（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的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho 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 f o ra s y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed r a m a t i cd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r s c i e n c e ，t h es p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yo fa l t e r n a t i n gc u r r e n tm a c h i n eh a sm a d e c o n s i d e r a b l ep r o g r e s s n es p e e d - s e n s o d e s sv e c t o rc o n t r o lo f a s y n c h r o n o u s m o t o rh a sb e c o m eaf o c u sg r a d u a l l ya sa l li m p o r t a n ta p p r o a c hd i r e c t i o ni n m o d e r na l t e r n a t i n gc u r r e n tm a c h i n ec o n t r 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h et h e o r yo fs p e e d s e n s o d e s sv e c t o rc o n t r o l s y s t e m ，t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ea n ds p e e d a d a p t i v e r o t o rf l u xo b s e r v e ri ss i m u l a t e d t or e a l i z et h e d e s i g n e ds y s t e m ， n e c e s s a r yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea l s os c h e m e d f i r s t l y , p r o g r e s so fc o n t r o ls t r a t e g i e so fa l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o ra n d s p e e d - s e n s o d e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r si ss u m m a r i z e d ，a n dt h e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n ts t r a t e g i e sa r ee n u m e r a t e da n d c o m p a r e d t h e n , t h ep r i n c i p l e so fv e c t o rc o n t r o l ，c o o r d i n a t ec o n v e r s i o na n d s p a c ev e c t o rp u l s em o d u l a t i o n ( s v p w m ) a r ee x p o u n d e d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l s o fa s y n c h r o n o u sm o t o ri nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e sa r ei n t r o d u c e d t h a to f f e r t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho 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 mf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r s e c o n d l y , t w ok i n d so fs 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 nm 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 n df u l lo r d e r s p e e da d a p t i v er o t o rs t a t eo b s e r v e ra r ed i s c u s s e d a n dt h es t a t eo b s e r v e r ，s p e e d a d a p t i v el a w ，f e e d b a c kg a i nm a t r i xo fs e c o n dk i n do fv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r e d e d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h e s e ，t h es i m u l a t i o n so fs 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 nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e ma n df u l lo r d e rs p e e d a d a p t i v e r o t o rs t a t eo b s e r v e ra r er e a l i z e di n m a n a b s i m u l i n k ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d f i n a l l y , t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 0t or e a l i z 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 l n 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 s y s t e mf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r a r es c h e m e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h et w ok i n d so fs 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 ls y s t e m sf o ra s y n c h r o n o u sm o t o ra r eb o t he f f e c t i v ea n dr a t i o n a l t h es p e e de s t i m a t i o no ff u l lo r d e rs p e e da d a p t i v er o t o rs t a t eo b s e r v e ri sm o r e a c c u r a t et h a nm r a s ，b e c a u s et h ee r r o r - c o r r e c t e dl o o pi su s e d k e y w o r d sa s y n c h r o n o u sm o t o r , 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 l ，m r a s ，s t a t e o b s e r v e r 玎i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文异步电机无速度传感器矢量 控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名房定曼日期：脚印拍 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容： 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密叼。 导师签名： 日期：矽年瑚拥 日期：年月日 哈尔滨理工大学硕上学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动， 其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水 泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速i l ，2 i 。过去由于直流调速系统调速方 法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动 系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直 流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、 需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向 问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前3 0 0 0r r a i n 左右的 高速直流电机最大容量只有4 0 0k w 左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远 不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。 交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉， 而且坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点， 在工农业生产中得到了广泛的应用。但是交流电机调速比较困难，早期的应 用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速， 3 0 年代提出了绕线式异步电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁 场的同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。另一类调速方法是调 节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或变 频来实现，其中变极调速只能是有极调速，应用场合有限。 交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适 用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载 的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可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，而转差功率不变。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电机调速方法。 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其 最有效的控制首推7 0 年代提出的矢量控制技术。1 9 7 1 年德国西门子公司的f 哈尔滨理工大学硕士学位论文 b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制原理和美国的p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制修，经过不断 的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。矢量控 制技术的提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交 流传动控制理论上的一个质的飞跃。 以转子磁场定向的矢量控制系统已经广泛地应用在高性能的工业应用场 合。由于矢量控制需要转速闭环，因此很多情况下，人们是利用同轴安装的 速度传感器进行测速 3 , 4 1 。但是精密的速度传感器价格较高，且在某些恶劣环 境下无法安装速度传感器，因此无速度传感器矢量控制技术得到越来越广泛 的关注 1 2 交流电机控制技术的发展与展望 1 2 1 交流电机控制技术的发展 交流电机控制技术的发展是与电力电子技术、数字控制技术和控制策略 的发展紧密相关的。 1 电力电子技术对电机控制技术发展的影响电机控制技术的发展与电 力电子器件制造工艺的提高、产品的更新密不可分。 1 9 世纪末，交流电机面世。但是其调速困难，调速性能和转矩控制特性 都赶不上直流电机调速系统，因此在调速传动领域中多采用直流电机调速系 统。 上世纪2 0 年代，人们开始意识到变频调速是一种较理想的交流电机调速 技术，然而其所需设备庞大，可靠性差的缺点限制了它的发展。直到2 0 世纪 6 0 年代第一代电力电子器件s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e o 的出现，才使交 流调速技术有了新的转机。之后电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制 技术水平有了突破性的提高。s c r 作为最早的电力电子元件，以其高电压、 大电流的特性，至今仍在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱 动应用中占有不可动摇的地位。自第二代以g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、 g t o ( g a t e - t u m - t h y r i s t o r ) 、m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 至第三代以i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 为代表的电力 电子器件的发展中，除了自关断能力外，元件的开关频率不断提高，元件通 态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提 哈尔滨理工大学硕士学位论文 高。例如采用g t r 做成的通用型变频器，g t r 的开关频率约为2k h z 左右， 变频器输出的最低工作频率约为3h z ，最高频率1 2 0h z 左右。而采用i g b t 做成的通用型变频器，i g b t 的开关频率约达2 0k h z 左右，变频器的最低输 出频率可达o 5h z ，最高工作频率可达4 0 0 5 0 0h z 。用它控制电机运行，则 噪声更小，运行更平稳。高开关性能元件的问世是现代矢量变换控制应用于 中小功率、高性能交流调速系统的保证。第四代电力电子器件i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ) 和p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的出现，大幅度降低了开发时 间和费用，进一步提高了系统的可靠性。它们不但可以提供一定的功率输出 能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。其内含驱 动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机 的再生制动。外部只需提供p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 信号给i p m ，就可 以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。总之，电力电子技术是电机 控制技术发展最重要的物质基础。 2 数字控制技术对交流电机控制技术发展的影响最初的电机控制都是 采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控 制专用集成电路被大量应用于电机控制中。这些电路大多为模拟、数字混合 电路，在很大程度上提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新 产品的开发周期，降低了研制费用，因而发展很快。 随着数字技术的进步，在电机控制中开始引入数字芯片作为控制器。市 场上较通用的变频器大多采用了单片机来控制。但单片机的处理能力有限， 对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求 高，单片机往往不能满足要求。之后d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 被应用到 电机控制中，改善了电机控制的实时性和运算精度。为了在广阔的电机控制 市场抢占份额，各大d s p 生产厂商纷纷推出自己的内嵌式d s p 电机控制专 用集成电路。如占d s p 市场份额4 5 的美国德州仪器公司，凭借自己的实 力，推出了电机控制器专用d s p t m s 3 2 0 c 2 4 x 。此外，电机控制技术发展的 多样化、复杂化，使其对电机控制电路的要求更加苛刻，这样自己开发电机 专用的控制芯片也逐渐流行起来。c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 是一种很好的解决方案。作为开发器 件，c p l d 或f p g a 具有用户可编程的特性。利用c p l d 或f p g a ，工程师 可以在实验室中设计出专用的电机控制集成电路，从而大大缩短了产品开发、 上市的时间，降低了开发成本。一片c p l d 或f p g a 就可以实现非常复杂的 逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。数字控制技术对电机控制 3 哈尔滨理工大学硕士学位论文 的影响是深远的，它大大推动了电机控制技术的发展和电机控制行业的繁荣。 3 交流电动机的控制策略交流电动机的控制策略可以简单的分为以下 四代，如表1 - 1 所示【5 1 。 表1 1 交流电动机控制策略 代名称速度环优点缺点 第 系统性能不高，控制曲线 正弦脉宽控制电路结构简单、成本较 调制控制 开环会随负载变化而变化、转 代 低 矩响应慢、电压利用率低。 第空间电压矢 模型简单、易于数字控制、电路环节较多、没有引入 二 量脉宽调制开环转矩脉动小、电压利用率转矩调节、系统性能没有 代控制高。 得到根本改善。 第 转子磁链难以准确观测、 _ 动态性能好、可与直流电机 =矢量控制闭环 矢量旋转变换复杂、计算 代 系统媲美、调速范围宽。 繁琐。 第省去了矢量控制的复杂计 四 直接转矩 闭环 算、动态性能好、速度与转 转矩脉动较大、低速性能 控制 差、调速范围窄 代矩响应快。 1 2 2 交流电机控制技术的展望 首先在电力电子技术方面，可以预期新的更高性能的电力电子器件还会 出现，已有的电力电子元件还会不断地改进和提高。除此之外，大功率半导 体元器件正在向高频化、智能化、模块化方向发展，如果与单片控制芯片结 合则可以实现两片式系统，以满足交流电机控制的需要。 其次在电机控制器方面，微控制器正朝着处理能力更强、速度更快、性 价比更高的方向发展。如t i 公司的新一代3 2 位浮点型d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，最高工作频率高达1 5 0m h z ；片内内置2 5 6k x l 6 位f l a s h ， 两个3 4k 1 6 位单口随机存储器；具有1 2 位1 6 通道a d c ( a n a l o g d i g i t a l c o n v e r t e r ) ，可进行两路独立的d 转换，每路转换时间可达8 0n s ；3 个3 2 位定时器及马达控制等外部设备【6 i 。此外，电机控制专用集成电路的出现对 电机控制产生了深远的影响，它大大地推动了电机控制行业的发展，市场前 景十分广阔，只可惜国内的集成电路厂商至今还不能在这一市场七占据应有 - 4 - 哈尔滨理工大学硕 j 学位论文 的份额。 在控制策略方面纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都有理论 方面的突破。但现在电机控制理论已经较为成熟，再提出具有划时代意义的 理论不太容易。因此今后相当一段时间内还会是将现有的各种理论加以结合， 互相取长补短，或将其它学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道 路。此外，还有许多其它相关的内容有待研究，如：磁通的准确估计或观测； 无速度传感器的控制方法；电机参数的在线辨识；极低转速包括零速下的电 机控制；电压重构与死区补偿策略：多电平逆变器的高性能控制策略等。 1 3 交流电机无速度传感器矢量控制技术的现状及趋势 交流电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，也是沿用磁场定向控制技术，只是电机转速的获取途 径和方法不同。因此，无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确地获取 电机的转速信息，利用容易测量的定子电流、电压等信息综合计算出电机旋 转速度，目前已经提出了许多方案1 7 - 加i 。总的来说可以分为以下几类： 1 ) 直接计算法； 2 ) 直接由状态方程合成法； 3 ) 模型参考自适应法( m i c a s m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) ； 4 ) 基于自适应全阶状态观测器的方法； 5 ) 基于扩展卡尔曼滤波器( e k r e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ) 的方法； 6 ) 高频信号注入法； 刀基于神经网络的方法。 1 直接计算法直接计算法基于异步电机p a r k 方程，从电机的电磁关系 式中得到转差或转速的表达式。常用的基于转差的直接计算法，即利用同步 转速减转差得到转子的实际转速。同步转速和转差均在假设已实现磁场定向 控制的前提下根据稳态公式得到。 为了克服磁链计算时的积分漂移问题，文献 1 1 1 利用转子反电动势计算 同步转速。早期的东芝、日立、富士的无速度传感器矢量控制产品中采用的 就是这种基于转子反电动势的直接计算法。 采用直接计算法计算转速，直观简单，实时性好。但是，由于这类方法 本质上属于开环观测方法，没有误差校正环节，缺点也十分明显。存在的问 题有：1 ) 由于不能保证动态过程中矢量控制是否能正确实现，因而不能保证 哈尔滨理工大学硕士学位论文 整个传动系统的动态性能；2 ) 系统的抗干扰能力很差，稳态性能受负载转矩、 电机参数扰动的影响较大；3 ) 对基于转子反电动势的方法，由于低速时反电 势的值很小，导致算得的转速误差较大。 2 直接状态方程合成法利用异步电机的状态方程建立磁通观测器，可 以观测到电机的转子磁链或者定子磁链，并通过求导的方式获得同步转速信 号魄。再引入转差嫂。的计算，通过q 一皱一t o , 。得到转子速度。a b b 、东洋电 机曾在产品中使用该方法1 9 】。显然，直接合成的方法对电机参数也十分敏感， 而且同样属于开环观测方法，因此估计性能较差。 3 模型参考自适应方法基于模型参考自适应( m r a s ) 方法的转速估计 的基本思想是将不含转速的方程作为参考模型，而将含转速的方程作为可调 模型，两个模型具有相同物理意义的输出，利用这两个模型输出量的偏差构 造适当的自适应律，实时调节可调模型中的转速，以达到可调模型的输出跟 踪参考模型的输出，最终实现转速估计的目的。模型参考自适应方法是一种 基于稳定性设计的方法，能够保证估计的渐近收敛。根据参考模型及可调模 型的不同选择，有多种m r a s 转速估计方法【1 2 。1 4 l 。 应用最多的m r a s 转速估计算法是以观测转子磁链的电压模型作为参 考模型，以含转速信息的电流模型作为可调模型的算法。这样可以充分利用 磁链观测过程的计算结果，转速估计的实现只需增加很小的计算量。由于使 用电压模型来计算转子磁链，引入了纯积分环节，使得磁链模型受积分初值 及零漂的影响严重，转速估计结果并不准确。而且低速时性能较差。文献 1 2 1 采用了“反电动势+ 低通滤波器 的物理量来替代对磁链的计算以解决零漂问 题，但仍难以解决低速问题。由于反电动势在低速时值很小，且在转速过零 时变化缓慢，使得算法对定子电阻的变化较为敏感，导致估计不准确甚至不 收敛。三菱的部分产品中使用了此方法。为了增加算法的鲁棒性，消除定子 电阻等电机参数的影响，文献 1 4 1 提出了利用瞬时无功功率构造m r a s 的参 考模型和可调模型。这一方法的参考模型和可调模型中均不含定子电阻，对 定子电阻完全不敏感。不过，估计的稳态精度却又受转子时间常数的影响。 此外，该方法存在一定的稳定性问题，例如当转速给定为负的阶跃时，估计 算法将不收敛。 4 基于自适应全阶状态观测器的方法前面提到的几种转速估计方法， 都需要使用转子磁链的开环重构( 观测) 值，因此本质上都属于开环性质的观 测方法。这些开环转速估计方法是无法克服电机参数变化和积分漂移带来的 误差的，因此估计性能较差【1 5 1 6 i 。 哈尔滨理工大学硕十学位论文 采用全阶观测器的方法，可以得到闭环性质的转速估计方法，这类方法 利用转子磁链观测值以及定子电流的观测值与测量值的偏差来估计转速，根 据状态偏差的动态方程和l y a p u n o v 稳定性理论推导自适应律。常见的自适应 全阶状态观测器有基于扩展龙贝格观测器( e l o e x t e n d e dl u e n b e r g e r o b s e r v e r ) 的和滑模观测器的。 这类方法仍然含有m r a s 的思想，只是这里的参考模型变成了异步电机 本身，可调模型变成了闭环全阶观测器。 这类方法在全速度域的稳定性和动态特性较好，但e l o 是基于确定性方 程的观测方法，转速估计效果仍然受电机非线性特性及转子电阻等电机参数 变化的影响。基于滑模观测器的自适应转速估计方法对参数偏差、系统噪声 有很好的稳定性，提高了估计的鲁棒性。 5 基于扩展卡尔曼滤波器的方法自1 9 6 0 年r e k a l m a n 提出卡尔曼滤 波器( k a l m a nf i l t e r - k f ) 以来，它在各个领域得到了广泛的应用，已经成为线 性系统状态估计问题的标准算法【1 7 l 。在非线性估计方面，通过一阶线性化方 法用卡尔曼滤波器进行滤波估计的扩展卡尔曼滤波器r ( e k f ) ，凭借方法简单、 可实现性强、快速收敛等优点成为了最为广泛应用的非线性系统状态估计算 法。e k f 提供了一种迭代形式的非线性估计算法，避免了微分运算，而且可 以通过调节误差协方差阵来调节状态估计的收敛速度。此外，最为重要的是， 由于基于e k f 的转速估计方法是建立在系统的随机过程模型上的，因此具有 很强的抗噪能力，这是其它转速估计算法所不具备的【1 7 ，墙l 。其算法的统计本 质使得e k f 非常适合于克服异步电机模型的不确定性和非线性，估计性能优 越，因而成为转速估计问题研究的热点，引起了学者广泛的关注【均j 。 6 高频信号注入法高频信号注入法通过在电机定子侧注入一个三相平 衡的高频电压信号，利用人为造成的或内部寄生的不对称性，使电机产生一 个可检测的磁凸极，通过对该磁凸极位置的检测来获取转速信息【2 0 l 。该方法 不依赖于电机参数和运行工况，可以工作在极低速甚至是零速运行状态下， 计算量适中。这类方法为转速估计提供了新思路。然而，这类方法要求的测 量精度很高，这提高了软硬件的复杂程度。此外，对于凸极特性程度较低的 电机，较难实现，而要增强凸极性就要求电动机的设计更加精确。因此，这 类方法的实用前景并不乐观。 7 基于神经网络的方法人工神经网络因其具有自适应、自学习本质， 非常适合于解决非线性问题。而异步电机转速估计正是这样一类问题，因而 近年来出现了相当多的用神经网络作异步电机转速估计的研究。文献f 2 1 1 中 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 采用修改的并联模型结构，用神经网络替代电流模型转子磁链观测器，用误 差反传算法取代比例积分自适应律进行转速估计，网络的权值为电机参数， 网络的输入、输出具有明确的物理意义。文献 2 2 1 利用神经网络估计异步电 机矢量控制系统的反馈信号( 包括转速、磁链、转矩) ，以电机可测量( 即定子 电压、电流) 作为输入样本，通过对多层非线性前向网络进行训练，使网络能 对电机转子磁链、转矩及转速进行辨识，且将辨识结果用作矢量控制系统的 反馈。较其它估计方法而言，这样的神经网络估计器计算速度快，容错性强， 抗谐波干扰，它的缺点是反复的训练会花费大量时间。文献f 2 3 1 提出用反向 传播b p 神经网络实现异步电机的转速估计，其优点在于不需要事先进行离 线训练和模式训练，直接在线训练、在线使用。 神经网络理论在交流传动控制系统中的应用尚处于起步阶段，各种方法 仍处于不断探索与完善之中。然而，可以预见随着人工神经网络理论与应用 技术的日益成熟，必定会对交流传动控制技术产生很大的影响。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究交流异步电机的无速度传感器矢量控制方法，首先基于感 应电机的基本原理，详细分析异步电机矢量控制以及空间电压矢量脉宽调制 ( s v p w m ) 的基本原理。其次对交流感应电机的无速度传感器控制的转速估计 方法进行详细地研究，阐述模型参考自适应方法、速度自适应转子磁链全阶 状态观测器的基本原理，重点研究全阶速度自适应转子状态观测器的感应电 机无速度传感器矢量控制方法，详细介绍控制系统的结构组成及实现方法， 并在m a t 圳s i m u l i n k 中进行了仿真。最后，文章对系统的软硬件进行设 计。 8 哈尔滨理工大学硕士学位论文 第2 章矢量控制及s v p w m 的基本原理 他励直流电动机的调速特性一直被公认为是电动机调速特性中比较完善 的典型。他励直流电动机有两个独立的控制量，即励磁电流f ，和电枢电流t ， 可以通过控制f ，和f i ，控制直流电动机的输出转矩。 他励直流电动机的电磁转矩用式( 2 1 ) 表示： t - c m 妒 ( 2 1 ) 其中，磁通妒只与励磁电流f ，成正比，与电枢电流f 。无关。由此看出， 这是一个完全解耦的系统。所以它的控制系统结构比较简单。 但是对交流异步电动机来说，情况则完全不同。交流异步电机的励磁电 流和负载电流都在定子电路内，无法分开；其定子电流磁场与转子电流磁场 间的夹角与功率因数有关。在异步电机中电压、电流、磁通、电磁转矩各量 之间是相互关联的，属于强耦合的系统。而在变频调速系统中，电压、频率 又是两个独立的输入变量，而电压是三相的，因此系统又是多变量的。在异 步电机中，转矩是电流与磁通相互作用形成的，而这两个物理量是同时变化 的，因此，异步电机系统又为非线性系统。交流异步电机的电流、电压、磁 通和电磁转矩都处在一个高阶、非线性、多变量、强耦合系统之中。一般的 交流异步电动机的控制方式是达不到他励直流电机那种完全解耦控制的良好 动静态控制性能的，这样就引入了矢量控制的思想，把感应电机这一非线性 时变问题转化成线性时不变问题来处理。 2 1 异步电机矢量控制的基本思想 在感应电机的动态分析和控制中，坐标系统的选择是关键。采用合适的 坐标系统能使问题简化，控制简单，准确获得良好的动态性能。1 9 7 1 年德国 学者eb l a s c h k c 提出了感应电机磁场定向型矢量变换控制理论，实现了能找 出两个分别决定磁通和电磁转矩的独立控制量，而且求出了这两个控制量和 直接测量及控制的定子坐标变量之间的关系式，使得感应电机的电磁转矩能 像直流电机一样解耦并实现独立控制。 矢量变换的基础就是保证磁场的等效。由三相异步电机原理可知，定子 三相绕组空间上互差1 2 0 0 ，当输入以时间互差1 2 0 0 的三相正弦交流电时，在 空间上会建立旋转磁势f ，以同步角速度嗥旋转，如图2 1a ) 所示。事实上， 哈尔滨理工大学硕上学位论文 产生旋转磁场不一定非要三相绕组。任意多相对称绕组，通以多相平衡电流， 都能产生旋转磁动势。如图2 1b ) 绘出了两相静止绕组口和声，它们空间上 互差9 0 0 ，通以时间上互差9 0 0 的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势。若 两个相互垂直的绕组m t ，在t 绕组中通以直流电流，在m 组中通以直流 电流f v ，并将此m t 坐标系以同样的角速度蛾旋转起来，则m t 两相旋转绕 组合成磁通势f 也是一个旋转磁场。如图2 1c ) 所示，i 则相当于直流电动 机的励磁电流分量，由它来产生电机的磁场，而与磁场妒相垂直的分量相 当于直流电机的电枢电流即转矩电流分量。调节f v 即可调节磁场的强弱，调 节0 即可在磁场恒定的情况下调节转矩的大小脚l 。 b c a ) 三相坐标系下 a o o ”两相静止坐标系c ) 两相旋转坐标系 图2 1 绕组等效示意图 f i g 2 - 1d i a g r a mo fe q u i v a l e n tw i n d i n g s 所谓异步电机矢量变换控制就是将用静止坐标系所表示的电动机矢量 变换到以气隙磁场或转子磁场定向的坐标轴系。三相定子电流f 、f 一、经过 由三相静止坐标系到两相垂直静止坐标系，再由两相垂直静止坐标系到两相 旋转坐标系的变换，并使m 轴沿着转子磁链的方向，则异步电动机就变成了 由励磁电流分量f w 和转矩电流分量分别独立控制的直流电动机。按照直流电 动机的控制方法，求得控制量后，再经过坐标反变换，就能控制异步电动机。 异步电动机控制原理框图如图2 2 所示。 2 1 1 矢量控制的坐标变换 坐标变换遵循的原则为 1 ) 变换前后电流产生的旋转磁场等效； 2 ) 变换前后两个系统的电动机功率不变。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 图2 - 2 矢量控制原理框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m 1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换( c l a r k e 变换) 图2 3 所示 是定子三相电动机绕组a 、b 、c 的磁势矢量和两相电动机绕组口、声的磁势 矢量的空间位置关系。其中选定a 轴与口轴重合。 图2 3 三相绕组和两相绕组各相的磁势 f i g 2 - 3m a g n e t i cp o t e n t i a lo ft h r e ep h a s e sw i n d i n g sa n dt w op h a s e sw i n d i n g s 根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效，即合成磁势矢量分 别在两个坐标系坐标轴上的投影应该等效。因此有 n 2 i an s i a + n ：bc o s l 2 0 。+ n 3 i c c o s ( - 1 2 s i n1 2 01 2 0 。) ( 2 2 )、， 式中：n ：、n ，分别表示三相电动机和两相电动机定子每相绕组的有效匝数。 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 根据上式有 一瓮也一扣扣 。荽 + 孚一知 矧三兹矧- 1 2 园 弘 为了能够使变换矩阵变成方阵，需要引进一个独立于屯、i 最的新变量乇，称 髀1 名- 1 2 2 铘】， 因此c l a r k e 变换式为 粕 p 乃 k 。乍1 。 4 2 卧i # 厘黼0 历2 矧- 1 2 吲 p 8 ， 2 两相静止坐标到两相同步旋转坐标的变换( p a r k 变换) 图2 4 是定子 电流矢量f ，在静止坐标系o a z 与同步旋转坐标系m t 下的投影。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 i 1 ，_ 、，乡 7 训m h 必 图2 4 定子电流矢量在d 筇坐标系和m t 坐标系上的投影 f i g 2 _ 4p r o j e c t i o no fs t a t o rc u r r e n tv e c t o ri nd 筇a n dm tc o o r d i n a t e s 图中m t 坐标系是以定子电流角频率q 速度在旋转。t 与m 轴的夹角为 吃，m 轴与口轴的夹角为，因为m t 坐标系是旋转的，因此讫随时间在变 化，织- 吖+ ，其中是初始角。 根据图2 - 4 ，可以得到屯、与0 、的关系为 j ，。，? ? 瓤舱 ( 2 9 ) 卜。ks m + b 麟吼 其矩阵关系为 所以p a r k 变换为 鬻 川叠 喝c o 翟s 捌 识1 10i p a r k 逆变换为式( 2 一l o ) 。 2 1 2 转子磁场定向的矢量控制系统 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 由以上可知通过c l a r k e 变换和p a r k 变换可以将定子电流矢量分解成两 个分量0 和i r ，最终目的是将之分解成励磁分量和转矩分量。即要在无数个 m t 坐标中选择一个定向坐标，使t 在这个坐标中的两个分量即为励磁分量和 乞知 败见 要 瞄 哈尔滨理工大学硕士学位论文 转矩分量，两者也是自然正交的。其中的励磁分量产生的就是转子磁链矢量 妒，。在这里选择妒，的坐标钆作为m t 轴系的空间定向坐标，就可以达到上 述目的。 如图2 5 所示，因为m 轴已与妒，取得一致，所以转子磁通在t 方向上 的分量为零；反之，若转子磁通在t 轴方向上的分量为零，则实际上已经实 现了m 轴与妒，的取向一致。所以也可将转子磁通在t 轴方向上的分量为零 作为沿转子磁场方向的约束。由于m t 轴系是以转子磁场方向定向的，所以 这种矢量控制系统又称为沿转子磁场定向的矢量控制系统。 i l 。 ，7甄识 t 镬 么 r 图2 - 5m t 旋转坐标系的磁场定向 f i g 2 - 5f i e l do r i e n t e dm t c o o r d i n a t e s 2 1 3 异步电机的数学模型 。 2 1 3 1 静止坐标系d 筇系统中的数学模型根据异步电机在三相坐标轴上的 模型，可以推出其在静止坐标系d 叩中的数学模型。 1 电压方程考虑到本文采用的是三相鼠笼式异步电机，其转子是短路 的，因此有转子电压u 口：一u ，：一0 ，则其电压方程可表示为 r + t s 0 l 。s q k o 足+ l , s 晖乞 l 。s l s o r + l , s 一王t姚eorl,l,s k s l i t il 乞z r + il z ( 2 - 1 2 ) 式中：u 。、u 声。为电机定子电压的口轴、声轴分量；t 。、i 芦。、乞：、：分别 为电机定、转子电流的口轴、卢轴分量；t 、l 。分别为是电机的定子电 哈尔滨理工大学硕士学位论文 感、转子电感、互感；墨、r 分别电机的定转子电阻；q 为电机转子转速； s 为微分算子。 2 磁链方程异步电机的磁链方程可表示为 饥1 1 丘 妒，。li o l | l k il 0 0 k 0 丘0k 0 0 k 0 l a l z 口1 l a 2 i p 2 ( 2 1 3 ) 式中：妒。、妒卢。、妒。：、妒卢：分别为定、转子磁链在口轴、夕轴分量。 3 转矩方程在d 筇坐标系的电磁转矩为 瓦一儿姊l f 口：一疵，) ( 2 - 1 4 ) 其中：p 为电机极对数。 2 1 3 2 同步旋转坐标系m t 系统中的数学模型根据同步旋转坐标系于两相 静止坐标系的关系。 1 电压方程在同步旋转坐标系m t 系统中同样有转子电压为零，即 k s q k r - 4 - l , s 咄 一哆l l 。s 0 r t l 声 k 0 k l f ( 2 - 1 5 ) 式中：u 、u r 分别为定子电压在m 、t 轴的分量；0 、i r 、分别为 定、转子电流在m 、t 轴的分量；畋为同步旋转角速度；q 为转差角速度。 2 磁链方程在采用转子磁场定向后，转子磁链缈，方向与m 轴一致，此 时有妒，= 妒。因此磁链方程为 妒一丘0 + k 妒r - l a + k f l 妒。= l m i n + 三丘( 2 1 6 ) 0 一k + 妒，一妒m 上式中：妒材、妒r 、妒。、妒，分别为定子磁链在m 、t 轴的分量，转子磁链 在m 轴分量，转子磁链。 根据式( 2 - 1 5 ) 及( 2 1 6 ) 可得 哈尔滨理工大学硕士学位论文 识叫m 以m 赤( 2 - 1 7 ) 式中：i 为转子时间常数，i 。薏。 当妒，保持不变时有 妒，- 妒，一k 0( 2 1 8 ) 3 转矩方程在转子磁场定向的m t 坐标轴系中，电机的电磁转矩的方程 如式( 2 - 2 0 ) 所示。 互一p 争妒矗 ( 2 - 1 9 ) 厶f 显然，在磁通恒定的情况下电磁转矩r , r 与定子电流的t 轴分i i r 有关， 因此，在磁通恒定的情况下只要调节就可以调节乏。 4 转速方程 卜丢舌 l t o , t 一t o 。 2 2s v p w m 控制技术的基本原理 2 2 1 电压矢量与磁链矢量的关系 当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间 矢量幅值恒定，并且以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转 磁场。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、 并能保证电动机形成