（电力系统及其自动化专业论文）异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究.pdf

c at h e s i si np o w e r s y s t e m sa n da u t o m a t i o n r e s e a r c ho ns p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l s y s t e m f o r a s y n c h r o n o u sm o t o r b yb a id a i b i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a ny o n g k u i a s s o c i a t es u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rb i a nc h u n y u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 独创性：声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思。 学位论文作者签名：习代三 日期：如7 ，7 力 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 两年q 学位论文作者签名：匀吣岳导师签名：7 为乇) 7 参 签字日期：泗尸7 12签字日期：加哆7 。己 一 东北大学硕士学位论文摘要 异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究 摘要 现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交 流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制己成为发展趋势。而异步电机无速 度传感器矢量控制技术作为一种高性能的传动系统成为数字控制技术的一个重要研究 方向，受到众多学者的关注。 本文对无速度传感器矢量控制系统进行了研究。首先分别对交流电机控制技术和无 速度传感器矢量控制技术的发展进行了综述，归纳比较了各种控制方法的优缺点。接着 阐述了空间电压矢量控制( s v p w m ) 的原理、坐标变换、磁场定向控制和异步电机在 不同坐标系下的数学模型，为进一步研究异步电机无速度传感器矢量控制技术提供了理 论基础。然后详细分析了m r a s 和速度自适应全阶状态观测器两种速度辨识方法并对 电机的定、转子参数进行了辨识，提高了系统的动静态特性，在此基础上建立了基于两 种方法的无速度传感器矢量控制系统，并在m a t l a b s i m u l i k 系统下对这两种异步电机 无速度传感器矢量控制系统在不同的情况下进行了详细的仿真，并对仿真结果进行了分 析和比较。仿真结果表明本文所采用的两种无速度传感器矢量控制系统是有效的、合理 的。由于全阶速度自适应转子状态观测器采用了误差校正环节，其转速估算的精度比模 型参考自适应系统的估算精度要高。又根据上述分析在所做项目电梯门机变频器系统的 基础上对硬件和软件进行了修改，设计出一种无速度传感器的矢量控制系统，其电路主 要包括主电路、检测电路、控制电路、保护电路、人机交互电路和电源电路设计，并对 系统的可行性做了初步的验证。 最后对本文的工作进行了总结，对以后的研究做出了分析和展望。 关键词：交流调速；矢量控制；模型参考自适应；状态观测器 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t r e s e a r c ho ns p e e d - - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l s y s t e m f o r a s y n c h r o n o r sm o t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do n c o m p u t e r , t h et e c h n i c a lr e v o l u t i o no fe l e c t r i c a ld r i v ei sp r o m o t e d i ti sat r e n dt h a ta cd r i v e r e p l a c e sd cd r i v ea n dc o m p u t e r - a i d e dd i g i t a lc o n t r o lt a k e st h ep l a c eo ft r a d i t i o n a la n a l o g c o n t r 0 1 t h e s p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lo fa s y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e c o m eaf o c u s g r a d u a l l ya sa ni m p o r t a n ta p p r o a c hd i r e c t i o ni nm o d e ma l t e r n a t i n gc u r r e n tm a c h i n ec o n t r 0 1 t h et h e s i sm a d eas t u d yo nt h es p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , i ti s s u m m a r i z e dt h a tt h e p r o g r e s so fc o n t r o ls t r a t e g i e so fa l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o r a n d s p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s w h a t sm o r e ，t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n ts t r a t e g i e sa r ee n u m e r a t e da n dc o m p a r e d t h e n ，t h ep r i n c i p l e so f v e c t o rc o n t r o l ，c o o r d i n a t ec o n v e r s i o na n ds p a c ev e c t o r p u l s em o d u l a t i o n ( s v p w m ) a r e e x p o u n d e d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l so fa s y n c h r o n o u sm o t o ri n d i f f e r e n tc o o r d i n a t e sa r e i n t r o d u c e d ，w h i c ho f f e r st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h es p e e d - s e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o ls y s t e mf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r s e c o n d l y ，i td i s c u s s e st w ok i n d so fs p e e d i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) a n df u l l o r d e rs p e e da d a p t i v eo b s e r v e ri nd e t a i l ，t h e ng i v er e a l t i m ei d e n t i f i c a t i o nf o rt h es t a t o ra n d r o t o rp a r a m e t e r si no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o n so f s p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e ma n df u l l o r d e rs p e e da d a p t i v es t a t eo b s e r v e ra r er e a l i z e di nm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h et w ok i n d so f s p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m sf o ra s y n c h r o n o u sm o t o ra r eb o t he f f e c t i v ea n d r a t i o n a l t h es p e e de s t i m a t i o no ff u l lo r d e rs p e e da d a p t i v er o t o rs t a t eo b s e r v e ri sm o r e a c c u r a t et h a nm r a s ，b e c a u s et h ee r r o r - c o r r e c t e dl o o pi su s e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v e ，ih a v e m o d i f i e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h ee l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n e da s p e e d 。s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m s ，e x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l e t h e s y s t e mm a i n l yi n c l u d e s t h em a i nc i r c u i t ，t h ed e t e c t i o nc i r c u i t ，t h ec o n t r o l c i r c u i t ，t h e h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ep o w e rc i r c u i t f i n a l l y , t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da n dg i v e st h ea n a l y s i sa n dp r o s p e c tf o rt h ef u t u r e i i l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h k e yw o r d s ：a cs p e e d - a d j u s t i n g ；v e c t o rc o n t r o l ；m r a s ；s t a t eo b s e r v e r i v 一 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要ii a b s t r a c t iii 第1 章绪论l 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 交流电机控制技术的发展趋势1 1 2 1 交流电机控制技术的概述一1 1 2 2 交流电机控制技术的发展趋势5 1 3 交流电机无速度传感器矢量控制系统速度辨识方法5 1 4 本文研究的主要内容8 第2 章矢量控制的基本原理9 2 1 异步电机矢量控制的基本思想9 2 2 矢量控制的坐标变换1 2 2 2 1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换( 3 s 2 s 变换) 1 2 2 2 2 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换( 2 s 2 r 变换) 1 3 2 3 磁场定向控制原理1 3 2 4 异步电动机在不同坐标系下的数学模型1 4 2 4 1 静止坐标系o a 卢系统中的数学模型1 4 2 4 2 同步旋转坐标系m t 系统中的数学模型：1 5 2 5 转子磁链观测器1 6 2 6s v p w m 控制的基本原理1 7 2 6 1 电压矢量与磁链矢量的关系1 7 2 6 2 基本电压空间矢量18 2 6 3s v p w m 技术的关键问题2 0 2 7 本章小结2 2 第3 章无速度传感器矢量控制系统的速度辨识2 3 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 无速度传感器矢量控制系统的现有技术指标。2 3 3 2 无速度传感器矢量控制系统的结构2 4 3 3 基于模型参考自适应系统( m r a s ) 的速度辨识方法2 5 3 3 1 模型参考自适应系统的速度辨识原理2 5 3 3 2 异步电机定子电阻变化的补偿和转子电阻的辨识2 8 3 4 改进的全阶速度自适应转子状态观测器速度辨识方法3 1 3 4 1 全阶速度自适应转子状态观测器速度辨识的基本思想3 l 3 4 2 状态观测器的构成3 1 3 4 3 转速自适应规律：3 2 3 4 4 增益矩阵的简化3 3 3 4 5 速度估算观测器的构成3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章无速度传感器矢量控制系统仿真3 7 4 1 各仿真模块在m a t l a b 中的实现3 7 4 1 1 坐标变换仿真模型3 7 4 1 2 速度、电流调节器仿真模块3 8 4 1 3 转子磁链观测器模型3 9 4 1 4m r a s 速度辨识仿真模型4 0 4 1 5 全阶速度自适应转子状态观测器仿真模型的建立4 0 4 1 6 空间电压矢量控制( s v p w m ) 仿真模块4 1 4 2 无速度传感器矢量控制系统在s i m u l i n k 中的实现。4 3 4 3 仿真结果及分析4 4 4 4 本章小结。4 9 第5 章无速度传感器矢量控制系统的软硬件实现5 l 5 1 系统总体设计方案51 5 2 系统的硬件实现5 2 5 2 1 主回路介绍5 2 5 2 2 控制电路设计5 5 5 2 3 可编程逻辑控制电路5 9 一v i 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 4 保护电路5 9 5 2 5 人机交互电路设计6 l 0 2 6 高频开关电源电路6 3 5 3 系统软件设计6 4 5 4 本章小结6 7 第6 章总结与展望6 9 参考文献7 1 致谢7 5 一v l i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着电力电子器件的发展，交流电机特别是鼠笼异步电机由于结构简单、制造方便、 价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点， 在工农业生产中得到了广泛的应用。而矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态特 性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃，从而成为近年来 应用的焦点。但是在高性能的异步电机矢量控制系统中，为了提高系统的性能转速的闭 环控制环节一般是必不可少的，在这种情况下通常采用光电码盘、测速发电机等速度传 感器来进行转速检测，并反馈转速信号。然而，由于速度传感器的安装给系统带来了很 多缺陷。如系统的成本大大增d i ：i ；精度越高的码盘价格也越贵；码盘在电机轴上的安装 存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电机轴上的体积增大，而且给电机的 维护带来一定困难，同时破坏了异步电机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，码盘工 作的精度易受环境的影响。因此，越来越多的学者将眼光投向无速度传感器控制系统的 研究。无速度传感器控制系统很好的解决了有速度传感器带来的一些问题，但速度辨识 的准确性很大的影响的系统的性能，因此，对速度辨识环节的研究受到了广泛的关注， 国内外学者也提出了很多辨识方法，精确度在不断提高。而对无速度传感器系统的控制 也成为重中之重，国外在2 0 世纪7 0 年代就开始了这方面的研究，但首次将无速度传感 器应用于矢量控制是在1 9 8 3 年由r j o e t t e n 完成，这使得无速度传感器交流传动技术上 了一个新台阶，但对无速度传感器矢量控制系统的研究仍在继纠1 2 】。本文针对这种情 况对两种速度辨识方法的控制系统进行了分析，引入了空间电压矢量控制环节，使系统 整体性能得到了提高，因而具有非常重要的意义。 1 2 交流电机控制技术的发展趋势 1 2 1 交流电机控制技术的概述 交流电机控制技术的发展是与电力电子技术、数字控制技术和控制策略的发展紧密 相关的。 1 电力电子技术对电机控制技术发展的影响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，尤其是新的可关断器件，如功率晶体管( g t r ) 、f - j 极可关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、功率m o s ( p o w e rm o s f e t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等，由于不再需要附加强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧 凑。 一1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代以后，大功率半导体器件又向智能化发展。智能功率模块 i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是向第四代器件功率集成电路( p o w e ri c p i c ) 的过渡产品， 它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。目前，由i g b t 单元构成的功率模块在 智能化方面得到迅速发展。i p m 不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报警 功能。i p m 以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件，利用i p m 的控制功能， 与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。由于采用了隔离技术，使得器件 散热均匀，体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统的开发时间、开发费用都大大减 少【3 】o 随着新型电力电子器件的不断涌现，使得高频化脉宽调s q ( p w m ) 成为可能，变频技 术也获得了飞速发展。p w m 脉宽调制控制分为等脉宽p w m 控制、正弦波脉宽调制 ( s p w m ) 、空间矢量脉宽调锘i j ( s v p w m ) 和电流追踪型p w m 。脉宽p w m 控制的输出电 压和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分。s p w m 在进行脉宽调制时，使脉 冲系列的占空比按正弦规律来安排，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波 成分大为减少。空间矢量脉宽调制s v p w m 在电压利用率和功率器件开关损耗方面优于 s p w m 控制。理论上，逆变器在线性范围内输出的最大基波相电压幅值是s p w m 输出 的1 1 5 倍。电流追踪型p w m 控制，其逆变器输出的电压是p w m 波，输出的电流是带 锯齿形的正弦波，只要逆变器的开关器件具有足够高的开关频率，则定子电流就能很快 的调节其幅值和相位，使电动机电流得到高品质的动态控制。但由于通常其电流谐波分 量大，总功率因数仍然很低，因此，p w m 整流技术的研究、新型单位功率因数变流器 的开发，在国内外已经引起广泛的重视。p w m 逆变器尤其是大功率逆变器，工作频率 不但取决于开关速度，而且取决于开关损耗的限制 4 - 5 1 。 2 数字控制技术对交流电机控制技术发展的影响在控制技术方面，初期的交流调 速系统均采用模拟控制器，因为要完成诸如矢量变换等复杂的在线运算，所以电路十分 复杂。从8 0 年代开始，控制器经历了8 位微机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号 处理器( d s p ) 3 个阶段的发展，实现了系统的全数字化控制，不但使控制电路明显得到简 化，并改善了系统的可靠性、可使用性和可维修性( r e l i a b i l i t y , a v a i l a b i l i t y , s e r v i c e a b i l i t y r a s1 ，而且使交流调速系统的功能更加完善，使用更加方便，以至进入9 0 年代后交流 电动机及其控制系统正在取代直流电动机成为电力传动系统的主流。微型计算机作为控 制系统的核心部件，不仅可以按照各种控制思想及数学模型进行在线快速计算及控制， 而且还具有监视、显示、保护、故障自诊断及自复原等功能。因此数字调速技术不仅使 传动系统获得高精度和高可靠性，还为现代控制理论与方法在交流电动机调速技术上的 应用提供了物质基础1 6 1 。 3 交流电动机的控制策略交流电动机的控制策略任何旋转电机都是空间磁场力 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的相互结果，交流电机也不例外。虽然二相、三相交流绕组甚至更多相绕组都可形成空 间旋转磁场，但是它们产生转矩的作用原理和直流电机都是一样的，这就是电机的统一 理论( 在这种理论里，将所有电机都视为一种机电能量转换装置，先建立机电系统的运 动方程，得出统一的数学形式来描述支配各类电机的共同规律，然后再根据各类电机的 特点和约束条件的差别，对它们逐类进行稳态和动态性能的分析) 。在2 0 世纪7 0 年代 初西德和美国学者在交流电机和直流电机的比拟中提出了把交流电机当作直流电机一 样通过坐标变换进行磁场和转矩独立控制的思想，并且把这一原理运用到闭环控制系统 中，取得了成功。这样矢量控制原理就作为交流调速的一个理论依据为人们所重视并加 以深入研究。进一步的研究和实践表明，矢量控制本质是电机统一理论的一种实现方式 和表达形式，因而更加确立了矢量控制原理在交流调速理论中的地位。在以后的其他各 种方法，大多数都是不同形式和不同角度的利用和遵循了这种理论和原理【7 】，随着现代 控制理论的发展，智能控制在交流调速中的应用也越来越广泛，如自适应控制、神经网 络控制、模糊控制等，这些先进的控制策略已经在一些行业有了成功的应用。 在异步电机调速系统的各种类型中，变频调速是效率最高的一类。在交流调速系统 中，变频调速应用最多、最广泛。目前实用的变频调速控制类型主要有以下几种：( 1 ) 恒压频比( v f ) 控制；( 2 ) 转差频率控制；( 3 ) 矢量控制；( 4 ) 直接转矩控制；( 5 ) 自适应控 制。 下面分别对这几种变频调速控制类型进行简单的介绍。 ( 1 ) 恒压频比( v f ) 控制 在开始研究和应用交流调速时，人们对交流电机的动态模型还不是十分清楚，只能 从其静态模型出发来探讨调速方法。为了充分利用电机铁心，希望在调速时保持磁通不 变。从异步电机的静态模型可以证明，要保持磁通不变，应使定子感应电动势与频率成 正比，如果忽略定子电阻，可近似为定子电压与频率成正比，于是出现了开环恒压频比 ( v f ) 控制方法。这种方法至今仍普遍应用于对性能要求不高的节能调速和一般工艺调速 中，如风机、泵类等的调速。但是由于这种控制方法是开环控制，异步电动机的转速会 随着负载变化而变化，调速精度也不高，在对调速性能有一定要求的场合下满足不了要 求。 ( 2 ) 转差频率控制 继恒v f 控制后出现了转差频率控制。从异步电机静态模型可以证明，当保证磁 通恒定时，电磁转矩近似与转差频率成正比，因此通过控制转差频率就可以控制转矩。 与恒v f 控制相比其控制的优点在于实现闭环控制，控制对象为电磁转矩而不是供电 频率。采用转速闭环的转差频率控制，可以得到较平滑而稳定的调速，可以获得比恒 v f 控制更高的调速性能。但是当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时， 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。 ( 3 ) 矢量控制【8 1 1 j 上面的恒压频比控制以及转差频率控制，由于它们的基本控制关系是建立在异步 电机静态数学模型的基础上的，其被控制变量( 定子电压有效值，定子电流有效值，定 子供电频率，转差频率) 都是在幅值意义上进行的控制，而忽略了幅角( 相位) 控制，虽 然能获得良好的静态性能，但在稳定性、启动及动态响应等方面的性能尚不能令人满 意。矢量控制采用坐标变换的方法，把异步电机等效成类似直流电机的模型，从而可 以模拟直流电机的控制，对异步电机的电磁转矩和工作磁通分别进行控制。它成功地 解决交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样，实现交流电动机的磁通 和转矩分别独立控制，从而使交流电机变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点。 与以往的控制方法相比，矢量控制的启动性能、速度控制范围、控制精度等方面都有 了长足的进步。它的速度控制范围为0 1 0 0 ，而恒控制只能达到1 0 1 0 0 ；它 的启动性能也明显优于恒v f 控制，启动转矩可达1 0 0 ，而恒v f 控制只能达到 6 0 8 0 。自2 0 世纪7 0 年代至今，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和 实践，形成了当今在工业生产中得到了普遍应用的高性能交流调速系统。然而，在实 际应用中由于转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及 在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以 达到理论分析的结果。这是矢量控制技术的不足。 ( 4 ) 直接转矩控制【1 2 。1 6 】 矢量控制理论的提出和成功应用，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣和 热情。8 0 年代掀起了交流调速热潮，矢量控制理论进一步完善和发展，矢量控制系统 进一步简化与合理。同时也出现一些新的控制策略和方法。1 9 8 5 年德国学者 d e p e n b r o c k 提出了一种异步电动机的直接自控制理论d s c ( d i r e c t s e l f - c o n t r 0 1 ) ，通常 称为直接转矩控制。它把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效 果。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较， 把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差大小由频率调节器来控制。它的控制效果 不取决于电机数学模型，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既简单又直接，具有 较高的动态响应。直接转矩控制直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型，控 制电动机的转矩和磁链，省掉矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少矢量控制 技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但其输出转矩有脉动，磁链模型在低速时 误差大，又使系统的调速范围受到限制。 ( 5 ) 自适应控制1 7 。2 0 】 自适应控制又称为模型参考自适应控制，这一设想在5 0 年代初由考德威尔 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( g o l d w e l l ) 提出，属于智能控制的范畴。1 9 5 8 年美国麻省理工学院的惠特卡( w h i t a k a r ) 等首先提出了采用模型参考自适应( m r a s ) 的方案来设计飞机自适应自动驾驶仪的方 法。由于其实现上的困难和计算上的复杂，没有得到充分的发展。7 0 年代后，计算机 技术特别是微型机的发展和普及，伺服控制和系统辨识等的成熟，使得对自适应控制 的研究又活跃起来。数十年来，己形成了较为完整的理论，并获得了许多成功的应用。 随着自适应控制技术的进步，其在电梯门机控制系统中的应用研究也越来越广，本文 即在此背景下研究自适应控制在电梯门机控制系统的应用与开发，提出相关的方案并 给出相应的实现方法。 1 2 2 交流电机控制技术的发展趋势 综观交流调速系统的发展和现状，可以看出交流调速技术今后的发展趋势。 高性能交流调速系统的进一步研究；新型功率变换器的研究与开发；p w m 技术的 改进、优化；高压变频装置的研究和技术开发。 围绕以上四个方面，现代交流调速技术研究与开发的主要课题有： ( 1 ) 控制理论和控制技术方面的研究和开发 交流调速系统的综合校正理论及工程设计方法是今后交流调速系统的重要研究课 题；转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究的攻坚课题；模糊 自寻优控制、人工神经网络控制等智能化控制方法在交流调速系统中的引入，成为交流 调速控制理论的研究发展方向；直接转矩控制技术的不断完善和发展，其主要课题是低 速时定子参数对磁链运动轨迹的影响以及调速范围；无速度传感器的交流调速系统已广 泛应用，但其转速对算精度和控制的实时性有待进一步提高。 ( 2 ) 变频器主电路拓扑结构研究与开发 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中需要解决的重要问题之一；具有软开 关技术的谐振变流器的研究与开发；矩阵式变换器的研究。 ( 3 ) p w m 模式改进与优化研究 ( 4 ) 高、中压变频器装置的研究与开发 ( 5 ) 由于在高性能控制系统中产生的高次谐波对系统整体稳定性影响较大，因此 在谐波抑制方面的研究也是重要的问题之一。 1 3 交流电机无速度传感器矢量控制系统速度辨识方法 交流电机无速度传感器的矢量控制技术是在常规带速度传感器的矢量控制基础上 发展起来的，也是沿用磁场定向控制技术，只是电机转速的获取途径和方法不同。因此， 无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确地获取电机的转速信息，利用容易测量的 定子电流、电压等信息综合计算出电机旋转速度，目前已经提出了许多方案【2 卜2 4 1 。总的 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 来说可以分为以下几类： 1 ) 动态估计法； 2 ) 模型参考自适应法( m r a s ) ； 3 ) 基于自适应全阶状态观测器的方法； 4 ) 基于扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 的方法； 5 ) 高频信号注入法； 6 1 基于神经网络的方法。 1 动态估计法主要包括转子磁通估计法和转子反电势估计法，都是以电机模型为 基础，这种方法算法简单、直观性强。由于缺少误差校正环节，抗干扰能力差，对电机 的参数变化敏感，在实际实现时，加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化 和抗干扰的鲁棒性，才能使系统获得良好的控制效果。a b b 、东洋电机曾在产品中使用 该方法。 2 模型参考自适应方法基于模型参考自适应( m r h s ) 方法的转速估计的基本思想 是将不含转速的方程作为参考模型，而将含转速的方程作为可调模型，两个模型具有相 同物理意义的输出，利用这两个模型输出量的偏差构造适当的自适应律，实时调节可调 模型中的转速，以达到可调模型的输出跟踪参考模型的输出，最终实现转速估计的目的。 模型参考自适应方法是一种基于稳定性设计的方法，能够保证估计的渐近收敛。根据参 考模型及可调模型的不同选择，可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。 转子磁通估计法采用电压模型为参考模型，引入了纯积分，低速时转子磁通估计法需要 改进；反电动势估计法去掉了纯积分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然 存在；无功功率法消去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。 2 5 - 2 7 o 总的来说，m r a s 是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛 性。但是它是以参考模型的准确度为基础的，参考模型本身的参数准确程度影响到速度 辨识精度和控制系统的精度。 3 基于自适应全阶状态观测器的方法前面提到的几种转速估计方法，都需要使用 转子磁链的开环重构( 观测) 值，因此本质上都属于开环性质的观测方法。这些开环转速 估计方法是无法克服电机参数变化和积分漂移带来的误差的，因此估计性能较差。 采用全阶观测器的方法，可以得到闭环性质的转速估计方法，这类方法利用转子磁 链观测值以及定子电流的观测值与测量值的偏差来估计转速，根据状态偏差的动态方程 和l y a p u n o v 稳定性理论推导出自适应律。常见的自适应全阶状态观测器有基于扩展龙 贝格观测器( e l o ) 和基于滑模的观测器【2 8 3 1 1 。 这类方法仍然含有m r a s 的思想，只是参考模型变成了异步电机本身，可调模型 一6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 变成了闭环全阶观测器。 这类方法在全速度域的稳定性和动态特性较好，但e l o 是基于确定性方程的观测 方法，转速估计效果仍然受电机非线性特性及转子电阻等电机参数变化的影响。基于滑 模观测器的自适应转速估计方法对参数偏差、系统噪声有很好的稳定性，提高了估计的 鲁棒性。 4 基于扩展卡尔曼滤波器的方法自1 9 6 0 年r e k a l m a n 提出卡尔曼滤波器 ( k a l m a nf i l t e r - k f ) 以来，它在各个领域得到了非常广泛的应用，已经成为线性系统状态 估计问题的标准算法。在非线性估计方面，通过一阶线性化方法用卡尔曼滤波器进行滤 波估计的扩展卡尔曼滤波器( e k f ) ，凭借方法简单、可实现性强、快速收敛等优点成为 了应用最为广泛的非线性系统状态估计算法。e k f 提供了一种迭代形式的非线性估计算 法，避免了微分运算，而且可以通过调节误差协方差阵来调节状态估计的收敛速度。此 外，由于基于e k f 的转速估计方法是建立在系统的随机过程模型上的，因此具有很强 的抗噪能力，这是其它转速估计算法所不具备的。其算法的统计本质使得e k f 非常适 合于克服异步电机模型的不确定性和非线性，估计性能优越，因而成为转速估计问题研 究的热点，引起了学者广泛的关注。 5 高频信号注入法高频信号注入法通过在电机定子侧注入一个三相平衡的高频 电压信号，利用人为造成的或内部寄生的不对称性，使电机产生一个可检测的磁凸极， 通过对该磁凸极位置的检测来获取转速信息。该方法不依赖于电机参数和运行工况，可 以工作在极低速甚至是零速运行状态下，计算量不大。这类方法为转速估计提供了一种 新的思路。然而，这类方法要求的测量精度非常高高，这提高了软硬件的复杂程度。此 外，对于凸极特性程度较低的电机，较难实现，而要增强i 兀l 极性就要求电动机的设计更 加精确。因此，这类方法的实用前景并不乐观。 6 基于神经网络的方法人工神经网络因其具有自适应、自学习的本质，非常适合 于解决非线性问题。而异步电机转速估计正是这样一类问题，因而近年来出现了相当多 的用神经网络作异步电机转速估计的研究。文献【3 1 3 3 】中采用修改的并联模型结构，用神 经网络替代电流模型转子磁链观测器，用误差反传算法取代比例积分自适应律进行转速 估计，网络的权值为电机参数，网络的输入、输出具有明确的物理意义。利用神经网络 估计异步电机矢量控制系统的反馈信号( 包括转速、磁链、转矩) ，以电机可测量( 即定子 电压、电流) 作为输入样本，通过对多层非线性前向网络进行训练，使网络能对电机转 子磁链、转矩及转速进行辨识，且将辨识结果用作矢量控制系统的反馈。较其它估计方 法而言，这样的神经网络估计器计算速度快，容错性强，抗谐波干扰，它的缺点是反复 的训练会花费大量时间。而用反向传播b p 神经网络实现异步电机的转速估计，其优点 在于不需要事先进行离线训练和模式训练，直接在线训练、在线使用。神经网络理论在 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 交流传动控制系统中的应用尚处于起步阶段，各种方法仍处于不断探索与完善之中。然 而，可以预见随着人工神经网络理论与应用技术的日益成熟，必定会对交流传动控制技 术产生很大的影响。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究交流异步电机的无速度传感器矢量控制方法，首先基于异步电机的基 本原理，详细分析异步电机矢量控制以及空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 的基本原 理。其次对交流异步电机的无速度传感器控制的转速估计方法进行详细地研究，阐述模 型参考自适应方法、速度自适应转子磁链全阶状态观测器的基本原理，重点研究模型参 考自适应方法和全阶速度自适应转子状态观测器的异步电机无速度传感器矢量控制方 法。详细介绍控制系统的结构组成及实现方法，并在m a t l a b s i m u l i n k 中进行了仿真。 最后，文章对系统的软硬件进行设计。 针对本课题的主要工作，论文的结构安排如下： ( 1 ) 绪论部分简要描述了课题的研究背景，阐述了交流调速的发展概述和无速度传 感器的发展现状。 ( 2 ) 第二章详细介绍了矢量控制的基本原理，给出了详细的理论推导及计算，并且 推导出空间电压矢量控制的实现方法。 ( 3 ) 第三章详细介绍了两种速度辨识方法，对两种方法进行分析和计算，并在此基 础上分析了基于这两种辨识方法的空间电压矢量控制系统。 ( 4 ) 第四章利用m a t l a b s i m u l i n k 对两种速度辨识方法的矢量控制系统进行的仿 真分析。 ( 5 ) 第五章在所做的电梯门机控制器基础上设计出系统的硬件和软件。 ( 6 ) 第六章为总结与展望，对本论文的整体工作做了总结并做了展望。 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章矢量控制的基本原理 第2 章矢量控制的基本原理 任何电力拖动系统都服从于基本运动方程式： z 一正：g d 2 一d n ( 2 1 ) 。 3 7 5d t 式中，互为电动机的电磁转矩，互为负载转矩，d - = 罢为转动惯量，n 为电动机的