（控制理论与控制工程专业论文）电动车交流异步电机无速度传感器矢量控制系统.pdf

摘要 摘要 电动汽车是解决能源危机和环境污染这两大难题的重要途径，因而逐渐成为 新一代交通工具的主要发展方向。鉴于交流异步电动机有结构紧凑、价格便宜、 容易重复利用、需要较少的维护等优点，已经在电动汽车的驱动系统中得以广泛 应用。为了进一步降低电动汽车电气驱动系统的成本与复杂性，并提高控制系统 的可靠性，交流异步电机无速度传感器矢量控制系统成为当前亟待解决的问题。 对于电动汽车中交流异步电机驱动系统来说，无速度传感器矢量控制方法的关键 技术是准确的磁场定向。磁链观测是关系到能否实现准确的磁场定向的关键，这 将决定着电动汽车能否在低速范围实现稳定的大转矩输出，实现在带载情况下的 稳定起动及稳定运行。本文针对这一问题，设计了基于改进积分器的电压模型交 流异步电机无速度传感器矢量控制系统。 具体而言，本文首先对基于改进积分器的电压模型观测转子磁链和转子磁场 位置的原理进行理论分析。然后，在m a t l a b s i ，n k 仿真环境下，建立了 基于改进积分器的电压模型无速度传感器系统仿真模型，完成了以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心的交流异步电机全数字无速度传感器矢量控制 系统的软件设计，并针对低通滤波器，饱和反馈积分器，自适应补偿积分器的实 现方法、参数的选取和关键技术进行了深入的分析和探讨。随后，以一鼠笼式交 流异步电机为被控对象，进行了无速度传感器矢量控制运行的相关实验，得到了 详实的实验数据和实验结果。 理论分析、仿真与实验结果均证明了三种基于改进积分器的电压模型无速度 传感器矢量控制系统各自具有一定的优势和缺陷，可根据不同的控制要求和场 合，选择不同的控制方案。综合考虑，基于自适应补偿积分器的电压模型在较宽 的电机转速范围内能准确地观测转子磁链，实现转子磁场的准确定向，输出稳定 的转矩，可以在工程上满足电动车控制系统的要求。 关键词：电动汽车交流异步电机无速度传感器改进积分器 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) p r o v i d e san e wa n de f f e c t i v ew a yt os o l v et h ee n e r g yc r i s i s a n de n v i r o n m e n t a lp ol l u t i o n p r o b l e m s ，, s o i th a sg r a d u a l l yb e c o m et h en e w d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s i n d u c t i o nm o t o r ( i m ) i sw i d e l yu s e d i nd r i v es y s t e mo fe vo w i n gt oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r e ， l o wp r i c e ，e a s i l yr e u s ea n dl e s sm a i n t e n a n c e t or e d u c ec o s ta n dc o m p l e x i t yo fd r i v e s y s t e mo fe v a n de n h a n c er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m , s e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mf o r i mg r a d u a l l yb e c o m i n go n eo ft h ep r o b l e m st ob es ol v e du r g e n t l y a sar u l e ，t h e a c c u r a t ef l u xo r i e n t a t i o nt h a td e c i d ew h e t h e ro rn o tt h ee l e c t r i cv e h i c l ec a nr e a l i z e s t e a d yo u t p u to fh i g ht o r q u ei nl o w e rs p e e dr a n g ea n ds t e a d ys t a r ta n dr u nw i t hl o a d ， i st h ec o r eo f t h es e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lf o re l e c t r i cv e h i c l ei n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e s y s t e m f o c u s e do nt h i si s s u e ，s e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mf o ri mb a s e do nm e t h o do f v o k a g em o d e w i t hm o d i f i e di n t e g r a t o ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r c o n c r e t e l ys p e a k i n g ，b a s i cp r i n c i p l e so fr o t o rf l u xp o s i t i o ne s t i m a t i o nu s i n g m e t h o do fv o l t a g em o d ew i t hm o d i f i e di n t e g r a t o ra r ea n a l y z e d f i r s t l y s y s t e m s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s i m u l i n ks e c o n d l y t h e n ，s o f t w a r eo f s e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s e f u r t h e r m o r e ，s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n , s e l e c t i o no fp a r a m e t e ra n dk e yt e c h n i q u e s w h i c ha r er e l a t e dt ol o w - p a s sf i k e lm o d i f i e di n t e g r a t o rw i t ha na m p l i t u d el i m i t e ra n d m o d i f i e di n t e g r a t o rw i t ha na d a p t i v ec o m p e n s a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l s a n dt h e n , a ne x p e r i m e n to fs e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mf o ras q u i r r e l - c a g ei n d u c t i o n m o t o r si se s t a b l i s h e d t h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，d e t a i l e de x p e r i m e n t a ld a t a a n de x p e r i m e n t a lr e s u k sa r ea c q u i r e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u k sd e m o n s t r a t et h a te a c ho ft h r e es e n s o r l e s s c o n t r o ls y s t e m sf o ri mb a s e do nm e t h o do f v o l t a g em o d ew i t hm o d i f i e di n t e g r a t o rh a s a d v a n t a g e sa n dd e f e c t s ，w h i c hi sa p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n tc o n t r o lr e q u i r e m e n t c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，m o d i f i e di n t e g r a t o rw i t ha na d a p t i v ec o m p e n s a t i o nc a n e s t i m a t et h er o t o rf l u xe x a c t l ya tw i d es p e e d r a n g e ，a n dr e a l i z et h ea c c u r a t ef l u x o r i e n t a t i o na n ds t e a d yo u t p u to ft o r q u e t h i sm e t h o dp r o v i d e sag o o ds o l u t i o nf o r d r i v es y s t e mo fe v k e y w o r d s ：e v , i m ，s e n s o r l e s sc o n t r o l , m o d i f i e di n t e g r a t o r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一天津大学_ 或其他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了谢意。 学位论文作者签名：巢缘 签字日期： 。芗年衫月p 驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一天津大学一有关保留、使用学位论文的规定。特 授权一天津大学一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，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：集嫌 导师签名：仅塑美 签字日期： 。多年。月p 严e j签字日期：可年g 月甲日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早殖下匕 随着中国经济持续高速发展，城市范围不断扩大、人口大幅度增加，汽车工 业同时也面临一个快速发展的机遇。近年来，我国汽车行业发展迅速，已成为世 界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。据估计，2 0 1 0 年全国汽车保有量将 达到7 0 0 0 万辆，2 0 2 0 年将高达1 5 亿辆。在中国的城市化进程中，汽车数量的 迅速增多不但给城市交通带来了沉重负担，而且随之产生一系列环境问题。虽然 我国油气资源丰富，全国石油储量达到9 4 0 亿吨，但探明率仅为2 4 石油产量更 是仅占世界石油总产量的2 。从1 9 9 3 年起，我国已经由石油出口国变成石油进 口国，由于国内的石油供给( 国内石油生产) 增长缓慢，而对石油的需求增长比 较快，今后十多年我国的石油进口将会保持较快增长的势头。在中国的石油消耗 中，机动车的燃料消耗所占的比例越来越大。预计2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国机动 车的燃油需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年全国石油总需求的4 3 和 5 7 ；也就是说，汽车将要“吃”掉一半左右的石油。所以能源问题与汽车发展的 矛盾日益突出。同时，汽车对环境的污染也越来越令人担忧。全球温室气体排放 总量持续攀升，二氧化碳排放中，2 5 来自汽车。在我国，汽车排放的污染已成 为城市大气污染的重要因素。我国二氧化碳排放量已居世界第二，很快会居世界 第一。减排二氧化碳的压力将越来越大。发展清洁能源、保护环境，是全人类的 共同目标。为了追求环保与高效生活的统一，发展一种新型的无污染、无噪音、 不耗油的交通工具正成为世界交通业的大势所趋。 电动汽车是一种电力驱动的、节能的、极少污染的新型交通工具，无尾气排 放，具有良好的环境保护效果：噪声低，仅为传统汽车噪音的2 5 ；热效率高， 比传统燃油汽车高出近5 0 以上；排放的废热少，可以有效减轻城市“热岛效应”； 可回收利用的能量多；可以改善能源结构，解决燃油汽车所带来的能源和环境问 题。电动汽车主要有纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车3 种类 型。纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子 电池等) 提供动力的汽车。混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利 于市场化而产生的一种新车型。一般是指采用内燃机和电动机两种动力，将内燃 机与储能器件( 如高性能电池或超级电容器) 通过先进控制系统相结合。提供车 辆行驶所需要的动力，混合动力电动汽车并未从根本上摆脱交通运输对石油资源 的依赖。因此，混合动力电动汽车是电动汽车发展过程中的一种过渡车型。燃料 第一章绪论 电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢气和氧气 ( 或空气) 在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置，具有完全无污 染的优点，但现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段。 电动汽车作为绿色环保运输工具，己受到发达国家的重视。美、日、德、法 等国都制定了相应的发展计划。各大传统汽车公司，如通用、福特、戴姆勒克 莱斯勒、大众、丰田等，也都致力于电动汽车的研究。虽然中国传统汽车工业与 国际有较大差距，但在电动汽车领域仅有5 年左右的差距，这也为中国汽车工业 赶超世界先进水平提供了一个大好时机。从“八五 开始到现在，电动汽车研究 一直是国家计划项目并在2 0 0 1 年设立了“电动汽车重大科技专项”。通过组织 企业、高等院校和科研机构，集中各方面力量进行联合攻关，现正处于研发势头 强劲阶段，部分技术已经赶上甚至超过世界先进水平：燃料电池汽车研发取得国 际前列的主要成果；混合动力客车实现载客运行，具备小批量生产能力；纯电动 客车已通过国家有关认证试验，开始批量生产，进入道路运营并开始出口。同时， 车用燃料电池发动机取得重大突破，成为世界上少数几个掌握车用燃料电池发动 机研发、制造以及测试核心技术的国家之一。2 0 0 8 年北京奥运会期间，5 0 0 多辆 节能与新能源汽车在北京投入使用，为北京奥运会中心区域交通实现“零排放”、 周边地区实现“低排放”立下了战功。财政部、科技部发出通知，决定1 3 个城 市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作；鼓励试点城市率先在公交、出租、 公务、环卫和邮政等公共服务领域推广使用节能与新能源汽车。中央财政重点对 试点城市购置混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池等节能与新能源汽车给予一 次性定额补助。补助标准主要依据节能与新能源汽车与同类传统汽车的基础差 价，并适当考虑规模效应、技术进步等因素确定。我国电动汽车事业正在蓬勃发 展。 现在有很多研究部门对电动汽车所应用的电机进行研究。目前，已经产品化 的电机有感应电机( i m ) 、永磁电机( p m m ) 和直流电机( d c ) 。d c 电机虽然控制简 单，但是电刷和换向器增加了维修问题和安全性问题。i m 和p m m 是主要的应 用电机。p m m 在运行效率上比i m 高，但是p m m 成本高，在弱磁情况下提高 转速不容易。相反i m 结构紧凑而且便宜、容易重复利用、需要较少的维护，在 大型的车辆和适应环境变化方面有优势，是发达国家电动汽车的主流电机。 电动汽车对其电气动力系统的性能要求较高，主要有： 调速范围宽，无级调速； 在恒转矩、恒功率区都可长期稳定运行并保持高效率； 动态响应快，系统鲁棒性好。 随着变频技术、功率电子器件和微处理器技术的迅速发展，变频调速成为当 2 第一章绪论 前交流调速技术的主要发展方向，在电动汽车电气驱动系统中得到广泛的应用。 早期的交流调速采用变压变频( v v v f ) 速度开环的方式，基频以下是恒电压频率 比控制，从而使电机的定子磁通基本保持不变，为了补偿电机在低速运行时定子 电阻的影响，在低速区应适当提升定子电压，基频以上要弱磁升速。由于是开环 控制方式，动态和静态性能都较差，广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不 高的场合。在w 开环调速之后，出现了滑差频率控制，这是一种基于电机 稳态模型的速度闭环控制方式，可以获得比较好的稳态性能，在早期的一些轧钢、 电力机车上得到了比较广泛的应用。在上个世纪7 0 年代初期，e b l a s c h k e 等发 明了感应电机磁场定向的矢量控制，通过坐标变换，把交流控制变量转换为直流 量，模仿直流电动机的控制，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转矩和 磁链的解耦控制，使感应电机的动态性能可以直接与直流电机媲美，目前感应电 机调速领域应用较广。由于磁场定向的要求，在滑差频率型磁场定向矢量控制方 法中电机的转速信息是不可缺少的，在早期的控制方法中，转速信息是通过光电、 磁电编码器或旋转变压器得到的，由于电动汽车要经常使用在非常恶劣的环境 中，速度传感器的使用相对降低了系统的可靠性。从上世纪8 0 年代初开始出现 了无速度传感器的研究，这是因为通过无速度传感器技术，系统具有降低硬件的 复杂性和总成本、提高鲁棒性和可运行在恶劣环境中等优点。目前，无速度传感 器运行己经成为了交流传动领域的重要研究内容之一，并且已经大量地运用于矢 量控制当中，几乎国外所有大的变频器生产商都有自己的高性能无速度传感器矢 量控制变频器产品。同时，对于无速度传感器控制中磁链观测、速度估计的研究 还可以应用于机车牵引、变频空调等其他交流传动领域，因此，交流异步电机无 速度传感器矢量控制方法的研究有理论意义和重要的应用价值【l 。8 】。 1 2 无传感器研究现状与综述 国际上对于无传感器的交流调速系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代。商业化的 无传感器电动机传动系统包括一个速度估计器。此类传动系统的控制范围为额定 转速的l 1 0 ，而速度的控制精度可以达到基速的5 。无传感器的传动系统 的性能主要取决于转矩控制能力、速度及位置的估计精度和系统的带宽。第一代 无传感器传动系统的动态性能接近标准的矢量控制传动系统，特别是当速度达到 额定转速的3 5 以上时更是如此。但第一代无传感器传动系统不适于对转子 位置进行控制( 因为它需要对于转子位置绝对位置的估计精度达到1 2 1 4 b i t 和很 高的带宽，外加在零速时仍具有满转矩控制能力) 。当前在无传感器交流传动领 域的最高技术发展水平的研究集中在非常低速以致零速范围中的无传感器和位 3 第一章绪论 置传感器的传动控制，即第二代无传感器交流传动系统。这将于标准的矢量控制 系统进行竞争，并且可以在零速实现全转矩控制，且精度达到1 2 b i t 9 1 。 对于无速度传感器矢量控制而言首先要实现磁场定向。根据磁链相位信息的 获得方式不同，磁场定向可分为间接磁场定向和直接磁场定向。直接磁场定向是 基于观测得到的磁链，直接获得磁链的相位进行磁场定向；间接磁场定向是基于 转速信息的获得，经过积分得到磁链相位，不需要对磁链进行观测【1 0 1 。 从磁场定向的特点来看，可以把无速度传感器矢量控制方法大致分为二类： 一是以磁链观测为出发点的方法，二是以转速估计为出发点的方法。在众多方法 中，大多是基于电机的理想模型基础上的，还有一些基于电机非理想特性基础上 的方案】。 磁链观测的方法种类很多，最基本的方法是从电机理想模型出发得到的电压 模型( u i 模型) 和电流模型( i c o 模型) ，以及两者结合的观测器方法。由静 止坐标系下的定子电压方程，可以得到转子磁链观测的电压模型为( 1 1 ) 式： ，p 。 审几，= 生【i ( u ，一墨i ，一盯厶i s ) 衍】 ( 1 - 1 ) k 。 由转子方程可以得到磁链观测的电流模型为( 1 2 ) 式： 1， 审一= ( 一i + q j ) 审。+ 专 i 。 ( 1 2 ) 式中，审，= 【汐。】t 为电压模型估计磁链，审一= 【儿丸卢】t 为电流模型估 计磁链，u ；、i 。为定子电压、电流，q 为转子转速，z = 去为转子时间常数， ： ，j = ( ：言) ，k 为口一坐标系下定转子绕组间互感，足、厶分别 g a - p 坐标系上定子绕组间的电阻和自感，墨、分别是口一坐标系上转子 绕组间的电阻和自感，仃= 1 一三l 王l , 为漏感系数。 下面从磁链观测的角度出发，分析各种无速度传感器矢量控制方法。 1 2 1 基于电压模型的磁链观测方法 这类方法是以电压模型的磁链观测方法为基础进行磁链观测，可以采用直接 的磁场定向进行控制 1 2 - 2 3 】。 4 第一章绪论 1 低通滤波器方法 由于包含纯积分环节，因此存在起动时的初值问题和低速时的积分飘移问 题。为了解决积分飘移问题，有些学者提出了用一阶低通滤波器代替纯积分的方 法，这种方法实际是纯积分和一阶高通滤波器的结合】【”】。由于高通滤波器的 引入使磁链的幅值和相位发生了变化，尤其在低速范围的影响更为严重。围绕这 一点，出现了很多的改进策略，主要有可编程滤波器方法【l o 】【l6 1 、参考信号补偿 方法【1 4 1 5 - 2 2 】、电压模型和间接磁场定向相结合的方、法【1 0 】【1 3 】等。 2 可编程滤波器方法 如果滤波器的时间常数是固定值，当电机频率比滤波器截止频率低时会产生 磁链估计误差。可编程的滤波器方法【1 3 】【2 1 1 如图1 1 ，使滤波器的时间常数随着同 步旋转频率的变高而变小，滤波器的极点在非常低的速度范围内接近原点，在高 速范围内远离原点，这样可以减小磁链估计的幅值和相位误差。但是，在极低速 范围，过大的时间常数仍然会产生直流偏置。 图1 1 可编程的滤波器方法 3 参考信号补偿方法 为了解决时间常数不变的滤波器方法低速时性能差的问题，一些学者提出了 一些补偿的方法，主要包括磁链给定值补偿方法14 】【1 5 - 2 0 和磁链观测值反馈补偿方 讨：【ll 】【2 0 】【2 2 】 1 o 磁链给定值补偿的方法【2 习 如图1 - 2 ，这种方法在频率很低时，观测器的输出主要由磁链设定值决定， 处于开环控制状态；高速运行时，磁链观测器的输出主要是电压模型的观测结果。 但由于低速时磁链设定值起主要作用，导致其动态性能较差。 图1 - 2 磁链给定值补偿方法 第一章绪论 磁链观测值反馈补偿方法 只是把上图中的磁链给定值换成观测值。通过直极坐标变换得到磁链相位以 后，利用观测的磁链幅值或电流模型得到的磁链幅值【l l 】，经过极直变换后 来补偿电压模型得到的磁链观测结果。 1 2 2 含有电流模型的磁链观测方法 基于式( 1 2 ) 的电流模型的磁链观测方法，由于含有转速信息，在无速度传感 器矢量控制中很少单独使用。从磁链观测而言，多是作为模型参考自适应观测器 方法中的可调模型，而且以电压模型作为参考模型，根据两种模型得到的磁链观 测之差或差积 2 4 - 2 7 1 作为误差，经过p i 调节得到转速的估计值。这些方法在控制 实现上，磁场定向一般采用间接磁场定向。如图1 3 。 图1 - 3 最初的模型参考自适应观测器方法 1 2 3 两种模型的结合一状态观测器方法 基于电机理想模型的状态观测器方法，都是以电机的定子电压方程和转子电 压方程为基础的，可以看作是电压模型磁链观测器和电流模型磁链观测器的不同 结合【3 1 3 7 1 。其中有龙贝格观测器( 全阶状态观测器) 、卡尔曼滤波器等。在具体 实现上，可以把全阶状态观测器作为可调模型，实现基于全阶状态观测器的模型 参考自适应观m r a s ( 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 ) 。或者通过不同的滑模超 平面的设计实现滑模观测器。 最常用是龙伯格观测器( l o ) 、扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 和滑模观测器。1 9 8 9 年c s c h a u d e r 采用全阶自适应观测器方法来估计异步电机的速度和位置，奠定 了自适应观测法在异步电机的无传感器矢量控制系统中的应用基础。1 9 9 2 年美 国麻省理工学院电机系的学者发表了采用全阶状态观测器的无机械式传感器永 磁同步电机的论文【2 8 】【2 9 】。为了满足系统的全局稳定条件，全阶状态观测器需要 在电机的高速和低速时采用不同的增益矩阵，而且电机参数的变化对于系统性能 6 第一章绪论 的影响较大，需要结合电机参数的在线辨识，这无疑增加了系统的复杂性。卡尔 曼滤波器是由美国r e k a l m a n 在1 9 6 0 年提出的，其特点是考虑了系统的模型误 差和测量噪声的统计特性。在交流传动系统中状态估计和参数辨识中，很多学者 采用了扩展卡尔曼滤波法。该方法将电机的转速看做是一个状态变量，考虑电机 的非线性模型采用卡尔曼滤波法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方 法可以有效的抑制噪声，提高转速估计的精确度。但是估计精确度受到电机参数 变化的影响，而且卡尔曼滤波法的计算量很大，为满足实时控制的要求需要用高 速、高精度的数字信号处理器来完成。1 9 8 6 年，麻省理工学院的j j s l o t i n e 首次 提出了将滑膜观测器应用在无传感器控制系统中。滑模观测器是利用滑膜变结构 控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把一般状态观测器中的控制回路改成滑模 变结构的形式，通过结构变换开关，使状态的运动点以很小的幅度在相平面上运 动，最终到达稳定点。滑膜变结构控制与控制对象的参数变化以及扰动无关，具 有很强的鲁棒性，但是滑膜变结构在本质上是不连续的开关控制，会引起系统发 生抖动，尤其是在电机低速运行时，会引起较大的转矩脉动。 1 2 4 转速的估计法。 无速度传感器异步电机矢量控制方法中，有很多的方法是以转速估计为出发 点的，利用估计到的转速信息进行间接磁场定向。在各种无速度传感器矢量控制 方法中，转速信息获得方法可以以下分为3 类： 1 对观测的磁链进行微分或用公式计算直接得到同步频率口1 】【1 3 【3 0 】，如 公式( 1 3 ) ，然后减去滑差频率得到转速信息。 面：垃垫邋窑譬盟( 1 - 3 ) j 孵l 2 根据转子电动势计算转速 在很多无速度传感器的矢量控制系统中，常用近似的转子电动势计算法【3 1 1 【3 3 1 ，近似条件是：同步坐标系下，d q 坐标按转子磁链准确定向；达到稳态。 按转子磁链定向时，= ，= 0 ，异步电动机在d q 坐标上的转子电动势为： 铲坦竹厶秘竹t q 岛= 等警 ( 1 - 4 ) = 一( 足+ 盯厶鼍) 岛一仃厶q o = 争q ( 1 5 ) 上 认为转子磁链已经达到稳态，即等于其给定值，因而兰警：0 ，于是= 0 。 由式( 1 4 ) 和式( 1 - 5 ) 左边等式中消去q 后可算出，再由式( 1 5 ) 两端等式计算同 步角速度为： 第一章绪论 q = 每 ( 1 - 6 ) 由以减去滑差频率即得角速度的计算值。直接检测定子端交流电压用以计算转 子电动势时，由于电压是p w m 波形，须加滤波，比较麻烦，而且会带来滞后。 在一些实用系统中，常采用检测得到的直流母线电压，再利用p w m 开关函数 重构定子电压信号，低速时须扣除功率开关器件的管压降和死区电压。利用转子 电动势计算转速的方法简单实用，在无速度传感器的矢量控制通用变频器中常被 采用。这种方法存在的问题是：低速时电动势值很小，计算误差大，影响系统 性能；为了简化计算，采用给定值代替，动态转速不够准确。因此，这种系统 的精度不高，调速范围一般为1 0 2 0 。文献 3 7 1 提出了改进的转子电动势计算转 速的方法，改善了动态性能，并且证明了其稳定性【3 引，结构图如图1 4 。 图1 4 改进的转子反电动势估计同步转速方法 3 根据状态变量的误差来估计速度 如果认为，速度的估计误差引起了状态变量的真值和指令值之间的误差，那 么就可以由状态变量的误差来估计速度3 9 1 。例如把定子电压方程的电流模型在旋 转坐标系下表示为( 1 - 8 ) 式： 。，= 【l + z ( 丢+ j c o o l v ， ( 1 8 ) 在假设转子磁链和转子时间常数的设定值没有误差的情况，即0 = 乙， 此= 耐。速度的估计误差是转矩电流成分误差的主要起因。因此可以得到速度 的估计公式： 匆= ( k p + 毛s ) o 。q 一乙) ( 1 - 9 ) 当假设电流没有误差的情况下，速度的估计误差引起磁链的指令值和实际值 之间的偏差，也就是在电流的转矩成分的轴上，本应该为零的转子磁链分量不为 零了。可以用来估计速度如下： 西，= ( k p + t s ) ( 一嵋+ ) = ( k p + t s ) ( o + w ) ( 1 一l o ) 在同样的假设条件下，或者通过转矩给定值和估计值之差p i 调节得到转速 8 第一章绪论 估计值【】。 4 基于m r a s 理论的速度估计 基于m r a s ( 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 ) 理论的转速估计方法可分为两 类：一、以电压模型为参考模型以电流模型为可调模型m r a s ；二、以电机为参 考模型，以全阶状态观测器为可调模型的m r a s 。 以电压模型为参考模型以电流模型为可调模型的m r a s 的转速估计方法有 以下几种： 1 ) 以两种模型得到的磁链叉积通过p i 调节得到转速估计值【3 l 】。 2 ) 以两种模型得到的反电势的叉积作为误差项，通过p i 调节得到转速估计 值 4 0 l h l l 。 ) 以两种模型得到的无功功率之差作为误差项，通过p i 调节得到转速估计 值【4 2 1 1 4 3 1 。 基于全阶状态观测器的m r a s 中，是由p o p o v 超稳定性理论推导出的估计 转速。在以转速估计为出发点的无速度传感器矢量控制系统中，如果存在磁链观 测，可以利用磁链信息进行直接磁场定向，也可以根据估计到的转速信息进行间 接磁场定向。 5 转子齿谐波法( r s r ) 1 8 1 1 1 感应电机的定子和转子铁心表面存在齿槽，因此电机的气隙中会有谐波磁场 的存在，当电机旋转时会在定子绕组中感应出谐波电压进而产生谐波电流。利用 带通滤波器对定子电压和定子电流的进行滤波可以得到转子的齿槽谐波分量，一 旦检测到此谐波分量的频率，即可得到转子的转速。 在一些方案中，有学者采用f f t 技术对单相电流进行频谱分析，最终检测 出转子齿谐波的频率，其前置滤波器采用数字方式实现。在另一些方案中，通过 开关电容滤波器( s c f ) 对定子电压进行前置滤波，通过同步频率调节前置滤波器 的中心频率，而转子齿谐波频率通过锁相环或者通过频压转换器检测得到。另有 一些学者另辟蹊径，等采用对电机注入高频电流的方法检测电机转速。 1 3 论文研究内容及结构 对于电动汽车中交流异步电机驱动系统来说，无速度传感器矢量控制方法的 关键技术是准确的磁场定向。磁链观测是关系到能否实现准确的磁场定向的关 键，这将决定着电动汽车能否在低速范围实现稳定的大转矩输出，实现在带载情 况下的稳定起动及稳定运行。通过查阅大量的国内外参考文献，对无传感器的研 究现状有了系统的认识，对交流异步电机无传感器控制策略和控制方法以及它们 的优缺点有了深入的了解，在结合电动汽车实际要求的基础上，本文研究并设计 9 第一章绪论 了三种基于改进积分器的电压模型无传感器矢量控制系统，主要完成了以下5 个 方面的工作： 1 理论分析和研究：分析了基于改进积分器的电压模型观测电机转子磁链 的原理，包括：低通滤波器、饱和反馈积分器和自适应补偿积分器的基本原理； 2 系统分析和设计：利用理论研究成果，设计了基于改进积分器的电压模 型无传感器矢量控制系统，并深入分析了低通滤波器，饱和反馈积分器、自适应 补偿积分器的设计及参数的选取； 3 系统仿真：利用m a t l a b s i m u l i n k 建立交流异步电机、电压模型、低 通滤波器、饱和反馈积分器和自适应补偿积分器等数学模型，建立基于改进积分 器的电压模型无传感器系统仿真模型，通过仿真验证了算法的正确性和可行性； 4 系统实验：首先完成了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心的全数字无传 感器矢量控制系统的软件设计和代码编写，软件主要包括矢量控制、电压模型、 低通滤波器、饱和反馈积分器和自适应补偿积分器等模块，然后以鼠笼式交流异 步电机为被控对象，进行了基于改进积分器的电压模型观测电机转子磁链相关实 验，得到了详实的实验数据和实验结果； 5 仿真和实验结果分析：通过仿真和实验结果进一步分析了影响估计精度 的因素，为今后进一步优化系统方案和参数设计提供了参考。 1 0 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 2 1 交流异步电动机的数学模型 由于异步电动机的动态数学模型模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量 系统，因此要建立精确的电动机数学模型比较困难，为了建立简化的数学模型， 通常做如下假设【1 】【6 】【9 】【3 0 】： 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 电角度，所产生的 磁动势沿气隙周围按正弦规律分布： 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的； 忽略铁心损耗； 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 2 l 1 三相静止坐标系下的异步电机数学模型 基于上述假设，可以得到异步电机在各个坐标系下的数学模型。定子三相对 称绕组轴线a 、b 、c 在空间上固定且互差1 2 0 。电角度，转子对称绕组的轴线a 、b 、 c 随转子一起旋转。我们以a 相绕组的轴线为空间参考坐标轴，转子a 轴和定子a 轴间的电角度口为空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流及磁链的正方向符 合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，我们可得到在三相静止坐标系下异步电动 机的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。 图2 - 1 三相异步电动机的物理模型 在交流电动机三相对称的静止绕组a 、b 、c 中，通以三相平衡的正弦电流， 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 ，毛，其中，c 为时间的标量，相位互差1 2 0 ，而定子三相对称绕组轴 线a 、b 、c 在空间上固定且互差1 2 0 电角度，则a ，芒三相电流合成以同 步转速缈。( 即电流的角频率) 顺着a b c 的相序旋转的电流矢量。同理，可得 到，电压矢量，磁链矢量均是以同步转速旋转的。 1 ) 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 叱= r + 等= 墨+ p = 足+ 皇兰r 旦= 足+ 批 ( 2 1 ) = f c r + 等= t 足+ 晰 三相转子绕组归算到定子侧的电压方程为 = 屯墨+ 堕刍：艺碍+ p 虬 ：f 6 耳+ 堡争：墨+ p ( 2 2 ) ：母+ 警：c b + 脱 式中心，定子、转子相电压的瞬时值； ，芒，屯，定子、转子相电流的瞬时值； ，虬，忱三相定子、转子绕组的全磁链； 足，足定子和转子绕组电阻。 2 ) 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和。 其中匕，k ，k ，l ，厶。，k 二是各有关绕组的自感，其余各项为绕组 间的互感。 q c 虬 申c l 。 k 。 厶。 厶。 k l c c ( 2 3 ) 与电机绕组交链的磁通有两类：一类是只与某一相绕组交链而不穿过气隙的 漏磁通，另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者是主要的。互感磁通又分为两 类：( 1 ) 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置是固定的，故互感为常值； 1 2 砌励励知如如 如助励知知如 c c f c c c 珈伽所助伽缸 占 口 b 占 f b 伽伽励知伽知助砌励缸励础 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 ( 2 ) 定子任一相与转子任一相间的位置是变化的，互感是角位移的0 函数。 3 ) 电磁转矩方程 假定线性磁路、磁动势在空间按正弦分布，根据机电能量守恒定理，可求出 电磁转矩z 的表达式如下所示： t = 玎，k 。【( 乞+ i s i b + i c i 。) s i n 0 + ( + i , i o + i c i , , ) s i n ( a + 1 2 0 。) + ( 2 - 4 ) ( + 乞+ i c i b ) s i n ( a 一1 2 0 。) 】 上式说明z 是定子电流、转子电流及0 角的函数，即拖动转矩是一个多变量、 非线性且强耦合的函数。 4 ) 运动方程 在一般情况下，忽略电力拖动系统中的阻转矩阻尼和扭转弹性转矩，并且当 负载是恒转矩负载时，电机的运动方程为： 乃一互2 专警 ( 2 - 5 ) 式中t 广负载阻转矩；j - 机组的转动惯量。 2 1 2 两相静止坐标系下的异步电机数学模型 三相电流，如，岛为三个自由度， 自由度来确定一个平面，在两维平面中， 并且满足+ + i c = o ，故实际只有两个 电流矢量可以在两相正交坐标系上分解 水平分量和垂直分量，因此三相静止坐标系可以转换为两相静止坐标系，并且转 换是唯一的。对于逆变换来说，由于+ + 如= o 条件的限制，所以逆变换也是唯 一的。 引入三相两相变换( c l a k e 变换) 矩阵 1 - 4 c 3 s 1 2 s5 、； l l 1 22 0 矗矗 2 2 ( 2 - 6 ) 根据坐标变换( 三相到两相的变换) ，得到异步电机( 转子短路的鼠笼型电机) 在两相静止坐标系上的数学模型如下所示。这种在两相静止坐标系上的数学模型 又称作k r o n 的异步电动机方程式或双轴原型电机( t w oa x i sp r i m i t i v em a c h i n e ) 基本方程，常用来建立异步电动机仿真模型。 1 ) 电压方程 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 “ z f 西 z 足+ 丘p 0 l p 一彩k 0 足+ 三i p c o l = l m p 其中，对于鼠笼式电机有甜。= ”坩= 0 ； 2 ) 磁链方程 3 ) 电磁转矩方程 厶0 0 厶 k 0 0 l m k p o l + l t p c o l , k 0 0 k 0 0 互= 伟l m ( 岛一i r p ) 0 k p 缈 墨+ z , p k 2 1 3 两相同步旋转坐标系下的异步电机数学模型 k l 宦b 1 m ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 当两相坐标系以同步角速度国。旋转时，电流矢量、电压矢量和磁链矢量相 对与该坐标系是静止的，在该坐标系上分解的量为常值。对于电机来说，当a b c 坐标系中的电压和电流是正弦波时，变换到d q 坐标系上就成为直流。在d q 坐标 系中，异步电机的基本方程式如下： 1 ) 电压方程为 2 ) 磁链方程为 材凹 0 o 足+ 厶p q 厶 厶p 悠厶 中啦 i ；，s q 申租 一q 厶 r s 七l s p 0 o 厶0 0 厶 厶0 0 l 乙p一锡乙 q l ml = p 足+ l , p 0 致足 l 0 0 厶 0 0 上， l d l s q o z 哪 l s d k ，w ( 2 - l o ) ( 2 - 1 1 ) 3 ) 转矩方程为 乃= 厶( 岛0 一l 。s d ) ( 2 - 1 2 ) 式中l l s d ，0 分别是定子d 轴的电压和电流；“凹，岛分别是定子q 轴的电压和电流； 0 ，k 分别是转子d 轴和q 轴的电流：足，t 分别是d q 坐标系上定子绕组的电阻 和自感；b ，t 分别是d - q 坐标系上转子绕组的电阻和自感：乙是d - q 坐标系下 1 4 第二章交流异步电机数学模型及矢量控制 定转子绕组间的互感；p = i 4 为微分算子；q = q q 为转差角频率，c o 。为同 “i 步角速度，q 为转子角速度；z 为电磁转矩，刀。为电机极对数，分别为转子磁 链在d 轴和q 轴上的分量；，分别为转子磁链在d 轴和q 轴上的分量。 在进行一般的两相同步旋转坐标变换时，只规定了d 、q n 轴的相互垂直关系 和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此 是有选择余地的【l 】【6 】。 2 2 异步电动机矢量控制 2 2 1 矢量控制的基本原理 当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过对称 三相交流电流f 。，0 。若不计谐波磁动势和齿槽影响，这个对称三相交流电 流将在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步角速度劬旋转的旋转磁动势e 。 这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组内感