（电力电子与电力传动专业论文）异步电机参数辨识及矢量控制系统参数自整定.pdf

a b s t i 认c t t h ep e r f o r m a n c eo fs p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e md e p e n d so nt h es p e e d e s t i m a t i o n , a n dt h ep r e c i s i o no fs p e e de s t i m a t i o ni sr e l i e do nt h ep r e c i s i o no fm o t o r p a r a m e t e r i nt h i sp a p e r , an e w m e t h o di sp r e s e n t e d ，b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fi n d u c t i o nm o t o r ，w h i c hm a k e su s eo fi n v e r t e ri t s e l fr e s o u r c e st oi d e n t i f yt h e a s y n c h r o n o u sm o t o rp a r a m e t e r s o nt h ef o u n d a t i o no ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r p a r a m e t e r s ，t h ep ic o n t r o l l e rp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n go fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m i s r e a l i z e d b a s e do nt h eo f f - l i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fs v p w mi n d u c t i o nm o t o r ，i m p o s e s o m ef o r mo fv o l t a g ee x c i t a t i o nt ot h ea s y n c h r o n o u sm o t o r , r e a l - t i m ea c q u i s i t i o n c u r r e n ts i g n a l a n di na c c o r d a n c ew i mt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u s i n d u c t i o nm o t o rp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d i n d u c t i o nm o t o rp a r a m e t e r sa r e d e t e r m i n e db yt h ed ct e s t ，t h el o c k e dt e s ta n dn o l o a dt e s t af u l l ya u t o m a t i c m e a s u r e m e n tf o rt h es t a t o rr e s i s t a n c e ，r o t o rr e s i s t a n c e ，l e a k a g es t a t o r , r o t o rl e a k a g e i n d u c t a n c ea n dm u t u a li n d u c t a n c ei sd e v e l o p e db yt h eu s eo fs o t l t w a r ec a l c u l a t i o n c u r r e n ta n dv o l t a g ew h i c ha r ed e t e c t e db yi n v e r t e r i no r d e rt og e tm o r ea c c u r a t e m e a s u r e dp a r a m e t e r s ，i nt h ep cu s i n gt h el e a s ts q u a r e sa l g o r i t h mo rm e d i a n a v e r a g e f i l t e rt op r o c e s ss a m p l ed a t et oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea c c u r a c yo ft h ei n d u c t i o nm o t o rp a r a m e t e r s m e e tt h es p e e ds e n s o d e s sv e c t o rc o n t r o lr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , s t a t o rc u r r e n td e c o u p l i n gi sr e a l i z e db yt h em e t h o do fn o n l i n e a r d e c o u p l i n gb a s e do nd y n a m i c a lm a t h e m a t i cm o d e lo fr o t o r - f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ， w h i c hi s a p p l i e dt od e s i g nn o n l i n e a rd e c o u p l i n gc o n t r o l l e rf o rc o u n t e r a c t i n gt h e i n f l u e n c eo fs t a t o rc o u p l e dc u r r e n t c u r r e n ta n ds p e e dp ic o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e db y o p t i m a lt u n i n gm e t h o d s t h em e t h o di ss t u d i e di nt h em a t l a bs o r w a r es i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dm a tt h e s ec o n t r o l l e r sa r ea b l et oa c h i e v ea g o o dp e r f o r m a n c eo fd e s i r e dd y n a m i ca n ds t e a d ys t a t er e s p o n s e s i nv i e wo fs p e e dc o n t r o l l e rpp a r a m e t e r sh a sb e e nt h ei m p a c to fr o t o rm o m e n to f i n e r t i a t h i sp a p e rp r e s e n t sat e s t i n gr o t o ri n d u c t i o nm o t o rm o m e n to fi n e r t i ao ft h e m e t h o dw i t hs p e e ds c 疆l s o rc o n t r o ls y s t e m i d e n t i f i c a t i o np a r a m e t e r si su s e dt od e s i g n t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mt u r r e tr e g u l a t o ra n ds p e e dr e g u l a t o r , t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es e l e c t e dp a r a m e t e r so ft h es y s t e mp ih a sag o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n ds t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，s v p w m ，p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n , p a r a m e t r e r s e l f - t u n i n go fp ic o n t r o l l e r , i n f i n e o nx c 16 4 c s i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：燃_ 日期：叫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 1 i 引言 第一章绪论 电气传动实现着电能与机械能之间的能量变换，而电气传动控制则通过控制 电机的电压、电流、频率等电气量，来控制机械的位移、速度、转矩等机械量， 使工作机械能按人们期望的要求进行工作，以满足生产工艺要求。电气传动技术 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 位置的目的【l 】【2 】【4 】。另一方面，电气控制技术还可以减少运行损耗，节约电能。 电气传动控制技术的应用面极其广泛，在国民经济和日常生活中具有举足轻重的 重要地位。 电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类，先后诞生于1 9 世纪。 直至2 0 世纪上半叶，高性能调速系统都采用直流传动，而约占整个电气传动容 量8 0 的不变速拖动系统则采用交流调速。很长一段时期内，这种按性能分工的 格局得到举世公认。随着技术的发展和工艺要求的提高，直流传动的缺点日益突 出，例如，直流电机固有的电刷和换向器使其应用环境、容量、速度受到限制， 并且维护工作量大【2 】【6 】。 交流电机结构简单，无需机械换向装置，可适用于各种恶劣环境。但交流电 机具有非线性强耦合多变量的性质，要获得满意的静动态性能相当困难。因此， 长期以来，交流电机只被用于恒速传动系统，要发展交流传动使之能与直流传动 并驾齐驱是人们长期的愿望。随着电力电子技术和控制技术的发展，高性能交流 调速系统应运而生并得到了广泛的应用，交流传动取代直流传动已经成为不争的 事实【5 】【6 1 。 1 2 交流异步电机控制策略发展概况 异步电机调速系统种类很多，从转差功率的处理上可分为三大类：转差功率 消耗型、转差功率馈送型和转差功率不变型【l 】【5 】【6 】【7 】。 目前，在这三种调速系统中，转差功率不变型调速系统不论转速高低，转差 功率都只有转子铜耗，在同样负载转矩下基本不变，因此效率最高，变极对数调 速与变频调速属于此类。变极调速只能有级调速，其应用场合有限。变频调速则 是应用较广的一种调速方案。 转速开环变频调速系统采用恒压频比带低频电压补偿的协调控制，其结构简 单，成本较低，但调速系统静、动态性能不高，常用于风机、水泵类节能型调速 系统。 转速闭环转差频率控制的交流调速系统基本上具备了直流电机双闭环控制 系统的优点，采用p i 型转速调节器，使转速无静差，稳态性能显著提高。在动 态过程中，系统能以最大转矩加减速，保证了在允许条件下的快速性、加减速的 平滑性，容易使系统稳定。然而基本型转差频率控制是从异步电机稳态等值电路 和稳态转矩公式出发的，“保持磁通恒定 的结论只在稳态情况下成立。电流调 节器只控制了定子电流的幅值，而并未控制其相位，与直流双闭环系统比较，其 动态性能仍存在一定的差距【1 】【3 】。 7 0 年代初，德国工程师，f b l a s c h k e 和w f l s t e r 等人提出“感应电机磁 场定向控制原理，美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 提出“定子电压坐标变 换控制 ，经过不断改进和完善，至今己形成高性能的矢量控制系统。其基本思 想是：通过矢量变换和转子磁场定向，实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦， 得到类似直流电机的动态数学模型，然后模拟直流电机进行控制，获得良好的静、 动态性能。按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向和转子磁链幅值计 算，由于转子磁链直接检测相对困难，多采用间接计算的方法，即借助于转子磁 链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型大多数从电动机数学模 型中推导出来，磁链计算准确与否直接与电机参数相关。电机参数不准确，则磁 链计算不准确，不能正确定向，也就不能实现电流的正确解耦，直接影响电机控 制效果3 】【6 】。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授提出直接转矩d s r 控制，直接转矩 控制在定子坐标系上实现定子磁链和转矩的b a n g - b a n g 控制，省去了复杂的矢量 旋转变换，控制电机的磁链和转矩，借助于两点式调节器产生p w m 信号，直接对 逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。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影响等问题，但由于直接进行两 2 点式调节，不可避免地产生转矩脉动，降低了调速性能7 】。 随着现代控制理论在交流变频系统中的应用，不断出现了新的基于现代控制 理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术：基于智能控制思想 的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统等【8 】【9 1 。这些新控制策略的应 用对交流调速系统的发展起着重要的作用。 1 3 无速度传感器矢量控制系统的提出 在矢量控制交流调速系统中，用以检测电机旋转速度的速度传感器是必不可 少的，从一定意义上讲，速度传感器决定了高性能交流调速系统的稳态精度，以 及对动态转矩的控制能力。矢量控制所用的高精度速度传感器存在环境适应性不 强、抗扰能力差、价格昂贵、不易维护等缺点，造成有速度传感器在工业应用中 的局限性。如果能够取消矢量控制系统中的速度传感器无疑能扩大矢量控制系统 的应用范围，同时也提高了矢量控制系统的可靠性以及环境适应性，在这种情况 下，就提出了无速度传感器的矢量控制【1 】【i l 】【1 2 1 。 无速度传感器的矢量控制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方法、途径不同之外，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问题是如何获取电机的旋转速度，解决 问题的出发点是利用容易测量到的定子电流、定子电压和电机参数推算出速度和 转子磁链，以便实现磁场定向控制【l 】【3 】 1 2 】。 1 4 电机参数辨识意义与现状 交流电机的控制性能在很大程度上依赖于电机模型参数的精度，在已知受控 对象数学模型的基础上，可以采用各种控制策略，使系统满足于不同的性能指标 要求。无速度传感器矢量控制方案中要用到电机参数，转速计算的精度与电机参 数的精度密相关。因此，对受控对象进行辨识，以综合出其有效的数学模型，是 相当重要的【1 3 】【1 4 1 1 5 1 。 从系统辨识的角度来讲，受控对象的数学模型包括结构形式和模型参数两个 方面，大量的电机理论研究和电机运行实践表明，异步电机数学模型的结构形式 具有较高的可信度，而模型的精度直接取决于电机参数的精度。实际上常常不能 3 预知所用电机的参数，也不太可能采用常规仪表法来测定电机的参数，而电机参 数精度与所采用的参数测定技术密切相关。如果无速度传感器矢量控制系统具有 电机参数辨识功能，就能适用于不同类型的异步电机。利用变频器本身资源向电 机施加不同形式的电压或电流，检测电机的电流或电压，通过软件计算出电机参 数，这就是异步电机参数自动辨识【1 3 】【3 4 】。 近十几年来，各国学者对异步电机的参数辨识方法进行了深入的研究，主要 有以下几种方法【1 8 】【1 9 】 2 0 】【2 3 】 2 5 1 ： ( 1 ) 应用模型参考自适应系统对异步电机参数进行辨识，其基本思想是构成 一个参考模型和一个可调模型，两模型在同一输入的前提下，调节可调模型的参 数，使可调模型的输出追踪参考模型的输出，当两系统的误差稳定在一个很小的 范围内时，此时认为参考模型的参数与可调模型的参数相等。但是该方法过于复 杂，且辨识精度不够精确。 ( 2 )向磁链电流注入交流信号，通过测取注入电流响应辨识电机参数，但是 该方法会导致异步电动机转矩和转速振荡。 ( 3 ) 扩展卡尔曼滤波法是非线性系统最常用的一种递推滤波算法，被用于非 线性系统的状态估计或线性系统的状态和参数联合估计，有抑制噪声干扰，提高 状态估计准确度的优点。 ( 4 ) 可利用变频器本身对电机进行直流试验，单相交流试验，三相空载试验， 实现对电机参数的辨识。 以上方案1 - 3 主要用于异步电动机调速系统的在线参数辨识，或多或少要加 一些额外的设备。这些方法要么计算量大，实时性不强，要么需要特殊的激励信 号且控制方法复杂，实现起来相当的困难。随着调速系统的发展，在电机投入正 常运行前的参数辨识方法，特别是不需要增加额外的设备而仅靠电动机调速系统 本身的资源来进行的参数辨识方法已经成为现代电机参数辨识的一个方向【2 1 】 【2 3 】【2 7 】【3 2 】【3 3 】。 1 5 矢量控制系统参数自整定意义 在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分控制，简称p i 控制，又称p i 调节。p i 调节器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简单、稳 4 定性好、工作可靠、调整方便而被广泛应用于工业控制领域。但p i 调节器的参 数依赖控制对象，当被控对象的参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时， 控制器的参数必须依靠经验和现场调试来确定【1 5 】【1 6 1 。 磁链开环型无速度传感器矢量控制系统的结构如卜1 图所示，除了转速闭环 控制外，还有两个电流闭环控制。无论是转速还是电流闭环控制，均采用p i 调 节器。在高性能的调速系统中p i 调节器参数大小直接影响着系统的性能指标【1 7 1 。 因此，在电机参数辨识的基础上，完成调节器p i 参数白整定是一个非常重要的 课题。 图1 - 1 无速度传感器矢量控制系统结构图 1 6 本课题来源及主要内容 本课题的来源是与上海英飞凌有限责任公司联合开发异步电机无速度传感 器矢量控制系统，而无速度传感器矢量控制系统的控制性能在很大程度上依赖于 速度估算，而速度估算度又直接取决于电机参数的精度。因此，论文的主要内容 是利用变频器本身的资源对电机的参数进行辨识；然后在电机参数的基础上，实 现矢量控制系统的p i 参数自整定。 ( 1 ) 对提出的参数辨识方法进行理论上的研究，阐明了利用变频器自身资源进 行参数辨识的方法，并且利用m a t l a b 仿真软件建立电机数学模型和s v p w m 仿 真模型。 ( 2 ) 基于i n f i n e o n 公司的x c l 6 4 c s 芯片的变频器装置实现对异步电机的参数辨 识，实现变频器的静态电机参数辨识功能。 ( 3 ) 本文提出了一种可以实现输入输出动态解耦的控制方法，将电流环分解为 两个独立系统，实现了动态下的完全解耦；同时解耦后的系统也得到了线性化， 5 p i 调节器的参数整定问题大为简化；采用调节器典型系统整定方法，设计了电 流和转速调节器结构并计算参数，并且对此方法建立仿真模型。 ( 4 ) 将用此方法辨识到的电机参数用于无速度传感器矢量控制系统，实验结果 验证了此方法正确性，说明此方法辨识电机参数的准确性和通用性；可以将这种 电机参数辨识方法应用到实际产品中。 ( 5 ) 本文提到一种异步电机转动惯量辨识方法，基于有速度传感器控制系统基 础上测试电机转子的转动惯量，为实现矢量控制系统转速调节器参数整定奠定 了基础；在异步电机参数辨识基础上，用典型系统设计思想整定矢量控制系统中 p i 调节器参数，实验结果表明了该方法整定出p i 参数的方法是合理的、正确的。 6 第二章异步电机动态数学模型 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，在研究异 步电机的多变量数学模型时，常作如下假设： 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 。电角度，所产生的 磁动势沿气隙按正弦规律分布； 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； 忽略铁心损耗； 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 2 1 异步电机三相原始数学模型f - 1 1 3 1 三相异步电动机的物理模型如图2 - 1 所示，定子三相绕组轴线a b c ，转子绕 组轴线a b c ，转子相对定子的电角度为乡。异步电动机动态模型由下述电压方程、 磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 电压方程： b 图2 一l 三相异步电动机的物理模型 7 a 磁链方程： y v b y c y 。 y 。 定子各相自感为： 剧= l b b = l c c = l 榭+ 厶 其中电感矩阵中各互感如下： oo o0 00 0o r ，0 0 r ， d + d t 少 少b y c 虬 y 6 少。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 匕= 厶c = 乇= 毛= 如= 厶c = 一丢k 乞2k = 乞= 乞= 乞= k = 一k l 。= 乞= k = k = k = k = k c o s o ( 2 - 4 ) k = 乙= k = 厶= 乞= 厶c = k c o s ( g + 1 2 0 。) l 。= 乞= k = l a b = k = k = kc o s ( o 一1 2 0 。) 转矩方程 如砒乇二敬：翟冀矽+ ( i a i b + 一i b i 。o ) 】+ i c i c i b ) s i n ( o 1 2 0 u 蛳舢1 2 0 0 ) ( 2 - 5 ) + ( + f 口屯+ 一 。) j 、 。7 运动方程 塑：疋i 一互i d 一一= 一 刀p t 。l ( 2 - 6 ) 其中，“一，“口，“c ，“。，u b , u c 是定子和转子相电压的瞬时值，i c ，乞，之是定 8 bkk0 jihi儿 0 0 o 墨o o o 0 b 0 o o o b 0 o 0 o 墨o o o o o 咖加以如如如 f，kkkk 丌iiiiiiiiijii儿 如 如 o 缸 厶三 肪 肋 西 曲 砧 西伽励励励励如 砌 勘 。 凹 撕 三三三三 胛 掰 酊 圮 酊 三三厶三三三 肚 鼢 。 罅 坩 口 三l三三三 刖 朋 “ “ “ “ 厶厶三 子和转子相电流的瞬时值，弘c ，虬是各相绕组的全磁链，墨，耳是 定子和转子绕组电阻。上述各量都已折算到定子侧。瓦为负载转矩，疋为电磁 转矩，为机组的转动惯量，n p 为极对数。 假定异步电动机三相绕组为y 无中线连接，若为连接，可等效为y 连接 因此，根据推导可知三相异步电机数学模型中存在一定的约束条件【5 】： 虬= | l f ，一+ 妙口+ c = 0 f ，z = i _ + + f c = 0 ( 2 7 ) u s e 。“_ + u 口+ u c2 0 同理转子绕组也存在相应的约束条件 f ，z = 。+ f ，6 + 。= 0 = 屯+ + 乞= 0 ( 2 - 8 ) “，2 “口+ ”6 + u c = 0 以上分析表明，异步电动机数学模型中三相变量只有两相是独立的，因此三 相原始数学模型并不是其物理对象最简洁的描述，完全可以且完全有必要用两相 模型代替。虽然电机的各种数学模型有不同的表达式，但都是同一对象的数学描 述，各种表达式之间存在一定的转换关系。因此通过数学变换可以将一种表达方 式转化成另一种表达式。 2 2 静止坐标系下的电机数学模型【3 】嘲 2 2 1 三相二相坐标变换 如图2 - 2 所示，采用两相垂直坐标系a p o ( a p o ) 代替原先的三相坐标系，可 消除定子绕组与定子绕组、转子绕组与转子绕组的相间耦合，其中筇d 坐标系相 对定子静止，口夕，d 坐标系相对转子静止，两坐标系的相对角速度等于转子旋转 角速度。 9 l 弋 & 久0i 。 dd 图2 - 2 三相- - - 相坐标变换 根据磁场等效原理和功率不变原则，利用g ，：变换阵同时对定子和转子绕组 实施坐标变换。 11 22 囊压 22 a p o 和口锣，d 坐标系上的磁链方程： 电压方程： y j 口 、ps b v r 耐 毕，秽 甜加 “筇 “旭t ” 丘 o l 。c o s o l 。s i n o o t l 。s i n o l 。e o s o 咫0 0 0 r ，0 00 r ， 0 0 0 l 。c o s o 三。s i n o ， o d d t 妒 v s 8 妒m ， 审曙 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 转矩方程： t , = - n p l , , h 】瞄跚鞠 协m 式中：r ，r ，：定、转子电阻；厶，l ，：定、转子自感；l ：定、转子互感；秒： 定、转子夹角；上述各量都已折算到定子侧。 三相- 相坐标变换只是将空间上互差1 2 0 。的三相绕组等效成互相垂直的 两相绕组，达到消除定子绕组、转子绕组相间耦合的目的。与原始三相模型相比， 三相- 相变换不但减少了状态变量的维数，而且简化了定子和转子的自感矩阵。 但是定、转子绕组间仍然存在相对运动，因此定、转子绕组互感阵仍是非线性的 l o o 0 o o 坩口 斑 郴， ， o t 屯厶 ，咖：唧：“：彬 丌jiiiiiji业 o o o e 变参数阵，电磁转矩仍然是定、转子电流和定、转子夹角0 的函数。 2 2 2 旋转坐标变换及在二相静止坐标系上的数学模型 若对转子坐标系口锣白进行旋转变换，即将a p o 坐标系旋转一秒。使其与定 子筇。坐标系重合并保持静止，即将原先转动的转子绕组等效为静止绕组。a p o 坐标系相对于定子静止，而相对转子则以一缈角速度旋转。 弋 d 、 久秒 图2 - 3 旋转变换 旋转变换阵： c 2 s 2 r - c 2 r 协= 瞄瑚 两相静止a p o 坐标系上的磁链方程： 电压方程： l ；，l 口 v s 口 vr 。 vr b “ “妇 “m “垆 l ，0l 。 0 ，0 l 。0l ， 0 。0 r 00 0 r ，0 00 r ， o00 d d - 一 d t 少。 警s 8 | | c ，。 、； 吨 d + o 0 沙加 一沙m ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 转矩方程： 互= 刀p 。( 勃k l s a 垆) ( 2 - 1 6 ) 将口夕，d 坐标系旋转变换后，等效的转子绕组与定子绕组间已不存在相对运 动，因此磁链方程和转矩方程中的变参数阵变为常数矩阵，消除了目的影响，但 在电压方程中却引入了旋转电动势y 彬缈和一y 旭缈两项。 孵 妒 旭 矽 - z 。l1j o k 0 t m 妒 m 哆 z 。l r，j 0 o o 墨 旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关系，将相对运动的定、转子绕组用 相对静止的等效绕组来代替，从而消除了定、转子绕组间夹角0 对磁链和转矩的 影响。旋转变换的优点在于将非线性变参数的磁链方程转化为线性定常的方程， 但却加剧了电压方程中的非线性耦合程度。只是将矛盾从磁链方程转移到电压方 程中来，没有完全改变对象的非线性耦合性质。 2 3 异步电机数学模型仿真 交流异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要设计具有优 良动态性能的异步电动机调速系统，必须要了解异步电动机动态数学模型。利用 计算机仿真方法既是分析异步电机的良好方法，也是研究设计高性能控制器的一 种有效工具【1 】【3 】。本节利用m a t l a b s m 叫l i n k 仿真软件，根据异步电机数学 模型建立异步电机仿真模型。 根据异步电机静止两相坐标系中的数学模型可以把模型改写为： 卜2 ( u a - r s i 甜) a r t 2 ( u s p - - r s i 妒m( 2 - 1 7 ) l 玉2j ( u ，。一r ，i 眦一0 2 r 沙咿) d t 【沙扫= j ( u 妒一r ，i 妒+ q 缈。) d t if ：监生二红幺 ik厶一乙2 卜将 p 旧 if ：逝生二丝生 r 厶一厶2 i孵口，一口l 卜51 丙 瓦= n p l 棚( i ，p i ，口一i 。s a l r p ) ( 2 - 1 9 ) 国= ( 乃一瓦了 p 出( 2 - 2 0 ) 根据式( 2 1 7 ) 至式( 2 - 2 0 ) 四个公式可以构建异步电机仿真模型，仿真模 1 2 图2 4 异步电机仿真模型内部结构 图2 - 4 中，定子磁链根据式( 2 - 1 7 ) 前两式计算；转子磁链根据式( 2 - 1 7 ) 后两式计算，其中鼠笼电机转子短路可以认为转子电压分量为o ；定、转子电流 根据式( 2 - 1 8 ) 计算；转矩，转速分别根据式( 2 - 1 9 ) ，( 2 - 2 0 ) 计算，封装后输 入输出变量如图2 - 5 所示。 w u ，f i 峨i f h 打 h t l打 t a a c m o t o r 图2 - 5 异步电机仿真模型输入输出关系 2 4 空间电压矢量s v p 删 2 4 。1s v p w m 原理【l 】【3 】 当三相交流异步电机供电为三相平衡正弦电压时，其合成矢量为 砧，= 哟+ + = 虬州州+ u c o s ( 咿等沙+ u c o s ( 旷争脚( 2 2 1 ) = 兰毯p 脚 1 3 是一个以电源角频率，为电气角速度作恒速旋转的空间矢量，它的幅值 不变，是相电压幅值的i o 倍，当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在 该相的轴线上。 定子电压矢量为 驴她+ 警( 2 - 2 2 ) 当电动机转速不是很低时，可以忽略定子电阻压降，则定子合成电压与合成 磁链空间矢量的近似关系为 等= q 唬p “州专 ( 2 - 2 3 ) 即方向与磁链矢量吵，正交，大小成正比。通过控制u s 就可以控制y ，。 辑 艘 峰 一日，2 f _ _ _ _ - b 一 e ，2 c 、队髯t、甑 图2 - 6 三相p w m 逆变器原理图 图2 - 6 是三相p w m 逆变器原理图，如把上桥臂器件导通用“1 ”表示，下 桥臂器件导通用“0 ”表示，则上述的八种工作状态按照c b a 顺序可相应的表示 为0 0 1 、0 1 1 、0 1 0 、1 1 0 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 1 及0 0 0 八组数字。其中，前六个工作状 态是有效的，后两个工作状态为零状态。而对于前六个有效的工作状态，我们可 以用吩、心、吩、心、吩、六个空间矢量表示，它们幅值相等，相位不同。 而两个零矢量，可用哆和来表示，它们的幅值为零，无相位。s v p w m 的基 本原理就是利用六个开关管的8 种工作状态来合成目标矢量，以达到对缈，控 制。 1 4 2 4 2s v p w m 实现 按6 个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，如图2 7 所示， 每个扇区对应鲁，当期望的输出电压矢量落在某个扇区内时，就用该扇区的两条 j 边等效合成期望的输出矢量。如果期望的电压矢量沿半径恒定的圆形轨迹旋转， 则在合成电压矢量的作用下，异步电机可以获得幅值恒定、顶点沿圆形轨迹运动、 平均速度可调的定子磁链矢量。而按照平行四边形法则，利用这八个电压空间矢 量可合成任意的电压矢量【l 】【3 1 。 图2 7 电压空间矢量的6 个扇区 以第一扇区为例，用心和就可逼近所期望的电压空间矢量，如图2 - 8 所示。 根据合成法则可得： 务嘞 孤 图2 - 8 电压空间矢量的线性组合 n = 舰s i l l ( e ) t j i f = m t s s i n o t o = t | 一t l t m ( 2 2 4 ) m ：型掣( 2 - 2 5 ) 厶j 其中，历为直流母线电压，m 黼j j p j 乏，秒( o 。汐 x ；以 台1 ：罗x 2 ；厶 鲁1 歹= 窆i = l 儿夕， 万= 砉x ；咒i = l， ( 3 - 3 7 ) ( 3 - 3 8 ) 因此把所测数据代入式( 3 3 6 ) 就可以确定a ，b 的值了。 用最小二乘法处理数据，虽然计算公式复杂，数据处理量较大，但结果精确， 相对误差小。如果运用计算机软件计算则简洁、快捷、准确。尤其在科研性实验 中；进行实验处理数据结果要求应更加精确，因此最好采用最b - - 乘法处理数据。 它是解决工程问题的一种非常有效，实用的方法。 第四章矢量控制系统参数自整定原理与仿真 为了能得到与直流电动机调速系统相似的控制性能，e b l a s c h k e 等人于2 0 世纪7 0 年代提出了基于转子磁场定向的矢量控制方法，将定子电流分解为励磁 分量和转矩分量，实现两个分量的解耦。但该方法没有实现电流两个分量动态上 解耦，而且电压与电流之间仍存在较强的耦合【3 】【1 0 1 ：这些耦合不但影响了系统性 能的提高，同时也造成了p i 调节器的参数整定困难。 目前国内外大量学者对此解耦进行了研究，提出了许多方法，文献 4 5 】 4 6 】 4 7 】 对转子磁场定向后系统的耦合进行了分析，提出了一种可以实现输入输出动态解 耦的控制方法，此方法理论方法简单，容易实现。本文将此方法应用到矢量控制 系统p i 调节器设计，进一步引入非线性补偿来抵消耦合项，将电流环分解为两 个独立系统，实现了动态下的完全解耦：同时解耦后的系统也得到了线性化，p i 调节器的参数整定问题大为简化。采用调节器典型系统整定方法，设计了电流和 转速调节器。 4 1 异步电机按转子磁链定向的数学模型1 4 9 1 令d q 坐标系与转子磁链矢量同步旋转，且使得d 轴与转子磁链矢量重合， 即为按转子磁链定向同步旋转坐标系m t 。如图4 1 所示，由于m 轴与转子磁链 矢量重合，所以 图4 _ 1 按转子磁链定向的空间矢量图 i c ，。2i f ，耐2 吵， y 一2 2 o ( 4 1 ) 为了保证i t i 轴与转子磁链矢量始终重合，必须使 3 5 警2 誓 件2 ， 百d o ) = - 刀) 忑- i t 慨专互, 享d , ：丢1 0 l mi 酵m 毫 件3 ， 等= 盎 等笋。慨+ 等 一山 鲁一矗嘶一等笋伽，。+ 吐u s _ i t 铲卅专。 将坐标系旋转角速度与转子角速度之差定义为转差角频率q 旷舻每 ( 4 4 ) ( 4 5 ) 按转予磁链定向同步旋转坐标系n a t 中的电磁转矩 乏：警。虬 - ( 4 6 ) 转子磁链 炸2 而z m ( 4 7 ) 其中仃= 1 一乏若为电机漏磁系数，乃= 惫为转子电磁时间常数，匙、耳分别 为定、转子电阻，、分别为定、转子自感，厶为定转子互感，j 为转动惯量， 瓦为电磁转矩，疋为负载转矩，国为转子旋转角速度，为坐标系旋转角速度， 为转子矢量磁链，、岛是定子电流的励磁分量和转矩分量，“册、是定 子电压的两个分量。 可见，转速和磁链的方程得到了一定简化：n l 轴磁链即为我们所要控制的磁 链幅值，它只与1 1 1 轴电流有关，而磁链不变时，转矩只与t 轴电流有关。但是 我们深入分析仍存在两个问题，一是从( 4 3 ) 式的二四两行可以看出定子电流 励磁分量和定子电流转矩分量的变化率仍存在着交叉耦合，定子电流转矩分量和 定子电流励磁分量之间动态还没有完全解耦；二是电流动态方程式表明电压与电 流间的关系仍然非常复杂，这样作为电机输入量的电压和电机输出量转速、磁链 间动态必然存在耦合，这些耦合也造成了矢量控制系统中p i 调节器的参数整定 困难。但是利用输入输出线性化可以解决电流，乙存在的非线性和耦合关系 【4 引。 4 2 矢量控制系统电流解耦 对于输入输出均为n 维的系统来说，所谓输入一输出解耦控制就是通过外部 的控制作用使这个n 维的多输入多输出系统化成n 个相互独立的单输入单输出系 统，从而实现一个输出量仅由一个输入量完全控制，而与其他输入量无关。本文 解耦控制的目的就是希望在动态时，运用非线性解耦控制理论对定子电流耦合部 分进行解耕5 0 】，图4 2 是带有解耦控制器的电流控制结构图。经过解耦之后，定 子转矩电流分量和电流励磁分量分别由两个输入电压独立控制。 图4 _ 2 带有解耦控制器的电流控制结构图 式( 4 3 ) 中m 轴励磁电流变化率的方程中还存在转速和转矩电流等耦合项。 为此，对m 轴输入电压可以设计如下的解耦控制器，利用材二补掉耦合项的影响： “s m = “，掰，+ “j 册 ( 4 - 8 ) 其中“训为输入的调节分量，而u s m 为输入的补偿解耦分量 3 7 “二= 呵厶( + 志悱) ( 4 9 ) 把式( 4 8 ) ( 4 9 ) 代入式( 4 3 ) 中，则方程可以化为： 垒d t 一訾。盥a l , ( 4 1 0 ) 仃三。e 册 、u u 7 与前面类似，t 轴输入电压可以设计如下解耦控制器，利用以补掉耦合项的影响： u 盯= + 以 ( 4 1 1 ) 其中u 叫为输入的调节分量，而“二为输入的补偿解耦分量 小喇+ 去咄，) ( 4 - 1 2 ) 把式( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 代入式( 4 3 ) 中，则方程可以化为： 鲁= 一笋乙+ 等 件 绎讨补偿懈怨后异先由加镑子磁锛宗向的状杰方；i 旱蛮：为 ： 警一砉”哮乙 坠：一竺垒堡垒q + 堕 d t 6 l t t姗j 叮l t 鲁= 警吩等死 “。4 鱼：一生墨堡墨q + 旦 d t o l s 砖 8 a l , 按照上述控制规律，定子电流环可以分解为两个独立系统，实现了定子电流 两个分量动态下的完全解耦；电压与电流之间转化成为一阶线性关系，同时解耦 后转速和磁链子系统也得到了线性化，p i 调节器的参数整定问题大为简化。 3 8 4 3 调节器参数设计 4 3 1 电流调节器参数整定 由式( 4 1 4 ) 可知，定子电流励磁分量和定子电流转矩分量已经实现了完全解 耦，按照线性控制理论控制器的设计方法便可以获得异步电动机期望的稳、动态 性能；使系统转化成转速和磁链两个完全独立的子系统，实现了系统输入输出动 态的完全解耦。 矢量控制系统中采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，提高系统 的动态响应性能。在电流调节回路中，由于电流信号滤波环节的存在，给反馈环 节带来了延迟，为了平衡这一延迟作用，在给定信号通道中，加入相同时间常数 的一阶惯性环节，称作给定滤波环节。反馈滤波环节的滤波常数z ；可根据实际 情况来定。定子电流转矩分量和电流励磁分量的动态结构图如图4 3 所示。 图4 3 解耦后定子电流分量控制结构图 l 2 啪，2 器2 器2 篱r s z r 2 + 2 r s l j + r r e 。 电流调节器均采用带有积分和输出限幅的p i 调节器，其传递函数为： q 像( j ) ：她 r i s 其中毛为比例系数，t 为电流调节器的超前时间常数。 ( 4 1 6 ) 忽略p w m 谐波引起的电流畸变，考虑p w m 环节有一个调制周期的滞后， 用一个小惯性环节来近似代替p w m 环节，则其传递函数为： 肜( s ) 2 南 4 - 1 7 ) 1 其中互取为一个p w m 调制周期， 电流环开环传递函数： 啪，= 警雨寄丽( 4 - 1 8 ) 其中，如= 蕊g r，乃= 丢 由于互和乙都是较小的时间常数，用一个时间常数为瓦的一阶惯性环节来代替 两个惯性环节，即t s i = 互+ 毛。同时使对象中较大的时间常数乃与调节器零点 对消，则有t = 弓： g o ( 沪毒= 高 件 系统具有两个开环极点：a = 。，仍= 一i 1 ；按典i 系统设计调节器系数，则有 k t = 0 5 ，系统的稳定性和快速性都兼到了【1 】【3 】，即： = 圭 c 蚴， 电流p i 调节器的参数为： t = 乃= 瓦l 雨, 2 l , c 西7 兰丽l s o ( 4 - 2 1 ) 岛= 上2 t , , k i ，= 掣兰毪= 鸶 件2 2 ， 4 2 毛22 乙2 瓦 在已知电机参数的情况下，利用上述方法对电流p i 调节器参数进