（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的异步电机磁场定向控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士毕业论文第1 1 页 a b s t r a c t t h i sd o c u m e n tp r e s e n t sr e s e a r c hr e s u l t sf o ri m p r o v i n gs p e e dc o n t r o la l g o r i t h m s f o rf i e l do r i e n t e d c o n t r o l ( f o c ) i n d u c t i o n m a c h i n ed r i v e s i na d d i t i o nt h e i m p r o v e m e n to fa ni f o ci sa t t e m p t e db yu s i n g a ni m p r o v e ds l i d i n go b s e r v e r ， s i m u l a t i o nb a s e dm a t l a ba n de x p e r i m e n tp r e s e n tt h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mi s r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y t h ei m p o r t a n tp r o b l e m sd u r i n ge x p e r i m e n ta r ea n a l y z e di n d e t a i l ，a n dt h ew a y so f s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sa r ei n t r o d u c e d f i r s to fa l l ，t h em a t h sm o d u l eo fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do ns p a c ev e c t o ri s i n t r o d u c e d t h ep e p e ra n a l y z e dt h em e r i tw h e nu s e dt h em o d u l ei fw es i m u l a t ei n m a t l a bs o f t w a r e b e c a u s em a n y p a r a m e t e r so f i n d u c t i o nm o t o r a r en e e d e di nh i g h p e r f o r m a n c ed r i v e sm e t h o d s ，t h i sp e p e rp r e s e n t saw a yb yw h i c ht h e s ep a r a m e t e r s a r eg o to f f - l i n e a r e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ew a y i ss i m p l ea n dr e l i a b l e s e c o n d l y ，a l l o fp w m w a y s a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h es v p w mi s s p e c i a l l a y i n t r o d u c e d t h e p a p e ra n a l y z e s t h ea l g o r i t h mo f t h es v p w mw i t hb o t hs y n c h r o n o u s m o d u l a t i o na n da s y n c h r o n o u sm o d u l a t i o n ，a n dg i v e sa ne x a m p l eo fa s y n c h r o n o u s m o d u l a t i o n t h e n ，t h e f i e l do r i e n t e dc o n t r o lm e t h o di s c o m p l e t l yp r e s e n t e d t h ep a p e r c o m p a r et o t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eb e t w e e nd i r e c to r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) a n d i n d i r e c to r i e n t e d c o n t r o l ( m o c ) i na d d i t i o n t h e i m p r o v e m e n to fa n i f o ci s a t t e m p t e db yu s i n ga ni m p r o v e ds l i d i n go b s e r v e r ，s i m u l a t i o nb a s e dm a t l a b i s d o n e ，a n dp r o v et h a tt h es y s t e mi sc o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l y t h eh a r d w a r es t 九1 c t l l r eo ff o c s y s t e mb a s e do nd s p i si n t r o d u c e d t h es o f t w a r e d e s i g nf l o wi sg i v e ni nd e t a i l t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti sa n a l y z e d f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o p o s e sac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c e so f am o d e l r e f e r e n c ea n da d a p t i v es y s t e m ( m a r s ) a n de x t e n d e dk a l m a nf i l t e r - b a s e da l g o r i t h m i m p l e m e n t e d i n 也es p e e de s t i m a t o rf o ra cm o t o r k e y w o r d s ：f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，i n d u c t i o nm o t o r , d s p ，m a t l a bs i m u l a t i o n ， s p e e d s e n s o r l e s s 西南交通大学硕士毕业论文第1 页 第一章绪论 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和变换的新 兴学科。现代电力电子技术主要由三大部分组成：电力电子丌关器 件，电力电子变换器主电路及其拓扑，以p w m 技术占主导的控制技 术。八十年代中后期，由于微电子技术的进步，各种新型高频的全 控开关器件如g t o ，m o s f e t ，i g b t 以及以其为基础的智能功率集成 电路i p m 等纷纷诞生，使得电力电子学科取得了飞速发展。而各种 高速实时微处理器特别是数字信号处理器的出现，更使得现代控制 理论和智能控制中较为复杂的算法在电力电子技术中的应用得以实 现。随着人类的科技不断进步，人们越来越认识到合理、高效地使 用电能的重要性。而电力电子技术这门融合微电子学、控制理论、 计算机技术、电机学等多种学科的商新技术成为当前国内外热门的 研究学科。而作为电力电子技术发展水平标志的交流电机调速领域， 由于交流调速系统自身具有的非线性、参数变化的不可预测性等原 因使得控制系统非常复杂，一直是电力电子技术研究人员最为关注 的领域。可以这么说，电机调速控制性能的每一次提高，都代表着 电力电子技术应用的一次巨大进步。近二十年来，由于先进的控制 方法诸如异步电机磁场定向控制和直接转矩控制在交流调速中的应 用，以及高速微处理器特别是d s p 的出现，使得交流调速系统的性 能有了很大的提高，而且逐步发展的交流调速全数字化系统使得系 统的性能更加稳定。交流调速系统最为广泛使用的磁场定向控制， 以其解耦性能好，动态响应快的显著特点在高性能的调速应用场合 ( 比如电梯控制、数控机床，电力机车牵引等) 占有主导地位。而 后期出现的直接转矩控制方式以其控制方式的简单、优越的力矩响 应性能也越来越受到人们的重视。纵观磁场定向控制的发展过程， 经历了直接磁场定向控制到间接磁场定向控制( 也即转差频率磁场 定向控制) ，从有速度传感器控制到无速度传感器控制，其控制方法 也从初始的磁通观测器发展到现在的自适应控制、滑模变结构控制、 模糊控制等。近几年来，由于高速数字信号处理器d s p 的工程应用， 磁场定向控制所谓的坐标变换复杂，计算量大的缺点己不复存在。 而九十年代出现的被仿真证明具有极高性能的高次谐波注入法、扩 西南交通大学硕士毕业论文第2 页 展的卡尔曼滤波算法等新型转子磁通位置观测方法，由于涉及到大 量复杂的矩阵乘法运算原先都无法实时实现，如今都可以利用一片 或者多片d s p 得以实现，这大大促进了磁场定向控制的发展。而磁 场定向控制的精髓一一基于解耦控制思想，近来被广泛应用在诸如 四象限变流器、无功补偿器( a s v g ) 等领域，显示了极大的生命力。 从近期的学术动态来看，磁场定向控制近几年又将成为学者们研究 的热点。 1 1 现代电力电子器件的发展及其特点 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着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；在断态和通态间又能很快的转换。电 力电子器件发展非常迅速，从普通晶闸管( s c r ) 到双极性晶闸管 ( t r i a c ) ，从可关断晶闸管( g t o ) 到电力晶体管( 6 t r ) ，从功率场 效应管( m o s f e t ) 到绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，再到如今新型的功 率集成模块( p i c ) 、智能功率模块( i p m ) 。新型电力电子器件主要 具有以下几个特点： 1 开关器件的全控化由半控型的普通晶闸管到全控型的各 类自关断器件，是电力电子器件在功能上的一大突破，全控化避免 了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换相电路，大大简化了电 路结构。 2 开关器件的集成化与传统的电力电子分立元件相比，现代 的所有全控型器件都是由多个单元器件并联形成 3 开关器件的高频化随着器件集成化的程度越来越高，器件 的工作速度也越来越快，从工作频率在1 k h z 到2 k l t z 的g t o 器件， 到工作频率可达到几十千赫的i g b t ，而功率m o s f e t 的开关频率则高 达数百千赫。 4 开关器件的高效率电力电子器件的导通压降在不断的改 善，比如i g b t 的发展都经过了五代，其导通压降也由3 2 v 降到1 5 v ， 西南交通大学硕士毕业论文第3 页 降低了导通的损耗。而且开关器件的上升和下降过程加快，也降低 了开关损耗。 1 2交流调速逆变器主电路 1 2 1 两点式、三点式逆变器 交流调速两点式、三点式逆变器主电路分别如图1 1 、1 2 所示 二a 垮 图1 1 两点式逆边器示意图图卜2 三点式逆边器示意图 图1 一l 中的两点式逆变器电路中，其每相交流输出端只有+ u a 2 和一u d 2 电平两种，一台三相逆变器总共有23 = 8 种工作状态，目前国 内正在使用和正在研制的逆变器大部分采用两点式电路。为了提高 中间直流电压和改善逆变器交流输出波形，人们发明了三点式逆变 器电路，如图卜2 所示。其交流输出端有+ u d 2 、一u d 2 、0 三种电平， 一台三相逆变器总共有3 3 = 2 7 种工作状态。与两点式逆变器相比，在 同样的直流电压，三点式电路主元件承受的电压近似为两点式的一 半，采用三点式逆变器可以加快主电路对控制系统的响应速度，提 高系统的动态特性，与此同时，三点式逆变器交流输出波形优于两 点式逆变器，有利于改善输出电压波形，降低输出正弦电流的脉动 性。三点式逆变器在国外已经广泛使用，日本e 2 系、e 4 系车辆的牵 引变流器大量采用三点式电路，我国2 0 0 k m h 动力分散交流传动电 动车组也采用了三点式牵引变流器。 1 2 2 层叠母线技术 层叠母线技术又称为b u s b a r 技术。在图卜l 所示的两点式电路 中，当电压型逆变器上下桥臂换流时，二极管开始处于饱和导通状 西南交通大学硕士毕业论文第4 页 态，由于二极管的载流子的存储作用，导致二极管的反向恢复的竺非 班 常大，只要主电路很小的电感均会使i g b t 击穿。b u s b a r 又称为低电 感母排，为了避免上面情况出现和省去吸收电路，将整个逆变器的 开关元件与低电感结构的支撑电容器用低电感的复合母排连接在一 j ： 起，使得元件、电容和整个连线的电感总和很小，即使半较大也不 d f 致使峰值电压过大而击穿i g b t 。b u s b a r 的基本结构是多层结构的连 接母线，使流过母线的电流的正负电流方向相反，从而抵消了线路 上的差模杂散电感。b u s b a r 技术主要是中间绝缘层和粘接剂的选择。 我国株洲电力机车研究所已经成功研制出耐压等级为a c l 0 0 0 0 v 的层 叠母线排，且工艺上达到可以实现批量生产。 1 3 脉宽调制技术分类与特点 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置( 交流传动、u p s 、无 功补偿器) 中的应用越来越广泛，脉宽调制技术( p w m 技术) 作为其 共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究。 说到p w i d 技术，1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 发表文章把通信 系统的调制技术应用到交流传动，从此产生了正弦脉宽调制变频变 压的思想。p w m 技术的发展经历了从最初的追求电压波形的正弦到电 流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动 最小到消除噪声等。到目前为止，仍然有新的方案不断的提出。从 实际应用来看，s p w m 在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研 究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比 较，产生p w m 信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十 年代初使用专门的正弦p w m 波产生芯片如h e f 4 7 5 2 等，再到如今采 用高速微处理器8 0 c 1 9 6 m c 、8 0 c 1 9 6 k c 、t m s 3 2 0 f 2 4 0 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、 a d m c 4 0 l 等实时在线p w m 信号输出，基本实现了全数字化的方案。从 最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方 法，对自然采样的s p w m 做简单的近似，得到规则采样算法，在此基 础上，又提出了准优化p w m 技术，其实质为在一个基波上面叠加一 个幅值为基波1 4 的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现 西南交通大学硕士毕业论文第5 页 的空间电压矢量p w m 技术初始是以保持电机磁链幅值不变( 在平面 坐标中轨迹为圆形) 为出发点得到的，后来被推广成为当前最有效 的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有一定的三次谐波，由 于其具有控制简单、数字化实现极其方便的特点，目前也逐渐有取 代传统s p w m 的趋势。而最近几年研究很多的优化p w m 技术具有电流 谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算 复杂、实时控制较难，但由于与其它p w m 技术相比，具有电压利用 率最高、开关次数少、可以实现特定优化目标等突出优点，随着微 处理器速度的不断提高，这种p w m 技术也逐渐走入实用化阶段。而 另外一种应用较多的p w m 技术是电流滞环比较p w m 以及在它基础上 发展起来的无差拍控制p w m 均具有实现简单的特点，当开关频率足 够高的时候，可以得到非常接近理想正弦的电流波形。到八十年代 中后期，人们出于对p w m 逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的 关注，由于p w m 逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐 波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪 声。人们为了解决此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率， 使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲p w m 技 术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分 布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。 1 4 现代交流调速的控制技术 由交流调速系统中三相异步电动机的运动方程：，半= t 一瓦 口r 其中j 为转动惯量，为旋转角速度，t 为电机的电磁转矩，瓦为负 载转矩，我们可以看出，要控制电机转速，唯一的途径就是控制电 机的电磁转矩，使速度变化率按期望的规律变化。因此，转矩控制 是交流调速控制系统的根本问题。在早期的控制方法中，人们主要 采用的是恒电压频率比速度闭环控制方式，但由于其只适合于稳态 控制，过渡过程控制难已实现，不能满足高性能调速系统的要求。 而后发展起来的磁场定向控制和直接转矩控制均具有良好的动态性 能，快的转矩响应。在高性能的交流调速系统中，采用转速闭环控 制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。为了有效的控制电磁转矩， 西南交通大学硕士毕业论文第6 页 充分利用电机的铁芯，在一定的电流作用下，尽可能的产生最大的 电磁转矩，加快系统的过渡过程，必须在控制转矩的同时也控制磁 通。因为即使定子电流很大，而磁通很小时，实际转矩值仍然很小， 因此，磁通控制和转矩控制同样重要，通常在基速以下采用恒磁通 控制，而基速以上采用弱磁控制。磁场定向控制采用控制转子磁链 的方法，而直接转矩控制系统采用控制定子磁链的方法。 1 4 1 磁场定向控制 磁场定向控制模仿直流电机调速控制，利用旋转的转子磁场坐 标定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，通过分别控制两 个分量来达到快速控制电机转矩的目的。其基本出发点还是在于追 求加在电机三相绕组上的电压电流的正弦性好。磁场定向控制分为 直接磁场定向控制和间接磁场定向控制，直接磁场定向控制由于其 磁通观测传感器造价昂贵，而新发明的磁链观测方法难以实时实现 而一度被人们放弃，而随着新一代的高速数字信号处理器的出现， 近两年又重新唤起学者们研究的兴趣，最新的进展即为意大利a l f i 0 c o n s o l i 教授提出并实验证明可行性良好的高次谐波注入方法。间接 磁场定向控制的研究重点主要集中在转差频率观测器的改进和无速 度传感器技术，而最为热点的是基于模型参考自适应方法和推广的 卡尔曼滤波算法，鉴于国内这两方面的研究进展甚为缓慢，本文最 后一章对此做了介绍。间接磁场定向控制的缺点是对电机参数，特 别是转子时间常数敏感，需要复杂的在线参数辩识。国内的n j l 型 机车和2 0 0 k m h 动力分散交流传动电动车组牵引逆变器采用磁场定 向控制技术。 1 4 2 直接转矩控制 与磁场定向控制追求的电压电流正弦出发点不同，直接转矩控 制直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，省掉了较为复杂的矢 量旋转变换的计算，直接通过两个所谓的b a n g b a n g 控制器来控制 电机的磁链和电磁转矩。其控制方法不取决于电机数学模型是否能 够简化，而取决于转矩的实际状况。直接转矩控制并不为了获得理 想的正弦波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，而只强调转矩的直 接控制效果，由于其具有控制方法简单，在很低的开关频率下仍可 获得较高的转矩动态响应，近年来应用越来越广泛。直接转矩控制 西南交通大学硕士毕业论文第7 页 的缺点在于低速时定子磁通的估计受定子电阻压降的影响较大，低 速性能有待改进，定子电流中的谐波含量大，转矩的脉动很大。国 内的d j 型机车和d w a 型地铁工程车牵引逆变器采用直接转矩控制技 术。 1 5数字化的交流调速系统 交流调速系统的数字化工作也称为计算机控制系统，是把自动控 制理论和计算机技术结合的产物。当用计算机参与控制开环或者闭 环控制系统后，系统通常具有精度高、速度快、存储量大、逻辑判 断功能强等优点，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精 密的控制效果。计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把电机 控制、过程控制和整个生产管理结合起来，从而实现生产的全面自 动化”。 相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点在： 1 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。专 门为用户设计的大规模集成电路( v l s i ) 加软件构成的控制芯片， 或为大批量生产设计的专用集成电路( a s i c ) 均使系统硬件成本大 大降低。体积更小、重量更轻、功耗更小是进一步发展的目标。 2 改善系统的可靠性。v s l i 使得线路连线减小到最少，其平均 无故障时间远远长于分立元器件电路。 3 数字电路不存在温漂等问题，不存在电路参数变化的影响。 其内部的数字计算1 0 0 准确，只是受字长影响量化误差。定点微处 理器采用定标可以避免溢出。 4 可以设计统一的硬件电路，通过对软件的设计变化，可以应 用于不同的电机控制系统，灵活性很高，软件的设计也具有很大的 灵活性，便于修改，升级。 5 可以完成非常复杂的功能，诸如磁场定向控制的坐标运算、 推广的卡尔曼滤波的矩阵变换、反馈、p i d 调节、监控、报警、f w m 脉冲产生等功能。 数字控制系统的主要缺点在于： 1 存在采样和量化误差。尽管计算机内部的数字量非常精确， 但和外部接口通过a d 和d a 转换器进行，而a d ，d a 转换器的位 西南交通大学硕士毕业论文第8 页 数和计算机的字长是一定的，不可能无限制的增加。 2 系统的响应速度往往慢于专用的硬件或模拟系统。虽然计算 机的运算速度越来越快，但计算机内部的运算在任务比较复杂的时 候需要较长的时间，采样时间也要影响整个系统的响应速度。 3 软件的成本较高，调试较复杂，需要专门人员进行。 1 6本论文的主要工作 1 本论文给出了一个基于统一空间矢量方式简化的异步电机数 学模型。对获得磁场定向控制所需的电机参数的一种离线测试方法 进行m a t l a b 仿真，结果证明该方法准确性很高，而且不需要附加的 测试设备，简单有效。 2 本论文对当前国内外工程应用最关注的空间电压矢量p w m 技 术做了深入研究，揭示其本质。考虑到中小功率和大功率场合应用 的不同，剖析了空间电压矢量p w m 技术同步调制和异步调制的根本 区别，给出了具体的实现方法。 3 论文对间接矢量控制中常用的电流模型磁通观测器做出一种 改进，使得转差频率计算综合快速性和稳定性的优点。仿真和实验 证明该方法具有一定的可靠性。 4 完成一个改进的间接矢量控制系统的整体m a t l a b 仿真，给出 了该系统的各个环节的仿真实现方法。对比赢接建模和调用 s - f u n c t o n 函数建模实现的难易，说明s 函数是m a t l a b 的核心，掌 握s 函数就是掌握了m a t l a b 的精髓。 5 本论文完成一个基于高速t id s p 芯片的通用交流调速系统硬 件平台，并测试通过，通过实验证明，该平台性能良好，可靠性高。 6 论文采用汇编语言和c 语言完成磁场定向控制的软件设计， 并用v b 设计一个上位机的用户接口程序。实验证明，软件设计是成 功的，稳定性良好。论文给出了详细的流程图。 7 对目前国外研究最多的两种无速度传感器矢量控制速度观测 方法：模型参考自适应和推广的卡尔曼滤波算法进行详细分析，给出 其数字实现步骤，对比其性能。 西南交通大学硕士毕业论文第9 页 第二章异步电机数学模型及其参数辩识 由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的 多变量系统，其动态和静态特性相当复杂。在交流调速传动系统中， 异步电机主要由三相p w m 逆变器供电，p w m 逆变器输出电压是宽度变 化的方波，具有离散性。因此p w m 逆变器一一异步电机是一个离散 一一连续的复合系统，很难求出解析解，而通过计算机数字仿真，得 到其数值解。数学模型是对物理对象的数学描述，同时也是分析和解 决问题的必要基础。相同的物理对象可有多种不同形式的数学表达 式。对于异步电机而言，常用的数学模型表达形式有空间矢量数学模 型、在两相静止坐标系( a 、b ) 上的数学模型和按转子磁场定向( m 、 t ) 的数学模型等。虽然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对应关系。因此通过数学变 换可以将一种表达方式转化为另一种表达方式。在交流传动中，不同 的控制系统有不同的控制方法，在系统的分析和设计中采用不同的 数学模型表达式可达到简化问题的目的，但在仿真中，不必在不同的 控制系统中采用不同的电机模型，可通过变换将电机的一种表达方 式下的物理量转化成其他表达式的物理量。 2 1 异步电机的数学模型及其在不同坐标系的转换 我们首先假设： a ) 三相绕组在空间上对称互差1 2 0 度，磁势在空间按正弦 分布； b ) 忽略磁芯损耗； c ) 不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感均为线性： d ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 异步电机的数学模型由电压方程，磁链方程，转矩方程和运动 方程组成。 2 1 1 异步电机的空间矢量数学模型 定义定子电流、电压和磁链矢量，以定子a 相绕组轴为参考轴： 西南交通大学硕士毕业论文第1 0 页 i = 七也。e j 2 “3 + t 。e j 4 “3 ) i = 七q 一e 胁”+ u s c e m ”) 瓦= 婚5 ，+ 眵。e m ”+ e m ”、 ( 2 1 ) 其中的系数k 为待定系数，根据磁势相等且匝数相同的等效原 则，取k = 1 ；若按磁势相等且功率相等的原则，则取k = 历。 同理定义转子电流、电压和磁链矢量、以定子a 相绕组轴为参 考轴： _ ，= k 。+ i r b e j 2 “3 + i r c e j “”、她 一u r = 如4q u r b e m ”+ u r c e 脚”、j e r i = 如ma t 妒r b e m ”+ 妒，水1 3 、拽 其中只为转子a 相和定予a 相的空间位置夹角。 异步电机等效电路图如图2 一l 所示： ( 2 2 ) r r ( 孚) 图2 1 异步电动机等效电路图 在研究提高异步电机调速性能的过程中，学者们发现了许多有 用的异步电机数学模型。本文着重介绍异步电机空间矢量数学模型。 异步电机的空间矢量数学模型为m ： ( 1 ) 电压方程 i = 如i 十- 批9 7 = 砖i + l s 百d i , + 三。 - - , = r y r + 誓一j 函，咄i 鸠 ( 2 ) 磁链方程 正 d t 一 ( 2 3 ) 等心百d i , 叫。彳心弧 西南交通文学硕士孳韭论文第l l 页 f z = 幺i + t i 【妒，= l ，i ，+ l 。i ， ( 3 ) 转楚方程 2 - 4 ) r = u 水叫 = 虿2 r i pv 叩 - - 仁) ( 2 _ 5 ) i m 表示复数的虎部，( ) i 表示复数的共扼 ( 4 ) 运动方程 一般的情况下，电力拖动系缆的运动方程如下： 分掰为定子、转子溅压空闷矢量，致、y ，分羽为定予、转予磁链空 闯矢爨，如黪步电机等效电路图2 - 1 所示：r s 为异步电机的定孑电 阻，r ，为转予电阻，三。为定子电感，三，为转予电感，五。为定转子蕊 感，p 为转予a 相和定子a 相的空间位鼹夹角，丁为电机电磁转矩， 疋为负载转矩，为电机的转动惯量，一。为电机的极对数，m ，为电 税转孑静电气角速度。 可以证明，把电机空间矢量数学模型向不问方向分解，可以得 羁投影到各耪坐标系熬电橇豹等效数学模型。在建，虫子黎箍魏骧 因，凝体证明不再绘出，只是给出异步电机在转子磁链同步旋转墩 掭系( 嬲、r 坐标系) 投影下的数学摸溅，为菇嚣豹分板打下基磁。 2 1 2 弊步电机的一、t 坐标系数学模型 爱交静疆、t 墅拣系豹秘瑾意义是将赫辅始终定向予转予磁链矿， 一郎 田 、 嚣 萤矢阍空流电子转子定警肭 乏劢 砭 、 胁 i 中式备上以 嚣衷交逐大学硕：e 肇鼗论文繁1 2 夏 的方向，t 轴为m 轴逆时针转9 0 度的方向，因为p ，是旋转的矢量 繇戬磷、专垒拣系必须逸是以铲，弱撵懿浚转速疫旋转，魏薅穆窆麓矢 量方程向m 、t 轴分解为： “m + 豇! 。b( 2 7 ) u ；较_ = u r e 一拣 其中的p ，为m 轴和定子a 相的夹角。同样的，瓦、瓦、i 、一i r 都可 以表示裁上瑟豹彩式，我们浮疆褥蘩舞步电魏在m 、t 坐蠡系审熬数 学模溅： ( 1 ) 电压方程： 定子电压： 毽蝴年j 麓= 媾s + p z ￥啉- - c o r l s 。寺。p i 愀- - c o ，m i t 妇r l 。t 。? 七啦x + l 。p 鼙。斗r l 。 。+ l m p l ，、( 2 - 8 ) 国于存在有： - 量o2纵(2-9) l 上。0 + 三，i n = 0 。 转子电压： u 。+ j u ，= l 。龋。媾。+ 毛，砖。+ ；晒，毛。+ 0 7 r l j 。+ 鼗f ，1 ( 2 ) 磁链方程； 定子磁链： 妒。+ 审。= l , i 。+ l 0 ，+ j u 3 。+ l 0 。、 转子磁疆： v 。+ j v 。= l n t 。+ l r i 。+ j ( l m 。+ l r i n l ( 3 ) 转矩方程： t = n p - l - l - l 亍i 求科1 = 等- r 1 1 ( f 。+ 风) 谚y 幻 ” 1 _ l l 西南交通大学硕士毕业论文第1 3 页 一n p 鼍气妒r 我们从异步电机的m 、t 坐标系数学模型的转矩方程可以看出， 如果我们将m 轴定向在转子磁链的方向，在保持转子磁链大小不变 的前提下，电机电磁转矩只与定子电流在t 轴上的分量有关，可以 通过对i 。的控制来达到直接控制电机电磁转矩的目的。这就是磁场定 向控制的精髓。 从上面的电机数学模型我们可以得到，特定坐标系的数学模型 实际上是空间电压矢量模型在特定坐标系中的投影，所以当把电机 的数学模型统一为空间矢量数学模型以后，在仿真中我们可以容易 通过矢量分解得到所需要的模型。 西南交通大学硕士毕业论文第1 4 页 2 2 电机参数离线辨识 在磁场定向控制中，磁通观测器的模型与电动机的参数密切相 关，在应用中最大的困难在于调试时不知如何设定电机参数以及运 行时如何补偿电机参数的变化。电机参数的获得一般是通过空载实 验和短路实验来实现，但一般现场不具备做该实验的条件，而且这 种实验需要经验丰富的熟练技术人员，增加了系统成本。控制装置 到现场后，面对一台不知或不确切知道参数的电机，就不知道如何 设定。在一些文献当中，介绍了可以通过j 下反向启动、制动、加载、 卸载来判断其定向是否正确，但是。在现场对一台尚未调好的电机 做上述实验是很危险的，特别是大容量装置。因此，寻找一种不用 增加设备，利用变频装置本身在开机以前实现参数测量的方法成为 一种必要。以下为一种简单使用的参数设定方法。 2 2 1 原理 交流异步电机在静止坐标系a 、上的数学模型如式( 2 1 4 ) 所 示：( 考虑到鼠笼电机转子侧端电压通常为零，u 。= u ，。= 0 ，并将f 。、 i 印分别用妒。、y 啊代替) u u s p 0 0专 。 毒+ ptz 。 。专叫 ( 2 - 1 4 ) 其中：r 为转子时间常数，c = 每： 。为定、转子总漏感，。= l 一鲁 从上面的表达式我们可以看出口、两相的表达式相同，则我们 只取一相作为参数检测的基础模型，电机在静止状态的情况下 0 0 、l，j、ll引，ll叫 。k一啡，叫t p k t o p 口 o 曩 p口 o 砖 嚣枣交逸大学硕士馨驻论文繁1 5 页 ( m = o ) 口糟的电压方程如式( 2 1 5 ) 表示： 一 r ，+ 乞p 三。 上面的表达式包宙了电机的三个重要参数屯、r ，、t 。 2 2 。2 测试线路 测试线路魏闰2 - 2 掰示： s 鬟 l a 图2 - 2 募步电桃参数离线测试结构图 瘸套电流潞坏控镯器控铡逆变嚣6 个开关。当开关l 、2 、6 闭合时，“：；( 2 3 ) u 。、e 增加；当开关3 、4 、5 闭合时，”：= 一( 2 3 ) u 。， 减夸，l “a 豹乎埝馕等予箕绘定篷曩。 根据空载和堵转蜜验，测量的电机参数为： t 2 0 。4 9 1 2 h ，砖= 4 1 5 q ，五，= o 4 9 1 2 h ，辑- - - 4 。4 8 q ，三。= o 。4 7 0 4 h 计算穗寒藜转予懿润鬻数：霉= g 。1 1 2 ，麓= o 。0 4 i h 2 2 3 测试步骤 总漏感以的测试 令电流给定# = o ，这时电压、电流的波形如圈2 - 3 所示。此时 相当于给电机施加一个阶跃电压，异步电机的转予时间常数一般在 b 秒 西南交通夭擎硕士华韭论文第1 6 凝 1 0 0 m s 至几秒之间，在相对r 较筑的时问内，定子电流对定予电压变 亿静爱应蟊嗣一个一阶镤瞧环节。 仿真结栗表明：当开必频率为l k h z 左右，掰# 蠲线将会是一条 近儆焱线，莛斜率必d t = ( 2 1 3 ) u a 继。，霹魏，在一个除跃电压带 中，只要测爨出直流电压砜，电流环宽( i ；一屯) 和时间( ，：t 1 ) ，便 可以计算出k ： 岛= 铡 ( 2 一1 6 ) 錾2 - 3 电极瀑感溅试嫠囊波形 仿真实黢得出结果为：三。= 0 0 3 9 1 1 转予时闻豢数霉，定子电阻匙的测试 突加电流给定从零至电机空载电流，从方程式( 2 - 1 5 ) 可以报 导出响应姻线是一条指数曲线，时间常数为c 。在采样褥到y 。的 益线蠢，对成曲线审的矿。= o 6 3 2 。点，可以纛接得耐c 的大小。 嚣囊交通大学硕士擎建论文繁1 7 页 图2 4 电机转予时间常数测试仿真波彩 当“。、均达到稳态时，有p u 。= 0 、p i 。o = 0 ，则珂以得出： 爰： ( 2 一l ? ) 熬个自设定功能可以靠软件完成，整个测试疹骤可以在电机投 入运行前或运行的间隙完成，属于离线测试。此方法不仅可以对一 套赣痿鼹豹电飒炭施，遣可以对运毒亍书蹬现鼓簿褥侉瓠豹电搬调爱 _ i 魄模较重新设定电视的参数。 西南交通大学硕士华韭论文第1 8 页 第三章电压空闫矢量p w m 技术 p w m ( p u ls ew i d t hm o d u l a t i 0 1 9 ) 脉宽调制技术怒一种以参考波 为溪剃波+ n 倍频攀 二调翻波鹣三角波必载波，按裰交关系愆至l 开关 信号的方法。当调制波为正弦波，输出矩形波序列的脉宽按正弦函 数援德变纯辩，载楚应黑簸多豹燕弦歇宽调裁技术。 随着逆戮器在交流传动、u p s 电源、有源滤波器和无功补偿器椁 中豹广泛应髑，以及高速念控开关的大蹩使用，p w m 技术已经成为逆 变技术的核心。近几年，随着高速数字信号处理器d s p 的实用化， p w m 技术更怒花样翻新，不断有新的p w m 方式墩现。p w m 技术从大的 方面w 以分为三大癸，即难弦p w m 技术、优佬p w m 技术、麓机p w m 技术。正弦p w m 技术由于p w m 脉冲宽度按正弦规律炎化，豳此可以 有效壹| 蠢捧裁 羲次谐波，嫠邀祝z 律在j 琏戗歪弦懿交交电歪下，转簌 脉动小。我们可以把正弦p w m 技术分为电压、电流、磁通破弦几种 方式。麸1 9 6 4 年a 。s c h n o u n g 秘h 。s t e m m l e r 愁逶禳系统豹溺裁鼓零 应用到交流传动逆变器中，产生了所谓的正弦脉宽调制技术，后来， b o w c s 又提出全数譬纯s p w m 方巢，以及援粼采数字织p w m 方繁 及准优化p w m 技术。1 9 8 3 年，j h o l t z 椁又提出了空间矢量p w m 技 术，以追求电动枫礅链圆形孰迹为耳的，使实现方法更趣简单。弱 一方褥，程特定谐波消除法盼基础上，g s b u j a ，f c z a c k 和 k t a n i g u c h i 等提出了电流谐波畸变率最小、效率最优及转矩脉动最 夺虢优仡p w m 技术。逐有应粥较广鹃p w m 方法为1 9 8 0 年l 圭l a b p l u k e t t 提出的电流滞环比较p w m 技术，具有实现方式非常简 摹，魄滚滚形较妊熬傥煮。霭赉a 。m t r z y n a d l o w s k y ，v g a g e l i d i s 在1 9 9 3 年提出的随机p w m 方法，由于是从改变谐波的频谱分布入 手，搜谐波均匀分掺在鞍窕垂鼋频带莛毽内，霹汉这到静割骧声霹橇 械共振的目的。在本章中，我们主要讨论应用最为广泛的正弦p w m 技术”j 。 3 1 电压芷弦p w m 方法 通过参考正弦波调制信号和三角载波信号比较，来确窳逆变器 菜一桥臂开关器件的开通翱关断。数字化正弦p w m 方法发展迅速， 西南交通大学硕士肇韭论文第1 9 页 典型的有自然采样和规则采样p w m 两种方法。三角波和正弦波的交 点辩剡可转化为一个采样瘸鬟肉辩输出躲洚宽度薅闽及闻豫时藩豹 计算，由计算机来兜成，时间的改变可通过定时器来完成。自然采 群p w m 虽然霹真实蟪反浚控麓蕊簿，其躲洚宽度灸： f 2 = 等l1 + 罢( s i n 国，乙+ s i n ) ! ( 3 - 1 ) 上l z - 但由于式( 3 - 1 ) 是一个超越方程，需要计算机遮代求解，难以 臻于窳对控制。当粥查表法实现对，由子频率范匿变化很大对，憋 占用微大的内存空阉。趣脚采样p w m 怒对自然采样的简单近似，眈 时脉冲宽度为： f 2 = 1 + m s i n ( w i t i ) 】或f 2 ；冬1 1 十等( s i n w i t i + s i n w l t * 1 ) ( 3 - 2 ) 正l j 国予式( 3 - 2 ) 孛静t l 、t k + ，为基知，_ 嚣戳翻蕉诗雾橇俊逮毒辛算毽 每相的脉宽和间隙时间。规则采样p w m 具有安现简单、控制线性殿 努豹馕熹，缓和自然采撵群寿整滚毫蘧稳翔率抵妻冬缺点，其输凄 线电服的峰值只能达到直流电压的0 8 6 6 倍。而1 9 8 5 年s r b o w e s 等入掇窭豹壤往纯p w m 技零，其调裁波浆残基波毒瑟三次谐波瓣叠期， 其调制波的数学表达式为： 厂1 玩= s i n t l + s 融3 l o ，则使a 2 1 ，否则a = 0 ( 2 ) 如果识一 0 ，则使b = 1 ，否则b = 0 ； ( 3 ) 如果, g v o + t s ，则取t 1 = t i * t s ( t 1 + t 2 ) ，t 2 = t 2 * t s ( t 1 + t 2 ) 。 西南交通大学硕士荜韭论文第2 6 页 表3 一l六个扇区矢量作用时间分配表 | 扇区号 ii ll i lv i tzzyzxxy l t 2￥ 一xxz- yz 3 计算电压空间矢量切换点t c m l 、t c m 2 、t c m 3 定义： 瓦= 识一一t 2 ) t 4 如= l + 五2 ( 3 1 4 ) 疋= 墨+ 曩2 则在不同的扇区内t c m i 、t c m 2 、t c m 3 根据表3 - 2 迸行赋值，就 可得到如图3 - 6 所零的电难矢量波形。 表3 2 六个扇区比较器定时值 扇嚣号ii ii 娃v t c m lt bt at az ct ct b t c m 2t at c t bt bt at c t c m 3t ct bz cz a z bt a 3 。4 电援空闻矢量p w m 与其他p w m 方法的比较 由式( 3 - 8 ) 可以褥出，零电压矢量的作用时间为： 矗= 瓦一五一如= 瓦 t , - 3 u ，c o s 恬( z 一目) ( 3 - 1 5 ) 随着合成电压矢量u 的长度的增加，t l 、t 2 也逐渐加大，t o 逐 濒减小，但是为了满足u 在线性度区内的要求，必须使t o 非负，也 即： 籍s 一孥 ； 万c o 詈叫 在8 取任意德靛薅熬下土式瑶或立， “氅 0 3 ( 3 一1 6 ) 到蠢下式成立： ( 3 一1 7 ) 可见当u 的幅假达到上限时，输出线电压的基波峰傣为，宦 比正弦p w m 糍i 5 。4 7 ( 常规s p w m 在满调割( m = 1 ) 辩，输趱的线墩 西南交通大擘硕士肇韭论文第2 7 嚣 压的纂波峰德为0 8 6 6 ) 。在这一点上，和前面介绍的准优化p w m 有异赣霹工之楚。黼3 7 梵一令输密基波为5 0 h z 辩三稽奄藤耱瑾怒 波形，可以清楚的精出s v p w m 的调制波的构成。图3 8 为一个实际 实验褥刭静三稳穗憩压p w m 调制波滤波麓熬波形。 鋈3