（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 电机直接转矩控制系统中，用滑模变结构控制器来替代传统p i d 控制 器，并建立了仿真模型，取得了较为理想的效果，系统的调速性能得 到了较大的改善。 在理论研究的基础上，设计研制了一套基于d s p 的永磁同步电机 直接转矩控制实验系统，编写了控制程序软件，进行了永磁同步电机 的运行实验 关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，卡尔曼滤波，模型参考自适 应，滑模变结构，数字控制系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t k sp a l e rf i r s t l yp r e s e n tt h ed e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o no f s o m ec o n t r o ls c h e m e s f o rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) , t h e n , i tf i n dt h a td i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) i sp l a yai m p o r t a n tp a r tj ni m p r o v i n gt h ep r o g r a mo fp m s ma n d s e n s o r q g s st e c h n o l o g y t h e r e f o r e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o r p m s m 、s e n s o r - l e s st e c h n o l o g ya n ds l i d i n gm o d ec o n t r o lt h e o r y b a s e do l lt h e s c h e m e , t h es i m u l a t i o nm o d e lf o rp m s md t ci s 姒u pu s i n gm a f l a b g i m u l i n l t h em a i nc o n t e n to f t h es t u d ya sf o l l o w s ： f r o mt h et h e o r yo fs p a c ev e c t o r , t h ee q u a t i o n so ff l u x 、v o l t a g ea n dt o r q u ei s i n d u o e d , a l s ow ei n d i c a t et h a tz e r ov e c t o rh a sa ne f f e e to f r e d u c et h et o r q u er i p p l e n 把c o n t r o lm o d u l e so ft h es y s t e ma n dw a yt oa c h i e v ea l ed i s c u s s e d a t r a d i t i o n a lp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rw i t hd i r e c tt o r q u ec o n 细ls y s t e m a n ds i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ki ss e tu p t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e f e a s i b i l i t yo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h e o r y ap m s md t cb a s e do ne k fi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r e k fi sb a s e do n ( g 一声) a x i sm o t o rm o d e lc o n s i s t so fs t a t o ro a r r e n l s t a t o rf l u xl i n k a g e ，a n g u l a rs p e e d & p o s i t i o no fr o t o ra n do t h e rm o t o rp a r a m e t e r s e k fi m p r o v e st h ea c c u r a c yo f $ t a t o r f l u x ，a n di ti sr o b u s tt op a r a m e t e r sc h a n g ea n dl o a dd i s t u r b a n c e t oo v e r c o m et h ed e f e c t so f t h eu s e o f m a c h i n e r yt os p e e d 铷粥甜i nt h es y s t e m , t h e c o n t r o lo fr e a c t i v ep o w e rm o d e lr e f e r e n c i n ga d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) m e t h o di su s e d t or e a c ht h es i m u l a t i o no f p m s md t c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 肌i d e a lc o n t r 0 1 g i v e nt h el a c ko fp ir e g u l a t o r , s l i d i n gm o d ec o n t r o lt h e o r yi si n t r o d u c o dt op m s m d t c ，t h eg e n e r a ls l i d i n gm o d ec o n t r o li sa p p l i e dt ot h ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rw i t hd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m ，a n ds u b s t i t u t ep ia d j u s t o ro f t r a d i t i o n a lr e g u l a t i o nr e a c h e dt h ed e s i r e dc o n t r 0 1 b a s e do nt h es t u d yo ft h e o r y , w ed e s i g nah a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ea r r a n g e m e n t o fd s pa n dp m s md t c s o f t w a r e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e o r y 、s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ，w eg e ts o m eu s e f u le x l ，e l - i e n e ea n dc o n c l u s i o n a l lo ft h i sw i l lb eh e l pi n 捌 江苏大擘硕士学位论文 k e y w o r d ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n 妇n o u sm a c h i n e s j ) i r e c t t o r q u e c o n t r o l ，s i m u l a t i o n , e x t e n d e dk a h n a nf i l t e r , m o d e l 糟f b 增n a d a p t i v e ，s l i d i n gm o d e v a r i a b l e $ 1 1 1 1 c t l l m ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密m 。 学位论文作者签名： 夼议 一期；呻6 月柙 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 烈蓼弓 签字同期秽叩年多月彦矿日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：夼氟 日期：秒7 年易月砷日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 永磁同步电机的结构及其特点 电机是以磁场为媒介进行机电能量相互转换的电磁装置。为了在电机内建立 进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以用两种方法，一种是在电机的绕组内 通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机既需 要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断的供给能量以维持电流连续；另一种 是由永磁体来产生磁场。采用永磁体代替通电线圈励磁的电机都可以称为永磁电 机。永磁同步电机的定子结构和异步电机相同，主要区别在转子结构上。永磁同 步电机的转子由永磁材料构成。常见永磁同步电机以转子结构来分，可分为表面 贴装式、嵌入式和内埋式。 与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有以下优点： 1 ) 明显的节电效果。永磁同步电机用永磁体取代电励磁，无励磁损耗。无 转子绕组，转子中就无铜耗。由于定转子同步，转子铁芯中也无铁耗，因此，永 磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机为高，而且不需要从电网中吸取 滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大提高了电机的功率因数。 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩 的扰动具有较强的承受力。 3 ) 由于没有笼型转子，永磁同步电机具有较低的惯性，即转矩惯性比较高。 4 ) 电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控 制电机的转速，控制比异步电机容易。 1 1 2 永磁同步电机的发展状况 由于永磁同步屯机具有体积小、功率密度高，效率和功率因数高( 功率因数 c o s = 1 或接近于1 ) 等明显优点，在7 0 年代末和8 0 年代初引起了从事电机及 其驱动系统技术研究的学者和研究人员的广泛注意和重视。英国学者m e r r i l l 最早提出了称之为“p e r m a s y n ”的永磁交流电机设计方案，德国西门子( s i e m e n s ) 研制成功了“b u r i e dm a g n e t ”转子。从1 9 7 9 年开始，英国著名学者、利物浦大 学k j b i n n s 叫教授长期致力于永磁同步电机及其驱动系统的理论研究和技术开 江苏大学硕士学位论文 发工作，先后发表了有关永磁同步电机结构、工作原理、性能分析、参数估算以 及驱动系统的稳定性分析和新型的转子位置检测装置等内容的学术论文，对进一 步推动永磁同步电机研究领域的理论及应用发展有极大影响。此外，英国曼彻斯 特大学的b j c h a l m e r s 教授对永磁同步电机变频运行是参数及性能的分析，波 兰学者p m p e t c z e w s k i 对永磁同步电机最优模型跟踪控制位置驱动系统的研 究，以及意大利学者a l f i oc o n s o l i 对永磁同步电机等效电路的分析同样具有很 大的开创性。 1 2 国内外发展现状与趋势 同步电机以转速与电源频率保持同步著称，永磁同步电机也是如此。它的调 速经历了变频调速、矢量控制和直接转矩控制三个阶段。 1 2 1 永磁同步电机变频调速系统 变频调速是一种非常常见的永磁同步电机调速系统，也是技术最为成熟的一 种。其中，变频调速又可分为两大类：它控变频和自控变频。它控变频指的是给 同步电机供电的逆变嚣输出频率由转速给定信号决定。这种控制方法多用于转速 开环调速系统，适用于多台机组并联运行的场合，但依然存在转子振荡及失步的 问题。自控变频则是通过位置传感器检测同步电机转子位置，根据电机自身转子 的位置及转速决定逆变器输出频率嘲。这样能时刻保持无换向器电机工作在同步 状态，从根本上解决了同步电机变频调速失步的问题。 目前，自控式同步电动机的应用主要有以下几个方面“1 ： 用作大型节能型传动系统。 大型同步电机软起动。 用于高速电力机车、轧钢。 1 2 2 永磁同步电机矢量控制系统 矢量控制是高性能的永磁电机调速系统中主要采用的控制方法。交流电机的 矢量控制是1 9 7 1 年由德国b l a s c h k e 等人提出的。矢量控制从理论上解决了交流 电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，很快被移植 到同步电机。事实上，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。因为该电机在矢 量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数( 主要是转子参 数) 的影响也小。目前，矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用。 2 江苏大学硕士学位论文 矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好 的解耦性，它可以分别通过控制其电枢电流和激磁电流来达到控制电机转矩的目 的。矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能，而实施仍然落实到对定子 电流的控制上。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为激磁分量和转矩分 量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子 电流的幅值大小，又需要控制定孑电流空间相量的相位。在永磁同步电机矢量控 制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保证逆变器输出频率 始终等于转予角频率，因此，永磁同步电机的矢量控制为自控运行的矢量控制。 1 2 ，3 永磁同步电机直接转矩控制系统 直接转矩控制是继矢量控制之后的又一高性能的交流电机控制方法，直接转 矩控制把转矩作为被控量直接控制转矩，不涉及复杂的电机解耦，响应速度快。 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的影响、 实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。目前该技术已成功地应用在电 力机车牵引及提升机的大功率交流传动上。 1 3 直接转矩控制技术的产生与特点 1 3 1 直接转矩控制技术的产生 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流 调速系统在静、动态性能上能与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术的提出具 有划时代的重要意义，所达到的静态精度和动态响应并不亚于直流控制系统的指 标。然而实际上由于转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大， 以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制 效果难于达到理论分析的结果。这是矢量控制的不足之处。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 是近年来继矢量控制技 术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。1 9 8 5 年由德国 鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次提出了基于六边形磁链的直接转矩控制论嘲，1 9 8 6 年日本学者t a k a h a s h i 提出了基于圆形磁链的直接转矩控制理论旧，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特 点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化 的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制技术一 江苏大学硕士学位论文 诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受 到了普遍的注意和得到迅速的发展。目前该技术已成功的应用在电力机车牵引及 提升机的大功率交流传动上。a b b 公司已将直接转矩控制的变频器投放市场。 直接转矩控制把转矩作为被控量，直接控制转矩。它并非极力获得理想的疆 弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，相反，从控制转矩的角度出发，它强 调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近 似圆形磁链轨迹的概念，而对转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对转矩 实行控制。其控制方式是利用转矩两点式调节器或三只调节器，通过把转矩检测 值与转矩给定输入滞环比较器，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大 小，由频率调节器来控制。 1 3 2 直接转矩控制和矢量控制的比较 直接转矩控制( d t c ) 技术与传统的矢量控制相比，具有以下的主要特点： l 、控制结构非常简单。传统的转子磁场定向的矢量控制系统需要四个p i 调 节器和一个单独的p w m 调制器，而d t c 控制仅需要一对滞坏控制器和一个速度 p i 调节器，这使得d t c 具有更优良的动态性能； 2 、直接转矩控制的运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标系 中对定子电流进行分解和设定，所以不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变 换，大大地简化了运算处理过程，简化了控制系统结构，提高了控制运算速度。 3 、直接转矩控制利用一对滞环比较器直接控制定子磁链和转矩，而不是像 矢量控制那样，通过控制定子电流的两个分量间接地控制电机的磁链和转矩，它 追求转矩控制的快速性和准确性，并不刻意追求圆形磁链轨迹和讵弦波电流。 4 、直接转矩控制采用空间电压矢量，将逆变器和控制策略一体化设计，并 根据磁链和转矩滞环比较器的输出，直接对逆变器开关管的导通与关断进行最佳 控制，最终产生离散的p w m 电压输出，因此传统的直接转矩系统不需要单独的 p w m 调制器。 综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它采用空 间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定 予磁场定向，借助离散的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器的| 丌关状态进 行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，是一种具有高动态性能的交流调速方法。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 永磁同步电机转矩直接控制的国内外研究现状 自从1 9 8 5 年德国的d e p e n b r o c k 和1 9 8 6 年日本的t a k a h a s h i 分别提出直接 转矩控制理论以来，直接转矩控制技术在异步电动机调速系统中得到应用。与矢 量控制技术不同，矢量控制技术诞生后，很快就在永磁同步电机中得到应用，而 直接转矩控制提出后，却没有在永磁同步电机中得到应用，直到1 9 9 8 年由胡育 文教授和汤立新博士提出永磁同步电机直接转矩控制理论，直接转矩控制才开始 在永磁同步电机上得到应用。目前对永磁同步电机直接转矩控制的研究和改进主 要集中在以下几个方面： 1 4 1 低速转矩脉动的抑制 转矩的控制是直接转矩控制的直接目的，对转矩脉动的抑制方法的研究主要 集中在三个方面：开关表的改进、利用空间电压矢量合成所需的目标空间电压矢 量、构造新型的d t c 实现方案。 如何构成优良的电压空间矢量选择表是目前国内外的研究热点，国内在这方 面的文章不少。文献 8 针对永磁同步电机的结构和运行特点进行了研究，提出 零矢量有平滑转矩波动的效果，并将零矢量加入到控制中来，重新定义开关表， 达到了改善控制效果的目的。还有的学者根据电压空间矢量对磁链和转矩的调节 作用进行了更加细致地分析，并改进了转矩调节器和磁链调节器的结构，细化了 磁链和转矩的调节，使电压空间矢量的选择更加精细。 意大利d o m e n i c o c a s a d e i 0 1 等学者认为电压空问矢量的有限数目、转矩、磁 链滞环的大小以及空间电压矢量的选择方法是造成电流和转矩纹波的重要原因。 控制系统必须能够在每个采样周期内产生任意的空间电压矢量( 即采用空间矢量 调制技术) 。如果控制系统能够产生比传统的d t c 系统更多的空间电压矢量，将 更加接近上述要求。文献 1 0 进一步论证同一空间电压矢量在电机运行于高速和 低速时会产生不同的影响，在不增加功率电路的复杂性和开关频率的情况下，通 过离散空问矢量调制技术( d s v l l ) ，基于固定的时间间隔，在每个控制周期内复 合出更多的空间电压矢量，并根据不同的转速范围，构成更为精细的空间电压矢 量开关表。实践证明，这种方法使得电流纹波和转矩脉动与传统的d t c 系统相比 明显降低。文献 1 1 认为传统d t c 的动态性能优良，但在稳态时转矩、磁链和 电流的脉动严重，于是提出了一种d t c 和s v m ( s p a c e - v e c t o rm o d u l a t i o n ) 的 江苏大学硕士学位论文 混合控制方案：当磁链和转矩与给定的偏差较大时采用l y r e 控制算法，当偏差小 于一定范围时采用s v m 控错。此方法不但继承了d t c 控制的优良动态性能，而且 使系统的稳态性能大为改善，代表着一种新的d t c 控制发展方向。 目前又出现了多种新型的d t c 实现方案“4 。构造新型的d t c 实现方案以克服 传统d t c 的缺陷，已成为当前国际上最新的研究热点。 1 4 2 磁链观测的改进 磁链观测是实现高性能电机传动系统的关键环节。目前常见的定子磁链的开 环计算方法主要有甜一j 模型，i - 缈模型和“一珊模型“”。 其中甜一i 模型( 即电压积分法) 是计算定子磁链观测最简单的方法，在u f 模型中，定子磁链通过对反电势的积分计算得到，只需要用到电机的定子电阻， 而且不需要电机的转速信息，因此该方案获得了广泛的应用。此方案的优点是仅 需要电机的定子电阻胄，计算简单。缺点是纯积分器存在着误差积累以及直流 偏移问题，这些问题在电机运行于低速时变得非常严重。此外，在低速运行时定 子电阻r 的设定偏差将会产生严重的不良影响。 f 一国模型克服了积分器的不良影响，但是严重依赖电机的参数，需要精确检 测电机的转速或者位置，而速度传感器的安装又大大地降低了传动系统的可靠 性。由于该方法仍属于开环估计方法，因而电机参数的变化和转速估计的偏差所 产生的影响仍然很大。 “一国模型是综合了以上两种模型，并实现了两种模型的平滑切换。在低转 速时采用i - 国模型，高速时切换到，一j 模型，这种模型实现复杂且存在平滑切换 的问题，而且不能够摆脱i 一模型的固有缺陷，因此实际应用的比较少。 为了弥补以上几种方法的缺陷，目前主要有两个发展方向：第一个方向是对 定子电阻进行在线辨识，通过提高定子电阻的辨识精度，来提高传统”一i 模型对 定子磁链的观测精度。第二个方向是探讨新的磁链观测方法，摆脱对电机参数的 严重依赖，提高磁链观测的准确度。 由于甜一i 积分观测器所具有的积累特性，采用定子电阻辨识的方法虽然能够 在一定程度上提高系统性能，但是不能从根本上解决问题，必须另辟蹊径。文献 1 4 采用低通滤波器代替积分器以消除积分器的不良影响，低通滤波器很容易采 6 江苏大学硕士学位论文 用模拟或数字的方法实现。积分器中的直流偏移问题可以通过在滤波器中设定较 大的时间常数( 截止频率) 来加以解决。然而采用低通滤波器代替积分器必然会 引入对定子磁链幅值和相位的计算误差，当电机运行于低速时，使用低通滤波器 观测定子磁链仍然存在严重问题，积分器的缺陷不可能从根本上得到解决。文献 1 5 借鉴了矢量控制中闭环磁链观测器的设计方法，构造出了两种适合于直接 转矩控制的闭环磁链观测器。虽然此类磁链观测器需要知道电机的全面参数，但 是所观测的磁链对电机参数的变化表现出了有很好的鲁棒性，认为采用闭环磁链 观测器对d t c 控制系统的定子磁链进行观测计算，是提高d t c 系统低速性能盼有 效方法。 i 4 3 无位置传感器的研究 无传感器控制系统“小m 1 是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适当方法 估计出转子的位嚣和速度，取代传感器，实现电机的闭环控制。我国也有许多的 单位在研究、研发和引进永磁同步电机控制系统的技术、元器件和装备。下面对 各种估算转速、转子位置和定子磁链的方法逐一进行介绍。 i 、直接计算方法删 从电机电磁关系式和转速的定义中可以得到关于转子磁链和转速关系的量。 由于定子的三相端电压和电流是可直接检测的量，因此利用它们计算出8 和m 是 最简单、最直接的方法。这种方法的特点是计算简单，动态响应快，几乎没有什么 延迟。但它对电机参数的准确性要求比较高，随着电机运行状况的变化( 例如温度 的升高) ，电机参数会发生一定的变化，导致转速和位置的估算值偏离真实值。而 这种方法没有补偿或校正环节。因此，应用这种方法时最好结合电机参数的在线 辨识。 2 、基于反电动势或定子磁链的估算方法嘲 利用计算反电动势来估算转予位置和速度是较早提出的方法，这种方法仅依 赖于电机的基波方程，因此实施起来较简单。但是这种方法最大的问题在于低速 时，当转速较低时，反电动势的值也很小，所以这种方法在低速时误差很大。我们 还可以通过计算定子磁链来估计转速和转予位置，磁链由反电动势积分求得，但 是由于积分器的零漂问题，这样得到的磁链的值会有积分误差。当电机转速较低 时，问题更为严重。为了克服这个问题，需要引入误差补偿环节，使得估算的磁通 和实际值相等。 7 江苏大学硕士学位论文 3 、模型参考自适应方法嘲 还有一种较常用的估算转子位置和速度的方法就是模型参考自适应( m r a c ) 法。模型参考自适应辨识的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可调模型， 将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相l 司物理意义的输出量。两 个模型同时工作，并利用其输出量的差值根据合适的自适应率来实时调节可调模 型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据稳定性原理得到速 度估计自适应公式，系统和速度的渐进收敛性由p o p o v 的超稳定性来保证。m r a c 应用到转速估计方面较有影响的方法是s c h a u d e r 提出的转速m r a c 辨识方法。 他的主要思想是将不含真实转速的磁链方程( 电压模型) 作为参考模型，含有待 辨识转速的磁链方程( 电流模型) 作为可调模型，以转子磁链作为比较输出量， 采用比例积分自适应律进行转速估计，状态和转速的渐进收敛性由p o p o v 的超稳 定性理论来保证。这种方法由于仍采用电压模型法来估计转子磁链，引入了纯积 分环节，使得在低速时转速的误差较为明显。其后y h o r i ，p z z h e n g 瞄“羽等对 该方法作了改进，改进的主要方面是在选择不同的参考模型和比较输出上及避免 纯积分环节。基于m r a c 的参数估计是以参考模型的准确为基础的，参考模型本 身的参数准确程度直接影响着参数辨识和控制系统工作的效果，由于对电机参数 的依赖性强，所以要同时对多个参数进行辨识，保证参数和系统状态同时收敛到 真值。 4 、基于各种观测器的估算方法 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直 接测量的变量如输出量和输入量作为它的输入信号，并使其输出信号，( t ) 在 一定的条件下等价于原系统的状态石( t ) 。通常，称r ( t ) 为x ( t ) 的重构 状态或估计状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。法。这种方法具 有稳定性好、鲁棒性强、适用面广的特点。但是由于它算法比较复杂，计算量较 大，受到计算机或微处理器计算速度的限制。近年来，随着微型计算机技术的迅 速发展，出现了高性能的微处理芯片和数字信号处理器( d s p ) ，大大地推动了这一 方法在无速度传感器矢量控制系统中的应用。在这些方法中较常见的如下： 滑模变结构法矧一例。1 9 8 6 年，j j s l o t i n e 提出了滑模观测器的非线性估 计问题，引起对滑模变结构观测器的广泛重视。滑模控制中，传动系统被切换算 8 江苏大学硕士学位论文 法强制在参考模型或相平面预先确定的超平面( 滑模面) 上，使得控制系统状态 量最终稳定在涝模面上。s a n g w o n - w a n i c h 提出了利用静止两相坐标系下的派克 模型的电流估计偏差信号来确定滑模控制机构，并将滑模开关输出直接用于电机 模型的参数补偿和转速估计。滑模控制系统具有良好的动态响应，在鲁棒性和简 便性上的表现也较为突出，从而使系统参数交化私负载转矩的扰动不敏感。但它 存在的主要问题是抖动，即由非线性引起的自振。抖动产生的原因是由于系统惯 性引起的切换滞后以及离散化采样的影响，抖动的存在使得控制系统的稳态精 度较差，尤其在重载下更为突出。目前虽然有积分补偿等去抖动的方法，但如何 去抖动的同时仍然保证足够的参数鲁棒性和状态收敛的转速仍是一个具有实际 意义的课题。 扩展卡尔曼滤波法一。卡尔曼滤波是由r e k a l m a n 在六十年代提出的一 种最小方差意义上的最优预测估计的方法，其突出特点在于可以有效地削弱随机 干扰和测量噪声的影响。扩展卡尔曼滤波算法则是线性卡尔曼滤波器在非线性系 统中的推广应用。将电机参数视做状态变量，考虑电机的非线性模型，在每一步 估计时都重新将模型在该点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行估 计。在两相旋转坐标系下以定子电流，电机转速和转子角位置为状态变量，建立 离散化的非线性模型，在膏时刻线性化，用线性递推公式进行计算。扩展卡尔曼 滤波法提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免对测量量的微分计算，且可 以通过对p 阵和霄阵( 口阵和斤阵代表噪声的统计特性) 的选择来调节状态收敛 程度。 5 、高频注入方法咖 这种方法是给电机注入高频电压，并检测其相应的电流来获取转子的位最和 转速。这种方法只适用于i p m s m ，即它要求电机有一定的凸极。它利用固定载波 频率励磁的方法来估算转予位簧和速度。这种方法的优点是可以应用于较宽的速 度范围内，低速时也能得到较好的估算结果。但是由于有高频信号注入，它又会带 来高频噪声的问题。 6 、人工智能理论基础上的估算方法 进入2 0 世纪9 0 年代，电机传动上的控制方案逐步走向多元化。智能控制思想 开始在传动领域显露端倪，专家系统、模糊控制、自适应控制、人工神经元网络 9 江苏大学项士学位论文 纷纷应用于电机控制方案中。这方面的文章虽也屡有发表，只是产业化的道路仍 很漫长，相信在不远的将来，随着智能控制理论与应用的日益成熟，会给交流传动 领域带来革命性的变化。以神经网络为例介绍如下； b p 神经网络法洲：以电压模型作为参考模型，电流模型作为对象模型， 用神经元与电流模型构成可调系统。以电压模型和电流模型的状态变量转子 磁链的误差，通过b p 算法，调节神经元的权值，使两模型的状态误差为零，由于 转子速度信号包含在某一权值中，故可提取出来，从而得到转子速度。此方法还 可以辨识其他时变参数。在直接转矩控制系统中，以转子电流作为神经网络的输 入样本，以电机实际转速为目标样本，建立多层前馈神经网络，用b p 算法调整其 权值，伎神经网络输出与目标样本一致，得到一个神经网络模型来辨识电机转速。 1 5 本章的主要内容 掌握永磁同步电机的结构和运行特点，深入了解直接转矩控制理论。 在直接转矩控制原有理论上，进一步分析零矢量对永磁同步电机直接转矩控 制的作用。 对卡尔曼滤波以及扩展的卡尔曼滤波原理进行深入的分析，在理解卡尔曼滤 波模型的基础上，把扩展卡尔曼滤波应用与永磁同步电机直接转矩控制的无 速度传感器的研究中。仿真显示控制效果比较理想 运用p o p o v 超稳定性等相关自适应理论，使用模型参考自适应方法完成永磁 同步电机无速度传感器控制仿真。利用永磁同步电机电流方程的交互式模型 参考自适应方法实现了永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制。并进行了 速度电阻交互式模型参考自适应控制。仿真显示控制效果比较理想。 运用滑模变结构速度控制器改进传统的直接转矩控制，改善永磁同步电机直 接转矩控制系统的低速度性能，并运用m a t l a b 中的工具箱s i j m j l i n k 进行建 模和仿真来验证理论的可行性和效果。 运用d s p 作为控制芯片，实现永磁同步电机的直接转矩控制系统的控制实验 平台，并完成d s p 实时软件的编写和实验调试工作。 i o 江苏大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机直接转矩控制系统研究 2 1 永磁同步电机直接转矩控制理论 永磁同步电机中磁链、电流和电压的矢量关系如图2 1 所示。其中转予磁链 的轴向为d 轴的正方向，d 轴与a 相绕组的夹角为以。定子磁链的方向为x 轴的 j 下方向。本文定义x 轴与d 轴的夹角占为转矩角，x 轴超前d 轴时转矩角为正。 在忽略定子电阻的情况下，转矩角即为我们熟知的功角。当电机稳态运行时，定、 转予磁链都以同步速旋转。因此，在恒定负载的情况下转矩角万为恒定值。当电 机瞬念运行时，转矩角则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。 在转子d q 坐标系下，电机的磁链、电压、转矩的表达式为( 假设电机是 线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组等) ； 以= b + p p a 一哆忆 = 足+ p + c o , p d ( 2 2 ) u = 翊+ 明 丁= 三p 。帆一i a ( 2 3 ) 式中，缈。、u 、屯、 图2 1 定、转子参考坐标 、厶、l q 分别是定子绕组折 算到d 、q 轴的磁链、电压、电流和电感。以、虬、置为定子端电压、定予端 磁链和定子绕组电阻：，为转子磁钢在定子侧的耦合磁链；办、r 、q 为电机 极对数、电磁转矩和角频率。 由图2 1 可推出转矩角的表达式为： ”厢 江苏大学硕士学o - g 炙 万= 协n 4 ，儿) = t a n - 1 ( 右筹万 ( 2 4 ) 将d 日坐标系中物理量转换到x y 坐标系，司利用公式( 2 5 ) ： 阱。c o s 8 湖s i n 8 且1 - 割f # 亿s ， 其中，f 可代表电压、电流和磁链。 利用上式，x y 坐标系下的定子磁链经推导后，可表示如下： 计 l d c o s 2 6 + l qsin28厶(lq-la)si油nscos(lq l d ) s i n d c o s d c o s ：瑚嘶陋l i n 8 a 习亿e ，jl 一 厶2 万+ 乞s i l l 2 艿拈j 叫7 j ”一 由于定子磁链定向于x 轴，有n = 0 ，即： 鼎州l # c o s 2 6 + l q s i n 2 6 a a ) s i n d c o s 8 l 盱, c o s ；u 6 + 咖l a 胁s i n 2 8 料啦习，jl o l 一出j ”。i s i n 刮 解上式得x y 坐标系下的定子电流如式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 所示： ：丝堂考善婪坠迹 ( 2 8 )1 池一厶) s i n 2 万 一 2 去阮厶s i n 万一阮f ( 乙一l 。) s i n 2 8 】 ( 2 9 ) 由图2 1 可知转矩角和磁链的关系表达式为： 8 i r i j 2 刚i ( 2 1 0 ) c o s 0 2 吵d i 妒，i 式( 2 3 ) 结合式( 2 8 ) ，再经式( 2 5 ) 变换后，得到x y 轴上的转矩表达示为下式： r = ；岛l 以qs i 砸+ c 。s 圆一也c o 龉一s i n 剐= ；岛k i ( 2 1 1 ) 将式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 1 ) ，得到电机的转矩表达式： 丁2 未釜k f 防，s 血艿一f f ( 岛一乙) s 纽2 翻 ( 2 1 2 ) 由电机的转矩表达式( 2 1 2 ) 可知，电机的转矩可分为两部分，前一部分为电 机的电磁转矩，它由电枢交轴电枢反应产生，后一部分为电机凸极结构产生的磁 江苏大学硕士学位论文 阻转矩。放p m s m 输出转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值及定、转子磁链的夹 角占的正弦成正比。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值( 饱和) ，以充 分利用电动机铁心；p m s m 转子磁链幅值一般为恒值，要改变电动机转矩的大小， 可以通过改变定、转子磁链夹角的大小来实现，这就是永磁同步电机直接转矩控 制理论的指导思想。 因此，永磁同步电机直接转矩控制理论基础为：保持定子磁链幅值不变的情 况下，控制定、转子磁链之间夹角即可以控制电机转矩。要获得快速的转矩响应 应快速改变转矩角。在直接转矩控制中，既要限制定子磁链幅值，以保证转矩变 化与转矩角变化一致关系，又要限制电机最大转矩的输出，使转矩角限制在最大 转矩角范围之内，以保证一定的过载能力下电机的稳定运行。 2 2 永磁同步电机直接转矩控制控制系统 2 2 1 空间电压矢量 图2 2d t c 控制主电路 由上节分析知道在采用d t c 控制时，永磁同步电机转矩的产生和改变与定转 子磁链的夹角密切相关，电机旋转时，转子磁链位置不断变化，因此定子磁链也 必须相应的转动。为了产生转动的定子磁链我们采用了图2 2 控制主电路。电机 的端电压出开关管的导通和关断来控制，同一桥臂的上下管互锬，我们可以用三 个单刀双投开关瓯、岛和& 分别代替三组互锁的开关器件，当e = 1 时，表示 逆变器的a 桥臂的上开关a 1 闭合，下开关a 2 断开，s = o 情况相反，其余的类 推。电机的空间电压矢量可表示为 1 3 江苏大学硕士学位论丈 玩骱& ，s o ) = 厣鹕蝇e 学峨e 片】 ( 2 1 3 ) 其中。为逆变器直流母线电压，玩为空间电压矢量，s = 0 , 1 2 7 ， ( s 。、s 。、& ) 共有8 种组合，因此会在空间产生8 个空间电压矢量，将其代 入式( 2 1 3 ) ，可以得到幅值相等，空问上互差6 0 0 的6 个非零矢量，和两个位于 起点的零矢量，如图2 3 所示。为了根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号选择 合适的空间电压矢量，必须对磁链所在的位置进行分区，本文采用空间电压矢量 的角平分线作为分区的边界。这样，工作矢量就把空间分成了六个扇区，本文用 皖，f = 1 6 来表示这6 个扇区，如图2 4 所示。 u f 0 u 5 ( 图2 3 逆变器空间电压矢量图2 4 扇区分布图 在忽略定子电阻压降时，定子磁链将沿输入空间电压矢量的方向，以正比与 输入电压的速度移动“”。因此，适当地电机的空间电压矢量，可以使磁链的运动 轨迹近似为圆。为了保持磁链幅值，可根据磁链偏差大小和磁链的具体方向，适 当选取空间电压矢量达到控制磁链的目的。例如，磁链在第一扇区时，空问电压 矢量u ，u ：，以可以增加磁链幅值，空间电压矢量乩，玑，【，可以减少磁链幅值， 而零矢量在一个控制周期内，不会对磁链产生影响，磁链将不发生移动。 在磁链保持基本不变的情况下，式( 2 1 2 ) 表明转矩与转矩角有关，近似表 示为： t a 万( 2 1 4 ) 而一个控带4 周期内转矩角的变化可用下式表示： 万= 玑r 虬啡& ( 2 1 5 ) t 4 江苏大学硕士学位论文 式( 2 1 5 ) 表示转矩角的变化量由两项组成，即空间电压矢量使定子磁链空 间位置变化量和转子旋转造成转子磁链位置变化量，忽略机械惯性，即认为 c o , a t * 0 ，因此，可以认为，空间电压矢量可以线性地改变电机的转矩角，从 而改变电机的转矩。例如在第一扇区时，空间电压矢量矾，玑增加转矩，空间电 压矢量以，砜减少转矩，如果加零矢量，如前所说，磁链幅值不变，另在一个控 制周期内，【，。= 0 ，j “0 ，所以我们认为转矩不发生改变。 2 2 2 转矩和磁链控制 d t c 控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。滞环比较器的运行 原理为：当前值与给定值的误差在滞环比较器的容差范围内时，比较器的输出保 持不变，一旦超过这个范围，滞环比较器便给出相应的值，转矩滞环和磁链滞环 的控制原理如图2 5 所示。 a 转矩滞环 。y r a f 1_ o l 冬 b 磁链滞环 图2 5 转矩和磁链滞环比较器 对于转矩滞环比较器来说，l 为给定转矩，t e 为当前实际电磁转矩， t = z - r 。转矩滞环有三个临界值，分别是疋，- a l ，0 ，在l 晦界值时，滞 环输出信号变化规律如图2 5 a 所示。在滞环比较器控制下，稳态时转矩的变化 示意图如图2 6 所示。 磁链滞环比较器的控制原理与转矩滞环比较器类似，其有两个临界值，在临 界值时，滞环比较器的输出信号如图2 5 b 所示。 皆 江苏大学硕士学位论文 a t 6 t 图2 6 转矩脉动示意图 图2 7 永磁同步电机定子磁链的孰逮 直接转矩控制中磁链滞环比较器的作用是保持磁链幅值基本不变，在稳态下 磁链幅值的波动应和转矩脉动相类似。在转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的共 同作用下，定子磁链的运动轨迹应如图2 7 所示。 基于上述两个滞环比较器的输出，文献 1 3 3 在讨论永磁同步电机直接转矩控 制理论之时，提出了仅用运动矢量的开关表如表2 1 所示，表2 1 中转矩状态量 丁为l 表示控制系统需要增大转矩，f 为一l 时表示控制系统需要减小转矩，同理， 磁链的状态量矿为1 表示控制系统需要增大磁链，矿为0 时表示控制系统需要减 小磁链。醴表示定子磁链所在空间的扇区。 表2 i 采用运动矢量的逆变器开关表 矽 f 硖0 20 3矾秒58 6 l u 2 (