（电力电子与电力传动专业论文）基于mras无速度传感器矢量控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n d u c t i o nm o t o rs p e e dc o n t r o l l i n gi sac o m p l e xs u b j e c t i ti n c l u d e st h e k n o w l e d g eo f m a n yo t h e rs u b j e c t s ，s u c ha st h ee l e c t r i ca n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， t h ec o n t r o le n g i n e e r i n g t h ec o m p u t e ra n dt h ei n d u c t i o nm o t o re t c t h er e a l i z a t i o n o ft h eg o o dp e r f o r m a n c ei n d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mi sah a r dw o r k v e c t o rc o n t r o l i so n eo ft h ea d v a n c e dt h e o r i e s ，w h i c hi sb a s e do nm o t o ru n i f i c a t i o np r i n c i p l e ， e n e r g yc o n v e r s i o na n dv e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sn o v e l t y ，p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n c e m e n t s p e e d - s e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o lv v v fs y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o ri sah i 曲p e r f o r m a n c e s p e e d - c o n t r o ls y s t e ma n dh a sb e e nu s e di nal o to fs i t u a t i o n so f h i g hp r e c i s i o na n d l l i g hp e r f o r m a n c e s p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o ri s f f o to n l ya ni m p o r t a n ta s p e c tb u ta l s oah o t s p o to fi n v e s t i g a t i o ni nm o d e ma c d r i v e t h ek e yp r o b l e mi st h a th o ww ec a ng e tt h es p e e do fi n d u c t i o nm o t o r a c c u r a t e l y ，n o wt h e r ea r em a n ym e t h o d s t oe s t i m a t et h es p e e do f i n d u c t i o nm o t o r t i l i st h e s i sm a d eas t u d yo nt h es p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m a n d b u i l tu pas p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) a c c o r d i n gt ot h er e d u c e do r d e rm o d e lo fi n d u c t i o n m o t o r ，am o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es p e e de s t i m a t i o na l g o r i t h mw a so b t a i n e df r o m t h ee q u a t i o n so f i n d u c t i o nm o t o rs t a t o rv o l t a g e sa n dc u r r e n t s a ni m p r o v e dm o d e l m r a ss p e e de s t i m a t i o nm o d e lw a sb u i l tw i t l lv a r i a b l ep a r a m e t e r s t h ed e t a i l e d s i m u l a t i o nr e s e a r c h e sw e r et e s t e do nt h es p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o ru s i n gt h es o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h i si m p r o v e dm r a ss p e e de s t i m a t i o nm o d e lh a ss a t i s f i e de s t i m a t i o n p r e c i s i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s o m es i m u l a t i o nm o d e l sc a nb eu s e di no t h e r v v v fc o n t r o ls t r a t e g ys y s t e ma l s o t h i st h e s i sa l s om a k e s 眦i n t r o d u c t i o no ft h e s p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p ，t h eh a r d w a r ec k c u l ta n dt h e s o f t w a r ep r o c e s s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；s p e e d - s e n s o r l e s s ；m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) ；m o d e la n ds i m u l a t i o n ；d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：斟 日期：2 0 0 6 年0 1 月2 口日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 为了满足高性能交流传动的需要，转速闭环控制是必不可少的，即需要 构成有速度传感器交流调速系统，但实际应用中，速度传感器的增加带来了 一系列的问题，如系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受工作环境影 响等缺陷，而且有些场合又不允许电机外装任何传感器，这些问题影响到异 步电动机调速系统的简单性、廉价性及系统的可靠性。因此，越来越多的人 把注意力放在了无速度传感器的交流电动机控制系统的研究与开发中。目前 人们已经提出了多种无速度传感器速度辨识方法，并在实际中有所应用。 本课题源于哈尔滨工程大学的“十五”2 1 1 船舶综合全电力推进技术 项目。 1 2 交流调速的概况 1 2 1 交流调速的发展 直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪先后诞生。由于直流电动机的转 速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的动、 静态调速特性，因此2 0 世纪8 0 年代以前在变流传动领域中，直流调速系统 一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和 电刷这一致命弱点，因此给直流调速系统的开发和应用带来了一系列的限制。 采用无换向器的交流电动机代替直流电动机作为调速传动设备可以突破直流 调速系统的限制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、价 格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维护、使用环境及结构发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展不受限制等优点。但是长期以来由于科技发展的限制，把交流电动机作为 调速电动机的困难问题未能得到较好的解决，只有一些性能差、低效耗能的 调速方法。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世 界各国重视交流调速技术的研究和开发。尤其是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其有利的技术条件和物质基 础。目前，交流传动系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速 和按工艺要求调速；高性能的交流调速系统和伺服系统；特大容量、极高转 速的交流调速f 1 1 【3 】【”。 交流调速理论及应用技术主要沿以下四个方面发展1 1 4 】： ( 1 ) 电力电子器件的发展和更新换代促进了交流技术的迅速发展和变流 装置的现代化 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。到目前为止电力电子器件的发展已经进入了第四代，一代电力 电子器件带来一代变频调速装置，性价比一代高过一代。由以晶闸管为代表 的第一代电力电子器件组成的变频装置的效率、可靠性、成本、体积均无法 与同容量的直流调速装置相比。用第二代电力电子器件g t o 、g t r 、m o s f e t 等制造的变频装置在性能与价格上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电 流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，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主要 采用i g b t ，中、大功率的变频调速装置主要采用g t o 器件。第四代电力电子 器件模块化更加成熟，如：智能化模块i p m 、专用功率器件模块a s p m 等。模 块化功率器件将是2 1 世纪的主宰器件。在模块化和复合化思路的基础上，很 自然的发展便是功率集成电路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。p i c 是电 力电子器件与微电子技术结合的产物。p i c 实现了集成电路功率化、功率器 件集成化，使功率和信息集成在一起，形成一个整体，成为机电一体化的接 口，必将获得重大发展。 ( 2 ) 脉宽调制( p 删) 技术 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类 交流调速系统，为交流调速系统的普及发挥了重大的作用。p w m 技术的应用 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压 和电流，提高了电动机的功率因数和输出效率。 ( 3 ) 矢量变换技术的产生和发展奠定了交流调速系统高性能的基础 交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的系统，与直流电动机相比， 转矩控制要困难很多。2 0 世纪7 0 年代提出的矢量控制理论解决了交流电动 机转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子 磁场定向的同步旋转变换实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量 之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交 流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代 直流调速成为可能。目前对调速系统性能要求较高的生产工艺已较多地采用 了矢量控制型变频调速装置。 继矢量控制之后，2 0 世纪8 0 年代中期德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首 先取得了直接转矩控制技术实际应用的成功。直接转矩控制法与矢量控制法 相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接转矩 控制也是一种很有前途的控制技术。 近1 0 多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测 定子电压、定子电流等容易测量的物理量进行速度估计以取代速度传感器。 其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制 的要求。无速度传感器技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适 应性、安装维护的麻烦等，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起了 广泛的兴趣。 ( 4 ) 微型计算机控制技术为现代交流调速系统的应用提供了重要的技术 手段 交流调速系统从最初应用时起经过了十多年，系统的控制回路多由模拟 电子电路组成。近年来，由于微型计算机控制技术，特别是以单片机及d s p 为控制核心的控制电路的迅速发展和广泛应用，促使交流调速系统的控制回 路由模拟控制转向数字控制。现在，全数字化的交流调速系统已普遍应用。 数字化控制器对信息处理的能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如 矢量控制中的坐标变换运算、解耦控制、参数辨识的自适应控制等，采用微 机控制器就很容易解决。微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 灵活性，降低了调速装置的体积和成本。 以微型计算机为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之 一。目前广泛应用于交流调速系统的微处理器有单片机、数字信号处理器d s p 等。 2 0 世纪9 0 年代以来，电气传动领域发生了很大的变化。各种类型的鼠 笼型异步电动机压频比恒定的变压变频调速系统、各种类型的同步电动机变 频调速系统、各种类型的交流电动机矢量控制系统及直接转矩控制系统等在 工业生产的各个领域中广泛应用，覆盖了电气传动调速控制的各个方面。 实践证明，交流调速技术的应用为工农业生产和节约电能带来了巨大的 经济效益和社会效益。现在，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。 1 2 2 交流调速系统发展趋势 综观交流调速系统的发展和现状，可看出交流调速技术今后的发展趋势。 以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究；新型 功率变换器的研究与开发；p 删技术的改进、优化；高压变频装置的研究和 技术开发。 围绕以上四个方面，现代交流调速技术研究与开发的主要课题有【3 】【6 】： ( 1 ) 控制理论与控制技术方面的研究和开发 交流调速系统的综合校正理论及工程设计方法是今后交流调速系统的重 要研究课题；转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研 究的攻坚课题；模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法在交流调 速系统中的引入，成为交流调速控制理论的研究发展方向；直接转矩控制技 术不断完善和发展，其主要课题是低速时定子参数对磁链运动轨迹的影响以 及调速范围；无速度传感器的交流调速系统已广泛应用，但其转速推算精度 和控制的实时性有待迸一步提高。 ( 2 ) 变频器主电路拓扑结构研究与开发 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中需要解决的重要问题之 一；具有软开关功能的谐振变流器的研究与开发；矩阵式变换器的研究。 ( 3 ) p w , i 模式改进与优化研究 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 中压变频装置的研究与开发 目前中压变频器较多采用的是三电平及级联式多电平中压变频器。多电 平中压变频器是交流调速研究的新领域。 1 3 异步电动机变频调速系统的控制类型钏：o ， 异步电动机在国民经济的各个部门中广泛应用，异步电动机的台数约占 交流电动机的8 0 以上。因此异步电动机变频调速系统应用最多、最广泛。 目前异步电动机变频调速系统的控制类型主要有四种： ( 1 ) 恒压频比控制变频调速系统 ( 2 ) 转差频率控制变频调速系统 ( 3 ) 矢量控制变频调速系统 ( 4 ) 直接转矩控制变频调速系统 前两个系统的基本控制关系和转矩控制原则是建立在异步电动机静态数 学模型基础上的，它们的控制变量定子电压、定子电流、定子供电频率、转 差频率都是在幅值意义上进行控制的，忽略了幅角的控制。这两种控制系统 虽然能够获得良好的静态特性指标，但在动态过程中不能获得良好的动态响 应，从而对一些对动态特性要求较高的系统，它们不能满足要求。 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 等人首先提出了“感应电机磁场定向控制原 理”奠定了矢量控制的理论基础，该原理的基本出发点是：考虑到异步电机 是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准 确地控制电磁转矩，但若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坐标变换，则可以把定子电流分解为独立 的励磁电流分量与转矩电流分量，分别进行控制，这样通过坐标变换重建的 感应电机模型就可以等效为一台直流电机。从而可像直流电机一样快速而准 确地实现转矩和磁通的控制。 自2 0 世纪7 0 年代至今，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发 展和实践，不断成熟完善并成为高性能交流电动机调速系统的基础。随着交 流调速系统的发展和应用需要，无速度传感器的交流调速系统成为交流调速 技术的一个重要研究领域，并取得了很大发展。交流电动机无速度传感器的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，只是电 动机转速的获取途径、方法不同。其核心问题就是对转子的速度进行估计， 利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子侧获得与速 度有关的量，得到转子速度，并将其运用到速度反馈控制子系统中。但是目 前所采用的对转速的计算和估计算法，都要用到电机参数。而电机参数的变 化会直接影响到系统的动静态特性和速度计算精度。同时如何改善系统的低 速特性也是一个难点，它将和参数的在线辨识一起成为无速度传感器控制系 统的研究热点和发展方向。 直接转矩控制技术是在二十世纪8 0 年代中期继矢量控制技术之后发展 起来的一种异步电动机变频调速技术。直接转矩控制不同于矢量控制，它把 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做滞环比较，把转矩波动控制在一定 的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。它在很大程度上解决了矢 量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化影响的技术问题。由于直接转 矩控制直接采用了转矩反馈的砰一砰控制，在加减速或负载变化的动态过程 中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏 电力电子开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。 从总体上看，直接转矩控制系统和矢量控制系统是一致的，都能获得较 高的静、动态性能。 1 4 无速度传感器矢量控制技术 在近2 0 年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，无速度传 感器控制技术的发展始于常规带速度传感器的传动控制系统，解决问题的出 发点是利用检测定子电压、定子电流等容易检测到的物理量进行速度估计以 取代速度传感器。重要的方面是如何准确地获取转速的信息，且保持较高的 控制精度，满足实时控制的要求。无速度传感器的控制系统无需检测硬件， 免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成 本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连 线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国内外学者提出了许多方法”】【4 1 】【4 3 】： ( 1 ) 动态速度估计法 主要包括转予磁通估计法和转子反电势估计法，都是以电机模型为基础， 这种方法算法简单、直观性强。由于缺少误差校正环节，抗干扰的能力差， 对电机的参数变化敏感，在实际实现时，加上参数辨识和误差校正环节来提 高系统抗参数变化和抗干扰的鲁棒性，才能使系统获得良好的控制效果。 ( 2 ) p i 自适应控制器法 其基本思想是利用某些量的误差项，通过p i 自适应控制器获得转速的信 息，一种采用的是转矩电流的误差项；另一种采用的是转子q 轴磁通的误差 项。此方法利用了自适应思想，是一种算法结构简单、效果良好的速度估计 方法。 ( 3 ) 模型参考自适应法( m r a s ) 将不含电机转速的方程作为参考模型，将含有电机转速的模型作为可调 模型，两个模型具有相同物理意义的输出量，利用两个模型输出量的误差构 成合适的自适应律实时调节可调模型的参数( 转速) ，以达到控制对象的输 出跟踪参考模型的目的。根据模型的输出量的不同，可分为转子磁通估计法、 反电势估计法和无功功率法。转子磁通估计法由于采用电压模型为参考模型， 引入了纯积分，低速时转子磁通估计法需要改进；反电势估计法去掉了纯积 分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然存在；无功功率法消去 了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。 总的说来，m r a s 是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的 渐进收敛性。但是由于m r a s 的速度观测是以参考模型的准确度为基础的，参 考模型本身的参数准确程度就直接影响到速度辨识精度和控制系统的成效。 ( 4 ) 扩展卡尔曼滤波器法 将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩 展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方法可有效 地抑制噪声，提高转速估计的精确度。但是估计精度受到电机参数变化的影 响，而且卡尔曼滤波器法的计算量太大。 ( 5 ) 神经网络法 利用神经网络替代电流模型转子磁链观测器，用误差反向传播算法的自 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适应律进行转速估计，网络的权值为电机的参数。神经网络法在理论研究还 不成熟，其硬件的实现有一定的难度，使得这一方法的应用还处于起步阶段。 虽然辨识速度的方法很多，但仍有很多突出问题有待解决，如系统的精 度、复杂性和系统的可靠性间的矛盾以及低速性能的提高等。未来无速度传 感器矢量控制的动静态特性的进一步提高，需要更为完善的逆变器、电机模 型，综合考虑不同运行条件下的电机磁路饱和、绕组集肤效应、逆变器的非 线性以及电机参数变化等因素。在更为精确的自适应电机模型基础上，低速 转矩脉动将进一步减小，稳速精度将进一步提高，对负载扰动的响应更快， 对电机参数变化的稳定性将进一步加强。特别是具有宽泛围调速( 包括零速) 和高精度转速调节、转矩控制的无速度传感器矢量控制系统与f v c 控制系统 的差距将逐步减小，并有望取代部分伺服应用领域。随着现代控制理论、微 处理器以及电力电子开关器件的迅速发展，实现高性能的无速度传感器异步 电机的调速系统的前景相当乐观。此外，无速度传感器控制方式下的多机运 行以及在高功率低速运行的应用也将成为未来的发展方向。 1 5 本文主要研究内容 深入研究基于模型参考自适应( m p , a s ) 的异步电动机无速度传感器矢量 控制理论。建立速度、磁链闭环的有速度传感器异步电动机矢量控制系统和 基于m r a s 的无速度传感器异步电动机矢量控制系统，该m r a s 为通过电动机 定子电压方程和电流方程得到的传统的模型，并在传统m r a s 的基础上建立了 一个改进的变参数m r a s 速度辨识数学模型，以提高系统在低速时的速度辨识 精度。 速度、磁链闭环的有速度传感器异步电动机矢量控制系统采用转子磁场 定向，分为转速控制子系统和磁链控制予系统。根据矢量控制原理推导出矢 量坐标变换矩阵及转子磁链观测器的数学模型；设计出该调速系统的p w m 逆 变器；根据直流调速系统工程设计方法设计该矢量控制系统的转速调节器和 磁链调节器，包括选择调节器类型、计算调节器参数等。 基于m r a s 的无速度传感器矢量控制系统，只需要在有速度传感器矢量控 制系统中加入m r a s ，取消速度传感器。本文采用的m r a s 为转子磁通估计法， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 就是将异步电动机电压模型的输出作为转子磁链的期望值，电流模型的输出 作为转子磁链的推算值。以两个模型的输出作为比较量，采用p i 自适应律进 行速度估计，推导出自适应速度辨识公式，建立起转速估计的数学模型。并 对其全速域渐进稳定性进行理论分析。 改进的变参数m r a s 的数学模型是根据p i 自适应控制器的变化对估计速 度的影响来改变p i 自适应控制器的参数。 以m a t l a b s i m u l i n k 软件为仿真工具，分别对有速度传感器矢量控制系 统和无速度传感器矢量控制系统中的各个子系统进行建模，验证主要模型的 正确性，并根据速度、磁链闭环的有速度传感器异步电动机矢量控制和基于 m r a s 的无速度传感器矢量控制系统的原理最终建立完整的系统模型，对各种 情况进行详细的仿真研究，来验证模型的正确性以及改进的m r a s 的系统性能 的提高。 本文还介绍了基于数字信号处理器d s p 的无速度传感器矢量控制系统的 硬件结构以及软件实现。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章矢量控制技术 晶闸管供电的直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性， 其根本原因在于他励直流电动机转矩能够容易而灵活地进行控制。作为交流 变频调速的控制对象一交流电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而 加以控制呢? 矢量控制成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，像直 流调速系统一样，实现了对交流电动机的磁通和转矩分别独立控制。 任何调速系统的任务都是控制和调节电动机的转速，转速是通过转矩来 控制的。任何电动机，其主要特性是转矩一转速特性。服从于基本运动学方 程式： r t ：j d a r ( 2 1 ) 。 西 式中：z 一电动机的电磁转矩 l 一电动机的负载转矩 ，一转动惯量 ，一电动机的角速度 直流电动机的电磁转矩关系简单，容易控制；交流电动机的电磁转矩关 系复杂，难以控制。但是，由于两者产生电磁转矩的规律有着共同的基础， 是基于同一转矩公式而建立起来的，因而根据电机的统一性，通过等效变换， 可以将交流电动机转矩控制转换为直流电机转矩控制的模式，从而控制交流 电动机的困难问题就迎刃而解了。 2 1 矢量控制的基本思想 异步电动机三相对称定子绕组中，通过对称的三相正弦交流电流、i 。、 f c ，则形成三相基波合成旋转磁势，并建立相应的旋转磁场西。，如图2 1 ( a ) 所示，其旋转角速度等于定子电流的角频率国。然而产生旋转的磁场 不一定非要三相绕组不可，除单相外任意的多相对称绕组通入多相对称正弦 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流都可以产生旋转磁场。如图2 1 ( b ) 所示的异步电动机，具有位置互差 9 0 。的两相定子绕组口、，当通入两相对称正弦电流屯、f 。时会产生旋转 磁场。如果这个旋转磁场的大小、转速、转向与三相交流绕组产生的旋 转磁场o 。完全相同，则可认为这两个交流绕组等效。由此可知，处于三相 静止坐标系上的三相对称交流绕组以产生同样的旋转磁场为准则，可以等效 为静止两相直角坐标系上的两相对称固定交流绕组。三相对称正弦交流电流 f 。、t 与两相对称正弦交流电流、之间必存在着确定的变换关系。 i印=：ai心iabclabca 屯， 2 l 7 鲫j 我们知道直流电动机的励磁绕组在空间上是固定的绕组，电枢绕组在空 间上是旋转的绕组，但是电枢磁势在空间上是固定方向的，这样从磁效应的 意义上来说，可以把直流电机的电枢绕组当成在空间上固定的直流绕组。因 而直流电机的励磁绕组和电枢绕组就可以用两个位置互差9 0 。的直流绕组m 和t 来等效，m 绕组是等效的励磁绕组，t 绕组是等效的电枢绕组，f ，称为 励磁电流分量，i ，称为转矩电流分量，如图2 1 ( c ) 所示。 c b l；x 电 1 k o ili t m ( a ) 三相交流绕组( b ) 两相交流绕组 ( c ) 旋转的直流绕组 图2 1 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型 o 。为m 绕组和r 绕组分别通入直流电流0i r 时产生的合成磁通，在 空间上固定不动。如果，人为地使两个绕组旋转起来，则o 。也随着旋转起 来。当观察者站在m 一丁绕组上与其一起旋转时，在他看来仍是两个通入直 流电流的固定绕组。若使o 。的大小、转速和转向都与m 叩及。删相同，则 认为m r 直流绕组与口一卢交流绕组及彳一曰一c 交流绕组等效。使固定的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m r 绕组旋转起来只是一个物理概念上的假设，但是这种旋转的实现可以 通过矢量坐标变换来完成。这时口一交流绕组中的交流电流i 。、i 。与m r 直流绕组中的直流电流0 、之间必存在确定的变换关系： 0 荔芝 s ， 锄= 4 i l oj 、 由此可知，m r 直流绕组中的直流电流、i ，与三相对称交流电流f 、 、t 之间存在着确定的关系： i w = 彳2 么= 4 2 爿l w ( 2 4 ) 因此可以通过控制0 、i r 就可以实现对、i b 、i c 瞬时控制。实际上是 在电动机的外部，把0 、作为控制量，记为0 、，通过坐标变换得到 两相交流控制量屯、，记为、+ ，然后通过坐标变换得到三相电流控 制量i 。、如、i c ，记为、+ 、f c ，用其来控制三相异步电动机的运行， 从而实现了对交流电动机电磁转矩的瞬时控制。 由于将直流标量作为电动机外部的控制量，然后又将其变换成交流量去 控制交流电动机的运行，均是通过矢量坐标变换来实现的，因此将这种控制 系统称为矢量变换控制系统，也称为矢量控制系统( v e c t o rc o n t r 0 1s y s t e m ) 。 2 2 坐标变换 b 图2 2 旋转变换矢量关系图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了将异步电动机进行解耦，需要进行坐标变换。在确定电流交换阵时， 应遵循变换前后所产生的旋转磁场等效的原则；在确定电压变换阵时，应遵 循变换前后电机功率不变的原则。 为了运算方便，取电流变换矩阵为正交阵。 本文以电流变换矩阵为例，由于电流变换矩阵为正交阵，根据变换前后 功率不变原则，电压变换矩阵、阻抗变换矩阵与电流变换矩阵相同。 ( 1 ) 三相静止坐标系两相静止坐标系的变换 变换阵c 3 s 2 s 为 变换阵c 2 s 3 s 为 厂 l1 群圭 1 i 压 l 2 3 2 i 2 拍一湾 22 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式中矗为为了数学上的求逆矩阵的需要而补充的一个值为零的零序电 纠 1卜ioihkij 2笪2上压 ：打丁上压：压了土压 ，。一2，一应 压恬 = 1j k锄乇 1ll，j 缸：够站 1rjniirj上压上压土压 上压上压上压 。巫2笪2 ， ，：。2 _，。，。l，矧1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流，下标占表示静止。 ( 2 ) 两相静止坐标铮两相旋转坐标变换 阱 嚣塞地 治， 变换阵c 2 s 2 r 为：f 。? 纯s l n 仍l l 一$ 1 n 纯c o s 尹s j 阱t s p j c o n s 仍妒s - 删s i n 识q , 捌 s ， 变换阵c 2 r 2 s 为：l 。? 8 败一s l n 纯l l s i n 织c o s p sj 仍为转子磁场定向角，下标，表示旋转。 2 3 三相异步电动机在不同坐标系下的数学模型 2 3 1 三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型 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。分 析和求解三相异步电动机数学模型是非常困难的。为了使三相异步电动机具 有可控性、可观性必须对其进行化简、解耦，使其成为一个线性、解耦的系 统，而简化、解耦的有效方法就是矢量坐标变换。 在研究三相异步电动机数学模型时，做如下假设：忽略空间谐波，设三 相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；忽略磁路饱和， 各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略铁芯损耗；不考虑频率和温度变化对 绕组的影响。 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式的，都将其等效为绕线式，并折算到 定子侧，折算后每相匝数相等。 在恒转矩负载下，三相异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型可表 示为m 2 d 1 ： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 厅：j i i + 三堕+ m 堕i dt 7 d o t = 瓦+ 鲁等 d 护 坼2 i 式中：厅定、转子相电压 三一定、转子漏感 i 定、转子相电流 m ，一电动机的转速 良定转子间夹角 z 一电动机的电磁转矩 l 负载转矩 j 转动惯量 行。一电机极对数 2 3 2 三相异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型 ( 2 9 ) 通过坐标变换将可以求出在恒转矩负载情况下三相异步电动机在两相静 止坐标系上的数学模型。 电压方程为 2 1 3 1 ： 暂j 口 “坩 u r a “印 阜s + 三。p 0 三。p 0 1 。 o 足+ l s p 0 l m p iii 妒 l m pq l m r ，+ 三，pq l r i l o 一r l ml = p 一r l r r r + l f p r b ( 2 - 1 0 ) 运动方程和转矩方程为： t = e + 丢等毪l b k 吨如) ( 2 - 1 1 ) 式中：甜矿甜埘一定子电压的口轴和轴分量 “。、甜坩一转子电压的口轴和轴分量 i 一定子电流的口轴和声轴分量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f 。、一转子电流的口轴和轴分量 r 。、r ，一定子绕组和转子绕组的电阻 三。、三，一定予绕组和转子绕组的电感 工。一定、转子绕组间的互感 p 一微分算子 2 3 。3 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型d d 三相异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型仍存在非线性因素和具 有强耦合的性质，为此还需要对其进行简化处理。 电压方程为： 1 4 s m “j r u r m ”t r 。+ 厶p一脚，l 。三m pc o s l 。0f “ c o , t r ，+ 三。p ( - 0 ；l 。l m p0 r 三。p 0 r ，+ l ，p 0 i io aol。0a c o l ， r ，+ 三，p j 【f f ( 2 - 1 2 ) 运动方程和转矩方程为： 疋= 瓦+ 鲁警= n p l 。纯山一。) ( 2 _ 1 3 ) 式中：“。、“。，定子电压的m 轴和r 轴分量 i d r m 、u r t 一转子电压的m 轴和r 轴分量 o 、0 一定子电流的m 轴和r 轴分量 “、f ，一转子电流的m 轴和r 轴分量 国。一同步旋转角速度 a ( d = o j s 一口，一转差 其它量的物理意义与式( 2 - 1 0 ) 中相同。 2 4 矢量控制基本方程式和基本控制结构 2 4 。1 矢量控制基本方程式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 2 1 2 ) 为异步电动机在m 一丁坐标系上的电压方程，对于鼠笼式电 动机，转子短路，则u , m = “，r = o ，该电压方程可化简为： r ，+ l ，p c o , l 。 三。p a ：- o l m 一；l s r s + l s p o 0 三。p s l m r ，+ l ， 出_ 一，l 。 。p p 0 忍睦 ( 2 - 1 4 ) 根据这个电压方程可以建立矢量控制系统所依据的控制方程式。 在矢量控制系统中，由于可测量的被控制变量是定子电流矢量，因此必 须从式( 2 1 4 ) 中找到定子o 、i s t 与其他物理量之间的关系。 对于异步电动机矢量控制系统的磁场定向轴的选择有三种：按转子磁场 定向；按气隙磁场定向；按定子磁场定向。在按转子磁场定向时，转子磁链 的表达形式最为简单，只与定子电流的励磁分量有关。而其他两种定向方式 要实现转矩分量和励磁分量的解耦，需要构造复杂的解耦器。因此本文的矢 量控制系统采用较为简单的按转子磁场定向方式。 转子磁场定向既是按转子全磁链矢量影定向，就是将m 取向中，轴。由 于? 辅垂直于材轴可知： 妒，= 。o + l ，f ( 2 1 5 ) 0 = 上。r + 三，f ，r ( 2 1 6 ) 根据式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可求得： 铲一警 ( 2 - 1 7 ) i , m ：t , - p + l ” ( 2 1 8 ) l 2 南 ( 2 _ 1 9 ) 0 = 一专生o ( 2 2 0 ) 厶r 幽5 警 ( 2 吨1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：t 2 等转子励磁时间常数 根据式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 5 ) 可求得： e = 争。纵 ( 2 2 2 ) - 由于肘一r 坐标按转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解 耦， 唯一由定子电流矢量的励磁电流分量。所产生，0 则只影响转矩， 与直流电动机中的励磁电流和电枢电流对应，简化了对交流调速系统的控制 问题。 2 4 2 矢量控制基本结构 模仿直流调速系统构造的三相异步电动机矢量控制系统的基本控制结构 如图2 3 所示。 图2 3 矢量控制系统基本结构 2 5 转子磁链观测器 转子磁链 和磁场定向角钆是很难直接测量的，因而在矢量控制系统中 采用观测值，通过检测电机定子容易测量的物理量，利用转子磁链观测器， 计算出转子磁链 和磁场定向角吼。准确地获得转子磁链 和磁场定向角 仇是实现磁场定向控制的关键。本文采用按转子磁场定向的两相同步旋转坐 标系上的转予磁链观测器。其运算图如下； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4m 一丁坐标系上的转子磁链观测器模型 三相定子电流i 。、f c 经过坐标变换得到两相静止坐标系上的电流k 、 i 。，再经过同步旋转坐标变换得到o 、0 。o 、i 。利用磁场定向方程式 可获得转差和转子磁链 。把国与电动机的角速度啡相加得同步角速 度蛾，再将。进行积分运算处理可以得到转子磁链定向角蟊。 该磁链观测器依赖于电机参数，精度容易受到影响。 2 6 电流滞环型p w m 逆变器 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 技术是异步电动机调速系统 中的核心技术之一，是控制系统中的主要组成部分。p 删技术是指利用全控 型电力电子器件( m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等) 的导通和关断把直流电压变成一 定形状的电压脉冲序列，实现变压变频控制。 目前，实际工程中主要采用的p 删技术是正弦p 州技术，这是因为变频 器输出的电压和电流波形更接近正弦波形。为了满足电动机控制良好的动态 响应，经常采用电流正弦p 咖技术。电流正弦p w m 技术本质上是电流闭环控 制，实现方法很多，主要有p i 控制、滞环控制及无差拍预测控制等几种，均 具有控制简单、动态响应快的特点。 本文采用的是滞环控制。电流滞环p w m 就是把正弦电流参考波形和电流 的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定逆变器开关器件的导通和 关断。电流滞环型逆变器一相电流控制原理框图如图2 5 所示： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 电流滞环型p 聊逆变器一相结构图 与实际的相电流信号比较后送入电流滞环控制器。滞环控制器的环 宽为2 占，k 时刻，i 。一i 。占，则滞环控制器输出正电平信号，驱动开关器 件v t l 导通，使增大，直到t ，时刻，= + 占，滞环控制器翻转，输出负 电平信号，v t l 关断。电流i 。通过续流二极管v d 2 维持原方向流通，但数值 逐渐减小。直n t ：时刻，下降到滞环偏差的下限，v t l 重新导通。v t l 与 v d 2 交替工作使逆变器输出电流与给定值的偏差保持在s 范围内，在给定 电流上下做锯齿状变化，当给定电流是正弦波时输出电流也十分接近正弦波。 图2 6 为波形图： a i 盖 厂 一- - - - - ( 以t 图2 6 电流滞环型p 删逆变器输出电流波形图 2 0 ( ) s t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 显然滞环控制器的滞环宽度越窄，开关频率越高，定子电流更加逼近给 定基准电流。但是，当开关频率超过功率器件所允许的开关频率时，不利于 开关器件的安全工作。所以，应选择合适的滞环宽度。 根据一相电流滞环型p w m 逆变器的工作原理，可以建立三相电流滞环型 p w m 变频调速系统。如图2 7 所示： 图2 7 异步电动机电流滞环控制变频系统框图 2 7 转速磁链闭环的矢量控制系统 本文所采用的是转速、磁链闭环异步电动机矢量控制系统。图2 8 所示 为该矢量控制系统原理框图。 本系统按转子磁场定向，分为转速控制予系统和磁链控制子系统。 转速控制子系统中设置了转速调节器a s r ，速度反馈信号取自电机轴上 的速度传感器( 在无速度传感器矢量控制系统中取自无速度传感器的辨识结 果) 。转速调节器一艘输出t ，通过下面的式子