（通信与信息系统专业论文）异步电动机开环直接转矩控制的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 电机控制技术随着电力电子技术和微处理器控制技术的发展突飞猛进，大 致经历了调压调频控制、矢量控制和直接转矩控制三个阶段。直接转矩控制以 新颖的思想、简单的结构、直接的控制手段和优良的动静态特性而得到了广泛 的使用。无速度传感器的直接转矩控制更因其不用安装速度传感器，受外界环 境影响相对较小，以及能够提高系统的可靠性等诸多优点而成为变频调速领域 的研究热点。 本文首先介绍了直接转矩控制技术的研究背景和国内外研究现状，综述了 直接转矩控制技术中涉及到的主要问题，以及无速度传感器技术。在研究对比 几种方法后，选择了自适应磁链观测器的方法对速度进行辨识。同时将传统直 接转矩控制中开关表的方案改成基于空间矢量调制技术的方法来控制逆变器的 开关状态，以改善低速效果差的问题。 论文提出了一种异步电动机的简化稳态等效电路( r 模型) ，依据该等效电 路，并结合电机上的铭牌参数可以推导出后面观测器方程中需要用到的转子电 阻、定子电感和转子电感的值。研究了李雅普诺夫稳定性理论，并结合自适应 磁通观测器的方法，推导出了速度和定子电阻的自适应率，对速度和定子电阻 进行实时的辨识。根据所推导的速度自适应率，在m a t l a b 的仿真平台上对无 速度传感器直接转矩控制系统进行搭建仿真，并对主要模块进行了原理说明。 通过给定不同的条件对模型进行了加减速、正反转和加负载的仿真实验，仿真 结果表明，除了由空载到加载的时刻会出现较大的波动外，其它时刻通过自适 应磁通观测器所估算的速度能够很好的跟随电机的实际速度，而且电流、转矩 和定子磁链的脉动很小，说明了该速度辨识方法的可行性。 论文最后给出了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的直接转矩控制系统的硬件和软件 设计。将速度辨识模块转化为c 语言代码加到整个软件框架当中，编译整个软 件系统并在硬件平台上进行验证。实验结果证明了该方法的有效性。 关键字：异步电动机，i 模型，直接转矩控制，自适应磁链观测器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e t e c h n o l o g y i n p o w e re l e c t r o n i c sa n d m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo ft h em o t o rc o n t r o lh a sa c h i e v e d g r e a td e v e l o p m e n t i tg e n e r a l l ye x p e r i e n c e dt h ev v v fc o n t r 0 1 v e c t o rc o n t r o la n d d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo ft h r e es t a g e s b e c a u s eo ft h en e w i d e a s ，s i m p l es t r u c t u r e ，d i r e c t c o n t r o la n de x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a sb e e n w i d e l yu s e d s p e e d - s e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ed o e s n th a v et oi n s t a l lt h es p e e ds e n s o r a n dh a sr e l a t i v es m a l li n f l u e n c eb yt h ee x t e m a le n v i r o n m e n ta n dc a ni m p r o v et h e s y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds oo n a l lt h e s er e a s o n sm a k ei tt oar e s e a r c hh o t s p o t t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g y , a sw e l la st h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lo ft h em a i n t e c h n i c a li s s u e si n v o l v e da n dt h et e c h n o l o g yo fs p e e ds e n s o r l e s s t e c h n o l o g y s t u d y i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm e t h o d s ，ic h o o s e 吐i ea d a p t i v e f l u xo b s e r v e rf o rs p e e di d e n t i f i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ep o o r p h e n o m e n o no fl o w s p e e d ，1w i l lu s et h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o di n s t e a do f t h es w i t c h i n gt a b l e t h ep a p e rp r o p o s e sas i m p l i f i e ds t e a d y s t a t ei n d u c t i o nm o t o re q u i v a l e n tc i r c u i t ( rm o d e l ) t h r o u g ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dm o t o rp a r a m e t e r s ，ic a nd e r i v et h e r o t o rr e s i s t a n c e ，s t a t o ri n d u c t a n c ea n dr o t o ri n d u c t a n c ev a l u ew h i c hw i l lb eu s e di n t h ea d a p t i v ef l u xo b s e r v e r a n dt h e ns t u d i e dt h el y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y , c o m b i n e d i tw i t ht h em e t h o do fa d a p t i v ef l u xo b s e r v e r , d e r i v e da d a p t i v es p e e da n ds t a t o r r e s i s t a n c er a t e i tc a nr e a l t i m ei d e n t i f ys p e e da n ds t a t o rr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h e d e r i v a t i o no ft h es p e e da d a p t i v er a t e s ，i nm a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r m ，1w i l lb u i l d s i m u l a t i o nf o rt h es p e e ds e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o l s y s t e ma n de x p l a i nt h e p r i n c i p l eo fm a i nm o d u l e s g i v e nd i f f e r e n tc o n d i t i o n st h r o u g ht h em o d e l ，w ec a n o b s e r v et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，p o s i t i v ea n d i n v e r s i o na n di m p r o v e dl o a d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ，a p a r tf r o mt h e w i t h o u t - l o a dt ot h el o a dm o m e n tw i l lb eag r e a t e rf l u c t u a t i o n ，o t h e rt i m e st h r o u g ht h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 a d a p t i v ef l u xo b s e r v e ro ft h ee s t i m a t e ds p e e dc a nb ew e l lt of o l l o wt h em o t o rs p e e d t h ef l u c t u a t i o n so ft h ec u r r e n ta ds t a t o rf l u xa r ev e r ys m a l l i ti l l u s t r a t e st h es p e e d i d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sf e a s i b l e f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 812c h i ph a v eb e e ni n t r o d u c e d t 1 es p e e di d e n t i f i c a t i o nc o m p i l e d 、i t hc l a n g u a g eh a sb e e na d d e dt o t h ee n t i r es o f t w a r e a n dt h e nt h em e t h o dh a sb e e n v e r i f i e dw i t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt i l i sm e t h o di s f e a s i b l e k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r , fm o d e l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， a d a p t i v ef l u xo b s e r v e r 1 1 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。 学位论文使用授权书 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：罗香一 导师(蛔期抄p 厂t - 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 开环直接转矩控制研究的背景和意义 异步电动机变频调速一般采取的是v f 控制，它是控制变频器的输出电压频 率和输出电压的有效值的比始终保持定值，从而使电机的磁通基本保持恒定。 v f 控制结构比较简单并且能够实现开环控制，但是它不是直接对转矩和磁链进 行控制的，因此容易致使异步电动机调速系统的转速精度低、转矩响应差，特 别是在低速时性能就更差了。所以采用v f 控制的变频器只能用在调速范围要求 不是很高的场合例如风机、水泵等。 为了解决开环v f 控制低精度、差性能的问题，有人提出了电流跟踪控制 和磁链跟踪控制方法，系统的控制精度和性都得到了提高，尤其是磁链跟踪控 制，利用电压空间矢量生成三相p w m 波，对电动机的旋转磁场进行控制，使其 近似圆形，从而使电动机的转矩保持定值，使v f 控制效果达到了最佳。 2 0 世纪7 0 年代，矢量控制技术逐步开始应用于异步电动机调速系统。异步 电动机矢量控制是在直流电动机控制的基础上发展起来的，采用矢量变换将定 子电流分解成转矩电流分量和励磁电流分量并且这两个电流分量在物理上是不 直接存在的，然后再分别对这两个分量进行控制，经过反变换，进而达到异步 电动机矢量控制的目的。它的出现使得异步电动机调速系统在动、静态性能上 完全与直流调速系统不相上下。但是在实际应用中，存在转子磁链不容易准确 观测，系统比较依赖电动机参数，以及在模拟直流电动机控制过程中采用的矢 量旋转变换比较麻烦等诸多原因，导致异步电动机矢量控制达到理论分析的效 果是很难的。 第一次提出了直接转矩控制( d t c ) 方法的人是德国鲁尔大学的德彭布罗克 教授，他通过实时检测得到磁链和转矩的值，再将其分别与磁链和转矩的给定 值进行比较，由磁链和转矩调节器输出所需要的电压矢量，进而直接控制电机 的输出转矩。d t c 在实现的过程中依赖电机数学模型和电机参数的自动辨识， 通过自动辨识确立电机实际的定子阻抗、互感、磁饱和因素、转动惯量等重要 参数，然后通过检测电机定子电压和电流，根据瞬时空间矢量理论，并与电机 武汉理工大学硕士学位论文 模型估算出的实际转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制。由于矢量控制中 的解耦思想并没有用在直接转矩控制当中，并将矢量控制中转子磁场定向改为 定子磁场定向，就减弱了其对电机参数的依赖，因为定子磁场定向只与定子电 阻的值相关，与其它参数没有直接关系。综上所述，直接转矩控制新颖的思想， 简单的结构，直接的控制手段和优良的动静态特性，使其成为异步电动机变频 调速技术发展的重要方向，对异步电动机调速系统的广泛应用和性能的提高起 到了巨大的促进作用i l j 。 现在异步电动机变频调速系统很多都是采用速度闭环控制来提高系统的控 制性能，一旦采用速度的闭环控制，就要检测电机的转速，而电机速度大多是 采用光电脉冲编码器来进行检测的。采用速度传感器后，就会产生与速度传感 器有关的一系列问题。例如速度传感器安装的时候存在同心度问题、高精度速 度传感器的价格比较贵，无形当中增加了控制系统的成本和速度传感器如光电 脉冲编码器受周围环境的影响比较大。因此对交流调速系统中无速度传感器技 术进行研究，在提高系统的可行性、环境的适应性、进一步扩大交流调速系统 方面具有很大的意义。 1 2 开环直接转矩控制国内外研究现状 在美国、德国和日本等工业发达国家，异步电动机变频调速领域已经发展 了很长一段时间，并且利用矢量控制技术生产的变频器己经形成了成熟的产品， 美国a b b 公司则早在1 5 年前就研究出了利用直接转矩控制的变频器。而我国对 异步电动机变频技术的研究比较较晚，到9 0 年代才开始出现产品，而采用的控 制技术也仅仅是控制，在调速性能方面和国外产品相比也是有差距的。只有 提高研究起点才能在技术上缩小与先进国家之间的差距。现在直接转矩控制技 术的研究符合变频调速技术发展的趋势。现在研究直接转矩控制系统所需的各 种硬件设备条件已经具备，如功率器件i g b t 已出现4 0 k 的开关频率，并出现了 功率集成电路、混合功率模块等功率器件；单指令周期只有1 0 n s 的高速数字信号 处理器( d s p ) 的出现和差不多能完成一个系统功能的专用集成电路。基于以上的 硬件优势，对我们研究直接转矩控制技术起到了很大的促进作用。 d t c 控制系统转矩响应迅速且具有很高的转矩和速度控制精度，对除定子 电阻外的电机参数变化影响较小，因此被认为是一种具有高静动态性能的感应 电动机控制方式。d t c 技术一经问世，就得到了普遍关注并迅速发展起来。如 2 武汉理工大学硕士学位论文 今，d t c 在控制理论方面已推广到弱磁范围内的直接转矩控制和低速范围内的 间接转矩控制，在实用技术方面a b b 公司已经成功的应用于中大型拖动系统中， 而国内还没有实际的应用。 虽然直接转矩控制技术现在已经普遍的应用在了实际生活当中，但是在某 些局部仍然存在着问题【2 圳，例如定子磁通观测器的精确性是影响电机低速性能 的关键因素，许多文献也对其进行了深入的研究。因为现在普遍采用u i 模型的 磁通观测器来进行磁链的估算，积分初值和直流漂移的问题会严重影响磁链的 精度；死区效应的存在也会使电压和电流发生畸变，致使系统的整体性能变差； 无速度传感器直接转矩控制中转速的估算方法的选取；自适应速度观测器的构 造等都是国内外的学者需要进行深入分析的。 从以上分析可以看出，直接转矩控制技术发展到现在已经几十年了，但其 控制系统的各环节都还有待提高，特别是各种控制方法，如果能够对局部问题 逐一进行解决，那么系统整体的性能也会在不同程度上得到改善。在分析系统 的整体性能的基础上，研究逆变器功率器件开关过程，研究空间电压矢量的选 择及其实现方法，先局部后整体逐步使系统的整体控制效果达到令人满意的地 步，这些问题都将是以后研究的重要方向。 1 3 本文的主要研究内容 本文认真分析了国内外直接转矩控制系统研究现状，阐述了直接转矩控制 研究中目前急切需要解决的几个关键问题，针对其中无速度传感器控制策略和 速度的辨识进行了深入研究，主要研究内容如下： 第一章介绍了直接转矩控制的研究背景和意义以及直接转矩控制在国内外 的研究状况，并简单介绍了本文内容的大致安排。 第二章研究了异步电机在筇坐标系中的数学模型，然后分析直接转矩控制 涉中及到的电压空间矢量、磁链控制、转矩控制的原理并对比分析了无速度传 感器技术中速度估算的三种方法，经过对比分析最后决定采用自适应磁链观测 器的方法对速度进行辨识。 第三章提出了异步电机的r 模型等效电路图，利用异步电动机的铭牌参数计 算出速度辨识所需要的一些重要参数。然后在该模型的基础上结合李雅普诺夫 稳定性原理，根据转子磁通观测器和自适应控制的算法，在线实时辨识异步电 动机的转子转速和定子电阻，弥补了离线辨识的不足。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章主要是搭建系统的整体仿真模型，然后对其中的主要模块进行说明， 并用m a t l a b 进行了仿真验证，给出了仿真结果，结果表明该方法确实能很好的估 算出转子速度，并且系统能稳定运行。 第五章对硬件控制系统中主要的电路如电路电源、电压电流采样、时钟复 位电路和j t a g 电路进行了设计分析，并给出了软件设计部分的主程序和两个中 断子程序的流程图。 第六章是对本文工作进行的总结和直接转矩控制的研究方向进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章开环直接转矩控制的相关理论与技术 2 1 异步电机的数学模型 由于异步电机的数学模型【6 】是后面进行电机参数辨识和控制策略改进的理 论基础，后面讨论的问题都与构建的电机模型有很大的联系，所以构建一个好 的电机模型对后面的推导分析能起到事半功倍的作用。电机是集电、机、磁一 体，具有高阶、非线性、多变量、强耦合的控制系统。通常在构建数学模型之 前都不考虑磁饱和、谐波以及铁损，并且不考虑温度变化给电机参数带来的影 响。 在三相静止坐标系中，异步电动机数学模型中的参数比较复杂而且电机的 控制量对呈三角函数变化的电压和电流不能直接进行控制，般是将电压和电 流经过坐标变化后再进行控制的。在每相绕组匝数相同的前提下，将三相定子 绕组用两相绕组进行等效，那么三相坐标系中的厶、站、如就等效成了筇坐标 系中如和i p 。异步电机在筇静止坐标系中的数学模型如下： ( 1 ) 电压方程 z b 口 u s 8 0 o 尼+ p l , 0 p l m 一缈三。 o 见+ p l , 国三。 p l m p l 椭 o r r + p l r 一国三。 o p l m 缈三m r ，+ p l ， l s a l s 8 t r o t f ，口 ( 2 - 1 ) 其中：厶是定子电感，三。是定转子间的互感，厶是转子电感，国是电机的 角速度，尼和尼是定子电阻和转子电阻，u s 口、址，、i s 口、咖、f ，口和咖则是筇 坐标系下定子电压、定子电流和转子电流分量。 ( 2 ) 磁链方程 y 孵 中s 8 t 矿，8 巾r 9 厶0 0厶 三。0 o三。 三，o 0三。 lo o厶 z 5 瑾 t s p i r a t r p 其中：s 口、y s 卢、y ，口和r 分别是筇坐标系下定子磁链和转子磁链 分量。 ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 转矩方程 气 兀= 三哆正m ( 玉，f ，a 一厶口厶声) 其中：兀足电机转矩，坳是电机的极对数。 ( 4 ) 运动方程 丝：丝f 兀一死) d t3 、 。 其中：死是负载转矩，是电机转动惯量。 2 2 直接转矩控制系统 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 传统的直接转矩控制1 7 - 9 1 方法是采用离散的两点式调节器( b a n g - b a n g ) 对转 矩、磁链的给定值和检测值进行比较，将转矩和磁链的波动维持在一定的容差 范围内，容差的大小则取决于采样频率调节器，以此产生p w m 信号来控制逆变 器的开关状态。d t c 控制系统具有快速的转矩响应和很高的转矩和速度控制精 度，因此被认为是一种具有高静动态性能的感应电动机控制方式。直接转矩控 制中涉及到的主要技术包括：电压空间矢量、磁链控制、转矩控制。 2 2 1 电压空间矢量 由于在直接转矩控制系统中要用电压空间矢量对磁链和转矩进行控制，因 此，在直接转矩控制系统中选用了电压型逆变器，其结构示意图如图2 1 所示。 n 图2 1 电压型逆变器示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 在直接转矩控制中采用特定的开关状态来获取所需要的电压空间矢量，所 以为了很好的了解电压空间矢量，必须首先从逆变器的开关状态【1 0 】来进行分析。 从图2 1 中可以看出其是由六个开关( 、& 、和、& 、& ) 组成。 由于同臂上的两开关不能同时开通或关断，只能一个开通一个断开，所以 三组开关共有8 种可能的开关组合。这里规定某一相与“+ 极相通，则此相的 开关状态设为1 ，反之则设为0 。表2 - 1 给出了逆变器的八种开关状态与各相相电 压以及空间矢量之间的关系。 表2 18 种逆变器开关状态下的相电压矢量值 状 s bs cu 州u s uu c nu 口u s 8 态 u ooo 0 o o 0o0 u l1 o0 2 叻3一叻3划di32 孤3 0 u 2 o10一犰32 叻3一矾3一叻3 u d 压 u 31l o 觇3叻3之矾3u df 3 u d 压 u 4 oo1 一叻3司d | 32 叻3一叻3 划t | 矗 u s lol 犰3 2 沈3u df 3u d 3 越d | 矗 u 60l l - 2 砺3犰3叻32 犰3 o u 7 lll0o000 表2 1 表示的是逆变器的8 种开关状态，其中电压状态u - u s 对应的是工作 图2 2 空间电压矢量在静止坐标系的分布 武汉理工大学硕士学位论文 电压状态，电压状态u o 和u 7 则表示零电压状态。逆变器的6 个工作电压空间矢 量和2 个零电压矢量的坐标关系如图2 - 2 所示。 空间电压矢量是依据幅值和相角表示的，在空间上的三个物理量是相互独 立存在并随时间变化而其和为零。因为异步电机三相相电压之和为零，所以空 间电压矢量可以依据逆变器的输出电压进行表示，也即： 游要( + 了+ 了)( 2 5 ) 其中、洳分别表示感应电机三相定子相电压，而6 个工作电压 矢量的幅值均相等且为2 u a 3 ( u a 为直流母线电压) 相差6 0 。，式( 2 5 ) 又可写成如 下表达。 c ，= 科“等恤粤 陆6 ， 2 2 2 磁链控制 直接转矩控制所采用的方法是定子磁场定向【1 1 彤1 进行控制的，因此定子磁 链的观测和控制是非常重要的。定子磁链妒( f ) 与电压空间矢量u ( ，) 的关系： ，( ，) = l ( u 4 t ) 一l q ) 尼) d t( 2 7 ) 图2 3定子磁链运动轨迹 武汉理工大学硕士学位论文 忽略掉定子电阻的影响，式( 2 7 ) 可以写成如下表示。 缈s ( f ) jv ，( t ) d t( 2 8 ) 式( 2 8 ) 可知，定子磁链弘( f ) 是对电压空间矢量酞( f ) 进行积分得到的，当电 压矢量按照规定的顺序施加时，磁链矢量沿着相应的定子电压空间矢量的方向 运动。 假设定子磁链妒( f ) 在图2 3 所示的位置，当施加的空间电压矢量为u 2 ( 0 1 0 ) 时，那么定子磁链的顶点将沿着s t 的轨迹向u 2 ( 0 1 0 ) 的方向运动。当运动到s 与 s z 的交点时，如果改变电压矢量为u s ( 0 11 ) ，那么定子磁链则会按照与u s ( 0 11 ) 相平行的方向沿着s z 运动，依次施加电压矢量u 、u s 、u - ，就可以得到六边 形的定子磁链轨迹。将式( 2 8 ) 表示成离散化的微分方程有： 雌k ) = 4 ，1 t , ! k - 1 ) + u s ( k - d 兀( 2 - 9 ) ( k ) - - - u , ( k - 1 ) t ,【s 式( 2 9 ) 中：死为采样周期，当兀足够小时，六边形的磁链轨迹就近似为圆。 定子磁链采用直接测量的方法是不切实际的，现在主要是采用基于定子电 压和电流的磁链观测模型( u 一，) 的方法来获得所需要的磁链值。 根据式( 2 6 ) 于是可以推导出定子磁链在筇坐标系下的方程为： m ( f ) 2f ( u 口( r ) 一k ( f ) 尼) 粤( 2 1 0 ) 抄s p ( t ) = l ( w p ( t ) 一厶p ( f ) 见) 出 、7 该模型的优点是涉及的电机参数仅仅只有电子电阻的值并且结构简单，u i 模型在3 0 额定转速以上时定子电阻与电流的乘积项可以不用考虑，能够比较准 确的反映出定子磁链的值。在低速时，定子电阻的值就不能忽略，定子电阻的 变化会对定子磁链值的估算产生影响，并且该模型含有积分表达式，容易产生 估算值的误差积累，影响后面的控制。 2 2 3 转矩控制 在直接转矩控制中，转矩控制【1 4 】【1 5 】是直接转矩控制方法的重要任务。转矩 的给定是p i 调节器对转速给定与转速反馈之差进行调节得到的。根据 兀一t l ：，掣，可知负载情况是决定转速反馈的因素，因此转矩给定间接由所 d t 施加的负载决定的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩公式为： 兀= 1 5 坳( y s0y ，) = 1 5 坳( y s a i s p 一少s 口如)( 2 - 1 1 ) 在每个采样周期内都进行转矩给定兀+ 与转矩反馈兀二者之间的比较，如果 兀 乃，应该施加 滞后电压矢量或零状态工作电压矢量减小转矩输出。 而电磁转矩也可以用定子磁链与转子磁链来进行表示。 ， 乃= 叫川s i n 0 i ( 2 一1 2 ) ， ri i i 、 - rr 2 式中：l ，：l s l r - - 1 - m ，0 为定、转子磁链的夹角。 埘 由式( 2 1 2 ) 知与电磁转矩相关的量有定转子磁链的幅值和定转子磁链之间 的夹角p 。当磁链的幅值保持不变，臼从0 。变化到9 0 。时，电磁转矩则从零到最 大值，所以对定转子磁链之间的夹角秒进行控制就能控制电机转矩。空间电压矢 量对转矩的影响就体现在对目的控制上，通过改变空间电压矢量来实现对转矩的 控制。工作空间电压矢量能够使定子磁链走，零电压矢量则使定子磁链停，控 制定子磁链的走走停停，达到控制夹角护进而控制电磁转矩。 2 3 无速度传感器技术 现在使用的交流调速系统中，绝大多数都是采用速度闭环控制来提高系统 的控制性能，若采用速度的闭环控制，检测电机的转速就成为直接转矩控制当 中重要的一个步骤了。现在电机速度一般采用光电脉冲编码器进行检测的。众 所周知，要是采用速度传感器后，一系列与速度传感器相关的问题就接踵而至。 首先，速度传感器的安装的时候存在同心度问题，要是安装的不得当那么会使 速度传感器成为故障发生的一个重要原因，从而在某种程度上面降低了系统的 机械可靠性，破坏了异步电动机简单、牢固和可靠的特性，限制了交流调速系 统的应用范围；其次，高精度速度传感器的价格比较贵，无形当中增加了控制 系统的成本，在大规模的场合得不到实际的应用；最后，速度传感器如光电脉 冲编码器，很依赖周围环境条件，在高温、低温、振荡和易燃易爆的场合中使 用很容易对控制系统产生影响。因此对交流调速系统中无速度传感器进行研究， 在提高系统的可行性、环境的适应性、进一步扩大交流调速系统方面具有很大 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的意义。 转速估计早些时候使用的主要方法有直接计算、参数辨识、状态估计、间 接测量等。由于定子侧的定子电压、定子电流的物理量都是比较容易检测得到 的，根据这些参数进而计算出与速度有关的参数，从而得到转子速度，并将其 运用到速度反馈控制系统中。如果已经确定电机参数，那么在理论上转速的辨 识和无速度传感器的设计是行得通的，但要在实际中改善系统的性能，则应该 着力要解决转速辨识对电机参数的适应性等问题上面。 针对无速度传感器技术国内外学者都做了很多的研究工作，其中比较常用 的转速估算1 6 1 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 应速度观测器法和神经网络控制法等。目前直接转矩控制中无速度传感器技术 主要采用的是模型参考自适应法和自适应速度观测器法。 ( 1 ) 基于电机模型的直接计算法 直接计算的方法是根据电机电磁的方程和转速的定义推导出关于转差或转 速关系的量。a a b b o n d a n t 以电机稳态数学模型为基础，推导出了转差频率的估 计方法，但这种方法获得的估计值动态性能不好，很难跟随真实滑差。在电机 参数已经确定的情况下，电机的转速可以利用异步电机的基本方程计算得到， 通常有两种估计方法：一种是基于反电动势的估计方法；一种是基于转子磁链 的估计方法。 定子回路与转子回路电压方程： 翳- 警+ 吵 ( 2 1 3 ) 【0 = r 岳+ y ，一协国，沙r 、 定、转子磁链方程： 脏竺：篆 弘 弋i z l | l l 少，= 上山+ 上以 、7 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 可以得到转子磁链的电压模型与电流模型分别如下： 小每( 玑吨砒d ( 2 - 1 5 ) ：( 一上+ 哆) 炸+ 拿 z rl r 转子磁链矢量空间位置角定义如下： 武汉理工大学硕士学位论文 p ：a r c t a i l ( 马( 2 1 6 ) 扎绁学( 2 - 1 7 ) 将式( 2 一l5 ) 代入式( 2 - 17 ) n - 以推导出基于转子磁链的电机转速估计公式： 删产纠皆一q p 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 7 ) ，则： 一专掣一警皆( 2 - 2 0 ) q ：嚷一生毕：纹一鲤掣 0 iel o l 巳| i 瓦l 带来的问题。虽然解决了纯积分带来的问题，但是低速时，式( 2 2 0 ) 中的都几乎 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 模型参考自适应法 转速作为电机模型中的一个未知参数，可利用模型参考自适应【1 7 , 1 8 】系统 f m r a s ) 进行转速估计。模型参考自适应方法的基本思想就是将不含电机转速的 方程作为参考模型，含有电机转速的方程当作可调模型，根据两个模型的相同 物理意义的输出之间的广义误差和一种稳定的自适应律来调节可调模型的参 数，最后使得误差的值趋向零，从而使控制对象的输出跟随参考模型的目的。 根据所选择的参考模型和可调模型的不同可以将m r a s 的电机转速估计方法分 为是基于转子磁链的m r a s 、基于反电动势的m r a s 和基于无功功率的m r a s 三种。基于转子磁链m r a s 方法中由于参考模型中的转子磁链在估算的过程中 存在积分环节，在实际应用中会带来积分饱和等相关问题。基于反电动势的 m r a s 方法虽然可以解决纯积分问题，但是在低速运行的情况下反电动势的值 很小，容易产生测量误差致使低速运行性能不是很好；同时，考虑到定子电阻 参数变化这个敏感性问题仍然没有得到解决，定子电阻参数的变化对速度估计 很容易产生影响。定子电阻的功率消耗属于有功功率，f z p e n g 提出了基于无功 功率的模型参考自适应方法，这种方法定子电阻在参考模型和可调模型中都不 会出现，因此对定子电阻具有完全的鲁棒性估计系统。 m r _ a s 方法所需要建立的模型比较简单，执行起来也是比较容易的，但是 它是建立在参考模型准确的基础之上的，而参考模型和可调模型都和电机参数 密切相关，受电机参数变化的影响较大。 ( 3 ) 自适应磁链观测器法 在转子磁场定向控制中，日本学者h k u b o t a 为了实现对转子磁链的观测选 取定子电流和转子磁链作为状态变量，并采用李雅普洛夫稳定性理论得到速度 自适应律。自适应观测器法【1 9 】严格意义上也可以归为模型参考自适应方法当中， 就是将所建立的观测器当作可调模型，电机作为参考模型。该方法能够在观测 磁链的同时进行速度和定子电阻辨识，给无速度传感器异步电机直接转矩控制 的研究带来了便利，具有良好的研究前景。 在实际过程当中，转子磁链的值不容易测量，为了简化计算过程，k u b o t a 在不影响结果的情况下将速度自适应律中包含实际转子磁链的一项忽略了，仅 只考虑了定子电流偏差与转子磁链估计值的叉积。并且在进行选择观测器的增 益矩阵时，假设观测器的极点值与电机自身极点为k 倍的比例关系，其中k 为 正的比例常数。如果电机本身稳定工作时，那么相应观测器也就会稳定工作。 武汉理工大学硕士学位论文 同样为了简化计算将k 值取为1 ，观测器的增益矩阵k 就变为零矩阵。由于k u b o t a 在采用观测器的方法中没有考虑速度辨识律中包含转子磁链项的值，致使自适 应律的稳定性不能得到保证，当电机在低速发电工况下运行时，观测器很容易 出现不稳定的现象。 在基于观测器的方法中，速度辨识律中不仅包含转子电流的偏差，还包含 了转子磁链的偏差，从而提高了转速估计的精度。基于观测器的方法与模型参 考自适应法相比，该方法的优点在于速度自适应律的选择上更自由，目前几乎 所有采用观测器方法的速度辨识方案都采用极点配置的方法选择观测器的增 益，但是极点配置方法还没有完全解决观测器的稳定性问题。虽然完全没有解 决观测器的稳定性问题，但是现在大都采用自适应磁链观测器的方法进行速度 的辨识。 2 4 本章小结 本章主要介绍了异步电机在筇坐标系中的数学模型，然后分析了无速度传 感器直接转矩控制系统中涉及到的电压空间矢量、磁链控制、转矩控制的原理 和无速度传感器技术中直接计算、模型参考自适应法和自适应磁链观测器法三 种速度估计方法，并自适应磁链观测器进行转速辨识的方法进行了详细的研究， 对采用这种方法设计的观测器的稳定性问题进行分析。最后决定采用自适应磁 链观测器的方法进行速度的辨识。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于自适应磁通观测器的速度辨识 3 1r 模型下的异步电动机无速度传感器直接转矩控制电机 参数的辨识 异步电机不管是直接转矩控制算法还是矢量控制算法都离不开电机模型的 相关参数，而精确计算电机模型相关参数【2 0 】又是件非常困难的事情，这需要知 道较多的电机设计参数。不仅如此，就算计算出了这些参数，在电机的实际运 行过程当中也会由于电机温度的变化，引起某些参数的变化，所以这样计算出 来的结果对电机控制来说也不是很准确的。在实际应用场合，如果只知道电机 的铭牌参数，在没有进行电机辨识算法之前要想知道相关参数的值，会对异步 电机高性能的控制起到很好的作用。本节将会根据异步电机的等效电路，提出 一种简化的等效电路，并在此基础之上计算出该等效电路中的一些参数，同时 为了弥补离线参数计算的不足，提出了在线辨识方法对定子电阻进行计算。 3 1 1 基于r 模型的等效电路图 在t 模型当中要想计算出异步电机的速度则需要五个参数分别为定子电阻 尼、转子电阻尼、定子电感厶、转子电感厶和定转子之间的互感厶。然而， 对于转子电阻和定子电感、转子电感的辨识都需要大量的时间来计算，而且得 到的结果也不一定准确。针对这个问题，本文采用异步电动机的r 模型，其模型 如图3 1 所示。 图3 1f 模型等效电路图 武汉理工大学硕士学位论文 在返个模型当中，干昊型参数由冗刚明血个爹裂父力四i ，共天杀瓦如瓦( 3 一1 ) 所示。 u i s 乙+ 量苎r 乙三s 专= 器l = i 等i ( c 。s 缈+ s ；n 妒) ( 3 - ) ， 十，w l ( 三f + ，)i 五l 、 。7 现在已知电机的铭牌参数有额定功率p 、额定电压肌、额定电流厶、额 定转速删、额定功率因素c o s c p 。根据式( 3 - 1 ) 可以得到： 丽煮箍可= 旦4 3 i c o s 缈 ( 3 - 2 ) ( r ，s ) 2 + w 1 2 ( 三s + ，) 2 、。 等篙雩1 4 , 1 掣= 盖s i n 缈 p 3 ， ( 尺，s ) 2 +2 ( 厶+ 厶) 23 如 。、 另外有： z n ：昙：j 型 ( 3 4 ) = 一= 1 i j - 斗j h w l ( r ，s ) 2 + w 1 2 三f 2 、7 3 1 2 电机参数的推导 假定电子电阻与转子电阻之间的比例关系为：r 婷k r r ，其中品= 1 5 。 其中p 为电机的极数，j 是电机的误差率定义为s ：n l - n 1 。令 刀1 扯盖c o s 川z = 盖s i n 川，= 端，联厶( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 公式可 以估算出： 厶：丝，肚堕妥，厶：z 4 ( h 3 - g r s ) r r s r m h 2 h 3 ( w l l s j l z 2 1 w 1 计算出的这三个参数值会在后面速度辨识的过程当中用到。 3 2 李雅普诺夫稳定性理论 p cp a r k s 采用模型参考自适应方法并结合李雅普诺夫直接法来推导出来的 转速值能使自适应控制系统在全局环境下稳定工作。 李雅普诺夫直接法简单的地方在于不需要解微分方程就能确定系统的稳定 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 性，所以在速度估计的过程当中减少了很多麻烦，给我们的估算过程带来了很 大的便利。 假设系统的方程为 戈= f ( x ，f )( 3 5 ) 初始条件是f ( o ，f ) = 0 ，也就是说系统的平衡点是原点，则李雅普诺夫稳定 性原理可以理解为：式( 3 5 ) 所假设的系统，如果包含原点的某个区域中若存在 一个李雅普诺夫函数v ( x ，f ) 0 并且函数的微分矿( x ，t ) 0 ，那么系统在平衡点处 是渐进稳定的。 如果系统方程为 量= a x ( 3 - 6 ) 其中x 为n 维状态变量，么是? i x n 维常数数组，选取函数v ( x ，f ) = x t p x 作 为李雅普诺夫函数。 对v 函数进行时间求导得： 寸：鼙p x + x 1p j ： = ( 出) 7 p x + x r p ( a x ) = x t ( 彳7 p + p a ) x( 3 - 7 ) 因为取的函数v ( x ，f ) 是正定的，要想系统渐进稳定，就应使函数矿满足负定 的条件，也就是说要有且仅有一个对称正定矩阵p 对于任意给定的对称正定矩 阵q 都有如下的关系： 4 1 尸+ p a = 一q( 3 8 ) 3 3 自适应磁通状态观测器的设计 3 3 1 基于r 模型的自适应磁通观测器 自适应磁通状态观测器【2 1 。2 7 】是利用静止筇坐标系中的电机简化r 模型，根 据电机的参数，将转速当作未知参数进行辨