（控制科学与工程专业论文）异步电机无速度传感器矢量控制系统研究.pdf

武汉理_ t 大学硕士学位论文 摘要 矢量控制理论的提出与成功应用，开启了用交流调速系统取代直流调速系 统的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣与热情。无速度传感器 技术由于可以省去速度传感器，能够降低交流调速系统的复杂性、增强系统的 环境适应性、降低系统的成本，矢量控制技术和无速度传感器技术两者结合的 无速度传感器矢量控制技术成为近年来的研究热点。基于此，本文对异步电机 无速度传感器矢量控制系统展开深入的研究。 简述了交流传动控制理论的发展概况，对目前己提出的转速估计方法进行 了对比与分析，引出了本课题的研究目的和主要研究内容。 阐述了矢量控制、矢量坐标变换的基本原理，讨论了异步电机的数学模型， 并在此基础上分析了基于转子磁场定向的矢量控制系统基本原理。随后本文对 空间电压矢量调制技术的基本原理以及实现方法进行了介绍，对影响矢量控制 精度的磁链观测进行了全面的分析，设计了一种基于组合模型法的转子磁链观 测器。对模型参考自适应理论和基于模型参考自适应理论的转速估计方法进行 了研究，针对常规的模型参考自适应转速估计方法存在收敛速度慢、低速估计 误差大的特点，采用了一种改进型的变参数模型参考自适应转速估计方法。 设计了一套以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为核心的异步电机无速度传感器矢 量控制系统，给出了系统的主电路、检测电路、功率驱动电路、保护电路等硬 件电路。对基于d s p 的无速度传感器矢量控制系统进行了软件设计，给出了各 个模块的子程序流程图。 最后，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上建立了控制系统的各部分仿真模块， 结合模型参考自适应转速估计理论和矢量控制理论搭建了无速度传感器矢量控 制系统的仿真模型，以此为基础进行了仿真研究。仿真模型进行仿真，从仿真 结果可以看出，基于变参数模型参考自适应的转速估计方法收敛速度快、估计 精度较高，无速度传感器矢量控制系统具有良好的静态和动态性能。 关键词：异步电机，无速度传感器，模型参考自适应，矢量控制，d s p 武汉理丁大学硕士学位论文 a bs t r a c t p r o p o s a la n ds u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r yo p e nt h ee r ai n w h i c hd c ( d i r e c tc u r r e n t ) m o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mi s r e p l a c e db ya c i m ( a l t e r n a t i v ec u r r e n ti 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 m i ts t i m u l a t e dt h ei n t e r e s t a n de n t h u s i a s mo fp e o p l et od e s i g na cs p e e dc o n t r o ls y s t e mw i t hh i g hp e r f o r m a n c e a st h es p e e ds e n s o d e s st e c h n o l o g ye l i m i n a t e st h en e e df o rs p e e ds e n s o r , i tc a nr e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fa cs p e e dc o n t r o ls y s t e ma n de n h a n c et h ee n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dr e d u c es y s t e mc o s t t h e r e f o r ei nr e c e n ty e a r s ，t h e c o m b i n a t i o no fs p e e ds e n s o r l e s st e c h n o l o g ya n dv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yb e c a m ea r e s e a r c hf o c u s b a s e do nt h i s ，t h et h e s i sc a r r i e so u ta l li n - d e p t hr e s e a r c ho ns p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h es t a r t o f - a r ta n dd e v e l o p m e n t st r e n d so ft h ea cm o t o rc o n t r o lt h e o r ya r e i n t r o d u c e da n dt h ec o n c e p to fs p e e ds e n s o f l e s si sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h ei s s u e o ft h ep u r p o s ea n dm a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c ha r ea l s op r e s e n t e d i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fv e c t o rc o n t r o l ，v e c t o rc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o na lep r e s e n t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dt h e f l u xo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma l ed i s c u s s e d t h e nt h ea c c u r a c yo ff l u x o b s e r v a t i o ni sa n a l y s i s dc o m p r e h e n s i v e l y , ac o m b i n e dm o d e lf o rf l u xo b s e r v e ri s p r e s e n t e d t h e nt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m s ( m r a s ) a n d t h es p e e d e s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do nm r a sa l ed i s c u s s e d f o rt h ec o n v e n t i o n a lm o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v es p e e de s t i m a t i o nm e t h o ds u f f e r sf r o ms l o wc o n v e r g e n c ea n dl a r g e e s t i m a t i o ne l l o r so fl o w - s p e e d ，m o d i f i e dm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es p e e de s t i m a t i o n w i t hv a r i a b l ep a r a m e t e r si sp r o p o s e d d e s i g n ai n d u c t i o nm o t o rs p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t h t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc h i pa sc o n t r o lc o r e ，i n t r o d u c i n gt h es y s t e m sm a i nc i r c u i t ， d e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t sa n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i t r y t h e n t h es o f t w a r ed e s i g ni d e ao ft h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d a n dt h es o f t w a r eo fv a r i o u sm o d u l e sa l eg i v e n f i n a l l y , t h es y s t e me m u l a t em o d u l a t i o n sa r ec o n s t i t u t e do nt h em a t l a b s i m u l i n k s i m u l m i o np l a t f o r m c o m b i n e dw i t hm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es p e e de s t i m a t i o n h 武汉理- t 大学硕士学位论文 t h e o r ya n dt h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r y , t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sb u i l t s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，t h es p e e de s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nv a r i a b l ep a r a m e t e rm o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lt h e o r yh a sf a s tc o n v e r g e n c er a t ea n dh j i g he s t i m a t i o n a c c u r a c y , a n dt h es p e e ds e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sag o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n ds t a t i cc h a r a c t e r k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r , s p e e ds e n s o r l e s s ，m r a s ，v e c t o rc o n t r o l ，d s p i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 研究生签名： 益垒& ! 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：址导师签名：茎整叁日期：世 武汉理工大学硕士学位论文 1 i 课题的背景与意义 第1 章绪论 本文的研究工作源于以下课题，并得到了该课题的资助： 国家自然科学基金：车载飞轮电池磁悬浮转子的基础理论及关键技术研究 ( 项目编号：5 0 6 7 5 1 6 3 ) 。 能源问题是一个影响全球经济快速、持续、稳定发展的问题，我国同样也 面临着经济增长与能源需求的巨大压力。目前在我国，高耗能产品的耗能量比 发达国家高11 - 5 4 ，特别是在电力、石化、有色、化工、建材、轻工、钢铁、 纺织八个行业中，主要产品单位平均能源消耗比国际先进水平高3 9 以上。然而 我国能源利用效率却很低，仅为3 2 左右，比发达国家平均水平低1 1 个百分点 左右。因此，提高能源的利用效率已经成为关乎我国经济发展的战略核心问题。 在八大高耗能行业之中，能源消耗最主要的大户是电机，目前我国电机年耗电 量达7 0 0 0 亿千瓦时，总装机容量达到5 亿千瓦，占总耗电量的7 0 以上，而且 目前正投入使用的电机大多都是中小型的异步电动机【1 】。由此可见，我国在总体 节能降耗面临严峻形势的同时，在异步电机交流传动领域却有着比较大的节能 空间。异步电机节能技术中效果最为理想的是变频调速技术，它拥有平滑良好 的调速性能、显著的节电效果和广泛的环境适用性，目前已经成为交流传动领 域研究和发展的主流方向。 从2 0 世纪4 0 年代起，可调速传动的电动机在冶金工业和纺织工业中就获 得了大规模的应用。在当时，由于直流电动机相对交流电机而言，有着更为优 良的静、动态性能，因而大规模的使用于调速系统。然而从7 0 年代开始，交流 电动机以其较高的稳定性、低廉的成本价格、以及强大的抗干扰能力，逐步在 工业应用领域展现出直流电机所不具有的优势。随着数字控制技术和电力电子 器件的发展，各种变频调速的控制理论相续诞生，特别是随着矢量控制理论的 引入，交流电机通过坐标变换实现转距和磁通的解耦，用控制直流电机的模式 来控制交流电机。在很多领域，矢量控制的交流调速系统的性能指标己经可以 达到甚至超过直流调速系统，由此矢量控制的变频调速系统在高性能和高精度 武汉理t 大学硕+ 学位论文 场合得到了广泛的应用。随着半导体技术的飞速发展，处理器的处理速度不断 提升、处理能力不断加强，再加上更为先进的控制算法的引入，矢量控制变频 调速系统基本具备了处理复杂任务、实现复杂控制的能力。 在追求高精度、高性能的交流传动变频调速系统中，开环控制往往难以满 足系统精度和性能的要求，因此对转速进行闭环控制是系统不可或缺的环节。 要实现转速闭环需要以电机的实时转速作为反馈量，目前获得电机的实时转速 主要靠通过类似光电编码盘之类的速度传感器进行速度采集。但是速度传感器 的安装不可避免的会加大系统的复杂程度，从而提高系统的成本，甚至可能会 影响系统的控制稳定性。尤其是在潮湿、高温等恶劣条件下或者在某些狭小空 间中，速度传感器无法安装或者安装了以后又可能会影响系统其他环节的正常 工作。因此，如何采用方便检测的异步电机的定子电流和定子电压直接推算出 电机的实时转速从而构成无速度传感器矢量调速系统成为交流传动领域新的研 发热点之一。基于此，本文对异步电机无速度传感器矢量控制系统展开深入的 研究。 1 2 交流传动控制理论的发展概况 2 0 世纪4 0 年代末开始，电气交流传动领域中进行了一场划时代的技术变革， 实现了原来只能用于恒定转速传动的交流电动机的调速控制，这一变革使得交 流电机调速系统在工业应用领域崭露头角，从此也开启了交流传动控制理论的 研究进程。随着现代控制理论逐渐向交流电气传动领域的渗透加上电力电子器 件的迅速发展，交流传动的控制理论逐步产生并成熟起来。交流电机变频调速 诞生的第一个重要理论是调压调频控制理论，也称为v f 控制理论。该理论产 生于2 0 世纪4 0 年代，其保持电压和频率的恒定不变，既可以适用于开环转速 调节系统又适用于闭环转速调节系统。这种控制方式的主要优点是控制结构简 单、成本较低，这使其一经提出就得到了广泛的应用。然而这种控制方式的缺 点也随着现代工艺要求的提高逐步暴露出来，其系统动态性能不高、转矩响应 慢、能量利用率低，特别是在低转速恒压频比控制的情况下，控制器还需要进 行额外的电压性能补偿，才能使电机在低速情况下进行转速调节。此外它还存 在控制曲线会随着负载的变化而变化的缺点。所以这一类控制方式逐步被新的 控制方式所取代，目前仅仅应用在风机和水泵等低速大功率设备的调速场合【2 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 进入2 0 世纪7 0 年代，新型大功率电力电子器件不断生产出现，先进的智 能控制理论与交流传动控制理论进一步交叉结合，实时数字信号处理器的处理 速度和处理能力进一步加强，变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际 应用中进一步的成熟，这些共同促进了交流传动控制理论的进一步发展。1 9 7 2 年德国的科学家提出了交流传动变频调速控制的第二个重要理论，即交流电动 机的转子磁场定向控制( 矢量控制) 的原理，它为研发高性能的交流异步电机 调速传动系统开拓了新的舞台。矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 是以交流电动机数学 模型和矢量坐标变换理论为基础，在二相同步旋转坐标系中把定子电流矢量分 解成两个分量：一个分量称为励磁电流分量，其与转子磁链矢量相重合；另一 个分量称为转矩电流分量，其与转子磁链矢量垂直。在同步旋转坐标系中，通 过控制定子电流矢量的位置及大小，就可以控制转矩电流分量以及励磁电流分 量的位置和大小，从而实现像控制直流电动机那样对转矩和磁场进行解耦控制 1 3 】。矢量控制理论的提出和在实际中的应用，标志着交流调速系统真正取代直流 调速系统的时代到来，从此激发了人们研究更高性能的交流调速系统的热情。 于是在8 0 年代，工业控制领域掀起了研究交流调速系统的热潮，矢量控制理论 由此得到了进一步完善和成熟，矢量控制系统也得到了进一步简化和合理实现， 一些新的控制方法和控制策略被相继提出使用。到8 0 世纪中期矢量控制取得了 巨大的突破，产生这种现象的原因是：( 1 ) 工控领域已经有了很多年的交流调速 系统的研发的经验，比如德国学者在7 0 年代中期提出了转差型矢量调速方法； ( 2 ) 晶闸管的大规模使用；( 3 ) d s p 等数字信号处理器件在交流调速系统中的广 泛应用使得一些复杂的算法得以在实际中实现。到了2 0 世纪8 0 年代的后期， 矢量控制理论的研究已基本成型并出现一系列的产品。但是由于矢量控制系统 在运行过程中，电动机转子参数变化并不能完全稳定或者可以精确观测，从而 使得转子磁链的观测和定向的精度难以保证，加之矢量坐标变换算法的复杂性， 使得矢量控制实际的控制效果和理论分析的控制性能会有一定的偏差，这也成 为了矢量控制理论研究的一个新的突破点。1 9 8 7 年来自德国鲁尔大学的著名学 者德彭布罗克( m d e p e n b r o c k ) 教授提出了交流异步电机的直接自控制理论， 通常也称为直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 理论。直接转矩控制理论是利 用观测器对异步电机的定子磁链和电磁转矩进行观测，然后采用反馈控制的方 法直接对定子磁链和电磁转矩加以调节，这样处理就可以避免进行复杂的矢量 坐标变换算法，系统更加简单直观，控制也会更加直接，这引起了人们的极大 3 武汉理工大学硕士学位论文 关注。同时不少专家还把现代控制理论一些成果，比如：滑模变结构控制、在线 辨识技术、模糊控制、模型参考自适应控制、非线性反馈解耦控制、现代控制 理论等与矢量控制理论相结合起来，用于交流传动系统的控制，期望实现更高 性能交流传动调速系纠3 】1 4 1 。 1 3 转速估计理论的研究现状分析 异步电机无速度传感器的控制技术是在常规带速度传感器的控制技术上发 展起来的，只是想比常规方法而言，改变了获取电机转速的途径和方法。国外 从2 0 世纪6 0 年代就已经开始着手研究如何不用速度传感器来获取电机的转速 信息，其主要的思路和出发点还是利用方便测量的定子电流、电压等信息，通 过一定的算法计算出电机的实时速度。经过多年的探索，到目前为止，国内外 学者已经提出了许多种算法方案，主要方案有：动态速度估计法、比例积分( p i ) 自适应控制器法、模型参考自适应法( m r a s ) 、扩展卡尔曼滤波器法、神经网络 法。下面对这些方案做一分析与对比。 1 ) 动态速度估计法主要包括转子反电动势估计法和转子磁通估计法。这两 种方法都是必须以电机模型为基础，从电机转速的定义和电机电磁关系式中得 到关于转差或转速的关系表达式。 动态速度估计算法的主要优点是算法简单、直观性强，从理论上讲速度的 延时程度较低。但是缺点也非常突出，主要表现为( 1 ) 没有误差校正环节，抗 干扰的能力相对较差。( 2 ) 速度的计算需要以精确的磁通观测为基础，因此， 磁通观测器的好坏会对转速估计环节起决定性的影响。( 3 ) 计算以电机方程为 依据，不可避免会大量引用电机参数，对电机的参数变化比较敏感，在实际实 现的过程中，如果缺乏参数辨识的误差校正环节，难以保证系统抗参数变化和 抗干扰的能力【5 。 2 ) p l 自适应控制器法其基本思想是利用诸如转矩电流或转子磁通的误差 项，通过自适应控制器去调整这个误差项从而获得转速的信息，其根本出发点 还是转子磁场定向下的电机的运动方程1 6 j 。 p l 自适应控制器法主要优点是算法利用了自适应控制的原理，因此其具有 较强的自适应调节能力，而且算法的结构比较简单，计算量不大，软件上容易 实现，在高速环境下具有良好的估计效果p j 。其主要缺点是线性p i 调节器的调节 4 武汉理工大学硕士学位论文 能力比较有限，这限制了转速估计范围的进一步扩展而且由于涉及到转子磁链 的观测和估计问题，辨识的精度很大程度上受磁链观测性能的影响。 3 ) 模型参考自适应法( m r a s ) 的基本思路是建立两个模型，一个称为参考 模型，其不含转速的信息；一个称为可调模型，其含有转速信息。从物理本质 上看，两个模型具有相同输出特性，以参考模型与可调模型的输出量的误差作 为出发点，寻找到合适的自适应规律实时的调节可调模型的参数，从而使得可 调模型对象输出与参考模型的输出基本一致或者在一定的范围内【剐。模型参考自 适应转速估计法根据参考模型与可调模型选择的不同，可分为基于电压模型与 电流模型的m r a s 方法、基于反电势估计的参考模型与可调模型法和基于电机 无功功率的m r a s 法。基于电压模型与电流模型的m r a s 方法由于采用电压模 型为参考模型，引入了纯积分，低速时辨识精度不理想。基于反电势估计的参 考模型与可调模型法和基于电机无功功率的m r _ a s 法是第一种方法的改进，前 者去掉了纯积分环节，改善了估计性能但是定子电阻的影响仍然存在；后者消 去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和系统更强的鲁棒性。总的说来， 以基于稳定性理论为前提的模型参考自适应法，其主要优点是可以保证参数估 计的渐近收敛性，保证所设计系统的全局稳定性，因而其是目前使用最为广泛 的一种转速估计方法。主要缺点在于速度的观测是以参考模型方程表达式的正 确性为前提的，参考模型本身的参数辨识精度就直接影响到速度辨识和控制系 统的精度。 4 ) 扩展卡尔曼滤波器法是由匈牙利学者卡尔曼在2 0 世纪6 0 年代提出的一 种基于最小方差概念上的最优预测估计方法。其将电机的转速看作一个状态待 观察量，以电机的五阶非线性数学模型为出发点，采用扩展卡尔曼滤波器法在 每一估计点将模型线性化，然后再通过卡尔曼滤波器递推公式来估计转速1 9 j 。 扩展卡尔曼滤波器法采用的是一种线性递推形式的非线性估计方法，可以 避免对测量量进行微分运算，调节了状态的收敛速度。但是这种估算方法建立 在降阶电机模型的情况下，对参数变化的鲁棒性没有做出改进，估计精度依然 很容易受到电机参数变化的影响，而且卡尔曼滤波器法的计算量很大，对处理 器的速度要求太高，目前还主要是进行理论研究，实用性不强i l o j 。 5 ) 神经网络法主要是以电压模型的输出为参考值，根据多层网络b p 算法 进行转速估计，利用神经网络替代传统使用的电流模型转子磁链观测器，神经 网络的调节输出即为系统转速估计值，电机的参数作为神经网络中的权值。神 5 武汉理工大学硕士学位论文 经网络速度估计笪法榧图如图卜1 所示。 甜跗 妒，( 七) 图1 - 1 神经网络速度估计算法框图 转速的计算公式由神经网络算法可以推出为： 邮) l 双“帅以k ) i r 呻- 掣, 小, p ( k 一- 习a ) ( 1 _ 1 ) 式中，r 为学习速率，( 七) 为误差矩阵，f7 ( 七) 为误差矩阵的转置矩阵。 就目前来说，神经网络算法在理论研究上还不完全成熟，而且由于神经网络 算法计算量非常大，对处理器的处理速度的要求非常高，所以硬件的实现上也 有比较大的难度，通常难以找到合适的处理器去匹配，因此，这一方法的应用 还处于起步阶段，需要进一步的去探索【1 l l 【12 1 。 异步电机无速度传感器控制除了以上介绍的几种主要方法外，还有高频注 入法和转子齿谐波法等。所述的控制策略都希望寻找到那些能够提高转速估计 精度、降低系统复杂性、增强系统稳定性的方法。通过以上的分析得出无速度 传感器矢量控制方法的主要突破点在于两个方面。第一个方面是参数辨识方面， 即如何使转速推算方法对电动机参数依赖性变小以及使转速估计器对电动机参 数变化不敏感或有适应能力。第二个方面是磁链观测方面，即如何搭建磁链观 测器使磁链观测精度提高。随着新的控制理论的提出以及更高速的处理器和电 力电子开关器件的诞生，简单可靠、抗干扰能力强、成本低廉的异步电机无速 度传感器调速系统的研发一定会取得更大的突破。 1 4 本文的主要工作 本文以小型的三相异步电机为控制对象，根据转子磁场定向的矢量控制理 论，采用转速估计算法进行转速估计，完成异步电机无速度传感器矢量控制系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统的软硬件设计。在m a t a l b j s i m u l i n k 仿真平台上搭建三相异步电机无速度传感 器矢量控制系统仿真模型，验证本文所采用的转速估计方法的有效性，检验异 步电机无速度传感器矢量控制系统的动态性能和静态性能。本文章节安排如下： 第1 章首先介绍本课题的研究背景和意义，然后介绍交流传动控制理论的 发展概况，接着对转速估计理论的研究现状进行分析，最后提出本文的研究目 标和主要章节安排。 第2 章介绍无速度传感器矢量控制的基本理论。首先介绍矢量控制的基本 理论，其中包括矢量坐标变换、异步电机数学模型等，重点对基于转子磁场定 向的矢量控制理论进行研究。随后介绍电压空间矢量s v p w m 控制的原理以及 实现算法。接着对磁链观测方法进行研究，设计转子磁链观测器。最后研究模 型参考自适应理论和基于模型参考自适应的转速估计理论。针对常规模型参考 自适应转速估计方法存在的缺陷，设计一种改进型的模型参考自适应转速估计 系统。 、 第3 章进行控制系统的硬件设计。首先分析控制系统的整体框架，随后设 计一套以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为核心的异步电机无速度传感器矢量控制系 统，给出系统的主电路、检测电路、功率驱动电路、保护电路等硬件电路。 第4 章进行控制系统的软件设计。首先分析控制系统软件的整体设计思路， 随后设计主程序模块、定时器t 1 中断子程序模块和故障保护子程序模块。在定 时器t 1 中断子程序模块中完成坐标变换、转速估计算法、s v p w m 波形产生的 软件设计。 第5 章采用m a t l a b s i m u l i n k 软件对系统进行仿真。首先在s i m u l i n k 平台上 搭建各个子模块的仿真模型，包括坐标变换模块、转子磁链观测模块、转速计算 模块、s v p w m 产生模块等，随后对整个控制系统进行仿真，检验转速估计算法 的估计精度和控制系统的动、静态性能。 第6 章为总结与展望，对全文进行总结，并对将来的研究工作进行展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无速度传感器矢量控制系统的基本原理 2 1 矢量控制理论 矢量控制原理是在电机控制理论、现代控制理论、坐标变换理论基础上提 出来的，它是交流传动控制领域最重要的理论之一。矢量控制系统的实现使交 流异步电机的动静态特性得到很大幅度的提高，从此交流异步电机真正开始在 工业控制领域得到推广和应用。 2 1 1 矢量控制的基本思路 当对称的三相正弦交流电流f 。、i 通入到对称的三相异步电机定子绕组 中后，会在空间形成三相的合成旋转磁动势，如图2 1 所示，该磁势旋转角速 度等于定子电流的角频率w 。，并由他建立了相应的旋转磁场妒。解。三相绕组可 以产生旋转磁场，然而三相绕组并不是产生旋转磁场的充要条件，经过证明除 了单相以外的任意的多相的对称绕组，如果通入三项对称正弦电流，也同样有 可能产生旋转磁场。如图2 - 2 所示的二相交流绕组，当通入两相对称正弦电流t 、 到具有位置互差9 0 度的两相定子绕组a 、b 中时，同样能产生三相旋转磁场 。胪。如果图2 一l 所示的三相交流绕组所产生的旋转磁场与图2 2 所示的二相 交流绕组产生的旋转磁场的大小、转速及转向完全一样，则可认为图2 - 2 和图 2 1 所示的两套交流绕组完全等效。通过以上的分析可知，如果以产生同样的旋 转磁场为依据，那么处于三相静止坐标系上的三相固定对称交流绕组完全可以 等效为两相静止直角坐标系上的两相对称固定交流绕组，并且由旋转磁势不变 的原则可推知三相交流绕组中的对称三相对称正弦电流f 。、ot 与两相对称正 弦电流t 、之间存在某种确定的变换关系1 1 3 1 。式( 2 - 1 ) 表示两者之间的变换矩 阵方程，其中丘为变换矩阵。 等1 1 4 a 引 弦- ， z d ，11 z l 通过上面的分析，若在固定的m 绕组和t 绕组分别通入直流电流f ，和时， 产生的合成磁通胛将在空间静止不动。如果试验者以一定的角速度w 。使这两 个绕组旋转起来，则合成磁通也会一起随着角速度一起旋转。如果假设试验者 8 武汉理工大学硕士学位论文 站在m t 绕组上与其一起旋转，以他的视角，这仍将是两个通入直流电流的固 定绕组。同样，若假设二相固定绕组产生的磁通的矽胛转向、大小和转速与图 2 - 2 所示的二相交流绕组所产生的旋转磁场以及图2 - 1 所示三相交流绕组 产生的旋转磁场完全一样。那么可以说a - b - c 交流绕组与a 一卢交流绕组以 及m t 直流绕组等效。一般而言，使固定的m t 绕组能够旋转起来，只不过是 在数学层面上做一种假设，但是在实际的应用中，可以通过一定的矢量坐标变 换的方法来实现这种旋转。在遵循旋转磁场等效原则的基础下，若口一卢交流绕 组与m t 直流绕组等效，那么口一卢交流绕组中的交流电流乞、毛与m t 直流 绕组中的直流电流0 、之间也一定存在某种特定的变换关系。其中两者之间 的变换矩阵可以用以表示。 k 2 4 锄l，o0 、 o - 4 。1 f 喵纠 式( 2 - 2 ) 的数学性质表示的是一种变换关系，可以说，如果能产生相同的 旋转磁场，而且m t 绕组中的电流0 、与口一卢交流绕组中的电流乞、存在 式( 2 - 2 ) 的变换关系，那么m t 直流绕组与a 一声交流绕组完全等效。 由于a b c 三相交流绕组也可以与a 一两相交流绕组完全等效，所以， m t 直流绕组也能够通过某种坐标变换使得与a b c 交流绕组等效，则有： k = 4 乙= 4 4 a 丑c ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，三相交流电流f 。、t 与m t 直流绕组中的电流0 、 之间也一定存在着某种变换的关系，因此，就可以通过控制0 、实现对、 图2 - 1 三相交流绕组 图2 2 两相交流绕组 将上述分析的思想运用到异步电机调速控制中，若把( 转矩电流分量) 、 0 ( 励磁电流分量) 看作待控制量，记为f 。r 、f + m ，再通过某种矢量旋转变换得 9 武汉理工大学硕士学位论文 到两相交流控制量乞、名，记为f 。、以，随后再通过另外一种矢量坐标变换得 到三相电流的控制量、如、i c ，记为f + 爿、以、，最后就可以通过控制励磁 电流和转矩电流来控制三相电流进而控制三相异步电机的运行，这样也就实现 了交流电动机对电磁转矩的实时控制【1 4 】。 假若需要实现励磁电流控制分量f m 和转矩电流控制分量f 7 的闭环控制， 则需要闭环反馈控制量。可以通过测量三相静止坐标系下的交流量，然后通过 矢量坐标变换计算得到实际的、0 ，再以其作为反馈回路的控制量。 以上所述的矢量变换控制的基本原理和控制思想可以用如图2 - 3 所示的控 制框图来表达。 因为是采用直流量作为电机设定的外部控制量，然后又将直流量变换成交流 量从而控制交流电机的运行，这些过程都需要通过矢量坐标变换来完成，因此 这种控制系统被称之为矢量坐标变换控制系统( t r a n s v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ) ，常 常简称为矢量控制系统( v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ) 。 设定被辑! 罱的直流 2 1 2 矢量坐标变换 图2 3 异步电动机矢量控制框图 根据上节所述矢量控制的基本思路可知，矢量控制理论是通过矢量坐标变 换实现将异步电动机的控制方式与直流电动机的控制方式联系起来，因此，实 现矢量控制要解决的核心问题就是如何进行矢量坐标变换。在研究矢量控制时 定义有三种坐标系统，即两相静止坐标系( 2 s ) 、三相静止坐标系( 3 s ) 和两相 旋转坐标系( 2 r ) ，以下主要分析三种坐标系统之间的转换关系。 1 ) c l a r k e 变换 从三相静止绕组a 、b 、c 到两相静止绕组口、卢之间的变换，或称三相 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 静止坐标系( a b c 坐标系) 到两相静止坐标系( 筇坐标系) 之间的变换，简称3 2 变换，也称c l a r k e 变换。 设电阻相同、匝数相等、互差9 0 度空间角的两相对称绕组内通入两相电流 后产生定子旋转磁动势，定子磁动势用e 表示。又设各相电阻相同、匝数相等、 互差1 2 0 度空间角的三相对称绕组之中通入三相对称电流、t 时形成定子 磁动势，定子磁动势用只表示；通过选择和调整两套线组的匝数和电流，即可 使e 和e 的幅值相等。若将两种绕组产生的磁动势幅值和方向于同一平面进行 对比，则可得出如下的等效关系： 眨臻 沿4 ， 卜。了b 一了七 由电机学原理可知，两相对称绕组合成磁动势基波幅值为： 五一0 9 1 2 n ( 2 5 ) 三相对称绕组合成磁动势基波的幅值为： 只一1 3 5 1 3 n ( 2 - 6 ) 式中n 为每相匝数；厶和厶为三相和两相绕组每相相电流的有效值。根据变换 前后磁动势守恒的原则，则有e ；e ，即： 1 3 5 1 3 n f - 0 9 1 2 n ( 2 7 ) 由上式可见，经过c l a r k e 变换后，两相绕组每相电流应为三相时的1 5 倍。式 ( 2 - 4 ) 写成矩阵形式为： 讣；1 1 。_ 李1 霉1 ( 2 - 9 ) 根据功率守恒不变的原则，则从三相变换到两相时，两相电流的基准值应该为 三相电流基准值的后倍，良口上式3 相2 相变换矩阵的系数应由2 3 变为层， 武汉理t 大学硕士学位论文 c l a r k e 变换又可写为： 1 1 i 1 1 享1 ( 2 - 1 0 ) 2 ) p a r k 变换 两相静止坐标系到两相旋转坐标系之间的变换也称作p a r k 变换。以m 轴为 基准，可以将定子电流分解为与m 轴相重合的分量和正交的分量。这两个 分量相当于m t 轴上的两个直流绕组中的磁势，称为定子电流的转矩分量和励 磁分量。由于磁场定向角随时间的变化而变化，因此，定子电流在口轴和卢轴 上的分量也会随着时间的变化而变化。根据坐标变换前后总的磁动势守恒的原 则，k 、如和、之间存在以下关系： j k c o 叩叫一m 驴 ( 2 1 1 ) 【, p 4 s l n 驴+ c o s 驴 将上式化为矩阵形式有： c o 湖s q ，- s i n 驴q 引 式子可继续化简为： f 。一= cf 。， 其中c 为从二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换矩阵。 止坐标系到二相旋转坐标系下的矢量变换矩阵c 。 c 一。c t 。l 瞄妒8 1 即l 卜s i nc o s p j 式中c 。1 即为二相静止坐标系到二相旋转坐标系的变换矩阵。 2 1 3 异步电机的数学模型 ( 2 - 1 3 ) 同理可得从二相静 ( 2 - 1 4 ) 异步电机是一个高阶、多从输入多从输出、强藕合的非线性系统，在研究 异步电机的数学模型时常需做以下假设： 1 ) 假设三相定子绕组和转子绕组在空间均对称分布，即在空间互差1 2 0 度 的电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布，即忽略空间谐波。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 忽略频率和温度变化对定子、转子电阻造成的影响。 3 ) 假设各相绕组的自感和互感都是一定的，即忽略磁路饱和造成的影响。 4 ) 假设异步电机铁心损耗为零。 这样，异步电机在三种坐标系下的数学模型表达式可以归纳如下： 1 ) 三相静止坐标系中异步电机的数学模型 ( 1 ) 电压方程表达式 u r i + p c , u 2 = 【u u bu c1 1 au bu c 】 f 1 一【i c 乇i si c 】 尺； r0 0 0 0 0 0 足0 00 0 00r0 0 0 000r r0 0 0 0 0 0r r0 0 0 0 00r r 妒7 一i v , 一妒口妒f 妒。妒6l f ，。】 式中甜r 为定、转子相电压瞬时值；i r 为定、转子相电流瞬时值： 转子绕组每相电阻。 ( 2 ) 磁链方程表达式 t l , - l i 其中l 矩阵是一个6 x 6 电感矩阵。可写成分矩阵形式： 三一瞄剀 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) r 、b 为定、 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 式中。为转子绕组每相自感，三，为转子绕组每相自感，两者都为常数。 ( 3 ) 电磁矩阵方程表达式 一般情况下，对于恒转矩负载，机电系统的基本运动方程式为： 乙；巧+ 一d 华 ( 2 2 2 ) p a t 根据机电能量转换原理，异步电动机电磁转矩可求得另外一种转矩表达式为： t = n p l r , , ( i a i o + + i d a s i n b + ( i , 4 i b + + t 删n ( 啡+ 了2 z ) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 + ( a c 啦+ c 。) s i n ( 只一等) 】 ( 2 - 2 3 ) 式中刀p 为比例因子；厶为电动机定转子互感；b 为转子轴与定子轴间的电角度。 2 ) 三相异步电机在两相静止坐标系中的数学模型 通过坐标变换可以将三相异步电动机在三相静止轴系上的数学模型变换到 两相静止轴系上的数学模型。 ( 1 ) 电压方程表达式 “w u s 8 u r a 材咿 r s + l 硪p 0 0 r + l , a p l 。d pl m d 8 r l 。d 8 rl i l d p l i d p 0 0 厶d p 足+ l r d pl , a o r l n d 8 rr r + l p k t s # z r 口 l r 8 ( 2 - 2 4 ) ( 2 ) 电磁转矩方程表达式 tz k ( 0 j ，口- , i 巾) ( 2 2 5 ) ( 3 ) 磁链方程表达式 t ps 。il 诅i 蛾+ l m 。 妒，卢k 0 + k 0 ( 2 2 6 ) 妒。一k k + k k t pr btl i d i s 口+ l 0 r 。 式中乞为定子绕组自感参数；l 坩为转子绕组自感参数；k 为定、转子等效互 感参数。 3 ) 三相异步电机在两相旋转坐标系中的数学模型 ( 1 ) 电压方程表达式 “ u 鲋 材 u r s + l 蚶p w s l 畦 l m d p 厶d a w ( 2 ) 磁链方程表达式 一w s l 以 r s + l 函p 一厶d a w k p 1 4 l m d p w s l 喇 足+ l r a p l r a a w w s l 砌 厶d p l d a w r r + l n d p l s m l s | k 0 ( 2 - 2 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 一一 缈j 胛 。l j d1 j + lmd1 ，所 叩。s t | l s di s t lmdtr |(2-28) 1 p r m il mdis m + lr dir m t t f r t il mdls t + lr dlr t 式中妒。、妒盯为定子磁链在同步旋转坐标系下的分量； 同步旋转坐标系下的分量。 ( 3 ) 电磁转矩方程表达式 a n p k ( 乙0 一0 ) 2 2 转子磁场定向矢量控制系统 2 2 1 异步电动机磁场定向方案 妒，、妒玎为转子磁链在 ( 2 - 2 9 ) 异步电动机矢量控制系统的实现必须对m t 轴系的取向加以规定，使之成 为一种