（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊神经网络的交流调速系统智能控制.pdf

黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得黑龙江科技学 院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。 研究生签名： e l 期：圭! ：! 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研一名：刚雠：必 期：加f p - 石、2 - 摘要 本文针对模糊神经网络的交流调速智能控制进行了深入的理论和实践 研究。目前交流调速在性能上己经得到了明显的改善，在许多领域逐步已经 取代了直流调速。三相异步电机交流调速控制是自动化领域中一个重要的研 究方向，对异步电机的性能测试可以在实验室里完成。 文中首先详细的阐述了异步电机矢量控制原理，对于磁场的定向控制可 以从根本上改善异步电机的转矩控制特性，实现磁通和转矩的解耦，但是由 于系统在运行过程中存在一些不可控或不确定的因素，仅仅靠传统p i d 控制 无法满足精度高、反应快、鲁棒性好的要求，因此将智能控制技术和矢量控 制方法良好的结合起来，成为国内外电气传动工作者研究的热点。目前用模 糊神经网络控制器作为交流调速的速度控制器代替p i d 控制器正处于研究阶 段，因此，在这些方面的深入研究是很有意义的。该方法将模糊神经网络应 用于电机调速系统的闭环控制，把模糊神经网络控制与传统的p i d 控制相结 合，根据速度偏差在线调整控制规则，以达到控制目的。在深入分析模糊神 经网络的理论基础上，针对目前模糊神经网络作为应用于自动控制系统的一 种非常实用性方法，设计研究了一种基于具有交互功能的m a t l a b 仿真工 具和以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的控制系统硬件平台，对其进行了仿真 和试验研究，从仿真和试验结果表明，利用该方法可以获得较好的系统动静 态性能，引入了模糊神经网络可以使得控制系统具有更好的控制效果，并且 节能效果明显。 关键词：模糊神经网络；d s p ；智能控制；矢量控制 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t d e e p l yt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o nt o w a r d sa cs p e e di n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r ki s p r o c e s s e d w o r k i n ga s a n i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni na u t o m a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - p h a s ea c i n d u c t i o nm o t o r s p e e dc o n t r o la r ep r o m o t e do b v i o u s l ya n dt a k ep l a c eo fd cs p e e d c o n t r o li n m a n yf i e l d s ，p e r f o r m a n c et e s t i n go fa s y n c h r o n o u sm o t o r sc a nb e c o m p l e t e di nt h el a b o r a t o r y p r i n c i p l e so fi n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o la r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l sa tf i r s t o r i e n t a t i o nc o n t r o li n m a g n e t i cf i e l d c o u l d i m p r o v et h e c h a r a c t e r i s t i c so f i n d u c t i o nm o t o rt o r q u ec o n t r o l f u n d a m e n t a l l ya n d f u l f i l lf l u xa n d t o r q u e d e c o u p l i n g h o w e v e r ，s o m eu n e x p e c t e da n du n d e c i d e df a c t o r si nt h ep r o c e s so f s y s t e mr u n n i n gm a k et h ed y n a m i c so fa cs p e e dc o n t r o l l e rf a l l o u to ft h e d e m a n d i n g t r a d i t i o n a l p i dc o n t r o lc o u l d n tr e a c ht h er e q u i r e m e n to fh i g h p r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s ea n dp e r f e c tr o b u s t n e s s c o m b i n a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dv e c t o rc o n t r o lm e t h o db e c o m et h eh o t s p o to fe l e c t r i ct r a n s m i s s i o n w o r k e r sa th o m eo ra b r o a d ，t h em e t h o do fw h i c hr e l a y so na p p l y i n go ff u z z y n e u t r a ln e t w o r ki nc l o s e d - l o o pc o n t r o li np a i r so fm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m f u z z yn e u t r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ri n s t e a do fp i di na cs p e e ds y s t e mi si nt h e s t a g eo fr e s e a r c h i n gw h i c hm a k e sg r e a ts e n s et or e a l i t y a c c o r d i n gt ot h er u l e so f o nl i n es p e e dd e v i a t i o na d j u s t m e n t ，c o m b i n a t i o nb e t w e e nf u z z yn e u t r a ln e t w o r k a n dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lc o u l dr e a c ht h er e q u i r e dc o n s e q u e n c e c o n s e q u e n c e s o fe m u l a t i o na n de x p e r i e n c e si n d i c a t et h eg o o ds t a t i s t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t ot h i ss y s t e m 。 w i t hd e e p a n a l y z i n gt o t h e p r i n c i p l e so ff u z z yn e u t r a ln e t w o r ka n dt h e p r a c t i c a lm e t h o d sa p p l y i n gi na u t o m a t i o n ，m a t l a bs i m u l a t i o nt o o lb a s e do n i n t e r a c t i v ef u n c t i o n sa n dh a r d w a r ep l a t f o r mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec h o r eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa r ep u tf o r w a r d s r e s u l t so fe m u l a t i o na n de x p e r i e n c e s r e v e a lb e t t e rc o n t r o le f f e c ta n dd i s t i n c te n e r g y s a v i n ge f f e c tf o ra d d i n gi nt h e a p p l i c a t i o no ff u z z yn e u t r a ln e t w o r k k e yw o r d s - f u z z y n e u t r a ln e t w o r k ；d s p ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；v e c t o rc o n t r o l i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 国内外现代交流调速系统的发展及研究现状一2 1 2 异步电机矢量控制策略3 1 3 智能控制在调速系统中的应用3 1 3 1 模糊控制3 1 3 2 神经网络控制3 1 3 3 模糊神经网络控制4 1 4 本文研究的背景及特点5 1 5 本文研究的目的及意义一i 一5 1 6 本章小结6 第2 章电机调速系统矢量控制。7 2 1 矢量控制技术及其应用一7 2 1 1 矢量控制原理7 2 1 2 矢量控制类型9 2 2 电压空间矢量脉宽调制技术l o 2 2 1 电压空间矢量法的控制原理1 1 2 2 2s v p w m 下的电机转速控制14 2 3 矢量控制电机变频调速实验系统模型1 4 2 4 本章小结1 6 第3 章模糊神经网络在电机调速系统的应用1 7 3 1 模糊神经网络的基本理论1 7 l7 2 1 2 6 2 7 3 4 3 4 基于模糊神经网络的电机调速实验系统的控制方法3 4 3 4 1 系统概述3 4 3 4 2 模糊神经网络控制器的设计3 5 3 4 3 模糊神经网络算法3 9 3 4 4 优化模糊神经网络算法一3 9 3 5 本章小结4 0 第4 章基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 电机变频调速系统4 1 4 1 系统硬件设计4 1 4 1 1 主电路设计4 1 4 1 2 保护电路4 4 4 1 3 电流信号检测电路4 4 4 1 4 主控板抗干扰设计4 5 4 1 5 智能功率模块驱动4 6 4 1 6 电机的转速检测一4 6 4 2 系统的工作原理4 7 4 2 1 频率差值控制4 7 4 2 2 节能分析4 8 4 3 本章小结5 0 第5 章基于m a t l a b 调速实验系统的建模与仿真。5 l 5 1 系统仿真5 1 5 2 仿真结果分析5 8 5 3 本章小结5 8 i v 结论5 9 致谢， 参考文献。 作者简介 v 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 世纪上半叶，由于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速的拖 动系统都采用直流电动机，但是，当时约占拖动总容量8 0 以上的不变速拖 动系统则都采用交流电动机，这种分工在一段时间内已成为一种举世公认的 格局。交流调速系统的种种方案虽然早已问世，并以获得实际应用，但其性 能却始终无法与直流调速系统相媲美。直到2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电力 电子技术的发展，采用电力电子变换器的交流拖动技术得以应用，特别是大 规模集成电路和高速处理的计算机控制技术的出现，使得高性能交流调速系 统成为可能，改变了交直流拖动按照调速性能分工的格局【l 】。 目前，所有的三相感应电机控制方法中，矢量控制方法应用最为普遍。 矢量控制本质上是一种稳态解耦控制，只有转子磁链达到稳态并保持恒定时 才能够实现转速与转子磁链的解耦，无法实现转速与转子磁链之间的动态解 耦。此外，由于该方法是基于感应电机数学模型的一种控制方法，控制系统 的鲁棒性及抗负载扰动的能力都不是很理想。本文介绍一种基于模糊神经网 络的感应电机动态解耦控制，实验结果表明，模糊神经网络解耦控制在对电 机的转速调节中，具有更好的抗负载干扰能力。 在对异步电机的研究中，人们最关心的是电动机的工作特性和电动机的 各参数随负载变化时的情况。在实验室里可以通过对电动机的工作性能进行 测试寻求控制方案以解决上述问题。在国内外，目前被测试的直流电动机和 交流电动机，一般的实验室中都采用与被测电动机同轴联接的直流他励电机 作为模拟负载。负载电机与被测试电机在功率和额定转速接近，当负载电机 接受被测试电机输出的机械功率，它会处于发电状态；当负载电机工作在电 动状态时，它能够从轴上把功率传送给被测试电机，使被测电机处于制动状 态。这种试验系统所输出的机械功率完全被他励直流电机消耗了，是个耗能 过程。 目前能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。在实验 系统中通过一些先进的( 如模糊控制，神经网络控制等) 控制算法，来节约 能源成为开发实验系统的迫切需要。 近年来，随着电力电子、自动化、计算机技术的迅猛发展，现代控制理 论向交流电力传动领域不断渗透，电气传动技术正处于一场变革之中，从小 范围调速到高精度的大范围调速，几乎都可以采用交流调速传动技术。在控 制性能方面，交流调速完全能和直流调速相匹敌，甚至已经远远超越了直流 调速，在不久的将来，交流调速将会全面取代直流调速。 目前交流调速系统的应用领域主要有三个方面： 1 一般性的交流调速和按工艺要求调速 在过去的“无变速交流拖动”中，风机、水泵等机械容量差不多占工业 电力拖动总容量的一半以上，以前的交流拖动不能调速，完全是依赖挡板和 阀门来调节送风和供水的流量，浪费了电能。如果采用交流调速系统，每台 这样的机器都可以节约2 0 0 0 - , 3 0 的电能，而且它们对调速范围和动态性能的 要求都不是很高，只需要采用一般的调速。 2 高性能的交流调速系统 交流电动机的电磁转矩无法同直流电动机那样通过控制电枢电流来控制 它，致使交流调速系统的控制性能在很长一段时期无法同直流调速系统相比。 2 0 世纪7 0 年代矢量控制技术的应用，把交流电动机的定子电流分解成了转 矩和励磁两个独立分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，这样就可以实 现电机的解耦控制，就可获得高动态性能。其后，又提出像直接转矩控制、 解耦控制等方法，产生了一系列能够和直流调速系统媲美的高性能交流调速 系统。 3 特大容量的交流调速 直流电动机的换向能力限制了它的容量转速积不能够超过 1 0 6 k w ，m i n ，但是交流电动机不存在换向问题，所以在特大容量的电力拖 动设备中，如矿井卷扬机、离心机等，都采用交流调速。 交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的时变被控对象。传动技术取 得重大进展是在2 0 世纪7 0 年代，现代控制理论的发展已经比较完善，矢量 控制、直接转矩控制以及智能控制等先进控制方法已经广泛的应用于交流调 速，使交流调速实现了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快的良好性能。 g t o 和m o s f e t 等全控型器件的问世，也大大提高了控制的灵活性【1 1 。 目前，矢量控制是感应电机高性能控制的主要方法，主要是采用空间矢 量坐标变换及磁场定向的方法，将其模型转换成类似于直流电机的模型来控 制。矢量控制根据选择用于定向的参考矢量的不同可以分为按转子磁场定向 和按定子磁场定向的矢量控制；根据坐标变换中参考矢量产生方式的不同， 又分为间接矢量控制和直接矢量控制。矢量控制在本质上是一种稳态解耦控 制。因为异步电机是一种多变量、非线性、强耦合的控制对象，实现高性能 自动控制的前提是磁链和转矩的完全解耦，当解耦条件不能够满足的时候， 系统的性能就会变差。而异步电机转子的电阻和电感总是会受到饱和程度和 运行温度的影响，要想较好的解决这一问题，需要在矢量控制基础上采用先 进的控制策略，使异步电机始终可以保持最佳的控制性能，本文就是基于这 一出发点展开的研究。 1 3 智能控制在调速系统中的应用 1 3 1 模糊控制 模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法，采用人类思维中的模糊 量，使控制器能够更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验和方法，模 糊控制包括控制对象的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。核心是控制规 则，这些规则通过人类的语言来表达；模糊控制规则本质上非线性；不需要 知道受控对象的数学模型，在交流传动系统中最多的应用主要是对速度进行 控制。最外环是模糊控制器，矢量控制等一些传统控制方法仍然在内环发挥 作用。 早期的模糊控制器主要目的是希望取代传统p i d 控制器，提高了系统的 鲁棒性，只是一般的模糊控制器没有积分的功能，在系统存在负载扰动时会 出现静差。而增加了积分效应的模糊控制器，理论上相当于变系数的p i d 调 节器，却可以实现无静差控制 2 1 。 1 3 2 神经网络控制 近几年人工神经网络在控制领域取得了很大的成就，主要因为它具有一 些突出的优点，通过非线性映射学习系统的特性，能够近似地表示任意非线 性函数的能力；具有高度的自适应和自组织性，可以学习甚至适应不确定性 黑龙江科技学院硕士学位论文 系统的动态特性；信息分布存储在网络的各神经元及其连接权中具有很强的 鲁棒性和容错能力，还具有较强的数据融合能力。神经网络在解决高度非线 性和严重不确定性系统的控制能力方面，显示了其具有的突出优点和巨大潜 力。 神经网络用于智能控制有两种方式：一种是将神经网络平行到现有的线 性自适应控制系统中去，控制对象非线性；二是用神经网构成无模型自适应 控制系统。已经有不少成功的应用实例1 3 训。目前，神经网络控制系统的研究 还是处于初期阶段，没有成熟的理论体系和系统化的设计方法，其做法主要 是设计者通过自己的经验根据实际要求进行设计，这样也可以实现功能上的 灵活性。 1 3 3 模糊神经网络控制 模糊系统已经在模糊控制器、模式识别、模糊辨识和信号处理中广泛应 用。模糊神经网络是一种集模糊逻辑推理的强大结构性知识表达能力与神经 网络的强大自学习能力于一体的新技术，它是模糊逻辑推理与神经网络有机 结合的产物。 一般来讲，模糊神经网络主要是利用神经网络结构来实现模糊逻辑推理， 从而使传统神经网络没有明确物理含义的权值被赋予了模糊逻辑中推理参数 的物理含义，模糊逻辑的逻辑性和透明性很强，很容易将己知的系统知识与 模糊规则相结合。模糊系统需要有准确的模糊隶属函数的模糊化过程，同时 需要适当方法的模糊规则推理过程，每一个过程都对系统的整体性能有一定 的影响，而且模糊系统中模糊规则的前提和结论都是模糊子集，解模糊的工 作也非常的复杂。由于模糊系统输入输出关系式高度非线性，要获得一个满 意的输入输出关系式，在大量需要调节的参数面前，工作难度非常大，几乎 是无法完成的。人工神经网络本身固有的结构简单、并行运算、分布式存储、 自学习能力及很强鲁棒性特点，在处理非线性系统模型方面显示了其优越的 特性，所以广泛应用于模式识别、系统辨识等控制系统中。但因其结构和权 值不具有定性的物理意义，系统很容易陷入局部极小值。 鉴于模糊逻辑和神经网络的优缺点促使研究者将二者相结合形成一个新 的算法，并称其为模糊神经网络。通过神经网络实现的模糊逻辑系统结构不 但具有模糊逻辑推理功能，同时网络的权值也有了明确的模糊逻辑意义，这 就把定性的知识表达和定量的数值运算完美的结合起来了，从而达到以神经 网络及模糊逻辑各自优点弥补对方不足的理想效烈2 。酬。 1 4 本文研究的背景及特点 在异步电机调速系统中，人们最关心的问题是电动机的工作特性以及负 载变化时电动机的电压、电流等参数的变化情况，这些问题都可以在实验室 里对电动机进行测试来获得数据。目前国内外被测试的无论是直流电动机还 是交流电动机，一般都采用的是被测电动机同轴联接的直流他励电机作为模 拟负载，这种试验系统的主要缺点就是能耗过大。况且对电机的控制一般都 采用传统的p i d 控制器，这种控制器也无法同时满足精度高、反应快、鲁棒 性好的要求。 本文针对传统交流实验系统存在的不足，提出了一种新型电机交流调速 控制系统。本系统是将两台变频器的直流母线侧并联，充分体现节能的思想， 又将智能控制技术和矢量控制方法结合起来，用模糊神经网络控制器作为交 流调速的速度控制器代替了p i d 控制器，在矢量控制的理论基础上，给出了 种适用于电机系统的基于模糊神经网络的转矩转速同时可控适用算法。用 上述算法完成了系统的闭环控制，设计改造完成后，本文对系统进行了模拟 测试，并对测试结果进行节能、稳定等性能分析，结果表明改进后的系统具 有优越的性能。本课题主要是建立在对传动试验台节能和鲁棒性问题研究的 基础上，通过采用模糊神经网络控制算法，解决了传统试验台出现的抖振现 象，以及测量数据不精确的问题。本试验台通过建立、整理和总结本电机节 能试验台的理论背景，通过反复的试验、分析数据、调节算法找到节能最好 的控制调节规律，用先进的控制理论方法，为节能进一步在其他领域的设计、 研制开发打下基础。 1 5 本文研究的目的及意义 随着交流电机的广泛应用，对电机的控制也提出了更高的要求，本文针 对传统p i d 控制的不足，提出了一种基于模糊神经网络p i d 控制的控制方法， 本文主要进行了一下几个方面的研究工作： 1 介绍模糊控制和神经网络控制的基本理论知识，给出了模糊控制和神 经网络控制的模型以及算法；分析了模糊控制以及神经网络控制各自的优缺 点，对二者结合的可能性以及结合的意义进行了详细的阐述。 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 模糊神经网络控制器的研究。 研究了模糊逻辑和神经网络的结合， 习算法。 介绍了模糊神经网络的基本理论知识， 给出了模糊神经网络控制器的结构和学 3 针对传统p i d 控制应用于交流调速系统时参数难以整定的问题，用模 糊神经网络进行了初步的探索。 4 设计适合交流异步电机矢量控制系统的模糊神经网络速度控制器，以 提高调速系统的鲁棒性和自适应能力，并进行了仿真和试验研究，验证所提 出设计方案的合理性。 5 应用先进的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现基于模糊神经网络 的速度控制策略，实现高性能的电机调速系统。 本文所设计的系统，在控制的精确性方面明显优于以前的系统，作为一 种高效和节能的实验系统，在以后的科研和教学等领域都会发挥更大作用； 作为一种新颖的电机控制方法，对电机拖动系统的控制和节能具有一定的指 导和借鉴意义，对进一步深入研究电机系统奠定了坚实的基础。 1 6 本章小结 本章主要介绍电机调速的发展及研究现状，由现有的不足提出一种新的 设想，并通过实验来验证。还着重介绍研究课题的背景，特点还有研究目的 及意义。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章电机调速系统矢量控制 2 1 矢量控制技术及其应用 由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系 统，上世纪7 0 年代西门子工程师f b l a s c h k e 首先提出异步电机矢量控制理论 来解决交流电机转矩控制问题，已被广泛地应用在s i e m e n s 、a b 、g e 、f u j i 等国际化大公司变频器上1 4 j 。矢量控制方式主要有有速度传感器的矢量控制 方式、无速度传感器矢量控制方式和基于转差频率控制的矢量控制方式。 基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行u f = 恒定控制的基础上， 通过检测异步电动机的实际速度，2 ，并得到对应的控制频率厂，再根据希望 获得的转矩，分别控制定子电流的两个矢量，对通用变频器的输出频率厂进 行控制。基于转差频率控制的矢量控制方式可以消除动态过程中转矩的电流 波动，从而可以提高变频器的动态性能。这样就可以将一台三相异步电机等 效为直流电机来控制，因而可以获得与直流调速系统同样的动、静态性能。 早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用基于转差频率控制的方式。矢量 控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、有速度传感器矢量控制和 无速度传感器矢量控制等方式。 目前新型的矢量控制通用变频器已经具备了异步电动机参数的自动辨识 和自适应的功能，具有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行正常运转之 前可以自动辨识异步电动机的参数，并且根据结果调整控制算法中的相关参 数，从而进行有效的矢量控制。为了减小异步电动机转速偏差以及在低速区 域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路及专用数字式自动电压调整 ( a v r ) 控制技术已经成功应用于很多地方，并且取得了良好的效果。 2 1 1 矢量控制原理 矢量控制的基本原理是通过控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定 向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行独立控制，从而控制异 步电动机的转矩。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电 流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 分别控制，并同时 控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，我们就把这种控制方式 叫做矢量控制方式。简单的说就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者 的调节器，以获得高性能的电机调速【1 1 。 在研究异步电机的数学模型时，一般作如下的假设：忽略空间谐波。 设三相绕组对称( 在空间互差1 2 0 。电角度) ，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恒定；忽略铁心 的损耗；忽略频率和温度变化对绕组电阻的影响。 由此建立数学模型： 1 异步电动机在二相静止坐标系i f , 一p 上的数学模型 电压方程为： , d 1 u l n u d 2 “82 磁链方程为： v a l vb l v n 2 vb 2 转矩方程为： _ + 厶p 0 l 。p 0 0 0 _ + 厶尸0l m p h 三。尸0 3 ，l 。厂2 + l 2 pf o ，20 一f , o ，三。l m p一0 3 ，l 2 r 2 + 三2 p j l f b 厶0 上。0 怯 0 l 1 0 三。 l 。0 l 20 忆 0 三。0 l 2 l i 8 瓦= n p l ( 玷t f a2 一乇t i 9 z ) 2 异步电动机在以同步旋转坐标系d - q 上的数学模型 电压方程为： g l d l “d i u d 2 u q 2 _ + 厶p 0 3 1 厶 l m p s l m 磁链方程为： 一0 3 l l l + 厶p 一啦厶 l p l m p 1 l m 厂2 + 厶p c o 。厶 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) “如铱 toooo。上 厶p 厶坳 一 一 吃 黑龙江科技学院硕士学位论文 、i ，d 1 vq 1 vd 2 v q 2 转矩方程为： l l 0 0 l 1 l 。0 0 。 l 。0 0 上。 l 2 0 0上 ( 2 5 ) t = n p l ，( i q l i ，2 一i u l i 9 2 ) ( 2 6 ) 3 异步电动机在m 一丁坐标系上的数学模型 m t 坐标系是同步旋转并且按转子磁场、i ，：定向的坐标系，m 轴与转子 磁场方向重合，t 轴垂直于m 轴。转子磁链m 轴分量为v ：，t 轴分量为零。 电压方程为： 磁链方程为： u m l v 7 l wm 2 w t 2 转矩方程为： i d m ! “几 0 o v 肘l v l 1 u ，2 o 1 + p l l砌1 厶 f l i+ 础l p l ，。0 。l 。0 l l 0 0 厶 l 。0 0 l 。 p l m i 厶 吃+ p l 2 ，l 2 一1 l m p l m 0 ，一 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 疋= p l 。( f 7 1 i m 2 0 l i 7 2 ) 。 ( 2 9 ) 运动方程为： 警= 了n p ( 瓦一瓦) 眨 2 1 2 矢量控制类型 近些年，对矢量控制的研究非常活跃，异步电机矢量控制有各种各样的 方式：根据转子磁链、i ，的位置角0 推算法可分为直接型( 磁通检测型、磁通反 9 砌，埘枷：舻 丌iiiiiiii儿 h忱 丌iiiiiiii且 h =iijjiii业 0 厶0 岛 k o 厶0 黑龙江科技学院硕士学位论文 馈型) 和间接型( 转差频率控制型、磁通前馈型) ；根据电源驱动方式，可分为 控制电流源驱动和控制电压源驱动两种方式：根据有无速度传感器，又可分 为带速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制方式。 1 直接矢量控制 直接矢量控制是早期广泛采用的控制方式，其目的是用磁通传感器测量 出转子磁通的大小和位置，或者是通过测量定子的电压和电流来间接得到转 子磁通的大小和位置。直接矢量控制系统中，直接矢量控制都需要较多的传 感器来检测电压、电流和磁链位置，导致整个系统检测量太多、运算复杂， 影响了系统的可靠性。信号的谐波畸变也会造成很多问题。 2 间接矢量控制 间接矢量控制又叫转差频率型矢量控制，它是在m t 旋转坐标系下推算 转子磁链v ，的位置角0 ，其中转子磁链v ，是由电流模型观测所得。首先通过 电流检测模块检测定子电流，经过三相静止坐标系( a b c ) 到转子磁链定向 的两相同步旋转坐标系( m t ) 的变换，得到在m t 坐标系下的异步电机定子电 流的转矩分量和励磁分量，然后计算出电机的转子磁链，再通过转子磁链和 转矩电流得到转差，最终通过计算获得电机的转速【引。根据式0 3 ，= 。+ 推 出电机的同步转速、0 = 10 ) ，d t 推出转子磁链v ，的位置角o ，通过定子电流的 一 转矩分量和磁通分量各自的调节器输出定子电压的转矩分量和磁通分量；再 把两相同步旋转坐标系变换成两相静止坐标系；然后利用电压空间矢量法来 控制脉宽值，从而达到控制异步电机的目的。 2 2 电压空间矢量脉宽调制技术 早期的交直交变频器所输出的波形基本上都是矩形波或者六拍阶梯 波，由于当时的逆变器只能够采用半控式的晶闸管。然而这种晶闸管本身关 断的不可控性和较低的开关频率的缺点导致逆变器的输出波形不能近似按正 选波变化，产生较大的低次谐波，导致电机输出转矩会存在脉动分量，影响 其稳态工作性能。这种弊端在低速运行时显得尤为突出，为了改善交流电动 机变压变频调速系统性厶匕t 2 , 1 6 j ，2 0 世纪8 0 年代全控式电力电子开关器件出现 后，开发出了应用p w m 技术的逆变器。应用p w m 技术控制的逆变器在主 电路结构上比较简单，而且输出电压波形更接近正弦波。 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 1 电压空间矢量法的控制原理 可以通过软件轻松实现。本系统的研究便是基于空间矢量 q 5 i c 叫 左d 5 一 一笮a 卜 br c _ _ - - 。_ - - 。- 。- - 。- 。 q 6 c 叫 - - ，士1d 4 a 岛 r i o一卜_一 1 j。 u ，u h u 图2 1三相逆变器结构示意图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h r e e - p h a s ei n v e r t e r 用半导体开关器件的导通和关断首先将直流电压变成一组 后通过控制电压脉冲宽度实现变压，或者通过控制脉冲序 的周期实现变压变频的一种控制技术。主要特点是从电机 于通过控制电机的端电压使电机获得幅值恒定的空间旋转 旧逆变器的结构图1 7 j 。 变器由六个功率开关器件q 1 、q 2 、q 3 、q 4 、q 5 、q 6 组 l 型逆变器正常工作时其上桥臂和下桥臂的开关状态互补， 臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态，记功 “l ”，关断状态为“o ，则上桥臂q 1 、q 3 、q 5 的开关 可分别用一个3 位二进制代码表示，它们分别是：( 0 0 0 ) 、 ) 、( 0 0 1 ) 、( 1 0 1 ) 、( 0 11 ) 、( 111 ) 这8 个组合中，第一位数字 g - 位数字表示q 3 的状态，第三位数字表示q 5 的状态。 型逆变器的主电路。u 、是逆变器直流侧电压。由1 8 0 。导 ，负载电机的定子绕组都是两相并联后再和另一相串联接 ，u 。，u 。表示的是输出到电机三相绕组的电压， 蕾6 个逆变器的导通和关断，当同一桥臂的逆变器导通时， 1 1 黑龙江科技学院硕士学位论文 下面的一排逆变器会关断。a 、b 、f 的状态按照二进制编码有8 种组合状态， 通过变换把对应的8 种组合方式相电压映射到一个两相平面上。也就是把 三个向量的正交投影映射到垂直于向量( 1 ，1 ，1 ) 的二维平面上，这样就可以 产生2 个非零向量和2 个零向量，非零向量形成了一个六边形的轴，相邻两 个非零向量之间的角度是6 0 。，两个零向量位于原点，称这8 个向量为基本 空间向量。输出给电机的任意电压向量u 。均可由在仅一p 坐标系下轴电压 u 。、u 。确定。u 。向其所在扇区的两个基本空间向量轴投影，不需要求出 u 。，的值。逆变器开关状态和输出相电压、线电压的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 逆变器开关状态和输出相电压、线电压的对应关系 t a b 2 1c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po fi n v e r t e rs w i t c h i n gs t a t e sa n do u t p u tp h a s e v o l t a g e ，l i n ev o l t a g e 设吒，处于图2 2 基本空间向量平面分布图中扇区1 ( 由u 。和组成的 扇区) ，由数学知识能够很容易求出投影值，它们是电压量，与基本空间向量 比较并进行量化能够得到量化后的互、瓦，也就是一个p w m 周期内逆变器 的a 、b 、c 维持为0 0 1 的时间为正，维持为0 11 的时间为瓦。当正、瓦的和 小于一个p w m 周期时： r o = 耳删一互一疋 ( 2 11 ) 式中，乃脚是一个p w m 周期时间的量化值；瓦是零向量持续时间的量 化值。当z 、瓦的和大于一个p w m 周期时，一个p w m 周期由0 0 1 、0 1 1 两 种组态按比例分配；当睨。位于不同扇区时，分解为不同的组态，则持续时 间也都不相同。 文 算 关 疋 的 向 当 满 黑龙江科技学院硕士学位论文 足的关系表达式，从而确定u 。，的扇区。确定了u 俐所在的扇区，求出互、瓦、 瓦后，就可以利用d s p 的比较单元产生6 路p w m 输出。 2 2 2s v p w m 下的电机转速控制 交流电机的转速是取决于旋转磁场的速度，也就是定子磁链矢量的旋转 速度。忽略定子绕组电阻压降，定子磁链矢量的变化率与电压矢量幅值成正 比，所以能够通过改变电压矢量的大小改变旋转磁场的旋转速度而达到控制 电机转速的目的。改变电压矢量的幅值控制电机的方法主要有两种方式：a 改变逆变器直流侧的电压，显然，u ，改变后各个电压矢量都会按照一定规律 变化。这种控制方式的优点是磁通( 磁链) 和转矩( 转速) 分别进行控制。 不足是需要采用可控整流电路或采用斩波器进行直流调压，增加了控制电路 的难度。这种调速方式适合在电机额定转速以下降压调速的恒转矩控制方式。 额定转速以上的恒功率控制可以采用弱磁方式，即保持p w m 逆变器直流侧 电压不变，电机转速会随给定磁链的减小而升高。b 通过插入零电压矢量控 制电机的转速。8 个电压矢量中两个是零电压矢量，磁链矢量的旋转速度与 所选的电压矢量幅值近似成正比。因此，某个时刻选取的是零电压矢量，则 该时刻的磁链的旋转速度近似为零。这样就可以通过适当选用零电压矢量来 降低磁链矢量的旋转速度，7 | 。 2 3 矢量控制电机变频调速实验系统模型 本系统采用磁链闭环、转差频率型矢量控制方式。图2 3 为矢量控制变 频调速系统模型框图，图中有上标术的为指令给定值，其余为实际值。首先将 角频率指令缈，和国，的偏差信号送至速度p i 调节器( a s r ) ，速度调节器的输 出为转矩给定指令值瓦。根据系统要求确定磁链给定值：，在计算出定子 励磁电流分量给定值+ 后，由电机的实际定子电流f 。、f 。经过坐标变换 得到i 。肘、f l r ，然后算出动态斗耜, t _ t i 小t 的实际值y 2 和转差角频率6 0 ，求出o l g 。 同时通过乃+ 和沙：算出定子转矩电流分量给定值f l ，给定电流值f l m 、r 经 过坐标反变换得到定子三相电流给定值。、。 1 4 图2 - 3矢量控制电机变频调速系统模型框图 f i g 2 3 m o d e lb l o c kd i a g r a mo fv e c t o rc o n t r o lo fd u a l m o t o rf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m 在电流的调节部分，由电流指令给定值和实时检测所得的三相电流偏差 信号送至电流调节器，电流调节器采用滞环比较器，它的输出即为i g b t 逆 变器的控制信号。采用速度、电流双闭环的调节实现了励磁和转矩的分别控 制，电机励磁仅仅取决于定子电流的励磁分量，转矩仅取决于定子电流的转 矩分量，确定了电机的励磁和转矩值，就可以确定了“。和靠。应用矢量变 换通过对定子电流跟踪给定值的控制就能够实现对电机转速的控制，并且定 子电流励磁分量给定值o 和定子电流转矩分量给定值f l r 到实际值f l m 、j l r 的传递是解耦的，解耦的效果只与逆变器的延时时间有关，不依赖电机参数， 这样有利于提高系统的控制性能，进而实现高性能的异步电机变频调速矢量 控制0 1 。 黑龙江科技学院硕十学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍系统的矢量控制算法，介绍矢量控制的种类及其原理，并 建立其系统的结构模型。 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 第3 章模糊神经网络在电机调速系统的应用 3 1 模糊神经网络的基本理论 3 1 1 模糊控制 1 模糊理论 模糊理论是美国加利福尼亚大学u c b e r c l e y 学校的自动控制理论专家 l a 查德( z a d e h ) 教授最先提出的，1 9 6 5 年他在i n f o r m a t i o n & c o n t r o l 杂志上发 表了模糊集“f u z z y s e t ”一文，第一次让人们了解了模糊集合的概念。用模 糊集合