（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器感应电机调速系统控制策略的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o r sb a s e do nv a r i a b l ef i e q u e n c ys p e e da d j u s t m e n ts y s t e ma r e w i d e l ya p p l i e di n i n d u s t r i a lf i e l d sa n dd a i l yl i f e a c c o r d i n gt o v e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u e ，a c ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t ) s p e e dc o n t r o ls y s t e mc o u l db ec o m p a r e dw i t h d c ( d i r e c tc u r r e n t ) s p e e dc o n t r o ls y s t e mi nt h et g c e t so f s p e e dc o n t r o la n dt o r q u e c o n t r o lb u t ，s t a b i l i t ya n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t sw i l ll i m i ts y s t e mp e r f b r m a n c ew i t h t h es p e e ds e n s o r 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 mi so n eo ft h em o s tp o p u l a r i t e m so f a cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t m e n tt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt h ea ci n d u c t i o nm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e l ，t h e e s s e n t i a lp r i n c i p l e so fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t m e n ts y s t e mi n c l u d i n gc o n t r o l a n ds t r u c t u r ep r i n c i p l e sa r ep r o p o s e d 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 mo fa ci n d u c t i o nm o t o rb a s e do nm r a s ( m o d e lr e f b r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) m e c h a n i s mi sp r e s e n t e di n t h i s p a p e r t h e p r o p o s e ds y s t e mi n c l u d e sar o t o rf l u xe s t i m a t o ra n das p e e de s t i m a t o r b ym e a n so f f l u xo b s e r v i n g ，t h ef l u xc a l c u l a t i o n si n t e g r a t i o np r o b l e m so ft h ev o l t a g em o d e l ，s u c h a st h ei n i t i a lv a l u ea n dt h ed r i t to fap u r ei n t e g r a t o r , a r ea v o i d e d at h r t h e ra d v a n t a g e i st h es t a b i l i t yo f l o w s p e e do p e r a t i o na n dc o n t r o la c c u r a c yi so b t a i n e da l lt h e m a t h e m a t i cm o d e l sa r eb a s e do nt h er o t a t i n gr e f e r e n c ef l a m e as i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o n ef o rt 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 ls y s t e mo f a ci n d u c t i o nm o t o ru n d e rm a t l a b s f m u l i n kt h et h e o r yp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i sc o n f i r m e db ym e a n so ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eg o o d p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi nt o r q u e ，s p e e da n dr o b u s t n e s s g r o u n d e do nt h ew o r ka b o v e ，ar e a ls y s t e mi n c l u d e st i sd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a sc e n t r a lc o n t r o lu n i ti sd e v e l o p e d ，a n dt h et h e o r ya n a l y s i sm e n t i o n e da b o v ei st e s t e d b ye x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e mb a s e do nc o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ( c a n ) b u s i sd e s i g n e d t h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t m e n ts y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ah a v e m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a ss i m p l e n e s so fh a r d w a r e ，s t a b i l i t ya n dg o o dr e a l t i m e p e r t b r m a n c e t h ea ci n d u c t i o nm o t o rc a l l r u ni nt h es t a t u so fc o n s tt o r q u eu n d e r r a t e df r e q u e n c ya n do fc o n s tp o w e ra b o v er a t e df r e q u e n c yh a v i n gm u c hs u p e r i o r i t y , t h es y s t e mc a l lb ew i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r y k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r s p e e d - s e n s o r l e s s r o t o rf l u xe s t i m a t i o n v e c t o rc o n t r o l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m o d e lr e f b r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) s p e e de s t i m a t i o n 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王天砷备 签字目期： 2 口。4 年z 月2 _ 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王天爿等 导师签名 卟终雄 签字日期：2 。4 年摩月矽日签字日期：叫年j z 月彳日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流变频调速技术的发展 三相交流感应电机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生， 故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，备受人 们的青睐。与其它电动机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领 先的地位。 但长期以来，感应电机在调速方面一直处于性能不佳的状态。虽然改变定予 侧的电流频率就可以调节转速，是由感应电机的基本原理所决定的，但是，感应 电机变频调速技术发展到普及的实用阶段，却是在2 0 世纪8 0 年代。其原因是多 方面的。交流调速技术是随着电力电子器件制造、基于电力电子电路的电力变换、 计算机、现代控制、微电子、全数字化控制、网络通信等技术的发展而发展起来 的【”。 1 1 1 关于功率器件 电力半导体器件是构成电力电子设备的核心，是电力电子技术的基础，它的 特性和应用方法直接影响这电力电子系统的性能价格和可靠性。电力电子器件在 电力电子技术中作为开关元件，要求其开关速度快、承受电流和电压能力大、工 作损耗小。理想的电力电子器件应在断态时能承受很高的电压而漏电流很小；在 通态时能有很高的电流密度而压降很低；在断态和通态之间又能很快的转换。 现在，各种电力电子设备将高频化、小体积化、超大规模集成化、模块化。 由于环境、能源、社会、高效化的要求，电力电子设备正向高性能化、智能化、 数字化、系统化及绿色化发展。 i g b t 由于兼有m o s f e t 和g t r 的优点，是用于中小功率目前最为流行的 器件，m c t 则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和m o s f e t 的快速丌关特性， 是极有发展前景的大功率、高频率丌关器伊”。 以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的 2 0 3 0 ，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要 的作用。 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在 截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降：在开关转 换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i d t 和d v d t ，以及具有全控功能。 第一章绪论 i g b t 进入变频调速领域后，使得变频调速的性能得到质的飞跃。变频器的 廉价化使其应用更加广泛，在很多环境恶劣应用中要求变频器具有承受外界短路 能力的需求，推动了具有抗短路能力的i g b t ，现在，变频器中的i g b t 大多采 用了具有抗短路能力的i g b t 。 1 1 2 关于脉宽调制技术 在变频调速系统中，几乎所有控制算法的最终实现都是以各种p w m 控制方 式完成的。 p w m 控制方式是指对开关电路进行脉宽调制控制的方式，在功率变换系统 中，是在逆变电路部分同时对输出电压( 电流) 的幅值和频率进行控制的控制方 式。在这种控制方式中，以比较高的频率对逆变电路的半导体开关器件进行导通、 关断控制，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压( 电流) 的目的。 为了使感应电机在进行调速运行时能够更加平滑，目前在通用变频器中多采 用正弦波p w m 或者s v p w m 控制方式。现代新型中小容量的通用变频器主要是 交直交电压型p w m 调制方式变频器。 p w m 技术的基础是正弦波p w m ( s p w m ) ，其思想是用与正弦波等效的一系 列等幅不等宽的矩形脉冲代替正弦波。s p w m 易于实现、应用广泛，但输出电 压最大线性输出基波电压幅值只有直流母线电压的一半。为提高输出基波电压幅 值和抑制输出电压谐波，己提出了一些改进的方法【3 j 。 电压空间矢量s v p w m 则把电动机和逆变器看为一体，着眼于如何使电动 机获得幅值恒定的圆形磁场。s v p w m 调制具有转矩脉动小、噪声低、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1 4 】。采用p w m 控制 方式的变频器具有可以减少谐波的影响、输出转矩波动小、控制电路简单、成本 低等特点，是目前广泛采用的一种逆变器控制方式。但是，这种方式当载波频率 不合适时会产生较大的电磁噪声等缺点。为了克服这个缺点，在采用p w m 控制 方式时，一般将载波频率提高到音频以上，一般在可调节范围4 1 6 k h z 内。由 于这种控制方式对逆变器开关器件的开关速度有较高的要求，所以需要采用具有 较高开关速度的换流器件，如i g b t 或者功率m o s f e t 等半导体开关器件。 利用p w m 技术能够方便地控制输出电压的幅值、相位、频率，p w m 技术 己成为现代交流伺服的基础性技术。p w m 单元处于控制器与电机之间，是控制 指令的直接执行者。作为电流控制环一部分的p w m 单元能否快速、准确地实现 电流给定值，直接决定了电机转矩的控制效果。 第一一章绪论 1 ，1 3 关于微处理器技术 基于以d s p 控制器构成运动控制系统可以满足大多场合的需要 控制系统实现的发展方向。 t i 公司推出的系列d s p 控制器是高度集成的芯片系统， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的简要介绍。 将是运动 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 家族中较新的、功能强大的d s p 芯片，它是最具有革命性的产品，是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控 制芯片，特别适合于三相感应电动机的高性能控制。它与现存2 4 xd s p 控制器 芯片代码兼容的同时，2 4 0 7 芯片具有处理性能更好( 4 0 m i p s ) 、外设集成度更高、 程序存储器更大、a d 转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。其 主要特点如下垆j ： ( 1 1 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，为开发者提供完整的、高效的马达控 制方案，提供所有的p w m 和i 0 ，可以控制所有类型的电机。 ( 2 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的 损耗：4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 ns ，从而提高了控制器的实时 控制能力。 ( 3 ) 片内有高达3 2 k x1 6 位的f l a s h 程序存储器；高达2 5 k 字x1 6 位的数据 程序r a m ；5 4 4 字节双端1 3r a m ( d a r a m ) ；2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 4 ) n 司- 扩展的外部存储器总共具有1 9 2 kx1 6 值的空间，分别为6 4 k 字程序 存储器空间、6 4 k 字的数据存储空问和6 4 k 字的i o 空间。 ( 5 ) 1 0 位a d 转换器，其特性为：最小转换时间为5 0 0 n s 、8 个或1 6 个多路 复用的输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支 持自动顺序采样，不需cp u 干预。 ( 6 ) c a n 总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好 的通讯，特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。 ( 7 ) c p u 内核支持一个非屏蔽中断( n m i ) 和6 个具有优先级请求的可屏蔽 中断( i n t li n t 6 ) 。利用一个外设中断扩展( p i e ) 控制器来专门管理各种外 设或者外部引脚的中断请求。 1 1 4 变频调速技术的发展方向 6 1 ( 1 ) 进一步发展控制策略。尽管矢量控制使交流调速系统的性能有了较大 的提高，但是还有许多领域有待深入研究，如磁通的准确估计或观测、无速度传 感器的控制方法、电动机参数在线辨识、零速下电动机控制、电压重构与死区补 偿策略、多电平逆变器的控制策略等。未来的变频器控制技术将在基于电动机模 第一章绪论 型的矢量控制的基础上，进一步得到发展，并融入现代控制理论的模型参考自适 应技术、多变量解耦控制技术、最优控制技术和基于智能控制技术的模糊控制、 神经元控制、专家系统和过程自寻优、故障自诊断技术等，使交流变频器更傻瓜 化、更容易使用。 ( 2 ) 高速全数字控制。随着以高速微处理器为基础的数字控制器的应用， 新型电力电子器件应用技术，w i n d o w s 操作系统以及各种c a d 软件、通信软件 被引入变频控制当中，使得能够实现各种控制算法、参数自设定、自由设计控制 功能、图形编程技术等数字化控制技术。 ( 3 ) 新型电力电子器件应用技术。随着新型电力开关器件的发展，可关断 驱动技术、双p w m 逆变技术、柔性p w m 技术、全数字自动化控制技术、静动 态均流技术、浪涌吸收技术、光控及电磁触发技术、导热与散热技术将得到迅速 发展。 ( 4 ) 通用变频器的大容量化和小体积化。随着电力电子器件的发展，大容 量开关器件及其并联、串连应用技术和控制技术得到应用，通用变频器大容量化 已成为现实。以i g b t 为开关器件的智能功率模块( i p m ) 和复合集成功率模块 也在不断发展。由于i p m 和复合集成功率模块将功率开关器件及其驱动电路、 保护电路等集成在同一封装内，具有高性能、高可靠性、小型化的优点，所以在 中小型通用变频器中将得到广泛应用。 ( 5 ) 对环境问题愈趋重视。近年来，人们对环境问题愈趋重视，并因此出 现了“绿色产品”的名称，变频器的电磁兼容性( e m c ) 技术越来越收到重视。 1 2 感应电机矢量控制研究现状简介 交流感应电动机的矢量变换控制是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相 交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等 效关系，从而可以按直流电动机的控制规律来控制交流电动机。也就是说，矢量 变换控制的基本想法是要把交流电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一 样来进行控制“j 。 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，又需要控制定子电流空间矢量的相位。 矢量控制技术的应用，使交流传动系统的性能不断完善，并应用于越来越多 的领域。矢量控制型的逆变器是目前高性能交流调速装置的发展方向，一般情况 下分为有速度传感器型和无速度传感器型两大类。后者虽然在静态特性上已与前 第一章绪论 者相差无几，且可满足成本低及一般场合应用的性能要求f 如有些场合无法安装 测速码盘时，只能采用无速度传感器型) ，但其动态特性目前还无法真正与速度 闭环的有速度传感器型相媲美。 1 3 无速度传感器控制策略产生的背景与发展现状 1 3 1问题的提出 在高性能的异步电机矢量控制系统中，电机转速的闭环控制环节般是必不 可少的，通常采用光电编码器等速度传感器进行转速检测并反馈转速信号，但是， 由于速度传感器的安装会带来以下一些缺陷【8 】： ( 1 ) 调速系统的成本大大增加； ( 2 ) 码盘在电机轴上的安装存在同心度问题，如果安装不当将影响测速精 度，可靠性降低 ( 3 ) 使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏 了感应电机简单坚固的特点，降低了系统的鲁棒性； ( 4 ) 在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条 件的影响，适用面减小； ( 5 ) 信号线需精心布置以免外界的电磁干扰等。 以上的各种因素使得人们转而研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。 无速度传感器的应用，一方面可以完成高性能控制中对速度闭环的需要，另 一方面又减少了由于安装速度传感器而引起的系统硬件复杂性上升和可靠性下 降。所以，无速度传感器技术的应用受到越来越多的重视，近年来这项研究也成 为交流传动的热点问题，国外在2 0 世纪7 0 年代就开始了这方面的研究。 1 3 2 感应电机无速度传感器控制技术的发展现状 在所有的感应电机无速度传感器的控制策略中，磁通的观测及其控制尤为重 要，转速的推算取决于磁通的正确估计。如果转子磁通的观测不准确，那么转予 磁通定向控制系统应有的优点，即实现转矩和磁通的解耦控制将无法实现。无速 度传感器变频控制系统的结构原理图参见图1 1 。 第一章绪论 图卜1 无速度传感器感应电机控制系统原理框图 以下为转速推算的几种方法： ( 1 ) 模型参考自适应法1 9 】：构建一个参考模型和一个可调模型，通过调节 可调模型中的可调参数，从而使两个模型的输出之差趋于零，得到转速的辨识值。 ( 2 ) 滑模观测器法：在采用巩理论设计的滑模观测器的基础上，可以构成 能够满足李雅普诺夫函数的转速辨识算法。 ( 3 ) 扩展卡尔曼滤波器法【l0 】：在无速度传感器控制算法中，利用卡尔曼滤 波器可以实现对状态变量的参数估计，从而使得这种控制方式具有良好的动态性 能和较强的抑制干扰的能力。 ( 4 ) 基于神经网络的转速辨识算法u 2 ：神经网络的结构简单，自学习能 力强，近年来开始应用于交流调速控制系统中。神经网络对速度进行辨识是通过 直接学习系统的输入和输出数据，学习的目的是使得所要求的能量函数达到最 小，从而归纳出系统输入和输出数据中的关系。系统中的电压模型提供转子磁链 的期望输出，而电流模型则计算转子磁链的神经网络模型输出。神经网络模型的 权值选择与转子转速相关的信号并在线调节，使估计出的磁链跟随期望磁链的变 化。当偏差趋于零时，辨识速度趋近于电机的实际转速。 1 3 3 感应电机无速度传感器控制技术中需解决的问题 单纯的利用电压模型或者电流模型估算电动机的速度都是存在一定不足的， 以下列出了无速度传感器矢量控制系统的一些技术难题： ( 1 ) 如何根据电机模型( 包括电压模型以及电流模型) 推算磁通以及电机 的转速。 ( 2 ) 随着温度的升高，电机定子电阻和电机转子电阻的变化对系统的稳定 第一章绪怡 性和速度控制精度会产生一定的影响，如何解决这一问题。 ( 3 ) 系统实际运行时，由于死区时间和电力电子器件i g b t 非理想性的影 响，p w m 逆变器存在输出误差，使得低速运行时性能不佳，如何实现输出电压 的补偿。 1 4 本文的研究目的和意义 感应电机是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产物。它的驱动、控制 更是和电子技术息息相关。因此，进行感应电机控制系统的研究对于我国工、i k 现 代化建设有着重要的意义。感应电机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是对其 无速度传感器控制系统的研究还有待干进一步深入，存在着比较大的发展空间。 本系统实现后能大大减少系统成本，提高系统可靠性，减少系统维护的工作最。 本课题既需要进行控制理论的研究又需要解决实际的技术问题，并且最终实 现了具有较高性能的无速度传感器感应电机矢量控制系统，具有较高的理论意义 和应用价值。 1 5 本文的主要研究内容 本课题以感应电动机为控制对象，以设计无速度传感器感应电机矢量控制系 统为目标，采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，在吸取和借鉴国内 外研究成果的基础r ，从以下几个方面对无速度传感器感应电机矢量控制及其丰日 关技术进行了较为全面的研究： ( 1 ) 查阅相关资料，深八研究感应电机的数学模型、矢量控制方法以及无 速度传感器基本原理及其它相关的技术方法。 c 2 ) 在比较各种磁通，速度推算方法的基础之上，确定系统的磁通推算方 法以及速度推算方法；确定系统在线运行时的电阻辨识策略；利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件对系统进行仿真研究。 c 3 ) 以t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 为系统控制核心，主回路采用智能 功率模块( i p m ) 构成变频装置，设计一套完整的无速度传感器感应电机矢量控 制系统。 ( 4 ) 编写控制系统的软件，其中包括电机电流的检测，速度调节器，电流 调节器和p w m 驱动信号的d s p 软件实现。 ( 5 ) 对整个系统进行联词，实现系统对感应电机的精确控制，特别要关注 弱磁升速以及低速时的性能提高。 弱磁升速以及低速时的性能提高。 第二章感应r 乜机变频调速系统原理 第二章感应电机变频调速系统原理 2 1 感应电机的数学模型 理解感应电动机的数学模型是对其控制的先决条件。f 回描述的感应电动机 的数学模型的推导基于如下几点假定【1 3 ： ( 1 ) - - n 定子绕组a 、b 、c 及三相转子绕组a ，、酢、卉空间对称分布，各相电流所 产生的磁势在气隙空间是正弦分布的。 ( 2 ) 磁饱和和铁心损耗忽略不计。 ( 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响，即电机定转子参数均为常量。 本模型是一个建立在a 一口轴上的五阶模型，它尽量保持了异步感应电机的 特性。在之后的仿真中使用该模型，则可以尽量的反映真实的情况。 以下为本系统的电机模型： 鲁= 警( 吡，嘿矗，号 池， 等一o - n p c o q + - 等m i o 协z ， 等一如棚艘。+ 詈 s ， 鲁= 是面m i q p 毗，一c 等”壶 。， 鲁= 箍咿面m n p 一c 等笋蜘击“， 池s ， 其中，各个符号表示的意义如下： r ，定子电阻 r 。转子电阻 m 互电感 盯= 1 - 誓绝) 互感系数 妒矿妒。转子磁通的、卢轴分量 第二章感应电机变频调速系统蟓理 、叽口定子磁通的d 、卢轴分量 o 定子电流的d 、卢轴分量 2 2 感应电机变频调速系统的基本控制原理 2 2 1感应电机的稳态等效电路m 1 感应电机定子磁场的旋转速度即为感应电机的同步速度，这是因为当转子的 转速达到感应电机的同步转速时其转子绕组将不再切割定子旋转磁场，此时，转 子绕组中不再产生感应电流，也不再产生转矩，所以，感应电机的转速总是小于 其同步转速。感应电机的同步转速是由其磁极对数和电源频率所决定的。由电机 理论，可得感应电机的稳态等效电路如下图所示。 厶厶 局厂y y lr y y 、 广 ，h7 f _一k ，f u 【， ；厶+卉 - b，l 丁 l。，一 图2 1 感应电机的稳态等效电路 图中，u 是定子电压， 是定子电流，厶是励磁电流，厶是转子电流，兄是 定子电阻，厶是定子电感，岛是转子电阻，厶是转子电感，厶是励磁电感，s 是 转差率。如果用, v s 表示感应电机的同步转速 下的关系式成立： 6 0 f y 。= - - - p n 表示感应电机的轴转速时，有如 式中，是定子的电源频率( h z ) ，而p 为电动机的极对数。 门t 一玎 j 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第一二章感应电机变频调速系统原理 。：! 塑! 二生 口 工= s f 式中工为转差频率( h z ) 。 由等效电路还可以推算出感应电机的转子电流和转矩的表达式 厶= 等 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 在式( 2 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 中的e 是感应电机定子每相电动势的有效值。 式( 2 6 ) 到( 2 - 9 ) 是感应电机的转速和频率的基本关系式，当感应电机空 载、不产生转矩时，可以认为转差率s 基本上为零；而当感应电机满负载、产生 额定转矩时，转差率s 一般在1 1 0 的范围内。 从式( 2 8 ) 可以知道，调节参数厂、s 和p 中的任意一个，即可达到改变感 应电机转速而对其进行调速控制的目的，基于此可以得到不同的调速方法和控制 策略。例如，如果能够有一个可以任意改变频率的电源，就可以通过改变电源的 频率实现对感应电机的调速控制。 2 2 21 亘压频比控制方式和转差频率控制方式 感应电机在基频以下调速时，要保持磁通不变，当定子电压频率从额定值向 下调节时，必须同时降低e ，使得 兰：c ( 2 1 2 ) 式中的c 为一固定常数，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。但是，绕组 中的感应电动势是难以直接控制的。如果忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，可以认 为定子相电压uz e ，则得到 盟：c( 2 一1 3 ) 这就是恒压频比的控制方式。 在实际的调速控制过程中，必须考虑到起动转矩、限制起动电流和得到理想 的转矩特性等方面的问题，因此，简单的调整电源频率并不能满足对感应电机调 第二章感应电机变频调速系统原理 速控制的需要。恒压频比就是使输出电压频率和输出电压幅值同时得到控制，并 保持压频比恒定，以达到上述的目的。 关于转差频率控制方式，由式( 2 - 1 1 ) ，当转差频率较小时，在保持压频 比恒定的基础上，感应电机的转矩基本上与转差率s 成正比。感应电机的这个特 性意味着在进行恒压频比控制的基础上，只要调节转差频率磊，从而使感应电机 输出一定的转矩，以达到控制感应电机输出转矩的目的。这就是采用转差频率控 制方式的变频控制系统的基本控制原理。 2 2 3 矢量控制方式 矢量控制系统基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系 上的定子交流电流i a 、如、i c ，通过3 2 变换可以等效成两相静止坐标系上的 交流电流、如，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流 电流0 。 、 若观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，所看到的便是一台直流电机，可以 控制使交流电机的转子总磁通面，就是等效直流电机的磁通，则m 绕组相当于 直流电机的励磁绕组，相当于励磁电流，t 绕组相当于伪静止的电枢绕组， 相当于与转矩成正比的电枢电流州。 感应电机的坐标变换结构图如下： 图2 - 2 感应电动机的坐标变换结构图 3 2 三相两相变换：v r 同步旋转变换： m 轴与a 轴( 月轴) 的夹角 把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输入为 a ，b ，c 三相电压，输出为转速，是一台感应异步电机。从内部看，经过 3 2 变换和同步旋转变换，变成一台由0 和 输入，由输出的直流电机。 第二章感应电机变频调速系统原理 既然感应异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机 的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制感应 电机了。 由于进行坐标变换的是电流( 代表磁动势) 的空间矢量，所以这样通过坐标 变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统( v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ) ，控制系统 的原理结构如下图所示。 图2 - 3 矢量控制系统原理结构图 在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器v r 一1 与电机内部的旋转变换环节v r 抵消，2 3 变换器与电机内部的3 2 变换环节抵 消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图中虚线框内的部分可以完全删去， 剩下的就是直流调速系统了。 可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能 够与直流调速系统相媲美。 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制感应电机的定子电流矢量，根据 磁场定向原理分别对感应电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制感 应电机转矩的目的。具体是将感应电机的定子电流和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) 分别加以控制， 并同时控制两个分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方 式为矢量控制方式【l 。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子 电流( 交流量) 的控制上。由于定子侧的各个物理量( 电压、电流、电动势、磁 动势) 都是交流量，因此，控制时需借助于坐标变换，把直流给定量变换成实际 的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 2 第二章感应电机变频训速系统艇理 2 2 4 直接转矩控制方式 直接转矩控制的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。与矢量 控制不同，直接转矩控制摈弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过 检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据 与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制 1 7 】。 直接转矩控制技术是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定予 坐标系下分析感应电机的数学模型，计算并控制感应电机的磁链和转矩，采用离 散的两点式调节器( b a n g b a n g 控制) ，把转矩检测值与转矩给定值相比较，使 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，并产生 p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。 与矢量控制方式不同，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离 散的电压状态与六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻 就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需 要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制【l ”。 直接转矩控制系统的控制效果不取决于感应电机的数学模型是否能够简化， 而是取决于转矩的实际状况，它不需要将感应电机与直流电机做比较、等效、转 化，即不需要模仿直流电机的控制。它的控制结构简单、控制信号处理的物理概 念明确、系统的转矩响应迅速且没有超调，是一种具有高静、动态性能的交流调 速控制方式。 2 3 感应电机变频调速系统的基本结构原理 变频调速系统的基本结构如图2 - 4 所示。由图可见，系统由功率主电路和控 制电路及操作、显示三部分组成1 9 】。其中主电路包括整流器、直流中间电路、 逆变器及检测部分的传感器。直流中间电路包括限流电路、滤波电路和制动电路， 以及电源再生电路等。控制电路主要有主控制电路、信号检测电路、保护电路、 控制电源和操作、显示接口电路等组成。 第二章感应电机变额调速系统原理 兰电路! 亚频 l 频电源 直流中间电路：逆变电路： 输出 曲二喜d 1 吨一阳a 古m 聃 # - 电路、制动电路电路、光电隔离 tt l 检测电路：包括光电隔离电路，电流、电压、温度检测电路 。 1 控制电路 上 保护电路：变频器保护、 电动机保护、系统保护、 控制屯源 主控制电路：系统 1 一 处理器、运算模型、 p i d 调节器等 操作、显示电路 千 上上 外部控制信号、运行操作、运行指令、频率指令等 图2 4 变频调速系统的基本结构原理图 以下为各电路的较为详细的介绍。 2 ，3 1整流电路 整流电路由全波整流桥组成。它的主要作用是对工频电源进行整流，经中间 直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。 若采用三相桥式不可控整流电路，设电源的线电压为叽，则三相全波整流 后平均直流电压是： u p = 1 3 5 u l 我国三相电源的线电压为3 8 0 v ，故全波整流后的平均电压是： u p = 1 3 5 3 8 0 v = 5 1 3 v 2 3 2 直流中间电路 逆变器的负载为感应电机，属于感性负载，无论感应电机处于电动或发电制 第二章感应l b 机变频调速系统原理 动状态，在中问直流电路和感应电机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量 要靠中间直流电路的储能元件来缓冲。 直流电路的作用一方面是承担对整流输出进行滤波，以减少电压或电流的波 动；另一方面，由于感应电机制动的需要，在直流中间电路中还设有制动电阻及 其他辅助电路。 电压型变频器的回馈能量主要经过续流二极管整流后送至直流中间电路，并 使直流中间电路的输出电压上升，而当电压过高时，则有可能烧毁换流器件，因 此，在电压型变频器中必须根据感应电机减速的需要专门设置制动电路，以防1 e 上述现象的发生。 电压型变频器的直流中间电路的主要器件是大容量电解电容。 2 3 3 逆变电路 逆变电路是控制系统核心部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是 在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意 可调的交流电源。逆变器的输出就是变频器的输出。 最常见的结构形式是利用六个功率开关器件( 如i g b t ) 组成的三相桥式逆 变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率 的三相交流输出。如果需要改变交流电源的相序从而达到改变电动机转向的目 的，只要改变各个功率开关导通和关断的顺序即可，因为这些功率开关同时又起 着改变电流流向的作用。 图2 5 为常见的逆变器的结构原理图。 图2 5 逆变电路的典型结构框图 小容量变频器的主电路一般是采用集成功率模块或智能功率模块i p m ，智能 功率模块内部高度集成了逆变模块、各种传感器、保护电路以及驱动电路等。 2 3 4 控制电路 控制电路包括主控制电路、运算电路、信号检测电路、控制信号的输入、输 第二章感应电机变频调速系统原理 出电路、驱动电路和保护电路等几个部分，在变频调速系统中，控制电路是核心 部件之一。 控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至中央处理器的运算 电路，使运算电路能够根据要求为功率主电路提供必要的驱动电路，并对系统本 身以及电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过a d 、d a 等外部接口电 路，接收发送多种形式的外部信号和系统内部的工作状态，以便系统能够和外 部设备配合进行各种控制。 目前，大多变频器已经采用微处理器进行全数字化控制，使硬件电路简化， 控制功能主要靠软件来完成。 为了满足运动控制系统的需要，t i 公司推出了一系列的d s p 控制器。基于 d s p 控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片系统，整个电动机控制所需 的各种功能大都可由d s p 控制器来实现 2 0 1 。因此可大幅度缩小目标系统的体积， 减少外部器件的数量，增加系统的可靠性。 第三章无速度传感器感应电机控制策略研究 第三章无速度传感器感应电机控制策略研究 3 1感应电机无速度传感器控制方法综述 无速度传感器矢量控制技术是在常规的带速度传感器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。常 用的方法是通过测量电机输入端的电流或电压，利用电压模型或电流模型推算电 机的转速和磁通。转速的指令值和推算值的差经过速度调节器运算得到转矩电 流。 无速度传感器矢量控制调速法需要同时推算磁通和转速，虽然增加了系统软 件的复杂性和计算量，在微电子技术日益发展的今天，具有高速运算能力的高性 能微处理器的不断出现和普及为无速度传感器矢量控制调速技术的应用提供了 广阔的前景，大量的研究结果也显示无速度传感器矢量控制调速技术的性能指标 已达到直流电机的调速水平。 随着感应电机无速度传感器控制理论和电机控制专用c p u 的发展，感应电 机高性能无速度传感器控制的实现有了很好的硬件和软件条件，可以实现更完整 的电机建模及更先进复杂的观测和控制算法。 在电机的动态方程中，转速是电机模型的一个参数，无速度传感器控制省去 了复杂昂贵的转速检测器件，因此带来一系列问题 2 l 】： ( 1 ) 转速闭环只能采用辨识的转速进行反馈，转速控制的精度依赖于速度 辨识的精度。 ( 2 ) 一些磁通观测方法不能独立使用。例如：包含转速的电机电流模型和 全阶观测器无法独立应用。在无速度传感器控制时，这些模型可作为模型参考自 适应系统的参考模型或可调模型用于转速和磁通同时计算。因此无速度传感器系 统不仅是少了转速闭环所需的反馈信号，更重要的是少了一个稳定磁通计算的电 机参数一转速。 ( 3 ) 低频范围磁链观测难度大。感应电机的无速度传感器控制的关键在于 磁链的准确观测，而磁链的观测在本质上都是对电机反电势的积分。直接对反电 势积分会存在积分初值和漂移问题，因此在无速度传感器控制中如何避免纯积分 的问题是关键所在。异步电机在定子供电频率为零时，定子电压电流中不包含转 子转速和参数的信息；在定子供电频率很低时电压和反电势很低，电压电流检测 误差、p w m 脉冲宽度的误差、开关器件的压降等对于电机线电压的重构和反电 第三章无速度传感器感应电机控制策略研究 势计算的影响较大，定子电阻的误差对反电势计算误差影响也变大。所以零频率 附近无速度传感器控制具有理论上和实际中的双重限制。 ( 4 ) 多参数辨识受到限制：从理论上可以证明，在无速度传感器控制中， 在转子磁通幅值恒定的条件下，转子电阻和转速不可能同