（电力系统及其自动化专业论文）异步电机的矢量控制技术研究.pdf

同济大学硕士学位论文异步电机矢量控制技术研究 a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fn e w p o w e rd e v i c e sr e s u l t si nt h er a p i dp r o g r e s so fp o w e ra n d e l e c t r o n i ca l t e r n a t i n gc u r r e n tc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e s i nt h o s et e c h n i q u e s ，t h ev e c t o r c o n t r o lo fa s y n c h r o n o u sm o t o ri su s e dw i d e l yd u et oi t se x c e l l e n ts t e a d ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e t h i st h e s i sc e n t e r so nt h ea n a l y s i so fa n dr e s e a r c hi n t ov e c t o rc o n t r o ls y s t e mi n s u c hr e s p e c t sa sp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n i q u e ，a n df a u l td i a g n o s i sa n dp r o t e c t i o nt e c h n i q u e t h et h e s i sa l s oa n a l y z e s r o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt o o l a n dd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft h ew h o l ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i su n d e r t a k e sa s o p h i s t i c a t e ds t u d yo f v e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，i n c l u d i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r ，r e f e r e n c ef r a m et r a n s f o r m a t i o na n d t h ea l g o r i t h mo fi n d i r e c tr o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 t h et h e s i sp r o b e si n t op w mt e c h n i q u ea n da n a l y s e s s p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) i nd e t a i l ，d e d u c e st h ea c t i v et i m ei ne a c hs e c t o ra n dp u t sf o r w a r dt h e m e t h o do fs u b s t i t u t i n ga c t i v et i m eo fh a l fs e c t o rf o rt h a to ft h ew h o l es e c t o r s ，w h i c h m a k e sc a l c u l a t i o ne a s i e r t h et h e s i sa l s oa p p l i e st h e o r yo fs v p w mt op r o d u c i n g p w mw a v e f o r m ，u s i n gd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 4 0p r o d u c e db yt i c o r p o r a t i o n t h et h e s i sm a k e sas t u d yo nt h em e t h o do fs p e e da n df i e l di d e n t i f i c a t i o no f a s y n c h r o n o u sm o t o r a n das i m p l ea n de f f e c t i v 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 l m e t h o di sb r o u g h to u ta n da n a l y z e db yc o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o n t h et h e s i st a l k sa b o u tt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k ， i n c l u d i n gn o r m a lv e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u ea n ds p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lm e t h o d p u tf o r w a r di nt h e3 r ds e g m e n t t h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h es c h e m ei sf e a s i b l ea n d r e l i a n t t h et h e s i sp u t st h et e c h n i q u e sa b o v ei n t ov e c t o rc o n t r o lo fa na s y n c h r o n o u s m o t o ru s i n gd s et h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h ef o r m e ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni s c o r r e c ta n dt h ev e c t o rc o n t r 0 1i sah i g hp e r f o r m a n c es c h e m ef o ra s y n c h r o n o u sm o t o r k e y w o r d s ： v e c t o r c o n t r o l ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ， c o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 格式： 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 樽的成果，撰写成博士硕士学位论文“墨篁鱼垫垒塑幽丝叠彩。 除论文中已经注明引用的内容外，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。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 撕2 ，年二月砷日 t 同济大学硕士学位论文 1 绪论 第1 章绪论 随着电力电子技术和数字控制技术的发展，交流电机在电传动领域取代直流 电机已成为不可逆转的趋势。异步电机构造简单、坚固、适用于高速旋转，但是 和同步电机相比，运行效率较低。普通的变频调速装置采用恒定磁通控制，即 v f 恒定控制，电机即使在轻载运行时，其磁场的大小并不改变，电机的铁损耗 并不会因为电机的轻载运行而减小，特别是当电机负载变化时将会造成电能的浪 费，此种变频调速系统虽然具有构造简单、价格低等优点，但是它的动态性能差。 现在，各种通用的和高性能的交流电机控制策略相继诞生，而在高性能异步电机 调速系统中通常采用具有良好动静态性能的矢量控制，其控制性能可以和直流调 速相媲美。 1 1 交流调速技术的概况与趋势 自1 9 5 8 年晶闸管( s c r ) 在美国g e 公司诞生以来，电气传动技术就进入 了电力电子发展时代，电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。在电气 传动控制系统中，电力电子技术的作用主要是构成功率变换器，它作为弱电控制 强电的枢纽，起着至关重要的作用。 传统的电力电子器件是以晶闸管( s c r ) 为代表的，用它构成的可控硅整流 装置使直流传动占据传动领域统治地位达数十年之久。然而晶闸管属于半控型器 件且频率低，除在某些超大容量的场合中还在使用外，中小容量场合已被逐渐取 代了。川2 0 世纪7 0 年代以后，g t r 、g t o 、p o w e rm o s f e t 、i g b t 、m c t 等 全控型器件先后问世。由于i g b t 兼有m o s f e t 和g t r 的优点，是用于中小功 率目前最为流行的器件，m c t 则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和m o s f e t 的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件 正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。目前己应用于交流调速的智能功 率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e i p m ) 采用i g b t 作为功率开关，含有电流传 感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障 诊断、自我保护等多种智能功能，是功率器件的重要发展方向。 随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。p w m 控制 技术一直是变频技术的核心技术之一。一般认为，1 9 6 4 年西德的a s c h o n u n g 和 h s t e m m l e r 首先在( ( b b c 评论上发表文章，提出把通信系统的调制技术应用 同济大学硕士学位论文 i 绪论 到交流传动中，产生了正弦脉宽调制( s p w m ) 变压变频的思想，从而为交流传 动的推广应用开辟了新的局面。“1 所谓p w m 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形 状的电压脉冲序列，以实现变频变压并有效地控制和消除谐波的- - f 技术。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，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在 线的p w m 信号输出，可以说到现在，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并 一直是人们研究的热点。在世界能源紧张、节能已成为工业生产主要课题的今天， p w m 调速技术更显示出其优越性。 目前已经提出了多种p w m 控制方案。其中，空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 逆变器以追踪磁通正弦为目标，以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼 近定子磁链的给定轨迹理想磁通圆，确定逆变器的开关状态，形成p w m 波 形。由于其控制简单、数字化实现方便，且直流母线电压利用率高，已呈现出取 代传统s p w m 的趋势。另外还经常采用电流的闭环控制，即电流正弦p w m 技 术，使电机具有良好的动态特性，且在低速下也能平稳运转。 在变频技术飞速发展的同时，交流异步电机控制技术也取得了突破性进展。 对任何电气传动系统而言，从动态转矩到转速均为一积分环节，动态转矩为电磁 转矩和负载转矩之差，因而电磁转矩是联系电系统和机械系统的纽带，传动系统 性能的好坏，归根结底取决于系统控制电磁转矩的能力。交流电机是一多变量、 非线性、强耦合的受控对象，其电磁转矩的产生和定转子磁场及其夹角有关，因 此，如欲控制转矩，必先控制磁通。如何使交流电机获得和直流电机一样的转矩 控制性能，是对交流电机实施有效控制的关键。而矢量控制和直接转矩控制系统 基于交流电机的动态数学模型，因而动态性能好，转矩响应速度快，获得了与直 流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 3 】 同时，单片微机、数字信号处理器( d s p ) 等微处理机引入电机控制系统， 尤其是近年来能够进行复杂运算的数字信号处理器的应用，使得复杂的电机控制 得以实现。另外，微机运算速度不断提高，存储器大容量化，进一步促进了数字 控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向。 异步电机控制系统尤其是矢量控制系统的控制质量对电机参数依赖性比较 同济大学硕士学位论文1 绪论 大，为使控制准确，必须对一些量比如磁链等进行在线识别。同时，无速度传感 器控制系统的研究，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，免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了 系统可靠性，这样，转速磁链的同时辨识引起了广泛兴趣。 1 2 交流调速方法 在电传动领域，相继诞生了多种通用的和高性能的交流电机控制策略，主要 有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制等。 一、基于稳态电机模型的控制策略 转速开环恒压频比转差频率控制和转速闭环转差频率控制是依据电机的稳 态数学模型，其动态性能不高，但控制规则简单，仍在一般的调速系统中应用。 二、基于动态电机模型的控制策略 要获得高动态性能，必须依据电机的动态数学模型建立控制系统。交流电机 的输入量是定子电压和定子频率，输出量是电机转速和磁链，如果仍采用简单的 线性p i d 控制器，就必须对电机数学模型进行解耦，通过解耦使电机模型线性 化。基于动态电机模型的控制策略有矢量控制、直接转矩控制等。 异步电机矢量控制技术是由德国学者k h a s s 和f b l a s c h k e 建立起来的。矢 量控制实际是一种解耦控制，通过坐标变换和其他一系列的数学运算，将交流电 机的定子电流分解为按磁链定向的励磁电流分量i 鲥和转矩电流分量o ，通过对 这两个电流分量的单独控制实现对电磁转矩和磁通的分离控制。 直接转矩控制是d e p e n b r o c k 于1 9 8 4 年提出的，它和矢量控制中采用的解耦 控制方法不同，是一种快速的瞬时转差控制方法，其本质是通过给电机施加不同 的电压矢量来控制定子磁链，使定子磁链矢量顶点的迹为一个具有某一带宽的 圆。磁链的幅值和瞬时速度分别反映定子电流的励磁分量和转矩分量，从而实现 转矩和定子磁链的瞬时解耦。 矢量控制和直接转矩控制都是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控 制，没有或较少应用控制理论。近年来，由于变频器性能的改善和微处理器能力 的增强，已经可以实现较为复杂的控制算法，因此基于交流电机的非线性本质， 在非线性控制理论的基础上研究其控制策略便成为研究工作的新热点。但由于其 同济大学硕士学位论文 1 绪论 基础是已知参数的电机模型，因而参数的变化不可避免地要影响控制系统的稳定 性。 1 3 本文论文提要 本文在分析异步电机矢量控制技术原理的基础上，讨论了矢量控制系统中的 p w m 技术、异步电机参数识别技术和系统的故障诊断与保护技术，并对异步电 机转子磁场定向矢量控制系统的应用m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真分析。全 文内容如下： 1 异步电机矢量控制技术研究 第二章对异步电机矢量控制技术作了深入研究，具体包括异步电机的数学模 型、坐标变换理论以及异步电机矢量控制系统基本原理的论述，间接型转子磁场 定向矢量控制的算法。 2 异步电机的参数识别技术研究 第三章在对异步电机参数磁链和速度识别的各种方法进行分析的基础 上，提出了一种采用旋转坐标系下的磁链模型实现对磁链和速度的同时估计的方 法，本文后面的仿真研究证明该方案的正确性和可行性。 3 逆变器p w m 控制技术的研究 第四章对逆变器的各种p w m 控制技术进行了分析，重点分析了空间电压矢 量p w m ( s v p w m ) 技术的原理，推导了每一扇区矢量作用时间，提出用一半 扇区的矢量作用时间代替全部扇区的作用时间以节省计算量的方法，并采用t i 公司生产的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 进行实现，产生p w m 控制波 形，应用于矢量控制系统。 4 异步电机矢量控制系统在m a t l a b 环境中的实现 第五章说明了异步电机的矢量控制系统在m a t l a b 中的实现方案，包括控 制系统和电机数学模型的建立，各控制器的实现方法等。 5 转子磁场定向矢量控制系统的仿真研究 第六章分析了矢量控制系统中的基本环节和p i 调节器的设计问题，并采用 s i m u l i n k 仿真模型，分别对带速度传感器和无速度传感器转子磁场定向矢量 控制系统进行了仿真研究，并对结果进行了分析。 6 异步电机全数字化矢量控制系统 同济大学硕士学位论文1 绪论 第七章介绍了采用第二六章分析的矢量控制策略、s v p w m 技术及相应 的故障诊断与保护技术的全数字化矢量控制系统的具体实现，并给出了相应的实 验结果。 参考文献： 【1 】黄俊，半导体变流技术，北京：机械工业出版社，1 9 8 0 【2 】s c h o n u n ga & s t e m m l e rh s t a t i cf r e q u e n c yc h a n g e rw i t hs u b h a r m o n i c sc o n t r o li n c o n j u n c t i o nw i t hr e v e r s i b l ev a r i a b l es p e e da cd r i v e s b b cr e v , 19 6 4 ( 8 9 ) 【3 】胡崇岳，现代交流调速技术，北京：机械工业出版社，1 9 9 8 5 同济犬学硕士学位论文2 异步电机矢量控制技术研究 第2 章异步电机矢量控制技术研究 2 1 异步电机的数学模型m 2 1 异步电机矢量控制系统的控制方式一般是比较复杂的，要确定最佳的控制方 式，必须对系统的动静态特性进行充分的研究。作为系统中的一个主要环节，异 步电机的特性尤为重要，必须建立个适当的数学模型以研究其动静态特性。异 步电机的数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究异步电机的 数学模型时，常作如下假设： 1 )忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间上相差1 2 0 。电角度) ，所产 生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布； 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 3 ) 忽略铁芯损耗； 4 )不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响，无论是线绕式还是鼠笼式 的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后每相匝数都相等。 基于以上假设，以任意速度。( 相对于定子a 相绕组轴线) 旋转的坐标系 下的异步电机数学模型如下： 1 电压方程式 u s a , = r s i s d 七p 鼍破一心姆 u l q = r s i s q + 矿警蹰j r ( o k 甲$ d “耐= r ，i r a + p w r a 一( 女一，p ) 甲叼 un q = r r i f q 七碑r q + ( c o k c o t ) u e r a 对异步电机而言，“村= “唧= o 。 2 磁链方程式 鼍记2 l s t s d + l m i r a 飞s q = l s i s q + l m i 嗨 飞嵋2 l m j i s d 七lr 。l r d 甲，叮= l m i 田+ l r i 田 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 3 转矩表达式 t 。m = 五3n p qs 一扩i s 翼s q 、) ( 2 - 3 ) 4 机械运动方程式 6 同济大学硕士学位论文 2 异步电机矢量控制技术研究 嘲舌等 ( 2 4 ) b 、彤：定转子电阻 ，、，：定转子电感 。：定转子互感 材对、：定子电压d 、q 轴分量 甜耐、“唧：转子电压d 、q 轴分量白、：定子电流d 、q 轴分量 i r a 、i 唧：转子电流d 、q 轴分量甲：定子磁链d 、q 轴分量 甲耐、：转子磁链d 、q 轴分量：电磁转矩 力p ：极对数死：负载转矩 ，：转动惯量 。：坐标系旋转速度 在研究异步电机矢量控制策略中，主要采用两种坐标系：两相静止口一口坐 标系和相对于定子a 相绕组轴线为口角的以同步速q 旋转的d - - q 坐标系。下文 1 三相a 、b 、c 系统一两相静止a 、p 系统( c l a r k 变换) 该变换又简称为3 2 变换。将三相电机中三相电流产生的合成磁势用两个在 空间上相差9 0 。的绕组通以在时间上相差9 0 。的对称电流产生的合成磁势所代替， 晰睦 2 辎2 i c 协5 ， 式( 2 - 5 ) 中右边等式的系数、伴表示由三相变到两相，电机的总功率不变， 该系数有时也用i 2 ，此时三相变到两相时其每一相的功率不变。本文中采用詈。 2 静止两相a 、p 系统一旋转坐标系的变换( p a r k 变换) 假设电流矢量j ，在空间以同步速旋转，在与静止坐标系之间角度为0 ，并且 磁场方向与d 轴方向一致的d 、q 坐标系上表示为： ； = 卜c o 舢s 0s i n 0 i a 6 ， 7 同济大学硕士学位论文2 异步电机矢量控制技术研究 异步电机的矢量控制策略就是以上述两种变换为基础的一种高性能的控制 策略。 2 3 旋转矢量控制的概念与原理2 1 2 3 1 矢量控制技术的原理 应用矢量控制系统需要解决以下两方面的问题：1 ) 在三相定子绕组的静止 口一口参考系中，系统能够识别转子磁通的位置，即转子磁链观测器的设计或转 差频率计算环节的设计；2 ) 系统中坐标变换和旋转变换的实现。 矢量控制按照磁场定向的方法可以分为转子磁场定向、定子磁场定向、气隙 磁场定向几种，其中应用最广泛的是转子磁场定向矢量控制。下面即以转子磁场 定向矢量控制系统分析矢量控制技术的原理。该控制系统是把d q 坐标系放在 同步旋转磁场上，使静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并 使d 轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q 轴分量为零( 甲。= o ) ，而d 轴分 量甲耐= 。定子电流被分解为励磁电流分量i s d 和转矩电流分量。 转子磁场定向d q 坐标系下的异步电机的数学模型依下述方法建立： 8 图2 - 1 异步电机空间矢量图 如2 1 所示异步电机空间矢量图，可知，在转子磁场定向d q 坐标系下，同 步旋转角速度：吼= p b ，转子角速度：万。= p o ，( p 为微分算子) 转差角速度： 口“= 刃，一刃。，由此可得式( 2 7 ) 一( 2 9 ) 的异步电机电压方程与磁链方程： 电压方程式 同济大学硕士学位论文 2 异步电机矢量控制技术研究 及 磁链方程式 转矩表达式 疋。= 刀p 争f 。q q - , r d l 。 由以上几式整理可得： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) u 试_ r s i 3 d + 矗臧+ 鼍p w , d - - c o , a l s i 吗( 2 - 1 0 ) “凹= 印凹+ c r l s p i s q + c o s ( 以。+ 每) ( 2 - 1 1 ) 疋。= 门pf z mf 叼= 百n p 甲三彩“ ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式( 2 1 3 ) 一( 2 1 7 ) 即为转子磁场定向矢量控制方程式，其中：漏磁系数 仃= 1 一乙( ，l ，) ，为转子时间常数。因而异步电机的动态数学模型可简化为图 2 2 ： 9 吩 织 弘 一 + 此儿麓 + + p 国 耐 呵+ + f r 即砧厶 = = 尺r 耐 凹 = = ：彬：啊，彬 厶“厶钿 + + + 0 0 0 岛+ 纠厶幻 = = = k 妇咖旷 。一 一汕 珂 一 匕 同济大学硕士学位论文2 异步电机矢量控制技术研究 m 彤 图2 2交流异步电机动态数学模型简化结构图 以上分析可知，在经矢量变换后的异步电机数学模型中，定子电流被分解为 励磁电流分量i 耐和转矩电流分量0 。只需检测定子电流的d 轴分量即可观测转 子磁通幅值甲，；当甲一恒定时，电磁转矩乙和电流的q 轴分量或转差成正比， 通过控制定子电流的q 轴分量即可控制电磁转矩。 矢量控制按磁通幅值是否反馈可分为磁通开环控制和磁通闭环控制。在磁通 闭环控制中，按磁通观测方法的不同，可分为直接磁场定向控制和间接磁场定向 控制。直接磁场定向控制是在电机上安装检测元件，直接检测磁通，这种方法理 论上磁通观测精度高，但实现困难，增加了系统成本，在实际中极少采用。而间 接磁场定向控制方案是利用电机数学模型获得磁通信息，由于间接磁场定向控制 不需检测磁链信息，控制简单，容易实现，从工程应用角度而言是完全可行的， 因此在实际中得到了广泛应用。 2 3 2 对矢量控制的理解 交流电机采用矢量控制以后，系统性能大大提高。与开环的v v v f 控制相 比，矢量控制能提供更大的转矩电流比，也就是在相同定子电流的情况下，矢量 控制能提供更大的电磁转矩，这样就可以充分利用电机和逆变器的电流定额，实 现最大的转矩输出。矢量控制的性能大大超过开环v v v f 系统的根本原因在于， 开环v v v f 系统是从电机的稳态数学模型出发，控制定子电流的有效值和频率， 所以只控制了电机电磁转矩的平均值，而矢量控制系统是从电机的动态数学模型 出发，控制了电机定子电流的幅值和相位( 严格来说是控制了定子电流的瞬时 值) ，进而控制了电机电磁转矩的瞬时值。矢量控制以后，电磁转矩与转差角频 率成正比，所以异步电机在不同频率下的机械特性是一簇相互平行的直线，也就 是说异步电机获得了与直流电机相似的转矩控制特性。 可以从电机的等效电路出发分析矢量控制优于开环v v v f 控制的原因。电 机的t 型等效电路如图2 3 所示： l o 同济大学硕士学位论文2 异步电机矢量控制技术研究 与4 一 见 s 图2 - - 3 异步电机的t 型等效电路 根据电机等效电路，可得出以下结论：在开环v f 控制中，通常采用电压频 率协调控制，即v f 正比控制加低频时的转矩提升。因为根据 层= 4 4 4 f , n ，七j v ，九 ( 2 1 7 ) 及 u s = e s + r s ls ( 2 - 1 8 ) 其中，e ，为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值( v ) ，正为定子频率( h z ) ， n ，为定子每相绕组串联匝数，k 为基波绕组系数，九为每极气隙磁通( m ) 。 在w v f 变频过程中要保持每极磁通基本恒定，以保证电机在不饱和的前提 下实现最大转矩输出，所以必须协调控制e ，和兀，保持e ，f , = c 控制。具体实 现时，因绕组中的感应电动势难以直接控制，当定子频率正较高时，感应电动势 的值也较大，故可以忽略定子阻抗压降，认为u ，e ，采取u ，f = c 控制。低频 时加转矩提升的目的是补偿低速( 尤其是重载) 时的定子压降。由于电机设计时， 电机在额定情况下的磁通常处于接近饱和值，在变频过程中，如果电压频率比值 过高，会导致电机过激，铁心饱和，损耗增加，效率下降；如果电压频率比值过 低，会导致电机出现欠励磁情况，磁通达不到额定值，不能充分利用铁心，影响 电机的输出转矩，使电机带载能力下降。 依据异步电机的t 型等效电路图2 3 ，当异步电机带负载疋稳定运行时，有 瓦= = 3 r i p ( - 兰) 2 丙两裂b ( 2 1 9 ) ：6 0 s c o s ( 一2 0 ) a n $ r t 0 22 0 = = _ 一 l 。 i u i p 采用u ，f , = c 控制后，可以推导出 溉卑 ( 2 2 1 ) 3 叫2 可见，u ，f = c 时，对于同一转矩，删。是基本不变的，因而a n 也是基本不 同济大学硕士学位论文 2 异步电机矢量控制技术研究 变的，即改变频率时，电机的机械特性基本上是平行下移的，如图2 4 所示： 图2 - 4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 而在矢量控制系统中，则是保持转子磁通y ，恒定，与5 c ，相对应的是e ，如 果保持，恒定，则相当于e ，c o ；恒定，则由式( 2 1 9 ) ，可得 ：3 行l 口( 生) 2 孚 ( 2 2 2 ) 倒j代， 此时的机械特性= ( j ) 完全为一条直线，这也就是矢量控制理论的核心。 另外，从式( 2 1 4 ) = 争岛心= 了n p 少耐2 ，也可知当i b 耐= 时，电磁转 矩和转差角频率呈线性关系，即经过矢量控制改造后，异步电机的机械特性变成 了一簇平行的直线，达到了类似直流电机的调速特性。 矢量控制要控制电磁转矩的瞬时值，是通过控制电机定子电流的瞬时值实现 的，可以说，定子电流的控制效果直接影响矢量控制系统的性能。在高性能交流 传动系统中，定子电流的控制应满足以下几点：动态响应快，在急剧的加、减速 过程中尤为重要，它将使电磁转矩在尽量短的时间内达到所希望的值，以提高系 统的动态响应特性：在电机处于稳态运行时，要求定子电流的失真度要小，以降 低转矩脉动和减少谐波损耗；要求电流控制具有良好的鲁棒性，使得定子电流的 控制尽可能少地受电机运行的影响。在电压源型逆变器中，直接起控制作用的是 定子电压，定子电流则是由定子电压、反电势( 包括旋转电势和脉变电势) 、电 机参数决定。有两种方法控制定子电流：一是设置电流环，包括常规的带p i 电 流调节器的电流环和电流滞环p w m 控制。矢量控制中对所需要的定子电流进行 闭环控制时，对c p u 的速度提出了更高的要求，也正因此，目前高性能的控制 系统采用了运算速度快的数字信号处理器d s p 。电流环的一大优点是：能防止过 同济大学硕士学位论文 2 异步电机矢量控制技术研究 电流，对变频器和电机起到有效的保护作用。控制定子电流的第二种方法是利用 异步电机动态数学模型中的两个定子方程，构成一个从电流到电压的转换环节， 根据矢量控制所需要的定子电流，结合磁链、同步旋转角速度和电机参数，综合 出对应的定子电压，其缺点是对电流的控制不象电流环那样直接，易受电机参数 的影响，也不存在电流环的直接限流保护作用，需另外设置过电流保护。 矢量控制也有其不足之处：1 ) 矢量控制系统需要3 2 坐标变换电路、磁通 观测器，控制电路或运算复杂；2 ) 在转子磁场定向系统中，其解耦的关键依赖 于转子磁链观测的正确性从而使矢量控制对电机参数的依赖性比较大。 2 4 几种其他类型的矢量控制技术 前面以带有磁链反馈的转子磁场定向矢量控制技术为例分析了矢量控制的 原理，该系统达到了磁链和转矩完全的解耦控制，但也有磁链反馈信息获取不便， 系统较复杂的缺点。在此之后，依据磁场定向方式及转矩磁链解耦方式的不同， 又相继提出了转差频率矢量控制、气隙磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控 制、电压定向矢量控制等不同类型的矢量控制。下面对每种控制方法简要分析其 原理，并指出每种控制的缺点。 2 4 1 转差频率矢量控制 传统的矢量控制系统为直接转子磁链反馈型，即具有转子磁链反馈环节，转 子磁链反馈来自电机的磁链模型。日本学者y a m a m u r a 、n a b a e 等人借鉴传统矢 量控制的思想和方法提出了转差频率矢量控制，即间接转子磁链矢量控制系统。 其出发点是异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率，在电机运行状态突变的 过程中，电机中出现暂态电流从而引起电机转矩偏差，影响动作的快速性。而在 控制过程中，若使电机定子、转子或气隙磁场中有一个始终保持不变，电机的转 矩就和稳态工作时一样，主要由转差率来决定。因此，如果在转子磁场定向矢量 ，i 方程中，利用式；_ 兰争( 2 1 3 ) ，从给定的转子磁链计算转差频率，就可以 控制转矩了。转差频率矢量控制舍去了磁链环节，采用磁链开环，不需要实际计 算转子磁链的幅值和相位，用转差频率和量测的转速相加后积分来估计磁通相对 于定子的位置，结构比较简单，因而在实践中获得了较广泛的应用。 转差频率矢量控制是仅考虑转子磁通的稳态方程式、壬，耐= 士妇( 2 1 2 ) ， 从而通过转子磁通直接得到定子电流d 轴分量的给定值，再通过控制定子电流控 同济大学硕士学位论文 2 异步电机矢量控制技术研究 制转矩。在动态过程中，可能因为磁通和转矩的瞬态误差影响磁场定向的准确性， 从而影响系统性能。 2 4 2 气隙磁场定向矢量控制 气隙磁通在d - - q 轴坐标系下的方程为：甲u z j 删m d ：= k l m ( ( k i s a + + k i r a ) ) ( 2 - 2 3 ) 气隙磁场矢量控制是将d 轴定向于气隙磁场，即令；o ，此时异步电机 的数学模型为： “耐= r j i 耐+ f j p f 耐+ m d 一功j f j i 期 ( 2 2 4 ) u s q 。r s i 吗+ fs p i 啊+ s fs i 跑+ 汴耐 ( r ，+ f ，p ) f 。 m d fr i 妇 厶m 艘扩丢+ 每r r + 枷i s d - - ( o s l r rl l m r i 吗 ，l ，l ， t e r n = r t p 峰m d i s q ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 由以上几式可以看出，保持气隙磁通甲。d 恒定，则转矩直接与q 轴电流成正 比，可以实现瞬时的转矩控制。气隙磁场定向矢量控制系统具有某些状态可以直 接测量的优点，同时由于电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，基于气隙磁通的 控制方式更适合于处理饱和效应。但是，由式( 2 2 7 ) 可知，磁通和转矩之间仍 存在耦合关系，必须另外加入解耦电路，这使得气隙磁场控制的转矩结构图比解 耦的转子磁通控制结构复杂得多。 2 4 3 定子磁场定向矢量控制 图2 5 定子磁场定向矢量控制系统框图 定子磁场定向矢量控制系统的框图如图2 5 所示。相应于转子磁场定向、气 1 4 同济大学硕士学位论文2 异步电机矢量控制技术研究 隙磁场定向矢量控制，定子磁场定向矢量控制的控制方法是将d 轴放在定子磁场 方向上，此时，定子磁通的q 轴分量为零，通过保持定子磁通甲妇恒定，使转矩 直接和q 轴电流成正比，从而实现对转矩的瞬时控制。这种方法可利用定子方程 作磁通观测器，非常易于实现，同时控制结构也相对简单，加解耦控制后可以达 到相当好的动静态性能。但是，该方法在电机低速时，由于定子压降占端电压的 部分很大，致使反电动势测量误差较大，从而使定子磁通观测不准，导致定向不 准确，影响系统性能。 2 4 4 电压定向矢量控制 无论是转子磁场定向、定子磁场定向还是气隙磁场定向矢量控制，均达到了 完全的解耦控制，但系统构成较复杂。定子电压定向矢量控制系统则是相对较简 单的，它是使参考坐标系的d 轴和定子电压矢量的方向重合，从而避免了复杂的 坐标变换及反变换，在各种动态过程中也能有效地控制磁通，并使其保持恒定。 其中，转矩的观测是通过估测到的定子磁通及d 、q 轴电流通过式( 2 2 9 ) 得到 的： t c m = p ( w s d i 姆一s q 订、) ( 2 - 2 9 ) 在电压定向矢量控制系统具体实现时，因为定子电压、电流均可直接测量， 通过它们即可构成定子磁通观测器，进而完成转矩观测。 本章讨论了异步电机的数学模型及目前应用较多的几种矢量控制方法，并重 点分析了转子磁场定向矢量控制技术的原理。几种控制方法中，转差频率矢量控 制仅考虑转子磁通的稳态过程，动态性能较差，只能满足中低要求的场合。而几 种磁场定向矢量控制方法均达到了完全的解耦控制( 但解耦方式不同) ，属于高 性能的调速方法，但具体实施中应根据实际的运行情况选择合适的矢量控制方 案。 参考文献： 【1 】 李永东，交流电机数字控制系统，机械工业出版社，2 0 0 2 【2 】 胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社，1 9 9 8 同济大学硕士学位论文3 异步电机参数识别技术研究 第3 章异步电机的参数识别技术研究 矢量控制的关键在于磁场定向，控制中需要转子磁链的准确位置，而异步电 机的机械角速度与转子磁链角速度并不相等，从而转子磁链位置不能通过检测异 步电机的机械位置直接获得，需要通过一定的计算获得。同时，异步电机转矩的 观测值来源于磁链观测值和定子电流值，这使系统中磁链观测环节非常重要。而 在高性能的异步电机矢量控制系统中，速度闭环是必不可少的，速度传感器安装、 维护不便，低速时性能较差等缺点影响了调速系统的简便性及系统的可靠性，这 使得结构简便、性能优良的无速度传感器速度闭环控制系统得到了广泛应用。 转子磁链观测器设计应满足以下几点要求：观测算法是稳定的；估计值对实 际值的收敛速度要尽可能地快；对受控对象参数变化和测量噪声应具有较好的鲁 棒性：结构较简单，易于实现。 转速和磁链的观测是构成无速度传感器矢量控制的关键环节。本章首先分析 了现有的几种磁链转速观测模型的原理及优缺点，提出了一种旋转坐标系下简单 有效的磁链转速观测方法，然后在对现有的无速度传感器矢量控制系统进行分析 的基础上，采用旋转坐标系下的转速磁链观测模型，构造出一种性能优良的无速 度传感器矢量控制方案。 3 1 矢量控制的磁链、转速观测器的研究 如前所述，在磁通闭环控制中，按磁通观测方法的不同，可分为二种：直接 磁场定向控制和间接磁场定向控制。 3 1 1 直接磁场定向控制 转子磁链信息的获得，最初采用的是直接磁场定向控制，即在电机槽内埋设 探测线圈或在定子内表面贴霍尔片或其他磁敏元件，直接测量气隙磁通，再利用 被测量的气隙磁通，由式( 3 1 ) 计算转子磁链： 甲耐：2 甲耐一( 上，一。) 白 - 肼 甲呵= 季上甲。q 一( l ，一l m ) f 田 上一卅 ( 3 1 ) 此种磁链计算方法具有直接、受电机参数和饱和度影响较小、比较准确的优 点，但是，埋设线圈和霍尔元件会遇到工艺问题，一定程度上破坏了电机的机械 鲁棒性，同时增加了系统成本，且转速较低和转子电流较小时，磁通检测精度很 差，因此在实际中极少采用。 3 1 2 间接磁场定向控制 1 6 同济大学硕士学位论文3 异步电机参数识别技术研究 间接磁场定向控制方案是利用电机数学模型获得磁通信息，即利用容易检测 的电压、电流，借助异步电机的数学模型，计算转子磁链的幅值和相位。现在的 实用系统中，多采用控制简单、容易实现的间接磁场定向控制。 异步电机在二相静止口一坐标系下的动态数学模型可由下述方程描述： 电压方程： 磁链方程： “j 口= r s i j 口+ p w j 口 u s p = r s i s 口+ 蚪s 口 t l r 伍= 0 = r r ir 伍七p 警r 伍+ r 冀r b u r p = 0 = r r i r b + p w r p 一m v k , r 口 飞s 4 = l s i s q + l m ir q s 口= l s i s 8 + l m ir 8 、王，r a = l 朋i 5 口+ 三，i ，口 r r 口= l m is 8 + l r ir 口 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 其中：r ，、r r 定、转子电阻，。、工，定转子电感， 。定转子间互感，0 , 7 。转子电气角速度， p 微分算子 1 电压模型磁链观测器 电压模型磁链观测器是根据定子电流和定子电压的检测值估算甲，。在口一夕 静止坐标系下，由定子电压方程式( 3 2 ) 和磁链方程式( 3 。3 ) ，可以推导出 p 甲，口= _ l r 【( “豫一r s f ，口) - a l ，p i 。口】 一卅 p 甲巾= 季l 【( 甜妒一尺，f 妒) 一。t p 勃】 其中，仃：1 一i ：l ，三，) 电压模犁磁锛观测器框图如图3 1 所示： 图3 1 电压模型转子磁链观测器 ( 3 4 ) 由式( 3 - 4 ) 及图( 3 1 ) 可知，电压模型转子磁链观测器实质是一个纯积分 同济大学硕士学位论文3 异步电机参数识别技术研究 器，其优点是：不需转速信号，对无速度传感器控制系统来说具有一定优势；算 法中不包含随电机运行状态而有一定变化的转子电阻；结构简单，易于实现。但 其也有致命的缺点，即纯积分环节的误差累积和漂移问题，可能导致系统失稳， 而电压模型本身不具备初始误差收敛机制，转子磁链观测值将一直受其初始误差 的影响。同时，低速时，定子电阻压降引起的误差相对较大，淹没了反电动势， 降低观测精度，这使得低速下不能使用该方案。但在高速时，由于反电动势占主 导地位，所以定子电阻误差引起的影响相对较小，电压模型是可行的。 2 电流模型磁链观测器 电流模型磁链观测器则是根据定子电流和转速检测值估算甲，的。同样的， 在口一静止坐标系下，由电压方程式( 3 2 ) 和磁链方程式( 3 3 ) ，可以推导出 甲。= 而1 ( 扩吖印l = 而1 ( l m i s p - r r 甲r a ( - o r e ) j ( 3 - 5 ) 飞r b 图3 2电流模型转子磁链观测器 由图3 2 可知，电流模型观测器要用到转速”，无法直接