（控制理论与控制工程专业论文）基于矢量控制系统的异步电机在线参数辨识研究.pdf

摘要 摘要 矢量控制是通过坐标变换将异步电机模拟成直流电机，实现磁通和转矩的解耦控 制，使交流电机达到直流电动机的控制效果。由于转子磁场定向的矢量控制系统是基于 转子磁链的准确观测，因此电机参数的变化对控制系统的性能影响很大，主要表现为： 当电机参数发生变化时，特别是转子时间常数发生变化时，转子磁链观测将存在显著误 差，导致定子电流不能完全解耦，严重影响基于矢量控制的电机调速性能。 ；简要介绍了矢量控制系统的构成及其工作原理，推导出转子时间常数与转子磁链和 转矩的数理模型；、并基于该模型分析了电机参数变化对转子磁链观测的影响，证明了参 数辨识的必要性0 同时定性分析了转子时间常数对矢量控制的影响，阐述了转子时间常 数在线辨识的重要性a ， 论文采用模型参考自适应法( m r a s ) 在线辨识异步电机转子时间常数，建立孑两， 相静止坐标系下异步电机理想数学模型。以此模型为参考模型，构造出当转予时捌常数 变化时的可调模型“并推导出该自适应系统的误差方程。设计了基于李亚普诺夹稳定性 理论的转子时间常数的自适应律，推导出转子时间常数在线辨识算法。 将上述在线参数辨识方法应用于异步电机矢量控制系统，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对其进行了阶跃响应和跟踪性能仿真实验，结果表明：该参数辨识算法具有较为理 想的收敛速度，可较好地跟踪转子时间常数的变化。通过对含转子时间常数在线辨识的 矢量控制系统仿真结果分析，证明使用转子时间常数的在线辨识可有效跟踪转子磁链， 为基于矢量控制的电机精准调速奠定了一定的理论及技术基础。 关键词：矢量控制；电机调速；转子时间常数；模型参考自适应法 大连交通大学_ r ：学硕十学位论文 a b s t r a c t v e c t o rc o n t r o ls i m u l a t e sa s y n c h r o n o u sm o t o rt od cm o t o rb yc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ， a n dr e a l i z e st h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo ff l u xa n dt o r q u e ，s ot h a ta cm o t o rc a l la c h i e v et h e c o n t r o le f f e c to fd cm o t o r v e c t o rc o n t r o ls y s t e md i r e c t e db yt h er o t o rf i e l d o r i e n t e di sb a s e d o nr o t o rf l u xa c c u r a t eo b s e r v a t i o n , s ot h ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e dl a r g e l yb y t i m e 。v a r y i n gm o t o rp a r a m e t e r s w h e nm o t o rp a r a m e t e r sc h a n g e s ，e s p e c i a l l yw h e nt h e , r o t o r t i m ec o n s t a n tc h a n g e s ，g r o s se r r o ro fr o t o rf l u xo b s e r v a t i o nw i l la p p e a r , s t a t o rc u r r e n tc a l l tb e d e c o u p l e dc o m p l e t e l y ，a n dt h em o t o rs p e e dp e r f o r m a n c eb a s e do nv e c t o rc o n t r o lw i l lb e a f f e c t e ds e r i o u s l y 一 1 1 1 es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fr o t o rt i m ec o n s t a n t ，r o t o rf l u xa n dt o r q u ea r ed e r i v e d ，t h ee f f e c t so f t h ec h a n g e dm o t o rp a r a m e t e r so nr o t o rf l u xo b s e r v a t i o ni sa n a l y z e db a s i n go nt h em o d e l s ，a n d t h en e c e s s i t yo fp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o ni ss op r o v e d ；i nt h es a n l et i m e ，t h ee f f e c t s o fa c r o t o rt i m ec o n s t a n to nv e c t o rc o n t r o li sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d ，a n dt h ei m p o r t a n c eo f ：r o t o r t i m ec o n s t a n ti d e n t i f i c a t i o ni sc l a r i f i e d t h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e mi sa d o p t e dh e r et o i d e n t i f yt h ea s y n c h r o n o u s tm o t o f r o t o rt i m ec o n s t a n to n l i n e ，a n dt h ei d e a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r i n t w o p h a s es t a t i cc o o r d i n a t ei se s t a b l i s h e d t h ea d j u s t a b l em o d e lc h a n g e dw i t hr o t o r ，t i m e c o n s t a n ti sc o n s t r u c t e d ，u s i n ga b o v em o d e la sr e f e r e n c em o d e l ，a n dt h ee r r o re q u a t i o n o f + t h e a d a p t i v es y s t e mi sd e r i v e d 皿er o t o rt i m ec o n s t a n ta d a p t i v el a wi sd e s i g n e db a s i n g ，o n l i a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y ，a n dt h er o t o rt i m ec o n s t a n ti d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi sd e r i v e d j t h eo n l i n ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nm e t h o di s a p p l i e dt oa s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o r c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h es t e pr e s p o n s es i m u l a t i o na n d t r a c k i n gp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na s i n g m a t l a b s i m u l i n ka r e c o m p l e t e d t h er e s u l t s s h o wt h a t ：t h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n a l g o r i t h mp o s s e s s e so fi d e a lc o n v e r g e n c es p e e d ，a n dg o o dt r a c k i n gp e r f o r m a n c e i tc a nb e p r o v e dt h a tt h ep a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yt r a c kt h er o t o rm a g n e t i c l i n k a g e ，b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e dr o t o rt i m e c o n s t a n to n l i n ei d e n t i f i c a t i o nm o d u l e i naw o r d t h es t u d yo ft h i sp a p e rl a y saf o u n d a t i o no f t h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o ra cm o t o rs p e e dh i g ha c c u r a t ec o n t r o lb a s e do nv e c t o rc o n t r o l s y s t e m k e yw o r d s ：v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ；m o t o rs p e e dc o n t r o l ；r o t o rt i m ec o n s t a n t ； m r a s 1 1 大连交通大学学位论文独创性声明 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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：李坤碉 日期： 哆年多月形日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太童塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太鎏塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：杏婶明 日期： 力年多月膨日 撕鲐硫 日期：加哆年巧月形日 学位论文作者毕业后去向：大矗耐恩电白 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 厶妇胁叩甥) ，纽彻儿 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变频调速发展现状 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是具有较高的机电 能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的 调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电 动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传 动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电机作为控制对象的电力传动自动控制系 统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电机调速系统和异步电机调 速系统。对于直流调速系统，只要改变直流电机的电压或者是励磁电流就可以实现无级 调速，且电动机的转矩容易控制，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、 动态调速特性。随着生产技术的发展，特别是精密机械加工、冶金和交通等工业生产的 发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围等静态特性和动态响应 方面提出了更高的要求，而直流电机和交流电机相比，在技术上由于控制简单、调速平 滑、性能良好等优点，因此，长期以来，直流调速一直在高性能变速传动领域中占据主 导地位。但是，直流电机由于结构上的原因存在着固有缺点，比如使用机械换向器和电 刷，使其造价偏高、维护困难、寿命短、单机容量、转速和最高电压等都会受到一定的 限制，而且使用环境也有要求( 比如易燃易爆的环境下不能使用) 。 在调速传动领域，异步电机占据着电气传动总容量的8 0 ，但在实际的生产过程中， 电机始终工作在恒速状态，造成了大量的电力资源的浪费。如果异步电机采用高性能的 变频调速，将节约大量的电能，具有非常大的经济效益。从2 0 世纪6 0 年代开始，由于 生产发展的需要和节约电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。 异步电机相对于直流电机具有结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯 量小、效率高以及单机转速和容量没有限制等许多的优点，但它本身是一个多变量、强 耦合、非线性的复杂系统，很难对其转矩进行实时控制。2 0 世纪7 0 年代以后，由于科 学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，从此交流 调速理论及应用技术得到了较快的发展，大致体现在以下几个方面： ( 1 ) 电力电子技术和微电子技术的飞跃发展：新型的电力半导体器件的相继出现， 为异步电机的控制提供了高性能的功率变换器。电力电子器件是现代交流调速装置的支 柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制 造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置( 1 1 0 0 0 k w ) 主要是采用i g b t ，中、 大连交通大学下学硕+ 学位论文 大功率的变频调速装置( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 k w ) 采用g t o 器件；2 0 世纪9 0 年代末至今，电 力电子器件的发展进入了第四代，第四代电力电子器件模块化更为成熟。如：智能化模 块i p m 、专用功率器件模块a s p m 等。 ( 2 ) 异步电机控制理论上的突破。异步电机的数学模型比较复杂，它是一个非线 性、多变量、强耦合的时变参数系统，其电压、电流、磁通、频率及转速都是影响电动 机转矩的因素，其中很多参数相互作用而不能用常规方法加以分开，很难直接通过外加 信号准确控制电磁转矩。2 0 世纪7 0 年代西德f b l a s c h e k e 创立了矢量控制【l j ( v e c t o r c o n t r 0 1 ) 理论来研究电机的动态控制过程，以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标， 利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换i 把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分 量变成标量独立开来，分别进行控制。这样，。通过坐标变换重建的异步电机模型就可等 效为一台直流电动机；j i 从而实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制。2 0 世纪8 0 年代中期德国d e p e n b r o c k 教授首先取得了直接转矩控制1 2 1 ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 技术 实际应用的成功，直接转矩控制技术摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换；简单地 通过检测电机定子电压和屯流点借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩。并根据 与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。磁场定向矢量控制理论和直接转 矩控制方法以及后来的非线性解耦控制方法等，：为交流调速传动奠定了理论基础o = _ ( 3 ) 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调 速系统提供了重要的技术手段和保证。微处理器是交流电机驱动控制系统中的关键所 在，近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器d s p 为控制 核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速 系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。当今模拟控制器已被淘汰，全数字化的交流 调速系统已经得到普遍应用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以 实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参 数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没 有微机的支持是不可能真正实现的。 ( 4 ) 脉宽调制技术即p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制是交流调速系统的控制 核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的，尤其是微处理 器应用于p w m 技术并使之数字化以后，控制方法不断更新，从最初追求电压波形的正 弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音 等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有 新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量p w m 技术 2 第一章绪论 以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小、易于数字化等特点在交流调速系统中 得到了广泛的应用。 1j2 异步电机参数辨识的必要性 在现代交流变频调速技术中，电机参数辨识一直受到人们广泛的关注。并且一直是 高性能交流传动系统研究的热点之一。 在交流调速和直流调速的竞争中，矢量控制和直接转矩控制理论的出现为确立交流 调速在当代变速传动领域的主导地位奠定了基础。矢量控制要以转子磁链定向，必须求 得转子磁链的相位，才能进行坐标变换，转子磁链的闭环控制还需要获得转子磁链的大 小，在实用系统中多采用间接观测磁链的方法，即通过电压、电流和转速等容易测量的 物理量来实时计算磁链的幅值和相位，用以计算磁链的表达式被称作磁链模型。磁链模 型往往对电动机参数依赖很大，而在电动机运行中参数具有一定的时变性，特别是转子 时间常数随温度和励磁饱和程度变化显著，其随着温度的变化将可能高达5 0 额定值。 矢量控制系统对电动机参数的敏感性使得实际控制效果变差，严重时可能导致电机失 控。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电动机的数学模型，省掉了复杂的坐标变换。 它在定子坐标系下观测定子磁链，高速时的磁链模型虽只涉及定子电阻一个参数克服 了矢量控制时性能易受转子参数变化影响的问题，但定子电阻同样是受电动机温度变化 等因素影响的时变参数，控制性能同样受电动机参数的影响。并且，低速时由于存在误 差淹没反电势问题，磁链模型往往由电压模型切换至电流模型，这时仍不能避开转子参 数的影响。为了消除或减小电动机参数的时变性对高性能交流传动系统的影响，国内外 学者进行了不懈的努力。 另外，电机参数得到辨识还有助于电力电子设备的故障诊断，比如，辨识异步电机 稳态参数可监测转子电阻变化以诊断转子断条；有助于电机在轻载下实现降压节能控 制；在一些要求精确转矩控制的应用领域，交流电机因为参数变化会引起一定的转矩脉 动和误差，为了改善系统的性能，希望电机参数得到辨识。这些电机参数( 如转子自感、 定子自感、互感、定子电阻、转子时间常数等) 在一般的电机手册和铭牌中不能查到， 并且随电机个体的不同有较大的差异，在不同的工况下，参数也会发生变化。综上所述， 如何获得电机参数的数值和对参数变化的自适应能力是一个值得探讨的实际问题。 大连交通人学工学硕七学位论文 1 3 异步电机参数辨识综述 传统的参数辨识方法是通过对电机进行空载和堵转实验来测量电机的定转子参数， 而这在实际使用中是不现实的。自从高性能变频调速技术诞生以来，电动机的参数辨识 技术就一直是各国学者研究的热点，各种辨识方法纷纷出台。 ，目前理论分析和实验中比较成熟且最为常用的主要是最小二乘法和卡尔曼滤波法 或扩展卡尔曼滤波法( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ，简称e k f ) 。 ( 1 ) 基于最小二乘法的电机参数辨识 最小二乘法是g a u s s 于1 7 9 5 年发明的并把它用于天文计算的实践中。最d , - - 乘类 参数辨识方法是工程中常用的辨识方法【3 1 ，同时最小二乘法是电机参数辨识最早使用的 方法之一，它包括最小二乘法、增广最小二乘法、广义最小二乘法、辅助变量法和相关 二步法等：其中最小二乘法是最基本的，也是应用最为广泛的一种方法。有两类基本算 法，一类是经典的一次完成算法，其中加权最小二乘算法可用于电机参数离线辨识，它 依所用的输入信号不同而方法有所变化。这种方法由于要碰到矩阵求逆而给处理器的计 算速度和存储量带来负担。另一类是便于计算机处理，且可用于在线辨识的最小二乘递 推算法，第二类更为实用。因此在对电机参数的辨识中，采用最d - - 乘参数估计的递推 算法来实现参数的自适应辨识：需要说明的是，此法需要事先选择好被辨识系统的初始 状态，否则影响辨识精度。但一般来说参数变化相对于参数辨识算法的收敛速度来说是 缓慢的，仍可看作线性模型i 故最+ - - 乘辨识法辨识电机参数具有可行性【4 1 。最小二乘 法方法简单，实用有效，但对测量噪声和转速波动很敏感，而且算法有时存在多值解问 题及偏差问题。 ( 2 ) 使用卡尔曼滤波算法的参数辨识 卡尔曼滤波是6 0 年代发展起来的一种现代滤波方法，它的一个重要作用在于系统 的状态估计。扩展卡尔曼滤波是一种适合于动态数学模型的优化算法，也适合研究有噪 声污染的系统，将其用于异步电机参数辨识时，在一定程度上克服了最小二乘法的噪声 敏感问题，并且可以对异步电机的状态和参数的联合估计。缺点是每步都要进行矢量或 矩阵运算，计算量相当大。另外，这种方法用于异步电机参数辨识时需要对电动机数学 模型做十分仔细的预处理，把参数处理成状态变量，当辨识的参数较多时，若参数设置 不适合将影响收敛速度，可能引起系统不稳定【5 1 。 ( 3 ) 利用特殊激励信号响应的参数辨识方法 利用特殊激励信号相应的参数辨识方法多应用于离线参数辨识，精度较高。依激励 信号的迭加方式不同，主要可分为两类： 4 第一章绪论 1 ) 在正常的输入信号上迭加特定的激励信号，从检测的输出信号中提取该特定信 号的响应，实现参数的在线辨识或自适应。辨识电机参数时，在电机的基波电流上迭加 频率远大于基波频率的高频信号，检测出电机定子电压中对应于该信号的高频响应电 压，即可估计出电机的总漏感1 6 j 。在正常的转矩电流分量上迭加负序的高频摄动电流信 号注入电机( 采用不同的频率注入两次) ，通过检测与扰动信号相应的电压信号来计算 出定、转子电阻和电感1 7 1 。但由于附加了负序信号，引入了噪声，干扰了系统的正常运 行。 2 ) 直接向电机注入特定的激励信号，根据输出响应来测定电机参数。在特定的转 矩电流激励下，实际输出转矩与理想输出转矩的差值，可以用来调整转子时间常数直到 该差值足够小，但是要求实际转矩可测或可估计【8 】。如果电机的定子电压具有特定的序 列和特定的波形( 如p r b s 序列或不同幅值的脉冲、方波电压) ，根据电流响应，采用 统计的办法( 如最小方差估计) 估计出矢量控制所需的参数。文献f 9 1 等采用向电机注入 阶跃电压、电流信号来离线辨识电机参数，为无速度传感器矢量控制系统的电气参数测 试提供了一种行之有效的方案。 常用的外加信号有：伪随机信号( 特别是m 序列信号) ，最优输入信号，白噪声， 脉冲信号，三角波，矩形波，阶跃信号，斜坡及正弦信号等，其中伪随机二位式信号是 应用最多的一种信号。特殊激励信号响应法的一个较突出的特点是，可以在电机空载情 况下辨识电机参数。但是，由于检测信号的加入，一定程度上破坏了电机真实的运行状 况，甚至产生强烈的转矩脉动。 ( 4 ) 基于模型参考自适应的电机参数辨识策略 采用模型参考自适应( m r a s ) 的方法实现对目标电机参数的自适应控制，选定的 参考模型不包含待辨识的电机参数，可调模型中包含待辨识的电机参数。参考模型的输 出y 与可调模型的输出p 的差值】，经过自适应机构来校正可调模型中的电机参数，当 a y 为零( 或预定值) 时，则认为可调模型所用的电机参数就是实际电机参数。有时没 有参考模型，而直接以指令值作为参考模型的输出y ，可调模型可包括矢量控制器。图 1 1 中的自适应机构可以使用p i d 算法、b p 神经网络、模糊神经网络等调节。 5 大连交通大学下学硕七学位论文 图1 1 参数自适应系统的基本结构 f i g 1 1b a s i cs t r u c t u r eo fp a r a m e t e r sa d a p t i v es y s t e m s 文献 1 0 1 提出选用转子磁链的口轴分量作为模型，根据矢量控制在准确定向情况下 q 轴转子磁链应为零这一条件，构造参考模型和可调模型。文献 1 1 贝l j 利用瞬时无功功 率模型辨识电机转速。文献【1 2 】利用转矩作为模型进行转子电阻的辨识。文献 1 3 禾l j 用 稳态下的包含有转子电阻参数的定子d 轴电压方程作为可调模型，以p i 调节得到的d 轴电压指令作为参考模型，设计了转子电阻辨识算法。 在矢量控制系统中，运用m r a s 进行参数辨识时，存在两种类型的过程：一类是 系统状态的变化，变化速度较快；另一类是参数的调整和变化，变化速度较慢。两个过 程同时并存，增加了自适应系统分析的难度。目前，运用m r a s 进行参数辨识研究， 主要集中在两个方面：一方面是在模型的选取上；另一方面是在自适应规律的设计上。 从理论上来说，上述各种参数辨识的方法既可以用于异步电机的离线辨识，也可以 用于在线辨识，不过，对离线辨识来说，其目的是实现变频器的自设定，只要找出可信 度较高的异步电机参数的初始值即可。而且离线辨识是在电动机和变频器没有运行的时 候进行，不受正常激励信号的限制，可以自行施加辨识所用的特定激励信号，因而就可 以采用更为简单直接的方法。对在线参数辨识来说，其目的是为了及时跟踪异步电机参 数的变化，使得矢量控制等高性能的变频调速系统不因为电动机参数的变化而发生性能 下降。对异步电机来说，虽然几乎所有参数都会随着电动机工况不同而发生改变，但改 变的幅度是不同的，并且，高性能变频系统对异步电机的各个参数变化的敏感程度也是 不一样的如果只对变化较大和敏感程度高的电动机参数进行在线实时辨识，辨识的难度 6 第一章绪论 会大大降低。这样，辨识参数占用的系统软硬件资源相应减少，又能满足系统在参数时 变情况下维持系统性能的要求，这无疑对异步电机高性能变频调速系统具 有很大的现实意义。 另外很多学者也进行了基于智能控制的电机参数辨识策略，如基于模糊控制的方法 的参数辨识、基于神经网络、基于神经模糊器、基于遗传算法等。 由此可见，实现一种电机控制器，它能修正自己的特性以精确适应电机对象及其扰 动的动态特性的变化，是研究者一直追求的目标。对各种辨识方法的比较，一般说来需 要从辨识精度、收敛性质、计算量及所需的先验知识等方面来考虑。而智能控制理论中 的系列方法用于电机参数在线辨识，具有鲁棒性强、精度高、收敛快等优点。但计算量 大、方法复杂是无法回避的问题。随着d s p 器件的发展，让基于智能控制理论的系列 辨识方法得以实际应用和推广，是有待于解决的问题和努力方向。 1 4 本文研究内容及章节安排 本文主要研究矢量控制系统中的参数在线辨识，针对转子时间常数变化将影响矢量 控制系统的调速性能这一关键问题，采用模型参考自适应方法( m 黜蝎) 对转子时间常 数进行在线辨识。 具体章节及内容如下： 第一章介绍了交流调速的发展现状，阐述了交流异步电机参数辨识的重要性及必 要性，概述了交流异步电机在线参数辨识的方法。 第二章介绍异步电机矢量控制系统的工作机理及其实现方法，概述了矢量坐标变 换的准则和坐标系统分类，推导了矢量控制中的坐标变换和基于转子磁场定向的异步电 机数学模型。 第三章详细推导了交流异步电机参数变化对矢量控制系统的影响，着重分析转子 时间常数变化对基于矢量控制的电机调速性能影响。 ： 第四章研究模型参考自适应参数辨识方法，推导出基于模型参考自适应的转子时 间常数辨识算法。 第五章通过仿真验证了转子时间常数在线辨识算法的收敛速度和跟踪性能，验证 了含转子时间常数辨识的矢量控制系统的调速性能。 7 大连交通大学j 【：学硕十学位论文 第二章异步电机矢量控制系统 由于直流电机的励磁电路和电枢电路相互独立；可以分别调节励磁电流和电枢电 流，因此直流电机具有优良的控制性能。 在交流异步电机中，如果能对电枢电流和励磁电流分别进行独立的控制，那么其调 速性能便可以和直流电机相媲美。矢量控制算法成功实施后，目前交流异步电机变频调 速性能己基本达到与直流电机调速性能相当的水平。 2 1 矢量控制的基本原理 异步电机矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展 起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。 。 ( 1 ) 为了找出在三相交流异步电机上模拟直流电动机控制转矩的规律，我们首先对 产生旋转磁场的三种方法进行分析： 1 ) 三相交流绕组产生的旋转磁场 彳 彳 ， ( a ) a t t = 0 ( b ) c o t = n 6( c ) a n = 刀2 图2 1 三相旋转磁场 f i g 2 1t h r e e - p h a s er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d 如图2 1 示是三相固定绕组。空间上三相绕组相差1 2 0 。，三相平衡的交流电流屯，i b ， t 在相位_ k 相差1 2 0 。对三相绕组通入三相交流电后，在合成磁场旋转的过程中合成磁 场感应强度不变，为圆磁场。 2 ) 两相交流绕组产生的旋转磁场 8 第二章异步电机矢量控制系统 毒暑皇皇曹詈詈詈詈暑暑詈鼍葛喜皇兰詈鼍葛皇皇= 詈皇詈皇! 詈詈皇鼍暑喜置暑暑霉i i i 兰詈暑詈暑詈暑蕾毫鲁鼍盲鲁皇詈詈詈詈宝葛宣詈墨置置毫暑鼍皇鼍冒暑鲁詈皇 如图2 2 所示是两相固定绕组口、。这两相绕组在空间上相差9 0 。，两相平衡的交 流屯、在相位上相差9 0 。对两相绕组通入两相电流后，其合成磁场具有和三相雄转 磁场完全相同的特点。 产? 弋 i k 一 、芦 j f 、 ：i 7 、 ： f二 j f q 、z ? g () i 1j：i 图2 2 两相静止磁场 f i g 2 2t w o - p h a s es t a t i cm a g n e t i cf i e l d 3 ) 旋转直流磁场产生的旋转磁场 o 8 ( a ) 旋转体所形成的旋转磁场 ( b ) 旋转体上两个直流绕组产生的磁场 图2 3 两相旋转磁场 f i g 2 3t w o p h a s er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d 如图2 3 ( b ) 所示，如果在旋转体上放置两个相互垂直的直流绕组m 、z ，则当给 这两个绕组分通入直流电流时，它们的合成磁场仍然是恒定磁场。如果调节两路直流电 流中的任何一路时，直i j i 合成磁场的感应强度也得到了调整。 如果用上述三种方法产生的旋转磁场完全相同的话，则认为这时的三相磁场、两相 磁场、旋转直流磁场系统是等效的。因此，这三种旋转磁场可以互相进行等效转换1 1 4 】。 9 人连交通大学下学硕十学位论文 ( 2 ) 矢量控制的基本思想 如上所述，三种方法产生的旋转磁场完全相同，可以认为三种磁场系统是等效的， 也就是说，三种旋转磁场之间可以互相进行等效转换。通过两相交流系统可以实现三相 交流的磁场系统和旋转体上的直流磁场系统的等效变换。因此可以把给定的电流信号 分解得到励磁电流信号和转矩电流信号，并把这两个信号作为基本控制信号，通过等效 变换可以得到与这两个信号等效的三相交流控制信号，并用它们去控制逆变电路。在进 行控制的时候，可以和直流电机一样，分别控制励磁电流和转矩电流，获得和直流电机 类似的控制效果。 2 2 矢量坐标变换 用磁势或电流空间矢量来描述三相磁场、两相磁场和旋转直流磁场并对他们进行坐 标变换，就称为矢量坐标变换。 ( 1 ) 矢量坐标变换的原则 矢量的坐标变换主要依据以下原则： 1 ) 变换矩阵的确定原则：在确定电机的电流变换矩阵时，应该使得变换前后的旋 转磁场等效，即变换前后的电机旋转磁场相同。 j 2 ) 功率不变原则：功率不变原则所体现的是在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵 时应该遵守变换前后电机的功率不变的原则。 相变换是从三相轴系到两相轴系( 3 2 ) 或者两相轴系到三相轴系的变换( 2 3 ) 。 通过相变换可以使得电机由对称的三相转换为对称的两相电机。定、转子各相绕组分别 具有相同的匝数和分布以及相同的电阻称为对称。 ( 2 ) 交流异步电机的坐标系分类 异步电机的坐标系主要有三种，他们是按照电机的实际情况来确定的。 1 ) 定子坐标系 三相异步电机的定子坐标系为其三相绕组的轴线确定，为4 一曰一c 三相坐标系，三 相彼此互差1 2 0 。由于平面矢量可以用两相直角坐标系来描述，所以在定子坐标系中又 定义了一个两相直角坐标系。其中，与a 轴重合都是固定在定子绕组a 相的轴线上。 2 ) 转子坐标系 与定子坐标系类似，转子坐标系也是由转子的三相绕组轴线a ，b ，c 来确定的 a b c 坐标系和两相静止坐标系，即口一声坐标系。其中，平面直角坐标系的口轴位于 转子轴线上，轴超前口轴9 0 。，且转子坐标系以转子的角速度q 旋转。 3 ) 同步旋转坐标系 1 0 第二章异步电机矢量控制系统 同步旋转坐标系的m 轴固定在磁链矢量上，丁轴超前m 轴9 0 。，且坐标系同磁链矢 量一起在空间以角速度皱旋转。以上各坐标系之间的夹角定义为：定子轴a 到磁链轴m 之间的夹角为钇，即磁链同步角，也叫磁链定向角；转子轴d 到磁链轴膨的夹角为仍， 即负载角；a 为转子位置角，a 一织一仍。 采用转子磁场定向控制不仅可以实现电磁转矩与转子磁链的完全解耦，而且具有线 性转矩特性、无固有转矩限制、且算法简单等优点。采用气隙磁场定向控制或定子磁场 定向控制都需要另外加一个解耦控制器，不仅增加了控制系统的复杂度，也导致了整个 系统的不稳定性【1 5 1 6 1 。 ( 3 ) 矢量控制的坐标变换 矢量变换的最终目的就是要将非线性、强耦合的异步电机数学模型简化为线性的、 解耦的数学模型。这些变换包括将静止坐标系上的三相数学模型变为旋转坐标系上的两 相数学模型，然后经过矢量旋转变换将两相坐标系上的数学模型变为同步旋转坐标系上 的两相数学模型。 ： 矢量控制通过坐标变换将电机转矩绕组的转矩控制与直流电动机的转矩控制统一 起来，由此可见，矢量坐标变换是实现矢量控制的关键【1 7 1 。 尸j 锡氐 b | 8 | 厂 z 忒 夕，带、二 l 夕m 巧s 膨 jl ms i n 甲 r 一 彳( c 。，r 。一y f mc o s 图2 4 三相、两相静止坐标系和旋转坐标系关系 f i g 2 4r e l a t i o n s h i po fr e f e r e n c ef t a m ea m o n gt h r e e t w op h a s ea n dr o t a t o r c l a r k e 变换 大连交通大学t 学硕七学位论文 分布和功率不变的绝对变换，三相静止坐标系下的三相交流电流、t 和两相静止 坐标系下的两相交流电流t 、产生的磁势相等，即： 乏2(j中，。卢差】 c 2 1 ， 式( 2 1 ) 中：c 3 加，为变换矩阵 屯：k ( c o s o 。+ c o s l 2 0 。+ 屯c o s ( 一1 2 0 。) ) ；k ( a i 1i 丑一丢) 。k 也s i p 0 0 + s i n l 2 0 。+ 七s i n ( - 1 2 0 。) ) ；即+ 害一- 3 t , c ) c 3 咖一卢；k 且c 3 加一，c 二，一，可得： 万 n 、孝 1一!一三 22 o 鱼一鱼 22 因此，c l a r k e 变换( 或3 2 变换) 式为： 卧层 1一!一1 22 o 鱼一鱼 22 c l a r k e 逆变换( 或2 3 变换) 式为： 黔 1 。一忑1 1 历 1 一i 了疆 22 2 p a r k 变换 p a r k 变换是由两相静止坐标到两相旋转坐标的变换。 坐标系向任意速旋转坐标系变换公式为： 阶 = c 咖o s 驴c p 蚴 1 2 由图2 4 可以推导出两相静止 ( 2 2 ) 第二章异步电机矢量控制系统 式( 2 2 ) 中：伊为m 轴和口轴的夹角；0 、为三相电流合成的空间矢量在m r 轴上的分量。 p a r k 逆变换式为： ：； 参照常规电机的坐标系统变换公式【1 8 】， 系变换公式为： 阶； 等川 三相静止彳一刀一c 坐标系向旋转口一卢坐标 。巫一鱼 22 1一!一里 。22 ( 2 3 ) 瓦( 2 3 ) 甲。六、厶、六是二利静止坐杯系甲阴焚重；丘、厶是两布h 父沉静止坐 标系中的变量( 电压、电流、磁链等) 。 两相静止坐标系向任意速旋转坐标系膨- t 变换公式为： 阶卜 c o 唧s t pc 虹。叩s 伊1 j 吲 逆变换公式分别如式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ： 阶瞄等捌 亿q 阡 01 历 1 22 压 1 22 2 3 转子磁场定向矢量控制 ( 1 ) 异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型： 1 ) 电压方程： ( 2 5 ) 大连交通大学t 学硕士学位论文 u s m 以r 0 o r s + l s p 丘 l m p 心乙 一t r s + l s p 一啦厶 l m p l m p l r r + l r p ( 1 ) s l r 一乙 l m p 一c d s l r r r + l r p l s m l s t l r m z r r ( 2 6 ) 2 ) 电磁转矩方程： ， 乏一n p 厶( i s r o 0 0 ) = 刀p l f ，0 ( 2 7 ) l ， 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 中：咫为定子电阻；t 为定子电感；w o 为同步旋转角速度； l m 为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；p 为微分算子；0 为定 子电流在t 轴上的分量；o 为转子电流在m 轴的分量；0 为转子电流在t 轴的分量。 按照式( 2 6 ) ，在m 一丁轴系下m 、z 轴是垂直关系且以一定的角速度旋转，以 旋转磁场轴m 作为特定的同步旋转坐标轴，按照转子磁链矢量妒，来定向，即转子磁场 定向【1 9 1 【2 0 l 。 ( e ) 。 f 埝 1 | 1 m m 薄埘、 一 口 图2 5 转子磁场定向 f i g 2 5r o t o rf l u xo r i e n t a t i o n 由图2 5 可以看出，m 轴取向于转子磁链妒，轴，z 轴垂直于m 轴，因此妒，在丁轴 上的分量为0 ，可知转子磁链妒，唯一地由m 轴绕组中的电流所产生的，那么定子电流 矢量( 只) 在m 轴上的分量。是纯励磁电流分量，在t 轴上的分量0 是纯转矩电流分 量。则其电压方程为： 妒，= l 册i s m + l ，f ，材( 2 8 ) 0 = 乙r + 三，r ( 2 9 ) 1 4 第二章异步电机矢量控制系统 式( 2 6 ) 可变为： 砧讲 u s t o 0 r s + l s p m 函s ，l j一善m m 口l sr s + l s p口l ml m p k p o 冠+ p 0 厶( 1 ) s l m 0 a o , l ,r f + l r p l s m f s r l r m l r y ( 2 1 0 ) 由式( 2 7 ) 得到转矩方程为： t = ，l r i r u 0 0 ) = 饰_ d t r a 妒，0 ( 2 1 1 ) q 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 得： 舛2 南k ( 2 1 2 ) 铲一等。一等”l z r q 。( 2 1 3 ) 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 1 3 ) 构成了异步电机矢量控制系统的控制方程。其物 理意义为转子磁链唯一地由定子电流矢量的励磁电流分量产生的，与定子电流矢量的转 矩电流分量无关，这就实现了磁通和转矩电流的完全解耦。 ( 2 ) 转子磁链观测器 为了完成转矩和励磁的完全解耦，转子磁场定向控制算法需要得到准确的相对于静 止定子坐标系的转子磁链角。但转子磁链转速并不等于转子机械转速，不能通过位置传 感器或速度传感器直接检测