（机械设计及理论专业论文）纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究.pdf

东华大学博士学位论文 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 摘要 随着纺机行业的快速发展，纺机的机电一体化技术水平不断提高，交流变频 技术取代传统转动技术应用于纺织机械领域中，交流电机在纺机传动中也得到广 泛使用。在纺机领域中三种常用的纺机变频器类型有w f 、无速度矢量控制、和 伺服变频器。各国学者对变频调速控制系统涉及的硬件和控制技术做了大量的研 究，提出了许多有效的成果，同时也存在许多技术问题还需要做更进一步的研究。 论文针对纺机变频器设计存在的硬件和控制策略方面的问题进行了研究，并提出 了有效解决方案。 因交流电机是多变量、时变、强耦合的高价系统，直接对交流电机进行控制 难以获得优良的动态调速特性。因此，论文首先从交流电机控制领域中应用最成 功的的基本控制策略出发，回顾了矢量控制策略的基本原理、矢量控制策略的坐 标变换过程、交流电机矢量模型以及电压空间矢量p w m 控制技术等；讨论了基 于矢量控制策略的直接矢量控制模型的关键技术，探讨了矢量控制策略应用成功 的前提是如何准确观测磁链，以及保证磁链观测模型准确的必要性。 论文讨论了在纺机中广泛使用的m rs 无速度矢量控制变频器，对m r a s 矢量控制模型存在的问题如直流初值积累、误差累计、p i 参数整定、计算量大、 参数漂移等进行了详尽的分析，通过对转速估计模型进行改进和重构模型两种方 法解决以上问题。提出用增量式m r a s 控制模型彻底解决m r a s 控制模型存在 的直流积累、误差累计的问题。因改进后的增量式m r a s 模型仍然含有p l 调节 器，仍存在p i 参数整定、结构复杂等问题。因此，进一步提出基于m r a s 的无 差速度直接计算模型，基本思路是调节模型的输出直接无差跟踪参考模型的输 出，在m r a s 控制系统中省略p i 调节器和电流模型，至此完全避免了由于p i 调节器带来的所有相关问题如直流初值积累、误差累计、p i 参数整定等等，同 时因省略了p i 调节器和电流模型，模型结构简化，计算量减小，仿真实验验证 了理论分析的预期目标。基于m r a s 的无差速度计算模型中仍含有参考模型， 因此仍受电机参数漂移的影响，估算速度的精度仍受限制，论文通过结合传统参 数辩识的方法，设计全维降维观测器或卡尔曼滤波器在线辨识参考模型的参数 足，实时修正参考模型确保估算速度的精度。 基于m r a s 的无差速度计算模型结合参数辨识的方法，在理论上解决了无 速度电机矢量控制的问题，但实际上因全维降维观测器或卡尔曼滤波器在线辨 识参数的方法存在计算量大、结构复杂、实时性差等缺点，直接移植到d s p 控 i l l 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 制系统中难度很大，因此，若能够找到一种对电机参数不敏感或弱敏感的控制模 型，就可解决或部分解决以上问题。论文提出了一种全新的j w 变换矢量控制模 型，把交流电机模型经过埘坐标变换后转换成串励直流电机控制模型，对该模 型的基本原理进行了的研究，并对其特性进行了仿真，同时建立了基于 m 变换 矢量控制策略的闭环控制模型，并对闭环系统模型的作了仔细研究和仿真实验测 试，试验结果表明该模型对电机参数具有弱敏感性。但是基于- ，w 变换矢量控制 策略的闭环控制模型需要电机转速信号作为反馈信号，因此要与无速度矢量控制 系统结合使用还有待研究。另外，由于该模型表现出直流电机的串励模型的软特 性，采用了与转子磁链定向控制模型不同的控制方式，建立在f o c 矢量控制技 术基础上的控制模型不能直接应用，在论文中虽建立了完整的仿真试验模型，但 要直接使用到实际系统中还得做进一步的研究。 论文对纺机变频器的硬件电路和纺机变频器专用功能设计进行了细致的研 究，具体说明了逆变电路、驱动电路、键盘、显示、d s p 控制电路、电压检测、 电流检测以及过流、过压、过热保护、纺机专用功能设计等方面做了具体介绍。 最后，指出为设计高性能纺机变频器，涉及的硬件和控制策略等方面的问题还需 要做出更深入的探索。 关键词：纺机变频器；矢量控制；m r a s 无速度矢量控制；无差速度计算模型； 增量式m r a s 控制器；j m 矢量变换 i v 东华大学博士学位论文 r e s e a r c ho nt h ev e c t o r - c o n t r o lc o n v e r t e rt e c h n o l o g y o ft e x t i l em c h i n e r y a b s 。i l 己a c i 。 w i lt h e q u i c kd e v e l o p m e n to ft h et e x t i l em a c h i n e r yi n d u s t r y , t h el e v e lo f e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yi sc o n s t a n t l yu p g r a d e di nt h ea r e ao ft e x t i l e m a c h i n e r y 砀et r a d i t i o n a lm o t o rd r i v et e c h n o l o g yi sr e p l a c e db yt h ev a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v es y s t e m a cm o t o ri sw i d e l ya p p l i e di nt h i sa r e a t h r e ek i n d so f c o n v e r t e r sh a v eb e e ni n t r o d u c e ds u c ha s 、j 霭c o n t r o lc o n v e r t e r s s e n s o f l e s sv e c t o r c o n t r o lc o n v e r t e r sa n ds e r v ec o n t r o lc o n v e r t e r s 1 1 h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i s a r e aa p l ) e a r st ob en e v e r - e n d i n g h o w e v e r , e x t e n s i v er e s e a r c ha n de f f o r t sa r en e e d e d i no r d e rt os o l v eal o to ft e c h n i c a lp r o b l e m so ft h ea r e a f o re x a m p l e ，s o m ep r o b l e m s o ft h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h eh a r d w a r e - d e s i g n i n gs h o u l db es t u d yf u r t h e r t h e r e f o r e ， s o m ee f f e c t i v es o l u t i o n sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r e rm a n yr e s e a r c h e so nt h e a b o v ep r o b l e m s a cm a c h i n ei sam u l t i - v a r i a b l e ，t i m e - v a r y i n ga n dh i g ho r d e rs t r o n gc o u p l i n g s y s t e m i ti sd i f f i c u l tt og o th i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c ew i t h o u tt h ev e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y i n t h i s p a p e r , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e - _ _ f o c v e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y ，c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so f t h ev e c t o rc o n t r o l ，a cm o t o rm o d a l a n ds p a c ev e c t o rp w mt e c h n o l o g yf i r s t l ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n dt h e nt h e c r u c i a lt e c h n o l o g yo ft h ec l o s e dl o o po fd i r e c tv e c t o rc o n t r o lb a s e do nt h es t r a t e g yo f v e c t o rc o n t r o li sd i s c u s s e d f i n a l l yi nt h i sp a p e r , t h ei m p o r t a n tt h i n gf o rc o n t r o l l i n g a cm a c h i n eu s i n gf o cv e c t o rc o n t r o ls t a g e yi sd i s c t m e dt h a th o wt og e tt h ea c c u r a t e r o t o rf l u x 1 1 坞a c c u r a t er o t o rf l u xi sp r e r e q u i s i t ef o ru s i n gt h ev e c t o rc o n t r o l s u c c e s s f u l l y s o m em e t h o d st og e tt h ea c c u r a t er o t o rf l u xi sa l s oa n a l y z e di nt h i s p a p e r n 地s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lc o n v e r t e rb a s e do nm r a s ，w h i c hi su s e dw i d e l yi n t h ea r e ao ft e x t i l em a c h i n e r y , i sa n a l y z e dd e t a i l e d l y s o m ep r o b l e m so ft h ea b o v e m o d a l ，i n c l u d i n gt h ed c i n i t i a lv a l u e sa c c u m u l a t i o n ，e r r o ra c c u m u l a t i o n ，t h e p a r a m e t e r o f p ir e g u l a t o rd e t e r m i n a t i o n ，t h ec o m p l e xo f t h es t r u c t u r e 、d r i f to f t h ea c m o t o rp a r a m e t e ra n ds o0 1 1 ，a r es t u d i e d a l t h o u g hs o m ei n t e r e s t i n gm e t h o d sa le p r e s e n t e db y t h er e s e a r c h e r s ，n o n eo ft h e mc a ns o l v ea l la b o v ep r o b l e m s i nt h i sp a p e r v 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 t w om e t h o d so fi m p r o v e ds p e e dm o d a l sa n dr e c o n s t r u c t e ds p e e dm o d a l si sp r e s e n t e d 1 1 1 ei n c r e m e n t a ls p e e dm o d a lb a s e do nm r a si sp r e s e n t e dt os o l v et h et h ed ci n i t i a l v a l u e sa c c u m u l a t i o na n de r r o ra c c u m u l a t i o np r o b l e m s h o w e v e r , t h ep r o b l e m so ft h e p a r a m e t e ro fp ir e g u l a t o rd e t e r m i n a t i o na n dt h ec o m p l e xo ft h es t r u c t u r ea r en o t s o l v e db e c a u s et h ep ir e g u l a t o ri sc o n t a i n e di nt h ea b o v es p e e dm o d a l h e n c e ，am o r e p r o m i s i n gs p e e dm o d a ln a m e dn os p e e d e r r o rd i r e c tc a l c u l a t em o d a li sp r e s e n t e dt o s o l v ea l m o s ta l lp r o b l e m si n v o l v e di nt h em r a sm o d e l 1 1 1 ea b o v ep o i n tw a s a p p r o v e db ys i m u l i n ke x p e r i m e n t sr e s u l t s 1 h ea b o v en e wm o d a li si n t e r f e r e db y t h e d r i f to fa cm o t o rp a r a m e t e r sb e c a u s ei tc o n t a i n st h er e f e r e n c em o d a l i ti si m p o r t a n t f o rt h ea b o v em o d a lt oo n l i n ei d e n t i f yt h ep a r a m e t e r so fa cm o t o rb yt h eh e l po f t r a d i t i o n a ll u p b e r g e ro b s e r v e ro rk e r m a nf i l t e r i nt h e o r y , t h ea b o v em e t h o db a s e do nm r a sc a ns o l v ea l lt h ei s s u e s b u ti n f a c t ，i ti sd i f f i c u l tt ot r a n s l a t et h i sm e t h o dt od s pc o n t r o ls y s t e md i r e c t l yb e c a u s e t h e r ea r es o m ed e f e c t so f l a r g ec o m p u t a t i o n a la l g o r i t h m ，c o m p l e xs t r u c t u r ea n dp o o r r e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c s i nf u l l - o r d e r r e d u c e d o r d e ro b s e r v e ro rk e r r n a nf i l t e rf o r o n l i n ei d e n t i f i c a t i o no f p a r a m e t e r s i fan e wm o t o rm o d a lt h a ti sn o ts e n s i t i v eo rp o o r s e n s i t i v et ot h ep a r a m e t e r sc a nb ef o u n d ，t h ea b o v ep r o b l e m sw i l lb es o l v e d i n t h i s p a p e r , an o v e lj - mt r a n s f o r m a t i o nv e c t o rm o d a li sp r o p o s e d 1 1 1 ea c m o t o r m o d a li s c o n v e r t e dt oas e r r i e de x c i t e dd cm o t o rm o d a l t h r o u g h j - mc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n a f t e rt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n ds i m u l i n ke x p e r i m e n t so fj m c o n t r o ls t r a t e g yw e r es t u d i e di nd e t a i l ，s o m es i m u l i n ke x p e r i m e n t sa l ee s t a b l i s h e da n d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ej - mc o n t r o lm o d a li sn o ts e n s i t i v et ot h ep a r a m e t e r s n e c l o s e - l o o pc o n t r o lm o d a lb a s e do nj ms t r a t e g yn o i st h er o t o rs p e e da sf e e d b a c k s i g n a l m o r er e s e a r c h e so nt h ea r e aa l en e e d e dt oc o m b i n ej - mc o n t r o ls t r a t e g yw i t l l s e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m o nt h eo t h e rs i d e , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ej - m t r a n s f o r m a t i o nv e c t o rc o n t r o lm o d a li ss h o w na ss o f tf e a t u r eo ft h es e r i e se x c i t e di ) c m o t o rb ya p p l y i n gd i f f e r e n tw a y s 埘mt h ef o cv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y t h ep r e v i o u s c o n t r o lm o d a lc a nn o tb ea p p l i e dt ot h ea b o v em o d a ld i r e c t l y a l t h o u g hs o m es i m u l i n k e x p e r i m e n t sm o d a l sb a s e do nt h ej mc o n t r o ls t r a t e g ya r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , i t n e e d st od of u r t h e rr e s e a r c ht oa p p l yt h ea b o v es t r a t e g yt ot h er e a ls y s t e m 1 1 1 eh a r d w a r ed e s i g n i n ga n ds p e c i a lf u n c t i o n so ft e x t i l em a c h i n e r yo ft h e c o n v e r t e ri sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ei n v e r t e rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，k e y b o a r d ，d i s p l a y ， d s pc o n t r o lc i r c u i t ，v o l t a g ed e t e c t i o n ，c u r r e n td e t e c t i o na n do v e rv o l t a g e ，o v e rc u r r e n t ， o v e rh e a tp r o t e c t i o nc i r c u i la n ds p e c i a lf u n c t i o n sd e s i g n i n ga n ds oo n f i n a l l y , m o r e v l 东华大学博士学位论文 r e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yp r o b l e m si n v o l v e di n t h et e x t i l e m a c h i n e r yn e e dt od ot od e s i g nh i g hp e r f o r m a n c et e x t i l ec o n v e r t e r j u n m i ns h e n ( m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rw e n z h a nd a i k e yw o r d s ：t e x t i l em a c h i n e r yc o n v e r t e r , v e c t o rc o n t r o l ；s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lb a s e d o nm r a s ；n o - e r r o rs p e e dc a l c u l a t em o d a l ；i n c r e m e n t a ls p e e dm o d a lb a s e do i l m r a s v i i 东华大学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 自从中国入世后，国内的纺织机械行业得到了极大的发展，2 0 0 0 年出口突破 了2 亿美元，2 0 0 5 年出口达到了4 0 亿美元，2 0 0 6 年出口达到了8 0 亿美元，2 0 0 8 年出口达到了1 1 8 亿美元，占全球市场容量2 5 0 亿美元的4 7 2 ，并且还在持续增 长。中国本身就是世界最大的纺织产品制造国之一，纤维生产量占全球总量的 2 7 5 ，是纺织机械最大的消费国和进口国。目前国内已具有生产能力5 0 0 0 - 6 0 0 0 万锭，近年来一直以2 0 9 6 左右的速度快速增长，专家估计在未来的几年将会适度减 速，但还会继续以1 0 以上的速度增长比1 。 为了提高生产效率，提高产品质量和降低能耗，技术改进、设备改造升级、 降低成本等成了纺机企业迫切的要求，变频调速系统作为改善工艺和节能传动的 主要革新技术被引入纺机行业，并得到快速发展。 随着激烈的市场竞争以及纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，变频调 速技术得到纺机行业的认同，纺机进入了变频调速驱动时代。变频调速取代了传 统的机械结构，从清花、梳棉、条并、粗纱、细纱、络筒、整经、浆纱i 无梭织 机陆阳等主体工艺流程和基本织机装备已经普遍采用。在纺织行业中，比如横机， 会有频繁的起停、换向等动作，这就要求调速系统具有良好的动态特性。变频调 速系统的起动、加速、稳定运行和制动减速等动作，会直接影响织物的质量。纺 织行业对变频器的需求不仅在数量上越来越大，而且在质量上的要求也越来越 高。 交流变频调速具有以下四个特点口削：降低功耗，节省用电支出：简化机构、 提高性能：交流电机实现无级调速：启动平滑，消除了机械的冲击力，提高纺机 设备的可靠性。 目前，纺织企业中采用的变频器类型有三类。 1 ) 开环控制异步电机 开环控制异步电机即v f 控制型变频器调速系统。这种方式电路简单、可靠， 但由于转速精度受转差率及负载的影响，调速范围在1 0 - 1 之内，并且具有调速 精确低、动态性能差、低速性能差、故障率高、控制功能少等缺点，因此多用于 要求不高的纺机。 2 ) 无速度矢量控制系统 无速度矢量控制系统的调速范围在2 0 ：l 左右，该系统具有电路结构简单、 加减速较好的特性，调速精度可达到0 5 1 o ，适合印染机械等的调速。 第l 页 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 3 ) 带有速度反馈的矢量变频控制系统 该系统具有高精度，高智能化的特点，适合用在调速要求宽、控制精度高的 纺机，如恒线速的分条整经机、浆纱机、热定型机等。在纺机控制中应用高性能 变频器调速控制器是发展的趋势h 。 我国纺织业向国际化迈进的进程正在加快。但与国际先进水平比还有很大的 差距，为了缩小差距，应在纺织机械的机电一体化的水平上不断提高，把交流变 频技术更好地应用于纺织机械的控制之中陋9 | 。目前，纺机中采用的高性能专用 变频器多为进口变频器，如日本的安川、三菱、富士等变频器、德国西门子和瑞 士e m o t r o n 等，国内台达公司于近年开始对专用纺机变频器进行了开发，但性能 方面与国外专用变频器仍有差距n 州“1 ，因此不断开发有我国自主知识产权的高质 量、高水平的变频器以及交流伺服电机控南l 器是非常迫切的。 另外，浙江是纺织大省，对高性能变频器的需求很大。然而，进口的高性能 变频器，无形中增加了企业的生产成本，并不是众多中小企业所能承受的。同时， 浙江省为贯彻落实国家中长期科学与技术发展规划纲要2 0 0 6 - 2 0 2 0 年，科技 厅积极鼓励运用高新技术和先进实用技术改造和提升传统产业，在纺机行业大力 推进高档数字化纺织装备研发与产业化项目的研发n 2 1 3 1 ，提高新型纺织机电产品 的制造水平。因此，研制适合我国国情的、纺织机械专用的、性价比优的、可靠 性高的节能型变频器不仅必要，而且具有巨大的市场前景n 制。 1 2 变频器技术现状 交流电机特别是鼠笼异步电机出现后，因为具有结构简单、制造方便、价格 低廉、动态响应、高稳态精度、宽调速范围等优点，在纺织行业生产中得到了广 泛的应用。随着电力电子技术、微处理器技术和控制理论的发展，交流感应电机 的控制性能得到了进一步的提高，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地 位，交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并取而 代之。因此，对控制纺机交流电机的专用变频器就提出了更高的要求n 5 h 1 6 1 。 变频器的功能是将频率和电压都固定的交流电变换成频率和电压都连续可 调的三相交流电源n 7 儿1 8 1 。纺机专用变频器就是适合纺机特性专门开发的变频器， 在硬件结构上与通用变频器相同，包括功率驱动电路、d s p 控制电路、电流检测、 转速检测和保护电路等，总体框图如图卜1 所示： 第2 页 东华大学博士学位论文 k 图卜1 变频器电路总体框图 纺机专用交流变频调速技术包括硬件技术和控制策略两部分n9 i 。下面将从这两 个方面进行变频器调速技术现状的分析。 1 2 1 硬件技术现状 随着电力电子技术和微处理器技术的发展，交流变频器的硬件技术得到不断 的发展，使交流变频器的工作更可靠，性能更好，使交流传动逐渐成为电气传动 的主流。变频调速的研究是当前电气传动研究中最活跃、最有实际应用价值的研 究课题，在许多场合交流电机取代直流电机已是大势所趋啪儿2 1 | 。 1 ) 电力电子技术的发展 电力电子技术的发展，为交流电机变频控制提供了硬件支持，特别是功率器件 电子器件的飞速发展，例如可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g t r 、绝缘门极晶体管 i g b t 等恤1 。具有自关断能力全控功率组件的发展，特别是i g b t 的发展使高频、高 压、大功率的p 删技术得以实现。同时，半导体集成技术的发展推动了功率器件 向智能化和模块化方向发展，于是各个半导体公司纷纷推出包括功率电桥、驱动 电路、检测电路、保护电路封装在一起的各种智能功率模块( i p m ) 1 ，智能模块具 有体积小，抗干扰能力强，保护过流过压等特点，使整个变频器电路的设计变得 简单，在中小功率的变频器中得到了大量的应用。 2 ) d s p 微处理器的发展 基于变频技术和现代控制理论开发的高性能变频调速系统必须以高性能的实 时微处理器芯片为开发平台，否则不能满足大运算量的实时要求。高性能、低成 本的d s p 器件的出现，为开发高性能变频器提供了硬件基础。 电机控制中使用的微处理器发生了前所未有的发展，从最初的模拟装置、到 单片机、再到f p g a 、d s p 等，数字化程度不断提高，控制精度不断改善。特别是 d s p 器件的出现，速度达到了4 0 m i p s 以上，具备丰富的片上资源，可以实现全数 字化的电机控制系统，各大公司如t i 、a d 、m o t o r o l a 、m i c r o c h i p 等都推出适合 第3 页 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 电机开发的专用d s p 控制芯片，为电机控制提供了可靠的开发平台。例如以t i 的 d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 幽1 为例，具有1 2 路p 删发生器、1 6 路1 0 位a d 采集通道和 正交的光电编码器接口。大大的提高了系统的可靠性，降低了成本，并且可以引 入更为先进复杂的控制算法，获得更好的性能。随着d s p 价格的不断下调，d s p 应用于电机控制已经成为优先选择。 1 2 2 控制策略现状 交流调速传动取代直流传动的趋势是必然的，基于矢量控制、直接转矩控制 等控制策略的新型交流传动系统其动、静态性能完全可以和直流传动系统相媲美 乜5 1 ，因此研究有效控制策略，开发高性能的调速控制器，是研究的热点。目前电 机控制策略主要有三种变压变频控制、矢量控制和直接转矩控制。 1 ) 变压变频( v f ) 控制 在交流电机调速控制系统中，通过同时改变供电电压和供电频率来实现电机调 速的方法，称为变压变频( v f ) 控制瞳7 i 。采用p 1 i i m 控制方式对交流电机调速系统 的主电路进行控制，使定子相电压和定子频率的比值保持恒定，从而保证电机每 极磁通保持额定值不变，再根据异步电机机械特性公式就可以实现额定频率以上 和额定频率以下的转速和转矩的控制。在这种控制策略的基础上形成了几种常用 的控制方法，如v f 恒定转速开环、转差率转速闭环等，这些控制方法基本解决 了异步电机的平滑调速的问题，部分满足了许多工业应用的要求，得到了广泛的 应用，但在动态性能要求严格的场合仍不能满足要求。 2 ) 矢量控制策略 交流电动机是多变量耦合、时变、非线性系统，在对动态性能要求严格的场 合用变压变频( v f ) 控制方法不能的满足，性能不够理想，很难得到良好的调速 性能。 1 9 7 1 年德国西门子公司的f e l i x b l a s c h k e 发表的题为感应电机矢量变换控 制的磁场定向原理开始了对矢量控制理论研究的先河口 ，第一次使交流电机控 制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了坐标变换的方法，通过把交流电机的磁 通与转矩的控制解耦，使交流电机的控制类似于直流电动机，从而大大地提高了 控制性能，成为交流传动的基本控制方法，目前大部分异步伺服电动机和同步伺 服电动机均采用矢量控制方法。 目前矢量控制系统常用的控制方案有三种汹1 ：按转子磁链定向、按定子磁链定 向以及按气隙磁通定向。在此基础上结合现代控制理论、智能控制理论及非线性 控制理论等形成几种常用的控制方法。如变频调速的预测控制汹3 ，是在异步电动 机磁场定向的矢量控制变频调速系统中利用磁链、转速预测等值进行磁链和转速 控制的方法；参数辨识和调节器自整定啪3 ，是基于模型参考自适应算法的一阶惯 性系统及二阶惯性系统参数的辨识和调节器自整定方法；非线性自抗扰控制器口1 | ， 第4 页 东华大学博士学位论文 应用到异步电动机控制系统中，可以把交叉耦合、参数和负载变化等视为系统的 扰动，用自抗扰控制器的线性化、扰动观测及补偿特性对系统进行控制；矩阵式 变换器船2 1 ，是一种使用可控双向开关作为主功率器件，通过强迫换流产生幅值和 频率可调输出电压的功率变换装置，通过使用矩阵式变换器驱动异步电动机调速 系统的控制策略，可以实现矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的磁场定 向矢量控制。 3 ) 直接转矩控制策略 矢量控制存在控制复杂、控制性能受转子电阻影响等问题，1 9 8 5 年德国鲁尔大 学的m d e p e n b r o k e 教授提出了直接转矩控制理论m h 3 4 1 。直接转矩控制是继矢量控 制后被提出的一种新型的控制策略，其主要特点是用空间矢量的分析方法，直接 在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两 点式b a n g b a n g 控制调节产生p 删信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。在此基础上结合现代控制理论、智能控制理论以及非 线性控制理论形成了几种比较常用的控制方法。如直接转矩无差拍控制口5 l ，是在 传统直接转矩控制方法的基础上提出来的一种控制方法，无差拍控制是在一个采 样周期内使控制量达到期望值，让转矩和磁链在一个采样周期结束时与给定值的 误差为零，消除使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下， 扩大了电机的调速范围；直接转矩预测控制方法啪1 是针对传统直接转矩控制中造 成转矩脉动的原因提出的，依据当前磁链偏差和转矩偏差提前预测下一步的输出， 以补偿磁链和转矩的脉动。 对磁链和转矩都进行预测跟踪，控制效果优于单纯的转矩或磁链跟踪预测控制 方法。直接转矩控制脉动转矩最小化控制口7 i ，引入转矩脉动最小化控制器，使脉 动转矩达到最小，有较好的动静特性，很大程度上消除了转矩脉动，而且这种特 性即使在极低速条件下，转矩脉动相对其他直接转矩控制方案可控制的非常小， 运行非常平稳。 在电机调速控制系统中主要使用的三种控制策略各有优缺点，使用的场合各 有不同，对以上三种基本电机控制策略的优点和缺点比较如表卜l 所示： 表i - i 电机控制策略比较表 第5 页 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 1 2 3 先进控制技术 在电机模型确定、参数不时变、运行环境确定等条件下，目前常用的三种交流 电机调速控制策略，可以很好的满足调速系统的动静特性要求，但在交流调速系 统中并不能时时满足上面的条件，因此仅靠以上控制策略并不能抑制各种非线性、 参数时变等因素的影响，不能得到优良的动态调速特性，也不具有强的鲁棒性。 随着各种控制理论的快速发展，许多先进控制理论被应用到了这一领域。如自适 应控制、滑模变结构控制、预测控制和智能控制等，使得交流变频器的调速精度 更高，调速范围更广。 1 ) 自适应控制技术 交流电机是个非线性、多变量、参数时变的系统，自适应控制理论是控制 交流电机的重要控制方法，主要分为模型参考自适应系统( m r a s ) 和自校正自适 应系统口町汹4 们等类型。模型参考自适应策略在无速度传感器矢量控制系统中应用 尤为成功，已经成为无速度矢量控制领域中的主要控制方法之一，同时结合系统 辨识、参数辨识等技术在线辨识交流电动机参数和模型，保证了控制系统可靠工 作，从而可以提高系统动态特性，拓宽调速系统的速度控制范围。 2 ) 滑模变结构控制技术 近年来滑模变结构在交流调速控制中的应用得到了愈来愈多的深入研究，变结 构控制是一种高速切换回馈控制，基本思想是给定状态空间的若干个切换曲面， 在每个切换曲面的不同侧施以不同的控制规律。近些年来，国内外学者在该领域 中提出了许多有效的成果，如胡俊达h 等提出的基于滑模变结构控制的异步电机 速度控制的应用研究；m c o m a n e s c u h 2 1 和l x u h 3 1 等提出的基于滑模m r a s 无速度估 计器的设计等等。 3 ) 智能控制技术 智能控制如模糊控制呻m 4 引、神经网络控制h 明h 7 儿捌、专家控制n 们嘞1 等在交流电机 控制领域应用越来越广泛。模糊控制以模糊理论为基础，通过模糊语言和逻辑推 导为工具，将人的知识和经验纳入决策之中，解决像交流电动机这样非线性、多 变量耦合、时变的控制对象的问题，因此解决交流调速有着非常大的优势，是一 种在运动控制中比较成熟的智能控制的方法；神经网络在处理自学习、自组织、 自联想及容错方面有很强的能力，能够快速并行计算，并对参数变化的影响较小， 容错能力强，处理非线性系统模型有独特的优点；专家控制是在二十世纪八十年 代被提出的，它模仿控制专家的思路、方法、经验、策略去解决控制问题，是一种 有效的控制策略，在交流电机调速控制系统也有广泛的应用。这三种智能控制的 基本控制方法在交流电机控制领域各有所长，都得到了充分的应用。 4 ) 复合控制策略技术 事实上任何一种控制策略都不能解决交流电机控制中的所有问题，各有其优 第6 页 东华大学博士学位论文 点，也有其缺点。因此，各种控制策略互相渗透和复合，克服单一策略的不足嫡1 | ， 提高控制性能，更好地满足各种应用需要，成为当前研究的重点和今后的一个趋 势。在这方面有许多成功的应用，例如自适应模糊p i d 控制哑3 、滑模变结构控制嘞3 、 磁场定向变结构模糊控制脚1 、模糊神经网络控制阀、模糊变结构控制哺1 等等。 5 ) 无速度矢量控制系统 高性能的交流调速系统需要转速反馈信号，为获得可靠的速度信号，速度传 感器必须精确安装和妥善的维护，在条件不理想的工业场合常常不容易满足，另 外在低速或超低速时往往很难获得准确的速度信号，因此，取消速度传感器而仍 能获得良好的控制性能的无速度传感器的矢量控制方法，成了研究和开发的热门 课题。这种方法的关键问题就是通过一定的方法来准确估计电机转子转速。经过 国内外学者几十年的研究，获得转速的方法基本可以归结为以下几种类型u 州训： 基于电动机数学模型；基于闭环控制模型构造转速信号；利用电动机的结构特征 提取转速信号等。 回j - m 变换控制技术 m 变换控制技术是本文继矢量控制策略和直接转矩控制策略后提出的一种 新型电机控制策略。该控制策略是本作者自己命名的。j - m 变换控制技术把交流 电机模型通过j - m 坐标变换，转换为 膨电机控制模型即串励直流电机模型。 乒材变换控制比前两种控制策略具有参数弱敏感性、启动转矩大、控制模型更简 单等优点。在正反转频繁启动的纺机变频器上应用该策略，具有很强的适用性。 1 3 论文的主要内容 研发纺机专用交流变频器对纺机控制领域的发展有积极的促进作用，不仅可 以减轻劳动强度，提高生产效率，还将带来可观的经济效益，针对纺机专用交流 变频器应用的迫切性，本文对设计纺机变频器涉及的相关技术进行了研究，并提 出了相应的解决方法。本文研究内容如下： 第一章是绪论部分。 介绍了纺机的国内外现状，对该领域中的三种变频器类型：v f 控制、无速 度矢量控制和伺服控制等的技术特点进行了分析，并阐述开发我国纺机专用变频 调速系统的意义和迫切性，简要论述设计专用纺机变频器涉及的硬件技术和相关 控制策略的技术发展现状，并对各种控制策略的优缺点进行对比分析。 第二章介绍矢量控制技术原理。 高性能调速系统都是以交流电机数学模型为基础的，矢量控制策略在绝大部 分调速控制系统中应用，因此，本文首先对矢量控制技术原理进行的研究，从空 间矢量、坐标变换出发，阐述交流电机的数学模型、矢量控制数学模型的变换过 程和s v p m d 的控制方式，并对基于转子磁链定向( f o c ) 的直接矢量控制方案的 第7 页 纺机专用变频器的矢量变频调速控制技术研究 原理和关键技术进行仔细分析。 第三章介绍无速度矢量控制技术。 无速度矢量控制技术是纺机变频器中的主要控制策略之一，同时也是各国学 者研究电机控制技术中的一个研究热点，该模型具有结构简单、使用方便、成本 节约等优点。本章首先介绍无速度矢量控制技术的几种传统控制方案，并以基于 模型参考自适应系统( m r a s ) 的矢量控制技术方案为研究重点，针对模型参考自 适应系统( m r a s ) 存在的误差积累、p i d 参数整定困难、参数漂移、在线计算量 大等问题，提出了新的解决方案，增量式m r a s 矢量控制技术和基于无差速度计