（电力电子与电力传动专业论文）基于microchip+dsc的异步电动机矢量控制系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n t y e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，d i g i t a l c o n t r o la n dc o n t r o lt h e o r ge s p e c i a l l yt h ea p p e a r a n c eo ft h ev e c t o rc o n t r o l ，t h ea c d r i v es y s t e mi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d i nt h i sp a p e r , t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o ri sd e s i g n e db yt h et h e o r yo ft h ev e c t o rc o n t r 0 1 t h ed i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e r ( d s c ) d s p i c 3 0 f 2 0 1 0o f m i c r o e h i pt e c h n o l o g yi sa p p l i e da sc o n t r o lc e n t e r t h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m li r a m s l 0 u p 6 0 ao f m c o m p a n y i su t i l i z e da s a p p a r a t u so f t h ei n v e r t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no ft h e v e c t o rc o n t r o l ，t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n t w o r k b e n c ha n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n di t sd e c o u p l i n ga r ei n t r o d u c e do nt h ef o u n d a t i o no f t 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 nt h ev e c t o rc o n t r o l ss t r u c t u r ed i a g r a m w i t hd i r e c tr o t o rf l u xo r i e n t a t i o ni sg i v e na n ds i m u l a t e db yt h em a t l a b t h e s i m u l a t i o ns h o w si t sf e a s i b i l i t yi nt h e o r y i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h em a i nc i r c u i t ， s m p sc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r ei n t r o d u c e di n d e t a i l v a l i dm e a s u r e sa r et a k e nt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g i nt h e s o f t w a r ed e s i g n ，t h ep r o g r a m ss c a l e ra n dp e ru n i td i s p o s a la r ei n t r o d u c e da tt h e b e g i n n i n g t h e nt h em a i np r o g r a ma n df o u ri n t e r r u p ts u b p r o g r a m sf o rf a u l t ，p w m ， r e c e i v e ra n ds e n d e ra r ed e s c r i b e d t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni sa d o p t e di ns o f t w a r e s ot h a ti tc a nb ea m e n d e da n dr e p l a n t e de a s i l y i nt h ep a p e r ，t h ev fc o n t r o li sa l s o r e s e a r c h e da sac o n l l n o na d j u s t a b l es p e e dm e t h o ds ot h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a r tw o r k i no p e nl o o pa n dc l o s el o o p t h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ev e t o rc o n t r o lc a na l s ob e i n c a r n a t e db yt h ec o m p a r eo ft h e i rw a v e f o r m s i nt h ep a p e r , t h ec o n c e p to f v i r t u a li n s t r u m e n t ”i s p r e s e n ta n dv i r t u a l i n s t r u m e n t a lw o r k b e n c hi se s t a b l i s h e db yl a b v l e w t h ew o r k b e n c hc a nr e a l i z et h e m o d i f i c a t i o no fp a r a m e t e r sa n dd i s p l a yt h eo n l i n ew a v e f o r m so ft h em o t o r ss p e e d a n ds t a t o r sc u r r e n tw i t h o u to s c i l l o s c o p eb yt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h eo t h e r p a r a m e t e r sc a na l s ob em o d i f i e da n dd i s p l a y e dw h e nt h es o f t w a r ei sl i t t l ec h a n g e d i i 兰塑查堂堡主堂垡笙苎 t h i ss h o w st h e b r a n d n e wc o n c e p to f “s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ” f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r eg i v e n t h er e s u l t si n d i c a t et h ev o l t a g ei s p r o p o r t i o n a lt ot h ef r e q u e n c yi nt h ev fc o n t r o lm o d ea n dt h es y s t e mc a na c h i e v e g o o dd y n a m i c a n ds t o i cp e r f o r m a n c ei nt h ev e c t o rc o l _ l t r o lm o d e c o m p a r et h eo u t p u t w a v e f o r m sb e t w e e nt h eo s c i l l o s c o p ea n dv i r t u a li n s t r u m e n tw o r k b e n c h ，t h e ya r e a l m o s ti d e n t i c a l t h ev i r t u a li n s t r u m e n tw o r k b e n c hc a no u t p u tw a v e f o r m si n s t e a do f o s c i l l o s c o p ei f t h ew a v e f o r m sa t en o tr e q u i r e dw i t hh i 班p r e c i s i o n k e yw o r d s ：v e c t o rc o n t r o l ，d i r e c tr o t o rf l u xo r i e n t a t i o n ，s v p w m ，m a t l a b v i r t u a li n s t r u m e n t ，d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r i f 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：蛭日期：趔 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) 签名：学釜垒坠导师签名：荦孽壶垦年日期：工翘 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交流传动的现状及发展 电气传动技术就是以电机为控制对象，微电子装置为控制核心，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j 。电机可分为直流电机和交流电机两大类，因此 也可以把电气传动系统分为直流传动系统和交流传动系统。直流传动和交流传动 在1 9 世纪先后诞生，但鉴于直流电动机所具有的良好的起动、制动性能，适用 于在大范围内平滑调速，调速的静态特性好、精度高、过载能力强以及易于控制 等优点，使得直流传动在2 0 世纪的大部分年代里占有主导地位。但是直流电动 机本身有如下一些固有缺陷： ( 1 ) 直流电动机的机械式换向器在运行中易产生火花，电刷易磨损，在运 行中需要经常性的维护。 ( 2 ) 由于存在换向问题，使容量和转速受到限制，直流电动机很难做成高 速大容量的机组，限制了直流调速系统的发展。 ( 3 ) 直流电动机由于其结构复杂，体积大，制造费时，故其价格远远高于 同容量的交流电动机。 这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直 流电动机已经难以适应现代电气传动的要求。近年来随着电力电子技术、数字控 制技术、控制理论的发展，特别是以矢量控制为代表的一些先进控制技术的发明， 使得交流感应电动机的调速性能已可与直流电动机媲美，再加上交流传动与崮流 传动相比具有价格便宜、维护简单、体积小、可靠性高的优点，交流传动大有取 代直流传动的趋势。 1 1 1 电力电子技术的发展0 3 l 1 4 l 变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的，电力电子器件的不断进 步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证。电力电子时代是从5 0 年代末 晶闸管( s c r ) 的出现开始的，后来陆续推出了其他种类的器件，诸如双极型电力 上海大学硕士学位论文 晶体管( g t r ) ，门极可关断晶闸管( g t o ) ，功率场效应晶体管( m o s f e t ) ，绝缘栅 双极型晶体管( i g b t ) ，静态感应晶体管( s i t ) ，静态感应晶闸管( s i t h ) ，m o s 控 制的晶闸管( m c t ) 等。在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流定额以及其 他电气特性均得到了很大的改善。从最初的晶闸管到第二代的g t r 、m o s f e t 再到第三代的i g b t ，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了 根本性的变化。其中 g b t 实际上是用m o s f e t 驱动的双极型晶体管，兼有 m o s f e t 的高输入阻抗和g t r 的低导通压降两方面的优点，是目前中小功率变 频器中应用最为广泛的功率开关器件。 8 0 年代以后出现了功率集成电路( p i c ) ，它集功率驱动电路、保护电路、接 口电路于一体。但由于在制造上存在着高低电压之间的绝缘问题和温升与散热的 有效处理问题，目前产品只达到低压小功率的水平。有些公司采用表面贴装技术 制成智能功率模块( i p m ) ，用来作为向功率集成电路的过渡产品。它采用i g b t 作为功率开关器件，含有电流传感器、驱动电路以及过载、短路、欠电压等保护 电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种功能，既减小了体积，减轻 了重量，又提高了可靠性，目前己在中、小功率的交流变频调速系统中大量使用。 1 1 2 数字控制技术的发展3 l 1 5 l 1 6 l 初期的调速系统均采用模拟控制器，若要完成诸如矢量控制等复杂运算，电 路十分复杂。从上世纪8 0 年代开始，随着微电子技术的发展，大规模集成电路 微处理器的商品化，开始把数字控制技术推上了一个全新的阶段，以微处理器为 核心的数字控制逐渐成为现代自动控制系统中控制器的主要形式。数字控制能够 使控制电路得到简化，提高系统的可靠性和可使用性，能够完成更为复杂的控制 策略，并能提高系统的智能化程度。因此，数字控制技术的发展为现代控制理论 在交流电机调速技术上的应用提供了物质基础。 目前常用的微处理器有单片机( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、数字信号控 制器( d s c ) 、包含微处理器的高级专用集成电路( a s i c ) 。8 位和1 6 位单片机奠定 了通用变频调速装置的全数字控制的基础，但对于处理矢量控制这样的复杂运 算，在运算速度和精度上还是不能令人满意。当今，在变频调速中应用最广的为 d s p 、d s c 等高性能的电机控制专用芯片，这些芯片一般都具有多总线的哈佛结 构、专用的硬件乘法器和专用的数字信号处理指令，能够实现复杂运算的高速处 上海大学硕士学位论文 理；同时还具有一些电机控制的专用模块和接口，简化了硬件和软件设计，降低 了丌发成本。近年来还出现了为大批量生产而设计的专用集成电路( a s i c ) ，它 的功能往往可以包括一种特定的控制系统，甚至能将电机控制的各种功能集成在 一个芯片里，使可靠性得到提高而成本大为降低，且有助于专利技术的保密。 1 1 3 交流调速的控制策略7 j 1 8 i1 9 ji i o l 交流调速装置的控制策略方面，随着微型计算机技术的发展及现代控制理论 的深入应用，控制策略也不断取得突破。初期的变压变频调速方案( v v v f ) ，实 现了交流电机在一定范围内调速，但由于其控制思想是基于交流电机的稳态控制 规律，在动态特性、低速转矩特性方面，还不能与直流调速相媲美，从而使其应 用范围受到了限制，只能用于一些对动态性能、低频转矩要求不高的场合。 2 0 世纪7 0 年代初，德国西门子公司的eb l a s c h k e 提出了“感应电机的磁场 定向控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律，在基于转 子磁通定向的基础上，实现了交流电机磁通与转矩的解耦控制，显著改善了交流 调速系统的动态特性，开创了交流传动的新纪元。然而由于矢量控制的实现需要 实时地完成坐标变换，电流及转速检测、磁链估计、信号产生及故障保护等多种 功能，因此控制算法涉及大量的实时计算。过去这种高性能的交流异步电机控制 系统的实现结构相当复杂，近年来由于微电子和计算机技术的发展，尤其是具有 较强计算能力的数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得设计出结构简单的矢量系 统成为可能。矢量控制技术具有控制精度高、低频特性优良、转矩响应快的优点。 在致力于发展矢量控制理论的同时，各国学者并没有放弃其他控制思想的研 究。1 9 8 5 年德国学者m d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控审i ( d t c ) n 论， 随后日本学者也提出了类似的方案，并取得了显著的控制效果。直接转矩控制不 同于矢量控制，它完全摒弃了矢量控制的解耦思想，取消了矢量计算和旋转变换， 简单地通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现对转矩和磁链的双位式控制。直接 转矩具有快的转矩响应特性，良好的动、静态性能。但由于直接转矩控制中的转 矩与磁通量是通过电压、电流实时反馈求得的，从而其控制效果有一定的延迟， 使得在某些控制性能上不能令人满意，主要表现在转矩存在脉动和电流的畸变 上，转矩脉动使电机低速特性变差，这些问题都有待进一步研究。 上海大学硕士学位论文 传统的交流传动控制随着计算机科学的发展逐步步入了新的发展阶段，以专 家系统、模糊逻辑、神经网络为主的智能控制思想在交流传动领域的应用日渐广 泛。智能控制可以充分利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服电气传 动系统一些变参数与非线性因素，从而提高系统的鲁棒性。可以预见，在未来的 交流传动发展中，智能控制有着广阔的应用前景。 1 2 矢量控制常用方案【l l 】 1 2 1 转差频率矢量控制 日本学者y a m a m u m 、n a b a e 等人借鉴了矢量控制的思想和方法，应用稳态 转差频率，得到转子磁场的位置，即转差频率矢量控制的方法。该控制原理的出 发点是异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率，在运行状态突变的动态过程 中，电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现了暂态电流。如果在控制过 程中，能使电机定子、转子或气隙磁场中有一个始终保持不变，电机的转矩就和 稳态工作时一样，主要由转差率决定。此算法以定子电流的幅值、相位和频率为 控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变磁场的旋转速度，以此控制电机， 可得到无延时的转矩响应。 转差频率的矢量控制方案结构简单，不需要实际计算转子磁链的幅值和相 位，避免了磁通的闭环控制，所以能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环 控制系统的水平。然而这种间接磁场定向的控制对转子时间常数比较敏感，当控 制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将 出现偏差，即出现定向不准的问题。这种控制方法不适合高性能的电机控制系统。 1 2 2 气隙磁场定向矢量控制 气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的d 轴定向于气隙磁场的方向，此时气 隙磁场的q 轴分量为零。如果保持气隙磁通d 轴分量恒定，转矩直接和g 轴电流 成正比。通过控制q 轴电流，可实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器，这 使得它比转子磁通定向的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的优点， 比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的矢 量控制更适合于处理饱和效应的场合。 上海大学硕士学位论文 1 2 3 定子磁场定向矢量控制 定子磁场定向的矢量控制方法，是将旋转坐标的d 轴放在定子磁场方向上， 此时，定子磁通的q 轴分量为零。如果保持定子磁通恒定，转矩直接和q 轴电流 成正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定 子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控 制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。因此，需要设计一个 解耦器，对电流进行解耦。 定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通 观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好 的动、静态性能，同时控制系统结构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压 降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影 响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。 1 2 4 转子磁场定向矢量控制 转子磁场定向的矢量控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将砌坐标系 放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的d 坐标轴。若忽略由反 电动势引起的交叉耦合，只需检测出定子电流的d 轴分量，就可以观测转子磁通 幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q 轴分量成正比，通过控制定 子电流的玎轴分量就可以控制电磁转矩，因此称定子电流的d 轴分量为励磁分量， 定子电流的q 轴分量为转矩分量，从而实现磁通和转矩的解耦控制。 转子磁场定向的控制方案缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度 受转子时间常数的影响较大，降低了系统的性能，但是它达到了完全的解耦控制， 无需增加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度。所以，本文采 用转子磁场定向的矢量控制，下文所提到的矢量控制如果没有特别说明也均指转 子磁场定向的矢量控制。 1 3 课题研究的意义和主要内容 1 3 1 课题研究的意义f 1 2 l 1 1 3 j 目前，电机调速节能已经为世界上大多数国家政府所关注，我国政府也把电 上海大学硕士学位论文 机系统调速节能列为重中之重。但是我国的交流电机调速技术和国外相比，还存 在很大的差距。从国内变频器市场可以看出，国外的产品占领了绝大多数份额， 如a b b 、西门子、施耐德、东芝、三垦、日立、安川等，这些国外品牌的控制 策略和制造工艺水平均处于领先地位。近几年来随着高性能微处理器的普及和市 场竞争的推动，国内各高校和公司开始大力投入变频调速的研究开发，使国产产 品的技术水平有了一定程度的提高，但总体上国产变频器在控制水平和技术性能 上相对还比较落后，大部分产品还是v f 控制，功能较单一，体积也比较大。因 此，研究开发高性能的交流变频装置并使其国产化、商品化是一项紧迫的任务， 对于发展我国经济具有重要意义。 1 3 2 课题研究的主要内容 本文是以m i c r o c h i p 公司最新推出的数字信号控制器( d s c ) d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 为核心，以转子磁场定向的矢量控制为基础，对异步电动机的调速性能进行了研 究。用l a b v i e w 7 0 设计了虚拟仪器平台，可以在线修改和显示矢量控制系统中 的参数，实时显示电机的速度和电流波形，对波形精度要求不是很高的情况下可 以代替示波器输出波形，提高了系统的实时控制性能，使整个控制系统具有良好 的人机交互界面。同时本课题还对开环的v f 控制系统进行了研究，通过按键可 以选择系统工作在闭环矢量控制模式或开环v f 控制模式，使整个交流调速系统 平台更加完整。最后给出了这两种工作模式的实验波形，通过比较，显示了矢量 控制系统良好的动、静态性能。本文研究的具体内容如下： ( 1 ) 分析推导异步电动机矢量控制理论及其实现方法。 ( 2 ) 应用m a t l a b 对矢量控制和、控制论理进行仿真。 ( 3 ) 以控制芯片d s p i c 3 0 f 2 0 i o 为核心，设计整个系统的硬件电路。 ( 4 ) 利用汇编和c 语言相结合编程，实现双闭环矢量控制和开环v 伊控制。 ( 5 ) 设计基于l a b v i e w 的矢量控制系统中的虚拟仪器平台，实现d s c 与 p c 机的串口通讯。 ( 6 ) 样机实验，并给出实验波形。 上海大学硕士学位论文 第二章基于s v p w m 的矢量控制和v f 控制 在变压变频调速系统中通常采用p w m 调制技术，目前比较常用的是正弦 p w m 、电流滞环p w m 和电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 。正弦p w m 是以输出 电压接近正弦波为控制目标的，电流滞环p w m 以输出正弦波电流为控制目标， s v p w m 则以被控电动机的旋转磁场接近圆形为控制目标，显然s v p w m 的控制 效果最好，应用也最广。基于s v p w m 的v 伊控制和矢量控制是当前异步电动 机控制中应用最广泛的方案，也是异步电动机调速的最基本方法，因此在本论文 中把这两种控制方法都进行了研究，通过比较它们的实验波形，也可以看出矢量 控制具有良好的动、静态性能。 2 1 矢量控制的基本原理1 1 1 1 1 5 1 1 1 6 】【1 7 j 1 1 8 l 交流异步电动机是高阶、非线性、多变量、强耦合的时变参数系统，对异步 电动机直接实施控制很难达到直流电动机的控制效果。矢量控制是基于异步电动 机动态数学模型的高性能控制系统，它根据坐标变换理论，采用按转子磁场定向， 把定子：辟流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的励磁电流分量与 转矩电流分量，实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，分别用来控制转子 磁通和电磁转矩，从而得到了与他励直流电动机一样的线性机械特性。 2 1 1 三相异步电动机的数学模型 ( 1 ) 交流异步电动机的数学模型是一个多变量非线性系统，在研究异步电动机 的多变量数学模型时，为了便于研究常做如下假设： 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空问互差1 2 0 。电角度，所产生的 磁动势沿气隙周围按正弦规律分布； 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 ) 三相异步电动机的物理模型 首先将异步电动机的转子等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的 定子和转子绕组匝数都相等。这样，实际电动机绕组就等效成如图2 1 所示的三 上海大学硕士学位论文 相异步电机的物理模型。图中定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以 a 轴为参考坐标轴；转予绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子口轴和定子a 轴 间的电角度日r 为空间角位移变量，。为转子旋转的电角速度。异步电动机的数 学模型由下述的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 幽2 1 = 下日并步电硼l 刚例埋懊型 ( 3 ) 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为： 铲足+ 誓 驴r + 警 ”能+ 等 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 = 耳+ 华 a t = 饯+ 百d q b 铲僻+ 等 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 上海大学硕士学位论文 将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p 代替微分符号d m t 。 r ，0 0 r 00 00 00 oo 00 00 r 0 0 r ， 0 0 oo 00 00 00 00 兄0 0r + p 虬 _ i f b 矿c i f ，。 i z c u a ，u b ，“c ，“。，u b ，u c 一定子和转子相电压的瞬时值 i a ，咯，七，f 。，z b ，一定子和转子相电流的瞬时值 ( 2 7 ) 奶，忆，忆，忆，眈一各相绕组的全磁链： r ，毋一定子绕组电阻和折算到定子侧的转子绕组电阻。 ( 4 ) 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因 此，六个绕组的磁链可表达为： 妒 妒b y c 虬 虬 “三bl c 三。_ 6 。 l l l k l l c hl c c l 。l 女l n c l hl h bl b 。 l c ，l c bl c c ( 2 8 ) 式中，上是6 6 电感矩阵，其中对角元素l _ ，l b b ，l c c ，l 。，l 咖l 。是 各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。 实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：类是穿过气隙的相间互感 磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。为了 以后计算方便可以定义如下变量： 定子漏感“定子各相漏磁通所对应的电感； 转子漏感三。转子各相漏磁通所对应的电感； 定子互感上。与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的电感： 转子互感三。，与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的电感。 幽咖即如椰坼 伽船肺伽缸伽坳助伽助伽幻助伽助 上海大学硕士学位论文 由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻 相同，故可认为l s = l ，。由此可以得到以下等式： l _ = 三口口= l c c = k s + l 1 s ； l a 。= l b 6 = l c 。= 厶。+ l i t 2 k + k ； 三口2 三8 c = 三( _ = 三“= 厶= 三c = 一去l ：； k = 厶，= t 。= k = k l a c 告k = 一导k ； l 。= l “= l 日6 = 厶b = l = l c c = l , n ，c o s o ，： l a 。= 乞= l s 。= 厶口= l c b = l b f = z m sc o s ( o 一1 2 0 。) ； l 6 = 屯= l b 。= k = 瓦= l o c = kc o s ( o ，+ 1 2 0 。) 。 ( 5 ) 转矩方程： t2 謦咿+ + 识) s i n 0 + ( i j b + + 吣i n ( 绋+ 1 2 0 。) ( 2 - 9 ) + ( f 月+ i a + i c i b ) s i n ( o 一1 2 0 。) ( 6 ) 运动方程： i 却丢等 c z 死负载转矩；，机组的转动惯量；n p 电机极对数。 由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式 中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合。 2 1 2 坐标变换 上节中虽已推导出异步电动机的动态数学模型，但是，要分析和求解这组非 线性方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化，简化的基本方法 是坐标变换。在研究矢量控制时定义有三种坐标系，即三相静止坐标系、两相静 止坐标系和两相旋转坐标系。涉及到的坐标变换有三相静止到两相静止，以及两 相静止到两相旋转之f q 的变换及其逆变换。坐标变换应遵循的原则是：在不同坐 标系下所产生的磁动势和功率相等。 上海_ 人学硕士学位论文 图2 2 异步电动机坐标系 三个坐标系分别定义如下( 如图2 2 ) ： a b c 三相静止坐标系：以定子三相绕组的每一相的轴线作为一个坐标轴， 得到定子三相坐标系，三个坐标轴分别用a 、b 、c 表示。 邮两相静止坐标系：两相直角坐标系，两个坐标轴分别用a 、口表示，d 轴 与a b c 三相静止坐标系a 轴重合。 却两相同步旋转坐标系：两相直角坐标系，两个坐标轴分别用d 、g 表示， 该坐标系以等于定子频率的同步转速旋转，因此称为同步旋转坐标系。0 为d 轴 与三相坐标一轴的夹角。电机的电压、电流、磁链矢量可以在三个坐标系之间 进行相互转换。在研究矢量控制的原理时，通常把异步电动机在砌坐标系上建 模，从而可以使电机模型变的简单，阶次降低。 下面以电流矢量的变换为例，坐标系之间的变换公式如下： 卧店 1一!一三 2 2 。巫一生 2 2 ( c l a r k 变换) ：c 。s os i n 臼 l s i n 0c o s 0 j k 奄j ( p a r k 变换) l l _ _ 2 1 一 2 o 压 2 压 2 ( c l a r k 逆变换) ： = 。c i o n s 曰o 一。s o j n s 目o j l i ( p a r k 逆变换) 臣怄 = 1，j h b k l 、，lj 0 0 七 。，l 上海大学硕士学位论文 如果电动机定子三相绕组为不带零线的y 形接法，则由i + + f c = 0 的关系 从而可得： 。犀 o v2 圣压 2 2 1 3 异步电动机在由两相同步旋转坐标系上的数学模型 由2 2 1 知三相静止的a b c 坐标系上的异步电动机的数学模型比较复杂， 坐标变换的目的就是要简化数学模型。如果把它变换到两相坐标系上，由于两相 坐标轴互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，就会使数学模型简单了许多。 要把三相静止坐标系上的电压方程( 2 7 ) 、磁链方程( 2 8 ) 和转矩方程( 2 9 ) 都变换到由两相旋转坐标系上，可以先利用c l a r k 变换将方程式中定子和转 子的电压、电流、磁链和转矩都变换到叩两相静止坐标系上，然后再用p a r k 变换将这些变量变换到咖两相同步旋转坐标系上。 在坐标变换中，选择d 轴沿着转子总磁链矢量的方向则：炸= 扩耐，矿。= 0 。 当考虑到笼型转子内部是短路的则：= = o 。 由此可以得到异步电动机的砌坐标系下的磁链方程和电压方程如下： l 虮d = t 岛+ l 。i t d l 帆。= 厶屯+ k i r 。 】y r d = 三m f s d + f r d ( 2 - 1 1 ) l 2 三。f s q + l r i r q = 0 “。d2 r 。+ p d q y 。 u s q = r s i s ( 1 + p q s q + 1 l 矿s d “r d = r ，i r d + p y r d = 0 ( 2 _ 1 2 ) “，q = r ，i r q + 峨p r d = 0 由坐标系下的转矩方程： 正= t l p 乙( k 幻一i 。d i , 。) ( 2 1 3 ) 上海大学硕+ 学位论文 r ：一十一j d o )。 。n 。d t 2 知哆 协 2 y 州2 百t 历m 。 ( 2 - 1 5 ) q 2 ( 0 s + c o = 瓦l m 岛+ ( 2 舶) l = n 百l m 。码譬q “埘2r 如+ 仃t p + 导p g ，d - q 盯t k ( 2 1 8 ) “。= ri , q + c r l , p 岛- l l _ , ”+ c u l c r 丘。 ( 2 1 9 ) 铲吾k ； 3 l r 2 去l m s 七l _ = l m + l - t = 丢k + 氏= 三。+ k 式中参数定义： “埘，“l 胁f 州妒“，p 。由坐标系中定子电压、电流和磁链； “加“旷f t ，i w ，y 。由坐标系中转子电压、电流和磁链； 厶，l r ，l 。由坐标系中等效两相绕组定子自感、转子自感和它们的互感； 0 3 ，( c ，m 。同步转速、转子的电角速度、滑差速度； 盯= 1 一i l 等m 电机漏磁系数：i = 每转子电磁时问常数。 上海大学硕士学位论文 由( 2 一1 5 ) 、( 2 - 1 7 ) 式知，定子电流的妇分量控制转子磁通的幅值，与无 关，如通常叫做励磁分量：当恒定时，电磁转矩和定子电流岛成正比，可以 通过控制i 。控制转矩，与妇无关，通常称i ，。为转矩分量。从这个意义上看，定 子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的，从而实现了将异步电动机的多变量强耦 合的非线性系统进行了解耦控制，可以像控制直流电机那样控制交流电机。由 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 式知，在忽略了反电动势引起的交叉耦合项以后，可由电压方程d 轴分量控制转子磁通，q 轴分量控制转矩，从而可以得矢量控制框图如图2 _ 3 ， 这是一个典型的转速、磁链闭环矢量控制系统，包括速度控制环和磁链控制环， 通常称这种带有转子磁链反馈及转子磁链测量或观测的矢量控制系统为直接转 子磁场定向的矢量控制1 1 。 图2 3 转子磁场定向矢量控制框图【1 9 】 2 1 4 基于转子磁场定向矢量控制框图说明 参考信号村的确定： 由却- 1 5 ) y 一= 南 扩一与之间的传递函数是阶惯性环节，这和直流电机励磁特性相似。 上海大学硕士学位论文 其含义是：当励磁分量i “突变时，d 的变化要受到励磁惯性的阻挠，当州达 到稳定时p q 。= 0 ，因而： i s d r e 产1 j ，m f l m 参考信号i s q 阿的确定： 将转速差送入速度p i 控制器算出电磁转矩控制量，由式( 2 - 1 7 ) 进一步得到 定子电流的转矩分量的参考信号f 孵= 瓦参：。 控制流程说明： 首先读取光电编码器或者测速计得到电机的实际转速，送给速度环的p i 控 制器，计算出。巾连同删分别作为电磁转矩和磁场分量的参考信号；然后提 取相电流的检测量和如，调用c l a r k 变换模块把相电流矢量从a b c 三相静 止坐标转换到叩两相静止坐标系中，接着再进行p a r k 变换得到妇、，然后 分别与0 州- 、岛可相比较后送入电流p i 控制器得到“m 眇u s q r e f ，把新得到矢量通 过调用p a r k 逆变换将其变换到邮两相静止坐标系中得到u s 。，、u s 口r e ，再调用 空间矢量s v p w m 模块，计算得到六路p w m 信号的占空比，送入逆变桥，驱动 异步电动机实现完整的控制。在上述的系统中，我们用到了p a r k 和p a r k 逆 变换，二者均需要转子磁链的准确位置角0 ，这可以通过电流磁链转换模块得到。 由上面的控制过程我们可以看出，整个控制主要由以下几大模块构成： p i 调节器模块； 坐标变换模块； 电流磁链转换模块： 空间矢量s v p w m 模块； 相电流检测环节； 速度检测环节。 p i 调节器和坐标变换有固定的算法，用软件实现就可以了，在本章不做详 细叙述，相电流和速度的检测由硬件实现，将在第三章详细讲述。本章节重点讲 电流磁链转换模块和空间矢量s v p w m 模块。 上海大学硕士学位论文 2 1 5 电流磁链转换模块川1 2 l l 该控制系统是基于转子磁场定向的，只有准确检测出磁链的位置才能将定子 电流变换到由坐标系中，磁链的检测分为直接检测和间接检测两种。直接检测 法的种是在电机槽内埋设探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔片或 其他磁敏元件。理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上，埋设线圈和敷设 磁敏元件都遇到不少工艺和技术问题，特别是由于齿槽影响，使检测信号中含有 较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。因此，在实用的系统中，多采用间接 观测的方法，即检测出电机的电压、电流或转速等容易测得的物理量，利用转子 磁链模型，实时计算得到转子磁链的幅值和相位。 本论文采用的电流模型观测器，通过定子电流和转子转速计算出转子磁链幅 值和转子磁链的位置角口。数学推导如下： 三一 3 百荔一 q 一一畚 铲百d o 钏，彻2 击。 通过对以积分即可求出转子磁链的位置角口。转子磁链的准确定向是研究 矢量控制的关键和难点，由上面的计算可知口受电机参数和转子转速准确性的影 响，特别是转子电阻与电机的温升、电流i 及运行时间f 等诸多因素有关，很难 达到准确观测。采用参数在线辨识或自适应转子磁链观测器，可减小或消除计算 偏差，但系统控制结构较为复杂，是本课题的进一步研究方向2 2 1 。 2 1 6 矢量控制中的s v p w m 模块 随着电力电子器件的发展，p w m 变换技术己广泛应用于电气传动系统。所 谓p w m 技术就是利用电力电子器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的 电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的 一种控制技术【”1 。已经提出并得到应用的p w m 控制方案有许多种，但用于交流 传动系统的基本形式有三种：正弦p w m 、电流滞环p w m 、电压空间矢量p w m 上海大学硕士学位论文 ( s v p w m ，s p a c e v e c t o r p w m ) 。 正弦p w m 调制是从交流电源的角度出发，其着眼点是如何生成一个可以调 压调频的三相对称正弦型电源【2 。正弦p w m 技术可以由模拟电路、数字电路或 大规模集成电路芯片来实现。采用模拟电路时，由振荡器产生正弦波和三角波， 然后通过比较器来确定逆变器某一桥臂的开通和关断。这种传统的作法，使系统 的元件过多，控制线路复杂，精度也难以保证。随着微处理器的速度不断提高， 数字化p w m 发展迅速，典型的有自然采样法和规则采样法两种 2 ”。自然采样法 虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实 时控制，而规则采样法是自然采样法的简单近似，用计算机实现较为方便。 电流滞环p w m 的着眼点是输出电流按给定电流变化，在稳态时p w m 变换 器期望输出电流是正弦波电流，这比只考查输出电压按正弦变化进了一步。其基 本思想是将三相定子电流给定信号与检测到的相应定子电流信号比较，其结果决 定逆变器桥臂上下开关元件的导通和关断1 2 。这样，实际电流波形围绕给定电流 作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。电流滞环跟踪控制逆变器的输出电 压虽然仍是脉冲式的，但它己完全脱离了原有意义的正弦p w