（控制科学与工程专业论文）感应电机直接转矩控制系统定子磁链观测及速度辨识研究.pdf

摘要 无速度传感器感应电机直接转矩控制系统因其控制思想新颖、方 法简单和性能优越等特点，近年来在交流感应电机调速方面得到了较 快的发展。定子磁链的准确定向和速度辨识的精度直接关系直接转矩 控制效果，本论文对此进行深入的研究，提出一种新型的定子磁链观 测方法和一种改进的基于模型参考自适应速度辨识方法。 针对传统定子磁链观测方法的局限性，论文提出一种基于滑模观 测器观测定子磁链的方法。该方法采用滑模函数取代定子电流状态方 程中的反电动势项来简化观测器结构；采用连续函数取代开关函数来 减小观测器抖动；针对求解定子磁链时引入的纯积分，则采用带反馈 项的低通滤波器，对其幅值和相位误差进行补偿。由于滑模观测器中 不包含定子电阻，因此解决了基于传统观测方法中定子电阻变化影响 磁链观测精度的问题，而且不需要定子电压信息，既简化了硬件电路， 又克服了电压测量误差对磁链观测精度的影响。 针对传统模型参考自适应方法中的纯积分环节和定子电阻变化 对辨识精度影响较大的问题，论文对传统模型参考自适应方法进行改 进。通过引入高通滤波器，克服了纯积分器的缺陷，采用模糊逻辑在 线调节滤波器截止频率，消除滤波器截止频率的影响；其次采用基于 模糊逻辑的在线定子电阻调整，减小定子电阻变化对辨识精度的影 响。 在m a t l a b6 5 s i m u l i n k 环境下，构建了无速度传感器直接转矩控 制系统仿真模型。在此基础上对上述改进方案进行了仿真，仿真结果 表明论文提出的磁链观测方法和速度辨识方法能在全速范围保持稳 定且具有较高的辨识精度。 关键词感应电机，无速度传感器，滑模观测器，速度辨识 a bs t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e mo fs p e e ds e n s o r l e s si n d u c t i o n m o t o r , w h i c hw i t ha d v a n t a g e ss u c ha sn o v e lc o n t r o lt h o u g h t ，s i m p l e a l g o r i t h m a n de x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ，h a sg o t w i d ea t t e n t i o na n d d e v e l o p m e n t b a s e do nd e e p l ya n de x t e n s i v e l ys t u d yo nt h ev e r a c i t yo f s t a t o rf l u xo r i e n t a t i o na n dt h ea c c u r a c yo fs p e e di d e n t i f i c a t i o n ，w h i c h a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，an e ws t a t o rf l u xo b s e r v e r m e t h o di sp r o p o s e d ，a n dc o n v e n t i o n a lm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m s p e e di d e n t i f i c a t i o ni si m p r o v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o n so fc o n v e n t i o n a ls t a t o rf l u xo b s e r v e r , a n e wo b s e r v e rb a s e do ns l i d i n gm o d e lo b s e r v e ri s p x o p o s e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em e t h o ds i m p l i f i e st h es t r u c t u r eo fo b s e r v e rb ya p p l y i n g s l i d i n gf u n c t i o nt or e p l a c et h e s t a t eo fs t a t o rc u r r e n te q u a t i o no ft h e a n t i e m f , a n du s e st h ec o n t i n u o u sf u n c t i o ni n s t e a do fs w i t c h i n gf u n c t i o n t or e d u c et h eo b s e r v e rji t t e r , a n di n t r o d u c e st h el o w p a s sf i l t e r sw i t h f e e d b a c kt oc o m p e n s a t et h ea m p l i t u d ea n dp h a s ee r r o ro fp u r ei n t e g r a l t h es l i d i n gm o d e lo b s e r v e ri sr o b u s tt ot h ev a r i a t i o no fs t a t o rr e s i s t a n c e b e c a u s ei th a sn or e l a t i o nw i t hs t a t o rr e s i s t a n c e a d d i t i o n a l l y , t h en e w o b s e r v e rh a sa d v a n t a g e so fs i m p l i e dh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ea c c u r a c yo f f l u xo b s e r v a t i o nf o ri t sl o ws e n s i t i v i t yt ot h em e a s u r e m e n te r r o ro f v o l t a g e i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h e p r e c i s i o n o fs p e e d i d e n t i f i c a t i o nb e i n ge f f e c t e db ys t a t o rr e s i s t a n c ea n dp u r ei n t e g r a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e sa ni m p r o v e dm r a s f i r s t l y , ah i g hp a s sf i l t e ri s i n t r o d u c e dt oe l i m i n a t et h ee f f e c t so f p u r ei n t e g r a t i o n ，a n dl o wf i l t e r sc u t f r e q u e n c yi sa d j u s t e db a s i n go nf u z z yl o g i c s e c o n d l y , am e t h o do ff u z z y l o g i cb a s e do n l i n es t a t o rr e s i s t a n c ea d j u s t m e n ti sa d o p t e dt od e c r e a s et h e i n f l u e n c eo fs t a t o rr e s i s t a n c ev a r i a t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo fp r o p o s e dd e s i g ns c h e m e sa r eb u i l tu pw i t h m a t l a b 6 5 s i m u l i n k ，a n dt h er e s u l t s o fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e p r o p o s e do b s e r v e ra n dt h ef l u xo b s e r v e rc a ne n s u r et h es p e e dc o n t r o l s y s t e mb e i n gs t a b l ei ni t sf u l ls p e e dr a n g ea n da l s oi ng o o dp r e c i s i o n k e yw o r d s i n d u c t i o n m o t o r , s p e e ds e n s o f l e s s ，s l i d i n g m o d e l o b s e r v e r , s p e e di d e n t i f i c a t i o n 原创性声明 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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：陋虱丝 日期：五垒筮年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蚍导师签黝 日期：趔年月丝日 硕十学位论文第一章 绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 直流电动机和交流电动机先后诞生于1 9 世纪，距今已有1 0 0 多年的历史， 并已成为动力机械的主要驱动装置【l 儿2 1 。由于技术上的原因，在很长一段时期内， 占整个电力拖动系统8 0 左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机( 包括 感应电动机和同步电动机) ，而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用 的直流电动机。而造成这种局面的原因是由于直流电动机结构复杂，但调速控制 简单，而感应电机则正好相反。众所周知，虽然直流电机的调速性能优越，但是 由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：( 1 ) 需要定期更换电刷和换向器， 维护保养困难，寿命较短；( 2 ) 由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在 易燃易爆气体的恶劣环境；( 3 ) 结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压 的直流电动机。 与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：( 1 ) 结构坚固，工作可靠， 易于维修保养；( 2 ) 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； ( 3 ) 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。因此，很久以来，人 们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电 动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至2 0 世纪7 0 年代， 交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限 制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的 诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来 调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。经 历了2 0 世纪7 0 年代中期的第2 次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的 重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着电力电子 技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断 提高，变频驱动技术也得到了显著的发展，并使得变频调速成为可能。 目前，矢量控制和直接转矩控制在交流电机变频调速领域得到了广泛的研究 和应用。矢量控制技术首次由德国西门子公司的工程师e b l a s c h k e 于上世纪7 0 年代提出的，其基本思想是：将感应电动机在三相坐标系下的定子交流f 。、 t 通过3 2 相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、f 厅，再通过按转子 磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流0 、( 0 相当于直 流电动机的励磁电流，相当于与转矩成正比的电枢电流) 。然后模仿直流电动 硕r 上学位论文 第一章绪论 机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对感应 电动机的控制。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链 难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过 程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 3 】提出了直接转矩控制理论，并于 19 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。这种控制方式是使定子磁链依照六边形轨迹 运动，由于正六边形的六条边分别与六个非零电压空间矢量对应，因此可以通过 三个施密特触发器来简单切换逆变器的六个工作状态，直接通过六个非零电压空 间矢量实现磁链轨迹控制。与其它方式相比，这种控制方式结构简单，在输出同 样的频率时元件开关次数最少，开关损耗也小，因而在要求元件开关频率不能太 高的大功率场合得到广泛应用。但这种方法中，由于定子磁链是按照六边形轨迹 运动的，故电压、电流波形畸变比较严重，低速时转矩脉动较大，会在一定程度 上限制直接转矩控制的性能发挥。 直接转矩控制的另一种形式是由日本学者i t a k a h a s h i 【4 1 提出的，是一种定子 磁链运动轨迹近似为圆形的控制方案。这种方法通过实时计算电机转矩和磁链的 误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。由于磁链运动轨迹 近似为圆形，电压、电流中的谐波含量在一定程度上减少了，但控制系统显得复 杂一些，这种控制方式能充分发挥新型电力电子器件( 如i g b t ) 的开关频率优势， 因而在中小功率场合获得广泛应用。 与矢量控制相比直接转矩控制系统具有以下主要特点1 5 儿6 】： ( 1 ) 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制 电动机的定子磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、 转化；即不需要模仿直流电动机的控制，不需要为解耦而简化交流电动机的数学 模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理 工作比较简单，所用的控制信号使观察者易于对交流电动机的物理过程做出直接 和明确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链坐标轴，所关联的定子参数 是定子电阻。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链坐标轴，观测转子磁链需 要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了参数变化对控制 性能的影响。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和 控制各物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与矢量控制的方法不同， 2 硕上学位论文第一章绪论 直接控制转矩不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作 为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两 点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容 差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动 机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简 单，对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制。这种“直接自控制 的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控 制。 综上所述，直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系 下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节 以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处 理，没有通常的p w m 信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手 段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以 内且无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法1 7 1 。 直接转矩控制技术虽然具有许多优点，但是目前仍旧面临许多有待解决的问 题。主要是：低速性能不尽人意、转矩脉动比较严重和速度传感器影响系统的可 靠性等，这些问题阻碍了直接转矩控制系统的进一步发展与应用【7 j 。因此如何解 决这些问题已成为当前直接转矩控制研究的热点。 1 2 国内外研究现状和趋势 就目前直接转矩控制系统存在转矩脉动大、低速性能差的缺陷，国内外大量 的学者对改善直接转矩控制系统性能进行了研究，主要有以下几个方面： 1 定子磁链的准确观测 定子磁链是直接转矩控制系统中非常关键的物理量。由于感应电机存在齿槽 效应等问题，其定子磁链无法直接测量。 定子磁链利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种定子磁链估算模 型，另外随着智能控制理论在直接转矩控制系统中的应用，也出现了一些新的控 制策略，得到了一些新的定子磁链估算模型。它主要分为以下几类：u i 模型、 j - n 模型、u - n 模型、定子磁链观测器等悼心引。 ( 1 ) u i 模型结构简单，在计算过程中唯一需要了解的电机参数是易于确定 的定子电阻。u i 模型一般在额定转速3 0 以上范围时使用，能较准确地观测定 子磁链，而且结构简单，鲁棒性强，优于其他方法。但是由于u i 模型中使用了 纯积分环节，微小直流偏移误差和初始值误差都将最终导致积分饱和，而这种直 流偏移，由于电子干扰的存在、传感器或者a d 转换的误差，在现实中又是不可 硕士学位论文第章绪论 避免的。u i 模型在低速条件下性能较差，为了把u i 模型沿用到低速阶段，需要 补偿u i 模型在低速阶段的误差。因此一般采用一阶低通滤波器来代替纯积分器 以消除偏移误差，但却在定子磁链估计量中引入了幅值误差和相位误差。特别在 低速情况下，这种误差尤为严重，将对系统性能产生较大的影响。很多文献提出 了改进的磁链估计方法来提高u i 模型磁链观测的准确性，文献 2 0 】提出一种方 法用以提高积分器的低速特性，其基本思想是改进对电压和电流的检测质量，并 用简单的算法消除积分器中的直流分量，使系统的低速性能获得一定的提高，但 它只能在一定程度上消除直流偏移问题，依然无法克服积分器的固有缺陷。文献 【2 1 提出了一种定子磁链幅值和相位补偿算法，以消除低通滤波器存在的不足， 但此方法只适用于稳态情况。在文献 2 2 1 q b 提出了三种改进型积分器，用于全速 范围内观测定子磁链，在一定程度上补偿低通滤波器引起的幅值和相位误差，由 于定子频率的变化和直流偏移的不可预测性，改进型积分器还不能很好的解决实 际问题。如果低通滤波器的截止频率是一个固定值，当速度变化时，滤波器的滤 波效果将变差。低速下，定子电阻的变化是影响磁链观测精度的关键因素之一， 但文献 2 0 2 2 并没有对定子电阻变化进行补偿。 ( 2 ) i - n 模型虽然不受定子电阻变化的影响，但是直接影响到估算结果的物 理量不仅有转子电阻心、主电感，漏电感l o ，还有转子磁链矢量w ，此外i - n 模型还要求精确地测量角速度，的测量误差对i - n 模型的结果影响很大。所 以根据i - n 模型来估算定子磁链也有它自身的局限性。i - n 模型由于需要感应电机 的转速信息( o ，在无速度传感器直接转矩控制系统中很少单独使用，从磁链观测 方面而言，多是作为模型参考自适应方法中的可调模型。 ( 3 ) u n 模型由定子电压和转速来获得定子磁链，u n 模型结合u - i 模型和 i - n 模型的优点，低速时运行i - n 模型，高速时又切换到u i 模型，实现全速范围 内都适用的目的。虽然u n 模型综合性能较好，但其结构最复杂、待测量最多且 存在平滑切换的问题，而且不能摆脱i - n 模型的固有缺陷，实际应用的比较少。 文献 2 3 建立一个基于u n 模型的状态观测器，通过选择合适的反馈增益矩阵来 观测定子磁链。但其u n 模型是一个简化的模型参考自适应系统，仍然没有摆脱 u i 模型的局限性，而且其结构较为复杂。 ( 4 ) 定子磁链观测器【1 昏2 0 】【2 4 氆】也是常用来观测定子磁链的方法之一。基于 感应电机理想模型的观测器方法，都是以定子电压方程和转子电压方程为基础 的，可以作为u i 模型和i n 模型的不同组合。其中有全阶状态观测器、滑模观测 器和卡尔曼滤波器等。在具体实现上，通常将感应电机作为模型参考自适应中的 参考模型，而将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【1 睨0 1 。但全阶状态观测器同样需要速度信息，在无速度传感器直接转 4 硕上学位论文 第一章绪论 矩控制系统中，需要同时观测定子磁链和辨识速度，如果速度辨识精度不够，则 直接影响定子磁链的观测。感应电机参数也直接影响全阶状态观测器的观测精 度，低速下，定子电阻变化将使观测器性能恶化。 滑模观测器方法是采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，并使控制系统的 状态最终稳定在设计好的滑模超平面上【2 4 瑚】。滑模变结构控制具有两个比较大的 优点：即系统对外界干扰具有较强的鲁棒性，当到达滑模面后系统阶数降低，有 利于简化控制。但滑模变结构控制同样具有一些缺点：对于理想的滑模变结构系 统，滑动模态总是降维的光滑运动而且渐近地稳定于原点，不会出现抖振。但是 对于一个实际的滑模变结构系统，由于控制力的有限性、系统的惯性、切换开关 的时间空间滞后以及状态检测的误差都将会在光滑的滑动模态上叠加一个锯齿 形的轨迹，因此产生了抖动现象。文献 2 4 2 6 在全阶状态观测器基础上，引入滑 模变结构控制理论实现对定子磁链的观测，其原理就是通过变结构理论，在不同 的电机状态下，为全阶状态观测器提供不同的状态反馈项。但观测器所用参数过 多，低速下的性能不很理想，反馈矩阵的选取也比较困难。文献 2 7 2 8 通过设计 估计定子电流与实际定子电流的零误差为滑模面，当观测器最终在滑模面上运动 时，估计定子电流等于实际定子电流，进而推算出观测的定子磁链。在该方法中， 由于采用滑模函数取代待估计项，观测器中不含有定子电阻，对定子电阻具有较 强的鲁棒性。但该方法采用开关函数作为滑模函数，其低速下的抖动现象比较严 重，在求取定子磁链时，采用了纯积分，积分初值和直流误差累计很容易导致积 分饱和。 综上所述，1 , 1 i 模型由于结构简单，所需参数少，是观测定子磁链的常用方法， 而i n 模型、u n 模型由于需要感应电机转速信息，很少在无速度传感器直接转矩 控制系统中应用。但u i 模型由于包含纯积分和定子电阻，积分初值和直流累计 误差影响其观测精度，定子电阻的变化对观测精度的影响也不可忽略，低速下更 为严重。针对这个问题，很多文献提出了改进方案。与此同时，新的磁链观测方 法也得到了研究，滑模观测器就是其一，滑模观测器具有抗干扰性能好，降低阶 次，能简化系统结构等优点。文献 2 7 1 提出的方案中，根据感应电机方程设计定 子电流观测算法，进而推导出定子磁链。该方法具有对定子电阻变化具有完全鲁 棒性的特点。本文在文献【2 7 】基础上，对其观测器的推导进行改进，简化了观测 器结构，通过采用连续函数取代开关函数和引入滤波器环节解决了其抖动问题和 纯积分问题。 2 电机速度的精确辨识 为获得高性能转速控制，就须在电机的转轴上安装速度传感器，形成速度反 馈。而速度传感器的应用往往存在以下问题：( 1 ) 速度传感器破坏了感应电动机 硕上学位论文 第一章绪论 的刚性和简单性；( 2 ) 安装速度传感器，增加了系统的成本；( 3 ) 有些场合不容许 外装任何传感器；( 4 ) 速度传感器的安装增加了系统的复杂性，降低了系统的可 靠性。鉴于上述问题，速度传感器的存在使交流系统的应用范围受到很大限制。 因此无速度传感器控制技术成为近年的研究热点。 随着数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片技术的快速发展， 各种现代控制理论可以应用到高性能感应电机调速系统中，使得无速度传感器控 制技术得到了迅猛的发展。近年来，国内外学者针对无速度传感器技术进行了大 量的研究工作，相应的转速估计方法有：基于电机模型的直接计算法、模型参考 自适应法、自适应速度观测器法、扩展卡尔曼滤波法、滑模观测器法、转子齿谐 波法和神经网络控制法等。基本上可分为基于感应电机理想模型和非理想模型两 大类。本章对常见的速度辨识方法进行介绍，并分析各种方法的优缺点。 基于理想电机模型的速度辨识方法有： ( 1 ) 直接计算法 根据电机方程式，经过适当的数学变换，可得到转速的表达式。这种方法突 出的特点是算法简单，理论上无延时，可较好地工作于动静态过程，但由于缺乏 任何误差校正环节，对参数依赖性很强，抗干扰性能差，甚至可能导致系统的不 稳定。 ( 2 ) 模型参考自适应( m r a s ) 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 ) 辨识速度的主要思想是将不含未 知参数的方程作为参考模型，而将含有待估参数的方程作为可调模型，两个模型 应该具有相同物理意义的输出量，利用两者输出量的误差构成合适的自适应律来 实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模 型输出比较量不同，可分为基于转子磁链、反电动势以及无功功率的m r a s 。 c s c h a u d e r 2 9 首次将模型参考自适应引入电机转速的辨识中，也是首次基于 稳定性理论来辨识电机转速的方法。其原理是将不含有转速信息的方程为参考模 型，而将包含转速信息的作为可调模型，通过p o p o v 超稳定定理推导自适应律。 由于参考模型中含有纯积分环节，因此存在积分初值和漂移的问题。低速下， 定子电阻压降在反电动势中所占比例过大，较小的测量误差就可能导致辨识精度 严重下降，甚至出现不稳定现象。很多文献提出了改进的m r a s 方法，s h o u d a o h u a n g 3 0 j 采用在可调模型和参考模型中加上一个相同的高通滤波器，用以改善纯 积分的问题。文献q b 3 1 l 采用转子磁链补偿，即闭环磁链观测，既克服了纯积分 问题，又消除了引入低通滤波器后产生的相位和幅值偏移。这些方法虽然在一定 程度上改善了m r a s 低速下的性能，但仍然采用电压方程作为参考模型，纯积 分问题不可能完全消除，而且定子电阻变化的影响也依然存在。 6 硕上学位论文第一章 绪论 由于转速的变化在一个采样周期内可以忽略不计，即认为转速不变，对电压 方程两边微分，可得基于反电动势的m r a s 速度辨识，该方法最大的优点是消除 了纯积分的影响，但是定子电阻变化的影响仍然没有消除。 为消除定子电阻变化对m r a s 速度辨识精度的影响，f z p e n g 3 2 】采用无功 功率模型，由于参考模型中不包含定子电阻，从而消除定子电阻变化的影响。基 于无功功率辨识速度的方法优点是消除纯积分和定子电阻变化的影响，但是仍然 存在定子漏感的影响。 ( 3 ) 全阶状态观测器法 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直 接测量的变量如输出量和输入量作为它的输入信号，并使其输出信号在一定的条 件下等价于原系统的状态。通常，称为重构状态或估计状态，而称这个用以实现 状态重构的系统为观测器。 文献 3 3 5 3 选择实际电机为参考模型，自适应观测器为可调模型，通过 l y a p u n o v 稳定理论【3 3 】或p o p o v 超稳定定理【3 4 】推导自适应律。 全阶状态观测器的优点是在辨识速度的同时，能对转子磁链，定子电流等状 态量进行观测，但其所用参数较多，低速下效果有待改善。反馈增益矩阵的选取 也影响观测精度，甚至出现系统不稳定。针对其可能在发电状态下存在不稳定现 象，文献 3 3 4 8 提出了解决方案，但导致发电状态下不稳定的原因至今仍存争议。 由于电动机定子电流可以直接测量，因此可以构造降阶观测器，将全阶模型 可以分成两部分，根据该降阶模型构造降阶磁通观测器。较之全阶观测器，降阶 观测器的的优点在于较为简单，计算时间较少。但它的输出方程种含有定子电流 的微分项，在实际应用过程中存在较大误差。 ( 4 ) 滑模观测器法 v i u t k i n t 矧等人采用滑模观测器辨识速度。滑模观测器是利用滑模变结构控 制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把一般的状态观测器中的控制回路修改成滑 模变结构的形式。滑模变结构控制的本质是滑模运动，通过结构变换开关以很高 的频率来回切换，使状态的运动点以很小的幅度在相平面上运动，最终运动到稳 定点。 滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关，因此具有很好的鲁棒性。但 是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这 对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起比较大的转矩脉动。去抖的同时 仍然保证系统的鲁棒性将是这种控制迫切要解决的问题。 ( 5 ) 扩展卡尔曼滤波法 这是一种最优线性估计算法，其特点是考虑了系统的模型误差和测量噪声的 7 硕上学位论文第一章绪论 统计特性。卡尔曼滤波器的算法采用递推形式，适合在数字计算机上实现。扩展 卡尔曼滤波器是卡尔曼滤波器在非线性系统中的一种推广形式，属于非线性估计 算法。近年来，为了解决交流调速系统中的状态估计和参数辨识问题，不少学者 开展了扩展卡尔曼滤波器在交流调速系统中的应用研究。但是，扩展卡尔曼滤波 器的算法复杂，需要矩阵求逆运算，计算量相当大，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，这使无机械传感器交流调速系统的硬件成 本提高。另一方面，扩展卡尔曼滤波器要用到许多随机误差的统计参数，由于模 型复杂，涉及因素较多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试 才能确定合适的随机参数。 ( 6 ) 神经网络法 m a r i n o p1 5 卅采用基于b p 算法的两层神经网络对感应电机的速度进行辨识。 基于b p 神经网络辨识速度的算法较之m r a s 算法要简单，不需要根据稳定性定 理去推导自适应律。但辨识模型中仍然采用电压模型作为可调模型，没有摆脱纯 积分和定子电阻变化的影响，而且神经网络采用现场数据进行训练权值，容易陷 于局部最优 6 0 - 6 6 1 。 上述几种方法都是建立在电机的理想模型上，也就是建立在具有一些理想化 假设的电机的动态方程上。而电机的非理想特性指电机被忽略的一些特性，比如 磁饱和、集肤效应、齿槽效应等。用这些基于非理想特性的方法检测电机转子速 度或转子磁链的位置，具有很好的对电机参数变化的鲁棒性。k d h u r s t 6 7 】等人 提出利用齿谐波信号的转速辨识方法，通过对定子反电势或者电流信号的处理可 以检测出转子速度信号；m d e p e n b r o c k 6 8 1 提出使电机转子的槽1 ；3 宽度按一定规 律呈周期性变化，使转子具有一定的凸极特性，通过检测转子凸极的位置，就得 到转子的速度。此外还有饱和凸极检测法，注入脉振信号，利用电机磁饱和产生 的凸极效应来检测转子磁通位置。它可以在零频时可获得转子磁通信息，实现零 频控制。但是要求饱和运行，仅适用于低频；需要多次坐标变换和滤波环节，结 构复杂，计算量大。还有一种转子凸极检测法：改造标准感应电机，使转子槽口 宽度或槽楔厚度按一定规律以极距为周期变化，使转子具有一定的凸极特性，通 过检测转子凸极位置得到转子位置和速度。它不受电机参数影响，但需要人为改 造电机；而且不适用于闭口槽：滤波影响动态性能；只适于低速稳态；运算复杂 等。 综上所述，基于非理想电机模型的方法，要么需要对电机进行改造，要么算 法复杂，实际应用中比较少。神经网络和卡尔曼滤波器虽然也被用于辨识速度， 但神经网络的收敛速度较慢，在实时性要求较高的电机控制系统中显然不很适 合，而卡尔曼滤波器的算法复杂，计算困难，也很少采用。 硕士学位论文 第一章 绪论 模型参考自适应( m r a s ) 由于具有结构简单等优点而成为常用的速度辨识 方法。但其参考模型中含有纯积分环节，因此存在积分初值和漂移的问题，容易 出现积分饱和。低速下，定子电阻压降在反电动势中所占比例过大，较小的测量 误差就可能导致辨识精度严重下降，甚至出现不稳定现象。 目前，很多学者提出了克服基于转子磁链的m r a s 速度辨识方法低速缺陷 的方法。针对纯积分问题，s h o u d a oh u a n 9 1 3 0 】采用在电压模型中引入高通滤波器， 达到消除纯积分对直流量的累积作用。同时，为克服由此引起的相位和幅值偏差， 在可调模型中引入相同的滤波环节。这种方法在一定程度上改善了纯积分带来的 影响，但没有消除定子电阻变化的影响。文献【3 1 在参考模型中采用低通滤波器 代替纯积分环节，并在一阶低通滤波器基础上引入磁链反馈补偿，即闭环磁链观 测，在一定程度上补偿了低通滤波器引起的幅值和相位偏差，改善了磁链观测精 度。针对定子电阻影响，它采用了m r a s 方法辨识定子电阻并在线调整，但没 有对速度辨识做出说明。以上方案都没有考虑滤波器截止频率的变化对磁链观测 精度的影响。 本文在分析其他速度辨识方法的基础上，提出一种改进的基于转子磁链 m r a s 的速度辨识方法。在电压模型中引入高通滤波器以消除纯积分影响，并在 电流模型引入相同滤波器以平衡由此带来的相位和幅值偏差。针对滤波器截止频 率和定子电阻对磁链观测精度的影响，分别采用模糊控制器在线调整截止频率和 定子电阻，以消除两者对磁链观测的影响，进而提高了速度辨识的精度。 1 3 论文的主要内容 本文在阅读大量国内外参考文献的基础上，对直接转矩控制系统的原理和定 子磁链观测和速度辨识等问题进行了深入的分析和仿真研究。通过对传统定子磁 链观测方案和滑模观测器的深入研究，提出一种基于滑模观测器的定子磁链观测 方案。针对传统模型参考自适应辨识速度的局限性，提出一种改进的基于m r a s 的速度辨识方法，不仅消除了纯积分对磁链辨识精度的影响，而且通过模糊控制 在线辨识和调整定子电阻，消除了定子电阻变化所带来的影响。 论文的主要内容包括 第二章分析了感应电机的数学模型和直接转矩控制的原理。建立基于定子磁 链、转子磁链为状态变量的感应电机直接转矩控制平台，同时给出了直接转矩控 制系统的仿真结果，分析了定子电阻变化对直接转矩控制系统特性的影响。 第三章针对现有观测方法中存在的问题，将滑模观测器应用于磁链观测，提 出一种新型的定子磁链观测方案。 第四章为了改进传统模型参考自适应的局限性，通过引入高通滤波器并在线 9 硕士学位论文 第一章绪论 调整滤波器截止频率，达到消除纯积分影响的目的，通过模糊逻辑在线调整定子 电阻，进一步提高了速度辨识的精度，增强了速度辨识环节对定子电阻变化的鲁 棒性。 第五章是论文工作的总结和展望。 l o 硕十学位论文第二章直接转矩控制的基奉原理和仿真 第二章感应电机直接转矩控制系统的理论基础和仿真 本章首先对感应电机直接转矩控制系统各部分的原理进行分析，然后在两相 静止坐标系下建立了基于定子磁链和转子磁链的感应电机仿真模型。在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立直接转矩控制仿真平台，并进行了仿真。最后分析了 定子电阻变化对直接转矩控制系统性能的影响。 2 1 感应电机的动态数学模型 实现高动态性能，必须充分研究感应电机的物理机理和动态数学模型。而三 相交流感应电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 为了建立感应电机数学模型，作感应电机对如下假设 ( 1 ) 定、转子三相绕组完全对称，即定子三相绕组的结构完全相同，空间 位黄彼此相差1 2 0 电角度；转子铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全对称； ( 2 ) 定、转子表面光滑，无齿槽效应； ( 3 ) 气隙磁动势和磁感应强度在空间呈正弦分布； ( 4 ) 导磁系数为常数，铁心的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。 在建立交流感应电机的数学模型时，采用空间矢量的方法，使得问题变得简 单明了，图2 1 为基于空间矢量的感应电机等效电路 图2 - 1 感压电机等效电路图 由于感应电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止 的坐标系中描述电机的模型将非常方便。进过坐标变换，将三相感应电动机在三 相静止坐标系上的电压方程变换到两相静止坐标系上的电压方程，可以简化模型 及获得常参数的电压方程。将参考坐标系放在定子绕组上，即通常所用的a - 1 3 坐 标系。定子电压矢量为： u s = u ，。+ ，咋口 ( 2 1 ) 其中： 硕上学位论文第二章直接转矩控制的基本原理和仿真 铲厉( ”1 。一丢) = ( 一) “。、为仪一p 坐标系两相电压分量，u s a 、分别为感应电机三相静止坐 标系上a 相、b 相、c 相上的相电压。对于笼型感应电机，转子短路，则转子电 压为零。感应电机的动态特性可由下述方程描述： = 。p r 一+ 哆l 5 ，p 。b + 。p i m p 哆，t 乏 c 2 - 2 ， 电机矢量形式的动态数学模型可描述为： 喀= r 乏+ 盟d t ( 2 - 3 ) 石= 碍乏+ 警一j c o 弘7 ，( 2 - 4 ) 炽= t 乏+ l 乏 ( 2 5 ) 妒，= 云+ 匕乏( 2 6 ) 其中，咫、r ，分别表示定子和转子绕组的电阻，厶，厶、l m 分别表示定子自 感、转子自感和定转子间互感。，表示电机角速度，p 为微分算子，0 、分别 表示仅p 坐标系定、转子电流。 消去式( 2 - 3 ) 至( 2 - 6 ) 中的0 和矗，可以得到以定转子磁链为状态变量的感应 电机的状态方程： j = a x + b u ： ( 2 - 7 ) 其中，x = c y ，口少，杪。 户，r ，甜= r 甜皿咋。，彳= ( 乏：乏：) ， a l l = _ 仃r t s 向川，铲籍向小l 4 。盯r t , l m 卜，a 2 2 - 一老n q 几纠z 几 b = 【，o 】r ，f ，= 【f 。f ，口】r ，c = 【1 ( 盯t ) ，( 盯一1 ) ( 盯匕) ，】 j = ( 三 ，f o ，= i f 1 仃：1 一生为漏感系数 l l rs l l r r 1 2 硕l 学位论文第二章直接转矩控制的基本原理和仿真 转矩方程为 z = 去州，= 去帅舾口 ( 2 8 ) 其中n p 为电机的极对数，妫定子磁链和转子磁链之间的夹角。本文后续章 节使用的感应电机模型采用这种形式的状态空间方程。 2 2 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制系统的基本结构如图2 2 所示，从中可以看到，直接转矩控制 系统由以下几个部分组成： ( 1 ) 磁链和转矩估计器：由电压、电流采样信号经坐标变换按照电机的数 学模型计算出电机的磁链和转矩。 ( 2 ) 磁链区间判断：判断磁链所在区间，系统根据转矩控制信号、磁链控 制信号和磁链区间选择合适的电压矢量。 ( 3 ) 转速调节器：根据给定转速和反馈转速的差值经调节器输出给定转矩， 实现对速度的控制。 ( 4 ) 磁链调节器：磁链调节器采用两点式控制器，输出控制信号。 ( 5 ) 转矩调节器：转矩调节器采用三点式控制器，输出控制信号。 ( 6 ) 开关状态选取单元：根据磁链控制信号、转矩控制信号和磁链所在区 间信号，从开关表中选取合适的电压信号，对应逆变器的的开关状态。 i j d e 图2 - 2直接转矩控制系统的基本结构 其工作原理为： 通过速度传感器得到感应电机实际转速n ：与给定转速，l + 比较通过速度调节 器得到转矩给定值乃，转速调节器一般采用p i 控制器；由传感器得到电机定子 硕士学位论文第二章直接转矩控制的基本原理和仿真 电流和电压值，输入感应电动机的磁链和转矩估计器得到定子磁链的幅值i l 和 转矩实际值疋；实际转矩疋与转矩给定值乃经转矩调节器处理后得到转矩开关 信号坦；磁链给定值i 烙l 与磁链计算值i 烙l 经磁链调节器产生磁链开关信号烟； 区间判断根据定子磁链分量得到磁链所在区间信号s n ，开关信号选择单元综合 磁链开关信号烟、转矩开关信号固和磁链位置信号s n , 通过查表得到正确的 电压开关信号来控制电机的准确运行【6 】。 首先对直接转矩控制的关键部分，如电压空间矢量的选择、磁链的观测和控 制、转矩控制等进行介绍。 2 2 1 逆变器的数学模型 逆变器是交流调速系统中的重要部件，通过对逆变器的控制才能实现电机的 调速。在直接转矩控制中采用的是电压型逆变器，它的结构如图2 - 3 所示。 o 图2 - 3电压源逆变器原理图 该逆变器由三组六个开关( s 。巧s 。一s bs ，i ) 组成。由于同臂上的两开关 为互锁关系，即一个导通，另一个断开，所以三组开关共有8 种可能的开关组合。 若规定某一相与“+ ”极相通，该相的开关状态为“1 ”态，反之，为“0 ”。则8 种可 能的开关状态如表2 1 所示。 表2 - 1 逆变器开关状态 状态01234567 s a 00oo1lll s b 00