（电力电子与电力传动专业论文）异步电机无速度传感器直接转矩控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e c e n t l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n i q u em a n yw o r k sw e r e d o n eo nk i n d so fe l e c t r i cm o t o rc o n t r o lt e c h n i q u e s a m o n gt h e mt h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) t e c h n i q u ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na f t e rv e c t o rc o n t r o lt h e o r y b e c a u s eo fi t sr o b u s tc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m p l er e a l i z a t i o na n de x c e l l e n td y n a m i c r e s p o n s e s e n s o r l e s ss p e e dr e c o g n i z a t i o nc a l li n c r e a s e s y s t e mr e d u n d a n c ye f f e c t i v e l ya n dc a n r e d u c et h eh a r d w a r ed e s i g nc o m p l e x i t y , w h i c hm a k ei tah o t s p o to fc u r r e n tr e s e a r c h w o r k s t h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w ow o r k si so n eo ft h ed i r e c t i o n so ft h ef u t u r e d e v e l o p m e n t s f o rm o t o rc o n t r o lt e c h n i q u e t 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fs e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o ra cm o m n f i r s tt h i sp a p e ra n a l y z e st h ea l g o r i t h mo fd t ca n dd i s c u s s e st h es t a b l ec o n d i t i o n sf o r d t c o nt h i sb a s es i m u l a t i o nw o r k sw e r ed o n ew i t l lt h et o o l so fm a t l a b t h er e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h ea p p l i e dc o n t r o ls c h e m eg e t sg o o dp e r f o r m a n c eb o t ho nd y n a m i c r e s p o n s ea n d o ns t a t i cr e s p o n s e f o l l o w e d , t h ep r o b l e m st h a tw i l lb em e ti np r a c t i c ea r e d i s c u s s e d a n di ti ss h o w nt h a tt h es t a t o rf l u xc a l c u l a t i o nw i l lb ec o m p l e xi np r a c t i c a l s y s t e m ，t og e tg o o dp e r f o r m a n c e t h e r em u s tb ea c o m p l e x m o d e lo re x c h a n g i n gb e t w e e n t w om o d e l s n l ei n f l u e n c eo f s t a t o rr e s i s t e rv a r i a n c ea n dt h ep u l s a t i o no f t o r q u ea n df l u x a r es t u d i e dt o o t h e nt h es e n s o r l e s s s p e e dr e c o g n i z a t i o nm e t h o d s b a s e do nm o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l 稍mt h r e ed i f f e r e n tm o d e l sa l ei n t r o d u c e d n 圮d y n a m i c a n ds t a t i c p e r f o r m a n c e so ft h e s em e t h o d sa r e s h o w na n dc o m p a r e d 、；l r i t hs i m u l a t i o n w o r k ；t h ei n f l u e n c eo ft h em o t o rr a t i n gv a r i a n c ei ss h o w nt o o a tl a s tav a r y - s p e e d s y s t e mi sr e a l i z e do na1 1 k ws q u i r r e lr a n g ea c m o t o rw i t hd s pt m s 3 2 0 f 2 4 0a st h e c o n t r o lc o m p o n e n t a n dt h ep r o p e rc o n t r o ls c h e m ei sa p p l i e db a s e do nt h ed i s c u s s i o n a b o v e n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ed t c s y s t e mg e t sg o o dd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c ew i t ht h ea p p l i e dc o n t r o ls c h e m e t h el o c u so f t h es t a t o rf l u xi sr o u n d v e r yw e l l t h es e n s o r l e s ss p e e dr e c o g n i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt w od i f f e r e n tm o d e l s a r er e a l i z e di nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i ti ss h o w nt h a tt h e yc a l lp u r c h a s et h er e a ls p e e d b u tt h e i rd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sw o r s et h a nt h ea p p l i c a t i o no ft r a n s d u c e r s ，a n dt h e s p e e d s c a l et h a tt h e yc a nw o r kw e l li sl i m i t e d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e rt h ep r o b l e m si nt h e p r e s e n ts y s t e ma r ep o i n t e do u t ，a n d i l 华中科技大学硕士学位论文 u s e f u ls u g g e s t i o n sf u rf u t u r es t u d ya r ea d v i s e d k e y w o r d s ：a cm o t o r , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s e n s o d e s ss p e e dr e c o g n i z a t i o n , m o d e l r e f e r e n c e a d a p t i v ec o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本文的研究主题是异步电机无速度传感器直接转矩控制技术。本章首先介绍了 目前电力推进技术的发展状况，并对交流异步电机的变频控制技术和电机无速度传 感器转速辨识技术的研究现状分别作了简单的综述。最后介绍了本文的研究内容。 1 1 电力推进技术概述睛8 ”3 。“州 1 1 1 电力推进系统的发展 电力推进系统在二十世纪初曾获得广泛的应用，直至1 9 1 8 年随着内燃机的出 现和改进，电力推进系统逐渐淡出了推进领域。与以汽油机为代表的内燃机相比电 力推进系统价格昂贵且调速性能较差，因此到了1 9 3 3 年采用电力推进系统的交通 工具的数量几乎下降为零。近年来随着电力电子技术和微电子技术的发展和应用， 电力推进系统提供了足以与内燃机系统相媲美的调速性能。并且随着人们对环保问 题和能源短缺问题的重视，电力推进系统以其无污染和能源来源广泛的优点受到人 们越来越多的重视。由于受电池能量密度的限制，采用电池作为电源的推进系统在 一次充电后能行驶的距离十分有限，因此为了获得较长的行程必须加大电池携带 量，所以电力推进系统在陆上交通工具中的应用目前还不是十分广泛。而航行于大 海上的船舶由于载重量大且可采用“发电机一电能转换系统一电动机”的方式为电 动机提供电能来源，所以是目前电力推进系统研究的重点。 船舶采用电动机作为推进动力带动螺旋桨的工作方式，至今已有近1 0 0 年的历 史。但长期以来，由于电力推进局限于齿轮传动，在功率提高上受到限制。我们知 道电力推进可以采用直流电动机，也可以采用交流电动机。采用直流电动机时，船 舶的机动性能良好，但在维护保养方面：难度增加。直流电动机的体积和重量也十 分可观。采用交流电动机时，由于交流电动机变速困难，使船舶的机动性能变差， 但维护保养简单，电动机的体积和重量较直流电动机也小得多。由于这种种原因， 电力推进一直局限于一些工程船舶上使用。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子 学的迅速发展和全控型器件如i g b t 等的出现，交流电机的变频调速技术同渐成熟， 机动性、可靠性和运行效率等方面都有了突破性的发展。使得船舶电力推进技术的 应用领域不断扩大，船舶电力推进显示出广泛的应用前景。目前，世界上各大船用 设备生产厂家都对其十分关注，纷纷推出自己的电力推进控制系统。可以说，电力 推进是一种最能经得起时间考验的船舶推进系统。 1 1 2 船舶电力推进系统的结构和特点 华中科技大学硕士学位论文 用于电力推进系统的交流电机可分为证弦波供电的电机和方波供电的电机。经 典的感应电机( i n d u c t i o nm o t o r ) 和同步电机( s y n c h r o n o u s o t o r ) 采用正弦波 供电，它们不需电子控制器也能稳定运行，并能提供恒定转矩。如果将普通同步电 机的绕线转子用永磁体代替就成了永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ) 。永磁同步电机又可分为凸极式和隐极式。由于在相同的峰值电压和电流 下，方波电机比j 下弦波电机能提供更大的转矩，所以采用方波供电的交流电机如直 流无刷电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 和开关磁阻电机( s w i t c hr e u c t a n c em o t o r ) 获得了越来越多的注意，但这类电机的运行必须采用特殊的控制方式。随着舰船电 力推进系统得到了越来越广泛的应用，出现了许多适于舰船电力推进的新型电动 机。除了已有的同步，异步及常规永磁电动机外，又出现了横向磁场永磁电动机和 轴向磁场永磁电动机等。 幽卜1 交流电机分类图 交流感应电动机简单、耐用、可靠。在工业上，在功率范围超过8 0 0 0 k w ( 4 极) 时，这些电机很少使用。其明显的缺点是效率低、功率因数小、转子损耗大。气隙 是提高功率因数和效率的主要参数。供电变频器的类型和相电流中谐波电流含量小 使得气隙可以减小。气隙的最小极限就是防止螺旋桨叶片制动前处于最大转矩时转 子和定子之间的机械接触。同步电机在电力推进系统中得到广泛应用的主要优点是 可以控制其功率因数，从而可以按功率因数为1 的情况来设计电机，这样就有效地 降低了电机的尺寸。其缺点是需要采用比较复杂的控制技术来保证较好的励磁。永 磁同步电机由于控制相对简单，并且可以将功率做得很大，而且永磁同步电机的气 隙可以做得较大，抗冲击的性能也较好，所以在大功率电力推进中获得了广泛的应 用。资料表明在目前所制造的以及将来一段时间内所要制造的使用交流电力推进的 大吨位船舶中，大部分都使用的是同步电动机。西方的一些发达国家如德国，法国， 美国，加拿大等，相继对将永磁电动机应用于下一代电力推进做了大量工作，并做 华中科技大学硕士学位论文 了大量试验。目前，设计和研制的推进用永磁电动机都是永久励磁多相同步电动机， 多调制逆变器及冗余计算机系统的综合体，其转子采用永久磁体，定子采用由p w m 逆变器供电的多相绕组，p w 的控制元件采用i g b t 。功率在1 j 唧至2 0 姗范围之 内。 无论上述那一种电机，在进行变频调速的时候都要用到变频装置。在交流电力 推进系统中，所用的变频装置有两种：直接变频器和变频逆变器。相应地所构成的 系统也有两种：交流一交流系统和交流一直流一交流系统。前者是利用直接变频器 将发电机输出的交流电直接变换成频率较低( 输入频率的1 3 以下) 的交流电，供 给推进电动机：后者不是对发电机输出的交流电进行直接变频，而是通过整流器将 它变换成直流，再利用逆变器把它变换成一定频率，一定电压的交流电供给推进电 机。前者称作直接变频，后者因为带有中间直流环节，谓之间接变频。 目前的船舶电力推进系统主要由驱动用电动机，螺旋桨和变速控制系统三部分 组成。驱动用电动机主要有两种：同步电动机和鼠笼式感应电动机。同步电动机用 于低速传动，它可以和螺旋桨直接相连：而鼠笼式感应电动机则用于中高速传动( 额 定转速范围在9 0 0 1 8 0 0r m i n ) ，它和螺旋桨之间通常需经减速装置连接。针对 这两种不同的电动机已经开发出两种相应的变速控制系统，其基本框图如图1 2 、 图l 一3 。 图1 - 2 异步电机电力推进框图 哥 i 囱 l 囱i 妇j 幽i 霪 中压电力推进 f 氐压电力推进 图l 一3同步电机电力推进框图 电力推进系统的电压等级目前常见的有6 6k v 、1 2k v 、2 0k v 等几档。从电 力传输的角度讲，这几档电压属于中压范围。我们知道，电压值的提高有利于减小 华中科技大学硕士学位论文 电动机的尺寸和降低线路上的能耗。由此看来，随着技术的进步，未来的电力推进 船舶的电压等级还有进一步提高的趋势： 船舶电力推进系统和常规的柴油机推进系统相比有如下几个特点： 1 ) 空间配置灵活。大型船舶的柴油机几乎是毫无例外安装在船尾的下部空问， 同时需要一根较长的传动轴系连接螺旋桨。而电力推进的电动机通常和螺 旋桨靠得很近，省去了传动轴系，相应地节省了空间：发电设备可以根据 全船的配置合理安排，不受推进电动机和螺旋桨的限制。可以在机舱整个 空间内立体布置，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容。如果从消防和安 全性方面考虑，还可以把发电机分成几组( 如全船共有6 台发电机的情况 下，可以3 台一组) 布置在不同的舱室中。 2 ) 根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的 负荷下。这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少 维修保养工作和降低备件费用。这对于时常工作在低负荷下的船舶更显示 出其优越性( 如穿梭油船、渡船、破冰船等) 。 3 ) 振动小，噪音低。省去了舵和传动轴系，机械设备的总重量比同等功率柴 油主机的船舶减少约3 0 相应地节省了船舶的舱容。这些优点对于客轮是 十分重要的，对大型豪华客轮更是如此。这也是电力推进在客轮中获得越 来越大的市场份额的主要原因。 4 ) 大量的资料表明，电力推进船舶的机动性、灵活性要好于柴油主机推进的 船舶。这种情况随着3 6 0 。可旋转的推进器的广泛采用而变得更加明显。另 外，从提高效率的角度出发，目前广泛应用永磁式同步电动机，由于没有 励磁电流，消除了励磁系统中的铁耗和热耗，其效率可达到9 8 左右。和常 规同步电动机相比，永磁同步电动机直径可减少4 0 ，重量可减少1 5 。 1 1 3 电力推进系统在国内外发展现状 目前在用于电力推进的大功率交一交( 循环变流器) 变频传动技术方面，法国 阿尔斯通已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功 率无换向器电机变频传动技术方面，意大和a b b 公司提供了单机容量为6 万k w 的 设备。在高压变频调速技术方面，德国西门子高压i g b t 的三电平大容量变频器， 电压为2 3 k v 、3 3 k v 、4 1 6 k v 、6 k v ，容量8 0 0 k v a 4 0 0 0 k v a ，a b b 高压i g b t 的三 电平大容量变频器，电压为2 3 k v 、3 3 k v 、4 1 6 k v 、6 k v ，容量3 1 5 k v a 7 4 6 0 k v a ， r o b i c o n 、东芝低压i g b t 的多重式、多级串联高压变频器，电压为2 3 k v 1 3 8 k v ， 容量8 0 0 k w 5 6 0 0 k w ；其调速控制系统已实现全数字化。西方的一些先进国家也已 4 华中科技大学硕士学位论文 先后准备在下一代的战舰上使用全电力推进系统：如美国海军就准备在其下一代的 d d g 一2 l 型驱逐舰上采用综合全电力推进系统取代普通的燃气轮机推进系统，英国 海军也有类似方案。 在国内，近年来电力推进技术也获得了一定的发展。目前国内已有能力生产 1 5 0 0 k v a 的变频器产品，清华大学的电动汽车项目也取得了一定的成果。但总体上 我国与世界先进水平相差l o 一1 j 年。这方面的差距不仅是存在于控制方法上，更 多的则是体现在大功率全控型功率器件及大功率电动机的制造上。 1 2 异步电机变频调速技术瞳”强”3 6 5 9 ”眠”1 通过连续地改变电源频率和电压，可以十分理想地实现交流电动机的无极调 速，但这要有一套交流变频电源。目前比较流行的是采用变频器进行异步交流电机 的调速控制。在利用变频器对交流电机进行调速时，有以下几种常用的控制方案。 1 2 1 恒压频比控制( o o n s t a n tv fc o n t r 0 1 ) 恒压频比控制即是使变频器输出的交流电压维持输出电压幅值和频率的比值 恒定，即：堕：。w 。这种控制方式虽然存在着低速性能较差的缺点但其在控制上 “ 较易于实现，而且在低频时还可以通过低频电压补偿来获得性能的改善，因此在一 些对于调速性能要求不高的场合还是得到了广泛的应用。应该说采用恒压频比控制 的变频器在采用异步交流电机的交流电力推进系统中还是有一定的应用前景的。 但在低速时如果电压补偿效果不好，极易造成电机在低速时磁场的欠励或过 励，进而造成电机在低速范围内的转速振荡。在严重的时候甚至会造成电机与变频 器之间的机一电共振。 一种采用恒压频比供电的异步电机调速系统如图l 一4 。 图卜4 异步电机恒压频比控制框图 在图l 一4 中转速。，被检测出来与给定。相减，其结果通过p i 调节器得到转 差频率的给定m 以，m 0 与实际转速相加再作为频率的给定通过恒压频比控制去驱 动电机。这种方法实际上是通过调节电机的转差频率来调节电机的转速。这也是目 前运用得较多的一种恒压频比控制方式。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 磁场定向控制( f i e i d0 r ；e n t a ic o n t r o i ) 1 9 7 1 年p c c u s t m a n 和a a c l a r k 。申请了美国专利：“感应电机定子电压的坐 标变换控制”。同年西门子公司的f b l a s c h k e 和w f l o t o r 提出了“感应电机磁场 定向控制原理”。基于转子磁链的磁场定向控制理论为高性能交流调速系统的实现 提供了理论依据。电动机的调速关键在于转矩的控制，而由于交流电机本身是一个 非线性、多变量、强祸合、时变系统，所以难以对转矩进行直接控制。磁场定向控 制理论则从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其基本思想是在普通 的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。在磁场定向坐标上，通 过坐标变换，将静止坐标系中的交流电流矢量分解成直流的励磁电流分量和转矩 电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。样交流电机的 转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此磁场定向控制的关键就成 为了对电流矢量的幅值和空间位置的控制，也即解耦与耦合。采用磁场定向控制的 好处还有可以实现转矩的实时控制，同时也避免了瞬态时的电流突变。目前有很大 一部分的实用化高性能交流调速系统都采用这种方式，国外的有西门子公司，国内 的有深圳安圣电气公司等。 但在磁场定向控制中其转子磁链观测器受电机参数的影响较大，尤其是转子电 阻会随着温升和频率的变化而发生较大的变化( 有时高达5 0 ) ，而且电机转速测 量的误差也极易引起转子磁链的误差，这就使得这种调速方式难以获得理想的效 果。为此目前有不少基于在线参数辨识对电机参数变化进行补偿的新方法提出，有 的也获得了较好的效果。不过这些方法采用了较复杂的控制理论和算法，使得整个 系统变得复杂、庞大。 在如图l 一5 所示的异步电机磁场定向控制框图中，定子电流的采样值通过静 止3 2 变换和转速的检测值一起计算出转子磁链的瞬时值妒。，y 。由转子磁链的 计算值得到转子磁链的位置角目和幅值y ，其位置角代入旋转3 2 变换的公式中将 定子电流变换到同步旋转坐标系上得到，f 。转速的检测值一路通过函数发生器得 到转子磁链的给定值p ：，另一路与转速给定值比较再通过p i 调节器得到转矩的给 定值一。转子磁链的给定值y ：与测量值，比较再通过p i 调节器得到d 轴电流给定 值f ：。转矩的给定值巧与转子磁链的计算值相除得到q 轴电流的给定值f ：。电流的 给定值屯f ：和实际值，相比较后通过p i 调节器得到d 轴和q 轴的电压给定值 “：，“：，然后产生相应的驱动信号去驱动三相逆变全桥发出合适的电压矢量去驱动 交流电机。这种方法通过调节定子d 轴和q 轴的电流来分别调节电机的转子磁链和 转矩，可以获得较好的调速效果。但是由于电机d 轴和q 轴的耦合关系，因此d 、 q 轴电流的调节不可避免的会相互影响。目前研究交流电机d 、q 轴的完全去耦合 华中科技大学硕士学位论文 控制也是磁场定向控制的一个重要方向， 图卜5 异步电机磁场定向控制框图 i 2 3 直接转矩控制( d ir e c tt o r q u ec o n t r o i ) 直接转矩控制技术，德语称为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e l u n g ) ，英语称之d s c ( d i r e c ts e l f - - c o n t r 0 1 ) 或d t c ( d i r e c tt o r q u ec e n t r e l ) 是自七十年代发展 起来的矢量控制技术之后又一种具有高性能的新型交流调速技术。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授通过对瞬时空间理论的研究，首 次提出了直接转矩控制理论。1 9 8 7 年又把这种理论推广到弱磁调速范围。这种控 制技术不同于矢量控制技术，它跳出了交流传动技术研究传统的思维框框，不去考 虑如何通过解耦将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是简单的通过 检测到的定子电压和电流借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩并根据与 给定值比较所得差值实现磁链和转矩的直接控制，从而使得直接转矩控制的感应电 动机调速系统不仅线路简单，对电机参数不敏感，在很大程度上解决了矢量控制中 计算控制复杂，实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。 在m d e p e n b r o c k 所提出的直接转矩控制系统中，其磁链的轨迹是按j 下六边形 运动的，由于其六条边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可简单地切换六 个工作状态直接由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹，所以磁链控制环节很简 单。然而这种控制方法有明显得缺点，实际上这种系统类似于六阶梯波逆变器供电 的感应电动机调速系统。因此磁链幅值存在6 倍频脉动，脉动幅值约7 ，因而转 华中科技大学硕士学位论文 矩脉动、噪声也比较大。但六边形磁链控制系统中每l 6 周期中仅使用一种开关工 作状态，故丌关次数比较小，所以通常仅在某些大功率领域的场合予以考虑。 为了得到高性能的速度控制，必须使电机气隙磁场尽可能为圆形。日本东芝公 司的t a k a h a s h i 教授于1 9 8 6 年提出了磁链轨迹的圆形方案，即让磁链向量基本上 沿圆形轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过比较实时计算所得的实际磁链幅 值与给定值相比较，并同时考患此时磁链所处的位置来选择电压矢量及其持续时间 的长短。采用这种控制方案，逆变器的开关周期是随机变化的，而电机的损耗、转 矩的脉动和噪声最小。但由于系统在六分之一中都要交替使用两种开关状态( 两个 电压矢量) ，所以开关次数比较多，开关损耗比六边形法略大。因此，一般用在中 小功率场合。 为了实现恒逆变器开关频率控制，t g h a b e r l e r 提出了一种预前控制法，即依 据当f i i f 状态的转矩、磁链误差和反电势，在一固定的开关周期条件下选择和计算下 一个状态所需的空间电压矢量。但方案中存在的困难是控制运算中需解一个一元二 次方程，算法较为复杂。 总的来说直接转矩控制着眼于转矩控制以得到快速的转矩响应，在最直接的定 子坐标系下进行磁链和转矩的控制，一般只要知道定子电阻就可以把定子磁链给观 测出来，由于定子电阻的变化比较容易得到补偿，所以直接转矩控制本质上是鲁棒 性的，对电机参数的变化不敏感。由于直接转矩是在定子坐标系下分析交流电动机 的数学模型、控制电机的磁链和转矩，所以它不象矢量控制那样，将交流电动机与 直流电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直流电机的控制而要求解耦后的简 化交流电动机的数学模型来实现对转矩的间接控制，从而避免了磁场定向控制系统 中复杂的坐标变换和参数运算，系统十分简单，容易实现。直接转矩控制技术是建 立在瞬间空间理论的基础上，所以，便于应用空间矢量方法来分析三相交流电动机 的数学模型和控制各个物理薰。尤其是可以直接得到逆变器的开关状态，易于优化 系统的工作状态，实现无速度传感器的交流调速。直接转矩控制以转矩和磁通的独 立跟踪自调整并借助于转矩的b a n d b a n d 控制来实现p w m 控制策略和高动态性能。 所以直接转矩控制系统的逆变器成本较低而效率较高。目前a b b 公司的变频器调速 系统采用的是这种控制方式。 一种无速度传感器直接转矩控制框图如图1 6 所示。定子电压、电流被检测 出来通过计算得到电机的电磁转矩t 、转速f o r 、定子磁链角口和定子磁链的幅值 p 。转速给定值和转速的计算值相比较再经过速度环得到转矩的给定值，c 与 t 相比较经过转矩滞环得到转矩控制信号，定子磁链的给定值舨sj 与b 。f 相比较经 过磁链滞环得到磁链的控制信号。磁链的控制信号、转矩的控制信号和走子磁链角 华中科技大学硕士学位论文 口一起通过查开关状态选择表格决定将要发出哪一个电压矢量去驱动电机。 | 茎| 卜6 一种无速度传感器直接转矩控制框图 虽然直接转矩控制技术具有许多优点，但作为一种诞生不久的新理论、新技术， 自然又有其不完善、不成熟之处。首先在中高速区采用的u i 定子磁链模型已比 较完善，但在低速区定子电阻的变化会使得定子电流发生畸变十分严重。目前采用 在低速下采用i n 模型，高速下采用l i 模型的方法加以克服。不过模型的切换 又会引起转矩的振荡。同时采用直接转矩控制的调速系统在低速时由于死区效应的 积累误差较易引起转矩的脉动，问题严重时还会引起转速的脉动。目前的解决办法 是通过高速数字信号处理器计算出所有的失真电压，再根据电流方向进行补偿。直 接转矩控制在低速范围内还存在很多难题，尤其是定子电阻的辨识问题，已成为它 进一步发展的障碍。实践证明，从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已是不可 能了，必须另辟蹊径。现代控制理论的发展应用为交流调速系统提供了坚实的理论 基础。各国学者也越来越多地把现代控制技术应用于交流电机的调速中。 1 3 交流电机无速度传感器转速辨识技术的发展“引7 2 4 “鼠轧“眠“”1 近年来，随着电力电子技术和计算机技术的迅速发展，高性能交流调速已成为 可能。从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调 速系统在静、动态性能上不能与直流传动相媲美的问题。但是在实践中，为获得高 性能转速控制，就须在电机的转轴上安装速度传感器。而速度传感器的应用往往存 在以下问题：( 1 ) 速度传感器破坏了感应电动机的刚性和简单性：( 2 ) 安装速度传感 器，增加了系统的成本；( 3 ) 有些场合不容许外装任何传感器：( 4 ) 速度传感器的 安装增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性。鉴于上述问题，速度传感器的存 9 华中科技大学硕士学位论文 在使交流系统的应用范围受到很大限制。因此越来越多的学者和公司将目光放在无 速度传感器控制系统的研究和开发上。无速度传感器控制系统的核心问题就是对转 子的速度进行估计，主要的出发点就是用直接计算、参数辨识、状念估计、间接测 量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中计算出与速度有关的量， 从而得到转子速度，并将其运用到速度反馈控制系统之中。国外从7 0 年代末就开 展了这方面的研究工作，随着近年来新的功能强大的数字信号处理( d s p ) 芯片的发 展，各种现代控制理论的思想得以应用到高性能异步电机调速系统中。 图卜7 无速度传感器控制系统构成框图 一般地，由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制( 或直接转 矩控制) 系统由图l 一7 所示的3 个环节构成。即：l 速度调节器；2 磁链和转矩 控制器；3 速度推算或辨识器( 含磁链计算或观测) 。对于环节2 ，需要控制转矩 和磁链。由此可以分为：a 以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用 的有计算滑差频率的被称为间接法( i v c ) 和把状态观测器观测到的转子磁链进行 反馈控制的直接法( d v c ) 。b 以控制定子磁链为特点的，被称之为直接转矩控制策 略( d t c ) 。环节3 的结构依存于环节2 的结构。实际上在计算或推定速度值时， 常常也要获得( 计算或观测) 磁链( 转子的或是定子的) 值。因此，按其理论上的 特点，可以把获得转速和磁链的方法大致分为两大类。一是利用电机的状态方程进 行计算的方法；二是利用自适应状态观测器观测磁链并辨识转速的方法；还有一些 方法是这两类方法的变型。 利用电机的状态方程进行计算的好处是算法较为简单，而且从理论上讲速度计 算没有延时，其缺点为由于缺少任何误差校j 下环节，故而速度计算严重依赖于电机 的参数，因此难以保证调速系统抗干扰性，甚至可能出现不稳定的情况，这种方法 为东芝、同立、富士、东洋电机、及a b b 等公司的早期产品所用。 卡尔曼滤波是由r e k a l m a n 在六十年代初提出的一种最小方差意义上的最优 预测估计的方法，它的突出特点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。扩 展卡尔曼滤波算法则是线性卡尔漫滤波器在非线性系统中的推广应用。如果将电机 转速也看作一个状态变量，而考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计时都重新 华中科技大学硕士学位论文 将模型在该点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行估计。扩展卡尔曼 滤波法”。提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分计算， 而且可以通过对误差协方差阵的选择束调节状态收敛的速度。但卡尔曼滤波算法即 使是采用降阶的卡尔曼滤波模型其计算量也很大，。应该指出的是，这种方法是建 立在对误差和测量噪声的统计特性已知的基础上的，需要从实践中摸索出合适的特 性参数。 幽卜8a f e r r a h 基】定子电流f f t 谱分析的速度估计框图 为了克服速度估计中对电机参数的依赖性，一些学者提出了利用定子电流信 号中与转速相关的频率成份来分析转速的思想。i s h i d a 在7 9 年就曾提出利用转子 齿谐波电势计算滑差频率的设想但只能在较高速下有效，未能引起太多的关注。 直到近几年高速d s p 芯片和硬件f f t 芯片的出现才使这一设想又有了充分展示的 天地。a z z e d d i n e ，f e r r a h 等提出的利用转子齿谐波的改进方法可以在稳态下对大 范围的速度进行测量计算。此外，d i x o n 等还提出了利用定转子不对称性而产生的 与转速有关的频率成份计算转速的方法，并在低速下使用了辅助频率电源激励的方 法来提高低速测量的灵敏度。这类利用f f t 方法的主要问题有：1 ) 在低速下测量 灵敏度难以继续提高；2 ) 由于受到处理能力的限制，转速测量速度有待提高；3 ) 技术上如何处理噪声干扰和负载转矩的影响。 如果把速度推定归结为参考辨识，则可以用模型参考自适应理论( m o d e l r e f e r n e c ea d a p t i v es y s t e m ) 来构筑能够辨识速度的系统。在这种情况下系统为非 线性系统，于是可用波波夫的超稳定理论在保证系统稳定的条件下推导出辨识算 法。模型参考自适应法( m r a s ) 辨识速度的主要思想是将不含未知参数的方程作为 参考模型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型应该具有相同物理 意义的输出量。利用两个模型的输出量的误差构成合适的自适应率来实时调节可调 模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。m l l a s 应用到转速估计 方面较有影响的工作是s c h a u d e r 提出的转速m r a s 辨识方法，将不含有真实转速 的磁链方程( 电压模型) 作为参考模型，含有待辨识转速的磁链方程( 电流模型) 华中科技大学硕士学位论文 奏 作为可调模型，以转子磁链作为比较输出量，采用比例积分自适应律进行速度估 计，状态和速度的渐进收敛性由p o p o v 的超稳定性理论来保证，在行业中引起了较 大的反响。模型参考自适应( m r a c ) 法利用反馈控制实现转速的在线辨识，其动态 性能好、静态误差小，且实现起来较为简便，因此得到了越来越广泛的应用。目前 该方法已被用于三菱的一部分产品之中。但对于电机参数变化给m r a c 法带来的影 响，目前只有g m a s h e r “”和c o li ns c h a u d e r 。“讨论了电机参数变化对基于转予磁 链的m r a c 法的影响。而对于电机参数变化对其它的m r a c 法的影响则很少有文献讨 论。在s c h a u d e r 的模型中由于引入了纯积分环节，使得在低速时转速的误差较为 明显。其后y h o r i ，p z z h e n g 等对该方法作了改进，主要的出发点是在选择 不同的参考模型和比较输出上，并避免了纯积分环节。 此还有基于自适应全阶状态观测器的m r a s 法、l u e b e r g e r 观测器法、滑模观测 器( s i i d i n go b s e r v e r ) 法以及基于神经网络的自适应转速辨识法等。 以上讨论了异步电机实现无速度传感器调速的几种常用的方法。通过以上的讨 论我们可以看出基于电机状态方程直接导出的转速计算方案简便、直观但十分依赖 于电机参数的准确测量，且需要进行微分操作。模型参考自适应法以及各种观测器 法各有优缺点，但是实现起来比较复杂。神经网络法作为一种在线智能转速估计的 方法具有较好性能是一个发展的方向。定子侧f f t 法随着高速d s p 的出现慢慢显露 出一定的前景。 1 4 本文研究内容 目前在高性能交流调速系统中实际效果较好的主要为磁场定向控制系统( 矢量 控制系统) 和直接转矩控制系统。其中直接转矩控制系统相较于磁场定向控制系统 而言具有控制简单、对电机参数依赖小的优点，因而本文选用直接转矩控制系统作 为异步电机调速的控制系统。在此基础上对目前比较流行的模型参考自适应转速辨 识法也作了进一步的研究。本文以无速度传感器直接转矩控制技术作为研究课题， 主要研究工作体现在以下几个方面： 华中科技大学硕士学位论文 1 本文叙述了直接转矩控制的原理，并建立了相应的数学模型和仿真模型。 分析了定子电阻变化会给直接转矩控制带来的影响。并讨论了几种定子磁 链模型及一种在高、低速运行时的模型切换方法。最后介绍了用于本文所 研究的直接转矩控制调速系统的控制方案，并通过仿真实验验证了本方案 的有效性。 。 2 模型参考自适应法是一种很有效的转速辨识方法，本文叙述了模型参考自 适应理论的基本原理，分析了目前用于转速辨识的几种主要的模型参考自 适应方案，讨论了它们的稳定性。并通过仿真模型和仿真实验研究了参数 变化给各种模型参考自适应方案带来的影响。 3 数字控制是高性能交流电机调速系统的发展方向，本文针对异步交流电机 调速系统采用美国德州仪器公司生产的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 设计了 相应的直接转矩控制调速系统，并采用两种不同的模型参考自适应法实现 了无速度传感器的转速在线辨识。 高性能的交流调速系统是电力推进系统的重要组成部分，希望本文的工作能为 未来的研究打下一点基础，做出一点有意义的贡献。 华中科技大学硕士学位论文 2 异步电机数学模型 随着交流调速系统引起人们越来越多的注意，交流电机作为被控对象也吸引了 人们越来越多的研究兴趣。为了更深入的研究交流调速系统，无论是仿真还是控制 都必需建立起交流电机合适的数学模型。这种模型不仅要能精确体现交流电机运行 于各种工况下的情况如电机磁链、电流的变化，而且要简单实用以利于工程设计。 但交流电机是一个多变量非线性系统，其数学模型远比直流电机复杂，所以建立起 一个适当的数学模型是十分必要的，它将作为我们以后分析和解决问题的基础。以 下就异步电机的数学模型做进一步的说明。 2 1 a 、b 、c 系统的磁链、电压和转矩的方程式”1 在研究异步电动机数学模型时常做如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组a 、b 、c 及三相转子绕组a r 、b r 、c r 在空间对称分布，各相 电流所产生的磁势在气隙空间是正弦分布的。 ( 2 ) 磁饱和及铁芯损耗忽略不计。 ( 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 图2 - 1 异步电机a 、b 、c 坐标系统及各相等效物理模型 2 1 1 磁链方程 取各相绕组轴线如图2 1 所示，并假定电压、电流、磁链的正方向符合右手 螺旋法则，那么定子、转子中六个绕组的磁链可以表达为： y 8 y 口 打 y c ， m _ 口r m h m fo r 口r m b m r m m _ r r m b 。r m c c ? m m m b r 。， ， f 8 ，( f 盯 f 打 | c r ( 2 1 ) 胛厨r 州 帆 “ m m 胁肌肌肌 坩8 w 坩膪坩 肌“肌肌胁肌 州肌“ 州 例 刚 “m肌肌胁肌 华中科技大学硕士学位论文 即：= ，( 2 2 ) 式中 y = 妒8(y 吖y 打y 盯r ； l - k ji 8 i ti 。，i hi c r x ； 为( 6 x 6 ) 矩阵，其中各元素分别为各绕组的自感和互感。，代表电机定转子电流矢 量。 实际上，可以认为电机中交链各绕组的磁通只有两类：一类是只与定子或转子 某一绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共主磁通。定子漏磁 通所对应的电感是定子漏感。转子漏磁通所对应的电感是转子漏感b 。如果用 l 。，表示与主磁通对应的定予电感，用：，表示与主磁通对应的转子电感，那么定子、 转子的自感分别是： j ：“，l b b - - l , c 一 ( 2 3 ) l 口r = k = l c ，= 2 m + 2 f 一。 由于电机的槽漏磁，端部漏磁及漏磁引起的互感很小，可以忽略。则可以得到 定子相间互感为： m 8 = m s c = m c a = m