（电机与电器专业论文）异步电机无速度传感器直接转矩控制系统研究.pdf

太原理l ：大学硕十研究生学位论文 41 g e n g y a n n ga n dt u n gh a ic h i n a d a p t i v e - s p e e di d e n t i f i c a t i o ns c h e m e f o r a l n v e n e r i n d u c t i o n m o t o r d r i v e i e e e t r a n s ，i n d u s t r y a p p l i ，1 9 9 3 ， 2 9 ( 4 ) ：8 2 0 - 8 2 5 【4 2 h a b e t l et g d i r e c tt o r q u ec o n t m l ( d t c ) 一t h en e x tg e n e r a t i o nt r a n s c o n t r o ls y s t e m sa n ds o f t w a r e ，1 9 9 5 ，1 l 一1 5 【4 3 a c s 6 0 0 标准传动变频器技术样本北京a b b 电气传动有限公司， 1 9 9 9 4 4 t m s 3 2 0 c i x c 2 x c 2 x x c 5 x ，a s s e m b l yl a n g u a g et o o l su s e r sg u i d e t e x a si n s t r u m e n t s ，1 9 9 5 4 5 t m s 3 2 0 c 2 x x u s e r sg u i d e t e x a si n s t r u m e n t s ，1 9 9 7 ，1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y0 fa s y n c h r o n o u sm o t o r s p e e d s e n s o r l e s sd i r e c t t o q u ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t o n em e t h o do 士a cl n d u c t l o nm o t o rc a l l e d d l r e c t i b r q u e c o n t r o l ( d t c ) w a sr a i s e d a f t e rv r e c t o r c o n t r 0 1 ( v c ) f o l l o w i n g v 色c t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fd t cm a k e s i c s e l fan e wh i g hp e r f b r m a n c ea cd r i v i n gt e c h n i q u ep a r a l l e l i n g t ot h ev 色c t o rc o n t r o i d i r e c t1 1 0 r q u ec o n t r o ls y s t e m ( d t c s ) h a s s o m ed i s l i n c t i v ef e a t u r e s ，s u c ha ss i m p l ec o n t r o ia l g o r i t h m ，q u i c k t o r q u er e s p o n s e ，af e wm o t o rp a r a m e t e r se l c i i it h i sd i s s e r i a t i o n ，t h er e a l i z a t i o no fs p e e do b s e i v e ra n dt h e d e s i g no fs t a t o rn u xo b s e e ra r es t u d i e dp r o f b u n d l yb a s e do n l h ep r o d u c c i o n so fi a s kt e a m i nd t cs y s t e m ，t h ee x a c in u xv a l u ei s v e r yi m p o r t a n t a t p r e s e n t ，m e r ea r et h r e en u xm o d e l sw h a tu s e di nd t cs y s t e m ：u - i m o d e l ，i - nm o d e l ，u nm o d e l a f t e rd i s c u s s i n gi h e s em o d e l s ，f o rt h e d r a w b a c k s ，t h ep a p e rg i v e saf u l lo r d e rf l u xo b s e e r ，w h i c ht o a v o i dt h e s eq u e s i i o n s ，a n dc h es t a l o rf l u xc a nb eo b s e r v e dm u c h h e t t e r 1 1 1 奎堕望兰查堂黧主堕塑生堂垡丝墨 t h e r ea r et h r e et y p i c a lw a yt o r e a l i z e s p e e d s e n s o r l e s s s v s t e m ，d i r e c ta c c o u n tb a s e d0 nn l o t o fe ( 秘a t i o n ，k a l 礅a n 蠡l t e ra n d m r a s 1 魏魄趣d i s s e f l a t i o 珏，b a s e do 矬h em r a s f l u x 曲s e 列e ra n d o nt h eb a s i so ft h es t a b i l i t yt h e o r e mo fl y a p u n o v ，i td e s i g n e da s i m p l es p 。e de s t i m a t o r an e ws p e e d s e n s o r l e s sd t c s y s t e mi s c o m p o s e d as i m u l a t i o ns y s t e mo fm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ea d o p t e d s d e e d s e n s o r l e s s d t c s y s t e m i s d e v e l o p e db yu s i n g m 蛾，a b 缁i m u “n ks o f t w a f ep a e l ( a g e 髓es m 驻l a l l o 鞋f e s 疆l t s s h o wt h a l ，c o m p a r e dw i t ht h es y 8 t e mu s i n gi mf l u xm o d e l ，f h i s s v s t e mu s i n 譬f u l lo r d e rf l u xs e r v e rh a sb e t t e rf e l i a b i e s t a i o ra n d d v n a m i cs t a t o rw h e ni tf t l n n i n gi nt h ec o u r s et h a t t h es y s t e m s t a f 瞧a n d 挑n s1 0 a d i 珏gw i ba n dw i 凌锄t1 0 a d ，瓤i 曲s p e e da n d l o w s p e 。de t c i ns p e e d s e n s o r l e s sd t c s y s t e m ，c a l c u l a t es p e e d i si n o s _ c u l a t i n gt om o t o r sa c t u a ls p e e du n d e r a i lo ft h er u n n i n gs t a t e so f m o t o 蚰t 蠢s oh 鑫v eg o 醚e 甄c 专se v o 矬麟魏媳s t r r e s l s t a c eo r t o r r e s i s t a n c eh a sc h a n g e d ，s ow ec a nd r a wac o n c l u s i o na s ：u s i n gt h e m e t h o dc a ni m p m v e dt h ep r e c i s i o n o ft h 。o b s e r v e d s p e e d ， s t r e n 餐t h e 娃t h 。f o b u s t n e s so 薹s y s t e m ，a 拄d 、v i d e 聪t 蠢ef 拄n g ei 醴d f i v e s y s e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i tt r i e dt om a k et h om o d e lr e f e r e n c o a d a p t i v ea d o p t e ds p e e d s e n s o 矗e s s 踞s y s t e mc o m et r u 。l na e q u i p 珏l e n 。d i s e l 它e q 珏a i o 纛s o fb l o c k sa l ed e d u e e da 娃d a l e c a r r i e do u ti np f o g r a m m e r ac o m p l e t es e to fc o n t r o la l g o r i t h m 1 v 太原理工盔兰堡主婴圣生兰垡笙茎 一 i n t r o d u c ep u ( p e r - u n i t ) ，a n de n h a n c ea c c u r a c yo fo p e r a t i o n u s e d a n e ww a vt or e a l i z et h es p e e dr e g u l a t o rc a r r i e do u tt h ei n t e g r a l s b vd i s c r e t i z a t i o no p e r a t i o n t h ep a p e rd e s i g n s a n dc a r r i e so u t m o d e lr e f e r e c ea d a p t i v ea d o p t e ds p e e d s e n s o d e s sd t cs y s t e m u s i n 22 2 k wa s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n dt m s 3 2 0 f 2 4 0 d e v e l o p l m e n td e v i c e k e yw o r d s ：m 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 ) ，d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，s p e e d s e n s o r l e s s ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，a s y n c h r o n o u s m a c h i n e v 太原理丁大学硕士研究生学位论文 1 1引言 第一章绪论 电气传动技术以电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力 电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动自 动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工 作机械的旋转运动或往复运动，从而达到控制电机转速或位置的目的。 电动机可以分为直流电动机和交流电动机。它们各有优劣：直流电 动机控制简单，很长一段时间以来，直流电动机由于其转速的调节性能 和转矩的控制性能比较理想，因此在高性能可调速电气传动领域中占统 治地位。但是，直流电动机结构中存在换向器、电刷等结构，使其在单 机容量、转动惯量以及维护等方面受到了限制，不能满足向大型化发展， 咀及在快速性、可靠性等方面进一步提高要求。而交流电机结构简单、 坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于维护、可工作于恶劣环境等优 点，在工业领域得到了广泛的应用。但是，由于异步电机是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量复杂系统，要实现对其控制相对困难，早期的 研究没有很好的方法解决其控制问题。然而在近几十年里，随着电力电 子技术、微电子技术以及自动控制技术的不断发展，诸多新型电机控制 技术不断被提出，使变频技术能更好地实现对交流电机的调速，因此用 交流调速取代直流调速正逐步变为现实。 1 _ 2 异步电机调速系统的发展 由于异步电机具有结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉等特 太原理工大学硕士研究生学位论文 点，特别是2 0 世纪7 0 年代以后，席卷世界的能源危机迫使人们投入巨 大的精力物力去研究高效节能的交流调速系统，从而，交流调速系统得 到了广泛的应用。 交流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用【2 1 。 a 一般性能的节能调速 在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等总容量几乎占 工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是 因为过去交流电机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供 水的流量，许多电能因而白白地被浪费掉了。如果换成交流调速系统， 把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，将可以节约很多能源。 b 高性能交流调速系统 许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交 流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯 量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。但 是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接 通过电流施行灵活的即时控制，因此交流电动机的使用受到很大限制。 上个世纪7 0 年代初提出的矢量控制技术( 或称磁场定向控制技术) ，和 1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出的直接转矩控制理论，另外还有解耦 控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流调速系统相媲美的高性 能交流调速系统。大大扩展了交流电动机的应用范围。 c 特大容量、极高转速的交流调速 直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和 转速的乘积约为1 0 6 k w r r a i n ，超过这一数值时，直流电机的设计和 制造就非常困难了。交流电机则不受这个限制，因此，特大容量的传动 和极高转速的传动都以采用交流调速为宜。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适合于异步电机， 也适合于同步电机，交流电机采用变频调速可以根据负载的特性不同， 通过适当调节电压和频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保 证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系 统相似，机械特性基本上平行上下移动。同时交流电机采用变频起动更 能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起 动转矩，所以变频调速是一种理想的交流调速方法。也是交流调速传动 各种方式中应用最多的一种方式。对于异步电动机的定子变频控制方 式，有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、自适 应控制、智能控制等。这些方式可以得到各有特长的控制性能，以下分 别对几种方式进行简单介绍。 1 恒压频比控制 依据电机学原理可知，电机转速主要由电源频率和极对数决定。改 变电源频率就可以进行电动机的调速，即使进行宽范围的调速运行，也 可以得到足够的转矩。为了不使电动机因为频率变化导致磁路饱和从而 造成励磁电流过大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和 频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，从而维持 气隙磁通为恒定值。 恒压频比是比较简单的控制方式，该方式使用于转速开环的交流调 速系统，适用于生产机械对系统静动态性能要求不高的场合。 2 转差频率控制 转差频率控制是根据电动机的转速相对应的频率与转差频率的和 来给定变频器的输出，能控制与转差率有直接关系的转矩和电流。这种 控制方式比恒压频比控制的调速范围宽一些，精度高一些，响应快一点。 转差频率的控制方式是用检测异步电动机转速使转速反馈控制变 3 太原理工大学硕士研究生擎位论文 算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单。所用的控制信号使观察 纛辩予交滚电动辍懿物理过程能够终出蠹羧葶嚣明确豹剿戆。 b 直接转麓控制磁场定向所用的是定予磁链，只嚣知道定子电阻 就可以把它观测出来。而矢髓控制磁场所用的是转予磁链，观测转予 磁蜓蓑要翔遂壤动援转予毫黻帮电感。嚣鼗壹接转矩接裁大太藏少了 矢量控制技术中控制性能易髓参数变化影响的问题。 c 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数 学援鳖和控毒l 葵萎物理量，佼润筵交缮特麓篱荤暖了。 d 直接转斑控制强调的疑转矩的直接控制和效果，它包含有两鼷意 思：直接控制转矩和转矩的赢接控制。赢接控制转矩与著名的矢量控制 懿方法不嚣，宅不是逶过控鞠宅滚、磁镀警羹寒阂接捺翻转矩，瑟麓愁 转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的藏弦 波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发， 它强调兹是转楚瓣妻接控剖效莱，毽瑟它蘩廷离数夔邀瘫凌态彝六逑影 磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。而对转矩的直接控制是指利用直 接转矩控制技术对转矩实行巅接控制。其控制方式是，通过转矩两点式 调节器或三点蕊霹鼙节器跫转蹩检测篷与转瓣绘定毽终豢涝环赘琵较，怒 转矩波动限制程一定的容羞范围内，容羞的大小，由频率调节器来控制。 因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决 予转矩戆实际浚猿。它熬控翻辈壹接又麓讫。对转矩鹣这穆壹接控翻方 式也称之为“巅接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩 控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制。但以转矩为中心来进行综合 擦麓。 综上所述，直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接谯定 予嫩标系下计算与控制交流魄动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 离散的两点式调节f b a n d b a n d 控制) 产生p w m 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。它省掉了复杂的矢量 变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生器。它 的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念 明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内且无超调，是一种 具有高静动态性能的交流调速方法。 5自适应控制 无论是直接转矩控制还是矢量控制都难以达到预期的要求。直接转 矩控制需要知道定子磁链；矢量控制需要转子磁链的准确方向，而转子 磁链的确定还依赖于电机参数一转子电阻。电机参数随着环境温度的变 化而变化，故而不能准确的确定定子磁链和转子磁链的位置而自适应控 制问题的提出，就是为了解决控制对象参数在大范围内变化时，系统仍 能自动的工作于最优或者接近于最优的运行状态n 自适应控制可简单地定义如下：在系统工作过程中，系统本身能不 断地检测系统参数或运行指标，根据参数的变化或运行指标的变化，改 变控制参数或改变控制作用，使系统运行于最优或接近最优状态。自适 应控制的种类很多，大致可以分为三大类，即自校e 控制、模型参考自 适应控制和其他类型的自适应控制”1 。本文根据模型参考自适应原理对 直接转矩控制系统中磁链观测器进行了改进，并在此基础上依据自适应 律构建了一个简单实用的速度估算器，实现了无速度传感器直接转矩控 制系统。在第二章中，本文将对模型参考自适应进行较为详细的介绍。 1 3电力电子器件及微机技术的发展 早在2 0 世纪2 0 年代人们就对交流变频调速的优越性有较深的认 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 识，但由于电力电子器件的原因，当时难以实现i ”。在2 0 世纪5 0 年代 中期，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术的新时代。由于该类器件 体积小、重量轻、响应快、管压降低、坚固耐用，采用晶闸管使交流调 速有了飞速的发展。2 0 世纪6 0 年代初，中小型感应电动机多采用晶闸 管调压调速和电磁转差离合器调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸 管构成的静止型电气串极调速系统。由电机学理论可知，交流电机变频 是一种最有前途的方案，该方案的核心是改变所加定子电压的频率。变 频装置的核心元器件就是电力电子开关器件。 近年来，随着材料科学和微电子技术的发展，电力电子学取得了长 足的进展，各种新型电力电子开关器件不断涌现，从而使变频装置的硬 件性能不断提高，可靠性大为提高，为交流感应电机调速系统的进一步 发展提供了强有力的物质支持。2 0 世纪8 0 年代以来，新一代高频化、 全控型的功率集成器件逐渐代替了传统的半控型晶闸管。可关断晶闸管 ( g t 0 ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管( 功率m o s f e 日、绝缘栅 双极型晶体管( i g b n 、静电感应晶闸管( s i i h ) 以及m o s 控制晶闸管 ( m c t ) 等器件的产生和发展，己经形成了一个新型电力电子开关器件的 大家族。另外，新兴的智能功率集成模块( i p m ) 将开关器件与部分控制 电路、驱动电路、保护电路集成在了一个模块上，进一步促进了变频装 置向小型化、高频化、低噪声、高性能、高可靠性、低成本方向发展。 微机技术的发展及不断应用，更是给工业控制技术带来了前所未有 的变化，促使工业控制向数字化、小型化、智能化方面发展。特别是微 型控制器f 如i n t e l 公司于2 0 世纪8 0 年代后所推出的8 0 5 1 系列和8 0 9 6 系列以及t i 公司生产的t m s 3 2 0 系列等微型控制器) 的广泛应用，使控 制系统的组成发生显著的变化，不仅降低了控制系统的硬件费用，又提 高了控制系统的可靠性。可以说现代交流电机调速的广泛应用与微机技 8 太原理工人学硕士研究生学位论文 术的发展和普及有十分密切的关系，利用单片微控制器芯片使调速装置 的性能大为提高，同时使调速装置的体积更小和重量更轻。在最近十几 年间，微机技术突飞猛进，性能不断提高，并行处理技术、多处理器技 术、专用数字信号处理器( d i g i t a ls i g i l a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 的出现等， 都给感应电机调速的高性能化奠定了优良的硬件基础。特别是d s p 芯片 的出现，被广泛地应用在高性能交流感立电机调速领域。例如，美国t i 公司在1 9 8 3 年研制并推出第一代数字信号处理器1 m s 3 2 0 1 0 ，该处理器 集成了许多其它微处理器通常用软件完成的功能。目前高性能交流电机 矢量控制系统大多采用d s p 来进行矢量控制所遇到的大量数学运算，从 而大大缩短控制系统的控制周期，改善整个调速系统的性能。随后t i 公司又相继推出了性能更为优越的3 0 系列和5 0 系列产品，目前最常用 的是德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 系列d s p 。t m s 3 2 0 f 2 4 0 具备强大的 片内i o 和其他的外设功能，为电机控制提供了高速、高效、先进的控 制架构。f 2 4 0 片内的事件管理器与其他任何一种d s p 都不同，该事件管 理器中包含特殊的p 州产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功 能和空间p w m 状态机，后者为电机的变频调速的p i v m 生成提供了完美的 机制。三个独立的上下计数器，每一个都有自己的比较器，可支持产 生多达1 2 路非对称和对称的p w m 波形。四路捕获单元输入中的两路可 以直接连至光电编码脉冲信号。此外片内还集成了两个1 0 位a d 转换 模块及一个串口通讯模块( s c i ) ，使得由f 2 4 0 构成的控制系统具有结构 简单，性能可靠等优点。 1 4 直接转矩控制系统磁链的计算 直接转矩控制思想新颖，直接在定子坐标系下分析交流电动机的数 9 太原理工大学联士疆究生学锭论文 法实现速度估算，算法简单，计算量小，能够满足直接转艇控制的要求。 1 。6 本文懿主要工终 本文在深入研究了自适应理论的基础上，参考了近年来自适应理论 的磷究成果，特嬲是课题组避两年来的研究实践窝礤突成果【1 1 h l ，针对 直接转矩磁链计算不够准确，磁链观测器对电视参数变化 幺较敏感的| 、掰 题，根据模型参考自适应的方法对异步电机康接转矩控制系统作了优化 帮改进。采用定、转予磁链炎状态变量的状态方程，对窥转子磁链进行 了观测，并在此蒸础上根据李驻普诺夫稳定性定理，得到了一个简单实 用的速度辨识器。实现了无遗廒传感器直接转矩控制。 逶过对异步逛掘在。垒标系下方程懿详缨推导，褥出了噬矽一 妒。，妒，。，妒。为状态变量的状态方程，将其作为参考电机模型，并避 一步构建了异步电机定转子磁链的自适应辨识模型，将此二者之差进行 调节。使萁兔零，放瑟达弱叁遥痤磁链蕊溺瓣薹戆，静搜瓣识磁链等予 参考模型磁链。根据李亚普诺夫稳定性定理判断其稳定性，并据此综合 出自适应律，由此得到一个速度估算器，代替速度传感器，从而实现了 秃遮凄绩惑器妻接转矩控麓。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了昴步电机无速度传感器直接 转矩控制系统的仿真系统，构建了电机模型、磁链观测模型，自适应德 等傍囊模型，怼繁予模鍪参考囊逶瘦磁篷躐灞器中豹调节参数进行了大 量的仿真研究，褥到了适当的参数。将采用此磁链观测器赢接转矩控制 系统和采用i - n 模毅磁链观测的直接转矩系统【1 1 l 作了比较，仿真结果袭 鸹采耀鑫透痤磁链蕊测静系统，在龟穰莛凌、受载突交潋及毫低速蔻阐 内都有着更好的稳态及动态性能。对于无速度传感器直接转矩控制系统 1 2 太原理工大学硕士磷究警学位论文 第二章模型参考自适应原理 自从上个世纪5 0 年代束期美国麻省理工学院提出第一个自适应控 铡系统以；| 乏，必鹾出现过诲多形式完全不阉戆鑫适应控铡系统。但从理 论基础和设计艨理来看，毙较成熟的是耐类自适应控制系统：一樊楚模 型参考自适应控制系统，一类是随机自滔应控制系统。模型参考自适应 按利系统主要蠹参考摸型、蠡适应控制糕及可调系统缌艘。英主要 擘廷 原理是根据参考模型与可调模型之差，聚调整自适威控制器的控制规 律，使可调模测逐步趋近参考模型，从而达到自适应控制的目的。模型 参考叁适应控制系统鹣设谤“琢理主要基予嚣线性瑟寸变菠镶控裁系统戆 稳定性理论，随机自适应拣制系统的作掰原理是：该系统能在线实时地 辨识受控系统的未知变量或变化，自动的校正控制器的控制作用，以便 锭控裁效罴最俊或次最优，躐达裂某个颈期戆曩标。爨傣魏说，藏楚当 受控系统的结构或参数未知时，或者当结构或参数发嫩变化时，控制计 算机能对这种结构或参数及时的进行辨识，并能按照一定的性能指标要 求，确定塞最後豹控辜l 箨矮，经受控过稷戆不叛懿沿豢鞭定豹鞔线 l 誊遴。 这两种自适应羧制系统都祷到了广泛的殿用【1 5 】。本文依据模型参考国适 廊原理对直接转矩控制中的磁链观测器进行了改进，以一种全阶闭环磁 链残测器取代了滠寒潆题缀系统孛溪弱瓣i 噶磁链鼹溅器i h 】i 1 3 】，并凌忿 濑础上构建了速度观测器，从而实现了光速度传感器直接转矩控制系 统，并取得了良好的动态及静态性能。 2 1 模型参考自适应系统的构成 模型参考爨适应控制系统的基本结构如图2 1 所承，它的基本作用 1 4 太原理工大学硕士研究嗽学位论文 原理跫1 1 5 1当受控对象的参数发生大的不可预测的变化时，为了构造 一离毪能弱羧翻系绕，我 f l 霹强i = 燹先稔逡一建惩的满足颈期经篷的参考 模型，控制r 同时 乍用在参考模型和控制模型上，比较参考模型和受控 系统的输出，利用它们的麓值e 作用于囱适应机构，由自适应机构产生 豹瓣鸯嚣控裁佟_ 霹去修改受控系统参数( 稼为参数蠡遥痤) ，或捧为控麓 信号作用于受控系统( 称为信号综合自遁应) ，直到使e 达到极小，也 即使受控系统输出达到参考模型输出，从而实现整个系统的自适应控 涮。 圈2 - 1皇适成结构糕图 f i g u r e 2 1 s t r u c t u r eo f a d a p t i v ec o n t r o lc o n f i g u r a t i o n 控制器参数戆鑫适应调整过疆是这群瓣：姿参考输入昧) 嗣辩秀籍妥 系统和参考模型的入口时，由于对象的初始参数未知，控制器的初始参 数不可能调整得很好。因此，一开始运行系统的输出响应y ( t ) 与模型的 输塞蛹应y m ( t ) 是不霹麓竞金一致戆，结采产叟编差镶号e ( 0 ，盘e 0 ) 驱 动自适应机构，产生适当的调节作用，岚接改变控制器的参数，从而使 系统的输出y ( t ) 逐步地与模型输出y m ( 0 接近，逝到y ( t ) = y m ( t ) ，即e ( t ) = o 螽，舀适应参数调整过程纛藏鑫凌中壹。 当对象特性在运行中发生了变化时，控制器参数的自适应讽整过程 与上述过程完全一样。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 设计这类自适应控制系统的核心问题是如何设计自适应调整律f 以 下简称自适应律) ，即自适应机构所应遵循的算法。关于自适应律的设计 目前存在两类不同的方法。其中一种称为局部参数最优化的方法，即利 用梯度或其他参数优化的递推算法，求得一组控制器的参数，使得某个 预定的性能指标达到最小。麻省理工学院( m i d 最早提出的自适应律就 是利用这种方法求得的。这种方法的缺点是不能保证参数调整过程中， 系统总是稳定的。自适应律的另一种设计方法是基于稳定性理论的方 法，其基本思想是保证控制器参数自适应调节过程是稳定的，然后再尽 量使这个过程收敛快一些。由于自适应控制系统是本质非线性的，因此， 这种自适应律的设计自然要采用适用于非线性系统的稳定理论。李亚普 诺夫( l y a p u n o v ) 稳定性理论和波波夫( p o p o v ) 的超稳定性理论都是设计自 适应律的有效工具。由于保证系统稳定是任何闭环控制系统的基本要 求，所以基于稳定性理论的设计方法引起了更广泛的关注。本文利用李 亚普诺夫稳定性定理来构建模型参考自适应系统。 2 2 用李亚普诺夫稳定性理论设计模型参考自适应系统 2 2 1 李亚普诺夫稳定性定理 1 9 6 6 年德国学者帕克斯( p cp a r k s ) 提出了采用李亚普诺夫第二法来 推导模型参考自适应系统的控制规律，保证在系统全局渐进稳定下的自 适应控制【6 】。 李亚普诺夫直接法又称为李亚普诺夫第二法，应用这一方法可在不 解微分方程的条件下确定系统的稳定性。 设系统方程为 1 6 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 2 2 2 用系统状态变量构成自适应控制规律 假设系统的各状态变量都可以直接得到。控制对象的参数一般是不 能直接调整的。 设控制对象的状态方程为1 6 】 x p = a p ( f ) x p + b p ( f ) u ( f )( 2 - 8 ) 式中，x ，为n 维状态向量，u 为m 维控制向量，a ，为n n 矩阵， b p 为n m 矩阵。一般，控制对象的状态矩阵a 。和控制矩阵b p 是不便 于调整的。如果要改变控制对象的动态特性，只能用前馈控制和反馈控 制，如图2 2 所示。 控制信号u 由前馈信号k ( f ) r 和反馈信号f ( f ) x 。所组成 u ( t ) = k ( t ) r + f ( t ) x 。 ( 2 9 ) k ( t ) 为m m 矩阵，f ( t ) 为m n 矩阵。将式( 29 ) 代入式( 2 8 ) 得 x - 2 a ，p ) x ，+ b ，( f ) i k 0 ) r + f p ) x ，】 ( 2 一1 0 ) = 【a ，( f ) + b p ( f ) f 0 ) 】x p + b p p ) k ( f ) r 图2 2 州状态变量构成臼适应控制规律 f i g u r e 2 2a d a p t i v ec 0 n t r o lh w c o n s i s i e d o fs t a t ev a r j a b l e 1 8 太原理i ：人学颈十研究生学位论文 式( 2 1 0 ) 叫做是可调系统。矩阵a 。( f ) 和b ，( f ) 的元素都是时变参数， 它们随系统的工作环境和受干扰的情况而变。我们不能对a 。( f ) 和b p ( f ) 进行直接调整。 选定参考模型的状态方程为 x 。= a 。x + b 。r ( 2 1 1 ) 参考模型与被控对象同维数，x 。为n 维状念向量，r 为r n 维状态 向量，矩阵a 。为1 1 n 矩阵，b 。为n m 矩阵，a 。和b 。都为常数矩阵。 为了使控制对象的动态特性与参考模型的动态特性相一致，可按照 自适应的要求，调整前馈增益矩阵k ( t ) 和反馈增益矩阵f ( f ) ，使自适应 闭环回路的特性接近于参考模型的特性。 设系统的r 。义状态误差向量为 e = x 。一x 。( 2 - 1 2 ) 山式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 可得 c = a 。e + ( a 。一a p b p f ) x p + ( b 。一b p k ) r ( 2 1 3 ) 在理想情况时，上式右边后二项应等于零，设f 和k 的理想值分别是f 和蟊，当f = i ，k = i ，且l k i 0 ，有 a ，+ b 。，诂a 。，b p i = b 。，b 。= b m 菘“ ( 2 一t 4 ) 及 a 。一a 。= b p f 式( 2 1 3 ) 口j - 写成 ：a m e 十b 。菘一1 ( i f ) x ，+ b 。蟊一l ( i k ) r ：= a m e + b 。i 一1 m x 。+ b 。菘一甲r ( 2 1 5 ) 1 9 太原理：人学硕十研究牛学位论文 于是 v = 三e 1 ( p a 。+ a 二p ) e + 驴( m 7 r i l m + 2 ( 2 一1 9 ) x 。e p b 。瓦一m ) + t r ( t 7 r ；1 y + r e p b 。i 叫y ) 因为a 。为稳定矩阵，则可选定对称矩阵q ，使得 p a 。+ a ：p = 一q 成立，对任意e 0 ，方程式( 2 1 9 ) 右边第一项是负定的，如果( 2 一1 9 ) 右 边后二项都为零，则v 为负定。为此选 毒= 陬刘p e x t ( 2 锄) 圣= 一r ： b 。i “ 7 p e r 7 ( 2 2 1 ) 则式( 2 - 1 9 ) q - 的后两项都j , j 零。 当a 。和b 。j , l - g 值或缓慢变化时，可设 音。0 1 k 。0 则可得自适应调节器规律 亩：亩一毒：一毒：r 。 b 。菘一- p e x , i ( 2 - 2 2 ) f ( ，) = j n b 。叫7 p e x 十f ( o ) ( 2 - 2 3 ) 及 壶= 壶一：1 1 ： b 。面一。】7 p e ，t ( 2 - 2 4 ) k ( f ) = j r z b 。菘。】7 p e r t d f + k ( o ) ( 2 - 2 s ) 方程式( 2 2 3 ) 和式( 2 - 2 5 ) 分别是f ( t ) 和k q ) 的自适应变化规律。 所设计的自适应规律对仟意分段连续输入向量函数r 能够保证模犁 2 1 太蔽瑾l 夫学颟 ：舔究生学侮论文 第黧章基于m r a s 方法的无速度 传感器直接转矩控制基本理论 窿接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o i ) 变频调速技术怒继矢量控制变 颖溺速技东之蠡笈震莛寒赘静瑟鍪豹具有毒性髭翡交滚交频调遮技 术。直接转矩控制技术采用空间电压矢量的分析方法，渡接在定子坐标 系下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的 疆患式逶节产生p w 醚信号，童接对逆交器戆开关获悉迸 亍最篷控潮 1 17 18 1 ，以获得转矩的高动态性能，在很火程度上解决了矢量控制中存在 的问题。 本章戆要圭| 萋奔绍了壹接转翘控裁系统豹蘩搴鞭理与缀成。在空闻矢 量分析的基础上，建立了以定、转了磁链为状念变量的电机模型，介绍 了定子磁链观测器的u i 模型、i n 模型及u 啪模型等，针对其所存在的 一垫溷题，棂搽模型参考叁逡应藏理季每建了一拿垒阶蠲环磁链蕊测瓣 i 9 1 。然后在对转遮直接计算法进行讨论之后，在全阶闭环磁链观测器撼 础上，得到了一个简单实用的速度估算器，缀成了无速发传感器直接转 砉垂整髑系统。 2 3 太骧理l ：火学硕士褥究囊学位论文 式中f = f f 为m n 矩阵，甲= k k 为m x m 矩陴。f 和t 称为可 调参数矩薛。 我们以广义误差向量e ，可调参数误差f 和甲缀成增广状态警问 ( e e r “，f r ，t e r ”“) 。在增广状态空间定义一个李亚普诺夫函 数 v = 娄【e p e + t r ( f q 1 f + 叩7 g 1 甲) 】( 2 1 6 ) 式中p ，g 1 及锈1 都为正窟短阵。 求式( 2 一1 6 ) 对时间t 的导数的 -d 矿2 2 e t p e + e t p e 州f g 1 f + ( 2 一l ? ) f 7 1 擎+ ￥& 1 ￥十￥1 ￥强 将式( 2 一1 5 ) 代入上式得 多一i l e t ( p a 。丰a 三p ) e + e t p b 。趸一fx + e t p b = 蟊一1 v r + l t r ( f 瞄1 f + f 蠕1 蚤+ ( 2 - 1 8 ) 警7 & 1 ￥+ 掣& 1 ￥) 圈e 7 p b 。蟊。f 为n 维行向嫩，x ，为n 维列向量，e t p b 。蟊。v 为m 维 行向量，r 为m 维列向量，则 e t p b 。蟊fx p = t r ( x p e p b 。蟊。f ) e x p b 。蟊。v r - - t r ( r e p b 。i 。1 甲) 又肖 t r ( r s 1 f ) = t r ( f 1 f ) t r ( u 7 g 1 v ) = t r ( u 1 7 q 1 甲) x 太原理l 。人学硕十研究生学位论文 学分析方法，使问题变得简单明了。图3 1 是感应电动机的空问矢量的 等效电路图。 图3 1感应电机空间矢量等效电路图 f i g u r e 3 1s p a c ev e c t o rc u r c u i td i a g r a mo f m o t o r 该等效电路是在f 交定子坐标系( ab 坐标系) 上描述异步电动机 的【6 】o 并且规定，将旋转空间矢量在a 轴上的投影称为a 分量，在正交的 b 轴上的投影称为b 分量。 异步电机是一个高阶非线性、强耦合的多变量系统，对所讨论的三 相异步电机作以下几点假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所产生的磁势沿气隙圆周按 j f 弦分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和及铁心损耗。 ( 3 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示 u ，咄h 警 。咄h 警巾v ， 磁链公式如下表示 ( 3 2 ) 太原理：人学硕十研究生学位论文 i v ，2 三l + ，”i ，( 3 - 3 ) i 、l ，2 l ，i ，+ l i 利用公式( 3 3 ) 消去公式( 3 2 ) 中i ，、i ，可以得到以定、转子 磁链为状态变量的异步电动机的状态方程。 d _ d l p 。 妒出 ￥帮 坤骱 l = j + 一月。， 0 r ，l ，。 0差0 r 簿 r 。三。 o r ，三。 d o ) o 几厶。 一d o ) 一月，瞧 同时，定子电流也可由磁链计算得到 去l 台三0 ，一。l 一；。i 砂。皿。y p y 占= ，l ，一上： r 、，r ，定子和转子电阻 l ，三，定子和转子电感 。定转子互感 u 转子电角速度 p电机的极对数 7 ，电机负载转矩 r 。电机电磁转矩 h机械转动惯量 ( 3 - 4 ) 方程如下： ( 3 5 ) 公式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 为状态空间方程表达式，有利于应用现代控制理论 分析问题。 2 6 太原理i | ：人学硕士研究生学位论文 电磁转矩可出下式表示 r 硎= 要p 妒描i $ 一妒癣群) 二 电机机电运动规律表示如下 掰：尹曼： 犯 搿 上面公式所描述电机模型可以认为是个四阶线性缓变系统，即电 机中的一些参数( 如足，船键) 随着环境变化缓慢变化，丽转速u 也是 个随时阕孬爱仡斡交量。健是由于电枫懿祝械霹潮鬻数远远大予 电磁 时间常数，而且定、转子f 赶i 阻随温度变化而产生的变化十分缓慢，所以 上述假设的条 牛一般可以满足。 3 2 逆变器数学模型 蠲予三辐努步电动辊翁递交器强图3 2 辑示，巍爨可觅，遂变嚣 妇三组( 六个) 歼关组成，输出为八个开关信号，分别为( 0 0 0 ) ，( 0 0 1 ) ，( 0 1