（电力电子与电力传动专业论文）基于状态参数估计的感应电机矢量控制系统研究.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 sa r ef o u n dg r e a tu s ei ni n d u s t r yf i e l db e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ， r e l i a b l ef u n c t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e t h ee m e r g e n c eo fv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y m a k e sp o s s i b i l i t yf o rt h e i ra p p l i c a t i o n si nh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lf i e l d t h ev e c t o rc o n t r o l t e c h n o l o g yc a nb ed i v i d e di n t oi n d i r e c tv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t ho p e n - l o o pf l u xa n dd i r e c t v e c t o rc o n t r o lw i t hc l o s e dl o o pf l u x a i ma tt h ep r o b l e m se x i s ti ni n d u c t i o nm o t o rv e c t o r c o n t r o ls y s t e ms u c ha st i m e v a r y i n gp a r a m e t e r s ，u n k n o w nl o a dc h a n g e ，u n c e r t a i nd i s t u r b a n c e a n ds oo n ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sd e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ns t a t e sa n dp a r a m e t e r e s t i m a t i o na sw e l la ss p e e dc o m p e n s a t i o ni nv e c t o rc o n t r o ls y s t e m s f i r s t l y , b a s e do nt h ee x t e n d e dk a l m a nf i l t e rt e c h n o l o g y ，t h er o t o rr e s i s t a n c ei se s t i m a t e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ro nt w o p h a s es t a t i cf r a m e t h e e s t i m a t e dr e s u l tm a k e sr e a l t i m ec o m p e n s a t i o no fr o t o rp a r a m e t e rc h a n g ei nv e c t o rc o n t r o l e q u a t i o n s ，s ot h a tt h ei n d u c t i o nm o t o ri n d i r e c tv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hr o t o rr e s i s t a n c e o n l i n ec o m p e n s a t i o ni sr e a l i z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt oc u r r e n tm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r r o t o rf l u x ，t a k i n gc o n s i d e r a t i o n o ft h ei n f l u e n c e so fp r o c e s sn o i s ea n dm e a s u r en o i s e ，t h er o t o rf l u xi si d e n t i f i e di nt h i sp a p e r u s i n gt h ee x t e n d e dk a l m a nf i l t e rt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，s i n c et h es p e e ds e n s o rh a s p r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t hi n s t a l l a t i o n ，c o n n e c t i o n ，m a l f u n c t i o na n ds oo n ，t h em o t i o ne q u a t i o n o fi n d u c t i o nm o t o ri sa d d e dt ot h es t a t ee q u a t i o n so fe x t e n d e dk a l m a nf i l t e r , s ot h a tt h es p e e d a n dl o a dt o r q u ec a nb ee s t i m a t e do n - l i n ea tt h es a m et i m e f i n a l l y ，t h et r a d i t i o n a ls p e e d c o n t r o l l e ri si m p r o v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es p e e dv a r i a t i o nc a u s e db yl o a dc h a n g e si s r e d u c e db yt a k i n gl o a dt o r q u ea sf e e d f o r w a r di n p u to fs p e e dc o n t r o ll o o p t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a tt h ee x t e n d e dk a l m a nf i l t e ra r i t h m e t i cc a na c c u r a t e l ye s t i m a t er o t o rf l u x ， s p e e da n dl o a dt o r q u ei nw h o l es p e e dr a n g e ，a l s o ，t h es p e e dc o n t r o l l e rb a s e do nl o a dt o r q u e f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yc a ni m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c eo ft h e d i r e c tv e c t o rc o n t r o ls y s t e me f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ； f e e d f o r w a r dc o m p e n s 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 作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：多堑 日期：刃产节月刮j 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：墨丝函导师签名：立丝毖 日期：力罗年夕月力日 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及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：益耻日 期：习粗 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日 期： 第一章绪论 1 1 研究课题的提出 第一章绪论 直流和交流传动在1 9 世纪先后诞生。直流电机控制简单、调速性能好，一直以来 是高性能调速系统的首选。但其结构复杂，成本高，故障多，维修困难，单机容量和转 速受到换向能力的限制，致使直流传动系统的使用场合受到了限制。随着电力电子技术 的发展，超大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能的交流调速系统应运而生并迅 速发展，扣。破了传统交、直流拖动按调速分工的格局，从而成为当前电力拖动控制的主 流发展发向。 交流传动设备中，感应电机以结构简单，造价低廉，运行可靠，维护方便等优势， 成为交流凋速系统控制和发展的主要研究方向之一。但感应电机又是一个多变量、强耦 合的非线性系统，磁链和转矩之问的耦合、参数的时变、负载转矩的突变以及系统中未 建模部分对动态性能的影响，使得感应电机的控制变得十分复杂。因此，改善感应电机 的调速性能，提高其机电能量的转换效率，一直是感应电机控制的主要任务。 随着交流变频技术的发展，交流电机控制的新方法也不断地涌现。其中，矢量控制 1 2 1 f 3 1 1 4 1 是目前实现感应电机高性能控制的主要方法。矢量控制即磁场定向控制( f o c ) ， 它在同步旋转的两相坐标系下按转子磁场定向，对转矩和转子磁链进行解耦控制，从而 实现转矩和磁链的独立控制，获得了类似于直流电机的调速性能。k h a s s e 于1 9 6 9 年提 出了i h j 接磁场定向控制( i f o c ) 方法，e b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提出了直接磁场定向控制 ( d v o c ) 方法，两种控制方法具有很大的不同。i 白j 接型矢量控制，即转差型矢量控制， 采用磁链开环控制方式，不需要计算实际转子磁链的幅值和相位，而是依靠矢量控制方 程中的转差公式求得转差频率，该转差频率和电机转速相加后，通过积分来计算转子磁 链的位置。该方法结构比较简单，动态性能基本可以达到直流双闭环控制系统的水平。 直接矢量控制采用磁链闭坏控制方式，通过测量或观测转子磁链获得转子磁链的位置信 息，以实现转矩与磁链的解耦控制。 矢量控制技术的关键在于磁场定向，向影响磁场定向的重要冈素就是电机参数。感 应r f = i 机在实际运行过程中，其工况会发生改变，如转予温度的变化，磁路饱和程度等。 这些变化会引起电机参数的偏离，其中，以电机转子电阻参数变化最为叫硅。就间接矢 量控制系统而言，转子磁链实行开坏控制，较容易实现，但其控制器的设计性能依赖于 电机的参数。当矢量控制器中转子电阻参数的设置与电机实际参数值存在偏差时，由矢 量控制方程中的转差公式计算而来的转差也就不再准确，磁链定向遭到破坏，电机的动 态性能变差。直接磁场定向控制方法中转子磁链采用闭环控制。直接测量转子磁链难度 较大且存在测量误差，推广受到限制。而使用观测器对转予磁链估计则严格依赖于感应 电机的数学模型。 可见无沦是间接矢量控制系统还是直接矢量控制系统，感应电机参数不准确都会破 1 望塑! ! 堂丝! ：堂垡笙竺 坏解祸过程，进而带来的交、直轴电流的耦合效应，影u 向控制系统性能，这足一个4 i 容 忽视的i u j 题。为了抵消这种耦合，获得一个稳定、准确的磁链，需要选择更大容量的f u 机，从而电机效率下降，电源的利，f j 率降低。除此之外，由于单位电流产生的力矩变小， 要想获得较大的转矩，逆变器的容量也需要加大。鉴一j 二卜述原网，希单对感应电机的参 数进行仆讣，以便采取适当的措施补偿电机参数变化刘r 乜机控制性能的影响，获得满意 的高性能控制效果。 在高性能交流传动系统设计过_ ：i = 罕中，转速闭坏控制是保证系统控制精度的重要冈 素。然而通过机械式传感 如编码器、测速发电机等来获得转速信息存在安装、连接不 便、故障多、维护不易等问题，造成系统结构复杂、成本增加、可靠性降低，且性能易 受：况影响，使用范受剑限制。凶此实现无速度传感器的感应电机商性能控制成为电 广”己传动领域学者研究的热点之一。 所硝无速度传感器，是指系统采用电压和电流传感器，基于其测量值，结合感应电 机模型，设计速度估计方法，从而有效避免安装速度传感器带来的不便。无传感器系统 的主要任务是实现转速的高精度辨识。为此，国内外学者作了大量关于无速度传感器控 制算法的研究，取得了卓越的成就。但仍存在有待进一步解决的问题，如不能够保证整 个速度范田内的转速估计精度，估计器抗参数变化及外部不确定扰动的能力有待进一步 提高等等。另外，由于电机工作过程中负载转矩的变动足末知的，在一定程度上进一步 增加了速度估计的难度。冈此，克| j 艮上述难点，寻求更好的速度估计方法，具有较高实 际意义。 针对上述情况，本文以感应电机为研究对象，从感应电机数学模型出发，根据矢量 控制基本原理，分别建豆直接和间接矢量控制系统。首先就问接矢量控制系统中转子电 阻参数不准对控制系统性能的影l i 向进行分析，结合近年来参数辨识技术的发展，提出笨 于扩展卡尔曼滤波算法的转子电阻住线辨识和补偿的问接矢量控制系统。直接欠量控制 系统对参数的敏感程度小于间接矢量控制系统，鉴于扩展卡尔曼滤波方法的优点，甚于 该方法实现对直接矢量控制系统巾感应电机的转子磁链、转速及负载转矩同步估计。在 此基础上，针对无速度传感器控制系统存在的问题，设计基于负载转矩自i f 馈的转速控制 器，用于抵御负载扰动给系统带来的负面影响，提高系统控制性能。 1 2 研究背景 现代交流变频调速技术如矢量控制等的控制性能依赖于电机参数的精确测量，尤其 是在一些要求精确转矩控制的应用领域，交流电机冈为参数变化会引起一定的转矩波动 和误差，凼此电机参数的实时辨识受到人们j “泛的关注。辨谚 电机参数呵实现控制器中 参数的实时补偿，诊断电力电子设备故障，如转子断条问题，且有助于电机在轻载下实 现降压节能控制。除此以外，电机的某些状态量，如直接矢量控制系统中的转予磁链、 转速信息等，测黾难度较大，且存在不少工艺和技术上的难题，有的甚至是不训测量的。 为此，对电机参数和状态进行在线辨识成了高性能控制系统实现过程中必不可少的步 第一章绪论 骤。 1 2 1 感应电机参数辨识方法 目自仃感应电机参数辨识方法主要有以下几种： l 、最小二乘法【5 】- 【8 】：最小二乘法理论最早是由高斯( k f g a u s s ) 于1 7 9 5 年进行天 文计算的研究中提出的，目日订此法已应用到工程界的许多领域，尤其在动态系统的辨识 和参数估计方面获得了广泛的应用，它包括最小二乘法、增广最小二乘法、广义最d - - 乘法、辅助变量法和相关二步法等。文献 6 利用最小二乘法对参数进行递推算法，该 方法仅利用电机的定子电压、电流和转速信号，而不需要转子磁链信号，这样通过观测 得到的磁链就不会影响辨识的准确性，消除了参数计算和磁链观测之间存在的耦合，在 一定程度上提高了系统的控制精度。对于感应电机这种高阶、非线性、强耦合的多变量 系统而言，采用最小二乘法进行参数辨识，需要对模型进行线性化处理，难以保证参数 辨识精度，在许多场合下仍显得计算过于复杂，有时甚至会辨识失败1 7j 。 2 、模型参考自适应方法【9 】- 【1 3 】：模型参考自适应的主要思想是将不含未知参数的方 程作为参考模型，将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型具有相同的输出量， 利用两个方程输出量的误差构成自适应律来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。文献u o 在有速度传感器的情况下，基于异步电机的状态空间 方程，应用m r a s 参数辨识方法，提出了一种具有李雅普诺夫稳定性的转子时间常数在 线辨识算法，仿真结果表明该方法计算精度高、运算量适中、收敛速度可控，具有很好 的实际意义。文献 11 】基于m r a s 的感应电机全阶观测器数学模型，介绍了一种利用观 测器误差信号同时估计感应电机转子转速和时间常数的算法，分析了该算法在李雅普诺 夫意义下的稳定性。仿真结果表明在该方法的收敛速度很慢，满足不了实时性的要求， 尽管通过提高估计值变化规律系数可以加快收敛速度，但同时会带来静念误差的加大， 甚至震荡不收敛的后果。 3 、扩展卡尔曼滤波算法【m 】- 【l9 1 ：卡尔曼( k a l m a n ) 滤波器是一种最小方差意义上的 由最优预测估计方法发展起来的现代滤波方法，是卡尔曼( k a l m a n ) 和布西( b u c y ) 在6 0 年代提出的一种递摊滤波算法，又称最小方差线性递推滤波器，其突出特点是可以有效 地削弱随机干扰和测量噪卢的影响。扩展卡尔曼滤波足卡尔曼滤波在非线性系统中的推 j 应h j 。山于感应电机模型具有非线性特性，因而需采用扩展卡尔曼滤波( e k f ) 算法 进行辨谚 。文献 1 6 根据感应电机在两相静止坐标系上的定、转子电压矩阵方程，利用 雅可比矩阵建立其状态空间模型，将定子两相静止坐标系下的电压、电流以及转速信息 作为e k f 的输入量，进行转子电阻的辨识。该方法避免了对测量量的微分计算，算法的 实现经过5 个步骤，连续相互迭代完成。尽管计算量比较大，但是d s p 器件采用多组总 线技术实现并行运行机制，有其非常灵活的指令系统，具有强大快速的运算能力，有助 于e k f 这一复杂迭代算法的完成。虽然，其收敛性对算法的自身参数选择有一定依赖， 且刈电机模型中的其它参数精度有一定的要求，但由于基于e k f 的电机参数估计方法是 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，系统参数的偏差可以看作 江南人学坝i j 学f 讧论义 足系统噪声，这是其它算法所不具备的。总体而言，该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，且对负载和运行频率的依赖性不大，粘度 满足要求，算法容易实现。 4 、遗传算法【2 1 【2 2 1 ：遗传算法( g e n e t ica l g o r i t h m ，简称( ；a ) 足一种基- j ：自然选择 ( n a t u r a ls e e c t i o n ) 的求解方法，可以用米求解不适合标准优化方法求解的各种优化 问题，如目标函数不连续、不可微分、随机或者高度非线性。遗传算法是一个迭代过程， 在每次迭代中都保留纰候选解，按其解的优劣进行排序，并按某种指标从中选出一些 解，利_ h j 遗传算子对其进行运算，产生新一代的组候选解，重复此过稃，直至满足某 个收敛指标为- l l l 2 。文献 2 2 提出利用电动机起动过程迸 r 基。r 遗传算法的参数辨谚 策 略，它将定、转子 陉标系一r - 的辨谚 结合起来，以定子坐标系下辨识得到的较高精度的定 子电阻作为已知参数，而在转子坐标系下进行其它参数辨谚 ，辨谚 结果比嗨个坐标系f 的辨识精度大大提高。但冈为遗传算法存在早熟以及收敛速度较低等问题，要将遗传算 法实际崩于异步电动机参数辨i l 特别是在线辨识还有较人的难度，目前这方面应用多数 还处于理论性仿真研究阶段。算法， 5 、其它方法：文献 2 ：j 在磁链电流中注入一个小的交流电流，使之产生波动，通 过注入电流的响应来辨谚 出转子电阻，此方法会导致转矩和转速震荡。文献 2 4 提出在 感应电动机数学模型的基础上，建立考虑转子电阻变化情况下电动机的数学模型，利用 单神经元网络和b p 算法，通过电动机转速u ，和定- 了电流留轴分量辨谚5 转子电阻。该转 子电脚：l 辨谚5 方案具有物理概念清楚、结构简单和容易实现等优点。文献 2 5 给出了基于 变结构控制理论，辨识感应电机转子电阻的方法。该方法在测。最噪声、离散化效应、参 数f i 确定以及模型不精确等一系列不利因素的影响下仍表现出较快的收敛速度。文献 2 6 中感应电机转子电阻的估计器用支持向量机( s v m ) 作为非线性回归量，支持向量 机采用皋于电流和电压模型的磁链误差和变化的转子电阻进行训练。仿真表明即使运行 在与训练信号不同的条件下，甚至在电机肩动时，仍能获得转子电阻完美的估计。文献 2 7 2 8 采用神经网络对转子电阻进行辨识，其中，文献 2 7 提出了一种基于神经网络 的转子电阻及转速的辨识方案，该方法具有较好的辨识效果，转子电阻能够准确收敛到 实际值。不足之处是计算量稍大，造成计算时| 、日j 增加。另外存文献 2 9 l | 一对蚁群算法， 进化舰划等优化算法在巾l 机参数辨识中的应用进行了详细介绍，这些算法具有鲁棒性 强，精度高，收敛快等特点，但是计算量大，算法复杂，对于处理器要求高，在实践应 用上有待进一步研究。 1 2 2 感应电机速度估计方法 无速度传感器的研究方法可分为基于感应 u 机非理想特性和理想模型的两类方法。 基于非理想特性的方法对电机参数变化有很好的鲁棒性，主要有： l 、利用齿槽谐波信号的转速估汁方法【3 0 】- 【3 3 1 通过对定予反电势或者电流信号的处理 可以检测出转子速度信号。这类转速估计方法由于只依赖于电机电信号中的齿槽谐波， 参数变化、带载情况对它都没有影响。i s h i d a 于1 9 7 9 年提出了采用转子齿憎谐波电势计 4 算异步电机滑差频率的设想，但该方法仅在高速情况下有效，低速时噪声干扰影响较大， 因而应用受到限制。f e r r a h 3 1j 等提出利用快速傅立叶变换的光谱分析方法对感应电机转 速进行辨识，仅需包含齿槽谐波信号的线电流即可在稳态下对大范围的速度进行计算。 文献 3 2 对定子电流进行解析小波变换，根据齿槽谐波频率估计电机转子转速。该方法 从瞬时频率提取技术这一角度改善了齿槽谐波检测法的转速估计精度，可以在整个速度 范围内估计瞬念或稳态情况下的电机转速。但在弱磁区域因齿槽谐波也较弱，估计精度 不高。 2 、高频信号注入法d 4 卜d 7 】通过向感应电机的定子侧注入高频电压或电流信号，利用 产生的高频效应检测相关量，提取其中所包含的电机转速信息，达到辨识转速的目的。 在选择高频频率时，首先考虑在该频率下电机能产生所期望的高频效应，其次考虑其频 谱与其他高频谐波相比应容易区分开。高频信号注入方式可分为脉冲注入和连续注入， 前者可以较好地获得所需信号，但对电机的基本运行会产生不规则的影响，后者可以连 续获得用于估计的信号，但对电机j 下常运行存在的些许影响不可避免。高频信号注入法 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，但高速时信 号的滤波分离存在难度。此外该方法还存在其它缺点，如采用结构凸极检测法时，需对 异步电机结构进行改进，实现起来不方便，同时因磁饱和产生的凸极会对这种结构性凸 极有影u i 匈，很难利用滤波器将所需信息提取出来；采用饱和凸极法时，电机凸极性本身 不是很突出，在中小型电机中很难被检测到。 ， 基于电机理想模型的速度估计方法较多，如直接计算法、基于模型参考自适应的估， 计、基于人工智能的估计和基于观测器的估计法等 。 l 、直接计算方法 3 8 1 基于感应电机p a r k 方程，从电磁关系式中得到转差或转速计算 式。该方法计算简单，实时性好，但它本质上属于开环观测方法，没有误差校正环节， 抗干扰性能较差，稳态性能受负载转矩、电机参数扰动的影响也较大。对基于转子反电 动势的估计方法，只有在电机起动并达到一定的速度时才能估计，因此需要给出电机的 起动方案。直接计算方法由于不能保证动态过程中矢量控制是否能i f 确实现，因而不能 保证整个传动系统的动态性能。 2 、基于模型参考自适应的转速估计方法研究较广【3 9 h 4 3 1 ，它是一种基于稳定性设计 的方法，能够保汪估计的渐近收敛。根据参考模型及可凋模型的不同选择，m r a s 估计方 法又分为很多类别，如基于转子磁链观测的速度估计方法、基于反电动势的速度估计方 法和基于无功功率的速度估计方法。基于转子磁链观测的方法以不含转速信息的转子磁 链电压模型作为参考模型，以含转速信息的电流模型作为町调模型，利用合适的白适j 澎 率估计转速。该方法易受电机参数影响，且由于电压模型包含纯积分环节，存在积分初 值及零点漂移问题，转速估计结果不够准确；基于反电动势的方法的最大优点是消除了 纯积分的影响，但刘定子电阻的影响没有解决；基于无功功率的速度估计方法所采用的 参考模型和可凋模型中均不含定子电阻，对定子电阻完全不敏感，但估汁的稳念精度却 受转子时间常数的影响。 3 、近年来人工智能控制思想在交流电气传动系统中的应用越来越多，如专家系统、 气 兰堕厶兰丝! ：兰! 兰笙苎 模糊控制以及人工神经网络，其中，人- _ i ：神经网络方法在转速仆计中心用较多1 4 4 1 刊i6 i 。 文献 4 4 中采川修改的并联模犁结构，用神经网络替代电流模型转予磁链观测器，用误 差反传算法取代比例积分自适应律进行转速估计。文献 ，1 5 提出用反向，f 誓播b 呻| l 经网络 实现异步r t z 机的转速什计，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。一股来说，基于人工神经网络的方法在理沦研究j 二还不太成熟，其硬 件实现有一定难度，通常需要专门的硬件米支持。这一方法的应用尚处于起步阶段，离 实用化还有一定距离。 4 、皋于观测器的估计法的实质足状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原 系统中町以直接幂测的变量( 如输出矢量和输入矢量) 作为它的输入信号，并使其输出信 号在一定的条件下等价于原系统状念。这种方法具有稳定性好、鲁棒性强、适用而广的 特点。常见的分类有：扩展龙贝格观测器( e l o ) 、泪模观测器和扩展g - 尔曼滤波观测搽。 文献 4 7 基木思想是：首先将非线性系统线性化，然后应用龙伯格观测器算法进行 状态估计。由于电机模型一般受转速的影响，是非线性的，必须根据速度的变化重新计 算系统的模型和反馈矩阵，因而计算量大，计算时f u 长。文献 4 8 采用两种方法选择扩 展的速度自适应磁链观测器增益，从而消除反馈增益中与速度1 ：f 1 火的因素项，减小速度 估计误差。但f i 。0 足皋于确定性方程的观测方法，转速估计效果仍然受r c l 机非线性特性 及转子电阻等电机参数变化的影响。由于e l o 是通过极点配置选择反馈矩阵的系数，因 此极点的选择决定了观测器的性能：如果极点离虚轴太远，测量误差将被放大，影响辨 识结果；如果极点离虚轴太近，观测器收敛速度又会很慢。 滑模观测器针对参数扰动鲁棒性强的特点，利用滑模变结构控制把一般状念观测器 中的控制回路改成滑模变结g j f l , j 肜式。滑模变结构控制的本质是滑模运动，通过结构叟 换开关，以很高的频率来p 1 切换，使状态的运动点以很小的幅度在相立 而上运动，最终 运动到稳定点。滑模观测器法具有很好的鲁棒性【4 9 】- f 5 0 j ，但其本质t 是不连续的丌关控 制，因此会引起系统发生抖动，这刈。丁欠量控制住低速情况下运行是有害的，将会引起 较大的转矩脉动。去除抖动的同时仍然保证系统的鲁棒，降将足这种控制迫切要解决的问 题。 由于扩展卡尔曼滤波的优势，算法的抗噪能力及统计本质，是其它转速俯计方法所 不具备的，它在转速估计方面的研究也有很多【5 】【5 4 1 。文献 5 l 】以定子电流、转子磁链为 状态量，视转速为扩展状态进行转速估计；文献 5 2 】在前者的基础卜建立了无速度传感 器的矢量控制系统，并验征了其有效性；文献 5 3 】将逆系统控制方法与e k f 估计技术相 结合，实时估计转速及转子磁链。以上方法共同的特点是视转速为慢时变变量，以扩展 状态形式实现其存线估计。 1 3 论文主要内容及安排 感应电机具有非线性、多变量、强耦合，部分参数时变且彳i 易测量等特点，论文以 提高矢量控制系统控制系统性能为同的，针对问接矢帚控制系统中最值得关注的转子电 6 阻变化对控制系统准确性的影响问题，设计基于扩展卡尔曼滤波算法的转子电阻在线辨 识和补偿的控制系统；同时对无速度传感器控制系统进行研究，在直接矢量控制系统中， 利用扩展卡尔曼滤波算法，同时实现转子磁链、转速及负载转矩的在线估计，并根据状 态估算值设计有效的速度补偿控制方案。本文的结构安排如下： 第一章：阐述课题的研究背景和意义，结合当前感应电机矢量控制系统的发展现状， 明确的沦文的研究方向和研究内容。 第二章：介绍感应电机在不同坐标系下的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中，根 据数学模型搭建感应电机仿真模块。基于转子磁链定向坐标系，叙述感应电机矢量控制 的基本原理，给出矢量控制的解耦控制分析过程，建立感应电机矢量控制系统的仿真模 型并进行仿真，分析电机矢量控制系统性能，通过改变电机转子电阻，观察转子电阻对 系统的影响。 第三章：详细分析转子电阻变化对f 刚接矢量控制系统影响，包括对磁链定向，对稳 念、动态性能的影响。阐述扩展卡尔曼滤波( e k f ) 理论。在此基础上，设计基于e k f 的感应电机转子估计器，构建感应电机转子电阻在线辨识和补偿的间接矢量控制系统， 并进行仿真验证，给出仿真结论。 第四章：简要阐述无速度传感器直接矢量控制系统的研究，提出基于扩展卡尔曼滤 波技术的感应电机磁链、转速和负载转矩同步辨识的方案，并给出该辨谚 器的设计原理 和辨识结果；在确定其准确性和可靠性的自订提下，将它应用到无速度传感器的直接矢量 控制系统中；在此基础上，设计负载转矩前馈的速度控制器，提高系统抵御负载扰动盼” 能力，通过仿真，验证系统的可行性。 第五章：对本文的研究工作进行总结和展望 7 第二章感心i 也机建模及矢量控制仿真研究 2 1 概述 第二章感应电机建模及矢量控制仿真研究 感应电机的应用领域在不断推广，对交流伺服系统控制性能要求的也越来越高，在 系统设计时既要考虑系统的性能，开发周期，又要兼顾设计成本。设计高性能的交流伺 服控制系统必须掌握受控对象特性，因此建立有效的感应电机控制系统的仿真模型是交 流伺服系统设计人员首先需要解决的问题。 本章参考文献 1 给出了感应电机数学模型、坐标轴旋转变换理论，以及基于转子 磁场定向的矢量控制基本方程，并在m a t l a b s i m u l i n k 中建立感应电机的矢量控制系统 仿真模型，为课题后续研究打下基础。 2 2 感应电机数学模型 2 2 1 定子三相静止坐标系下感应电机数学模型 在对交流电机暂态和稳态特性进行分析时，离不开交流电机的数学模型。这一数学 模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统【l 】。为了便于分析，常作如下假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布， 转子为对称的三相绕组，转子每相均在气隙中产生呈诈弦分布的磁势及磁密； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁损，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组的影响。 无论电机转子是绕线型还是笼型的，这里都将它等效成绕线转子，并将其折算到定 子侧，折算后的每相绕组匝数都相等。定子三相绕组轴线彳，b ，c 在空间上是固定的， 以a 轴为参考坐标轴；转子绕组轴线口，b ，c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴问的电角 度0 为空l 日j 角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手 螺旋法则。这时，异步电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方 程组成。 ( 1 ) 电压方稃 三相定子电压方程为 陋彳= 尺i a - 4 - p “b = r 如+ p p | ! ( 2 1 ) 【甜。= r - 4 - p 毁， 式中，“一、“b 、敞定子相巾l 压瞬时值；、f 疗、f 。定子相电流瞬时值；吵，、 i f ，片、y 。定子相绕组全磁链；r 定子绕组电阻；p 微分算子，p = d d t 。 9 鋈塑厶兰丝! ：兰丝笙塞 三相转子电压方程： h ，= r ，f ( ，+ p r ， 甜 = r ，+ p 垆0 ( 2 2 ) l t i 。= r ，t + p i j c 式巾，t i , ，、t i c 转子相电压瞬时值；t ，、“t 转。了相电流瞬时值；r ，、 少。转予各相绕组的全磁链；足转子绕组电阻。 ( 2 ) 磁链方程 每槲绕组的磁链是它的自感磁链和其它定、转子绕组对它的互感磁链之和，因此， 六相绕组的磁链一j + 表示为： 渺= l i( 2 3 ) 其叶t ，缈= 影一 少描p 。，罗。 r 】t ；f = 0 f ( t ，i h f 【】一； l = 6 * 6 的电感矩阵对角元素是各有关绕组的自感， 块矩阵的形式： 上也乏 其中， l 。= 厶，= 1 0 其余则是绕组i 、日j 的互感，可写成分 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 砒如缸k k k b b珈伽伽励伽鼬“伽伽伽伽如“协从红从“ 片 片 片 肛 8 8砌伽伽伽伽伽 助助伽鼬础鼬 墨兰至壁! 羔! 垫型! 丝堡丝签重丝型堕墨业2 i 1 c o s 0 c o s ( o 一1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。) l 厶，= 砭= 厶，f c o s ( o + 1 2 0 。) c o s 0 c o s ( o 一1 2 0 。) f ( 2 7 ) l c o s ( o - 1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。) c o s 0 随转子位置口( 电角度) 变化的三相定、转子绕组之间的互感是系统非线性的根源。 ( 3 ) 转矩方程 瓦= 五1 t 筹f = j 1t l p 【f 鲁+ e 鲁】 ( 2 8 ) 式中，瓦电磁转矩；疗。电机极对数。 ( 4 ) 运动方程 r e = t + ，百d w ( 2 9 ) 式中，乃负载转矩；转动惯量；u 电机机械角速度。 2 2 2 两相任意旋转坐标系( 由坐标系) 下感应电机数学模型 感应电机定、转子之间相对位置的改变引起了耦合因子的变化，在同步旋转坐标系 下将其解耦可得到非时变的耦合因子及独立的控制变量。在两相同步旋转坐标系中表示 电压、电流和磁链等变量，可以简化计算，且易于分析电机动态特性。定义定子电流空 间矢量： i 。= t 。d + e | 础i 幽+ e 姗3 i 。c ( 2 1 0 ) 图2 - 1 为三相静止a b c 坐标系、两相静止a p 坐标系和两相旋转由坐标系之间的关 系图。设两相旋转坐标系的d 轴与三相静止坐标系的彳轴的夹角为眈，规定由坐标系以 图2 一l 坐标关系图 f i g 2 1t h er e l a t i o n s h i po fc o o r d i n a t e 转子磁场的同步旋转角速度旋转。 i l 江i 柯人学f i j ；! i j 学位论文 根据图2 1 ，可推得功率不变条件下三川静l l 悭柄系剑两相静止坐标系的变换矩阵 c 3 2 为： r乒 o ，2 、了 一吉一圭22 。孚鱼2 ， 两桐静i ：坐标系到两桐旋转坐标系的变换矩阵c 、胁为： s i n6 1 1 c o s o , j ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) 由以卜两个变换矩阵t l j 得到定子三相坐标系a b e 到两相旋转坐标系砌的变换为： 。匹 l 3 仉，2 、j c 。s p c 。s 【毋一吾丌)c 。s ( p + ；丌) 一s t n p s i n ( p 一；丌)一s i n p + ；7 r ) 通过如上形式的坐标变换可将感应电机三相坐标系f 的所有变量变换到蚺褶旋转 坐标系上。经过变化后，定子侧和转子侧的电压方程分别为： ，= r 。一蛾+ 警 ( 2 1 3 ) 砘一巩，+ 警 ( 2 甜n ，= r 厶一虬，少w + 百d w , - , i ( 2 1 5 ) 甜州= r ，+ u 以，+ 百d i l l r q ( 2 1 6 ) 式中，u 。，转筹角频率； 一、“、屯，、0 、少扩吵w 定子电压、电流、磁链； 甜州、“矿f ，、少刚、少，v 转子电压、电流、磁链。 吵。，= 上山+ 厶，t 。f ( 2 1 7 ) 、。= 厶0 + 厶，f ，【， ( 2 1 8 ) 罗。，= 三，f 。，+ z m i 。， ( 2 1 9 ) 吵w = 三，+ 厶叫i ( 2 2 0 ) 电磁转矩力程为： 瓦= 门，厶。( ，、。t 。，一，“k ) ( 2 2 1 ) 砌模型足进行欠量控制系统设计和分析的模型。感应电机在幽坐标系下的电压、 磁链方程经过整理可得到幽坐标系下矢量控制模型如下： 1 2 畔吣 c 一 = ，一g 一 第_ 二章感心也机矬模及矢量挖制仿真研究 盟：一手+挚dt 一，1 耐。，坩7 1 川 堡d t = 一等+ 等一村 l ? 。啊ll r m ”“1 ” ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 警叫鲁+ 箍肘”笼去”+ 百1 2 4 ， 誓：_ ( 生o - l 。+ 箍妒u 时笼一去蛾+ 瓦1 2 5 ， 乃= 警( 。) 式中，”电机角速度；仃电机漏磁系数，盯= 1 一丢：若。 2 2 3 两相静止坐标系( 筇坐标系) 下感应电机数学模型 ( 2 2 6 ) 令幽坐标系的旋转角速度= 0 ，d 轴与a 轴的夹角为眈= 0 ，并令由模型旋转变 量的下标“d 和“g ”分别用“o 和“p ”代替，可以得到感应电机在q 卢坐标系上 的数学模型为： 警= + 盟l r 卜蚺， ( 2 2 7 ) 竖d t = 一缸l + 警。 一 ，1 7 7 ，5 一。1 “、 ( 2 2 8 ) 警= 一c 去+ 箍氓。+ 箍既一盯- l , t o 少r 3 + 壶、 c 2 四， 鲁叫老+ 箍氓，+ 差一去 + 五1 ， 眨3 。， 电磁转矩方朽! 为： z = 燮掣 ( 2 31 ) 感应电机在两相静止坐标系( q p 坐标系) 上的数学模型是用于建模和设计观测器 的模型。它和在三相静止坐标系下的数学模型相比，方程的维数降低且变量问的耦合因 子减少，可见经过坐标变换后，系统的数学模型得到了简化。 为了便于感应电机模型的搭建，降低模型的复杂度，减少计算时| 日j ，对感应电机在 1 3 江南人学耐ii j 学位论义 警一鲁k + 壶纵“+ 去c 毒一等。m ， 鲁一鲁“+ 壶，+ 去c 毒一一l r i i i ，叫 将式( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 代入式( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ，整理得： 警= 去c 吨一。等等， 鲁= 壶c 一、。m ，专孥， 显然，利用式( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 计算定了电流较为理想。 23 威席由棚王爹楼及矣号掂制彷盈石开寤 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 2 3 1 矢量控制基本原理 电力拖动系统的运动方程为： 丁一z ：g d 一d n ( 2 3 6 ) 。“ 3 7 5 出 式中，刀转速，单位是r m i n ；g d 2 飞轮惯量。 从上述方程i 叮以看出，如果能够快速准确地控制电磁转矩丁，调速系统就具有较高 的动态性能。对直流电机而言，在不考虑磁路饱和影响以及电枢反应的情况下，励磁电 流，和电枢电流f 。，分别控制气隙磁场和电磁转矩。电磁转矩z ，的方程式为： z = c 矽，x t