（电力电子与电力传动专业论文）变频器智能化方法及关键技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea l p p e 枷l r l c eo ft h en e wp o w e re l e c t r o na p p a r a t u st h ec o n v e r t e rw a s p r o d u c e d w i t ht h ei m p r o v e m e n to f t h em i c r o p r o c e s s o ra n dt h ea p p e a r a n c eo f t h en e w e o n t r o ls t r a t e g ya l lk i n d so fa d v a n c e dt h e o r i e sa b o u tm o t o rv a r i a b l e - f r e q u n c y r e g u l a t i n gs p e e dc o n t r o lw a sa p p e a r a n c e d 1 1 1 ei n t e l l i g e n c eo ft h ec o n v e r t e ri st h e b e s tm e t h e da n dt h a ti st h em a i nc o n t e n tw em u s ts t u d y i nt h ed e v e l o pp r o c e s so ft h ei n t e l l i g e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e m ，w h i c h a r ee l a b o r a t e l ys c h e m e da n dd e s i g n e d t h eh a r d w a r eo fs y s t e mi sm a d eu do fc i r c u i t c o r e da r o u n d d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s e r ) a n di p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) 1 1 1 ch a r d w a r eo fs y s t e me o n s i s t so ft h em a j o rl o o p , c o n t r o il o o p ，p r o t e c t l o o p ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t s o f t w a r eo fs y s t e mc o n t a i n sm r f a s ( m o d e lr e f e r e n e ef u z z ya d a p t i v es y s t e m ) o fr o t o rs p e e d 1 h es o f t w a r eo fs y s t e mr e a l i z e db yp r o g r a m m i n gm i n g l e dcl a n g u a g e a n da s s e m b l yl a n g u a g ei sm a d eu po ft h em a i np r o g r a m ，c o n t r o lm o d u l es u b p r o g r a m ， c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) c o n l l n u u f c a t i o n s u b p r o g r a m ，i n t e r r u p ts e r v i c e r o u t i n es u b p r o g r a m 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 n o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f a s y n c h r o n o u s m o t o r t h ev a r i a b l e si n 2 p h a s es t a t i cc 0 0 r d i n a t e sa r ec o n v e r t e di n t ot h ev a d a b l e si nr o t a t i n gc o o r d i n a t e sa n d t l i ec o m p o n e n t sb e t w e e nt o r q l i ea n dm a g n e t i cf i e l do fs t a t o rw i n d i n gc u r r e n ta r e d e c o u p l e dw h i c h u s e st h er o t o r - f i e l d - o r i e n t e dt e c h n o l o g y 刀m s t h es p e e dr e g u l a t i n g p e r f o r m a n c eo f t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r i si m p r o v e dh i g h l y i nt h ee n d ，s t i m u l a t i o n su n d e ra d v a n c e dc i r c u m s t a n c es h o wt h a tt h es y s t e mh a s i d e a lr a p i d i t y , p r e c i s i o n , r o b u s t n e s sr e l i a b i l i t y , a n t i - d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c e k e yw o r d ：c o n v e r t e r ，s v p w m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，m r f a s i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 根据统计，电动机负荷约占总发电量的6 0 一7 0 左右，其中交流电动机用电 量又占电动机总用量的8 5 左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经 济中的重要地位。智能变频器的调速性能如何对提升产品质量、提高生产效率， 节能有着直接决定性的影响，在当今能源紧缺的社会，高性能的智能变频器的 研究意义不言而喻。 通过近一年查阅有关国内外文献和调查国内智能变频器现状及结合自己多 年学习经验了解到：随着自动控制技术、传感器技术、永磁材料技术、矢量控 制技术、计算机控制技术、智能控制技术、通讯技术、微电子技术的迅猛发展 以及新型电力电予功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变 化。传统的模拟控制方法已逐渐被微处理器、f p g a c p l d ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y c o m p l e xp r o g r a r m n a b l el o g i cd e v i c e ) 、通用计算机、d s p 控制器 等先进设施构成的智能控制方法所取代，变频技术和脉宽调制p 删技术已成为 电动机控制的主流技术。其中以交流电动机作为控制对象的交流调速智能控制 系统( 其典型产品之一是智能变频器) 可满足绝大多数场合的需要，能达到较好 的效果和较高的性价比，将是智能运动控制系统实现技术的发展方向。【l 】1 2 l 随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步 电动机控制技术不断被提出，给电动机控制带来了很多发展的契机。早先电动 机的简单调速已不再适应当前高精度的要求，现在需要的是高性能、低能耗、 低成本以及技术指标要求苛刻的应用系统，智能变频器就是在这种情况之下应 运而生的。 智能变频技术在改善电控系统与用电设备工作运行性能，省力省电，自动 控制，提高产品质量等方面都有极好效益。它适应当前市场的需要，具有极大 的市场潜力，对之进行研究具有很大的现实意义。 “变频器智能化方法及关键技术的研究”这一课题，具有较大的理论研究和 实际应用价值。在导师指导下进行该课题的研究，能充分发挥自己的长处，使 武汉理工大学硕士学位论文 自己掌握坚实而深厚的理论，提高自己的科研水平和实践技能。 1 2 相关技术研究的现状与动态 近年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制理论三者的迅速发展和市 场的巨大推动力，变频器在性能和品种上出现了巨大的技术进步。1 3 1 1 2 6 1 1 主电路功率元件技术的进展：开关元件的自关断化、模块化、集成化和 智能化，开关频率不断提高，开关损耗将进一步降低。它是变频调速技术发展 最重要的物质基础，主电路功率元件技术的迅猛发展，促使变频调速技术水平 有了突破性的提高。从上世纪5 0 年代至今，已有了四代产品。现在智能功率模 块( i 蹦) ，是目前通用变频器中使用最广泛的主流功率器件。它是以绝缘删双 极型晶体管( i g b t ) 为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路的一种功率集 成器件。是微电子技术与电力电子技术相结合的产物。不仅具备提供一定的功 率输出的能力，且具有逻辑、控制、检测、保护和自诊断等功能，而且内含驱 动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电动机 的再生制动。 2 微处理器技术的进步：它使数字控制成为现代控制器的发展方向。变频 调速控制系统是快速系统，需要存储多种数据，并快速实时处理大量信息。近 年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多， 越来越好，而价格却大幅度降低，具有更高的性能价格比。近几年来，国外各 大公司纷纷推出以d s p ( 数字信号处理器) 为基础的内核，配以电动机控制所需 的外围功能电路，集成在单一芯片内，称为d s p 单片电动机控制器。它的价格大 大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。d s p 和普通的单片机相 比，处理数字运算能力增强1 0 0 0 t 5 0 0 ，以确保变频调速系统有更优越的控 制性能。 3 变频调速控制理论技术的进展：主要体现在由标量控制向高动态性能的 矢量控制与直接转矩控制发展，开发无速度传感器的矢量控制，直接转矩控制 系统等方面。近几年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典 型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。有效利用智能控制技 术，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。 2 武汉理工大学硕士学位论文 智能控制方法主要包括自适应控制、模糊控制、神经网络等。 自适应控制是一种基于稳定性理论分析的控制方法，它通过构建李亚普诺夫 方程对参考模型进行辨识，利用参数迭代逐渐逼近预期目标。目前，自适应控 制已经得到了广泛的应用并取得了显著的效果，但是，这一类控制方法的主要 问题是一方面其稳定性理论的应用需要附加很强的假设条件，在实践中往往难 以满足，使得某些控制系统在一定条件下仍会丧失稳定性，另一方面，由于其 基本上都是通过对模型矩阵中的参数实时迭代，因此，当要求同时辨识的参数 较多时，难以获得实时的控制效果。1 4 1 模糊推理系统模仿了人们对事物的直观判决，其主要应用领域是在工业过 程控制中，这些工业过程或者没有一个数学模型，或者其数学模型具有很强的 非线性，通过合理的选择模糊逻辑规则就可以有效地对特定应用领域中的人类 专门知识建模。但是，由于过分依赖于人类知识，模糊推理系统在外界变化时 缺乏适应能力。p l 神经网络的创立起源于人们对物理学、心理学和神经生理学的跨学科研究。 当今变频调速技术包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是驱动的交流 化、控制的数字化、自动化、智能化和网络化。 1 3 研究主要工作与成果 交流电动机控制系统正向集成化、数字化、智能化、模块化方向发展。从 软件方面看，采用微处理器及先进的数字信号处理器，使得先进的控制理论， 现代控制理论、智能控制理论等新理论、新方法能够用于交流调速系统的实时 在线控制，从而大大提高系统控制性能。此次研制的智能变频器由智能功率模 块( i p m ) 为功率器件构成逆变电路，它将功率器件、驱动电路、保护电路集于 一体。以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，组成典型交一直一交电压 源型变频系统。在软件上采用电压空间矢量法，b f l s v p w m ，它以三相正弦电压供 电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的 实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为变频器控制的核心，它主要完成矢量控制算法、电流检测、速度估算、p i 调 节、压流变换、频率设定、液晶显示等任务。系统采用现在国内外比较热门的 武汉理工大学硕士学位论文 无速度传感器矢量控制，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速 度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本。采用基于模 型参考模糊自适应转速辩识( m r f a s ) 的算法。并用m a t l a b 对基于模型参考模糊 自适应转速辩识方法的无速度传感器矢量控制系统进行仿真研究。 该论文的主要研究内容是整个系统的硬软件设计和实现。概括起来有以下 几点： 1 系统的硬件设计。根据智能变频器各模块的结构及功能，设计以数字信号处 理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s e r ) 和智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ) 为核心的硬件。 2 系统的软件设计。基于d s p 开发平台，搭建完善的控制框架。运用c 语言和 汇编语言混合编程，实现整个系统的工作。每一个模块部分的内容互相独立， 以便于程序的编写和调试。 3 基于模型参考模糊自适应转速辩识( m r f a s ) 算法的实现。在异步电动机无 速度传感器的变频调速系统的研究中，设计一种以模糊控制算法作为速度辨 识的自适应机构的速度估计控制器，克服传统模型参考自适应算法依赖电动 机参数的缺点。 4 电压空间矢量法的研究与改进。s v p w m 算法通过控制逆变器不同的开关模 式，使逆变器瞬时输出的三相脉冲电压构成的电压空间矢量与届时所期望输 出的三相对称正弦波电压构成的电压空间矢量相等效。它可以在由 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 作为主控芯片的系统中得以实现，其全比较单元可以用软件 方法实现s v p w m 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统工作原理 2 1 系统的主要功用 基于s v p w m 控制的该a d a 智能变频器不仅可以与上位机通讯，还可以与 其他的监控装置联接，从而实现对变频器的电流、电压、频率、电动机的起动 电流、转矩等参数进行有效监控。该智能变频器还可以避免因电力电子器件失 效或其他故障而引发的恶性事故的发生。大体而言，能够实现以下主要功能： 1 在较宽范围内使电动机转速连续可调，大幅度降低系统能耗、提高性价 比、同时减少逆变器输出的谐波、产生具备高分辨率的p w m 脉冲。低速时也 有较快的响应速度使系统达到较好的调速性能。 2 通过d s p 实现各种控制算法，减少系统噪声和转矩脉动以增强可靠性。 3 实现基于模型参考模糊自适应转速辩识( m r f a s ) 的智能控制。 4 通过m a t l a b 对系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。 2 2 系统调速原理与控制方式 2 2 1变频调速的基本原理 由电动机拖动原理，己知交流异步电动机的转速表达式为： 摆：6 0 a0 一j ) ：堕( 1 一s )( 2 1 ) p 2 矽 式中，f l 为加到异步电动机定予绕组上的交流电的频率；m l 为相应的角频 率；p 为异步电动机的磁极对数；j = ( n s n ) n ，= ( q c o ) c 0 1 ，为电动机运行 时的转差率：而刀，= 6 0 石i p = 6 0 c a ，2 印，为异步电动机的同步转速。m 式( 2 - 1 ) 表示了如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频 率f l ，就可以平滑的调节异步电动机的同步转速m 和转子转速n 。 与直流调速系统相同。在额定转速以下调速时，希望保持电动机中每极磁 武汉理工大学硕士学位论文 通量为额定值，并保持不变。如果磁通下降，则异步电动机的电磁转矩t 将减 小，这样，在基速以下时，无疑会失去调速系统的恒转矩机械特性。另外，随 着电动机最大转矩的下降，有可能造成电动机堵转。反之，如果过分增大磁通， 又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电动机。对直流电动机，励 磁系统是独立的，很容易做到不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子 磁势合成产生的。因此在调速过程中不仅要改变定子供电频率，而且还要保持 ( 控制) 磁通恒定。 2 2 2 变频调速的基本控制方式 单从式( 2 1 ) 来看，只要改变定子交流电的频率f l 就可以调节电动机的转 速了，但是事实上，只改变f l 并不能实现正常的调速。实际应用时，通常不仅 要求实现转速调节，同时还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和 调速指标。 异步电动机具有如下的两个基本公式： e g = 4 4 4 f 1 1 k 】丸 ( 2 - 2 ) = 巳丸，2c o s ( 0 2 ( 2 3 ) 式中，k 为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，n l 为定子每相绕 组串联砸数，k n l 为电动机基波绕组系数，邱i m 为电动机气隙中每极合成主磁通， t e 为电磁转矩，c 。为电动机转矩常数，1 2 为转子电流折算到定子一侧的电流有 效值，c o s q ，2 为转子电路的各相功率因数。 1 v f 协调控制方式 由式( 2 2 ) 可知为保证a 口m = c ，只要控制好取和f l ，便可达到控制磁通恒 定的目的。即使 ela=c1争m=c(2-4) 上式中常数c 1 = 4 4 4 k l n l 。 式( 2 4 ) 表示了感应电动势有效值与频率之比为常数的控制方式。如果采 用这种控制方式，则由基频降至低频的变速控制过程中都能保持，可以获得控 制效果，因此这是一种较为理想的控制方式。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 转差频率控制方式 在恰当地控制定子电流使得主磁通总是保持为恒定值的情况下，电磁转距 与转差频率成正比。因此控制转差频率，就能实现对电磁转距的控制。这种控 制方式在适当的磁通补偿下，不需要使用速度传感器，就可以实现转速较高精 度的控制。 3 电流限制控制方式 电流限制控制方式适用于电动机重载的情况下。当负载特别重或负载突然 有很大的增加时，电动机的转差频率会变得特别大，定子电流将上升到跳闸保 护的水平，结果使变频器发生跳闸保护动作。为了克服这种现象，可采用电流 限制控制方式，这种控制将使电动机发出某一个最大转矩，并且不管负载有多 重，变频器也不会跳闸，实现挖土机特性。这种转距控制功能是通过恰当地调 节定子电压u l 和定子交流电频率f l 来实现的。 4 矢量控制方式 由于交流异步电动机的复杂性和参数相关性，建立在电动机一相等效电路 这个数学模型基础上的变频调速控制明显地存在着欠缺。矢量控制正是建立在 电动机参数相关数学模型基础上的控制方式，能够获得更高的控制精度和系统 性能。 5 直接转矩控制方式 直接转矩控制( d t c ) 是利用空间电压矢量p w m 通过磁链、转矩的直接控制， 确定逆变器的开关状态来实现的。 2 3 异步电动机的等效数学模型 异步电动机是一个高阶的、非线性、强耦合的多变量系统。实际研究异步 电动机数学模型一般常作如下假设： 1 电动机磁路是线性的，即绕组的自感和互感都是线性的： 2 三相绕组在结构上完全相同，在空间上互差1 2 0 。( 电角度) ，忽略齿槽影响， 每相绕组所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； 3 不考虑温度和频率变化对电动机参数的影响，忽略铁耗的影响。 异步电动机的数学模型可由以下四组微分方程来描述： 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 电压方程式 三相定子绕组电压方程式为： u a 置+ 警 u b m 锅+ 等 ( 2 5 ) u c = 氓+ 百a x f c ( 2 - 7 ) 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为： 眈邓：+ 等( 2 - 8 ) u h = k r 2 + a 、m f l , 一( 2 - 9 ) u = i c r 2 + i a x f c ( 2 - 1 0 ) ( 2 ) 磁链方程式 每个绕组的磁链是其本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可描述 蜘- l 壬， 鬈 髟 z l h l n l k l l l 8 c l c 4l c hl c c l 。l nl 。 l kl b bl z 三c 6三 式中，u a ，u b ，u c ，u 。，u b ，u c 一定子和转子相电压的瞬时值。 i a ，i b ，i c ，i 。，i b ，i c 一定子和转子相电流的瞬时值。 r i ，r 2 一定子和转子电阻。 l m - i 。1 = l m 2 一定子和转子互感。 且有自感： ( 2 - 1 1 ) 伽彬助伽助助胁励伽伽励跏伽埘助伽助 武汉理工大学硕士学位论文 式中，互感： l 从= l a s = l c c l a a = l b b = l l a b = l b a = = l c a = 丢l 。 l 曲= l b a = = l 曲= 三l m l a 4 = l a a = = k c = l = c o s 0 l a c = l 。a = = l b c = l m c o s ( 0 - 1 2 0 ) l b = l b a = = l b c = l m c o s ( 0 + 1 2 0 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 陀一1 4 ) ( 2 1 5 ) 佗一1 6 ) r 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 3 ) 转矩方程式 t c = p m l m 【( i a i a + i a i b + i c i c ) s i n 0 + ( i a i b + i b i c + i c i a ) s i n ( 0 + 1 2 0 。) + ( i a i c + i a i a + i c i b ) s i n ( 0 1 2 0 。) 】( 2 - 1 9 ) ( 4 ) 运动方程式 啪十等警 ( 2 - 2 0 ) 式( 2 - 2 0 ) 中，t l 为负载转矩；g d 2 为电动机和负载的飞轮转矩，j 为转动惯 量，其中： g d 2 - - - 4 0 j ( 2 - 2 1 ) 由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现为磁链和转矩方程式 中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方 程式中磁场与定、转子之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩 阵，通常需要用坐标变换的方法进行处理，最后得出与三相异步电动机等效的 直流电动机模型： ( 5 ) 在两相( a 一1 3 ) 静止坐标系下的数学模型 将前面推导的三相异步电动机的数学模型从三相定子坐标系经c l a r k e 变换 ( 也称3 2 变换) 转换到两相静止坐标系中，即可得到电动机在两相静止坐标系 的数学模型。 9 武汉理工大学硕士学位论文 吼。 1 虬2 2 焉+ 三，p o 上。p 一砒。 o r l + t p 三。 l 。p 式中， 虬l = r l + p 匕l u n = r n + p 吨n l m p o r 2 - t - l ，p 一砒 o l 。p 础 r 2 + p l a l f 口1 l 口2 t p 2 ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) u 。2 = r 2 乇2 + p 噜乞2 + 6 t 壬，口2 ( 2 2 5 ) u b 2 = r 2 i p 2 + p 甲口2 + n 】 壬0 2 ( 2 - 2 6 ) 磁链方程为： l = 丘l 。a l + l 。乞2 ( 2 - 2 7 ) k 1 = l , i p l + 2 ( 2 - 2 8 ) k 2 = l 。屯i + 2( 2 - 2 9 ) 甲口2 = 三。+ l ，l f 1 2 ( 2 - 3 0 ) 两相静止坐标系下的转矩表达式为： = p 。三。( l 2 一1 雕) ( 2 - 3 1 ) ( 6 ) 在两相( m t ) 旋转坐标系上的数学模型 设坐标轴m ，t 以同步速度( 0 1 旋转，且规定m 轴沿着转子总磁链矢量 的方向，t 轴垂直于矢量鹄，这种两相同步旋转坐标系就称为m - t 坐标系，或 按转子磁场定向的两相坐标系。 在m t 坐标系中认为m ，t 绕组流过直流电流。其合成磁动势f 之所以 旋转是因为假如坐标系在旋转。由于转子的转速为，故转子的感应电动势与 转差频率魄有关( s = l 哪) ，异步电动机在m t 坐标系上的数学模型为： u 。l 以1 砜： 阢： 焉+ ，p i t 。p s l 。 一l t r l + l s p d 。l 。 l m p 1 0 l 。p q 工埘 r 2 + 三，p m l r o l 。p 一由，l ， r 2 + l ，p l m l b l m 2 l t 2 陀- 3 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 转矩表达式改写为： t = p 。l ，( f ，l 2 一，：) ( 2 3 3 ) 由于甲2 的方向定义为m 轴，故乳= 甲l l l 2 ，且甲t 2 = 0 。因转子绕组短路，故 u m 2 = u a = 0 ( 2 3 4 ) q m 2 = l 。i 。l + l ，i m 2( 2 3 5 ) 甲口= l 。k i + l r i n = 0 ( 2 3 6 ) 由以上公式，即可得m - t 坐标系异步电动机数学模型的简化矩阵： l u n 0 0 墨+ 三。p 国l l j l m p | l m q 工。 r 1 + l ，p o o 。p q 乙 恐+ l ，p q 工， 一m l l 。 工。p o r ， l m l l t l l m 2 i t 2 f 2 3 7 ) 式中的第三，第四行出现0 元素，减少了多变量之问的耦合关系，使模型 得到简化。经运算后得到矢量控制下的转矩方程式为： 吼阶气竽( 一铷】- p 。铷一鹕 由于a ，p n l 均为常数，故异步电动机在m - t 坐标系上的转矩方程与直流电 动机非常相似，这样就很大程度上降低了控制难度。嘲 2 4 变频调速中的s v p w m 技术 s v p w l v l 技术的基本原理是坐标变换， 定向的同步旋转坐标系m t 。实际应用时， 的产生这两个重要问题。 1 转子磁链定向 通常使用的变换坐标是按转子磁链 有磁链定向和空间矢量脉宽调制波 矢量控制系统能否和直流调速系统媲美，关键在于动态过程中转子磁通是 否恒定。要解决这个问题，有两个思路：( 1 ) 在系统中增加磁通反馈和调节环 节。( 2 ) 在系统运行中实时监测转予磁链的方向，以便确定m t 坐标轴实现磁 通和转矩的解耦。由于交流异步电动机的多变量、强耦合、非线性特点，单纯 武汉理工大学硕士学位论文 的磁通控制较难，比较容易实现的是第二种思路，即建立转子磁链观测模型。 ( 1 )两相静止坐标系下的转子磁链观测模型 两相静止坐标系小p 下，转子磁链在a 和b 轴上的分量为： 髂麓 s 9 ， 【纬2 = 上，l + 三，2 考虑公式( 2 2 2 ) 的第三、第四行，另外，鼠笼式转子绕组相当于短路， 即2 2 0 ，u p 2 = o ，则有： 乏；：乏p p p ： 乏乏：乏；：r 乏复：0 。 c z a 。， l 工。p l + 2 一国( 乙l + 三，2 ) + 2 f 芦2 = 吖 将公式( 2 一a 9 ) 代入公式( 2 - 4 0 ) 并整理得到： 公式( 2 4 1 ) 就是转子磁链观测模型，其结构框图如图2 - 1 ，由此图可见， 模拟控制中不难实现的交叉勰合关系，难以在离散( 数字) 计算中收敛，所以采 用微机全数字控制的系统，使用m - t 坐标系来观测转子磁链是一种较好的方法。 图2 一l - b 坐标系下的转子磁链观测运算模式 2 4q j 力 k 幔 码 厶 k 南击 匕 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 )m t 坐标系下的转子磁链观测模型 事实上，通过检测交流异步电动机的定子三相电流i a ，i b ，i c 可以对转子磁 链定向。本文的实验中，使用霍尔元件变送i a ，i b 两相电流，因为电动机是y 型连接，i c = 一( i a + i b ) ，经过3 2 变换，得到两相静止坐标系甜b 下的电流i 。i ， i b l ，再经过同步旋转变换，并按照转子磁场定向方法，可以得到m t 坐标系下 的电流i m l ，i t l 然后利用矢量控制方程，可以获得甲2 和转差。，把估算出的 转速与蛾相加，得到转子频率信号l ，i 对时间积分得到磁链的相位p ， 这就是同步旋转变换的旋转相位角。以上过程的数学算法如下： = 陲肆 f o i t l l = 。一c o 。，s n q 妒：翌翻 ： q 4 s ， ”丽l m q = 一告铲接 ( 2 删 0 ) 1 = 国+ q ；矿= t o l d t ( 2 - 4 5 ) 这种磁链观测模型的结构如图2 - 2 ，这一结构适用于实时运算，系统容易 稳定，效果较好。图中，v r 是同步旋转变换器，其作用是将两相静止坐标系下的 由流蛮换到同步旋转牮标粟中。跚 图2 2m t 坐标系下按照转子磁链定向的磁链观测模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 空间矢量调制技术 获得币，甲2 的信息之后，如何在逆交器的开关模式上反映出来，是矢量控 制变频调速技术的另外一个重要问题。 电压型逆变器逆变电路的原理如图2 3 。 3 摩j 擀幸 工p 州 图2 3 电压型双极性调制逆变电路 图2 - 3 中，定义每一路逆变桥的上桥臂开通而下桥臂关断的状态为l ，反之 上桥臂关断而下桥臂开通的状态为o 。则逆变器的三路逆变桥的开关组态有八 种，如表2 - i 所示： 表2 - i 逆变器八种开关状态 桥号组态号 o1234567 aollooo 11 b0 0 l 110o1 cooool1l1 对于图2 3 所示的逆变电路及其负载，建立以三相绕组中心为0 点，a 相为 实轴，从a 相顺时针转过9 0 。方向为虚轴的复数平面，再定义在每种开关组态 下，输出电压作用于定子三相对称绕组a ，b ，c 形成电压矢量瓦( 扫o ，l ，2 7 ) 。 谚的定义式如下： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 玩= 詈( 玑一0 + p 吩。+ p 与4 。) ( 2 - 4 6 ) 公式( 2 4 6 ) 中，h a ，u p ，u c 分别是a ，b ，c 三相绕组上的瞬时电压，由 于忽略了电路分布电阻和寄生电容，故在不同的开关状态下，u a ，u b ，u l c 可 以突变，规定电压正方向为从外围到三相绕组中心，负方向为从三相绕组中心 到外围在图2 3 所示的双极性调制逆变电路及其负载情况下， m = m = i u c l = 坠2 八个空间电压矢量： 驴；( 孕+ 等e j ；。+ 孚e 孛) - o ( 2 4 7 ) 玩= 号( 等一孚e 一等e 夸) = 孕c i - e i 争_ e j 毛 ( 2 _ 4 s ) 砚= ；( 争+ 竽e j 一孚e 孛) = 竽( 1 + e j 争 ) ( 2 4 9 ) 毛= ；( _ 孚+ 等e 一争e 甲4 ) = 孕( 1 + e 争_ e d 4 3 x ) ( 2 _ 5 。) 驴詈( 等+ 等e 9 2 + 孚e ，争) = 孕( _ l + e j 歹4 ) ( 2 - 5 1 ) 睁詈( 一孚一等e 甲2 + 孚e 孛) = 孕( - l - e 孛；”) ( 2 - 5 2 ) 睁；( 等孚e 争+ 等e ) = 孕专h e j 4 3 1 r ) ( 2 - 5 。) 蜀= ；卜孚一等e 一孚e 垆4 瑚 4 ， 这八个空间电压矢量中有六个是有效的，玩和玩均为0 萁官六个矢量长序 武汉理工大学硕士学位论文 相等且在2 万以内沿着圆周均布，如图2 - 4 所示。 ， 尺 7 “ r 、 、- f ：。一 吩 图2 - 4 逆变器产生的空问矢量分布图 图2 4 中，玩( j = 1 , 2 ，6 ) 将圆周均匀分割为6 个扇区。考虑起点为图中 原点，而且由于长度不大于e f ( 扛1 2 6 ) 的任意矢量，显然可以e h 玩 ( i = 0 , 1 2 7 ) 中的有效矢量合成。如果有一个给定的磁链矢量户以电压矢量 的形式靠出现。起点就在图2 - 4 的原点，以电动机的同步转速1 绕着原点旋 转，那么砾也必然可以用离i o = 1 2 6 ) 中的两个来合成。 2 5 变频调速的空间矢量调制 2 4 节中讨论了电压型双极性调制逆交器8 种开关组态形成的八个电压空间 矢量。可以证明，这样定义的电压空间矢量在三相绕组的各个绕组轴线上的投 影等于各相绕组的有关物理量扣除零轴分量后的瞬时值，还可以证明，当绕组 通以三相正弦对称电压时，电压空间矢量在复数平面上将以不变的长度恒速旋 转，其矢端的运动轨迹是一个圆，这就是磁链圆，这一矢量的转速就是电动机 的同步转速。反之，只要使得磁链电压空间矢量以不变的长度在复平面上恒速 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 旋转，那么就可以确保产生这一磁链电压空间矢量的三相电压是正弦波而且是 对称的，而这个磁链电压空间矢量的模代表相电压的幅值，它的角速度代表正 弦波的角频率。 可见，玩( i = o , 1 2 7 ) 可以模拟交流异步电动机的转子磁链电压矢量。 但是如何正确形成转子磁链电压空间矢量有两个问题要解决：( 1 ) 使用哪两个矢 量来合成磁链矢量；( 2 ) 挑选出来的蟊是静止的，怎样使用静止的矢量模拟一个 旋转的磁链矢量霸。 2 5 1 磁链电压空间矢量所在扇区的确定 如果是闭环控制系统，则可以采用公式( 2 - 4 6 ) 获得磁链矢量的相位，这样 就可以知道玩落在哪个扇区。如果采用开环控制，有下述方法确定磁链矢量的 当前扇区。以玩所在的轴线作为圆周的起始轴，玩( ，= 1 , 2 ，6 ) 已经将圆周均 分为6 个扇区，显然每个扇区对应着调制输出波基频的1 6 周期。再将每个扇 区人为地划分成1 3 个小区域，每个小区域对应着一个时间间隔t i ，于是有： 善7 = 2 詈 q 5 5 ) 上式中t b 为基波周期。那么，转子磁链矢量巩应当在t i 内匀速转过t i 对 应的电角度咿。划分扇区的方法可以是均分，也就是n 等分，则每一等分所 对应的时间间隔t i 都相等，可以写成t i ，这样的算法称为同步调制。t i 取不同 的长度，对应的算法称为异步调制。若无特殊要求可以采用同步调制方法，系 统计算量可以小些。理论和实践证明，n 取奇数时逆变器的输出低次谐波分量 较小，而且逆变器输出的电压波形三相对称度好，所以n 一般取奇数。从以上 的分析可见，只需要累加t l 所对应的易，并将累加结果与6 个扇区的边界比 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 较，就可以判定靠所在的扇区，而这些边界分别是：o ，詈，孥，莩，等，孚。p 4 l jjjjj 2 5 2 静止矢量模拟旋转矢量的算法 确定了巩的扇区后，面临的问题是：如何利用静止的电压矢量来达到旋 转矢量的作用效果。不妨令巩落在第一扇区，考虑这时的模拟办法，如图2 5 。 靠与玩的夹角0 ，从能量等效的角度出发，令砧为扇区内小时间片乃对应的 平均电压矢量，因为小时问片瓦很小，电动机绕组具有很大的电感，这样等效是 比较符合实际情况的。这样处理后，露的长度是恒定的，由图2 5 可见，靠需 要用玩，露：来形成，但是为了使得砟的形成更准确，运行更平稳，我们可以在 时间片内插入无效的0 矢量。本文的实验证明，插入o 矢量可以有效地改善逆 变器的输出波形，使得杂波和高次谐波减少。由于玩和露：，和西在内分别 作用一段时间，所以下一步就是要确定它们的次序和作用时间。设f 。，t l ，f ：，t ，分 别是，玩，厅：，牙，的作用时间，首先研究玩，玩，厅：，霸的次序。喇 ；t 饧砟 奶一之甜一 7 二 i i “l 五 图2 - 5 磁链电压矢量的模拟 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 考虑到模拟过程是逆变器件不断开通、关断的循环过程，每次开关均存在 损耗，因此，在应用中，减少开关次数是提高系统效率的有效措施。考虑到输 出波形的对称性，希望开关模式也是对称的。这样，如果每一个时间片乃内的 矢量作用次序相同，而本次乃内最后一个矢量恰好是下次乃开始的矢量，则功 率器件的开关次数最少。于是安排，玩，毛，u 一，的作用顺序如下： 玩，玩，u 2 ，u 7 一u 7 ，矾，u 2 ，r i o 一砜，玩，u 2 ，u 7 矢量的作用次序确定之后，需要计算作用时间。在巧内，靠对时间的积分 应该等于逆变器输出的电压空间矢量对相应的时间积分，即： p f d t - 驻。d t + p l d i + p 2 d l + p ，d t q 5 6 ) 乃=，o+r2+f7(2-57) 因为：巩= 五，= o 所以：靠= 暗+ 玩 从图2 - 5 的几何关系中，运用正弦定理可得： 圳鲁：百i 靠i s i n ( 6 0 * - 9 ) ( 2 - 5 8 ) o ls i n l 2 0 。 r 一1 t , l 砟旷l s i n ( 6 0 。- o ) = 砉斜徊( 6 0 。一。( 2 - 5 9 ) = 去斜驯仰 陋s 式中：川= 詈 为运算简便以及减少无效的开关次数，令t 。= t ，则 t o = t 7 = ( 乃一t l t 2 ) 2 ( 2 - 6 1 ) 以上就得到了正确模拟靠的方法。 令r l w 2 = r 。，可证明当f 。= 瓦时，靠的矢端将落在由露，( f = 1 , 2 。6 ) 的矢端 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 构成的正六边形上，形成一个六边形磁链轨迹。磁链多边形在实践中表现为电 动机转矩的脉动，为了避免这一情形，应当控制靠的矢端最大不超过六边形的 内切圆，这样可以形成磁链圆，得到很好的控制性能。砧的矢端不超过六边形 内切圆的条件是： l i s ；u 。s i i l 6 。= u d f c ( 2 - 6 2 ) 定义空间矢量删系数：历= i 剖u f 。v l xli 则有：t l = m t , s i n ( 6 0 。- o ) ( 2 - 6 3 ) ，2 = 脚乃s i n o ( 2 - 卿 式( 2 6 3 ) 和式( 2 6 4 ) 就是本文实际采样的算法。 2 6系统的基本架构 该智能变频器的设计采取软、硬件结合的方法。 硬件部分由电力电子器件所组成的变频器主回路和由d s p 系统所组成的控 制回路共同组成。其中主回路由智能功率模块i p m 为功率器件构成的逆变电路 和由二极管构成的三相桥式不可控全波整流电路组成。形成典型的交一直一交 电压源型变频系统。选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型的d s p 为变频器控制的核心部件， 它主要完成矢量控制算法、电流检测、速度估算、p i 调节、频率设定、液晶显 示等任务。 软件部分主要负责各种控制及算法的实现，如电压空间矢量法的实现，模 型参考模糊自适应转速辩识( m r f a s ) 算法的实现，速度、转矩、磁场控制器增 量式p i d 控制算法的实现，进行电动机的起动控制、停机控制、被控电动机参 数的设置、转速信号的给定以及电动机内部主要参量的图形化显示等。软件部 分的研究主要就是围绕这几个软件功能模块来进行。对软件的编写决定采用c 语言和汇编语言混合编程来完成。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 1 硬件总体设计 该系统采用交一直一交电压型变频电路，分为主电路和控制电路两大块。 主电路主要由整流电路、滤波电路及由智能功率模块i p m 构成的逆变电路组成； 控制电路以t i 公司的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为核心，包括电流检测模块、转 速估算模块、保护模块、通信模块和显示模块。系统硬件结构如图3 - 1 所示。 3 2 主回路的设计 图3 - 1 系统硬件结构 在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行环节，它的可靠性和稳定性 影响整个系统的正常运转，主电路主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三 部分组成。文中采用电压型交一直一交变频装置，它包括以二极管构成的三相 桥式不可控全波整流器、大电容滤波、i p m 构成的逆变器，其电路原理图见图 2 3 。整流电路的主要作用是将电网的交流电整流后提供给逆变电路和控制电 武汉理工大学硕士学位论文 路。在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变 频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。在该系统中三相交流电由二 极管组成的三相桥式整流模块整流后，变成直流脉动电压。由于整流电路输出 的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。而逆变器采用p w m 控制方式 要求中间直流电路是电压源，所以一般采用电容器c