法，然而现存方法的不足是：假定负载转矩定常未知和被控 对象参数已知，限制了s m c 方法的进一步推广应用。 论文基于传统矢量控制算法，以s m c 为出发点，结合无源性控制( p b c ) 、自适应控制 和模糊控制方法，针对感应电机伺服系统中存在的参数时变、负载未知时变、不确定性扰 动等问题，对速度的估计和控制进行了深入的分析和研究。首先，通过严格的数学分析和 推理证明，建立了感应电机定子三相a b c 坐标系、两相印静止坐标系和由旋转坐标系数 学模型，利用m a l l ，a b s i m u l i l l l 【对模型的正确性进行了检验，并设计了间接磁场定向控 制o f o c ) 系统，为课题的后续研究奠定了基础。其次，基于叩模型，设计了s m 速度观测 器，然后，分析并推导出转子磁通电压模型和电流模型，开发出了s m 模型参考自适应系 统( m r a s ) 速度观测器，建立了定子阻抗自适应调节机制，弥补了s m m r a s 速度估计精 度受定子阻抗变化影响的不足。最后，利用感应电机运动方程，考虑机械参数时变问题， 设计了滑模速度控制器，并结合p b c 方法，考虑负载未知时变情形，开发出了无源性s m 速度控制器。论文采用模糊控制方法，设计模糊切换函数，形成连续控制形式，代替传统 滑模符号函数，有效抑制了符号函数频繁切换引起的高频“抖动”现象；设计转子时间常 数自适应辨识器，有效补偿了i f o c 系统鲁棒性的不足。 基于d s p a c e 硬件实验平台，实现了感应电机伺服系统的高性能方案，实验结果证明： 当电机参数变化、负载突变或未知时变等扰动发生后，这种控制方法的有效性、可操作性 以及良好的控制性能。 关键词：感应电机；磁场定向控制；模型参考自适应系统；滑模控制；无源性控制；d s p a c e a b s t r a c t i n d u c t i o nm o o ri so n eo f t h em o s tw i d e l yu s e da c t u a t o rf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sd u et oi t s r e l i a b i l i t y , s i m p l i c i t y , r u g g e d n e s s ，e f f i c i e n c y , c o m p a c t n e s s ，r e l a t i v e l yl o wc o s ta n dv o l u m e m a n u f a c t u r i n ga d v a n t a g e s h o w e v e r , i n d u c t i o nm o t o ri sam u l t i - v a r i a b l e ，h i g h l yc o u p l e da n d n o n l i n e a rs y s t e m ，t h ec o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o ri sv e r yc o m p l e xs i n c et h ec o u p l i n go ff l u xa n d t o r q u ew i t hp a m m e t e rv a r i a t i o n s s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) m e t h o di sp r o v e da l m o s tt h e a d v a n c e dn o n l i n e a rc o n t r o l a p p r o a c hb yt h e o r yr e s e a r c h ，s i m u l a t i o n s ，e x p e r i m e n t s a n d a p p l i c a t i o n s ，b u tm o s to fr e s e a r c h e sa r eb a s e do nt h eh y p o t h e s i so fc o n s t a n tl o a da n dc o n s t a n t s t a t o ra n dr o t o rp a r a m e t e r s ，w h i c hr e s t r i c t st h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fs m cm e t h o d t h i sp a p e ri sb a s e do nv e c t o rc o n t r o la n ds m c t e c h n i q u e ，c o m b i n i n gw i t hp a s s i v i t y b a s e d c o n t r o l ( p b c ) t e c h n i q u e ，a d a p t i v ec o n t r o ls c h e m ea n df u z z yc o n t r o ls t r a t e g y , t h es p e e de s t i m a t e a n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e da i m i n ga ti n c r e a s i n gt h er o b u s t n e s so ft h es e r v os y s t e mw h e n p a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，l o a db r e a ka n du n c e r t a i n t yd i s t u r b a n c e so c c u r f i r s t l y , b a s e do nt h ei n d i r e c t f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( i f o c ) s c h e m e ，t h ei n d u c t i o nm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l si n c l u d i n g t h r e e - p h a s em o d e la n dt w o - p h a s em o d e la r cs t r i c t l ya n a l y z e da n dd e v e l o p e d s e c o n d l y , as m s p e e do b s e r v e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ea 猡m o d e l ，t h ev o l t a g em o d e la n dc u r r e mm o d e lf o r m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) i sd e r i v e d ，t h e nas m m r a ss p e e do b s e r v e ri s d e v e l o p e d ，as t a t o rr e s i s t a n c ea d a p t i v em e c h a n i s mi sd e s i g n e dt oi n c r e a s et h er o b u s t n e s sa n d p r e c i s i o no fs m m r a s l a s t l y , an e ws ms p e e dc o n t r o l l e rw h i c hc o n s i d e r st h em e c h a n i c a l p a r a m e t e rv a r i a t i o n s i sd e s i g n e db a s e do nt h em o t i o ne q u a t i o n w i t ht h i sd e v e l o p m e n t , a p a s s i v i t y - b a s e ds ms p e e dc o n t r o l l e rw h i c hc o n s i d e r st h el o a dv a r i a t i o n si sd e r i v e d t h ef u z z y c o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e dh e r et od e s i g naf u z z ys w i t c h i n gf u n c t i o nt or e p l a c et h ec l a s s i cs m s i g n u mf u n c t i o n ，s ot h ec h a t t e r i n gp h e n o m e n o ni sd e c r e a s e dg r e a t l y i na d d i t i o n ，ar o t o rt i m e c o n s t a n ta d a p t i v ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oe n h a n c et h er o b u s t n e s so f i f o cs y s t e m t h ei n d u c t i o nm o t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e dt ot e s t i f yt h ep e r f o r m a n c eo n d s p a c er e a l - t i m eh a r d w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tw h e nt h ep a r a m e t e r v a r i a t i o n s ，l o a db r e a ko ru 妇o w nc h a n g e s ，t h eg o o dp e r f o 册a n c e sa r cs a t i s f y i n g k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；f i e l do r i e n t e dc o n t r o l 【( f o c ) ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) ；s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) ；p a s s i v i t y - b a s e dc o n t r o l 口b c ) ；d s p a c e 符号表 u s a 曲“” l 阳、l 曲、l 酃 、“巾、“ 、如、k 9 i 口、舻1 8 9 t 口、9 嵋 v i 口、v 。8 i i 口、1 1 8 、9 d i 、 r 8 9 菇、9 吨 9 r d 、9 r 碍 v 订、v q k 、 v , d 、，唧 l r d l 呵 悱 兄、耳 l l 、l r k 、o l p 口 p 国。 国1 1 = q + 见 以 五 定子三相电压 定子三相电流 转子三相电压 转子三相电流 定子口、口轴磁通 转子口、口轴磁通 定子口、口轴电压 定子口、口轴电流 转子口、轴电压 转子口、口轴电流 定子d 、q 轴磁通 转子d 、印轴磁通 定子d 、口轴电压 定子d 、4 轴电流 转子d 、4 轴电压 转子d 、4 轴电流 转子磁通 定、转子电阻 定、转子自感 定、转子漏感 定、转子互感 定子绕组之间互感 转子绕组之间互感 极对数 转子机械角速度 滑差转速 转子磁场的同步旋转速度 转子磁场的同步旋转角度 转子位置 电磁转矩 负载转矩 t f = b r 口 3 乃= r , 仃= l 一圪( t t ) 国。 ” k e 、如、x p 2 摩擦转矩 阻尼系数 惯性系数 转子时间常数 漏感系数 参考转速 转子参考磁通 d 轴参考磁通 口轴参考磁通 比例系数 足，、蜀。、巧： 积分系数 下标“口”和“口”表示静止坐标系 下标“d ”和“盯”表示旋转坐标系 下标“j ”表示定子坐标轴分量 下标“r ”表示转子坐标轴分量 ”表示估计 ”表示估计误差 “一”表示收敛 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：基聋筮导师签名：型 e 1 期：蒯了年= 月，口e l 第一章绪论 1 1 研究课题的提出 作为主要的传动设施，交、直流电机一直是工业伺服控制的首选设备。而交流电机拥 有的诸多优点，如：结构简单、安全性高、无电刷换向器、易于维护、耐腐蚀和高温、价 格便宜等，因而得到了广泛的应用。目前，感应电机以结构坚固、造价低廉、运行可靠、 低噪声和转矩脉动等优势，成为未来交流伺服系统控制和发展的主要方向之一。然而，感 应电机是一个多变量、强耦合的复杂非线性系统【l 】，磁链和转矩之间的非线性耦合、负载 转矩突变或未知时变、外部未建模动态性能的影响以及定、转子绕组参数和机械参数时变， 使得感应电机的控制十分复杂，限制了感应电机的进一步推广和应用。针对感应电机这个 非线性系统，许多学者经过研究，先后提出矢量控制【2 1 和直接转矩控$ t j ( d t c ) 1 3 肄高精度、 高性能的控制算法，使得基于感应电机的交流伺服调速系统控制过程大为简化，从而为开 发高性能的交流伺服系统提供了便捷的途径，但是，参数时变和负载转矩未知时变等问题， 仍旧是电机控制算法设计人员不得不面对的实际难题。因此，有必要对感应电机伺服控制 系统的发展历史作简短的回顾。 传统的感应电机伺服控制方法可分为标量控制和矢量控制两大类，标量控制属于开环 控制 4 1 ，虽然标量控制的结构简单，但是具有精度差、响应速度慢、受负载影响大等诸多 不足，7 0 年代出现的矢量控制很好的解决了这一问题。矢量控制即磁场定向控制( f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ，f o c ) ，是在两相同轴坐标系下的电机转矩和转子磁通的解耦控制，即磁 通和转矩必须独立的进行控制，通过控制纵轴电流从而控制转矩，控制横轴电流从而控制 磁通陋】。 i a s 辩于1 9 6 9 年提出间接磁场定向控$ 1 j ( i n d i r e tf o c ) 方法，b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提 出直接磁场定向控制( d i r e c tf o c ) 方法，两种控制方法具有很大的不同。d f o c 是依靠测量 或观测转子磁通，从而获得转子磁通位置的，由于测量难度和测量误差的存在，使得d f o c 的推广应用受到极大的限制。若采用观测器进行转子磁通的估计，它是依赖于感应电机数 学模型的，即庐删= ( ，。) 【l ( v ，印一r ，i , 。p ) d t - c r l ，f 椰1t 从而计算转子磁通的同步旋转 角位置，不幸的是，低速阶段的积分漂移问题和定子电阻参数时变，使得观测器的估计精 度大为降低，鲁棒性也大大削弱。而i f o c 系统无须进行电机转子磁通的测量和估计，仅依 靠磁通和转矩的解耦控制，求得滑差速度，与测量的转速一起，就可以精确计算转子磁通 位置，并能将定子电流分解为磁化电流和转矩电流，即实现磁通和转矩的完全动态线性解 耦。i f o c 另一个优点是，不存在低速阶段积分漂移和控制精度等问题，在较宽的速度范围 均有良好的调速性能，因而响应精度大大提高，是当前普遍研究和应用的热点。d t c 技术， 采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，借助于定子 磁场定向，用离散的两点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，从而对逆变器的开关状 态实施最佳控制，以获得转矩的高动态性能p 】。 1 2 研究的动机与目的 在交流伺服系统控制算法的设计过程中，我们不得不考虑无速度传感器控制方法的设 计和应用。无传感器控制也是近年来大量研究和应用的热点，无传感器控制技术的核心问 题是对转速估计进行准确估计，在有传感器交流伺服控制系统中，一般采用旋转变压器或 光电编码器测量电机转速，但是这些器件的安置不仅增加了系统的花费，且使得系统维护 困难，可靠性也相应降低，特别是在家用两相感应电机驱动中，速度传感器的安置带来了 不小的麻烦，譬如电机转轴占用空间大、无专用人员进行维护和保养等，因此，无传感器 控制算法的设计与应用就成为许多学者广泛研究的课题。所谓无传感器控制，是指系统中 包含电压或电流传感器，但不包含速度或位置传感器，基于传感的电压和电流量，结合感 应电机模型，设计速度估计算法，对速度进行估计，从而避免有速度传感器带来的不足。 国内外学者对无传感器控制算法的设计做了大量的研究工作，取得了卓越的成就，但仍旧 有些问题没有完全解决，如低速阶段的估计精度问题、估计器抗电机参数变化和外部不确 定性扰动的能力，另外，电机工作过程中的负载是不精确的，甚至是未知的，这又增加了 伺服速度估计的难度，如果能够克服上述难点，寻求新的解决途径，无疑增加了电机控制 系统在工程实际应用中的现实意义。 i f o c 是一种先进的矢量控制算法，在现代交流伺服系统中有较广泛的研究和应用，但 是，在这种控制方法中，工业应用中仍旧存在着的难题之一是：电机在运行过程中的参数 是时变的，而我们在设计控制算法的时候总是期望拥有精确的电机参数值，因为使用不精 确的电机参数往往导致不期望的控制结果，甚至使系统失去稳定。另一个是：负载突变或 未知时变、外界不确定性扰动以及末建模动态的影响，使得感应电机的i f o c 系统难以达 到预期的控制效果，这对控制器的抗扰动性能提出了更高的要求。近年来，许多学者采用 多种控制方法对电机参数变化等扰动下的伺服跟踪控制方法进行了研究，并取得了一定的 成果。 鉴于近年来感应电机控制技术的蓬勃发展，结合课题组多年来取得的研究成果，展望 未来研究方向，本文的研究对象在选取三相鼠笼式交流伺服感应电机的同时，旨在从感应 电机数学模型出发，基于传统i f o c 算法的最基本原理，采用非线性s m c 方法，结合p b c 、 自适应控制和模糊控制方法，研究感应电机无传感器控制速度估计策略和速度控制器设计 方法，针对速度的估计和控制等问题，作了非常详细深入的研究工作，并在这一过程中着 力于提高控制系统抗电机参数变化和外部扰动能力，具有一定的理论研究价值和实际应用 参考价值。 1 3 研究背景 众多学者也对速度的估计问题进行了广泛深入的研究，到目前为止，主要有下面几种 速度估计方法： ( 1 ) 基于滑差转速的速度估计1 6 ：速度估计方法之一是基于转子机械角速度的定义式 国，= 吐- - 0 d ，如果求得转子磁场同步旋转角速度q 与滑差角速度，则可求得啡假 设转子同步旋转磁通角为吼，则绣= t a 一( ) ，由于皱= 妲d r ，所以 纹= ( 仍d 一九) i 2 ，结合感应电机的旋转由坐标系模型，可计算滑差角速度 为n k = 工。( 妒珂一白仍口) ( l i ) ，再根据感应电机模型进行转子磁通等的计算，即可 估计电机转速。 从滑差角速度国。表达式可以看出，其精确度受电机转子电阻参数r ，的依赖程度很大， 在低速阶段，若见精度较高，则速度估计值较精确，随着电机转速的增大，电机温度升高， 转子电阻阻值会增大，将对估计精度具有重大的影响，同时，表达式中的微分环节，对系 统的精度有一定的影响。 ( 2 ) 基于模型参考自适应系统( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，m r a s ) 的速度估计【刀 m r a s 是基于两个模型的一种自适应控制思想，一个是不含转速的转子磁通电压模型，作 为参考模型，另一个是含转速的转子磁通电流模型，作为可调模型，两个模型具有相同物 理意义的输出，利用两个模型输出量形成的误差，采用合适的自适应律对转速进行规则处 理，从而对电流模型的转速变量进行实时调节，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目 的。由于参考模型受定子阻抗变化影响、可调模型受转子时间常数变化的影响、低速阶段 积分漂移不利因素的影响，使得估计精度大大降低，鲁棒性也随之降低，不少学者将t a s 进行改进，形成反电势速度估计法和无功功率速度估计法等。 ( 3 ) 基于观测器的速度估计，主要有下面几种方法： 1 扩展l u e n b e f g e 德度估计【8 州：l u e n b e r g e r 观测器也叫速度自适应磁通观测器，它本隽 含有m r a s 的思想，只不过将参考模型换成了电机本身，可调模型换成了闭环全阶观测器。 扩展l u e n b e r g e r 观测器是基于确定性方程的观测方法，对电机的非线性特性及转子绕组等 参数的依赖性较大。 2 扩展卡尔曼滤波速度估计 1 0 1 ：卡尔曼滤波器由r e k a l m a n 于1 9 6 0 年提出，将电机 的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一 估计点将模型线性化来估计转速。卡尔曼滤波观测器是一种迭代形式的非线性估计算法， 避免了微分计算，可以通过协方差矩阵来调节状态估计的速度，另外，卡尔曼滤波观测器 是建立在系统的随机过程模型上的，因此具有很强的抗噪声能力，且由于算法的统计本质 使得算法能够克服电机模型的非线性性和不确定性，这与其它估计方法相比，具有独到的 优势。但是，估计精度依然受到电机参数变化的影响，这是基于电机模型的转速估计的通 病；另外，卡尔曼滤波算法的计算量太大，不利于在线实现，并且缺少相应的设计和整定 标准。 3 滑模控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) 速度估计i i i - b ：s m c 方法若作为观测器使用， 其设计思想是：通常选取跟踪量的误差作为控制自变量，通过选取滑模运动超平面，设计 控制对象的控制律，从而迫使控制对象偏差在有限时间内落在滑模超平面上，并保持该运 动状态。s m c 技术动态响应性能好，估计精度高，是近年来的研究热点。 ( 4 ) 基于人工智甜“】的速度估计方法，主要有下面几种； 1 人工神经网络速度估计：人工神经网络具有自适应和自学习的本质，特别适合处 理非线性控制问题。而感应电机正是一种典型的非线性控制对象，因而近年来神经网络在 转速估计方面有较多的研究。利用神经网络替代电流模型转子磁链观测器，用误差反向传 播算法的自适应律进行转速估计，网络的权值为电机的参数。虽然神经网络估算法具有很 高的性能，但是，该方法计算量庞大，受先验知识的制约，反复的训练过程要花费大量的 时间，且硬件实现困难。 2 模糊逻辑控制【1 6 ，1 刀和遗传算法速度估计 1 8 】：模糊逻辑控制一般用于交流调速系统的 p i 速度控制器的优化设计上，并与模型参考自适应等控制方法相结合，利用模糊控制的良 好非线性特性形成新的控制方法。而模糊逻辑控制器包含的这些知识库和经验规则，诸如 语言变量的隶属度函数等，是人们在实验中总结构成的经验规则，通过模糊化、模糊推理 和解模糊等过程，常能取得精确的控制效果。遗传算法用于在线或离线整定p i d 控制器或 模糊逻辑控制器等的参数，算法的开发也是一个复杂的过程。 在交流伺服系统中，速度的控制是一个广泛研究的课题，i f o c 系统一般采用p i 控制器 作为速度调节器，但是，p i 控制器抗扰动能力不足，控制精度不高，且比例和积分系数难 以整定，另外，若采用磁通观测器，则系统控制性能在很大程度上受磁通观测精度的制约。 为克服i f o c 存在的上述难题，不少学者对感应电机的非线性控制方法进行了应用研究，如； 反步法、滑模控制、无源性控制( p a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l ，p b c l 、反馈线性法和李亚普诺夫 设计等【19 】： ( ”反步法1 2 0 l ：其设计思想是通过修正算法中的镇定控制器，实现系统的调节或跟踪。 不少学者将反步法与自适应控制的结合，来解决伺服系统中参数不确定或未知情况下的转 速或位置跟踪问题，将不确定参数的自适应调节函数和一个已知的李亚普诺夫函数的虚拟 控制系统的镇定函数等联系起来，从而设计出镇定控制器，并能保证不确定参数的实时调 节。 ( 2 ) s m c 2 1 , 2 2 1 ：s m c 系统具有鲁棒性强、抗扰动性强和数字硬件实现简易等特点，一度 被认为是最有开发前景的伺服系统有效控制方法之一。若作为控制器使用，是有效的抗感 应电机参数时变和不确定外部扰动的控制方法，而自身切换函数的高频抖动导致的控制效 果的不确定性是对控制器设计的重大挑战，不少学者提出克服抖动的方法，比如有的学者 用饱和型函数代替开关函数，从而形成连续控制，但是该方法的不足还是很明显的，因为 不能满足实时动态调节滑变量的要求，不利于系统动态性能的提升。 ( 3 ) p b c 1 9 , 2 3 1 ：p b c 方法可用于反馈控制系统的稳定性分析和控制器设计，用作控制器 设计时，与以往控制方法不同的是：它采用感应电机i 拘e u l e r - l a g r a n g e 方程，从能量的角度 考虑，迫使系统的总能量来跟踪期望的能量函数，从而保证系统的稳定性，并使得系统的 输出状态变量渐进收敛到期望值，在控制器设计时具有一个突出的优点，即无须磁通观测 器就可以实现伺服系统的高精度控制。p b c 用于反馈控制系统的稳定性分析是一种新方法， 在感应电机伺服系统中，若将逆变器看作理想的电压源逆变器s i ) ，给定速度参考值为不 变常数，贝t j i f o c 系统可以等效为一个无源系统，因此，可以建立感应电机的无源等效控制 4 方案，证明系统的能量是持续递减的，从而保证系统的稳定性。 若能将感应电机的无源性和s m c 方法相结合，用混合非线性控制方法，设计感应电机 伺服控制器，来提高系统的鲁棒性，是一种新的设计思路和方法。 ( 4 ) 反馈线性法剀：其设计思想是先利用非线性补偿来实现感应电机模型中非线性项 的精确抵消，再利用线性控制理论设计已经呈现线性关系的系统来逼近系统的控制目标。 ( 5 ) 李亚普诺夫设计瞵】：其思想是定义跟踪变量的l y a p u n o v i 甬数，根据感应电机的五 次模型，设计对象观测器或控制律，用l y a p u n o v 理论给出控制器的稳定性证明。 1 4 论文主要内容及安排 针对感应电机具有非线性、多变量、强耦合的本质特性以及自身参数时变、磁通不易 测量、外部未建模动态特性、负载未知时变的特点，论文以速度的估计和控制为主要目的， 避开磁通的测量问题，从i f o c 最本质原理出发，采用s m c 方法，结合自适应控制、p b c 和模糊控制方法，针对上述难题，实现了感应电机的高精度伺服控制。论文的主要内容安 排如下： 第一章，绪论，对感应电机伺服控制系统的发展历程、无传感器控制速度估计方法、 非线性控制方法等，进行了分析和评估，总结了所取得的研究成果，提出还需解决的问题； 明确了论文研究的方向和目的，阐述了课题的研究背景和意义。 第二章，对感应电机的数学模型进行了严格的数学推导和证明，包括定子三相坐标系 a b c 模型、静止坐标系a 猡模型和旋转坐标系由模型，说明了各种模型在感应电机伺服控 制系统中的现实意义和作用。在m a t l a b s i m u l i n k 中进行了感应电机模型的搭建及基于 s p w m 算法的模型验证；阐明了i f o c 原理，给出了矢量控制的解耦控制过程；设计了感 应电机i f o c 双闭环调速控制系统，对i f o c 系统进行了多项仿真测试，分析了感应电机 在不同参考转速和负载转矩下的运行情况。 第三章，从感应电机a 猡数学模型出发，设计了多种无传感器速度估计方法，指出了这 些方法存在的不足；根据感应电机的电压模型和电流模型，设计了m r a s 速度估计器，针 对m r a s 估计精度受定子阻抗变化影响的不足，设计了定子阻抗自适应辨识算法，增强了 观测器的鲁棒性；基于非线性估计理论的s m c 方法，设计了两种无速度传感器速度估计 器：基于电机模型的s m 速度观测器和基于s m m r a s 的速度观测器，对各种速度观测器 进行了仿真测试和性能的分析。 第四章，分析和研究以往学者将s m c 方法在交流伺服系统中的应用情况，设计了两种 非线性速度控制器：s m 速度控制器和无源性s m c 速度控制器，其中，无源性s m c 方法 考虑了负载未知时变情形；针对滑模符号函数的频繁切换引起的“抖动”现象，采用模糊控 制方法，设计了模糊切换函数，形成连续控制形式，从而将控制器“抖动”降到最低点；针 对i f o c 系统受转子时间常数变化影响的不足，设计了转子时间常数自适应辨识算法，仿 真测试了系统抗定子阻抗变化、机械参数变化，抗转子时间常数变化和抗负载突变的能力。 5 ：! ：。，! !：。：! 鎏童套耋堡圭茎堡垒塞：! ! ，! ：。 第五章，在已有研究工作的基础上，为了验证所设计的感应电机速度控制算法的有效 性、可行性及控制性能，借助于d s p a c e 硬件实验平台，进行了感应电机高性能伺服控制 算法的实验验证。 第六章，结论和展望，对全文的研究工作进行了总结，提出了论文还需解决的问题， 对未来感应电机非线性伺服控制系统的发展方向提出了构想。 第二章感应电机建模及i f o c 系统仿真研究 2 1 概述 交流传动伺服系统的控制对象是交流电机，随着工业运动控制系统的要求进一步提高， 对交流伺服系统的控制性能要求也越来越高，既要考虑系统设计的成本和性能，又要兼顾 系统的设计费效比等，因此，必须对控制对象有本质上的了解，如结构特征、物理特性、 数学模型等，才能设计出高性能的交流伺服控制系统。现代交流驱动系统的控制算法设计 是以电机数学模型为基础的，控制系统性能的好坏，在一定程度上受电机数学模型的制约， 因此，如何建立高效的电机数学模型成为电机控制算法设计人员广泛研究的课题。 首先，本章忽略对感应电机物理构造特性的分析研究。直接从感应电机的数学模型及 坐标轴旋转理论入手，进行了严格的推理证明，包括定予三相a b c 模型、o 秽静止坐标系 模型和幽旋转坐标系模型，借助于m a t l a b s i m u l i n k 强大的功能模块，进行了感应电机模 型的搭建及基于s p w m 算法的模型仿真验证，为课题的后续研究打下了基础。然后，分析 了i f o c 原理，给出了转子磁通和电磁转矩的线性动态解耦控制过程及结构图。最后，依 据i f o c 原理，在m a t l a b s i m u l i n k 中设计了感应电机i f o c 系统。i f o c 系统设计的基本 思想是将控制系统功能模块化，即将有特定功能的部分建立成独立的功能模块，主要包括 五大功能模块：速度控制器、磁通和转矩的动态解耦控制器、电流滞环控制器、v s i 脉冲 波控制器和控制对象感应电机主体模块。i f o c 系统采用双闭环控制，速度环为p i 控制， 电流环为滞环控制，进行了系统的算法分析和多项仿真测试，结果表明了这种建模方法效 果理想、方法简便，是有效的和可行的。 2 2 感应电机数学建模 2 2 1 ( 口，b ，c ) 定子三相静止坐标系模型 三相感应电机是高阶、多变量、强耦合的非线性系统嗍。为了便于分析，通常假定； ( 1 ) 三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； ( 2 ) 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁损，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 设电机每相磁动势的气隙磁通密度在转子外侧呈正弦状态分布，且任何相绕组之间的 祸合电感是该绕组之间的电角度的余弦函到”1 ，则： 瑶= 上嚣一圪= z , c o s 洋) = 一每 ( 2 1 ) 瑶；砭一瑶： m r c o s 角：一每 ( 2 2 ) 7 = 瓦z = c o s 啡 电机定子和转子相绕组磁链矩阵表示为： 【l 】= y 曲 i f ，盯 缈坩 妒而 彤 式中，为定子绕组之间自感，为转子绕组之间自感， 之间互感，三：为定、转子绕组对应相之间互感( 扰，n = 口，b ，c ， 圪= 瑶= 砭= + 气；瑶= 瑶= 磁； 吃= 瑶= 瑶= + b ；瑶= 圪= 砭； 磁= 瑶= 瑶= 三。工。c o s 0 , ； 瑶：瑶：瑶：瓜c o s ( 0 r 一挈) ； 瑶= 砭= 瑶= 瓜c o s ( 砟+ 等) 。 电压方程和磁链方程为： 。】；j r 0 + 掣 a t 砂1 = 【工】【j 】 机械运动方程为： d o , - - - y 百2 婢 墼=三以一矸-boo,)dtd 电磁转矩方程为： t = 妒筹 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上为定、转子绕组对应相 脚、聆不同时取相同值) 。 式中，【】= 【“。，甜曲，。，“。，”而，“。】7 ，【胄】= d i a g r , ，墨，r ，耳，r ，r ，】， 【习= 【乙，i 曲，i 。，i 。，i 巾，k 】7 ，- ，伊曲，纵九 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 瑶磁瑶瑶瑶瑶瑶瑶瑶珞瑰砭瑶塌瑶圪瑶瑶瑶瑶磁磁圪瑶磁瑶瑞瑶圪兹瑶圪瑶圪 2 2 2 ( d ，g ) 旋转坐标系电压模型 感应电机定子和转子之间，相对位置的改变引起耦合因子的变化，可采用同步旋转坐 标系法将其解耦，得到非时变的耦合因子和独立的控制变量，这些变量如电压、电流与磁 通等，均可表示为两个互相垂直的分量，在两相同步旋转参考坐标系由( 横轴为d ，纵轴 为口) 中表示这些变量，可以简化计算，易于分析电机动态特性【”。为此，定义定子电流空 间矢量： = 0 + e j 2 x 1 3 + p j 4 x 1 3 0 ( 2 1 0 ) 图2 - 1 示出定子电流空间矢量三相坐标系a b c 、两相旋转坐标系砌和两相静止坐标系 矽之间的关系，规定由坐标系以转子磁场的同步旋转速度虢旋转。 图2 - 1 感应电机定子坐标轴关系图 依据图2 1 ，得到c l a r k e 变换和p a r k 变换分别为： 阱 2l 33 o 万1 ( 2 1 1 ) 阱盛嘲s i n 0 8 且 - 列f a 眨 由式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得到定子三相坐标系a b c 到两相坐标系砌的变换为： 阱装眈一cos(o-一2n3)cos(oe+21r3),l；b(asino,sin(oe 2 ；, r 3 ) - s i n ( o 1 协j2 l 一 一一 l “ 式中，表示定子电压、电流或磁通。将感应电机三相坐标系下的电压、电流和磁通，进 行式( 2 1 3 ) 的变换，即将三相坐标系下的所有变量变换成两相旋转坐标系下的变量，由于推 导过程烦琐，这里忽略详细的推导过程，直接给出经过变换后的最简砌坐标系上定子侧和 转子侧的电压方为： 9 厶 五 kjooo且 ，。订 式中， v 耐咄如吨+ 警 v 即。也等 v m 咄沪帆+ 等 v 田艰i r q + 0 3 s t 伊r d + 誓 9 l d = l l i n4 - l 。i , a 妒畸= l | i 碑七l m i 嚏 9 r d = l r i r d + l m l j s d 口k = l r w + l m 田 电磁转矩方程为： 瓦= 塾掣 2 2 3 ( d ，g ) 旋转坐标系矢量控制模型 由模型是进行i f o c 系统分析和设计的模型。由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 得： i q ： 日一l m i d ) = ( - l m i n ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 桁k ( 2 2 、瞄2 4 ) 分别1 弋k 式( 2 t 6 ) 、担1 。7 ) ，必殒狂葸即苊：不又阴计艽盯冢为= 彳h 鼠，龙 式感应电机，其转子绕组终端短路，故= 0 ，= 0 ，则得： 孥一扣+ 警。坳 旺z s ， 誓一等+ 警。一 c z 脚， 将式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) f r ) 另a j 代入式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 得： 专也一缸 旺z ， = 等郴，一争岛 ( 2 2 8 ) 将式( 2 2 5 ) ( 2 2 8 ) 代入式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 得： 等= 壶t 一疋+ 净白+ 吼砚，k + 专阳+ 等印，+ v 耐， c z ， 鲁= 击t 一墨+ 务一致叱幺+ 去一等哆+ k ， c 2 ， 式( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 即为感应电机的由坐标系矢量控制模型，整理后为： 等一毒+ 等白+ q 3 d 誓一毒+ 每。一哟 c z 3 z ， 等= 一丹。+ 吼岛+ 寺+ k r a , c a , 。+ ( 2 3 s ) 等= 一一吼妇+ 寺一协+ 删凹 ( 2 3 4 ) 电磁转矩方程为： z ：! 丝! ! 堕垫二丛垒! ( 2 3 5 ) 2 l ， 黼一1 吐一嗽+ 寿小等 2 2 4 缸，励静止坐标系模型 n 口模型是进行感应电机建模和观测器设计的模型。若令吐= 0 ，则n k = - - ( 0 ，由式 ( 2 3 1 ) ( 2 3 4 ) ，将由模型旋转变量的下标d 和“g ”分别用“口”和“”代替，其它参数不 变，得感应电机的筇模型为： 旦争一毒+ 等k 一缉即 q 3 s ， 誓一毒嘶+ 等妇+ q q 3 ” 鲁一玎k + 圭+ 慨即+ ( 2 3 8 ) 警= 一n 锄+ 圭一晦+ 册和 e z ， 另外，由式( 2 i s ) 、( 2 1 9 ) 得： 白= 亡( 一l d a ) ( 2 4 0 ) 钿； ( 一三，岛) ( 2 4 1 ) 厶卅 将式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) r 蝴j 代入式( 2 4 0 ) 、( 2 4 1 ) 得： 弘i i 矿一巾_ 1 ) 苦妇 2 - 4 2 ) 铲i 1 地- 1 ) 苦 ( 2 4 3 ) 将式( 2 4 2 ) 、( 2 4 3 ) 代入式( 2 3 5 ) ，整理后得电磁转矩方程为： ：! 堕堕堑二堕型( 2 4 4 ) 2 l ， 。 2 2 5 感应电机模型仿真验证 ) ai - 述n 移模型的定子电流计算式可以看出：变量间的耦合效应较强，导致计算时间的 增加；状态变量的系数较为复杂，导致计算精度的降低，因此，不利于感应电机模型的搭 建。观察式( 2 3 6 ) ( 2 3 9 ) 得： 警一哦k + 。州毒妒。一等k + q 嘶) ( 2 4 s ) ! = 一埘愿如+ 肌哳+ 七哇铆 l 。mi 妒一q ) ( 2 4 6 ) 将式( 2 3 6 ) 、( 2 3 7 ) 分别代入式( 2 4 5 ) 、( 2 4 6 ) 得： 警= m 卜e k + 一鲁皇争 ( 2 。，) 等叫一毋咖+ 哳一鲁誓) 旺。s ， 显然，利用式( 2 4 7 ) 、( 2 4 8 ) 计算定子电流，利用式( 2 3 6 ) 、( 2 3 7 ) 计算转子磁通，效 果较为理想。基于通用m a t l a b s i m u l i n k 【2 刀仿真平台，利用感应电机的a 猡模型，建立感应 电机开环s p w m 仿真验证模型，模型包括三个部分：s p w m 算法模块、电压逆变器( v s i ) 、 电j 孓奎换和电机主体模块。模犁验证结构图如图2 - 2 所示，电机参数见附录a 。 t l哪畦i 图2 - 2 感应电机模型的s p w m 验证 1 2 ；。董三耋壁鏖皇堡壅堡鍪g ! 堡垂丝笪塞堡蜜： ：。： 1 感应电机模块 感应电机是控制的对象。感应电机主体模块是非常重要的组成部分，它反