（电机与电器专业论文）矢量控制感应电动机转速辩识方法研究.pdf

太原理1 人学硕十i i j 究生学位论文 一个强有力的工具。本文对多层前向网络进行了研究，提出基于 多层网络的异步电机的转速估计。在建立的二层网络中，转速被 作为。个权值，运用在线的b p 算法对转速进行辨识。对采用多 层前向网络的矢量控制系统进行了仿真研究，可以看到该辨识方 法具有很好的快速性和逼近程度。 在以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为主控制器的研究平台上，对转子磁场 定向的无速度传感器矢量控制系统进行了程序设计，实现了神经 网络对转速的估计以及电压空间矢量调制算法，为整个系统的实 验奠定了基础。 关键词：无速度传感器，模型参考自适应，神经网络，卡尔曼， 数字信号处理器( d s p ) 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 s p e e de s t i m a t l 0 nm e t h o d so f s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lo f i n d u c t i o nm o t o r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n d u c i i o nm o t o rr o t o rf i e i do r i e n t e d c o n l r o lh a sb r o u g h te s s e n t i a la d v a n c e si na cv a r i a b l es p e e dd f i v e s y s t e m s p e e d s e n s o r l e s si n d u c t i o n1 1 1 0 t o rd r i v e p r o m o t e s t h e s i m p l i c i t ya n dr o b u s t n e s sf u n h e r n l es t u d yt a r g e to ft h i sp a p e rh a s b e e ns e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r s t h em o s t i m p o r t a n ta s s i g n m e n to ft h i ss t u d yi st h ee s t i m a t i o nm e t h o d so f m o t o rs p e e d r e s e a r c hr e s u l ti ni h e s ey e a r sf o rs e n s o r l e s sc o n t r o lo f i n d u c i i o nm o t o r sh a sb e e ns u m m a r i z e d ；d e v e l o p m e n io fc e c h n 0 1 0 9 y o fp o w e re l e c t r o n i c sa n dc o n t r o l l e ri sa l s oi n t r o d u c e d 7 i 1 1 eb a s i c p r j n c i p l eo ft h em t o ff i e j do e n c e dv e c t o rc o n t r 0 1i s b r o u g h to u t ， i n c l u d i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r mf o r m u l aa n dd y n a m i cf o r m u l ao f i n d u c t i o nn l o t o r t h eb a s i cs t u c f u r eo fm o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e s y s t e m ( m r a s )a n dp o p o vt h e o r y i s i n t r o d u c e d ， l h e n s p e e d s e n s o r 】e s sv e c c o rc o n c r 0 1s y s t e mb a s e do nm r a si sf b 瑚e da n d s i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em r a s b a s e df i e l do “e n t e d 3 铲粪号y 7 8 8 3 8 8 太原理工大学 密级 硕士学位论文 题目皇壁堕堕堕：i 受墨! 幽堑! 坠堑璧盐 t h ed e v e i o p m e n ta n dd e s i g no fe i e c t r o n i c 英文并列题目 d i a p h r a g m a t i cm e t e r i “g ! u m p8 璺t e m 研究生姓名 学 专 研 导 职 号 业 白志红 2 0 0 2 0 1 l l 电机与电器 究方向：盟鲎垫垫 师姓名： 熊光煜 称：一生篮一 论文提杰日期 2 0 0 5 5 学位授干单位：盔堕堡王盔兰 地 址：些酉：枣竖 太原理工大学 太原理i + 大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：s p e e ds e n s o r l e s 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 ， n e u r a ln e t w o r k ，k a l m a n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 5 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 1 1 引言 第一章概论 1 1 1 交流调速的发展 随着生产技术的不断发展，电机传动在工农业生产、交通运输、国防、 军事以及只常生活中应用越来越广泛，用来传动的电机大多要求调速，如 车辆、电梯、机床及造纸机械等，而为了减少损耗、节约电能，风机、水 泵等也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制， 比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电动机， 直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直流电动机的机械接触 式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护 检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在， 直流电机无法做成高速大容量的机组，远远不能适应现代生产向高速大容 量化发展的要求。 交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，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。但是由于交流电动机调 速比较困难，早期的应用主要是调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式 异步电动机转子串电阻调速及串级调速，这些方法都是在电机旋转磁场的 同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。另一类调速方法是调节 电动机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或 变频来实现，其中变极调速只能是有级调速，应用场合有限。 交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机， 也适用于同步电动机。交流电动机采用变频调速不但能实现无级调速，而 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 且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，可使电机 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 和直流电动机调压调速系统相似，机械特性基本上平行移动，而转差功率 不变。同时交流电动机采用变频起动更能显著改善它的起动性能，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电 动机调速方法。 变频调速系统目前应用最为广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系 统，也称为恒u f 控制，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压 补偿的控制方案，其控制系统结构最简单，成本最低，适用于风机、水泵 等对调速系统动态性能要求不高的场合。转速开环变频调速系统可以满足 一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态性能， 首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速闭环转差频率控 制的变频调速系统，该方法根据异步电动机转矩的近似公式： t = 。丸。詈 一 在转差很小的范围内，只要能够保持气隙磁通丸不变，异步电动机转矩就 近似与转差频率。成正比，控制，就达到间接控制转矩t 的目的。但是转 差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁 通恒定也只在稳态情况下成立。一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场 合，而在要求电动机转速做出快速响应的副，态过程中，电动机除了稳态电 流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电动机的动态转矩 和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电动 机的转矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过深入的研究，提出了对 异步电动机更有效的控制策略。 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 2 太原理【：人学硕十研究生学位论文 对其最有效的控制首推7 0 年代提出的矢量控制技术。德国学者在1 9 7 1 年 首先提出了磁场定向控制”( 即后来的矢量控制) ，经过不断的实践和改进， 形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。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 论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法还存在彳i 少问题，矢量控制 要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分解为磁化分量和转矩分量，使 两者互相垂直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的相位，才能进行 坐标变换。但是异步电动机，特别是鼠笼式异步电动机的转子磁链是无法 直接测量的，只有实测电动机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙 磁场本身也常由于齿谐波磁场的影响而难以准确测量，这就影响了以转子 磁链定向的矢量控制技术的可靠性。对于这些问题，国内外学者进行了大 量的理论分析和实验研究，取得了很多实际成果。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 又提出了一种称为直接转矩 控制“”的控制方法，它与以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把 电机的电流分解为磁化分量和转矩分量，而只是通过控制p 州型逆变器晶 体管的切换方式，控制异步电机的瞬时输入电压，在保持电机定子磁链恒 定的条件下，控制异步电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的 瞬时转差率，直接控制电机的瞬时电磁转矩及其变化率，得到电机的快速 动态响应。但这种方法在理论上还有待进一步研究探讨，还未达到实用化 的水平。 1 1 2 电力电子技术的发展 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。最初出现的是半控 型器件晶闸管，由晶闸管组成的静止变频装置输出方波或阶梯波的交 变电压，取代了旋转变频机组实现变频调速。但是晶闸管属于半控型器件， 可以控制导通，却不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器 3 太原理i 。人学硕士研究生学位论文 用于交流调速必须附加强迫换流电路。随后，出现了能够自关断的全控型 器件，例如g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、i g b t 、m c t 等等。这些器件的 应用，使得逆变器构成简单、结构紧凑。 在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有g t o 、g t r 、 i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) ，后面二种集g t r 的低 饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用 变频器中最广泛使用的主流功率器件。 i o b t 作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大 的提高，主要表现为： 1 、发热减少，将曾占主回路发热5 0 7 0 的器件发热降低了3 0 ： 2 、高载波控制，使输出电流波形有明显改善； 3 、提高开关频率，实现了电机运行的静音化； 4 、驱动功率减少，体积趋于更小。 智能功率模块( i p m ) 是向第四代功率集成电路( p i c ) 的过渡产品，是微 电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力， 而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。i p m 具有以下 特点： 1 、开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 2 、采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑； 3 、集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开发 时间； 4 、内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对 功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低； j 、保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实 现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减 4 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 轻了重量，又提高了可靠性： 6 、出于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以 浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； 7 、很高的性能价格比，l p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而采用i p m 后， 会使开关电源容量和驱动功率容量减小，还可以节省器件，提高综合性能， 因此在许多场合i p m 的性价比己高过i g b t ，有很好的经济性。 目前i p m 己经在工业变频器( 中、小功率) 中被大量采用，随着技术的 不断改进，i p m 的功率也越来越大。同时，经济型的i p m 在近年内也开始 在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。 i p m 还在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块 a s i p m 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电 感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进 了一步。 在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也得到 改善与提高。晶闸管的诞生奠定了静止变换器的基础，全控型器件的出现 使得人们有可能抛开以往复杂的辅助环流设旎，而专注于电路拓扑结构和 电动机控制算法的改进。随着开关器件速度的提高，桥式p w m 逆变器( 主 要是电压型) 已成为功率变换的主要形式。 p w m 逆变器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点，得 到越来越广泛的应用。随着p w m 逆变器的功率器件在高电压、强电流状 态下开关频率的提高，器件承受越来越大的开关应力和开关损耗。制约了 逆变器性能的进一步改善。 1 1 3p w m 技术 1 9 6 4 年，德国的a s h o n u n g 把通信中的调制技术应用到交流传动中， 产生了正弦脉宽调制( s p w m ) 变压变频的思想。脉宽调制技术较相控技术 5 太原理。i ：大学硕+ 研究生学位论文 能有效抑制高次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能交流调速的要 求，目前已成为逆变的最主要控制方式。 p w m 控制技术一直是变频调速的核心技术之一。从最初采用模拟电 路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控 制功率器件的开关，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，p w m 在各种应用场合始终占主导地位，并一直是人们 研究的热点。由于p w m 可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因此 在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。 p w m 控制技术大致可以分为三类，正弦p w m ( 包括电压、电流或磁 通的j 下弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) ，优化p w m 及随机p w m 。正弦p w m 己为人们所熟知，其旨在改善输出电压、电流波 形，降低电源系统谐波，其中多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特 的优势。而优化p w m 追求的则是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小、电压利 用率最高、效率最优及转矩脉动最小等特定优化目标。随机p w m 方法的 原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声( 在线性频率 坐标系中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音的总分贝数未变，但以固 定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，既使在i g b t 已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机 p w m 仍然有其特殊的价值( 直接转矩控制即为一例) 。 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，p w m 变频技术也获得了飞速发展，目前主要有三种形式：基于正弦波对三角波 脉宽调制的s p w m 控制、基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制和电压空间 矢量s v p w m 控制。具体实现的技术上则有：自然采样法，对称规则采样 法，消除特定谐波法，梯形调制技术，“”调制技术，相位调制技术， 面积等效法调制等1 0 多种p w m 调制技术。电压s p w m 和电流s p w m 分 6 太原理l ：人学硕十研究生学能论文 于一般的微处理器，它是微电子学专家、信号处理专家和计算机专家共同 合作的结晶。d s p 具有极其高速的数字处理能力和很大的运算量。因此， 它能满足离效实时信号处理的要求。这种新器件的特点如下： ( 1 ) 采用哈佛( h a r v a r d ) 结构，高度并行运算大大提高运算速度。 传统的处理器采用程序和数据共享一个存储结构，而使处理器的速度受总 线速度的限制。d s p 采用h a r v a r d 结构，即将数据总线( d m a 总线) 分 离开来，从而可以集合其它的并行处理单元，实现同一指令周期内将操作 数据从程序存储器和数据存储器中取出并送到运算单元。改进型 h a r v a r d 结构的存储器与数字存储器位于两个独立的空间，但可以相互 传递数据。数据存储器可以通过来自程序存储的固定参数初始化。在一个 周期内可以同时准备好指令与操作数。这种高度并行运算，内部操作采用 时间上重叠的流水线结构，大大提高了运算速度。片外扩展总线增加了d s p 的通用性和灵活性。 ( 2 ) 芯片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器，能单指令实现乘 加运算和变址运算。d s p 内部专门设置了乘法累加结构，在硬件上实现了 乘法与累加器的并行工作，能在一个指令周期内完成乘法并将乘积求和运 算，以满足数字滤波卷积运算以及超越函数幂级数展开等相乘后求和的运 算需要。片内专门设置了专用变址器，便于实现变址运算。 ( 3 ) 芯片内专门设置了功能很强的专用指令，可以实现指令的重叠运 行。d s p 中每条指令的运行过程都可以分为获取、解码、读、执行几个阶 段，每个阶段独立操作，指令可以重叠。d s p 还在硬件上采用了数组处理 技术，可以在寄存器、运算单元中处理变量的同时，使用指针访问数据存 储器。而并行工作构成了功能很强的复合指令，它相当于通用c p u 多条指 令。 ( 4 ) 芯片内设置了多种功能很强的外围器件和接口，使其运算速度比 8 太原理【：人学硕十研究生学位论文 p c 机要快很多倍。现今的d s p 在其结构上一般配备了可编程定时高速串 行接口、多处理器连接接口等。因此，用它来处理数字信号，特别是线性 变换( 快速傅立叶变换、希尔伯特变换、余弦变换等) 、数字滤波( 有限冲激 响应滤波和无限冲激响应滤波等) 、卷积运算等，其速度大大提高。在芯片 内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能。因频谱分析的理论基础是 快速傅立叶变换( f f t ) ，从而大大加快了频谱分析处理过程。 ( 5 ) d s p 增加了硬件循环控制，当完成循环初始化后，实际运行中循 环不再消耗指令周期，大大提高了数字信号处理的运算速度。 ( 6 ) 超长指令字结构，使设计简单化，不需要动态码再排序的硬件支 持。超长指令字结构是指令级的并行机制，它在一个长指令中，安排了若 干个操作在多个功能单元中同时被执行。v l l w 结构将复杂性从硬件移到 了编译器，它的处理器依赖于指令编译的快慢。其特点是在单个周期内， 将含有多项运算操作的指令划分为多个操作，这些操作的发出与执行部采 用并行方式，以提高每次执行的操作总数。 ( 7 ) d s p 成本低，销售价格逐年降低。d s p 并非是为某种功能设计 的芯片，其应用范围广，出片量多，因而可以降低其成本。随着d s p 设计 质量提高，给用户提供很大的好处，用户量增多，销售价就降低。 2 、d s p 今后的发展方向 d s p 作为今后世界数字化技术发展的核心部件，将对许多行业包括人 们的日常生活起到很大的影响，其发展将表现在以下几方面： ( 1 ) 追求更高速度和更小封装： ( 2 ) 追求低价格，多功能； ( 3 ) d s p 的硬件设计简单化，软件设计多样化； ( 4 ) 发展低电压、低功耗的d s p 芯片，用于个人移动通信技术及便 携式设备等。 9 太原理i 人学硕十研究生学位论文 d s p 的发展可以随是同新月异，它是未来数字化世界的源泉。 12 矢量控制技术国内外研究现状 以转子磁场定向的矢量控制系统已经广泛应用在高性能的工业应用场 合，由于矢量控制需要转速闭坏，因此很多情况下，人们是利用同轴安装 的速度传感器测速。但是精密的速度传感器价格较高，且在某些恶劣环境 下无法安装速度传感器，因此近年来研究较多的是无速度传感器矢量控制 技术。对于无速度传感器系统，由于电机终端可测量只有电压和电流，因 此转速和转子磁链只能通过电压和电流计算得到。根据电机数学模型，通 过电压和电流计算转速和转子磁链的方法很多，目前研究较多的是以下几 种方法： 1 ，2 1 基于模型参考自适应系统( m r a s ) 的估计算法 利用模型参考自适应系统估计转速和转子磁链的方法是较早时期提出 来的，c o l ；s c h a u d e r ”3 在l9 8 9 年提出一种基于模型参考自适应系统，利用 电机定子电流信号进行转速估计的方法，以电机转子磁链的电压模型作为 参考模型，电机的电流模型作为可调模型，建立一个模型参考自适应系统 来估计电机转速，利用尸d p 。v 超稳定性定理给出了转速估计的算法。这是 首次把模型参考自适应应用于电机矢量控制的文献报告，人们在此基础上 对采用m r a s 的矢量控制进行了大量研究。 雾；s a ok u b o t a 等“”：提出了一种估计转速的新方法：转速自适应磁链观 测器，这是以电机在两相静止坐标系中的状态方程作为参考模型，其全阶 状态观测器作为参考模型构成的一个转速自适应观测器，通过调节观测器 的转速信号实现转子磁链的自适应观测。y n gg e n g4 采用同样的观测器进 1 0 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 行转速估计，不同的是，y a n gg e n g 是通过j p 印d v 的超稳定性定理推导得 出参数自适应，k u b o t a 则是利用了基于李雅普诺夫定理得到参数自适应律。 以上几种转速估计和磁链观测方法在参考模型中需要一个积分环节， 并且受到定子电阻变化的影响，对此p e n g f a n g c h e n g 等”1 提出一种新的模 型参考自适应方法，他以定予反电势代替转子磁链作为参考模型和可调模 型的观测对象，从而避免了在参考模型中的纯积分运算，在低速时具有较 好的转速估计能力。 11 2 2 基于神经网络的辨识方法 人工神经网络以其独特的非传统解析表达方式和固有的学习能力，对 不确定的复杂问题表现出很强的控制能力，目前己被广泛应用于非线性控 制领域，如复杂系统的建模、参数辨识和自适应控制。神经网络已经被证 明具有逼近任意非线性函数的能力，人工神经网络经过严格的训练以后， 具有对非线性系统进行辨识的能力，由非线性处理函数构成的多层网络更 具有对任意函数良好的逼近能力。 m g o d o ys i m o e s 等”1 利用神经网络对异步电机矢量控制系统的反馈信 号进行估计，以电机终端测量的电压、电流信号作为输入样本，通过对多 层非线性前向网络进行训练，使得网络能够对电机转子磁链、转矩以及磁 链的相位进行辨识，并且将辨识结果用于矢量控制系统的反馈输入。 l a z h a rb e n b r a l l i m 等”3 提出了一种神经网络自适应转速估计方法，这 种方法是基于转子磁链的电压和电流模型，用神经网络训练电流模型得到 转子磁链的估计值，通过对电压模型的实时计算得到磁链的实际值，两者 之差作为输入样本对神经网络进行修正训练，从而估计出转速大小，这种 方法也可看成是一个变化的模型参考白适应系统，只是；巴对神经网络的训 练过程作为可调模型的参数自适应算法。 a b d e l l f a t t a l lb a r a l l 等。1 提出一种利用神经网络对定子磁链进行辨识 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 的方法，该方法以测量得到的定子电压、电流和转速作为多层前向网络的 输入，利用输入一输出样本训练该网络，使神经网络构成的系统逼近真实 的定子磁链，再根据定子磁链计算得到转子磁链。 虽然神经网络应用于电机控制取得了一些成果，但这些研究都是通过 仿真实现的，这主要是因为现在还没有相应的高速处理能力的硬件支持， 影响了神经网络的实用性，但作为一种电机控制的方法，对其进行研究也 是必要的。 1 2 3 基于扩展卡尔曼滤波的状态估计算法 异步电机在两相坐标系的数学模型是一组非线性方程，将这组方程和 机械运动方程联合起来，且如果认为电机转速在短时间( 采样周期) 内保 持不变，这将构成一组新的非线性方程。其中的状态变量为定子电流、转 子磁场、转速，而定子电压为输入变量，输出为定子电流。按照系统辨识 的方法，对非线性方程进行状态估计的有效方法是扩展卡尔曼滤波算法， 因此人们自然想到利用卡尔曼滤波来估计转速和磁链的方法。 y o u n g s e o kk i m 等o ”通过分析异步电机的状态方程，认为由于定子电 流已经测得，不需要再估计，因此得到以转子磁链和转速为状态变量的三 阶状态方程，利用扩展卡尔曼滤波对变量进行估计，并利用d s p 开发系统 进行了实验研究，实验结果显示出算法的正确性。 此外，y o u i l 卫一r e a lk i m 等3 也对基于扩展卡尔曼滤波的转速估计进行 了研究，t i 公司的研究报告“2 。“3 则是利用扩展卡尔曼滤波对电机的定子电 流、转子磁链和转速五个状态变量同时进行估计。 综上所述，无速度传感器矢量控制无疑是今后的发展方向，对于矢量 控制需要解决的关键问题是转速估计和磁链观测。不论是采用以上介绍的 方法，还是利用其他的估计方法，对变量估计或观测的准确性是至关重要 的。如今随着各种新的控制理论的提出，以及具有高速处理能力的微处理 1 2 太原理i 火学硕士研究生学位论文 器的研制成功，计算的速度不再是限制控制算法的瓶颈，使得人们可以把 最新的控制算法用于电机控制，不断地提高矢量控制系统的各种性能。 1 3 本文的主要研究目的和内容 电机转子磁场定向矢量控制使交流调速系统的性能产生了质的飞跃， 无速度传感器矢量控制系统更是增加了系统的简易性和鲁棒性，这种系统 需解决两个问题：转速的估计和转子磁链的观测。论文在分析了异步电机的 数学模型和转子磁场定向矢量控制基本原理后，对无速度传感器矢量控制 系统的转速估计进行了深入的研究，本论文的主要贡献有： 应用基于超稳定性理论的模型参考自适应进行了无速度传感器矢量控 制系统的转速估计，对系统的仿真结果表明，基于模型参考自适应的矢量 控制系统具有较好的静态和动态性能。但是这种方法依赖于对参考模型输 出量的准确测量，同时辨识算法也较为复杂，对其进行离散化利用微处理 器编程实现时较为困难。 电机状态方程由于存在状态变量的乘积项，仍然是非线性方程，为了 对电机状态方程进行状态估计，得到电机的转子磁链和转速信号，本文采 用扩展卡尔曼滤波进行状态估计，这是一种针对非线性系统进行状态估计 的很好方法。对以上的方法进行了仿真研究，得到了满意的结果。 人工神经网络具有很强的学习能力，经过训练的多层神经网络能以任 意精度逼近非线性函数，因此为非线性系统辨识提供了一个强有力的工具。 本文采用一种在线调整权值的二层网络来辨识转速，仿真结果与采用模型 参考自适应方法的结果进行了比较，是一种无差辨识的方法。 在m a t l a b 仿真软件的s i m u l 工n k 中实现，并对仿真结果进行了简 单的分析，证明了这些调速方法的可行性及自适应神经网络对转速辨识的 1 3 太原理l ：大学硕十研究生学何论文 相对准确性。 在以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为主控制器的研究平台上，对转子磁场定向的无速度 传感器矢量控制系统进行了程序设计，实现了神经网络对转速的估计以及 电压空间矢量调制算法。 1 4 太原理工人学硕十研究生学位论文 第二章矢量控制原理 2 1 矢量控制基本原理 异步电动机矢量控制的思路，就是通过坐标变换，把定子三相交流电 流分解成励磁电流和转矩电流厶两个垂直分量，在调速过程中保持励 磁电流不变，即磁通不变，此时与直流电动机调遽原理相同，控制转矩 电流l ，就可以控制电磁转矩。 由电机学可知，三相对称绕组通入三相对称电流，在空间会产生一个 旋转磁势，以同步角速度旋转，如图2 1 ( a ) 所示。空间互相垂直的二相绕 组，通入时问互差9 0 。相位的二相交流电也可以在空间产生一个同样大小 的旋转磁势，以同步角速度旋转，如图2 一l ( b ) 所示。此时，二相绕组与三 相绕组等效，前者为三相交流静止坐标，后者为二相交流静止坐标，对应 的电压、电流为交流量，用3 s 2 s 坐标变换可以实现上述等效静止坐标变 换。直流电厶、五分别流过在空间成9 0 。的二相绕组，在空间可以产生同样 大小的静止磁势，再将该二相绕组以同步角速度旋转，此时静止磁势变成 了旋转磁势，且与上述交流电产生的磁势等效，对应的坐标为旋转坐标， 该坐标系的电压、电流为直流量，如图2 1 ( c ) 所示。用2 s 2 r 坐标变换可 以实现等效旋转坐标变换。 坐标变换的最终目的是要将定子电流矢量分解为励磁分量和有功分 量，其中励磁分量产生转子磁通，有功分量与转子磁通相互作用产生电磁 转矩。将电流矢量分解为这样的两个分量的问题就是转子磁场定向的问题。 转子磁场定向的方法主要有两种，一种是直接磁场定向，在卡尔曼滤波器 辨识转子转速系统中用到，另一种是间接磁场定向，在模型参考自适应辨 识转速和自适应神经网络辨识转速系统中用到。 1 5 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 简化后的式子为 卧 。占 2 31 2 2 3l 2 2 j ； 。 1 1 厮压 3 、2 s 2 r 变换( 两相静止坐标变两相旋转坐标) 阡 ! 端辫嘲 其中臼为两相静止坐标的口轴与两相旋转坐标的卅轴的夹角。 4 、2 s 2 r 逆变换 讣嘟：妍嘲 2 3 异步电动机等效模型变换 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 1 ( 2 6 ) 研究异步电动机的调速必须建立等效的数学模型，掌握电机的控制规 律。以下是异步电动机在不同坐标系下的电机模型。 l 、异步电动机在两相静止甜、卢坐标系上的数学模型 ( 1 ) 电压方程 “。= f ，。月。+ p ；f ，。 、 麓裳凳：；z 鸠彬 陋， w ，。= r 。r r + p v ，口+ f 妒f 8 r ”。 u ，8 = ，8 r ，+ p 妒r b r vr j 1 7 一2一2 一 一 。，。l 仔 i | 1j t“i 太原理，j ：人学硕十研究生学位论文 的数学模型 ( 1 ) 电压方程 ( 2 ) 磁链方程 ( 3 ) 电磁转矩方程 裂臻茹f ) 协 “w = r ，+ p y “+ 1 圳【r ，1 气1 u m l2 l k r + p 掣mi u 12 l n kr + i 毕r m 2 4 矢量控制基本方程 ( 2 1 4 ) r = 只工。( f 。f 。一，f 。) ( 2 一1 5 ) 1 、定子电流t 轴分量与转矩的夭糸 由磁链方程( 2 1 4 ) 可得 。= 竽 旺 f 。：一孕f 。 ( 2 1 7 ) k 一芒l u “ 将式( 2 一1 6 ) 、( 2 一1 7 ) 代入转矩方程中得 丁= 只鲁讥 ( 2 1 8 ) l 从式( 2 1 8 ) 可以看出，如果y ，固定不变，电动机转矩可以由定子电流f 轴分量唯一确定。 2 、帘子电流m 轴分量与转子磁链的关系 1 9 o j 一一o i|， = y m m = m l m 腩删l一“一 弘似 = l i = = 埘“ 删h妒缈妒 太原理： 大学硕士研究生学位论文 对十鼠笼式异疆翥蒙r ! ；蓑蠹鹜勃i 。w ! 。至；p 嚣丝雾0 ：目i 丝 i 圣! 胃麓 辫4 囊强i 羹囊 幺蕈延一蠹啦蠹型萋雪羞蠡萎； 彖戮惭型馨美j 罕矗诮甜笺j 娃燮每苍m 瑚霪遂嚣* “豁轿i 鏊 镉啦由高卫追漓摊惜肆菇。副l 目。i | ? 冀菁僵毕锚鹾荔囊 ：，。霪i | 搿l 引“ 篓兹踅燮錾翻剿殛森曩乍高骈墼矗墒委b 极对数； 珊，转子角速度； 2 、异步电动机在两相同步旋转d 、 ( 1 ) 电压方程 hd = 。d r 。+ uq = i s q r s + “耐= f 旧r r + 太原理： 大学硕士研究生学位论文 对十鼠笼式异步电动耐l ，转于电址“，卅= “。= o 。由万千呈式( 2 1 3 ) 和 ( 2 1 4 ) 得到 。5 等l f ， ( 2 - 1 9 ) 式中。= 熹转子电路时间常数。 从上式可以看出，转子磁链妒，可以由定子电流卅轴分量唯一确定。如 集能僳椿搪子磁锌恒串不蛮。刚( 2 】9 ) 又可以简化为下式 i ，：坚 ( 2 2 0 ) l m 本系统就是通过控制定子电流使得定子电流m 轴分量保持不变，即转 子磁链不变的情况下，根据负载变化调节定子电流f 轴分量控制电机转矩 以达到准确的速度控制。 2 5 转子磁场定向的感应电机矢量控制系统 图2 2 感应电机矢量控制系统结构 f 追2 2s y s t e ms t n i c i u r eo fi n d u c t i o nm o t o rv e c i o rc o n t r 0 i 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 指令电压，再由同步旋转坐标系变到静止坐标系，其变换如式( 2 6 ) ，其 中口等于定子供电角频率( 即是 2 、，轴的同步旋转角速度甜) 的积分，而 q 等于通过速度传感器测得的转速珊，加上计算出的转差频率指令值出。 电压两相静止坐标系下的指令值通过空间矢量脉宽调制算法和执行元件产 生六路p w m 波( 详见第六章) ，用来控制逆变器产生三相指令电压。 小结 本章首先分析了不同坐标系下电机的数学模型，说明了利用坐标变换 实现简化的必要性，介绍了转子磁场定向的基本原理，并对间接磁场定向 的原理作了说明，最后对转子磁场定向的矢量控制系统做了简单的介绍。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章基于模型参考自适应系统的转速辨识 在典型的反馈控制系统中，当对象的动态特性知道很少或是有大的不 可预测的变化发生时，为了构成高性能的控制系统，逐渐发展了一类称为 自适应控制系统的新的控制系统。为了使控制系统实现自适应，也就是说， 当对象的动态发生大的并且不可预测的变化时，为保证系统有良好的性能， 本章节应用了一类特殊的自适应系统模型参考自适应系统( m r a s ) 。 这种系统具有快的自适应速度，能够在多种情况下应用。 3 1 模型参考白适应系统的基本结构 义： 模型参考自适应系统的基本结构如图3 一l 所示。 图3 一l 模型参考自适应系统的基本结构 f j g3 - 1b 勰i cs n u c t u 砖o fh 讯a s 当参考模型和可调系统以状态空间表示时，可得到以下的一些基本定 参考模型由下式表示： i a q x + b m u y ；cx 并联可调系统由下式描述： 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 膏= 彳。0 ) 膏+ b s ( f ) ， 9 = c i 式中x ，膏状态矢量( n 维) ； “输入矢量( m 维) ： 以，叵定矩阵； 4 ( r ) ，凤o ) 时变矩阵； j ，户输出矢量( r 维) ： c 恰当维数的输出矩阵。 由此得到一些重要定义： 自适应机构：用来执行自适应规律的一组线性的、非线性的或时变的方框 状态广义误差e ：表示模型的状态矢量x 与可调系统的状态矢量j 之差的 可变矢量，e = x j 输出广义误差s ：表示模型的输出矢量y 与可调系统的输出矢量户之差的 可变矢量，r j ，一户 自适应算法：广义误差与相应的参数修改量之间的关系或与加到可调系统 输入的修改量之间的关系 在图3 1 中使用了一个称为参考模型的辅助动态系统，它被与可调系 统相同的外部输入所激励，参考模型用它的输出和状态规定了一个给定的 性能指标，给定的性能指标与测得的性能指标之间的比较是使用一个典型 的反馈比较器( 减法器) ，从比较可调系统和参考模型的输出( 或状态) 直接 得到。参考模型的输出与可调系统的输出之差被自适应机构用来修改可调 系统的参数，或者产生一个辅助的输入信号，使得被表示成可调系统的输 出或状态与参考模型的输出或状态之差的泛函的两个性能指标达到极小。 太原理j ：人学顶十研究生学位论文 3 2 基于超稳定r 陛系统的设计 确定模型参考自适应系统的自适应算法，即如何设计合适的自适应规 律，通常有三种基本方法：以局部参数最优化理论为基础的设计方法( 又称 m i t 方法) ，以李雅普诺夫函数为基础的设计方法，以超稳定与正性动态系 统理论为基础的设计方法。 以局部参数最优化理论为基础的设计方法最早用来设计模型参考自适 应系统。推导自适应算法的基本最优化方法有：梯度法、最速下降法以及共 轭梯度法。这些方法的基本思想为：定义出表示参考模型与可调系统之问的 结构距离，或者状态距离的二次性能指标i p ，应用参数最优化理论可得到 改变可调系统参数的算法，使从一个恒定i p 的曲面转到另一个对应较低i p 的曲面，也就是使可调系统靠拢参考模型。这些方法现己较少采用，因为 它们有一个致命的缺点：没有讨论构成自适应系统的稳定性问题。 由于模型参考自适应系统的时变非线性特点，所以稳定性问题是系统 设计中固有的问题，一个完整的模型参考自适应系统设计必须包括稳定性 分析。基于稳定性分析的设计方法包括以李雅普诺夫函数为基础的设计方 法和以超稳定与正性动态系统理论为基础的设计方法。以李雅普诺夫函数 为基础的设计方法能够成功地用来设计稳定的模型参考自适应系统，但是 它的应用受到某种限制，因为一般不知道如何扩大合适的李雅普诺夫函数 类以推导出其他的自适应规律，而我们感兴趣的是得到保证模型参考自适 应系统稳定的最大可能的自适应规律族，从中选择对一个具体应用场合最 合适的自适应规律。 这个问题可以在一定程度上设法解决，就是应用超稳定理论结合正性 动态系统的性质取得一大族导致稳定模型参考自适应系统的自适应规律 【2 1 】 一、稳定性问题 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中r 一正向反馈的状态矢量( ( n 维) ； 执r 一正向方框的输入和输出矢量( m 维) ； a 、b 、c 、d 恰当维数的矩阵； 珂- 卜一个矢量泛函。 矩阵对( a ，b ) 完全能控，矩阵对( a ，e ) 完全能观。 由方程( 3 2 ) 和( 3 3 ) 所描述的反馈系统，当反馈方框满足却o r 积分不 等式( 式3 1 ) ，系统为( 渐进) 超稳定的充分和必要条件为 h ( 5 ) = d + c ( s i a ) 一1 b ( 3 4 ) 必须是一个( 严格) 正实传递矩阵。 因此使用超稳定性方法分析一个稳定性问题，必须首先能够把原来的 问题考虑成一个反馈系统有关的问题，然后还要能够分离出一部分使它满 足凡i p d y 积分不等式，而系统的其余部分应该满足相应的条件，以保证整 个系统的超稳定性。 3 3 无速度传感器矢量控制的自适应转速估计 根据2 3 中三相异步电动机的数学模型，可以推导出异步电机在两相 静止a 、声坐标系的状态空间方程： l a is b 妒，。 妒，。 月，三。2 直l 吐。l 一， 0 工卅 t o u r ，l 2 五，五，工，0 0 上m t 2 7 q 五 三 缸，工，r ， 一n ，。 1 f ， 。 卵 妒，。 妒坩 一一一蚺，一。q 太原理。】：人学硕十研究生学伉论文 + 上o 观，l 1 8 “，。 o 五屿 o0 o0 f 船 k 1 一f 1 o o 0 1 1 0 j l o l o o l 嵋 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 式中叮漏感系数，仃= l 一享 ； l l r f 。f l ，f ，。y 憎】7 状态变量； 。”，口】7 输入变量； 【f 。f 。 7 输出变量。 式( 3 5 ) 中各个变量都是静止坐标系中的变量，对上述方程进行线性非 奇异变换，就可得到在不同坐标系中，以不同状态变量表示的状态方程。 由于转子磁链对于异步电机矢量控制具有重要意义，因此静止坐标系中以 定予电流限。，f ，口】7 和转子磁链眇。矿嵋】7 作为状态变量的状态方程式( 3 5 ) 以后将经常用到。 为实现精确的速度反馈控制，必须能准确获得电机的转速信号，同时 要进行转子磁链角的准确观测，也需要转速反馈信号。在无速度传感器矢 量控制系统中，只能对电机的定子电流和电压进行实时检测，因此可以由 定子电压和电流进行计算得到转速大小。在系统动态过程中，可以按照模 型参考自适应系统构造出参考模型和可调模型，计算出电机转速。 根据电机在两相