（电力电子与电力传动专业论文）异步电机无速度传感器矢量控制系统研究.pdf

a bs t r a c t t h es p e e ds e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r t e c h n o l o g y e n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo fa c d r i v i n gs y s t e m ，a n dr e d u c e st h er e a l i z a t i o n c o s t t h ek e yp r o b l e mi st h a th o ww ec a n g e tt h es p e e do fm o t o r a c c u r a t e l y t h i st h e s i sm a d ea s 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 l s y s t e m a n db u i hu pai n d u c t i o ns 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 o nb a s e dv o l t a g ed e c o u p l i n ga n da 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 m o nb a s e dm o d e lr e f e r e n c ea 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 e r e d u c e do r d e rm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r , am o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e s 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 mt h ee q u a t i o n so fi n d u c t i o n m 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 保as s p e e d e s t i m a t i o nm o d e lw a sb u i l tw i t hv a r i a b l e p 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 l s y s t e mo fi 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 e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i s i m p r o v e dm r a ss p e e de s t i m a t i o n m o d e lh a ss a t i s f i e de s t i m a t i o np 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 e s i m u l a t i o nm o d e l sc a nb eu s e di no t h e rv v v fc o n t r o l s t r a t e g ys y s t e m a l s o t h es p e e de s t i m a t i o nt h e o r yb a s e do n 胁s ，i ne s s e n c e ，i sb a s e d o nt h ei d e a lm o d e lo ft h em o t o rs p e e de s t i m a t i o np r o g r a m m e w h i c ha r e d e p e n d e n to nt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r si nt h e p r o c e s so fm o t o rs p o r t sh a sc h a n g e dg r e a t l ya n dt h u sg i v es o m eo ft h e m o t o rs t a t o ra n dr o t o rp a r a m e t e r sr e a l t i m ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d i n o r d e rt om a i n t a i nt h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e b a s e do nt h et r a d i t i o n a l a d a p t i v es y s t e m t h en e u r a ln e t w o r k r e p l a c e st h eo r i g i n a lo r g a n i z a t i o ni nt h ep a p e r ak i n do fn e wm e t h o do f s p e e de s t i m a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r k , a n dt h es t r u c t u r ea n dl e a m i n g a l g o r i t h mo fn e u r a ln e t w o r ka r ep r o p o s e di nt h ep a p e r 1 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ev e c t o rc o n t r 0 1s y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e d o n s p e e de s t i m a t i o no ff u z z yn e u r a ln e t w o r kh a sag o o dp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sa l s om a k e sa ni n t r o d u c t i o no ft h es p e e d s e n s o r l e s sv e c t o r c 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 i r c u i ta n dt h es o f t w a r e p r o c e s s k e yw o r d si 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 ， s p e e di d e n t i f i c a t i o n ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 蟀叁 日期：二卫啦年上月立日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：林森 导师签名 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及其意义 电气传动技术是以电机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以 达到控制电机转速或转矩的目的n 】。 电机可分为直流电机和交流电机，而交流电机又可分为异步电机和同步电 机。这三种电机各有利弊：直流电机控制简单，调速性能好，故其主要用于变速 传动领域，但其缺点是结构复杂，成本高，电刷容易磨损，维护不方便，对环境 的要求较高；异步电机结构简单，成本低廉，但由于其数学模型复杂，要实现对 其控制相对困难，故长期以来其主要用于不变速传动领域；同步电机的优越性在 于如果电源频率保持不变，则其转速就保持恒定，但过去一直存在着起动困难、 重载时有发生振荡甚至失步的危险，故实际应用有限。 然而在近几十年里，这种格局己经发生变化，随着电力电子技术、微电子技 术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步电机控制技术不断被提出，交流电机 调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。交流变频调速系统 具有优异的调速和起、制动性能及高效节电的效果，用变频调速技术的电机，其 容量、速度和电压等级都可以很高；调速系统体积小、重量轻、惯性小，运行可 靠性高，维护工作量少，适宜恶劣工作环境，成本低。由于变频调速技术特别是 矢量控制技术的突出特点，因此从一般工业技术到航空、航天军事工业，乃至家 电空调、精密伺服机器人控制等等，变频调速技术无所不及，正在逐步取代直流 调速n 钔。 矢量控制技术作为一种高性能的变频调速技术，虽已在交流调速领域得到广 泛应用，但其理论与应用仍不完善。要实现异步电机高性能的矢量控制，一般来 说速度闭环是必不可少的，转速闭环需要实时的电机转速，速度传感器的安装增 加了整个系统的成木和复杂性，影响检测精度，在恶劣条件下( 如高温、潮湿等) ， 速度传感器的安装又降低了系统的可靠性，除此之外，带速度传感器的矢量控制 系统也不实用于转速高达每分钟几万转甚至数十万转的高速电机的高速运行。因 此，研究无速度传感器矢量控制系统具有实际意义。 无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，除电机转速信息的获取途径、方法不同之外，仍沿用磁场定向控制技 术。因此，无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确的获取电机的转速信息。 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， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 目前实用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能，其调速范围不过 l ：1 0 左右5 一。 对无速度传感器的研究，国外早已起步并且实现了产品化，例如日立、东芝、 三菱、富士、a b b 等公司都推出了自己的产品；而国内在产品化及产品性能上远 远落后于国外，理论研究水平也较落后，目前国内的研究仅限于少数几所高等院 校，同时仅相当于八十年代中后期国外的水平。我国工业目前对通用型变频器的 年需求量相当大，性能优异的无速度传感器调速系统更受青睐。而如今8 0 - 9 0 的市场都被国外产品所占领，国内产品鲜有竞争力。因此，开发高性能的无速度 传感器交流调速技术并尽快将之产品化，己成为振兴我国民族变频器工业面临的 一个待解决的课题。 1 2 交流调速的发展 现代电动机控制不是单一的调速，其主要的被控量是电机的转矩。调速系统 采用闭环控制后，被控量有多个，如速度、位置等，最终是通过控制电动机的转 矩实现的。在直流调速系统中，控制电机的方法十分简单，调节电枢电压和励磁 电流大小就可以控制转速与转矩，并且利用电流、转速双闭环系统很容易获得良 好的动静态特性。在二十世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有良好的动静态 特性，高性能可调速传动系统都采用直流电机。但是随着工业生产的发展，直流 电机的薄弱环节逐渐暴露出来。由于换向器的存在，直流电机工作环境、最高转 速、单机容量受到极大限制，已不能适应现代调速系统发展的要求。而异步电机 结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉，因而各国研究人员纷纷转向交流调 速技术的研究。 交流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用阱。 i 一般性能的节能调速 在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等总容量几乎占工业电气 传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机 本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能因而 白白地被浪费掉了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省 下来，将可以节约很多能源。 2 高性能交流调速系统 许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比 直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如 果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的 原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施行灵活的即时控制，因此 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 交流电动机的使用受到很大限制。上个世纪7 0 年代初提出的矢量控制技术( 或称 磁场定向控制技术) ，和1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出的直接转矩控制理论， 另外还有解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流调速系统相媲美的 高性能交流调速系统。大大扩展了交流电动机的应用范围。 3 特大容量、极高转速的交流调速 直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和转速的乘 积约为l o e k w r m i n ，超过这一数值时，直流电机的设计和制造就非常困难了。交 流电机则不受这个限制，因此，特大容量的传动和极高转速的传动都以采用交流 调速为宜。 交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适合于异步电机，也适合于 同步电机，交流电机采用变频调速可以根据负载的特性不同，通过适当调节电压 和频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变 频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移 动。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低 电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流调速方法。也 是交流调速传动各种方式中应用最多的一种方式。 制约交流调速发展的重要原因口1 是，交流电机是高阶、多变量、强耦合非线 性系统，与直流电机相比，转矩难于控制。如果从电机的统一理论出发，能找到 异步电机和直流电机电磁转矩之间的共同基础和内在关系，就可以模拟直流电动 机来控制异步电机了。首先在这方面取得突破的是德国。德国学者在1 9 7 1 年首 先提出了磁场定向控制h 1 ( 即后来的矢量控制) ，解决了交流电机解耦与转矩控制 问题。随着电力电子技术的发展，新型电力电子器件不断涌现，微处理器的进步 以及现代控制理论的不断创新，矢量控制技术逐渐成熟，并得到实用。 1 2 1 电力电子技术的发展 电力电子器件的发展1 为交流调速奠定了物质基础。最初出现的是半控型器 件晶闸管，由晶闸管组成的静止变频装置输出方波或阶梯波的交变电压，取代 了旋转变频机组实现变频调速。但是晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，却 不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强 迫换流电路。随后出现了能够自关断的全控型器件，例如g t r 、g t o 、功率 m o s f e t ，i g b t ，m c t 等等。这些器件的应用，使得逆变器构成简单、结构紧凑。 在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有g t o ，g t r i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e lli g e n tp o w e rm o d u l e ) ，后面二种集g t r 的低饱和电 压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中最广 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 泛使用的主流功率器件。 i g b t 作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大的提 高，主要表现为 1 发热减少，将曾占主回路发热5 0 - - j 0 的器件发热降低了3 0 ； 2 高载波控制，使输出电流波形有明显改善； 3 提高开关频率，实现了电机运行的静音化； 4 驱动功率减少，体积趋于更小。 智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p i c ) 的过渡产品，是微电 子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有 逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。i p m 具有以下特点： 1 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 2 采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑； 3 集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开发时间； 4 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯 片给予足够的保护，故障率大大降低； 5 保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了信 号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又 提高了可靠性； 6 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电 压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； 。 7 很高的性能价格比，i p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而采用i p m 后的开关电 源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场 合其性价比己高过i g b t ，有很好的经济性。 目前i p m 己经在工业变频器( 中、小功率) 中被大量采用，随着技术的不断改 进，i p m 的功率也越来越大。同时经济型的i p m 在近年内也开始在一些民用品如 家用空调变频器，冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。i p m 也在向更高的水 平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块a s i p m 将不需要外接电源，通过 内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化、专 用化、高性能、低成本方面又推进了一步。 在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也得到改善与 提高。晶闸管的诞生奠定了静止变换器的基础，全控型器件的出现使得人们有可 能抛开以往复杂的辅助环流设施，而专注于电路拓扑结构和电动机控制算法的改 进。随着开关器件速度的提高，桥式p w m 逆变器( 主要是电压型) 已成为功率变换 的主要形式。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p 删逆变器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点，随着其在高 电压、强电流状态下开关频率的提高，将得到越来越广泛的应用。 1 2 2 脉宽调制( ( p n ) 控制技术 1 9 6 4 年，德国的a s h o n u n g 把通信中的调制技术应用到交流传动中，产生 了正弦脉宽调制( s p 删) 变压变频的思想。脉宽调制技术较相控技术能有效抑制高 次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能交流调速的要求，目前已成为逆变 的最主要控制方式。 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三 角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开 关，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p v m 信号输出，可以说直 到目前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由 于p w m 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量 变换系统中得到广泛应用m p 删控制技术大致可以分为三类，正弦p 删( 包括电压，电流或磁通的正弦为 目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) ，优化p w m 及随机p 嘲。正弦p 嘲 己为人们所熟知，其旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重 p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势。而优化p w l v l 追求的则是实现电流谐 波畸变率( t h d ) 最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其它特定 优化目标。 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，p w m 变频技 术也获得了飞速发展，目前主要有三种形式：基于正弦波对三角波脉宽调制的 s p l j l 7 m 控制、基于电流滞环跟踪的c h p l j | i d 控制和电压空间矢量s v p 靴i 控制。 目前主要应用的s p w m 可为三大类：电压s p w l v i 、电流s p w m 、电压空间矢量 p v i v l ( 即s v p w m ) 。具体实现的技术上则有：自然采样法，对称规则采样法，消除特 定谐波法，梯形调制技术，“”调制技术，相位调制技术，面积等效法调制等 1 0 多种p w m 调制技术。电压s p w m 和电流s p v 1 分别以追求电压和电流的正弦波 形为目标。电压空间矢量s v p i 聃i 则把电动机与p w m 逆变器看为一体，着眼于如何 使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，其思路是以三相对称正弦电压供电时 交流电动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量 来逼近基准圆，即用多边形来近似模拟圆形。理论分析和实验都表明s v p i 删i 调制 具有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高等优点，目前己在变频器产品中得 到了广泛的应用。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 微处理器的发展 早期电气传动控制系统完全由模拟电子器件构成，调节器参数调整困难，受 外界环境的影响很大，因而对控制对象的适应能力差，难于适应各种新型控制策 略和控制方法。另外，由于模拟器件的集成度不高，整个控制系统的硬件结构变 得非常复杂，从而影响控制装置的可靠性。 随着微电子技术的发展嘧1 ，微型计算机的功能不断提高，电气传动领域出现 了以微处理器为核心的微机控制系统。微机控制在初始阶段需要配置大量的外围 接口，以达到实时控制的目的。为了适应这种需要，一些公司在单块芯片上直接 集成这些外围接口，构成单片机。 单片机自问世以来，就得到了飞速发展，以i n t e l 公司为例，早期推出m c s - 4 8 系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的 m c s 一5 1 系列所取代。m c s 一5 1 系列单片机功能较强，寻址范围达到6 4 k ，有多级 中断处理系统，片内带有串行i o 口，1 6 位定时计数器，但在一些比较复杂的 控制系统中，由于受计算速度和计算精度的影响，它不得不让位于1 6 位单片机。 m c s 一9 6 系列1 6 位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，但当用于需要进行大 量数据处理或浮点运算时则略有逊色。 8 0 年代初期出现的数字信号处理器( d s p ) 既增强了微处理器的数据处理能 力，提高了精度，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛 应用，使得研制全数字化的高性能交流传动系统成为现实。目前，电气传动领域 正在由模拟系统向数字化系统发展。 1 2 4d s p 技术的现状及前景 1 d s p 的特点叫n o 】1 d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。但它不同于一般 的微处理器，它是微电子学专家、信号处理专家和计算机专家共同合作的结晶。 d s p 具有极其高速的数字处理能力和很大的运算量。因此，它能满足高效实时信 号处理的要求。这种新器件的特点如下： ( 1 ) 采用哈佛( h a r v a r d ) 结构，高度并行运算大大提高运算速度。传统的处理 器采用程序和数据共享一个存储结构，而使处理器的速度受总线速度的限制。d s p 采月h a r v a r d 结构，即将数据总线( d m a 总线) 分离开来，从而可以集合其它的并 行处理单元，实现同一指令周期内将操作数据从程序存储器和数据存储器中取出 并送到返算单元。改进型h a r v a r d 结构的存储器与数字存储器位于两个独立的空 间，但可以相互传递数据。数据存储器可以通过来自程序存储的固定参数初始化。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在一个周期内可以同时准备好指令与操作数。这种高度并行运算，内部操作采用 时间上重叠的汀水线结构，大大提高了运算速度。片外扩展总线增加了d s p 的通 用性和灵活性。 ( 2 ) 芯片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器，能单指令实现乘加运算 和寻址运算。d s p 内部专门设置了乘法累加结构，在硬件上实现了乘法与累加器 的并行工作，能在一个指令周期内完成乘法并将乘积求和运算，以满足数字滤波 卷积运算以及超越函数幂级数展开等相乘后求和的运算需要。片内专门设置了专 用变址器，便于实现变址运算。 ( 3 ) 芯片内专门设置了功能很强的专用指令，可以实现指令的重叠运行。d s p 中每条指令的运行过程都可以分为获取、解码、读、执行几个阶段，每个阶段独 立操作指令可以重叠。d s p 还在硬件上采用了数组处理技术，可以在寄存器、运 算单元中处理变量的同时，使用指针访问数据存储器。而并行工作构成了功能很 强的复合指令，它相当于通用c p u 多条指令。 ( 4 ) 芯片内设置了多种功能很强的外围器件和接口，使其运算速度比p c 机要 快很多倍。现今的d s p 在其结构上一般配备了可编程定时高速串行接口、多处理 器连接接口等。因此，用它来处理数字信号，特别是线性变换( 快速傅立叶变换、 希尔伯特变换、余弦变换等) 、数字滤波( 有限冲激响应滤波和无限冲激响应滤波 等) 、卷积远算等，其速度大大提高。在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆 序寻址功能。因变频谱分析的理论基础是快速傅立叶变换( f f t ) ，从而大大加快 了频谱分析处理过程。 ( 5 ) d s p 增加了硬件循环控制，当完成循环初始化后，实际运行中循环不再 消耗指令周期，大大提高了数字信号处理的运算速度。 ( 6 ) 超长指令字结构，使设计简单化，不需要动态码再排序的硬件支持。超 长指令字结构是指令级的并行机制，它在一个长指令中，安排了若干个操作在多 个功能单元中同时被执行。v l i w 结构将复杂性从硬件移到了编译器，它的处理 器依赖于指令编译的快慢。其特点是在单个周期内，将含有多项运算操作的指令 划分为多个操作，这些操作的发出与执行都采用并行方式，以提高每次执行的操 作总数。 ( 7 ) d s p 成本低，销售价格逐年降低。d s p 并非是为某种功能设计的芯片，其 应用范围广，出片量多，因而可以降低其成本。随着d s p 设计质量提高，给用户 提供很大的好处，用户量增多，销售价就降低。 2 d s p 今后的发展方向 d s p 作为今后世界数字化技术发展的核心部件，将对许多行业包括人们的日 常生活起到很大的影响，其发展将表现在以下几方面： 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 追求更高速度和更小封装； ( 2 ) 追求低价格，多功能； ( 3 ) d s p 的硬件设计简单化，软件设计多样化： ( 4 ) 发展低电压、低功耗的d s p 芯片，用于个人移动通信技术以及便携式设 备等方面。 d s p 的发展可以说是日新月异，它是未来数字化世界的源泉。 1 2 5 异步电机变频调速系统的控制类型 目前异步电动机变频调速系统的控制方式有四种乜】【5 瑚1 ： ( 1 ) 恒压频比控制 ( 2 ) 转差频率控制 ( 3 ) 矢量控制 ( 4 ) 直接转矩控制 这些控制方式可以得到各有特长的控制性能。 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， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 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 3 矢量控制和无速度传感器控制技术的现状 自2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出了“磁场定向控制的 理论和美国的p c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请了专利“感应电机定子电压的坐 标变换控制打，矢量控制技术发展到今天已形成了各种较成熟并已产品化的控制 方案，且都已实现无传感器控制。即用转速估算环节取代传统的速度传感器( 如 测速发电机、编码盘等) 。 矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相 交流电流，、通过坐标变换变换到同步旋转坐标系轴系下的两相直流电流。 实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量：用来产 生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。然后像控制直流电机 那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把这 些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。 无速度传感器矢量控制技术是在上述矢量控制方案的基础上，利用电机定子 边较易测得的电量( 电压或电流) 推算出电机的转速和磁通，进而实现对转速的控 制。它目前是众多国内外学者研究的重点和热点，主要是由于高性能的矢量控制 系统必须采用速度闭环控制，而传统的转速检测装置多采用光电码盘等速度传感 器来进行转速检测。而速度传感器的应用往往存在以下问题：( 1 ) 增加了系统的 成本；( 2 ) 使电动机轴向上体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时 破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性；( 3 ) 若安装码盘， 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 存在同心轴问题，安装不当将影响测速精度；( 4 ) 增加了系统的复杂性，降低了 系统的可靠性；( 5 ) 有些场合不容许外装任何传感器。如此种种，影响了异步电 机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性。 无传感器矢量控制需同时推算转子磁通和转速，虽然增加了系统软件的复杂 性和计算量，但随着计算机技术的迅速发展，高运算能力的微处理器不断出现和 普及，其应用前景广阔。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度感 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乜吲2 订。 1 3 1 异步电机转度估算方法综述 无速度传感器矢量控制系统的好坏取决于速度辨识的精度和转速辨识的范 围。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。目前，国内外学者提出了许多方法嘲嘲儿枷。从电机模型的理 想化程度的角度可以将无速度传感器控制方法分为两大类。一类是基于电机理想 模型的方案。另一种方法就是基于电机非理想模型的方案，即从电机被忽略的非 理想特性上寻找方法，比如磁饱和、集肤效应、齿槽效应、人造转予凸极、转子 偏心等。 ( 1 ) 动态速度估计法 主要包括转子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。这种 方法的最大优点是算法结构简单，有一定的自适应能力，是一种效果良好的速度 估计方法。缺点是辨识精度受磁链控制性能的影响，且p i 调节器的调节能力有 限。 ( 3 ) 模型参考自适应法( m r a s ) 利用模型参考自适应系统估计转速和转子磁链的方法是较早时期提出来的， 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 c o l i ns c h a u d e r t 饕3 在1 9 8 9 年提出利用一种基于模型参考自适应系统，利用电机 定子电流信号进行转速估计的方法，他以电机转子磁链的电压模型作为参考模 型，电机的电流模型作为可调模型，建立一个模型参考自适应系统来估计电机转 速，利用p o p o v 超稳定性定理给出了转速估计的算法。这是首次把模型参考自适 应系统应用于电机矢量控制的文献报告，人们在此基础上对采用m r a s 的矢量控 制进行了大量研究。 h i r o k a z ut a j i m a 等嘲利用s c h a u d e r 提出的方法得到转速估计值，利用控 制系统中状态观测器的理论设计了一个降阶观测器对转子磁链进行观测，通过 d s p 的实验研究表明系统转速估计收敛于给定值，但实验的转速超调相对较大。 h i s a ok u b o t a 等汹1 提出了一种估计转速的新方法：转速自适应磁链观测器， 这是以电机在两相静止坐标系中的状态方程作为参考模型，其全阶状态观测器作 为参考模型构成的一个转速自适应观测器，通过调节观测器的转速信号实现转子 磁链的自适应观测。 h o s s e i nm a d a d ik o j a b a d i 、l i u c h e nc h a n g 网1 ( 2 0 0 5 ) 等提出了一种新的降阶 磁链观测器技术，该方法通过补偿定子电阻，使控制系统在很宽速度范围( 包括 低速) 获得很好的鲁棒性和动态特性。 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。 模型参考自适应系统由于其模型简单，对控制器的计算量要求不是很大，同 时可以通过引入新的控制算法( 模糊控制、神经网络等) 来提高系统的参数辨识和 速度估计的精度，所以在目前的无速度传感器矢量控制系统中占有非常重要的地 位。 ( 4 ) 扩展卡尔曼滤波器法h 1 1 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，因此实际应用的很少。 ( 5 ) 滑模变结构法 滑模变结构控制是一种自适应的非线性控制，其主要特点是，根据被调量的 偏差及其导数，有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态打的轨迹运动，与被控 对象的参数和扰动无关，因而系统具有很强的鲁棒性。这种控制策略不需要任 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 何在线辨识，所以很容易实现。一般可以构造滑模状态观测器，从而得到转子 磁链和定子电流的估计值，再通过计算得到转速。但是它本质上是一种开关控制， 在系统中不可避免地带来“抖动 问题，只能设法消弱抖动，却不能消除它，这 也限制了它的实际应用。同时，开关过程的延迟、磁滞现象均可能引起高频振荡， 而这些振荡又对某些未建模部分起到激励作用，给稳定性构成威胁。所以，变结 构控制要投入实际应用必须解决这些问题。 ( 6 ) 神经网络法 人工神经网络以其独特的非传统解析表达方式和固有的学习能力，对不确定 的复杂问题表现出很强的控制能力，目前己被广泛应用于非线性控制领域，如复 杂系统的建模、参数辨识和自适应控制。神经网络已经被证明具有逼近任意非线 性函数的能力，人工神经网络经过严格的训练以后，具有对非线性系统进行辨识 的能力，由非线性处理函数构成的多层网络更具有对任意函数良好的逼近能力。 l a s h e rb e n - b r a h i m 等m 1 ( 1 9 9 9 ) 提出了一种神经网络自适应转速估计方法， 这种方法是基于转子磁链的电压和电流模型，用神经网络训练电流模型得到转子 磁链的估计值，通过对电压模型的实时计算得到磁链的实际值，两者之差作为输 入样本对神经网络进行修正训练，从而估计出转速大小，这种方法也可看成是一 个变化的模型参考自适应系统，只是把对神经网络的训练过程作为可调模型的参 数自适应算法。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。 此外，还有由j m i s h i d a 和k d h u r s t 等的转子齿谐波法，l o r e n z 等学 者的高频凸极跟踪法m 1 等。这几种方法为无速度传感器控制的应用提供了新的思 路。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。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 3 2 电机参数的在线辨识 随着无速度传感器矢量控制系统的发展，其正逐渐的应用于实际当中，然而 无论那种速度估计方法都不能使速度和电机参数完全解耦，这就意味着电机参数 的变化将严重影响速度估计的精度和矢量控制系统的鲁棒性和动、静态特性因 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 此，参数的在线辨识的重要性也日益突出 1 基于模型参考自适应的参数辨识 l 睡o h a m e dr a s h e d 等嘲( 2 0 0 3 ) 设计了一种新型的模型参考自适应磁通观测器， 通过电机静止坐标系下的数学模型计算所得的电流和实测的电机的电流作比较， 得到电流误差值，然后根据电流误差值，利用超稳定方程来实现定子电阻在低速 时的在线辨识。 2 基于人工神经网络的参数辨识 b a b u r a jc a r a m e l 等h 3 1 ( 2 0 0 5 ) 提出了种基于神经网络感知器的自适应转子 电阻估计方法，这种方法是基于静止坐标系下的转子磁链的电压和电流模型( 神 经网络模型) ，根据两种模型的输出误差，经过反向传播算法，修改神经网络模 型的参数，从而估计出转子电阻的大小，这种方法也可看成是一个变化的模型参 考自适应系统，只是把对神经网络的训练过程作为可调模型的参数自适应算法。 此外，文献h 3 1 还提出了基于模糊逻辑控制系统的定子电阻的在线辨识；文献 阳1 提出一种基于扩展卡尔曼滤波器的转子时间常数的估计方法，获得了很好的效 果。 1 3 3 无速度传感器矢量控制变频器产品综述 目前无速度传感器矢量控制变频器已能达到的技术指标见表1 - 1 。 袁1 - 1 无速度传感器矢量控制变频器技术指标 项目性能 输出频率下限 输出频率上限 调速精度 速度响应