（系统理论专业论文）现代交流调速系统中的磁链观测与svpwm技术研究.pdf

摘要 摘要 电机是完成机电能量转换的装置，既可作为动力源，又可作为执行器使 用。当今社会无论生产领域，还是消费领域都离不开电机。由于直流电机的 控制性能很好，因此最早的电气拖动多是由它承担，但因其结构复杂，制造 成本与维护费用高，再加之非本质防爆等因素，限制了其拓宽应用相比之 下交流电机具有结构简单、制造成本与维护费用低、可用于恶劣环境( 尤其 是须防爆场合) 等优点，诞生不久便得到认可和广泛应用。遗憾的是交流电 机控制性能大不如直流电机，以至于半个世纪前调速系统几乎是直流电机一 统天下能源危机，再加上控制理论、高速开关器件及微处理器技术的发展加 速了交流调速系统的发展，在调速系统更新换代的今天，大有取代直流系统 之势。加强对以交流电机为核心交流调速系统的研究，使之具备或有着超过直 流系统所具有的高性能( 宽调速范围、随动性和高效率等) ，这是极富挑战性、 且也是极具实际意义的课题。 以感应电机为对象的现代交流调速系统中，磁场定向控制( f o c ) 和直 接转矩控制( d t c ) 是当今两大主流控制策略，无一例外的用到电机的动态 模型、电机定子或转子的磁链估值和通过功率器件的开关去实现p w m 电压供 电给电机。论文主要内容正是围绕上述三方面展开的，即：( i ) 建立感应电机 的动态仿真平台；( i i ) 探讨不同运行情况下的磁链估计计算( 观测) ；( i i i ) 研究 实现空间电压矢量脉宽调制( s v f w m ) 的逆变器开关算法，以保证电压利用 率高、最少开关数和对称性等要求。工程对象的研究结论须加以实验验证， 至少是仿真实验，这也是论文内容的重要方面研究成果分别发表在电机 技术 、( 2 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集 、( p r o c e e d i n g so f t h e2 n d i e e ec o n f e r e n c co ni n d u s t r i a le l e c t r o n i c sa n da p p l i c a t i o n s ( i c i e a2 0 0 7 ，e l 检 索源) 及微特电机( 中文核心) 等刊物上 论文各章节主要内容如下： 在对交流调速技术的现状与发展给以概述后，论文的第二章依据感应电 动机的动态数学模型，采用模块化的方法建立其仿真模型；在此基础上，分 别建立了感应电机矢量控制和直接转矩控制系统仿真平台，并进行了验证性 实验论文第三章在目前几种主要磁链观测器的基础上，提出了一种混合切 换式的磁链观测方法，讨论了磁链模型之问的切换问题，并将其分别用于矢 i 青岛大学硕士学位论文 量控制和直接转矩控制中。论文第四章重点探讨了s v p w m ( 空间电压矢量脉 冲宽度调制) 技术，在传统s v p w m 技术的原理与算法基础上，提出了改进 算法，并将其用于矢量控制系统利用本文所建立的感应电动机矢量控制和 直接转矩控制系统仿真平台，论文第五章对本文第三、四两章的工作分别进 行了仿真实验，以验证它们的正确性。 关键词：感应电机，磁场定向控制，直接转矩控制，磁链观测，s v p w m ： 性能改善 h abstr act a b s t r a c t m o t o ri st h ed e v i c et h a t c o m p l e t e st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nm e c h a n i c a l e n e r g ya n de l e c t r i c a le n e r g y i tc a nb eb o t hp o w e rs o u r c ea n dt h ea c t u a t o r n o w a d a y s ，r e g a r d l e s s o fp r o d u c t i o na r e a , o rc o n s u m p t i o na r e a ，m o t o r sa r e n e c e s s a r yi n o u rd a i l yl i f e b e c a u s eo fi t s g o o dp e r f o r m a n c e ，d cm o t o r u n d e r t a k e sm o s to ft h ee a r l i e s t e l e c t r i c i t yd r i v e s h o w e v e r ，i t s e x t e n s i o n a p p l i c a t i o ni s l i m i t e dd u et oi t s c o m p l e xs t r u c t u r e ，h i g hm a n u f a c t u r i n ga n d m a i n t e n a n c ec o s ta n du n e s s e n t i a le x p l o s i o np r o t e c t i o n c o m p a r e dw i t hd cm o t o r , a cm o t o rh a ss i m p l es t r u c t u r ea n dl o wp r o d u c t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s tw h i c h c a nb eu s e di nb a de n v i r o n m e n t ，p a r t i c u l a rw h e r ee x p l o s i o np r o t e c t i o ni sn e e d e d a l li t sa d v a n t a g e sh a v em a d ea cm o t o rb ew i d e l ya c k n o w l e d g e da n da p p l i e d s i n c ei tc a m et ot h ew o r l d w h a tw ef e e lp i t yf o ri st h a tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e o fa cm o t o ri si n f e r i o rt od cm o t o r ，s od cm o t o ra l m o s tc o n t r o l l e dt h ew h o l e m o t o rm a r k e th a l fc e n t u r ya g o t h e d e v e l o p m e n to fa cv e l o c i t ym o d u l a t i o n s y s t e mw a sa c c e l e r a t e dd u et o t h e e n e r g yc r i s i s ，c o n t r o lt h e o r y a n dt h e d e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e ds w i t c hc o m p o n e n ta n dt h em i c r o p r o c c s s o rt e c h n o l o g y i nt o d a y ss o c i e t y ，v e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mu p d a t e sv e r yq u i c k l y a cv e l o c i t y m o d u l a t i o ns y s t e mh a st h e p o t e n t i a l o ft a k i n gt h e p l a c eo f d cv e l o c i t y m o d u l a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，e n h a n c i n gt h er e s e a r c ho fa cv e l o c i t ym o d u l a t i o n s y s t e ma n dm a k i n gi th a v eo rs u r p a s st h eh i g hp e r f o r m a n c et h a tt h ed cs y s t e m h a s ( w i d t hv e l o c i t ym o d u l a t i o ns c o p e ，h i g he f f i c i e n c y ，e t c ) a r ec e r t a i n l yat o p i c t h a tf u l lo fc h a l l e n g ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) a n dt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a r e n o w a d a y st w om a i n s t r e a mc o n t r o ls t r a t e g yi nm o d e ma cv e l o c i t ym o d u l a t i o n s y s t e mi nw h i c ht h eo b j e c ti sa cm o t o r w i t h o u te x c e p t i o n ，a l lo ft h e mn e e dt o u s ed y n a m i cm o t o rm o d e l ，s t a t o ro rr o t o rf l u xe s t i m a t i o na n dt h ep w mp o w e r s o u r c er e a l i z e db ys w i t c h i n gp o w e rc o m p o n e n t s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r j u s t c e n t e r so nt h ea b o v et h r e ea s p e c t s ，n a m e l y ：( i ) e s t a b l i s ht h e d y n a m i c s i m u l a t i o np l a t f o r mo fa c m o t o r ；( i i ) d i s c u s st h ef l u xe s t i m a t i o n ( o b s e r v a t i o n ) i n d i f f e r e n ts i t u a t i o n ；( i i i ) s t u d yt h ei n v e r s i o ns w i t c ha l g o r i t h mu s e dt or e a l i z es p a c e n i 青岛大学硕士学位论文 v e c t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t og u a r a n t e eah i g hv o l t a g eu s er a t i o ， t h el e a s to n - o f fn u m b e ra n ds y m m e t r y t h ec o n c l u s i o no ft h ep r o j e c to b j e c t r e s e a r c hn e e d st ob ec o n f i r m e db yt e s ta n da tl e a s tas i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti s n e e d e d i ti sa l s oa ni m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e r r e s e a r c hp r o d u c t sh a v eb e e n s e p a r a t e l yp u b l i s h e di nt h e “e l d ：t r i c a lm a c h i n e r yt e c h n o l o g y ”，”p r o c e e d i n g so f c h i n e s ec o n t r o la n dd e c i s i o nc o n f e r e n c ei n2 0 0 6 ”，“p r o c e e d i n g so ft h e2 n d i e e ec o n f e r e n c eo ni n d u s t r i a le l e c t r o n i c sa n da p p l i c a t i o n s ( i c i e a2 0 0 7 ，t h e s o u r c eo fe i ) ”a n d “s m a l l s p e c i a lm a c h i n e s ( c h i n e s ec o r em a g a z i n e ) ” t h ec h a p t e r so ft h i sp a p e ra r ea r r a n g e da sf o l l o w s ： a f t e ro u t l i n i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fa cv e l o c i t y m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e rc o n s t r u c t st h es i m u l a t i o n m o d e lo fa cm o t o ru s i n gm o d u l a r j z a t i o nm e t h o da c c o r d i n gt oi t sd y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s eo nt h ew o r ka b o v e ，w ee s t a b l i s h e df o ca n dd t c s y s t e m s i m u l a t i o n p l a t f o r m o fa cm o t o r s e p a r a t e l y a n dc a r r i e do nt h e c o n f i r m a t i o ne x p e r i m e n t b a s e do ns e v e r a lm a i nf l u xo b s e r v a t i o nm e t h o d s ，t h e t h i r dc h a p t e rp r o p o s e dan o v e lo n ew h i c hi sn a m e dm i x s w i t c hm e t h o da n d d i s c u s s e dt h es w i t c hi s s u eb e t w e e nd i f f e r e n tf l u xo b s e r v e rm o d e l s a n dt h e n ， a p p l y i n gm i xf l u xo b s e r v e rm o d e lt of o e a n dd t c s y s t e m sw a sc a r r i e do n t h e f o u r t h c h a p t e ro f t h i s p a p e rm a i n l yf o c u s e so n t h es v p w m ( s p a c ev e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) t e c h n o l o g ya n dp r o p o s e dan o v e lm e t h o db a s e do nt h e p r i n c i p l ea n dt r a d i t i o n a la l g o r i t h mo fs v p w m a n dt h e n ，w ed i s c u s st h ei s s u eo f a p p l y i n gs v p w mt e c h n o l o g yt of o cs y s t e m u t i l i z i n gt h ef o ea n dd t c s i m u l a t i o np l a t f o r me s t a b l i s h e di nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ef i f t hc h a p t e ro ft h i s p a p e rc a r r i e so nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fa p p l y i n gm i xf l u xm o d e lt of o c a n dd t cs y s t e ma n ds v p w m t e c h n o l o g yt of o cs y s t e m a l lr e s u l t sa r cg i v e n a n ds i m p l ea n a l y s i si sc a r r i e do ni no r d e rt oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h ew o r kw e d o n eb e f o r e k e yw o r d s ：a cm o t o r , f o c ，d t c ，f l u xo b s e r v a t i o n ，s v p w m ，p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t i v 主要术语符号及绾略语 主要术语、符号及缩略语 “幽一b 。，“。，“。，。】r ：三相静止坐标系下定子和转子的相电压向量 k - 也，t ，】r：三相静止坐标系下定子和转子的相电流向量 妒。b 。妒。妒。妒妒秽。r ：三相静止坐标系下各相绕组的全磁链向量 工，工，：交流电机定、转子电感 乞：定予与转子问的互感 瓦：负载转矩 z：电磁转矩 _ ， ：机组的转动惯量 n ：极对数 哆：同步电角频率 以一心：同步电角度 ；转子电角速度 f - f ：转子电角度 q - q 一埘：异步电机的转差角频率 s 。竺 竺 ：转差率 匀 巳 ：转予机械角位移 ， 撑：转子机械转速( 转分) q 。：由o 坐标系相对于定子的角速度 ：由0 坐标系相对于转子的角速度 妒- r q ， ：由。坐标系与静止a b c 坐标系之间的电角度 “- ，越_ ，“d ，鼙h ：由坐标系下定、转子电压 0 ，0 ，0 ， ：由坐标系下定、转子电流 妒。，妒，妒。，妒，：由坐标系下定、转子磁链 砧_ ，。，h ，：q 芦坐标系下定、转予电压 0 ，0 ，k ，0 ：筇坐标系下定、转子电流 妒，口 妒，妒，口，妒，：筇坐标系下定、转子磁链 v 青岛大学硕士学位论文 e t q ，e 1 8 口1 一旦 工l ， 屹， k f0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 ) l ( f 一0 , 1 , 2 3 ，4 5 ，6 , 7 ) 吃 z 萱 s p w m s v p w m v v v f p a m ：筇坐标系下定子绕组感应电动势 。感应电机漏感系数 ；空间电压矢量指令值 ：吃的a ，声轴分量 ：空间电压矢量采样周期 ：基本空间电压矢量 ：k 【f - 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ，6 j ) 在内的分别作用时间 ：逆交器的输入直流电压 ：量x 的指令值 ：量x 的估计值 ：正弦脉冲宽度调制 ；空间电压矢量脉冲宽度调制 ：v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，变压变频 ：p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，脉冲幅值调制 v 1 学位论文独色i j 性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所星交的学位论文系本人在导师指导下所取得的研究成果。凡文中 涉及到非本人成果均已标注出处或得到许可，此外不再包含其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果，也不包含本人已用于申请其他学位的论文内容或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：囊 髹讳日期：- 刁年6 月；日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用该学位论文内容或与该论文直接相关的成果时，署名单位仍然为青岛 大学。 ， 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：毒 纹玮日期辫6 月? 日 导师签名： 蟊亏嗡 日期叼年莎月名日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得 擅自使用) 7 5 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 电机可以将电能转化成机械能或将机械能转化成电能，因此它在工业应用 中起着重要的作用，是现代工业领域的主要动力源。直流电机拖动和交流电机 拖动也因此在1 9 世纪中先后诞生但是与直流电机相比，交流电机具有制造与 维护简单、耐用、成本低、可用于恶劣环境等优点，而在2 0 世纪的大部分年代 里，约占整个电力拖动容量8 0 的不变速拖动系统都采用交流电机。而只占2 0 的高控制性能可调速拖动系统则采用直流电机，致使交流电机的优点得不到发 挥交流调速系统的方案虽然早已有多种发明并得到实际应用，但其性能却始 终无法与直流调速系统相匹敌 2 0 世纪7 0 年代开始，能源危机开始席卷全球，工业发达国家都投入大量入 力、物力、财力研究节能措施而电机是能源消耗大户，占全球用电量的一半 以上。为提高能源利用率，节能型经济型的交流调速系统成为重要的节能手段， 因此研究高性能、高效率，宽范围的交流调速系统具有十分重要的实际意义 1 2 国内外交流调速技术的现状与发展1 】1 3 0 与直流电机结构相比，交流电机，特别是三相鼠笼型感应电机是非常简单 的，但两者内部各物理量间的关系却正好相反。数学插述上，直流电机属低阶 线性对象；而交流电机是非线性高阶对象从控制角度，直流电机励磁电流与 转矩电流是解耦的，易于控制转矩；而交流电机各量问是强耦合的，要用到非 线性系统的最新控制策略，相对控制要复杂得多 7 0 年代以前受控制理论以及硬件实现技术的制约，交流调速系统在性能上 无法挑战直流调速系统近几十年非线性控制理论、高速功率开关器件以及微 处理器( 特别是数字信号处理器) 技术最新成果促使了交流变频调速技术的飞 速发展可以毫不夸张地说，交流变频调速系统的大势已经到来，不久即可取 代传统的直流系统，占据电气传动系统的霸主地位 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 提出了交流电机矢量控制理论，它的出现对电机 控制技术的研究具有划时代的意义，使交流电机在调速系统中找到位置和得到 承认针对交流电机这个强耦合的控制对象，采用参数重构和状态重构的现代 1 青岛大学硕士学位论文 控制理论来解耦，进行矢量变换，仿照直流调速原理使交流调速系统的静、动 态性能指标达到直流调速的水平另外，工程实践上做到了模块化和产品化， 使用更加方便。 1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 又提出了直接转矩控制原理，由于它直接控制 定予磁链和电磁转矩，使控制系统得以简化，因此提高了响应速度，成为了电 机控制技术的又一新突破。从某种程度上说，直接转矩控制也是一种综合方法， 它避免了繁杂的坐标变换，利用电压源型逆变器的工作过程，控制定子磁链的 走走停停，也即调整定予磁链与转予磁链的夹角，从而对电动机转矩进行直接 控制。由于这一方法具有控制过程简单、对电机模型参数依赖少等优点，刚刚 润世就得到了许多专家和学者的高度评价。 值得注意的是，近年来智能控制的多种控制策略，如自适应控制、模糊控 制、神经元与神经网络控制、模糊神经网络控制等，也被引入交流调速系统中。 从矢量控制的转子磁链观测模型、铁损补偿，到直接转矩控制的定子磁链观测 模型，到削弱变结构控制的抖振现象，都在尝试引用智能控制技术，以改进其 他控制方法的不足，达到更好的控制效果。 ， 从7 0 年代的交流调压调速、串级调速、无换相器电机调速、滑差电机调速， 到8 0 年代的各种交频调速、无速度传感器调速，各种技术已发展到成熟阶段。 实用化阶段。特别是矢量控制、直接转矩控制、智能控制理论的应用，使交流 调速系统的性能可与直流调速相媲美，而且可靠性越来越高，价格逐渐降低， 取而代之的趋势已经形成 。 虽然从7 0 年代开始交流调速技术得到了的较大的发展，但仍有诸多问题值 得我们去研究以进一步提高和改善交流调速系统的性能。归结起来，这些问题 主要有： 1 电动机控制策略方面 目前，较实用的交流调速系统控制方法主要有标量控制( 主要包括电压频 率控制和转差频率控制) 、矢量控制和直接转矩控制。其中标量控制结构简单， 易于实现，可实现交流电动机一定范围内的调速。但标量控制规律是基于电动 机稳态模型的控制策略，自然不能期望其有很好的动态性能，因而无法与直流 调速系统相媲美，只熊用于一些要求不高的场合，如风机、泵类等负载的拖动 矢量控制虽然实现了等效直流电机的控制性能，但其算法复杂且不能实现转速 和磁链的完全解耦吲。直接转矩控制虽然算法简单，但其低速时的转速观测和 - 2 第一章绪论 转矩脉动问题、带负载能力问题、磁通的轨迹问题等仍等待人们去解决总之， 人们仍须寻求新的电动机控制策略，以改善交流调速系统的控制性能。 2 变频器方面 变频器从结构上有间接型和直接型两类，从应用上问接型居多问接型变 频器又称交一直一交型，它由整流和逆变两部分组成，整流多数是不受控的， 逆变则通过功率开关器件导通或关断得到等幅但不等宽的脉冲型波形输出，、以 实现电压和频率可变的交流电源直接型变频器又称交一交型，它是将工频交 流一次变换成可控电压和频率的交流，没有中间直流环节。决定开关器件动作 顺序和时间分配规律的控制方法即称脉宽调制方法。近年来，各种脉宽调制方 法的研究一直是交流传动界的热门话题，虽然取得了诸多成果，但仍有许多工 作可做i ”。 3 电动机的磁链观测方面 矢量控制技术得以有效实现的基础在于电动机磁链信息的准确获取为了 进行磁场定向和磁链闭环控制，需要知道磁链的大小和位置。直接转矩控制中 更需要准确获取定子磁链信息，而感应异步电动机的定转子参数测量困难，受 温度变化影响较大，获取准确的磁链信息难度大另外，现行的大多数磁通观 测方法都是针对模拟控制系统的，有些方法不适合在数字控制系统中使用，因 而，需要进行适合数字控制系统使用的磁链观测问题的研究。 4 电动机速度检测方面 为了得到高性能的调速系统，转速的闭环控制是必要的速度检测也就成 为关键的一环，常用的速度检测方法有：用测速发电机检测转速、用光电方法 测速、利用轴编码器测速等，这些利用速度传感器的测速方法不可避免地要在 电动机上安装硬件装置。对于直流电动机、同步电动机来讲，因其本身较复杂， 再附加上一个速度传感器也可以对鼠笼型感应异步电动机而言。速度传感器 的安装将破坏其坚固、简单、低成本的优点因此，无速度传感器技术的研究 成为鼠笼型感应异步电动机调速系统的热门课题。前人已在异步电动机调速系 统中应用无速度传感器技术方面做了大量工作，但如何改进现有方法及研究额 方法仍须我们继续努力 5 系统的辅助设计方面 变频调速系统往往价格昂贵，为了提高研制效率，降低成本，通常在工程 研制前，要对其进行计算机仿真分析，以获得一些指导性结论其中，正确建 3 青岛大学硕士学位论文 立感应异步电动机的模型是计算机仿真的重点和难点，而交流感应电动机的数 学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，实际运行中其物理参数又 会随着温度的变化而变化，需要探索一种能够反映交流感应异步电动机实际运 行情况的建模新方法。 6 系统的实现方面 理论研究的最终目的是研究开发能够实际应用的真实产品，变频调速系统 的实现是一个复杂的系统工程。对于性能要求不高的场合，可采用单片机、数 字信号处理器( d s p ) 等进行系统开发。而对于性能要求较高的场合，单片机、 数字信号处理器( d s p ) 可能无法满足要求，因而仍有许多工作等待我们去傲。 1 3 本课题的研究目的与意义 综上所述，现代交流调速系统的研究主要集中在控制策略，变频器、磁 链观测、速度检测及辅助设计实现等问题的解决上，丽其中交流感应电动机 的建模、无法检测量的观测和估计及变频器性能的提高又是其中较为重要的 方面。鉴于此，才有了本课题的研究一一现代交流调速系统中的磁链观测与 s v p w m 技术研究。此论题提出的目的就是利用系统理论和现代非线性控制理论 对交流调速系统进行研究，通过对系统中状态变量的观测和交频器的性能的研 究来研究分析整个交流调速系统，同时也使得系统科学理论的研究体系得以进 一步的推广和完善。 1 4 本课题的研究内容 本文依托山东省自然基金资助项目“交流传动与伺服系统中非线性控制 问题研究”。针对交流电机这一非线性、强耦合控制对象，论文以提高和改 善交流调速系统性能为目的，分别从交流异步感应电动机的建模、无法检测 量( 磁链和转速等) 的观测和估计以及变频器的控制方法等几个方面进行了 研究，并分别进行了改善或改进，最后论文进行了系统的仿真实验整个论 文大体分以下几个部分： 1 首先在分析探讨交流异步感应电动机结构的基础上，阐明了其动态数 学描述，并由此得到了其多变量动态结构框图，之后乖j 用m a t l a b s i m u l i n k 软 件，采用模块化的方法搭建起较为通用的交流异步感应电动机仿真模型在 此基础上，依据矢量控制与直接转矩控制原理，我们搭建了感应电机矢量控 4 第一章绪论 制与直接转矩控制系统仿真平台，并进行了验证性仿真实验 2 在分析探讨现有的各种磁链观测器( 本文包括矢量控制系统中所需要 的转子磁链观测器和直接转矩控制系统中所需要的定子磁链观测器) 的基础 上，兼顾考虑性能与复杂程度的条件下，提出了基于磁链模型之间切换的混 合切换式磁链观测模型，并对磁链模型之问的切换进行了分析。在此基础上， 将其应用于矢量控制和直接转矩控制系统。并在第五章进行了仿真实验。 3 本部分对交流调速控制系统中逆变器的开关控制策略( 主要是 s v p w m - - 空间电压矢量脉冲宽度调制) 进行了研究在探讨了s v p w m 的原 理及方法的基础上，本文针对相邻基本空间电压矢量的作用时间的计算方法 上，提出了一种将参考空间电压矢量分解到相邻两个基本空间电压矢量所形 成的坐标系上之后再进行作用时间计算的新方法并进行了仿真验证。之后， 我们探讨了将s v p w m 应用于矢量控制系统的问题，并在第五章进行了仿真 实验。 4 利用第一部分建立的感应电动机矢量控制系统和直接转矩控制系统仿 真平台，本部分对第二部分提出的磁链观测模型、第三部分的s v p w m 技术 在仿真平台上集中进行了仿真实验，对之前所作的工作进行了验证。 一5 - 第二章感应电机控制系统建模与仿真 第二章感应电机控制系统建模与仿真 高性能电气传动系统是一门集电机技术、现代电力电子技术、计算机控 制技术及现代控制理论于一体的多学科理论的交叉性新兴学科，而其中作为 被控对象的电机又有着举足轻重的地位电机有很多种，大体上可分为交流 电机和直流电机而其中交流电机因其结构简单、可靠性高、性能优良、输 出转矩大等优点获得了人们的青睐但是，交流电机是一个高阶、非线性、 强凝合的多变量系统，要想对这样一个系统进行研究，难度可想两知。矢量 控制是交流电机的一种高性能控制技术，最早由德国学者b l a s c h k e 提出其 基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分 量，转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励 磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量，分别实现对电机磁通和转矩的控 制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制 交流电机。从而实现了像直流电机那样独立控制磁通和转矩的目的，大大提 高了调速的动态性能直接转矩控制( d t c ) 是继矢量控制( f o c ) 之后出 现的另一高性能控制策略，它通过对电机定子磁链和转矩的输出值与给定值 进行比较，形成2 个滞环比较器，由滞环比较器的输出选择空问电压矢量， 继而控制逆变器来实现对电机的高性能控制 现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法， 可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效，也是 学习电力电子技术和电力拖动控制系统的重要手段因此，建立良好的感应 电机及其控制系统的数学模型和仿真模型对电力拖动系统的研究而言就具有 了重要的作用。 仿真是在计算机平台上虚拟实际的物理系统早在2 0 世纪5 0 年代，人 们就研究利用计算机的高速计算能力来帮助设计人员进行复杂的设计，以数 学模型代替实际的物理器件和装置。到现在为止，用于电力电子电路和电力 拖动控制系统的仿真软件已经有很多种，其中最具影响力的当推m a t l a b 它具有强大的矩阵运算能力m a t l a b 提供的s i m u l i n k 是一个用来对动态系统 进行建模、仿真和分析的功能强大的软件包s i m u l i n k 具有友好的用户开发 界面、开放的编程环境，用户可以开发自己的模型通常采用的方式有：1 ) 用库里已有的模块进行组合而成，该方法思路清晰、简单、但要调用较多的 模块，连线较多不利于查错。尤其对于复杂的数学模型2 ) 用s f u n c t i o n 模 7 青岛大学硕士学位论文 块编程构造，该方法表达方式接近数学表达，容易修改。但是仿真速度较慢1 1 7 l - 【l 引。 本章节从三相交流感应电动机的数学描述出。发，采用模块化的方法建立 了三相交流感应异步电动机的数学模型和多用仿真模型，并进行了单机仿真 实验。在此基础上，本章建立了感应电机矢量控制系统仿真平台与感应电机 直接转矩控制系统仿真平台，并进行了仿真验证，为以后的仿真分析打下了 坚实的基础。 本章所获成果发表在：电机技术，2 0 0 6 年第1 期：1 2 1 5 ，作者：邢绍邦， 赵克友，题目：基于m a t l a b s i m u l i n k 异步电动机的多用仿真模型研究。 2 1感应电机建模与仿真f 5 l 三相交流感应电机是一个多变量，强耦合的高阶非线性复杂系统，也是 交流变频调速的一个主要环节。建立一个适当的感应电机的数学模型是研究 交流调速系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础，也是获得高性能电 机调速系统的要求。 2 1 1 三相静止坐标系下感应电机数学模型 图2 1 三相交流感应电动机结构图 为简化分析，在建立感应电机数学描述时常作如下假设： 1 三相绕组对称，忽略空闯谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； 2 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 3 忽略铁损，不计涡流和磁滞损耗； 4 不考虑频率和温度变化对绕组的影响 图2 1 即为三相交流感应电机的结构图根据交流电机理论，在忽略空间 谐波、磁饱和、铁损以及频率和温度变化对绕组的影响的情况下，三相交流 8 第二章感应电机控制系统建模与仿真 感应电动枫在三相静止坐标系下的数学模型可用如下方程描述； 电压方程：， “k j t o + p 妒( 2 1 ) 其中： “。- k 。，“。，“。，】r 一定子和转子的相电压向量 k - l ，i | ，f c ，i ，i ，】r 一定子和转子的相电流向量 妒。b 。吵，吵。吵吵炒。】r 一各相绕组的全磁链向量 n 瞄甜”阶单位阵，d 3 ：3 阶零阵，r ：定子绕 组电阻，r ，；转子绕组电阻 磁链方程： 妒 z 饿i 女( 2 2 ) 其中： k 一一其中岛一定转子绕组白 ( 互) 摩( i ，j - a ，口，c ，4 ，6 ，c ) 运动方程 t 咖寺警 ( 2 3 ) 其中正一电磁转矩；五一负载转矩；_ ，一机组的转动惯量；一，一电机极对 数；一转子电角速度 转矩方程 瓦- i l v 7 鲁 其中口一转子角位移 ( 2 4 ) 2 1 2 坐标变换及其仿真模型 众所周知，由于交流电机无论是永磁同步电机还是感应电机其三相数学 描述均为复杂高阶、非线性、强耦合的多变量系统。要分析这组非线性方程 显然是十分困难的，即使画出很清晰的结构图也并非易事对于矢量控制策 - 9 “础缸“珈伽胁“鼬知“伽伽“ 艚 w 心 馑伽彬船缸伽m 埘加伽助 剧 烈a “w “ m m 埘“鼬 青岛大学硕士学位论文 略，德国学者b l a s c h k e 从直流电机得到灵感，他依据在不同坐标系下产生的 磁动势相同原则，运用坐标变换理论巧妙的使电机从三相静止坐标系转换到 两相同步旋转坐标系。这样从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量都 变成了静止矢量，从而实现了励磁调节和转矩调节的分离，大大简化了交流 电机的分析与控制。涉及到的坐标系包括：三相静止坐标系a b c 、两相静止 坐标系筇和同步旋转坐标系由。涉及到的坐标系问的变换包括：三相静止和 两相静止坐标系问的变换( a b c 一筇，) 和两相静止与同步旋转坐标系问的变 换( 筇一由) 若定义筇坐标系的口轴与a 相定子绕组重合，卢轴逆时针 超前口轴9 0 。空间电角度。同时定义砌坐标系的d 轴与a 相定子绕组的夹角为 妒，q 轴逆时针超前d 轴9 0 空问电角度，。图2 2 即展示了各种坐标系之间的 相对关系。 m 图2 2 各坐标系之间的相对关系 1 、三相静止坐标系和两相静止坐标系之间的坐标变换( a b c 一筇) 三相静止坐标系和两相静止坐标系之间的变换简称3 2 变换，反之则为 2 3 变换。该变换服从功率不变约束条件，在此不再详细推导。3 2 变换对应 的变换矩阵及其仿真模型分别如式2 - 5 和图2 3 所示： c ，：- 部兹瑚 弘5 ， 2 3 变换对应的坐标变换矩阵和仿真模型分别如式2 - 6 和图2 4 所示： 乞，。啦i 靠i 弘6 ， 1 0 第二章感应电机控制系统建模与仿真 图2 33 1 2 变换的仿真模型图2 42 1 3 变换的仿真模型 2 、两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的坐标变换( 筇一由) 两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的坐标变换( 筇一由) 模块的基 本功能是实现两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系之问的变换( 2 s 2 r ) 或 是两相旋转坐标系到两相静止坐标系之间的变换( 2 r 2 s ) ，其对应的变换矩 阵及仿真模型分别为： c 2 s 2 ti 瞄c o s q 妒o s i n 。； c 。2 si 岛- 螂s i n 妒o ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 图2 52 s 2 t 变换的仿真模型图2 62 r 2 s 变换的仿真模型 2 1 3 由坐标系下电机的数学动态描述及结构框图 三相交流感应电动机在三相静止坐标系下的数学模型经过坐标变换可得 到其在由坐标系下的数学描述如下： 电压方程为 青岛大学硕士学位论文 u u t h 冀 一 n ，譬 r + t p t l | l p 哆k - w , l ， r l l i p q k l p l 。p 吐工。 r ，+ l 。p 哆l ， 一w , l l 。p 一i l r r f + l ，p 其中： 1 工，一由坐标系等效二相绕组的自感； 工r 一由坐标系等效二相绕组的自感； 工一由坐标系等效定子与转子问的互感。 即 写成向量形式即为： o - r i + l p i + 其中 c - 0 一吐 q 0 00 oo 0o 0o 0 - - 0 ) ， q 0 则 f - “一巳x r l p ) 。 磁链方程： 妒一 妒埘 妒一 妒w t 0 0 工l l 0 0 k l 0 0 l l ，0 0 妒“ 妒珂 妒一 妒w 电磁转矩为 l n ，k ( f 。i 一一i a i j ，2 ( ) 匕 f 坷 1 w ( 2 9 ) ( 2 - 1 1 ) 一，l ( ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 运动方程同式q - 3 ) 。 将以上( 2 - 1 2 ) 一( 2 - 1 5 ) 以及( 2 3 ) 式画成框图的形式便可得到交流异步电 动机多变量动态结构图如图2 7 所示： d q ，_l-_ili-lj 0 o q o 一 0 o 0 q 哆o 0 0 一m m