（控制理论与控制工程专业论文）感应电机无速度传感器矢量控制研究.pdf

浙江理工大学硕十学位论文 摘要 电气传动技术是推动工业自动化发展的关键技术之一，由于直流调速系统维护困难和 难以实现高速驱动等缺点，高性能的交流调速系统应运而生，逐渐成为电气传动控制的主 要发展方向。由于交流感应电机具有结构简单，容易维护，制造成本低，耐温，防爆等特 点，因此广泛应用于纺织、冶金、化工等环境恶劣的工作场合。在交流调速系统中，常采 用变压变频( w w f ) 控制方法，此控制策略在低速时调速精度较差，转矩的动态响应也 不太好，无法满足高性能的调速要求。本文针对上述问题，从交流感应电机的机理出发， 推导了感应电机在不同坐标系下的数学模型，研究了转子磁场定向矢量控制方法，设计了 以d s p 为核心的无速度传感器矢量控制交流变频调速系统。 在高性能的交流调速系统中，常常采用光电码盘来进行速度检测实现转速闭环控制， 由于光电码盘的工作精度易受温度、湿度、强电磁干扰的影响，安装时存在同心度问题， 而且光电码盘成本很高，本文针对这一问题查阅了大量文献，并阐述了无速度传感器矢量 控制交流调速系统的发展和现状，研究了基于无功功率m r a s 的速度估计方法，用m a t l a b 对控制算法进行了仿真实验，并对仿真结果进行了分析，在理论上验证了控制方案的正确 性和可行性。 本文在理论分析的基础上，选择t m s 3 2 0 l f 0 4 2 7 ad s p 为控制核心，以三菱公司的 p s 2 1 5 6 4 智能功率模块( i p m ) 为驱动电路核心，设计了相应的硬件电路，制作了p c b 板，搭 建了感应电机变频调速系统，编写了系统软件，对整个系统进行了调试。而后在此平台上 进行了实验，对整个调速系统的性能进行了测试，并完成了整个系统与上位机q n x 系统的 通信测试。实验结果表明，该系统有良好的动、静态调速性能，系统运行稳定、可靠，具 有一定的推广应用价值。 关键词：转子磁场定向控制，感应电机，m r a s 速度估计，d s p 浙江理t 大学硕士学位论文 a b s t r a e t e l e c t r i cd r i v et e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st h a tp r o m o t et h ed e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n h i g h p e r f o r m a n c ea cs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sp r o d u c e dd u et od c s p e e dc o n t r o ls y s t e mh a v es o m ed e f e c t s ，f o ri n s t a n c e ，i ti sd i f f i c u l tt om a i n t a i na n dh a r dt o r e a l i z eh i g h s p e e dd r i v e t h e r e f o r ea cs p e e dc o n t r o ls y s t e mg r a d u d l yb e c o m et ob et h em a i n d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti ne l e c t r i cd r i v ef i e l d a cm o t o rh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s i m p l e s t r u c t u r e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，l o wc o s t , h e a t - r e s i s t a n t , e x p l o s i o n - p r o o f , s ot h a ti tc a nb eu s e di n h a r s hw o r k p l a c e ，f o re x a m p l e ，t e x t i l ei n d u s t r y , m e t a l l u r g yi n d u s t r y , c h e m i c a li n d u s t r y , a n ds oo n v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y v v f ) c o n t r o la p p r o a c hi so f t e nu s e di na cs p e e dc o n t r o l s y s t e m ，b u tv v v f i so fl o wa c c u r a c ya n dp o o rd y n a m i cr e s p o n s eo ft o r q u e ，c o n s e q u e n t l yv v v f c o n t r o ls c h e m ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h p e r f o r m a n c es p e e dc o n t r o ls y s t e m t h e r o t o rf l u xo r i e n t a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e da n dt h ea cs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e d o nd s pi nt h i sp a p e r h l 硒g h p e r f o r m a n c ea cs p e e dc o n t r o ls y s t e m ，p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ri so f t e nu s e dt od e t e c t m o t o rs p e e ds i g n a l ，a n dt h e nc l o s e d l o o ps p e e dc o n t r o lc a nb ei m p l e m e n t e d t h ep r e c i s i o no ft h e p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ri ss u s c e p t i b l et ot e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n ds t r o n ge l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e f u r t h e r m o r e ，t h ep r o b l e mo fc o n c e n t r i c i t ye x i s t sw h e np h o t o e l e c t r i ce n c o d e ri s i n s t a l l e d i na d d i t i o n , t h ec o s to fp h o t o e l e c t r i ce n c o d e ri sh i s h t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n t s t a t u so fa cs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e db a s e do n al a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e si nt h i sp a p e r t h i sp a p e rp r e s e n t sas p e e de s t i m a t o rw h i c hb a s e do nr e a c t i v ep o w e rm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e s y s t e m ( m r a s ) ，a n dm a t l a bs i m u l a t i o n sw h i c hb a s e do nt h ep r e s e n t e de n t i r ec o n t r o l a l g o r i t h m sv e r i f yt h a tt h es c h e m ei sc o r r e c ta n df e a s i b l e t h ec i r c u i ta n dp c bi sd e s i g n e dw h i c hb a s e do nt m s 3 2 0 l f 0 4 2 7 ad s pa n di n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ( i p m ) p s 2 15 6 4 ，t h e nt h ei n d u c t i o nm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t s i m u l t a n e o u s l y , t h es o f t w a r ei sd e s i g n e d ，a n dt h es y s t e mi sd e b u g g e d f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es p e e dc o n t r o ls y s t e m a n dq n x o p e r a t i o ns y s t e mi sc o m p l e t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o r l e s s i n d u c t i o nm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mh a v eg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e sa n ds t e a d ys t a t e i l 浙江理工大学硕+ 学位论文 p e r f o r m a n c e s i ns u m m a r y , t h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，t h u st h i sm e t h o di sw o r t h yo f e x t e n s i o n k e y w o r d s ：r o t o rf l u xo r i e n t a t i o n , i n d u c t i o nm o t o r , m r a ss p e e de s t i m a t o r , d s p i l i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：气新、 嗍矽l ：7 年岁月，日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 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 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名： 私一 日期：伊】年；月f 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：隆东，曼 日期：? - 7 年弓月1 日 浙江理t 大学硕士学位论文 1 1 交流电机控制系统的发展和现状 第一章绪论 电气传动系统一般分为直流传动和交流传动，它们广泛应用在纺织、机械、化工、冶 金、国防、军工、家电等领域。根据直流调速理论n 1 ，直流电机在额定转速以下，保持励 磁电流恒定，可以用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电 压恒定，可以用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统有 良好的动、静态性能，调速平滑，因此，其在2 0 世纪8 0 年代以前的传动领域中一直占主 导地位。然而，直流电机结构上存在机械换相和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点， 如造价较高，维护困难，寿命短，单机容量和最高电压都受到一定限制等，使其应用尤其 在工业领域的应用越来越少。而无换向器的交流电机可以突破这些限制，其结构简单、运 行可靠、便于维护而且价格低廉，使许多人致力于交流调速技术的研究n 2 1 。 电力电子器件是现代交流调速装置的关键器件，其发展直接决定和影响交流调速的发 展。电力电子器件的发展主要经历了以下几个阶段n ：第一代为分立换流关断器件，称 之为晶闸管时代：第二代为自关断器件，主要有g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 、v d m o s i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ；第三代电力电子 器件是2 0 世纪9 0 年代的主流产品，中小功率的变频调速装置( 1 - 1 0 0 0 k w ) 主要采用i g b t ， 中大功率的变频调速装置( 1 0 0 0 一1 0 0 0 0 k w ) 主要采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代至今电力 电子器件的发展已经进入了第四代，主要有h v i g b t ( 高压i g b t ) 、i g c t ( i n s u l a t e dg a t e c o n t r o l l e d t r a n s i s t o r ) 、 i e g t ( i n j e c t i o n e n h a n c e dg a t e t r a n s i s t o r ) 、 s g c t ( s y m m e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 。如今已经出现了智能化的模块i p m 、a s p m 使电力电子器件应用起来更加方便。 同步电机主要用作为发电机运行，或者用于大功率的生产机械，制造同步电机需要大 量磁性材料。而感应电机因其结构简单、坚固，不需磁性材料，容易批量生产，且有较高 的功率体积比，较低的转子惯量，较高的启动转矩，且其耐温、防爆等优点，广泛应用于 工业生产等领域。随着电力电子器件、控制理论的发展，交流调速的性能有了很大的提高。 目前，交流传动系统的应用领域主要有下述三个方面h 1 ：第一，一般性的节能调速和按工 艺要求调速；第二，高性能的交流调速系统和伺服系统；第三，特大容量极高转速的交流 调速系统。高性能的交流调速系统常常采用变频调速的方式，变频调速具有调速范围宽、 1 浙江理工人学硕士学位论文 动态性能较好等优点，本文针对变频调速控制方法进行了研究。 从现代控制理论的角度来看，感应电机并非一个容易控制的对象，因为它具有多变量、 非线性和不确定性的特点1 。模型中的参数随着电机运行也会发生变化，使得系统中存在 一定的不确定性，因此研究感应电机的控制方法及实现具有现实意义。 早期的变频调速主要采用变压变频( v f ) 控制方式，该方案基于感应电机的稳态特 性，动态时系统误差比较大，控制效果不够理想。在低速时由于定子电阻及定转子漏抗上 的压降不可忽略，使得低速转矩特性严重下降，一般只能应用于调速性能要求不高的场合 1 。2 0 世纪7 0 年代，德国学者f b l a s c h k e 和h a s s e 提出了交流电机的矢量控制技术，通 过坐标变换实现了磁链和转矩的解耦控制，使其控制性能与直流电机相似 1 。2 0 世纪8 0 年代德国学者m d e p e n b r o c k 和日本学者t a k a h a s h i 提出了直接转矩控制理论1 ，在保持 定子磁链幅值恒定的基础上，直接控制电机的电磁转矩，因此转矩的响应速度很快，而且 这种方法在计算中只涉及定子电阻，降低了系统对电机参数的依赖性，但由于采用了 b a n g b a n g 调节器，输出转矩有比较严重的脉振，低速时脉振更加明显，因此系统的调速 性能和调速范围都受到较大影响。尽管如此，目前广泛应用于感应电机高性能控制的方法 仍是磁场定向矢量控制和直接转矩控制。为减小控制系统对传感器的依赖、降低成本、增 强系统的抗干扰性和可靠性，无速度传感器情况下的转速辨识，成为目前研究的热点口引。 1 2 无速度传感器矢量控制技术的发展和国内外研究现状 在感应电机矢量控制系统中，通常用速度闭环来提高系统的动态性能，所以需要测量 电机的转速，常用的测速装置是光电码盘或测速发电机等。这些测速装置增加了系统成本， 使电机的轴向体积增大，安装和维护困难，而且不适合高温、潮湿等恶劣的工作环境。无 速度传感器的矢量控制方法的好处是，通过测量定子侧的电压、电流信号，通过运算后可 以实现对电机转速的估计。1 9 7 5 年，a a b b o n d a t i 等人推导出基于稳态方程的转差频率 估计方法，在无速度传感器控制领域作出了首次尝试，调速比可达1 0 ：1 ，但其出发点是稳 态方程，故调速范围比较小，动态性能和调速精度难以保证1 。1 9 7 9 年，m i s h i d a 等学 者利用转子齿谐波来检测转速，限于检测技术和控制芯片的实时处理能力，仅在大于 3 0 0 r m i n 的转速范围内取得了较令人满意的效果，但这种思想令人耳目一新阳1 。而首次将 无速度传感器应用于矢量控制是在1 9 8 3 年由r j o e t t e n 完成的，这使得交流传动技术又 上了一个新的台阶旧。近年来，国内外学者做了大量的研究随，l z - 1 4 ，提出了许多方法，大体 上可以分为以下6 类： 2 浙江理工大学硕士学位论文 1 ) 开环速度估计方法 2 ) 模型参考自适应系统( m r a s ) 3 ) 观测器估计( k a l m a n ，l u e n b e r g e r ) 4 ) 利用人工智能估计方法 5 ) 利用空间饱和定子三次谐波电压估计速度 6 ) 利用电机凸极( 几何、饱和) 效应估计速度 本文就目前应用较多、控制效果较好的3 种方法加以阐述。 l - 2 1 基于模型参考自适应系统( m r a s ) 的方法 利用模型参考自适应系统估计转速和转子磁链的方法提出时间较早，c o l i n s c h a u d e r 在1 9 8 9 年文献 1 5 提出了一种基于模型参考自适应系统，利用电机定子电流信 号进行转速估计的方法，他以电机转子磁链的电压模型作为参考模型，电机的电流模型作 为可调模型，建立一个模型参考自适应系统来估计电机转速，利用p o p o v 超稳定性定理给 出了转速估计的算法。 h i r o k a z ut a j i m a 和y o i c h i h o r i 在文献 1 6 中采用s c h a u d e r 提出的方法得到转速估 计值，利用控制系统中状态观测器的理论设计了一个降阶观测器对转子磁链进行观测，通 过d s p 的实验研究表明系统转速估计收敛于给定值，但实验的转速超调相对较大。h i s a o k u b o t a 等在文献 1 7 1 8 提出了一种估计转速的新方法：转速自适应磁链观测器，这是以 电机在两相静止坐标系中的状态方程作为参考模型，其全阶状态观测器作为参考模型构成 的一个转速自适应观测器，通过调节观测器的转速信号实现转子磁链的自适应观测。 以上几种转速估计和磁链观测方法在参考模型中需要一个积分环节，并且受到定子电 阻变化的影响，对此文献 1 9 提出一种新的模型参考自适应方法，他以定子反电势代替转 子磁链作为参考模型和可调模型的观测对象，从而避免了在参考模型中的纯积分运算，因 此在低速时具有较好的转速估计能力。 l iz h e n 等在文献 2 0 中提出了一种参考模型和可调模型可互换的转速估计方法。文 献 2 1 提出了一种新颖的变结构模型参考自适应观测器，用于永磁电机无速度传感器矢量 控制系统的转速辨识。该方法将变结构控制与m r a s 进行有机的整合，选取永磁电机本身 作为参考模型，而选取永磁电机电流模型作为可调模型，利用两模型输出的误差构造了一 个滑模面。理论分析和仿真结果表明，所提出的永磁电机无速度传感器矢量控制系统的转 速辨识方法具有较强的鲁棒性和令人满意的动静态性能。文献 2 2 研究了一种基于矢量控 3 浙江理工人学硕士学位论文 制的模型参考自适应永磁同步电机无速度传感器方案。该方案仅利用q 轴的估算电流与实 际电流之差作为误差信号，将误差信号送入p i 调节器进行调节后得到估计转速。该方案 进行了仿真和实验比较，结果表明提出的方案在高低速均能准确检测到转子的位置和速 度，具有良好的动静态运行性能。 近年来，很多学者对基于模型参考自适应的转速估计和参数辨识也做了大量研究，文 献 2 3 在m r a s 理论基础上讨论了三种转速观测法，并将其中既能实现电机转速辨识又能 实现定子电阻辨识的交互式模型参考自适应方法应用于感应电机无速度传感器直接转矩 控制中，m a t l a b 仿真验证了电机参数变化对调速精度和系统稳定性影响较小。文献 2 4 设计了一种新型的速度磁链自适应观测器，它以定子电流和定子磁链为状态变量，把磁 链观测和速度辨识结合在一起，可以将定子磁链观测值直接应用于直接转矩控制算法中， 并实现了感应电机无速度传感器直接转矩控制系统。定义了李亚普诺夫函数，根据其稳定 性理论确定了速度自适应律。 基于m r a s 的速度估计实际应用中已经显示了它的优越性，但是由于m r a s 的速度观测 是以参考模型准确为基础的，参考模型本身的参数直接影响到速度辨识和控制系统工作的 成效，解决该问题的方法主要有三类阳1 ，其一是选择参考模型和可调模型，其二是解决多 参数辨识问题，同时辨识转速和电机参数，其三是选择更有效的自适应律，努力的主要目 标仍然是在提高系统收敛速度的同时保证系统的稳定性和鲁棒性。 1 2 2 基于扩展卡尔曼( k a l m a n ) 滤波的方法 自1 9 6 0 年r e k a l m a n 提出卡尔曼滤波器( k a l m a nf i l t e r ) 以来，它在各个领域 得到了广泛的应用。在非线性估计方面，通过一阶线性化方法用卡尔曼滤波器进行滤波估 计的扩展卡尔曼滤波器( e k f ) ，凭借方法简单、可实现性强、快速收敛等优点成为了最为 广泛应用的非线性系统状态估计算法。e k f 提供了一种迭代形式的非线性估计算法，避免 了微分运算，而且可以通过调节误差协方差阵来调节状态估计的收敛速度，此外，最为重 要的是，由于基于e k f 的转速估计方法是建立在系统的随机过程模型上的，因此具有很强 的抗噪能力，这是其它转速估计算法所不具备的啪1 。其算法的统计本质使得e k f 非常适合 于克服异步电机模型的不确定性和非线性性，估计性能优越，因而成为时下转速估计问题 研究的热点2 瑚1 。 文献 2 9 通过分析感应电机的状态方程，由于定子电流己经测得，不需要再估计，因 此得到以转子磁链和转速为状态变量的三阶状态方程，利用扩展卡尔曼滤波对变量进行估 4 浙江理丁大学硕士学位论文 计，并利用d s p 开发系统进行了实验研究，实验结果显示出算法的正确性和实用性。此外， t i 公司的研究报告 3 0 - 3 1 则是利用扩展卡尔曼滤波对电机的定子电流、转子磁链和转速 5 个状态变量同时进行估计，并给出了实验结果，实验结果表明卡尔曼滤波是一种非常有 效的办法，只是计算的运算量比较大。 文献 3 2 为了解决传统扩展k a l m a n 滤波器( e k f ) 迭代矩阵维数高、计算量大的缺点， 提出了一种新的基于扩展k a l m a n 滤波器的异步电机无速度传感器矢量控制方法。根据转 子磁场定向下转子q 轴磁链为零的特点，利用同步坐标系下异步电机数学模型，构建了基 于扩展k a l m a n 滤波器的观测器以同时观测电机的磁链和转速，与传统的方法相比，该方 法降低了系统阶次，大大降低了系统的复杂性，减小了运算负荷，并通过仿真和实验结果 证明了该方法的实用性。文献 3 3 在深入研究e k f 算法和多采样率数字控制系统的基础上， 建立了多采样率e k f 算法，分别推导了其输入和输出算法，并将其应用于感应电机的转速 估计中，通过仿真验证了该算法比单采样率扩展k a l m a n 滤波算法具有更高的信息获取和 状态估计能力，并能有效抑止噪声，转速估计也更加精确。 无速度传感器矢量控制系统中，除了转子磁链和转速估计问题，另一个研究重点是电 机的参数辨识问题，由于电机运行过程中，受温度变化和磁路饱和的影响，电机定转子参 数不再保持恒定，是时变参数。为了得到良好的动态特性，需要对电机参数进行实时辨识， 为了解决这个问题，很多学者就电机参数变化对矢量控制性能的影响进行了研究。c a t t a i a n e s e 等在文献 3 4 中对无速度传感器的转速估计对参数的敏感性问题进行了研究， 通过对转速表达式的推导，可以把转速表示成电机参数的因变量，并分析了各个电机参数 对转速估计的影响程度。j e n n i f e rs t e p h e n 在文献 3 5 中，在转子坐标系下利用最小二乘 法对感应电机的转子参数和磁链进行实时估计，作者还通过基于d s p 的实验验证了分析的 正确性。f e a - j e n gl i n 在文献 3 6 中采用扩展卡尔曼滤波辨识转子时间常数，用最小二乘 法估计电机的其他参数，并给出了实验验证。文献 3 7 将扩展卡尔曼滤波算法应用到直接 转矩控制，它从扩展卡尔曼滤波算法原理入手，利用定子侧可测量的电流、电压，推导出一 种新的无转速传感器的异步电动机转速、磁链状态观测模型，估算出电机的转速和定子磁 链，该算法可以有效地消除纯积分环节存在的问题，同时不会在辨识的磁链中引入幅值和 相位误差，保证电机在稳态运行和转速突变情况下磁链辩识的准确性。总的说来，基于卡 尔曼滤波算法的速度估计计算量比较大，需要运算能力强的高性能微控制器来支持。 5 浙江理工人学硕十学位论文 1 2 3 基于智能控制的方法 由于感应电机是一个高阶的非线性、强耦合、时变参数的复杂系统，传统的控制方法 都是建立在感应电机精确模型基础上的，如果模型不够精确，那么可能导致控制效果不佳， 甚至产生不稳定的现象，因此，国内外学者将智能控制方法引入电机控制中。智能控制方 法包括神经网络、模糊逻辑控制、专家系统等，如今在高性能交流电机调速系统中的应用 越来越广泛。其中，神经网络由于具有自适应、自学习、容错性等优点，弥补了传统的采 用调节器进行自适应辨识的不足，因此广泛应用于电机的转速估计。主要特点有对电机参 数变化和噪声具有很强的鲁棒性，不依赖电机的数学模型n 3 1 。 m g o d o ys i m o e s 等在文献 3 8 中提出神经网络对感应电机矢量控制系统的反馈信号 进行估计，以电机终端测量的电压、电流信号作为输入样本，通过对多层非线性前向网络 进行训练，使得网络能够对电机转子磁链、转矩以及磁链的相位进行辨识，并且将辨识结 果用于矢量控制系统的反馈输入。文献 3 9 中电机定子电压和电流经过神经网络对转子磁 链和转速直接进行辨识，也取得了很好的仿真效果。文献 4 0 中，采用仿真得到的大量数 据对神经网络进行训练，训练完毕后，设计了基于该神经网络的估计器，分别对转矩、磁 链和单位矢量进行了估计，将神经网络估计器的输出和基于d s p 的估计器的输出进行对比， 神经网络具有较好的估计精度。 在文献 4 1 中，设计了三个模糊控制器分别用于控制电机的转速、励磁电流分量和转 矩电流分量，实现转速精确控制和感应电动机的励磁和转矩之间的解耦控制，并对该感应 电动机矢量控制系统进行仿真实验研究，验证了模糊控制器的可行性。文献e 4 2 3 设计了一 种二维自调整模糊控制器作为滑差频率式感应电机矢量控制系统的速度调节器。这种自调 整模糊控制器可以根据输入变量的大小调整模糊控制器的量化因子、比例因子和两个输入 变量的权重，从而自动调整模糊控制规则。仿真和实验结果验证了模糊控制器使系统的动 态和稳态性能都得到提高，而且具有较强的鲁棒性。 。 文献 4 3 从专家系统与观测器设计理论方法相结合的思想出发，研讨了一种交流矢 量控制负载转矩智能观测器的设计方法，并重构交流矢量控制系统负载力矩，用重构的 负载扰动作为前馈补偿控制。仿真实验结果表明，给出的方法不仅能很好地处理感应电机 的非线性，而且对参数变化有很强的自校正能力。 智能控制应用于电机控制取得了很多成果，在此不再过多列举。智能控制的方法大部 分是通过仿真实现的，这主要是因为现在还没有相应的高速处理能力的硬件支持，影响了 6 浙江理工大学硕+ 学位论文 智能控制的实时性，但作为一种电机控制的方法，为以后的实现提供了理论基础。 综上所述，无速度传感器矢量控制无疑是今后的重要发展方向，要实现感应电机无速 度传感器高性能控制的目标，实质上就是要解决非线性不确定性系统的控制问题，各种控 制论应用于感应电机交流调速系统中，就是为了实现这一目的，如果能够解决非线性和不 确定性的影响，那么感应电机的控制问题就可以迎刃而解了。现今的主要问题是系统的精 度、复杂性和可靠性之间的矛盾，目前的发展方向，一方面是朝着经济型发展，追求系统 的简单、可靠；另一方面是朝着高性能发展，追求系统的高精度、快速性以及节能。随着 微电子和电力电子器件的发展，各种复杂的控制算法是有可能实现的。本课题正是基于此， 工业中的变频调速应用为背景，对无速度传感器矢量控制开展研究。 1 3 本课题的研究意义和背景 感应电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、易维护，可适合于大容量调 速和工作于恶劣环境等优点，广泛应用于纺织、机械、化工、冶金等行业，因此，需要大 量的变频调速装置来控制感应电机。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行速度检测， 但是光电码盘的安装会给系统带来一些缺陷1 ：1 ) 系统的成本大大增加；2 ) 码盘在电机轴 上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速的精度：3 ) 使电机的轴向上体积增大， 给电机的维护带来一定难度：4 ) 在高温、高湿、电磁干扰严重的环境下，码盘的精度会 受到影响。在纺织、机械等行业中，较多的采用变压变频调速系统，由于转速精度受转差 率及负载的影响，存在着控制精度低、动态性能差、故障率高等缺点，因此，开发低成本、 高性能矢量型交流调速系统显得尤为必要，且有良好的市场前景。 本课题源于浙江省科技厅重点科技攻关项目，纺织、机械、化工、冶金等行业中高性 能的交流调速系统大多数采用光电码盘测速，交流调速系统成本较高，故障率较高，维护 起来比较困难。因此本文运用无速度传感器矢量控制算法和d s p 技术设计了一套高性能的 交流感应电机调速系统，避开了光电码盘的安装，降低了成本，同时也提高了系统的可靠 性。 1 4 本文研究的主要内容 本文在分析现有调速系统的状况和高性能变频调速要求的基础上，查阅了大量的文 献，并对控制方法进行了比较，在综合考虑了算法复杂性、应用场所、成本等因素的基础 上，确立了无速度传感器转子磁场定向控制算法，及基于m r a s 的速度估计器，并对无速 7 浙江理工大学硕士学位论文 度传感器矢量控制算法进行了m a t l a b 仿真实验，验证了控制方案的有效性性和可行性。 然后建立了以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为控制器、以三菱公司的p s 2 1 5 6 4i p m 作为 逆变器的硬件平台，设计了硬件电路，制作了p c b 板，并完成了控制算法和应用软件的设 计，调试了整个系统，研究了整个系统的调速性能。 本文的结构安排如下： 第一章是绪论，主要介绍交流感应电机控制系统的发展历史和国内外现状，着重分析 了模型参考自适应系统( m r a s ) 、卡尔曼滤波、智能控制方法的特点和现状，并对开展本 课题研究的背景与意义做了介绍。 第二章阐述了交流感应电机无速度传感器矢量控制的基本理论，针对应用背景和应用 需求，确立了无速度传感器转子磁场定向控制方案，设计了基于无功功率的m r a s 速度估 计器，对控制算法进行了m a t l a b 仿真实验，通过对仿真结果的分析，验证了控制算法的 正确性和可行性。 第三章详细介绍了无速度传感器矢量控制系统的硬件设计，主要包括驱动电路、保护 电路、控制电路、检测电路、通信接口和操作面板电路等。 第四章介绍了各个软件模块的总体结构，转子磁链估计软件设计，s v p w m 实现，操作 面板软件的编写和m o d b u s 通信设计，给出了软件模块的流程图。 第五章为结论部分。介绍本课题实际进行的情况以及实验结果，对实验结果进行了分 析，总结了课题中存在的问题和不足之处，提出了以后改进和完善的方向。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章交流感应电机无速度传感器矢量控制原理及仿真 2 1 交流感应电机矢量控制基本原理 交流感应电机是一个非常复杂的系统，为了方便分析，做如下假设： 1 ) 忽略空间谐波和齿槽效应，三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 。电角度，所产生的 磁动势沿气隙周围按正弦规律变化； 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感系数都是恒定的； 3 ) 忽略铁心损耗； 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 无论电动机转子是绕线型的还是鼠笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定 子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。 矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) ，又称磁场定向控制( f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ，f o c ) ， 1 9 7 1 年由f b l a s c h k e 在文献 8 中首次提出，几乎同时，美国的p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了“感应电机定子电压的坐标变换控制 专利，这些文献奠定了矢量控制的基 础。矢量变换的核心是把感应电机这个非线性、强耦合、多变量系统通过坐标变换，从三 相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，把励磁电流分量和转矩电流分量变成标量独立开 来，分别对它们进行控制，这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效成一台直流电 机，从而可像直流电机那样进行控制。 2 1 1 三相静止坐标系下交流感应电机的数学模型 在三相静止坐标系下，感应电机可以用电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程来 描绘m 1 ： 一、电压方程 用，“曰，u c 表示定子相电压的瞬时值 用甜。，材。表示转子相电压的瞬时值 、七、艺、i b 、t 分别表示定子和转子相电流的瞬时值 凡，r ，分别为定子和转子绕组电阻 岛，分别表示定子和转子的电感 o 浙江理t 大学硕士学位论文 式： 乙= k = 乙，表示互感 、虬等表示定子绕组和转子绕组的磁链 三相定子绕组电压方程如( 2 - 1 ) 式所示： 与此对应的三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程如( 2 2 ) 式所示： u 口- - i o r u 6 = i b r 铭c = i c r 。d 十一 d t ld 眠 1 r d t d 妙。 1 p d t ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 为方便起见，定义微分算子p 代替d d r ，并用矩阵形式进行表示，那么可以得到( 2 3 ) 恐0 00 0 r 0 0 00 r 0 000 b oooo 0ooo oo oo oo 0o 耳0 0 碍 + p 中b ( 2 - 3 ) 二、磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可以用( 2 - 4 ) 式来表示： y b 虬 虬ii 乞l c bl 记l l 曲l ( 2 4 ) 式中电感分为两类： 1 0 ( 2 - 4 ) 彳一 b c 一 帆i 饥百妣百 + + + r r r b k = l i = 彳 层 c 咖 咖 比 obk乞毛乞 4 口 c 口 6 c 晰砌灯如嘶以 obk乞 缸励励缸k 肋 动 = 穹 蚰伽励励励励 加 鼢 白 篮 孙“知励知励 胛 时 钌 配伽伽矽助伽 口 口 口 8 b伽伽励伽伽助励砌励励 浙江理工大学硕士学位论文 1 )自感 l x a2l b b = l c c = l s l = k = k = l ， 2 ) 互感根据假设，三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 。电角度，所产生的磁动势 沿气隙周围按正弦规律变化，那么有： k = k = = k = 幺c = 乞= 三乙； 厶= k = k = k = 乞= k = 圭乙； 另外定子和转子之问的互感为： l 一口= 三叫= l b s = l 砌= l c c = 三。c = l m c o s 0 ； l 6 = l m = k = l = l c o = 三口c = l m c o s ( o + 1 2 0 。) ； l 。= 匕= l 勘= l 弘= l c b = k = l m e o s ( o 一1 2 0 0 ) 。 三、转矩方程 z 2 厶 ( 乞+ 乇+ 乞之) s i i l o + ( i a i b + i b i c + i c , , ) s i n ( o + 詈刀) ( 2 5 ) 1 + ( 之+ i a + i c i 6 ) s i i l ( 口一万) 】 式中甩。是感应电机的极对数。 四、运动方程 t 甜言警 ( 2 _ 6 ) 式中z 表示负载转矩，表示感应电机的转动惯量。 由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程中，既有三相 绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程中磁场与定、转子电流 之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩阵。通常需要用坐标变换的方法加 以改造，最后得出与三相异步电动机等效的直流电动机模型。 2 1 2 坐标变换 由感应电机的数学模型可知，由三相平面坐标系向两相静止平面直角坐标系的转换， l l 浙江理1 二大学硕士学位论文 称之为c l a r k e 变换；由两相静止平面直角坐标系向两相旋转直角坐标系的转换，称之为 p a r k 变换。研究矢量控制通常有三种坐标系统，即三相静止坐标系统( 3 s ) 、两相静止坐 标系统( 2 s ) 和两相旋转坐标系统( 2 r ) 。坐标变换的原则是：保证在变换前后，电机的 功率保持不变和磁势保持不变。由三相静止坐标系向两相静止平面直角坐标系的转换，称 之为c l a r k e 变换( 也称3 s 2 s 变换) ；由两相静止平面直角坐标系向两相旋转直角坐标系 的转换，称之为p a r k 变换( 也称2 s 2 r 变换) 。 一、c l a r k e 变换 如图2 1 ，a 、b 、c 三相为静止坐标系，q 、d 表示两相静止坐标。在a 、b 、c 三相 对称绕组中通以三相平衡的正弦电流，产生以同步转速旋转的合成磁动势f ，q 轴与a 轴 重合，要在q 、b 坐标系中合成以同步转速旋转的磁动势f ，可以从它们的函数关系推导 出如式( 2 - 7 ) 的变换矩阵啼1 。 卧信 1一!一1 22 o 鱼一笪 22 图2 1c l a r k e 变换 ( 2 - 7 ) 可以证明，电压c l a r k e 变换和磁链c l a r k e 变换中的变换矩阵与式( 2 - 7 ) 中的常数矩 阵是相同的h 5 1 。在某些控制系统中，经过计算的控制变量需要转换为三相信号，所以还需 要将q 、b 坐标系下的变量变换到三相静止坐标系中。可以把( 2 - 7 ) 扩展成方阵，然后 求其逆矩阵，即可以得到c l a r k e 逆变换如式( 2 - 8 ) 所示。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 黔 l0 1压 22 1压 22 ( 2 - 8 ) 二、p a r k 变换 p a r k 变换是矢量控制中一种重要的变换，如图2 2 ，它将两相静止q 一1 3 坐标系变换 到两相旋转的d - q 坐标系，0 是旋转坐标系的d 轴和静止坐标系的q 轴的夹角，因为d - q 坐标系是以转速旋转的，0 角也是是随着时间而不断变化的。0 = ( i ) 。+ 0 。，0 。是初始角。 二二二无 d 一 工口 图2 2p a r k 变换 为三相定子电流合成的空间矢量，它在d - q 坐标系上的分量为屯和，在q 一1 3 坐 标系上的分量为乞和如。我们可以得到如( 2 9 ) 式的关系： - 2i a c o s o - i qs ino(2-9) 【= 乞s i n o + i q c o s o 将( 2 9 ) 式写成矩阵形式为( 2 - 1 0 ) 式： 州篇尝