（电力系统及其自动化专业论文）基于滑模变结构控制的异步电机调速系统研究.pdf

哈尔滨下程大学硕士学位论文 a bs t r a c t v v v fa ret h em a i nm o d eo fa s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m b u t t h ei n v e r t e ro u t p u th a sh i 曲h a r m o n i cc o n t e n ti nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e ma n d h a da d v e r s e l ya f f e c t e df o rp o w e ra n ds p e e dc o n t r o ls y s t e m ，s oh i 曲一p e r f o r m a n c e 仔e q u e n c yc o n v e r t e rm u s tb en e e d e d a s y n c h r o n o u sm o t o ri sam u l t i v a r i a b l e ， n o n l i n e a r ，s t r o n gc o u p l i n go ft i m e v a r y i n gp a r a m e t e rs y s t e m ，i ti sd i f f i c u l tt ou s e p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l t o d e s c r i b e ，a n dt h ei n d u c t i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mi s o f t e ns u b j e c tt ov a r i o u sd i s t u r b a n c e s t og e th i g h - p e r f o r m a n c ei n d u c t i o nm o t o r i n v e r t e rs y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt oa p p l i c a t em o d e mc o n t r o l t h e o r y t h e r e f o r e s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li su s e di nt h i sa r t i c l e t h er e s e a r c hw o r ki s m a i n l ya p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li ni n d u c t i o nm o t o r v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e s e sf i v e - l e v e li n v e r t e rt y p e sa n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h ed i o d e c l a m p e df i v e l e v e li n v e r t e ri sc a r r i e do u t f o ra ni n d e p t ha n a l y s i s a n da c c o r d i n gt ot h et y p ef i v e l e v e li n v e r t e ro u t p u t a n a l y s i s ，s v p w mc o n t r o la l g o r i t h mi su s e dt oc o n t r o li n v e r t e r i th a ss e v e r l s w i t c hs t a t e sf o rt h es a n l es p a c ev e c t o r ，t h ep r i n c i p l eo fs o u s e do ne a c hs i d ei su s e d t od e t e r m i n et h es l i ps t a t eo ft h em a i nd e v i c es w i t c h e s i no r d e rt oi m p r o v et h e u t i l i z a t i o no fd c p o w e rs u p p l y ，t h ef i v e l e v e li n v e r t e ro u t p u th a sb e e nm o d u l a t e d t r e a t m e n t ，a n dm o d u l a t i o na l g o r i t h m sh a v e b e e ns i m u l a t e d s e c o n d l y ，t h er o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o ni na s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sc l a r i f i e d ，b a s e do nt h e t h r e e p h a s es q u i r r e lc a g e i n d u c t i o nm o t o r d y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e l s l i d e - m o d ev 撕a b l es t r u c t u r ec o n t r o li ss u c has t r a t e g yt h a ti sc h a r a c t e r i z e do fl o w m a t h e m a t i c a lm o d e lp r e c i s i o n ，i n s e n s i t i v e n e s st os y s t e mp a r a m e t e rv a r i a t i o na n d e x t e r n a l d i s t u r b a n c e s ，o m i s s i o n o fp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n s ，f a s td y n a m i c r e s p o n s ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n t h e s ea d v a n t a g e sm a k ei ts u i t a b l et oh i g h p e r f o r m a n c e v e c t o rc o n t r o l l e d a s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e s as l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r es p e e dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oe n h a n c et h r e e p h a s es q u i r r e l c a g e i n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o l s y s t e m o fa n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n d 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 眚i i iti 宣；宣宣暑宣声 r o b u s t n e s s t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h mi sv e r i f i e db y s i m u l a t i o na n dt h er e s u l ti sp e r f e c t k e yw o r d s - a s y n c h r o n o um o t o r ；f i v e - l e v e li n v e r t e r ；v e c t o rc o n t r o l ；s l i d i n gm o d e c o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：撕辔乱 日期：h q 年之月o 日 。| 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工 程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。本 人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库 进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔 滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐芏授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：乡阢落b导师( 签字) ：少人，雾 日期：妒铲弓忌d 日扣厂年够月日j i 、 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 感应电机调速系统从古典控制发展到现代控制是在电力电子学科进步的 基础上开拓的领域。在此之前的古典控制中，主要考虑电动机稳态特性，即 启动、调速、制动的控制，是一种力学系统的控制。例如，调速是一个状态 到另一个状态的速度变化状况，对电磁变化的过程考虑甚少，且着重于动力 学的过渡过程。由于力学时间常数大于电磁时间常数，从而掩盖了电磁过渡 过程所起的作用。随着电力电子器件的发展，s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等 新器件的不断问世，使得电动机的电源控制非常容易，相应地也促进电机控 制技术得到飞跃发展。 因为交流电源的变频非常困难，故长期以来，所谓电动机调速实际上是 指直流调速。在电力电子技术发展以前，由于交流变频困难，价格高，且同 步电动机调速几乎完全依赖于变频，故传统交流调速只限于感应电动机的变 极、变压、转子回路串电阻等有级调速方式，确实无法与直流调速竞争。但 是直流电机结构上存在的机械换向器和电刷具有一些无法克服的固有缺点， 如造价偏高，维护困难，寿命短，单机容量、最高转速和最高电压都受到一 定的限制等。而感应电动机具有结构坚固，无电刷、维修方便、重量轻、价 格低等直流电机结构上无法比拟的特点。一旦感应电机变频调速控制技术的 难题得到解决，两者的优劣便见分晓。随着电力电子技术、微电子技术和微 机控制技术的不断发展，使现代高性能感应电机的变频调速有了巨大的技术 支持，高性能的感应电机变频调速系统也已出现，经过近十年的不断努力， 性能得到很大改善，成本还在下降。由于感应电机变频调速控制系统的种种 突出特点，国外大学和公司投入大量人力财力加以研究，并在2 0 世纪8 0 年 代已经推出了一系列商品化的感应电机变频调速控制系统，我国也有许多单 位在研究、开发和引进感应电机变频调速控制系统的技术、元器件和装备。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 宣；i ；宣；i ；i i ；i ；i ；i ；i ；i ；i i - ii ；w i ；i ；i ；i i i i ；i ；i i i i ；i 为进一步提高感应电机变频调速控制系统的性能，有关研究工作正在围绕以 下几个方面展开： ( 1 ) 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 电力电子器件的不断进步，为感应电机变频调速控制系统的完善提供了 物质保证，尤其是新的可关断器件，双极结型晶体管( b j t ) 、金属氧化物 半导体场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使 高频化p w m 技术成为可能。目前电力电子器件正向高压、大功率、高频化、 组合化和智能化方向发展【2 】。如果说计算机是现代生产设备的大脑的话，那 么上述电力电子器件则是支配手脚( 电机) 动作的肌肉和神经，即实现弱电 控制强电的关键所在。典型电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型 三种。电流型变频器的优点在于给同步电机换向时可实现自然换相，并且容 量可以做得很大。但是对于应用广泛的中小型电机来说，其强迫换相装置则 显得过于笨重。因此，p w m 电压型变频器在中小功率电机变频调速控制系 统中无疑占主导地位。目前已有采用m o s f e t 和i g b t 的成熟产品，开关 频率可达1 5 2 0 k h z ，实现无噪声驱动。值得注意的是：目前国外正在研发 新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶 段，预示着新一代电机变频调速控制系统即将产生。 ( 2 ) 应用矢量控制技术和现代控制理论 交流电机是一个多变量、非线性的被控对象，过去的电压频率恒定控制 都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想。2 0 世纪 7 0 年代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变 量的幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和解耦控制，从而促进了交流 电机变频调速控制系统走向实用似引。目前国外用变频电源供电的异步电机 采用矢量控制技术已成功地应用于轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机 床中。此外，为解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的 控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制和定子磁场定向控制等。尤其自 从计算机应用于实时控制之后，使得现代控制理论中各种控制方法得到应用， 如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制，可提高系统的动态性 能，滑模( s l i d i n gm o d e ) 变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡 尔曼滤波器可以获得无法观测的状态信息，自适应控制则能全面提高系统的 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性能。 1 2 多电平逆变器的研究现状及发展前景 1 2 1 多电平逆变器结构的研究现状和前景 多电平逆变器是在1 9 8 1 年由n a b a e 等人提出的“中点钳位p w m 变器 ( n e u t r a lp o i n tc l a m p e dp w mi n v e r t e r ，n p c p w m ) ”的基础上发展起来的， 其后在高压大功率变频调速器方面得到了广泛的应用。尽管n a b a e 未明确提 出多电平逆变器的概念，但该逆变器本身就是二极管钳位三电平逆变器的雏 形。 多电平逆变器的一般结构是有几个电平台阶成阶梯波以逼近正弦输出电 压。在过去两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串 并联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关 器件的开关特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数 降低，使这种方案非常麻烦甚至很难实现。许多情况下也采用交直交变频 方式，在这种方式中，或是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大 功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采用低压变换器。很明显，以上 两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现 中间环节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸 多缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件提出 了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力，因此，人们提出了一种通 过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降压变压器，又无须均压电路 的多电平变换器。多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景 是为了克服传统逆变器较高的咖d t ，d i d t 所引起的开关应力等缺点，出 发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达 到减小开关应力，改善输出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较 多，所以从提高性能比角度，它更适合于大功率场合。多电平逆变器由于输 出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所 承受的电压应力较小，且不需均压电路，开关器件在输出电压基频以下，其 开关损耗小，可避免大的d v d t 所导致的各种问题。尤其是八十年代以来， 哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 以g t o 、i g b t 为代表的第三代电力电子器件，以及以d s p 为代表的智能控 制新片的迅速普及，为这种新型多电平变换器的研究和实际应用提供了必要 的物质基础。基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平 逆变电路已进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为 多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而 成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐 波成分越少。但这种理论上可达到任意n 电平的多电平逆变器，在实际应用 中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下， 并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。国外也有对七电平及更高电 平的研究，但都还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论 研究阶段【4 】【5 】【6 1 。目前三电平逆变器的主要控制方法有消谐波p w m 法，开关 频率最优p w m 法和空间矢量p w m 法等。控制方法的研究是三电平逆变器 研究的一个热点问题【7 】。国外多电平逆变器己经有了成品出现，如a b b 公司 的高压大容量变频器就是采用i g c t 中点钳位式电压型三电平逆变器，最高 输出电压可将近4 0 0 k v 。又如巴西伊泰普h v d c t 工程运行电压最高为 6 0 0 k v ，输送功率为3 1 8 0 m w ，线路长8 0 0 k m ，它代表了当今i - - i v d c t 水平、 鉴于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡，发展h v d c t 显得非常 重要。我国变频器总的潜在市场应为1 2 0 0 1 8 0 0 亿元，其中常压变频器约占 市场份额的6 0 左右，中、高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变 频器功率大、售价高，应占市场的4 0 左右在多电平方面，国内己有几家推 出采用基于1 2 l ( v 1 8 k v 的i g b t 器件单元串联单相桥式主电路结构的高压 变频装置，这种主电路结构由于器件多而复杂，信号调制困难使得整体可靠 性比较差，其输出功率也不高。总体来说，多电平变换技术( 尤其是三电平) ， 在国外尽管存在一些尚未完善的地方，但是三电平逆变器不仅能应用于大功 率高输入电压的逆变场合，而且能应用子如静止无功补偿、电力有源滤波器 等电力电子装置中。因此在灵活电力系统和用户电力技术方面也有广阔的应 用1 8 】。特别表现在：( 1 ) 性能的高压大容量交流变频调速技术，( 2 ) 多电 平双p w m 高频整流逆变调速系统，实现四象限运行，( 3 ) 高压直流输电 ( h v d c t ) 。虽然变频调速系统的研究非常活跃而且市场需求旺盛，但是在产 业化方面还不是很理想，该技术的研究还处于萌芽状态，有大量的工作需要 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 研究者去做。且随着新型电力电子器件及d s p 智能控制芯片的迅速普及，这 一技术必将在大功率应用场合大显身手。传统直流电流源供电及直流电b e 源供电的g t o 变换器正逐渐被使用i g c t 及i g b t 的两电平或者三电平p w m 变换器所取代。本世纪随着减少电磁噪声等环境标准的提高，多电平变换器 方案必将得到广泛的应用。 1 2 2 多电平调制技术发展概况 传统的正弦脉宽调制技术是从电源的角度出发的，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。一些学者在此基础上提出了选择 谐波消除法和梯形脉宽调制法，但指定谐波消除法运算量大，且占用相当大 的内存，实现起来比较困难逆变输出波形中谐波分量比逆变器还多，结果并 不理想。而且，传统的高频三角波与调制波比较生成波的方式适合模拟电路， 不适应于现代化电力电子技术数字化的发展趋势。因此，常规法不能适应高 性能全数字控制的交流伺服驱动系统的发展趋势【，】。 8 0 年代中期，德国学者在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想， 在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制技术，简写s v p w m 。 又称磁链追踪型法，它是从电动机的角度出发，其着眼点是如何使电机获得 圆磁场【i o l 。具体地说，它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定 子理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量 来追踪基准磁链圆在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而 形成波。采用空间矢量算法可使逆变器输出线电压幅值最大达到直流电压， 比常规s p w m 法提高了约1 5 6 。并且，由于有多种调制方式，所以控制方 式可以通过改变其调制方式来减少逆变器功率器件开关次数，从而降低功率 器件的开关损耗，提高控制性能。在同样的采样频率下，采用开关损耗模式 法的逆变器的功率器件开关次数比采用常规法逆变器的功率器件开关次数减 少了，大大降低了功率器件的开关损耗。实质是一种基于空间矢量在三相正 弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的种变形，是具有更低的开 关损耗的改进型方法，是一种优化的方法，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，降低电机的脉动转矩，且其物理概念清晰，控制 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 算法简单，数字化实现非常方便，故目前有替代传统法的趋势。而随着智能 型高速微控制芯片的发展、指令周期的缩短、计算功能的增强及存储容量的 增加，使得数字化有了更广阔的应用前景。因此，近些年来电压矢量脉宽调 制技术得到了快速地发展，在电气传动的许多方面得到了广泛的应用。 ( 1 ) 电压空间矢量p w m 法最早是被应用于交流变频调速系统中，采用 s v p w m 模式的交流变频调速系统较之采用常规p w m 模式的交流调速系统， 不仅电机转矩脉动减小了，馈电给逆变器的直流电压利用率提高了同时定子 相电流更接近于正弦波，谐波更少，且采用s v p w m 模式的交流变频调速系 统其动态性能非常优良。 ( 2 ) 目前电压空间矢量法广泛应用在有源滤波器中，它把三相变流器作 为一个整体来控制，很好地协调了主电路各相间的相互作用。这种控制策略 可有效地跟踪指令电流，抑制了负载谐波，显著减小了电源侧电流的电流总 畸变率，是一种有效的电流跟踪控制方案。 ( 3 ) 电压空间矢量法应用于整流控制系统中，系统具有良好的动态性能， 易于数字化实现，既能实现高功率因数，又能使能量双向流动。其最突出的 优势是直流利用率较之常规的控制方法提高了约，而且，不同的调制方法将 使开关损耗得到不同程度的减小。正是基于上述优点，空间矢量法越来越广 泛地应用于整流控制系统中。 1 3 异步电动机调速系统控制策略 1 3 1 矢量控制技术现状和发展趋势 矢量变换控制技术在国际上一般多称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o n ) 亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方 向均用瞬时值来表示。这一理论是1 9 6 8 年首先由d a r m s t a d e r 工科大学的 h a s s e 博士发表【2 5 】。从直流电机的控制得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方 向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调 节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控制。在感应电机中，为了将 交流矢量变换为两个独立的直流标量来分别加以调节，以及将被调节后的直 流量还原成交流量最后控制交流电机的运行状态，必须采用矢量的坐标变换 6 哈尔滨下程大学硕十学位论文 及其逆变换，故这种系统称为矢量变换控制系统。通过矢量的坐标变换能使 交流电机获得如同直流电机一样良好的动态调速性能，使得这种控制方法成 为交流电机获得理想调速性能的重要途径。量控制包括坐标变换和矢量运算 以及含非线性的复杂运算。对交流瞬时值进行控制的必要条件是高速运算， 其运算处理的规模要比直流调速大若干倍。若用模拟电路来实现，不用说价 格就连确保性能的可靠性也做不到。这是7 0 年代中期为什么不能实用化的 原因之一。幸运的是，随之而来的7 0 年代是微处理器微电子技术急速成长 的年代，加之适应急剧加减速和负载冲击的快速电力半导体变流装置的研制 成功，使矢量控制变频调速装置的实用性和可靠性达到了令人满意的水平。 三相交流异步电动机是一个多输入、多输出的非线性系统，虽然它有比 较确定的数学模型，但因其具有非线性及参数时变的特点，使得传统矢量控 制技术存在许多缺陷和不足。虽然三相交流异步电动机数学模型的微分方程 形式物理意义明确，结构也相对简单，从中推导出的矢量控制基本方程较好 的解决了感应电机数学模型的强耦合、非线性的困难。但是矢量控制方法本 身的参数敏感性、控制系统结构复杂等问题又成为实际应用中的难点。为了 解决这些问题，现代控制理论在三相异步电动机控制控制系统中的应用不断 加深。 1 3 2 滑模变结构控制的研究进展 变结构控制是前苏联学者在2 0 世纪6 0 年代初提出的一种设计方法。当 初的研究对象为二阶系统和单输入高阶系统，采用相平面法来分析系统特性。 进入年代，开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到 了不断丰富，并提出了多种变结构设计方法，但这其中只有带滑动模态的变 结构控制被认为是最有发展前途【一l j 。近年来滑模变结构控制理论研究备受关 注，研究方向主要集中在如下几个方面： 1 3 2 1 滑模面设计 理论上，只要使系统在滑动模态稳定，并且保留滑模变结构控制系统的 各种性质，滑模面可以有不同的结构。因此，许多学者提出了各种各样的滑 模面。线性滑模面的设计方法很多，较常见的有极点配置法、几何法、最优 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 控制法。学者u t k i n 提出按闭环系统的稳定性和快速性来选择滑模面；学者 g h e z a w i 用广义逆矩阵法，根据闭环特征根的要求来设计滑模面。学者y o u n g 和d o r l i n g 选择二次型函数为目标函数，从而得到最优滑模面。线性滑模面 能充分满足线性系统控制性能的设计要求，使得系统处于滑动模态时稳定性 分析简洁、方便，其参数设计也容易。直到目前许多关于滑模控制的研究仍 然采用线性滑模面。但是线性的滑模通常在复杂非线性系统面前无能为力， 在处理抖振问题时也没有太大益处。 1 3 2 2 抖振问题 控制结构切换具有理想开关特性的变结构系统，能在切换面上生成滑动 模态。滑动模态是降维的光滑运动，且渐近趋向原点。但在实际滑模变结构 系统中，由于开关器件的时滞及惯性等因素的影响，使得滑动模态呈抖动形 式，在光滑的滑动上叠加了自振，这种现象称为抖振。抖振不仅影响控制的 精确性，增加能量消耗，而且容易激发系统中的高频未建模部分，破坏系统 性能，甚至使系统产生振荡或失稳，因而削弱或消除抖振是变结构控制在实 际应用中必须解决的首要问题0 s 】。国内外学者从不同的角度提出了解决方法。 ( 1 ) 准滑动模态法s l o t i o n e 等在滑动控制的设计中引入了“准滑动模 态”和“边界层”的概念，实现准滑动模态控制，采用饱和函数代替切换函数， 即在边界层外采用正常的滑模控制，在边界层内为连续状态的反馈控制，有 效地避免或削弱了抖振，为变结构控制的工程应用开辟了道路。此后，有许 多学者对切换函数和边界层的设计进行了研究。 ( 2 ) 趋近律方法高为炳利用趋近律的概念，提出了一种变结构控制系 统的抖振消除方法。以指数趋近律s = 一e s g n ( s ) 一k s 为例，通过调整趋近律的 参数k 和s ，既可保证滑动模态到达过程的动态品质，又可以减弱控制信号 的高频抖振，但较大的s 值会导致抖振。 ( 3 ) 滤波方法通过采用滤波器，对控制信号进行平滑滤波，是消除抖 振的有效方法。 上述各种方法中，每种方法都有各自的优点和局限性，针对具体问题需 要进行具体分析。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 4 课题意义及本文主要研究内容 在交流传动系统的具体问题研究上，针对当前整个传动领域的发展方向， 许多科研工作者正从两个大的方向即“硬方向”和“软方向”从事研究。硬方向 的研究包括更高性能电力电子器件的研究，更适合于传动领域电力电子变换 器的研究与开发，新型高性能电动机的研制等。软方向的研究则包括各种控 制方式、控制策略以及有关传动系统的专用软件的研究和开发。后者是交流 传动系统实现智能化的关键所在，这也是本文研究的重点。本文针对交流传 动系统中一些尚待解决的控制问题如当系统参数变化较大时，传统的调节方 法难以得到满意的控制性能，将滑模变结构控制方法引入交流传动系统中， 并与常规方法相结合，力图以新的控制方式和策略提高整个系统的性能。全 文包括4 章： 第1 章是绪论，主要介绍了交流电机矢量控制技术的发展现状和滑模变 结构控制的研究进展及其在交流传动中的应用。 第2 章阐述五电平逆变器的s v p w m 控制。介绍五电平逆变器的电路图 及工作原理，并将s v p w m 控制原理引入，实现s v p w m 控制五电平逆变器。 针对五电平逆变器输出的同一个空间电压矢量存在多种开关状态，采用循边 原则确定开关状态。通过m a t l a b 仿真软件对本文提出的控制算法进行仿 真验证，并对结果进行详细的分析。 第3 章阐述三相异步电动机在各种坐标系下的状态空间方程以及矢量控 制系统的基本原理，建立三相异步电动机的矢量控制系统仿真模型。 第4 章在介绍滑模变结构控制的设计及应用问题，包括滑模变结构控制 的设计目标和设计方法、滑模变结构控制系统的不变性和抖振等问题基础上， 讨论了交流异步电动机矢量控制系统滑模变结构控制策略。通过m a t l a b 仿真软件对本文提出的滑模变结构控制算法进行仿真验证，并对结果进行详 细的分析。理论分析和仿真结果均表明，这种控制方法改善了磁链观测的准 确性，同时，还具有较强的抗负载扰动能力及对参数变化的鲁棒性。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章五电平逆变器s v p w m 控制策略 2 1 五电平逆变器的种类和结构 目前所见的五电平逆变器，按主电路拓扑结构来分，主要分为三类基本 的拓扑结构：二极管钳位电压型五电平逆变器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 、飞跨电容型五电平逆变器( f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和 级联五电平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) l i l l 【1 2 t 3 1 ( 1 ) 二极管钳位电压型五电平逆变器，如图2 1 所示。 图2 1 二极管钳位电压型五电平逆变器 二极管钳位电压型五电平逆变器拓扑( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 的优缺点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出的电压谐波含量少；( 2 ) 阶梯波调制时，器 件在基频下工作，开关损耗小，效率高；( 3 ) 可控制无功功率。 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 bi 缺点：( 1 ) 需要大量的钳位二极管；( 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时 间不一样，造成负荷不一致：( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 ( 2 ) 飞跨电容型五电平逆变器，如图2 2 所示。 图2 2 飞跨电容型五电平逆变器 飞跨电容型五电平逆变器( f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 的优缺点 如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出的电压谐波含量少；( 2 ) 阶梯波调制时，器 件在基频下工作，开关损耗小，效率高；( 3 ) 可控制无功功率和有功功率， 因而可用于高压直流输电和变频调速。( 4 ) 大量的开关状态组合冗余，可用 于电压平衡控制。 缺点：( 1 ) 需要大量的钳位电容；( 2 ) 用于纯无功负载时，存在飞跨电容 电压的不平衡。 ( 3 ) 级联五电平逆变器，如图2 3 所示。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 3 级联五电平逆变器 级联五电平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 优缺点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出的电压谐波含量少；( 2 ) 阶梯波调制时，器 件在基频下工作，开关损耗小，效率高：( 3 ) 无需钳位二极管和钳位电容， 在3 种五电平电路结构中，对于相同的电平数，所需的器件数最少，易于封 装。( 4 ) 基于低压小容量逆变器级联的组合方式，技术成熟，易于模块化。 ( 5 ) 易采用软开关技术，以避免笨重，能耗的阻容吸收电路。( 6 ) 不存在 电容电压不平衡。 缺点：( 1 ) 需要多个独立直流电源。当采用不可控整流得到的这些直流电源 时，为减少对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。 这种变压器的体积庞大，成本高，设计困难。( 2 ) 不容易实现四象限运行。 2 2 五电平逆变器主电路结构及其工作原理 图2 1 所示是二极管钳位电压型五电平逆变器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 的单臂电路结构f 1 4 f 。该电路由8 个开关器件i g b t 、8 个续流二极管， 6 个钳位二极管和4 个分压电容构成。其中4 个分压电容c l = c ：= c 3 = c 4 ， 双而虬。= 虬：= 址，= 址。钳位二极管的作用是在开关管导通时提供电流通 道防止电容短路。 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i 1 7 - i 昌i i i i 以图2 1 所示的一相主电路来分析其工作原理： ( 1 ) 当主管、m 、仍、v t 4 触发导通，电流从正端尸点流经 聊、m 、v t 3 、刚和该相输出端流向负载，或负载电流经该端反向流过 续流二极管v d i 、v d 2 、v d 3 、v d 4 注入尸_ 点，略去管压降，该相输出端电 位等同于p 点电位，此时，该相输出端电压甜。= 2 e ； ( 2 ) 当v t 2 、v t 3 、v t 4 、v t 5 触发导通时，电流从p 2 点流过箝位二极 管肼、主管v t 2 、v t 3 、v t 4 ，该相输出端电位等同于朋点电位；或电流流 过主管v t 5 、箝位二极管跖注入p 2 点，该相输出端电位仍等同于p 2 点电 位，此时，该相输出端电压z f 。= e ； ( 3 ) 当v 3 、v t 4 、v t 5 、v t 6 触发导通时，电流从d 点流过箝位二极 管黝、主管v t 3 、v 4 ，该相输出端电位等同于d 点电位：或负载电流反向 流过主管v t 5 、v t 6 、箝位二极管s 5 注入中点d 点，该相输出端电位仍等同 于d 点电位，此时，该相输出端电压甜。= 0 ； ( 4 ) 当刚、v t 5 、v r 6 、m 触发导通时，电流从n 2 点流过箝位二极 管& 、主管v t 4 ，该相输出端电位等同于n 2 点电位；或负载电流反向流过 主管v t 5 、v t 6 、功7 、箝位二极管觯注入n 2 点，该相输出端电位仍等同于 n 2 点电位，此时该相输出电压“。= 一e ； ( 5 ) 当m 、v t 6 、刀7 、v t 8 触发导通时，电流从n i 点流过续流二极 管v d 8 、v d 7 、v d 6 、v d 5 ，该相输出端电位等同于m 点电位；或电流反向 流过主管v t 5 、v t 6 、阿7 、v t 8 注入m 点，该相输出端电位仍等同于m 点电位，此时，该相输出电压u a 。= - 2 e 。 因此当以上各种状态轮流实现时，甜柚即可得到2 e ，e ，0 ，- e ，2 e 等 五个电平，故称为五电平逆变器。b 相和c 相的情况和a 相类似，也可以得 到五个电平。由上面分析可以看出，对主开关器件控制脉冲是有严格要求的， 以防止同一桥臂贯穿短路，即：肿与v t 5 ，v t 2 与v t 6 ，v t 3 与v t 7 ，v t 4 与 v t 8 的控制脉冲都要求是互反的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的 原则。并且可以得到每一相电位在由p j 电位跳到0 电位时，要经过p 2 电位 的过渡。即在控制过程中，每一相电位只能向相邻电位过渡，不允许输出电 位的跳变。由上面分析得到开关模式和交流输出端电压的关系如表2 1 所示。 规定：当开关器件导通时，开关状态是“l ”，当开关器件关断时，开关状态是 哈尔滨工程大学硕七学位论文 “0 ”。 表2 1逆变器输出电压和开关状态的关系 输出 开关状态 电压 ( 相 对于d 玑 所眩i , t 3 v t 4陋岁阿百玎7 l , t 8 点) 2 e1l11o0o0 eoll11o0o o 0 o11 1 l00 eo0o1111o 2 eoo0olll1 可以用变量s 来表示逆变器输出的五种状态：输出端电压2 f 时，s = 2 ； 输出端电压e 时，s = 1 ；输出负端零电压时，s = 0 ；输出端电压一点时，s = 一1 ； 输出端电压一2 e 时，s = 一2 。 2 3 五电平逆变器的s v p w m 控制 2 3 1 磁链轨迹原理 假设u ，v ，w 三相参考电压如下： = 砜s i n c o t ， 巩= u m s i n ( c o t - 鲁n ) ( 2 1 ) j 4 乩= s i n ( c o t 一三万) 则可将参考空间电压矢量定义为： = ；( + p 一弓i t + u 。p - , , i 毛 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 中，可得 1 4 ( 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 = i 2 ( i 3 虬s i n c o t + 昙c o s c o t ) = 氓p “j 卜 ( 2 3 ) j二 二 由式( 2 3 ) 可知，参考空间电压矢量圪，的轨迹是个圆。当用三相对称正 弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒 转速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场磁链圆。因此如果 有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变电源，并能保证电动机形 成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频思想。我们可以按照前面定义 电压空间矢量的方法定义电流和磁链的空间矢量砸) 和缈( f ) 。因此有 ( f ) ：r i ( t ) + 掣 ( 2 4 ) 。 a l 当转速不是很低的时候，定子电阻r 压降相对较小可忽略，则 k ( f ) 坐盟 ( 2 5 ) 1 一 班 因为y ( r ) = p 倒，所以( f ) = 缈p 7 卅州孙。说明当磁链幅值一定时， 圪，( ，) 的大小与国成正比，或者说供电电压与频率厂成正比，其方向是磁链 圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁 链圆的切线方向运动2 万弧度，其运动轨迹和磁链圆重合。这样电动机旋转磁 场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论 i s l 。 当以正弦电压给异步电机供电时，异步电机所产生的气隙磁场将是一个 圆形的旋转磁场，即磁链矢量轨迹是在一个以一定速度均匀旋转的圆上，并 由此产生了恒定的电磁转矩。如果把逆变器和异步电机看作是一个整体，在 p w m 控制时让变频器产生的磁链在近似为圆周上均匀移动，就可以减少转 矩脉动，控制电机的转速。磁链的轨迹是通过空间电压矢量的迭加得到的。 s v p w m 控制的基本思想就是以三相对称正弦电压供电时三相对称电动机 定子的理想磁链为基准，使逆变器瞬时输出的三相脉冲电压所合成的空间电 压矢量与期望输出的三相正弦波电压所合成的空间电压矢量相等，也就是通 过逆变器的不同开关模式所形成的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，在跟踪 的过程中，逆变器开关模式的切换所得到的波形就是所需的p w m 波。 假设把五电平逆变器输出相电压u ，以，乩分别代入由式( 2 3 ) 可 得到其矢量图，如图2 4 所示。为了分析方便，将图2 4 每相隔6 0 0 分为一部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分，共为6 个部分，分别为扇区1 、扇区2 、扇区3 、扇区4 、扇区5 、扇区 6 。每个扇区部分又分为1 6 个区。从图2 2 可以看出，五电平