（农业电气化与自动化专业论文）变频器控制方案的优化与仿真.pdf

沈阳釉吐大学硕士学位论文 变频器控制方案的优化与仿真摘要 研究生：韦锡丰导师：王桂英 异步电动机是一个非线性、强耦合豹多变量系统，如何鞋它进行控刮一直是电气传 动行姚的焦点。随着新型电力电子器件、智能功率集成电路问世，现代控制理沦的发展 和计算机技术的应用，变频调速技术日新月异。自从矢量控制理论产生以来，随着这种 控靠l 技术的疆趋成熟，使得异步电机奎频调逮质的机械特性及动态特性都能够达到非常 高的精度。如何才能使这种控制方法更好的应用于实际中是一个需要深入研究的课题， 阳此对无速度传感器矢薰控制系统进行研究并使其更好的应用于实际中具有重要的现 实意义。 在研究异步电动机现有控制理论成果及麻用的基础上，以m a t l a b s i m u li n k 作为仿 真工其，着重研究了矢量控制调速系统的仿真模型。主要内容：第一，对脉宽调制( p w m ) 技术傲了院较详缨的研究，分柝了s p 蛳豹不足之处，同时分析了s 删的改进型s v p 赋的 工作原理，使得电压的利用率有所提商，最后得出了计算l g b l 、开关时间的计算方法；第 二，分析了异步电机的数学模型包括坐标变换公式。第三，阐述了异步电机矢最控制的 辗理，分析了控削算法中的各个模块的实现方法。给出了包括转差计算、电压矢量解耦 以及空| 甘j 电骶矢量的形成在内的各种实用计算方法。第四，提出了基于p i 的自适应无速 度传感器控制方法。第五，对电机参数的变化对整个控制系统的影响进行了分析。结合 戳上的研究，通过m a t i ，a 8 s 1i n k 对整流器、储能环节、逆交器、电机、矢量变换、 磁链观测器及速度辩识器的数学模型进行了仿真设计。仿真结果表明，旗丁p i 的自适应 无速度传感器矢量控制方案获得了与宥速度传感器的矢量控制方案几乎相同的结果，而 且由于前者不需安装速度传感器，大大提高了系统的可靠性，从谳验证了它的优点及可 行性。 该模型在m t i a b s m u n k 平台上构建方便，仿真准确、高效、快捷。这些研究结 论对无速度传感器矢量控制方案在实际中掬实现具有一定的指导意义。 关键词：解耦、s v p w m 、矢量控制、无速度、m a t l a b ，s i m q l h k 摘要 h _ _ _ 一 o p t i m i z a t i o na n d s i m h l 8 t i o no ft r a n s d h o e rc o n t r o la b s t r a c t c a n d d a t e ；w e ix i f b n g s u p e r v i s o r - p r o w a n gg u i y 穗g i n d u c d o n m o t o r i s 彝n 雠l i n e a f ，s 仃。嘴 y c o u p i i n ga 耐m 雠l i 嘣曲l es y s 怔1 n h s a f o c u s t og e tal l i g hp e r f 鼬啪c ec o n 时o la l o n gw i t 王lm ea p p e 甜a n c eo f n e we l e c 打o n i ee l e m e n t sa n d i n t e l l i g c n tp o w 髓l c ，也ed c v e l o p m e n t 。fm o d e mc 幽l 【l l e o r ya 1 1 d 也e 印p l i c a n o no f c 。翔甲u c e rt 耐m d l o 殍e 啦e & q u c n c ) tc o n 打o lt e c h n o i o g yo fa ci n 血c t i o nc l e c n o m o t o r c h a g e sq u i 浏y n e wc o h 髓o lm e 如o d 删a r sc e a s e l e 3 s l y s i n c e 娃衅_ 【i l e o r ) o fv e c t o rc o m r d l w a sp u tf o r w 毛耐，a 王o n gw 油t h ed e v e l o p m e n to fv e c t o r 岫f o lt l l e o r ) r ，t h ca ce l e c h d m o t o r m e c h 融j e a la n dd y 哪咐i cc a p a b i l “i e sa f ei i n p r o v c dg r c a t l y h o wt om a k et l l i st h e o r y8 p p i yt o 阼a 量a p p l 主c a t i o ni sal a s k 谢d c hs h hb el u c 曲踟d t h es m d yo fs e n s 0 “e s sv e c t o rc o n 甘o l s y s t e mh a ss o m er e a l 鲥cm e a 玎i n g i l a s e do na n 缸y z i n ge x i s 生i n ga c h i e v e m e n t so fi n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n 仃d lt h e o r y 曲d 即p h c 撕o ni nd q 妣，_ 【l l i sd i s s 喇a l i o n 士、o c 璐e so nv e c t o rc o n 昀ls y s i e m 囊s 妇u l 暾i o nm o d e l w l i c hi sd i 翮靠l ys i m u l a t c db yi t ss 帆l c t u 捌g r a p ho nm a 。i l a b ，s h m i n k 1 km a m c o n i e n t s o f _ i 圭l i sp 叩髓i n d u d e ：f i r s t ，h 雠啦y s e s 硅l e 耙c h n o i o g yo fp w m ，也es l l o 渤g eo fs p w ma n d 缸龇叼o fs v p w m w b i e h i m p f o v e st h eu s e 鞲l eo f v o l t 哪i t 舀v e s 龇枷c 沮矾o nm e 嘶o d o fm eo p e n0 rc l o s et i m e so fm ei o b t s e c o n d ，i ta i l a l y s e sm em a t b e m a t i cm 。d e lo fa c e l e c t r o m o t o ra n c l u d i n g 南n n 试a so fc o o m i n a t et r 鼬s f o 删) 耵l 砒hd c s c r i b e s 妇虹啪r yo f v e c rc o “m l ，a l l a l y s e s 啦or e a l i 砑n o no fe a c hm o d l l j ei nt h ec o n l m l 删t b m e t i c ，g i v e s c a | c l l l a 廿o nm e t l l o d s 、v l l i c hi n c l u d e st h ec a l c u l 胡o no f r 0 诅t i o n a ld i 位r e n c c ，t h od i s c o m p o s eo f v o l t a g ev e c t o r 黜d 协e 姗c m r co fs p a c ev c c t o f 、叼h g e f o r t h ，辨tf o r w a 埘ak i n d s c l f a d a p l i v ea l g 喇t l l mb 酾e do np i ，f i f 【l l ，i ta n a l y s e s 硅撑i 曲u 铋c eo na ce k c t r o m o t o ri f 也e p a 埘n e t e r so fa ce l e c t r o m o t o rc h a n g e d 髓s e do nm e 托s e | 黼ho fa b o v e ，s 就坤s i m u l 鲥o n m o d e ko f 糟c t i 抽r ，e 柏# r g ys 喊n g ，i n v e r ，i n 出比妇姐m o t o r ，v o c t o f 扛a n s f 幽，n u xo b s e r v 材 a 1 1 dr o t o r 蹄e e do b s e r v e ，s8 l g o f i t l l m s b ys 娃m u l a t i o b ，t kr e 娜h so fs e l f - a d 印t i v ea l g o 矗t l l m b a 辨do np ii sa l 咖s t 。q 岫lt ov e c t o rc o n l r o l 州t hs p c c ds e i l s o r m l dt 重1 ef 0 州l e rh 鹬h i 曲e r f c 虻a 轴i 毋b e c a u s ei tks e n s o d e s s + s o 赴p v e st h ea d v a n t a 萨a i l d 岛科i b i l 晦o fs e i s 稚a p t i w a 1 9 0 d 日u n b a s e d o np 1 沈附农业大学硕士学位论文 i ti se a s y ，e x 鼬乞a 稚e 压c i e 堪t os e tu pm o d e l sb yt kp l 融f 。糯o fm a t l a b 舟i 搬u 娃l l l ( t h e n c l u s i o n so f t h i s 螈l d yb a v et 沁i m p o r t a n t 眦“n g st ot h ep r o j e c to f s e n s o r l e s sv 。c t o f c o n t r 0 1i nr e a u s t i ca p p l i c a t i o n k e yw 牡r d s ：d i s c o m p 岛s v p w m ，v e 对o rc o n 打。l ，啪s o r l 髂s ，m a t l a b ，s i 瑚u 强n k 独创性声明 木人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得沈阳农业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畿明并表示了谢意。 研究生签名= 予铂 ) 呲 矿7 年厂月l 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议1 研究生虢牛钐 帆如厂年月l 日 导师签名： 移橼 时间： 枷，年月2r 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 电气传动足指以各类电动机为动力装置的传动装置与系统。因电动机种类的不同， 有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等等。在早期 阶段，直流电动机由于其优良的静、动态性能，广泛地用于调速系统。但随着生产技术 的不断发展，直流拖动逐渐暴露出薄弱环节，譬如，直流电动机制造复杂、维护麻烦、 容量较小以及使用环境要求较高，这些都使它的应用受到很大的限制从6 0 年代后期开 始，人们开始转向结构简单、运行可靠、便于维护的交流电动机的调速研究。 交流调速( 冯垛生与曾岳南，2 0 0 1 ) 的方式是按交流电动机的转速公式建立的，对 于三相异步电动机，改变极对数、改变转差率和调节频率都可以调速。但是变极调速是 有极调速，而改变转差率为目的各种调速方法，如定子调压调速、电磁调速、转子变电 阻调速都是耗能型调速。在电力电网中应用最普遍的是普通笼型异步电动机和同步电动 机，这些电动机使用变频器进行变频调速是最为合理的。 变频调速是以变频器向交流电动机供电，把同定电压、固定频率的交流电变换为可 调电压、可调频率的交流电。变换过程中没有直流环节的称交一交变频器，有中间直流 环节的称为交直交变频嚣。而交一直一交变频器是最为常用的，它通常由整流器( a c d c 变换) 、中间直流储能电路和逆变器( d c a c 变换) 构成。而根据中间储能环节义司分 为电流型( 电感) 和电压型( 电容) 。常用变频器分类如下( 吴守箴与臧英杰，2 0 0 2 ) ： 变频器三-三二二二等兰压型 飞流型t p a m 方式 p w m 方式 队m 方式 p w m 方式 六拍多重化方式 本文的设计是针对二相笼型异步电动机，所采用的变频器是交一亩一交电压型( 图 1 1 ) ，采用的是脉宽调制( p w ) 方式。 1 1 ) ，采用的是脉宽调制( p w ) 方式。 西 劫 国1 1 交一直一交毫压型鸾频器 f 1 9l la c d c a cv o 】t a 萨m o d e l 订a n s d u 比r 电力电子嚣伴的发艘为变频调速的脉宽调剖技术羹定了坚实的物质基础( 赵嫠 炳，2 0 0 0 ) 。电力半导体开关主要翕普通晶阉管( t h y r i s t o r ，曾称为可控硅元件s _ 【1 c o n c o n t r 0 1 l e dr e c t i “e r ，简称s c r ) 、门板关断晶闸管( g a t et u r no f ft h y r i s t o r ，简 称g t 0 ) 、双极晶体管( b i j u n e t i o nt r a n s i s 七o r ，简称8 h ) 或称大功率晶体管( g i a n t t r s i s t o r ，简称g t r ) 、绝缘橱双极晶体管( i n s “l 砒e dg a t eb i p 。l a rt r a n 3 i s t o r ， 简称i g b t ) 、场效应晶体管( 舯s f e t ) 、集成门极换向晶闸管( i n t e g r a t e dg a t ec o 玎m u t a t e d t b y r i 吼o r ，简称i g c t ) 、智能功率模块( i n t e l l i 驰n tp o w e rm o d u l e ，简称i p m ) 等。 其中1 6 b t 由于兼有黼f 册和g t r 韵优点，既有m o s f 田电压控翩型器件驱动功率小、开美 频率商( 一般为5 k h z 2 0 k h z ) 的特点，又有g t r 电压电流值较大的长处，是用于中小功 率最为流行的器件。然而在离电压( 4 5 0 0 v 以上) 和大电流( 2 0 a 以上) 范围，还不得 不使用g t 0 ，但其开关频率较低。8 0 年代以后出现了功率集成电路，集功率开关器件、 驱动电路、保护电路以及接 = l 电路予一体。由此可见电力电子器件正在向大功率化、高 频化、模块化、智能化发展( 林渭勋，2 0 0 2 ) 。 在脉宽调制技术不断地向前发展的同时，交流电动机的控制的技术也取褥了突破性 的进展。早期通用变频器大多数为开环恒压比( v f - 常数) 的控制方式其优点是控制结 构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速场台。具体 来说，其控毒i 曲线会随着负载的变化丽变化：转矩响应慢，电动机转矩利用攀不高，低 速时因定子电阻和逆变器死区效应构存在豫使得性能下骅和稳定性交差等。后来增加了 电流环，称之为转差频率控制，改善了性能，但系统只是从稳态公式推导出的平均值控 剁，并没有考虑过渡过程。雁柬，研究者又挺出了一些改进的方法，但是，出于来日 入 转矩的调节系统性能没有得到掇本性的改善。现在转子磁场定向矢罴控制技术和直接 转矩技术的应用与发展大大提升了交流电动机的控制性能，使交流电动机能的调控性能 沈阳农业大学硕+ 学位论文 与离流电动机的相媲美，甚至超过了直流电动机。但这些技术的应用都需要强大的计算 能力，计算桃技术的发展为先进控制技术的实现提供了可能。 计算机的应用主要体现在两个方面：一是控制用微机，交流电动机数字控制系统既 可用专门的硬件电路，也可以采用总线形式，加上通用或单片微机模板组成最小目标系 统。对高性能运动控制系统来说，出于控制系统复杂，要求存储多釉数据和快速实时处 理大量的信息，可采用微处理机加数字信号处理器( d s p ) 的方案，除可实现复杂的运算 厩律外t 电便于故障监测、诊断和保护、入机对话等功能的实现。目前广泛采用的微处 理器主要类型有美国i n t e l 公司的溉s5 l 系列八位攀片桃、粥s 一9 8 系列1 6 位单片机，美 国t i 公司的t m s 3 2 0 系列1 6 位、3 2 位数字信号处理器等( 刘军与戴先中，1 9 9 5 ：王蓓蕾与 谈振藩，2 0 0 0 ) 。第二个应用就是数字仿真和计算机辅助设计( c a d ) 。仿真时如发现系统 控嚣j 陛能不理想，则可快速的在仿真摸型上修改控制参数、结构以至控制方式，直到满 意为止。这样得到的参数可直接加在系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可 能性。目前已有多种软件，本文选用的是美国a t h w o r k s 公司的m a t l a b 。 在研究的过程中，每一种薪的控制方法或数学模型得首先进行仿真分拆，以证明筵 好坏。由于矢量控制系统的复杂性，仿真时不得不进行复杂的编程计算，耗时费力，厩 且仿真时往往因为步长、算法等等的选择不当而得不到理想的结果。为此，根据系统的 构成框图或数学模型，熊快速建立其仿真模型并樗到满意的仿真结果无疑具有十分重要 的意义e 基于这一考虑，本文在深入研究矢量控制系统的各种控制方法及数学模型的基 础上，利用m a t l a b 的s i l i n k 语言作为仿真正具，建立了调速系统的控制器、磁链观测 器、变频器、速度辨识器及异步电动桃等各种形式的仿真模型，并将各模块按颓痔连接 在一起，构成了矢量控制交流调速系统的一体化仿真模型。该模型在s 恤u l i i n k 语言环 境下可商接进行仿真。从而避开了复杂的编程计算。同时，在仿真时计算机可根据误差 的变化自动调整步长和算法，罐以得至i 精确的仿真结果，有效遍检验了新的控制方法和 数学模型的好坏，可以用于指导实际系统的设计。 1 9 9 2 年开始，德国西门予开发了6 s e 7 0 通用型系列，可以分别实现频率控制、矢量 狰制、饲暇控制。目前国外用变频器供电的异步电动机采用矢量控青l 技术已成功地应用 于轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机庶中。这些无不说明变频器不再仅仅是以实 现脉宽调制技术为主导的，而是将脉宽调制技术及交流控制技术相结合，为更好地实现 交流调速 i i 服务的。 1 2 脉宽调制技术 随着高频自关断器件地应用，进一步推动了交流调速中脉宽调制( p w m ) 技术的成熟 和应用。脉冲宽度按诈弦规律变化的s p _ m 显著地降低了逆变器输出电压中的低次谐波， 使电动机运行时的转矩脉动大为减小，动态响应加快。由于脉宽调制逆变器把变频与调 压结台在+ 起输入直流电压无需调节，电源侧可咀简单地采用二极管不控整流，从而 显著提高了调速系统输入侧功率困数。所用自关断器件开关频率的提高又使逆变器输出 谐波次数升高、谐波幅值减小，有效地抑制了输出电力谐波对电动机的影响，因而s p 删 调制技术在中、小型异步电动机变频调速中获得了极为广泛的应用。 从电动机原理可知，要使交流电动机具备优良的运行性能，首先要向电动机提供三 相甲衡的t f 弦交流电压，当它作用在三相对称的交流电动机绕组中时，就能产生三相平 衡的正弦交流电流。若交流电动机磁路对称，线性，就能在定转子气隙中建立单一转向 的圆形旋转磁场，使电动机获得平稳的转矩均匀的转速和优良的运行特性，这在人电 网供电下自然是能得到满足，但在变频器开关过程供电下就有一个发展过程。正弦咏宽 调制s p w m 追求的是给电动机提供一个频率可变的三相正弦电压，并未关心电动机绕组内 的电流和电动机气隙中的旋转磁场。另一种电流跟踪型脉宽调制方式则是避开电压的m 弦性，直接追求在电动机三相绕组中产生频率可变的对称正弦电流，这比只考虑电压波 形进了一步。电流跟踪型p w m 逆变器为电流控制型电压源逆变器，兼有电压和电流控制 逆变器的特点，其中滞环控制电流跟踪宽调制方式更因电流动态响应快、实现方便而受 到重视。为了追求采用逆变器开关切换能在电动机内部生成圆形磁场的效果，近期又研 究出电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术。它将逆变器与交流电动机作为一个整体考虑， 通过对逆变器开关模式的控制，形成不同的三相电压( 矢量) ，使其产生的实际磁通尽可 能地逼近理想的圆形磁通轨迹一理想磁链圆，从而使变频器的性能达到个更高水平。 这种方法采用三相统一处理的电压空间矢量柬决定逆变器的开关状态，操作简单方便， 易于实现全数字控制，以呈现取代传统s p w m 的趋势。 1 3 交流电动机的控制技术 感应电动机在采用矢量控制技术及新的控制方法后，系统性能得到大大提高，可望 取代直流电动机在电气控制领域中的：# 导地位。目前，典型的应用或正在研究的感应电 动机控制系统有以下几种。 沈阳农业大学硕士学位论文 1 恒噩频比控制( v r ) 交流传动系统最筒举的控制方式是开环恒压频比控制。异步电动机的同步转速由电 源频率和电动机极对数决定，随着频率的改变，电动机的同步转速也在改变。当电动机 带负载运行时，电动机转子转速低于电动机的同步转速，即存在转速差。转速差的大小 与电动规负载大小有关。 电动机定予的感应电动势： e = 4 4 4 k 。i l ，6 n ( 1 1 ) 由式( 卜1 ) 可见，当电动机电源频事变化对，若电动机电压不随着改变，电动机的 磁通就会出现饱和或欠励磁。磁通饱和后电动机中将流过很大的励磁电流：而当电动机 出现欠励磁时，将会影晌电动机的输出转矩。 在基频| 三l 下，为了保证磁通基本抠定，需保持伏频比恒定，在基凝以上，由于电压 不能超过额定值，通过降低磁通来提高频率，如图1 2 。 相屯压 磁通 额定磁通 额定屯压 j 、 、 、 、- _ _ 一 额定转速 邕12v f 曲线 f l g1 2 v 胆c u r v e 电动机端电噩和感应电动势的关系式为： y l = e + p l + 豇1 ) j l ( 1 2 ) 在电动机高速运行的情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，屯动机的端电 压和电动机的感应电动势近似相等。但是在低速时，定子电阻压降所占比重增大，可以 适当提高电压e 土静偿定子电鹾降。一般控制作阁如图1 3 。 绪论 固13 耍壤器基本控耕作南 f i 里】3b 吲c m 忡io f 拍l 剃u c e r 交流电动机变频变压控制是基于稳态电动机模型的控制萧略，通过调整输入电压基 波的幅值和频率掩制感成电动机稳态转速。电动机按其自身豹自然特性变速运行，一般 调速舱进程比较慢。这种控制方法虽然简单，但是戮为完全不考虑暂态过程，无法精确 控制转矩和磁通，存在转矩脉动、高次谐波和无功功率增大等问题，系统的稳定性、起 动及低速时的转矩动态晌应与用瞬时值控制的直流调速相比就略逊一筹。 2 矢量控制( v c ) 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，如果以产生同 样的旋转磁动势为准则，在三相嫩标系下的定予交流电流i 。、i 。、i 懑过三相静止到龋相 旋转( 3 s 2 r ) 变换，可以等效成同步旋转肇标系下的壹流电流，也就是可醛等效为一 台直流电动机进行控制。既然感应电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么， 模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能 够控制异步电动机了。这就是矢最控刮的最初构想。出于进行坐标变换的是电流豹空间 矢量，这样i 豳过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统。 7 0 年代提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制，在国际 上一般被称为磁场定向控制( f i e l d 船i e n t a t i o nc o n t r o 】) ，亦酃把磁场矢量的方向作 为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。 矢量控制应用坐标变换将三相静止系统等效为两相静止系统，再经过按转子磁场定 向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量和转矩分量之间的解鞴( 曹建荣，2 0 0 0 ) ， 从撕实现对交流电动机的磁链和转矩分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动 机等效为直流电动机来控制，因而获得与亩流调速系统同样忧怠的静、动态性能，开刨 沈陌农业大学硕士学位论文 了交流调速与直流调速桶竞争的时代。 随着现代控肯i 理论的发展，交流电动桃的控制技术也获得了长足的发展，非线性解 耦控制、人工神经网络自适廊控制、模糊控制等新的控制方式也在不断地出现，展现出 广阔的发麓前景( 陶永华，2 0 0 2 ) 。 转子磁场定向矢量控制的优点：a ) 实现了转矩秘磁通的解耦控制，使得冀动态性能 近似于直流电动机的调速性能：b ) 在较宽的调速领域巾能保持磁通的恒定：c ) 即使有大 转矩的暂态过程，电流也不会过大。 转子磁场定向矢量控制的缺点：a ) 转子磁逶估计对转予时间第数敏感，而且参数还 是温度、频率等因素的函数，因此要做出精确地估计是很困难的b ) 调节器的优化调节 将很费时费力，其优良的性能决定于对电动机模型参数的精确了解。 对于高性能豹矢量控制系统，速度闭环是必不司少的，转速闭环需要实聪的电动棍 转速，交流感应电动机矢量控制系统中，一般用安装在电动机轴上的传感器如旋转变压 器、磁码编辑器或光电编码器等柬测量转子速度。传感器地安装使电动机的体积增大、 成本增加，而且带来了机械安装精度和机械强度等问题，降低了系统的可靠性，同时失 去了变流感应电动机结构简单、坚固耐用的优点。增加了系统的成本及体积尺寸，破坏 了系统的稳同性，降低了系统的机械鲁棒性( 刘叔军与盖烧华，2 0 0 5 ) 等。因此，研究无 速度传感嚣的变频器具有实际意义。走速度传感器的矢量控制技术是在常规带速度传感 器的矢量控制基础上发展起来的，除电动机转速信息的获取途径、方法不同之外，仍沿 用磁场定向技术控制技术。因此，无速度传感器矢爨控制技术的核心是如何准确的获取 电动橇的转速信息。近年来，转速估计的方法不下1 0 种，然而受转速估计精度和动态 性能的影响，目前寅用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能，其调速范嘲 不过l ：1 0 左右，在所有的异步电动机矢量控制策略中，磁链的观测及其准确控制尤为 重要。常规的磁链观测器有电压模型和电流模型观测器。无速度传感器控桐系统率的观 测器一般可以实现转速和磁链的同时估计。无速度传感器的电动机转速辨识方法成为近 年来交流传动的热点问题( c s c h a u d e r ，1 9 9 2 ；f z p e n ga n dt f u k a o ，1 9 9 4 s t a m a i e t8 l ，1 9 8 5 ：下o h t a n ie ta l ，1 9 9 2 ：f h o f f i l i a n na n ds 。s a n d e r s ，1 9 9 6 ) 。 3 直接转矩控制( d t c ) 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出了一种新的电动机控制理论直接 转矩控制理论囝i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 简称计c ) 。直接转矩控制与矢量控钢不两，它不 绪论 ，一 是通过控制电流和磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，是一 种基于电机定子变量的直接控制的非线性控制方式，出现于8 0 年代中期，井被看作与f o c 并列的控制策略。直接转矩控制技术，用空问矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计 算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助下离散的两点式调节( 砰一砰控制) 产生p 1 v m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，瞬时控制电动力矩和定子磁通 幅值。 d t c 系统在p w m 逆变器中直接利用这两个控制信号产生电压的s v p w m 波形，从而避开 了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结 构。转矩和磁链的控制采用双位砰一砰控制器，转矩控制的优越性在于转矩控制是控制 定子磁链，在本质上并不需要转速信息：控制上对除定子电阻外的所有电动机参数变化 鲁棒件良好：所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息( 李夙，2 0 0 1 ) 。 4 矢量控制和直接转矩控制的比较 矢量控制和直接转矩控制都是高性能的交流调速控制技术。两者都采用转矩( 转速) 和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却 各有千秋。v c 强调t e 与v r 的解耦，有利于分别设计转速和磁链调节器；实行连续控制， 可获得较宽的调速范围；但r 定向受电动机转予参数变化的影响，降低了系统的鲁棒 性。d t c 则实行了t e 和v s 砰砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定 子磁链而不是转子磁链，不受转子参数影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速陛能较 筹，调速范围受到限制。表1 1 列出了两种系统的特点与性能比较。 表11 矢量控制与直接转矩控制特点与性能的比较 t a h l e ll c o m p a 兀如na b 0 山i e c h 锄k 蛔 酣i c s 跖dp e 曲m 如o f v c 帅d d t 沈阳农业大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一 褒12 蒋号注释 t 铀埘2e 坤l 蹦撕薛掣n 由叭 符号 注释 鲥瑚砒舶 “o h 记i ck hk 妒 坩 归妒妒 r rr s l a dl 8 ak cl k bl l 岱上盯上。上曲三削 孔 了 m 讹en i p 孙qh r p 洳御即即 i s n # m1 日 “n qu d 强w 归怕脚伽 i s d 涵沁抽 三用 上，上， 棚l 酏 再：生 胄， 口：l 一旦 厶厶 目 定子和转子的相电压瞬时值 定了和转了舶相电流瞬时值 再相绕组磁链 定子和转于电阻 定于驿转予翦各稳笤感 定于和转子各捆绕组问的互感 负载转矩 转动惯蓍 极对数 定转子绕蛆在ob 坐标系下等效电压 定转了在q8 坐稀系下等效磁链 定转子在。 坐标系下等技奄瘴 定转子绕维在d q 姒标系下等效电压 定转子在d q 坐括系下等效磁链 定转子在曲坐标系下等效电流 定转于每相绕组的等效互感 定转早每相绕组的等效自感 同步角速度 转予角遵麈 转速箍 转于电磁时间常数 电机满磁系数 转子磁场位置 9 绪论 1 4 论文研究的内容 本文以三租笼囊异步电动机为控制对象，对弥宽调制技术和异步电动机矢量控制系 统进行了深入细致的研究，利用m a t l a b 语言s i 姗l 1 n k 作为仿真工具，根据系统各环节 的运行原理建立了仿真模型。包括脉宽调制、电动机、逆变器、矢量变换模块、磁链观 测器、控制器、速度辨识器及其仿真模型。在研究了电动机在各种坐标系上仿真模型的 基础t ，通过比较在不同调速控制技术和不同脉宽调制技术下的仿真结果，得出较为密 效的转子磁场定向矢量控制技术。同时，由p i 自适应速度辨识的原理构建了转子速度 辨谖的仿真模型，实现了无速度传感器的磁场定向矢量控制，并取得了趣好的结果。 仿真实验选用的三相异步笼型电动机参数具体如下：电压一2 2 0 v ，频率一6 0 h z ，功率 一2 2 3 8 w ，转动惯量一0 0 8 9k g m ，极对数一2 ，定子电阻0 4 3 5 q ，转子电阻一0 8 1 6 q ， 互感6 9 3 l m h ，定予漏惑一2 m h ，转子漏感一2 m h ，转速一1 5 0 0 r p m 。在本文中用到的一些符 号的注释见表l 。2 。 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章脉宽调制控制技术的研究 2 1 脉宽调制原理 在一般豹交嶷一交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获播变频调速所要求 的电压和频率的协调控制，整流器必需是可控的。调适时必须同时控制整流器和逆变器， 这样就使控制电路变的复杂，而且电网侧功率因素降低。嘲此，内第一代电力电子器件 所组成的变频装置不9 2 令人满意的适斑近代交流调速系统对变频电源豹簧求。陡藿新型 电力电子器件的出现以及微电子技术的发展，出现了脉宽调制变频的方法。这种方法是 把通讯系统中的调制技术推广应用于交流变频调速用这种技术构成的p 删变频器基本 上鼹决了电骶中的谐波分量对电动机工作状态髂影响，为近代交流调速系统开辟了新的 发展领域。 p w m 变频器仍然是一个交一盥一交变频装管，只是整流器是不可控的，它的输出电 压经瞧容滤波后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器上。控皋i 逆变器中的功率开关器 件的母通或断开，其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定丌关器 牛动 作顺序和时间分配规律的控制方法即称为脉宽调制方法( p w m ) 。逸样，通过改变矩形脉 冲的宽度可默控南i 逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控肯4 其输出 频率，从而在逆变器上可同时进行输出电压幅值与频率的控测，满足变频调速对电压与 频率协调控制的要求。使用脉宽调制技术，可以使负载电动机在近似正弦波的交变电压 f 运符，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系统的性能。 脉宽调制变频器解决了换流能力和输出电压可调之闻的矛盾。由于调压、换流是在 逆变器中完成，避免了大惯性的直流滤波环节对调压响应的影响。又因为直流电源剧了 不可控的整流电路，相当于可控整流电路的控制角a = o 。因而使装置对电网的功率囚数 大为提高。 把脉宽调制技术应用到交流调速系统会受到一定条件的制约，主要有如下两点：1 开关频率逆变器各功率扦关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数( 即逆 变器簿个开关器件每秒动作次数) 。不同的电力电子器件有不同的开关频率。2 。调制度， 为了保证主电路开荚器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与照小问隙 的限制，以保证脉冲宽度大予开关器件的导通时间t 。与关断时间t 。，这就要求参考信号的 幅值不能超过三角载波峰僮的菜一侮分数( 称为临界香分数) 。一般定义调制废 脉宽调制控制技术的研究 ( m o d u l a t i o n i n d e x ) 为： ，= 矿矸( 2 一1 ) 在理想情况rm 可在0 一l 之间变化，以调节输出电压的幅值，实际上m 总是小于l 的。当调制度超过最小脉宽的限制时，可以改为按固定的最小脉宽工作，而不再遵守正 常的脉宽调制规律。但这样会使逆变器输出电压的幅值不冉是调制电压幅值的线性函 数，而是偏低，并引起输出电压谐波的增大。 2 2 正弦脉宽调制( s p 删) 控制技术 正弦脉宽调制是为了克服等脉宽p w m 法的缺点而发展来的。它从电动机供电电源的 角度出发，着限于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。 正弦脉宽调制是以币弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期颦波高的多的三 角披作为载波并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时， 由它们的交点确定逆变器开关的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边 窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 其特点是，在半个周期中等距、等幅( 等高) 、不等宽，总是中间的脉冲宽，两边 的脉冲窄，各脉冲面积与该区间在正弦波下的面积成比例。这样，输出电压中低次的谐 波分量显然可以大大减少。 23 电流滞环跟踪p w m ( c h b p l | y m ) 控制技术 应用p w m 摔制技术的变压变频器一般是电压源型的，它可以按需要方便地控制器输 出电压，但对于交流电动机，需要保证的应该是萨弦波电流。这样输入的为平衡的正弦 附士 圈21c h b p 嘲的 相原理图 f i g2 ，11 1 l e c h b p 、v mc h 叭o f a 轩 沈阳农业大学硕士学位论文 电流，不含脉动分量。若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然可获得更好 的控制性能。 常用的电流闭环控制方法是电流滞环跟踪脉宽调制技术，其原理如图2 1 ( 陈伯时， 2 0 0 3 ) ，其中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2 h 。将给定的电流与输出电流进行 比较，电流偏差超过h 时，滞环控制器作用。 2 4 电压空间矢量脉宽调制( s v p 哪) 技术 经典的s p 州控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输 出窀流的波形。弼电流滞环l & 踪p 刚技术则誊接控翩输出电流，使之在正弦附近变仡， 这就e b 只要求正弦电压前进了步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的骚终匿的 是在电动机空间形成圆形磁场，从而产生恒定的电磁转矩。而s v p m 技术把电动机和逆 变器视为一体，按照蹑踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作。磁链的轨迹是交替使用不 同的电压空间矢量得到的( h w v a n d e rb r o e c k ，h c 。s k u d e l ya n dg v s t r a h k e ， 1 9 9 8 ) 。 当电动自l 由三相平衡电压供电时，珂以证明三个定子电压空间矢量u 。u 。，u 。相加 的合成矢量u 。是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，丽其旋转速发与电动机的同步转 速相同( 曾毅等，2 0 0 2 ) 。 所以三相电压可阻由一个以同步转速旋转的空问电压矢量u ：来表示，而 = “a + 如 ( 2 2 ) 电压与磁链空蚵矢量的关系 = 胍+ 辈( 2 3 ) 甜 当电动机转速不是很低时，可以忽略定子电压降，则寇子合成电压与合成磁链空间 矢量豹近 羰关系为； “，w 辈( 2 4 ) 掰 当磁链矢量旋转一周时，电压矢量也连续的按磁场圆的切线方向运动2 弧度，其轨 迹与磁链圆熏合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以转化为电压空问矢量的运动 轨迹问题。 如图2 2 ，引入a 、b 、c 桥臂的开关变量为s a 、s b 、s c ，定义s a = v v 。s b = v 。i v 。 s cv c 。v ”剡每个桥臂输出的端电压和电动机的线电雎可用各桥臂的开关变量和直流电 脉宽调制控制技术的研究 推的乘积来表示，_ 日j ( s 8 、s b 、s c ) 表示三相逆变器的开关状态，当上桥臂闭合时， 开关状恋为l ，当下桥臂闭合时，则为0 。期于s a 、s b 、s c 备有两种状态：o 或l ，因 此有8 种工作状态，按照a b c 相序依次排列可表示为1 0 0 ，1 1 0 ，0 1 0 ，o l l ，0 0 l ，1 叭 以及1 1 l 和0 0 0 ，前6 种工作状态是有电压输出，后2 种无电压输出，每种状态所对成 得线电压和相电压如袭2 1 。 田22 逆变器主电路原理围 f i 9 2 2 m d nc j r c i l i t o f i n v e n 竹 裹21 开燕状态菔输出电压 7 l l l0o 00 0o 对于六拍梯波的逆变器，在一个周期中6 个电压空间矢簧共转过2 “弧度，形成一 个封闭的正六边形，此时磁通的轨迹如图，磁通轨迹并不是圆形。为u ，讨论方便把正 六边形电压空间矢量改成放射的形式，分为6 个扇区，每个崩区占6 0 。( 如图2 3 ) 。 沈阳农业火学碗士学位沧文 矿 ( 0 1 1 ) 矿：( 0 1 0 ) f 卢 矿。( 1 1o ) n ( 0 0 1 )矿5 ( 1 0 1 ) y _ ( 1 0 0 ) 围23 电压窟阀矢量疑扁区分布圈 f 逗23 v o 证瞽即缸e _ e c i 啦舯d 赫赫证i o n 改变开关变量s a 、s b 、s c ，可以获得6 个特定矢量( 位簧特定，分别在o = 0 。， 6 0 “，1 2 胪且大小由直流电压k 确定而不能调控) 及两个零矢量，但无法直接获得任意 相位结。噩绝对值珂控的矢量) 。 如果要求逆变器输出的各胡电压瞬剿僮所对应的空闻矢量v ( p 知p ”) 在第一痢 区：o ( e ( 6 0 。，那么可通过第一扇区的边界矢量n 私矿6 以及零矢量台戒( 王妍等，2 0 ) 。 定义p 删电堆波形中的一个脉冲波所占的时间为t 口。，而t ，远小于t 6 ，所以t 。 为个很小的开关周期，在t 。中令矿。存在的时闻为t 。，瓦的存在时间为t 。零矢显 玩( 矾和矿，) 存在的时间为t ，矿。和矿，各占t ：2 ，升关周期t 。= t 。+ t 。+ t ：，通过这4 个 矢量的共圆作j = | j 形成所要的矢量v ，即 “4 + 矿6 f 6 + 矿：如= f 7 ；帅= 矿( 如+ f 4 + ) ( 2 5 ) 瓦。兰眦( 2 6 ) 3 - 6 ：三瞰* ( 2 7 ) 脉宽调制控制技术的研究 l ：i 堕s i n 口 2 j 。p k 墨：拈等6 0 “一卿 五。、 。 = 【l 瓠馋c 蜓3 0 。一卿1 面翥南 胁一帆一渤溉 f 2 8 ) ( 2