（电力电子与电力传动专业论文）异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究(1).pdf

西南交通大学硪女磷究生学位论文第ll 页 a b s t r a c l 趣懂i s 乏h e s i s ，氇em e 西o d so fp a f a l 珏e l e ri d e n t i 蠡c a i o 鞋毪n ds 住t ee s t i m a l o n 矗f e s t u d i e df o ra ci n d u c t i o nm o t o r w h i c hi sam u l t i - v a r i 曲l e ，s t r o n 甜yc o u p l e da n d p a r a m e t e 卜v a r i a b l en o n l i n e a rc o n t m ls y s t e m 。 t h ec o m p l e t e d i g j t a l c o n t r o l s e 纛e m ew a s 疆| s 0p f e s e 鑫t e d 镪氇维ed e s i g 嚣o f 量l 器 d w 蠢羚a 鑫ds o f a f e 岛fa c i l l d u c t i o nm o t o r - t h er o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o lh a sb r o u 曲te s s e n t i a la d v a n c e si na cv a r i a b l e s p e e d d r i v e 8 y s t e m s p e e d s e n s o r l e s s n d l l c t i o nm o t o rd r i v e p l o m o t e st h e s l 糙p l 主c i l y 强畦羚b 硅s l 麓e s s 热姓魏e 毛a 聪t w o 黟曲k m s 稻毽艇鞍es o 圭v 颡壤e 姆s 主e 壤 t h es p e e de s t i l i l a t i o na n df o t o rf l u xo b s e r v a t i o n 。b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e s ， t h es p e e de s t i m a t i o na n dr o t o rf l u x0 b s e r v a t j o nm e t h o d sa r es t l l d i e du s i n gt h e t h yo fm o 如ir e 缸e n c oa d a p t i v es y s t e m t h es i m 娃l 娃| o nr e s h l t ss h o wt h e 麓最a s 西a s e 莲鼢继o r i e 戤。纛曲r o ls y s l e m 纛8 s 黼o ds 穗t i e 糕琏d y 珏a 斑主c p e r f o f m a c e 。 h lt h et h i r dc h a p t e r ，风z z yl o g i c 甜ma r t i f i c i a ln e u f a ln e t w o r k sw i l lb e i n l d u c e d ，w h i c ha 碍m a d 嚣u s eo ft oe s t 主m a t e 癌cf c s i s t a n o fs t a t o fa n d t o f 辑s p e c t i v e l 努飘l z z yb g i cc o n t r o ls y s 量c md o e s 珏o tc o n f i f m 氇ea e c u f a t em a 壤 m o d co fs y s t e m ，a n dn e u r a in e t w o r k sh a v et h ea b i l i t yt 0l e a f n ，s oh a v eb e c o m e a t t r a c t i v et o o l sf o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t o n t h es i m l l l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 臻e s em e 差h o d s 如v eg o 酣s t “ca 曩dd y 曩鑫黼i c 辨墒瑚a 躺e t 五er e a l 拓8 t i o ns c h e m eo fd i 舀a lc o n t r o ls y s t c mb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rw a sp r e s e n t e d t h ed e s i g n o fb o t l ls o f t w a f ea n dh a r d w a r cw a s o p t i m i z c d ，a n ds ot h cs y s t c mc a no p e r a t ei nr c a l t i m cw i t hs a f e t y 也ec o n l r o is o n l s 争l o 窑臻嚣l l 娃嬲b a s eo 丑零鹾s 3 2 i 疆2 8 1 2 ，簌睦dl h eo v e f a l | d i g i | 硅lc e n t | w 鑫s a e h i e v e d 1 沁y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o “s p e e ds e n s o r l e s sf i e l d0 r i e n t e dc 0 n t f 0 1 ，s p e e d e s t i m a 主o n ， r o t o f f l 麟 o b s e r v a t i o 丑，m o d e lr e f c r c n c e a d a p t i v es y s t e m ， l 撅穗c i a l辩e 黼 n e t w o 魄p 8 f a 璎e t e 糙e l l t 主蠡嚣乏i 鞠，秘z z y 王d g i ee o 珏t r o l ， d i g i t a ls i g n 8 lp r o c e s s o f ( d s p ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第vi 页 主要符号表 d 。一口。同步旋转坐标系( 或旋转坐标系) 直轴和交轴 d 5 一矿静止参考坐标系直轴和交轴( 也称为a 、口轴) k 励磁电感 l ， 转子电感 t 定子电感 d 轴转子磁链 口轴转子磁链 匕 d 轴定子电流 口轴定子电流 峨d 轴转子磁链 l l ，二鼋l 轴转子磁链 艺口。轴定子电流 0 d 5 轴定子电流 心d 5 轴定子电压 吃矿轴定子电压 q 转子角速度 a 漏磁系数 转子时间常数 t 定子时间常数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 交流电气传动技术的发展概况 直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪中期先后诞生，由于直流电气 传动具有良好的调速性能和转矩控制性能，而交流调速中决定电动机转速调 节的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是极为困难的，因此，在2 0 世纪相当长的一段时间内直流传动成为调速传动的主流。然而由于直流电动 机具有电刷和换向器，成为限制其自身发展的主要缺陷，导致其生产成本高、 制造工艺复杂、运行维护工作量大，加之机械换向困难，其单机容量、转速 及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低 廉的异步电动机。从2 0 世纪3 0 年代，人们就致力于交流调速技术的研究 1 】【2 l 【3 】。 随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的不断发展和电力电子 器件的更新换代，变频调速技术获得了飞速的发展。交流变频调速技术已由 最初的变压交频控制的变频调速发展到了高性能的矢量控制变频调速，使得 交流电机的调速性能达到甚至超过了直流电机的调速性能，其中，德国学者 于1 9 7 1 年提出的交流电动机的矢量变换控制，利用坐标变换原理将一台三相 异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的动 静态性能，引起了人们的极大关注。以后随着计算机技术的发展，人们又克 服了矢量控制计算置大而复杂的缺点，使得矢量控制成为目前所有调速系统 中性能最优越的一种，它不但控制连续、平滑，而且调速范围很宽。但它自 身也有一些缺点，如对电机参数的依赖很强等。 矢量控制技术提出以后，各国学者叉致力于异步电机无速度传感器矢量 控制系统的研究。利用检测定子电压、电流等易于测量的物理量进行电机速 度的估算以取代速度传感器，其关键是在线获取速度信息，在保证较高控制 精度的同时，满足实时控制要求。无速度传感器控制不需要检测硬件，也避 免了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降 免了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 低了成本，因而引起了各国学者的关注，成为现代交流调速控制领域中最受 重视的课题之一1 3 】【4 1 。 直接转矩控制是上世纪8 0 年代中期提出的又一转矩控制方法，其特点是 把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进 行磁通、转矩的计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转 矩。因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制结 构简单，便于实现全数字化，目前正受各国学者的重视1 5 】1 6 】1 7 】i 剐。 随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线 性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略正在不断 涌现，交流调速技术展现出更为广阔的前景。专家系统、模糊控制、神经元 网络、非线性解耦控制等在交流调速控制系统中的应用，是现在研究的热门 课题【9 1 1 1 0 】【1 l 】【1 2 】。 1 2 矢量控制的现状 自2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出了“磁场定向控 制的理论”和美国的p _ c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请了专利“感应电机定子 电压的坐标变换控制”，矢量控制技术发展到今天已形成了各种较成熟并已产 品化的控制方案，且都已实现无传感器控制，即用转速估算环节取代传统的 速度传感器( 如测速发电机、编码盘等) 。 矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子 三相交流电流i a 、i b 、i c 通过坐标变换变换到同步旋转坐标系d 。q 。轴系下的 两相直流电流。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解 成两个分量：用来产生旋转磁动势的励磁分量e 和用来产生电磁转矩的转矩 分量e 。然后象控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转 矩的独立控制，再由变换方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量， 达到控制电机转速和转矩的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 无速度传感器矢量控制系统 无传感器矢量控制技术是在上述矢量控制方案的基础上，利用电机定子 边较易测得的电量( 电压或电流) 推算出电机的转速和磁通，进而实现对转速 的控制。它目前是众多国内外学者研究的重点和热点，主要是由于高性能的 矢量控制系统必须采用速度闭环控制，而传统的转速检测装置多采用光电码 盘等速度传感器来进行转速检测。而速度传感器的应用往往存在以下问题： ( 1 ) 增加了系统的成本；( 2 ) 使电动机轴向上体积增大，而且给电动机的维护带 来一定困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒 性；( 3 ) 若安装码盘，存在同心轴问题，安装不当将影响测速精度；( 4 ) 增加了 系统的复杂性，降低了系统的可靠性；( 5 ) 有些场合不容许外装任何传感器。 如此种种，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性 【3 】【5 】【1 3 1 。 无传感器矢量控制需同时推算转子磁通和转速，虽然增加了系统软件的 复杂性和计算量，但随着计算机技术的迅速发展，高运算能力的微处理器不 断出现和普及，其应用前景广阔。 1 2 2 无速度传感器矢量控制系统的速度估算方法 无传感器矢量控制系统性能的好坏取决于速度辨识的精度和转速辨识 的范围。国外从2 0 世纪7 0 年代就己经开始了这方面的研究工作，基本的出 发点是利用直接计算、观测器、自适应等手段，从定子边较易测量的量( 如定 子电压、定子电流冲提取与转速有关的量，从而得出转子速度。目前采用的 主要方法有p i 自适应法、模型参考自适应法、基于人工神经网络的转速辨识 等方法【1 1 l 【1 2 】f 1 4 l 。 1 h 自适应法 p i 自适应法是利用电机的运动方程得出的。其基本关系式为： w r 一巧( 正一) + kr ( i i ) 出 ( 1 1 ) 这种方法的最大优点是算法简单，有定的自适应能力。缺点是辨识 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 精度受磁链控制性能的影响，且p i 调节器的调节能力有限。 2 基于模型参考自适应系统( m i 认s ) 的估计算法 利用模型参考自适应系统估计转速和转子磁链的方法是较早时期提出来 的，c o l i s c h a u d e r 【1 6 l 在1 9 8 9 年提出利用一种基于模型参考自适应系统，利 用电机定子电流信号进行转速估计的方法，他以电机转子磁链的电压模型( 式 1 2 ) 作为参考模型，电机的电流模型( 式1 3 ) 作为可调模型，建立一个模型参 考自适应系统来估计电机转速，利用p o p o v 超稳定性定理给出了转速估计的 算法。这是首次把模型参考自适应系统应用于电机矢量控制的文献报告，人 们在此基础上对采用m r a s 的矢量控制进行了大量研究。 嘲2 托心h 别 2 ， ( ：善) 。( 主j ) ( 荔) + 每眨) c - 叫 m r o k a z ur i a j i m a 等【1 7 】利用s c h a u d e r 提出的方法得到转速估计值，利用 控制系统中状态观测器的理论设计了一个降阶观测器对转子磁链进行观测， 通过d s p 的实验研究表明系统转速估计收敛于给定值，但实验的转速超调相 对较大。 h i s a ok 曲o t a 等【1 b 】【1 9 】提出了一种估计转速的新方法：转速自适应磁链观 测器，这是以电机在两相静止坐标系中的状态方程作为参考模型，其全阶状 态观测器作为参考模型构成的一个转速自适应观测器，通过调节观测器的转 速信号实现转子磁链的自适应观测。 h o s s e i nm a d a d ik o j a b a d i 、“u c h e nc h a n g 【加】( 2 0 0 5 ) ，等提出了一种新的 降阶磁链观测器技术，该方法通过补偿定子电阻，使控制系统在很宽速度范 围( 包括低速) 获得很好的鲁棒性和动态特性。 模型参考自适应系统由于其模型简单，对控制器的计算量要求不是很大， 同时可以通过引入新的控制算法( 模糊控制、神经网络等) 来提高系统的参 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 数辨识和速度估计的精度，所以在目前的无速度传感器矢量控制系统中占有 非常重要的地位。 3 基于人工神经网络的辨识方法 人工神经网络以其独特的非传统解析表达方式和固有的学习能力，对不 确定的复杂问题表现出很强的控制能力，目前己被广泛应用于非线性控制领 域，如复杂系统的建模、参数辨识和自适应控制。神经网络已经被证明具有 逼近任意非线性函数的能力，人工神经网络经过严格的训练以后，具有对非 线性系统进行辨识的能力，由非线性处理函数构成的多层网络更具有对任意 函数良好的逼近能力。 l a z h a rb e n - b r a h i m 等川( 1 9 9 9 ) 提出了一种神经网络自适应转速估计方 法，这种方法是基于转子磁链的电压和电流模型，用神经网络训练电流模型 得到转子磁链的估计值，通过对电压模型的实时计算得到磁链的实际值，两 者之差作为输入样本对神经网络进行修正训练，从而估计出转速大小，这种 方法也可看成是一个变化的模型参考自适应系统，只是把对神经网络的训练 过程作为可调模型的参数自适应算法。 此外，还有由r e k a l m a n 提出的最小扩展卡尔曼滤波器法【2 2 1 ，j m i s h i d a 和k d h u r s t 等的转子齿谐波法【1 3 】，l 0 r e n z 等学者的高频凸极跟踪法【13 】等。 这几种方法为无速度传感器控制的应用提供了新的思路。 1 2 3 电机参数的在线辨识 随着无速度传感器矢量控制系统的发展，其正逐渐的应用于实际当中， 然而无论那种速度估计方法都不能使速度和电机参数完全解耦，这就意味着 电机参数的变化将严重影响速度估计的精度和矢量控制系统的鲁棒性和动、 静态特性。因此，参数的在线辨识的重要性也日益突出。 1 基于模型参考自适应的参数辨识 m o h a m e dr a s h e d 等【2 3 】( 2 0 0 3 ) 设计了一种新型的模型参考自适应磁通观 测器，通过电机静止坐标系下的数学模型计算所得的电流和实测的电机的电 流作比较，得到电流误差值，然后根据电流误差值，利用超稳定方程来实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 定子电阻在低速时的在线辨识。 2 基于人工神经网络的参数辨识 b a b u r a jk a r a n a y i l 等( 2 0 0 5 ) 提出了种基于神经网络感知器的自适应 转予电阻估计方法，这种方法是基于静止坐标系下的转子磁链的电压和电流 模型( 神经网络模型) ，根据两种模型的输出误差，经过反向传播算法，修改 神经网络模型的参数，从而估计出转子电阻的大小，这种方法也可看成是 个变化的模型参考自适应系统，只是把对神经网络的训练过程作为可调模型 的参数自适应算法。 此外，文献【2 4 】还提出了基于模糊逻辑控制系统的定子电阻的在线辨识； 文献提出一种基于扩展卡尔曼滤波器的转子时间常数的估计方法，获得了 很好的效果。 综上所述，无速度传感器矢量控制无疑是今后的发展方向，对于矢量控 制需要解决的关键问题是参数估计和磁链观测。不论是采用以上介绍的方法， 还是利用其他的估计方法，对变量估计或观测的准确性是至关重的。如今随 着各种新的控制理论的提出，以及具有高速处理能力的微处理器的研制成功， 计算的速度不再是限制控制算法的瓶颈，使得人们可以把最新的控制算法用 于电机控制，不断地提高矢量控制系统的各种性能。 1 3 课题的研究背景及其意义 交流变频调速系统具有优异的调速和起、制动性能及高效节电的效果， 用变频调速技术的电机，其容量、速度和电压等级都可以很高；调速系统体 积小、重量轻、惯性小，运行可靠性高，维护工作量少，适宜恶劣工作环境， 成本低。由于变频调速技术特别是矢量控制技术的突出特点，因此从一般工 业技术到航空、航天军事工业，乃至家电空调、精密伺服机器人控制等等， 变频调速技术无所不及，正在逐步取代直流调速。 矢量控制技术作为一种高性能的变频调速技术，虽已在交流调速领域得 到广泛应用，但其理论与应用仍不完善。其主要问题是：( 1 ) 在高性能矢量控 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 制系统中需采用速度闭环控制，常规的速度检测多采用速度传感器，然而速 度传感器在安装、维护、成本等方面影响了异步电机调速系统的简便性、时 变特性；( 2 ) 矢量控制技术严重依赖电机的参数，而电机参数受环境、温度 等的影响运行时呈时变特性，因此系统的动态性能仍不尽如人意；( 3 ) 虽然已 有许多无传感器矢量控制方案，但由于现有的转子速度辨识方法的精度和范 围的限制，在一些高精度交流电机运动控制( 位置伺服) 中，仍需采用价格昂 贵的位置和速度传感器。 以上问题限制了交流调速系统的应用，因此有必要进一步深入探讨和完 善矢量控制技术理论，研究和开发高性能的无传感器传动系统，这对于交流 调速系统的应用与发展具有积极的推动作用，并提供理论上的借鉴作用。 1 4 本课题的主要内容 本论文的主要任务是深入研究无传感器矢量控制调速系统的特点，根据 电机的运行原理研究一种新的基于转子磁场定向的、降阶的模型参考自适应 系统( m r a s ) 的转予速度辨识方法，并且使用模糊逻辑控制和人工神经网 络控制分别对电机的定、转子的电阻进行在线辨识，改善调速系统性能，降 低矢量控制系统对电机参数的敏感程度。通过m a t l a b 建立无传感矢量控 制系统仿真模型，通过仿真模型进一步讨论转子速度辨识方法。 1 、研究无传感器矢量控制系统的运行原理以及速度估算方法对无传感器 矢量控制系统性能的影响。 2 、研究电机参数( 定、转子电阻) 的变化对矢量控制系统的影响，并使 用模糊逻辑控制和人工神经网络分别对其进行估算。 3 、在以上研究的基础上，利用m a t l a b 软件建立系统的仿真模型。 4 、通过仿真系统研究控制系统参数对调速系统动态和静态性能的影响， 进一步优化参数设计。 转子磁链定向可以得到自然的解耦控制，而且已经得到了市场化的应用， 因此本课题的方案是可行的，也是很有意义的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章异步电机的矢量控制 2 1 异步电机在三相静止坐标系下的数学模型 研究三相异步电机的数学模型时常作如下假设： ( 1 ) 忽略磁路饱和，认为磁动势、磁通、各绕组的自感和互感都是线性的； ( 2 ) 忽略空间谐波，三相定子绕组a ，b ，c 及三相转子绕组a ，b ，c 在空间 对称分布，互差1 2 0 。，且认为磁动势和磁通在空间上按正弦规律变化： ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对电动机参数的影响； 无论三相异步电动机转子绕组为绕线型还是笼型，均将它等效为绕线转 子，并将转子参数换算到定子侧，换算后的每相绕组匝数都相等。这样，三 相异步电动机的物理模型可用图2 1 表示。 6 图2 1 三相异步电动机的物理模型 图2 - 1 中的定子三相对称绕组轴线a ，b ，c 在空间上固定且互差1 2 0 。， 转子对称三相绕组的轴线a ，b ，c 随转子一起旋转。我们以a 相绕组的轴线为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 空间参考坐标轴，转子a 轴和定子a 轴间的电角度8 为空间角位移变量，并 规定各绕组相电压、电流及磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则a 这样，我们可得到在三相静止轴系a ，b ：c 上的三相异步电动机的电压方程、 磁链方程、转矩方程和运动方程1 2 “a 1 电压方程 三相定子绕组的电压平橇方程为： 匕。r + 譬一足+ p 叱 一e + 譬一r + p ； ”泌；+ 鲁_ f b 即p 三相转子绕组归算到定予侧的电压方程； 屹咄+ 譬峭+ 北 州耳+ 譬啪+ p 也； “r + 譬啾帆 ( 2 1 ) 式中：，b ，v 。，屹，y c - 定子和转子相电压的瞬时值； ，f c ，f 。，乇，之定子和转子相电流的瞬时值： 已，掣。，暇，鼍- 定子和转子相磁链的瞬时值； 由此列出电压矩阵方程： r 00 o r o o o r 0o0 00 0 oo 0 0oo ooo 0 00 足 0o 0 足 0 0o 足 0 b z c 1 4 b l c + p 妒一 妒罩 妒c 妒。 妒6 妒。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 蛳妇舯如如 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 磁链方程 妒 妒口 妒c 妒。 妒6 妒。 ( 2 4 ) 式中，厶、幻、c 、l 、如、工。分别为定子、转子各相的自感，电感矩 阵其他元素分别为定子、转子或定转予之间的互感。 2 2 坐标变换及其数学模型 2 2 1 三相静止到两相静止的变换( 即3 s 2 s 变换) 在研究矢量控制时定义了三种坐标系，即三相静止坐标系( 3 s ) 、两相静 止坐标系( 2 s ) 和两相旋转坐标系( 2 r ) 。为达到坐标变化的目的，使异步电动 机模型模拟成为直流电动机模型，我们先将异步电动机模型从三相静止坐标 系爿占f 变换至两相静止坐标系d5 、口5 ，即3 s 2 s 变换，如图2 2 所示。根 据总磁动势不变的原则，保持变换前后功率不变，即采用正交变换矩阵 【1 l 【2 1 【3 】【l4 1 。 卜m 圈 c z s ， i ；】i 店 1 一三一三 2 2 o 巫一巫 2 2 1 ( 2 6 ) h c 图2 23 s 2 s 变换 此变换法以电机各物理量( 电流f 、电压v ，磁链奶的瞬时值作为对象，不 加 所 胛 k w以儿如以以k如如如肌如肌 血 肌 矗 m k 饵肌以如缸肌肌 c c ， c c ck k 蚝 “妇妇儿批批 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 但适用于稳态，也可适用于动态变换。 2 2 2 两相静止到两相旋转的交换( 即2 s 2 r 变换) 设d 、矿为静止坐标系，d 。、旷为以任意 角速度q 旋转的旋转坐标系，则d 5 、矿静止坐 矿 标系变换为d 、矿旋转坐标系时，坐标轴的设定 如图2 - 3 所示。图中口为d 轴和口轴的夹角，并随 时间而变化，一严，出a i 为三相电流合成的空间 矢量，它在由轴上的分量为如和f g 。 图2 32 s ，2 r 变化图 由此可以得到2 s 2 r 的变换矩阵为： c ：跏一。 篇：】 k 跏8 。l s i n 口c o s 疗i 因为变换矩阵为正交矩阵，其逆矩阵 c 删矿c * 1 瞄= 2 2 3 三相静止到两相旋转的变换( 即3 s 2 r 变换) 用同样的方法，可以得到3 s 2 r 变换矩阵为： c o s 日 m - 压3 i s i n 疗 1 压 c o s ( 日一罢石) j s i n ( 8 一昙石) j 1 压 c o s + 扣 一s i n p + 昙石) j 1 压 2 2 4 异步电动机在两相静止坐标系上的模型 吃 唁 咭 喀 r | + l | p 0 l 。p 一q o r | + l s p q k l m p l m p 0 r r + l r p q 岛 0 l 。p q 三2 r + l ，p 瞌 薯 嘻 0 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 转矩方程式：i ，l ，k 蝶瑶一五0 ) ( 2 1 1 ) 2 2 5 异步电动机在两相d 。、矿旋转坐标系上的模型 吃 吐 喀 转矩方程式： r s + l s p一二s 占；r 。+ l i p l 。p一s l 。 m 工。l m p l 。pn 4 。 占。l 。p r r + l ，p 一m 。l 2 s l rr ，+ l ，p 吃 瑶 ( 2 1 2 ) 正h ，k ( 毪一嚣) ( 2 - 1 3 ) 其中设定坐标系由以同步转速q 旋转，且规定d 轴沿着转子总磁链矢量 的方向，即有： 妒，- 妒品一k 吃+ 咯( 2 1 4 ) 2 3 矢量控制原理 2 3 1 矢量控制的构想 通过前面的分析知道，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系 下的定子交流电流、屯e 通过3 2 变换，可以等效成两相静止坐标 系下的交流电流弓、，再通过按转子磁场定向的矢量旋转变换，可以等效 成同步旋转坐标系下的直流电流、艺。当观察者站在铁心上与坐标系一起 旋转时，交流机就变成了壹流机。其中，交流机的转子总磁通耻，就变成了 等效的直流机的磁通，d 绕组相当于直流电机的励磁绕组，相当于励磁电 流，g f 绕组相当于伪静止绕组，e 相当于与转矩成正比的电枢电流。异步电 动机经过如上的变换后就等效成了直流电机。因而，可以模仿直流电机的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 制方法，求得直流电机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异 步电动机了。由于进行坐标变换的是电流的空间矢量，所以，这样通过坐标 变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统。按照这种设想，可以构成直接控 制和的矢量控制系统，如图2 - 4 所示。 圈2 4 矢量控制系统的基本框图 2 3 2 矢量控制的基本方程 式( 2 - 1 1 ) 给出了异步电机在同步旋转坐标系上的数学模型。对于鼠笼型转 子电机，转子短路，则有略一喀- o ，数学模型中的电压矩阵方程式可简化 为： v 二l 崞 o 0 r s + l s p 螭 厶p q l n 也k pq 己。 r | + l s p 甜l | l 。p 0 r + p 0 0 鸭墨 五 ( 2 - 1 5 ) 又转子磁通矿r 的方向与d 。轴正方向一致，即矿r = 1 形，= o ，则： 妒三 虻 妒， 0 丘 o 0 丘 o o k 乙 0 0 厶 lo 0工l 五 喀 0 善 ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 转矩方程式 t 争秘， “ ( 2 1 7 ) 在矢量控制系统中，被控制量是定子电流，因此，必须从数学模型中找出定 子电流的两个分量与其他物理量的关系。由式( 2 - 1 ) ： o - p ( l 吃+ 工，薯) + 耳j f = ，妒，+ 耳0 ( 2 - 1 8 ) 则 和一警 ( 2 m ) 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 6 ) ，解出蕴得 五掣妒： ( 2 _ 2 0 ) 或”击喽 ( 2 谢) 其中耳吐z 焉，为转子励磁时间常数。 式( 2 - 2 1 ) 表明转子磁链哆仅由喽产生，而与薯和转子电流无关，故称磊为定 子电流的励磁分量。但是因为存在转子励磁时闻常数孔，定子电流励磁分量 瑶变化时，转子磁链的变化会存在延时。当达到稳态时，p = 0 ，故 薯= 0 ，瑶- 他。，即吒的稳态值由唯一决定。 再看式( 2 - 1 7 ) 转矩方程式：t n ，鲁秘，可以认为1 是定子电流的转 矩分量。当瑶不变时，即q 不变时，如果变化，转矩瓦立即随之成正比 的变化，没有任何滞后。 从电机基本方程( 2 1 5 ) 的第四行可以求得： q ( l 瑶+ 嘻) + r r 芬n 吼+ 肆芬一o ( 2 - 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 结合( 2 1 6 ) 并考虑瓦乩。儇；，可得 一赛。岳 ( 2 z s ) 以上即为矢量控制的基本原理和控制方程式。总而言之，由于旋转坐标 按转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦，噍唯一决定磁链 坼，艺则只影响转矩，与童流电机中的励磁电流和电枢电流相对应，大大简 化了交流异步电机的控制问题。 2 4 空间电压矢量法 空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 控制技术( 又称磁通正弦p w m 控制技术) 是由德国学者h w v 蛐d e r b r o c k 等提出的。它和电压正弦p w m 不同点在于： 电压正弦p w m 法是从电源的角度出发，其着眼点是如何生成一个可以调频 调压的三相对称正弦波电源；而s v p w m 法则是从电机的角度出发的，着眼 于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。具体地说，它以 三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三 相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它 们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形。由于该控制方法把 逆变器和电机作为一个整体来考虑，所以模型构造简单，便于数字化实现。 与传统电压正弦p w m 相比，该控制方法具有使得电机转矩脉动降低、电流 波形畸变减小、直流电压利用率提高的优点【2 】【4 】【2 6 1 。 2 4 1 空间电压矢量法的基本工作原理 电机的理想供电电压为三相对称正弦，设u 为线电压，相电压表达式如 下： 圪- 【，s i n ( 耐)( 2 - 2 4 ) 吆- u s i n ( 耐一妄石)( 2 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 k - u s i l l ( 耐+ 三z )( 2 2 6 ) j 根据合成电压矢量公式： 矿- 吃+ 吃+ 丘- 鲁( 圪+ 嘶+ a2 k )( 2 2 7 ) j 上面两式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 合成后，得到： 矿一沈1 “ ( 2 2 8 ) 从上式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化的幅值一定的圆形矢 量。而磁场是电压的积分，因此，产生的磁场也是一个圆形旋转磁场。 典型的逆变器的结构图如图2 5 所示。如图所示，q 1 一q 6 是六个功率管， 受口、n ，b 、b ，“c 的控制，当上面的功率管是开时( 此时我们假设口、6 、 c 的值为1 ) ，相应的下面的功率管则是关的( 此时我们假设4 、6 、c 的值为 0 ) ，则不同的导通与关断可以组合成八种不同的逻辑状态，在不同状态下， 各桥臂上可以得到不同的电压。为产生圆形磁场，必须控制电机绕组上的电 压。将电压等效为静止坐标系d 、矿上，可以得到对应各逻辑状态的静止坐 标系等效电压值，具体向量及电压值参考表2 1 。 上 。 一叫日1zs 叫函zs 叫吲5 z 工v d c l 、l i 、i r 广r 、t、 匿2 z王i _ 荫2_ i 9 6 z ， 、1i 、jl 、 图2 - 5 典型的逆变器结构图 开关变量陋6c 】7 与输出的线电压矢量【以6 玩，玩d 7 和相电压矢量【现巩 以】1 之间的关系如式( 2 - 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 所示： 西南窝通大学硕士研究生学位论文第17 页 稍 ( 2 2 9 ) 黔匪羽 p 獬 便可以得到逆变器8 种歼燕组合分别与线电压和相电压之间的关系见表2 1 。 熬矢量6e 妖蓉裂鼹缝菱交坐标串嚣孛，交换靛缝采裁是六个霉零矢量 至穗受载挺馁鼙亳歪。绫上8 令矢萋称为空蕊矢量，我稻务翳弱磁、移l 、磁、 ： !：! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ： 00o0 0 0 oo00 t b 错匾嚆j t 西爹。b y 。o 紊。 囊 tt o 叼叼一2 叼o 叱 o ，o 一叼2 叼一_ 。o 一 。t ，一叼鬈一魄。繇 o o t 一一叼2 o 。一 - 。，叼一巧吨o 0 l o 1 0 ，tti，tt，tlii。-。l 喙 一 1illlllllij 如 k 阿影阿 一一坟 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 2 空间电压矢量法的实现方法 电压空间矢量法的目的就是通过对逆变器开关状态的合理组合，来获得 实时的参考电压乩。而这种电压空间矢 量加到电机上将产生幅值恒定、以恒速旋 转的定予磁链空间矢量，且定子磁链矢量 顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁 场。一个周期里发出的合成矢量越多，说 明采样频率越高。利用这8 个矢量可以合 成的矢量的最大模长决定了所允许的u o 。 的最大模长即输出相电压的最大幅值。 图2 6 基本空间电压矢量及开关状态 从图2 6 可以看出，以0 扇区为例，在任意小的周期时间r 里面，用最 近的两个相邻有效矢量合成参考矢量，等效矢量按伏秒平衡原则合成。依平 行四边形法则，得 拱删7 舭- ；+ 互) ( 2 3 1 ) 注意：此处乃、如指的是在一个周期r 里面巩、玩分别作用的时间， 五+ ls r a 然而，如果上面的周期时间取得很短，也就是f 很小的话，那么我们就 可以用等式( 2 - 3 2 ) 来表示等式( 2 - 3 1 ) 。 玑。o z ) 一言+ 五【) ( 2 3 2 ) 从上式中我们可以看出：以。的变化快慢取决于周期r 的大小，r 取得越 大，那么巩。，变化的越慢；反之，r 取得越小，那么配。变化的越快。而在 实际的应用中，r 一般在总取得很小，这样可保证u o 。的实时性。 从等式( 2 3 2 ) 中，我们可以看出，在每个周期f 的时间内，通过开关逆变 器的状态，使得以和砜，分别作用时间n 和r 2 ，那么我们就可以得到巩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 由于乃和乃之和有可能小于或者等于r ，那么我们就必须用零矢量u 0 和矾 来补充一个周期的剩余时间。这样等式( 2 - 2 9 ) 就变为： 2 u ：。，一巧u j + z 7 6 0 + z j ( u d r 【1 1 ) ( 2 3 3 ) 其中r 为一个p w m 周期。 假设，u d 。与u 0 之间的夹角为口，如图2 6 所示，那么计算l 、死的 值： 五。i r u 。s i n 芒一a ) ( 2 3 4 ) l 一3 阿。s i l l ( 口) ( 2 3 5 ) 瓦- t 一五一五 ( 2 - 3 6 ) 则由电压矢量u 0 、砜o 、u 幽和阢1 i 及上面求出的作用时间相结合，可 以控制电压矢量，形成多边形的电压矢量轨迹，从而获得更加接近圆形的旋 转磁通。各电压矢量的作用次序要遵守以下的原则：任意一次电压矢量的交 化只能有一个桥臂的开关动作，即在二进制矢量中每次只有一位变化。这是 因为如果允许有两个或三个桥臂同时动作，则在线电压的半周期内会出现反 极性的电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。 由式( 2 - 3 4 ) 一( 2 3 6 ) 可以得出，随着合成电压矢量乩w 的幅值增加，死和 恐的值不断增加，逐渐减少，但必须大于零，将此条件代入而表达式， 得到下面的条件 u s _ = _ 笔_ 一 ( 2 3 7 ) 压c o s e a ) 在实际中，此方程需要对任何口都成立，则有h 蔓皂。 3 可见，当输出电压达到上限值时，其输出线电压基波峰值可达。 s v p w m 的调制相电压波相当于在原正弦波中注入了三角形三次谐波，当正 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 弦调制波的幅值为1 时，形成的s v p w h 调制相电压幅值为髟。s v p w m 调制方法比传统的规则采样s p w m 提高了1 5 4 7 的电压利用率，能明显减 少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低转矩脉动。 2 4 3 空间电压矢量法在m a u a b 中的实现 上一节介绍了一种t 1 和t 2 的实现方法，我们也可以通过另外一种方法 来。我们仍以第0 扇区为例，当u m n 、u o 和u 6 0 投影到平面直角坐标系时， 式2 3 l 可以改写为： - r 仁珂 。s ， 其中，平面直角坐标系d a b 相当于两相静止坐标系0 d 矿，当已知u 。在直 角坐标系洮p 的投影( 笼卜和该矢量所在的扇区后，就可以确定t 1 和t 2 。 在m a t l a b 中的仿真模型如图： 图2 7 空间电压矢量仿真图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章异步电机参数辨识和速度估计 3 1 电机参数对异步电机矢量控制系统的影响 在异步电机高性能控制研究应用的发展过程中，矢量控制实现了转矩与 转子磁场的控制，但矢量控制的解耦取决于转子磁场的精确定向和转速的精 确估计，且转子磁场的定向和速度估计受到对象参数特别是易于变化的定子、 转子电阻的影响。虽然，异步电机按定子或气隙磁场定向控制策略避免了以 上调速性能的缺点，在控制中避开转子电阻变化带来的影响及转速的脉动， 但同时也增加了转矩和励磁电流的藕合，必须要加前馈的解耦环节。事实上 无论那种方式的速度估计和磁场定向，都无法得到速度和定、转子电阻的完 全解耦控制，而感应电机定、转子电阻的变化对磁场定向的准确性与解耦控 制的性能影响很大，当参数发生变化时，由于不能够进行准确的磁场定向和 解耦，将导致矢量控制系统性能下降。 确与否直接影响电机运行特性的优劣。 器的矢量控制系统中变的非常重要。 因此，在矢量控制方法申，参数的准 所以参数的在线辨识，在无速度传感 定、转子电阻的变化与温升、运行时间、定子和转予电流等诸多因素有 关，且定、转子电流越大、电机运行时间越长、电机温度越高，则定、转子 电阻变化越大。一般交流电机的标称环境温度为4 0 ，电机额定温升为7 5 。按照技术标准规定，电机采用铜线绕组时，电阻随温度变化的换算公式 为： 尺r 等导气 ( 3 _ 1 ) 。 2 3 4 5 + 厶” 式中：f o 为试验时的室温，f 为电机运行后的实时温度，r 为室温下的电 阻值，即使不考虑弱磁和磁饱和的情况，仅温升引起的定、转子阻值变化就 能达到室温下所测电阻值的o 7 5 1 5 倍。 西南交通大学硕士姘究生学位论文第2 2 页 3 1 1 定予电阻对矢量控制系统的影响 壹元速痊嵇惑器熬矢纛控甏系统串，无论郡静遽凌绩嚣方法，帮在参考 电压模型或可调电流模型中的转子磁链媛定子电流的计算中使用剿了定子电 阻，定子的交他将影响定予电压的漂移、破坏系统的幼态特性。转子速度和 磁链建熬准礁 鑫诗遣嚣戴遂秘酸嚣，露邃些参数是必蠹控鬟实褒瓣藕熬必要 条件。尤其是程低速和弱磁的环境下。矢量控制对怒予电阻的变化尤其敏感 r 8 1 a 3 董2 转予魄阻对控制蘸统熬影嚷 磁场定向控制需要知邂磁链的具体位置。同时，为了使电动机工作在合 理的工作状态下，磁链的幅值也必须加以控制。因为电动机磁链不赢接可测， 效在矢量控裁串，或者臻磁链鼹嚣器鼹懿磁毽，或煮校搽毫魂掇鹃参数霎窭 磁链的位置角。这两种方式，都要求凇确把握电动机的转子电阻参数，矢量 控制系统中观测器或控制器的参数偏差对电动机稳态性能和动态性能有很大 影穗渊汹l ，努粼分辑蠡下； ( 1 ) 矢量控制系统中磁链观测器或失豢控制器的参数偏差对电动机稳态 运行性能的影响。由磁链观测器的模型w 知，嚣的偏麓同时影响毂的幅值和 窀戆穗毽受。农壤链蠢转煞逡强懿矢蠢羧爨暴绞孛，獾链或溺器王终在爱馕 通道。所以，如果磁链观测器的幅值大予实际值，将姆致电动机的弱磁运行： 发