（电气工程专业论文）基于全模糊控制器的感应电机矢量控制系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 矢量控制技术是感应电机一种理想的转矩、转速控制技术。它可以实现感应 电机产生转矩的电流分量和产生磁通的电流分量之间的解耦控制，使感应电机获 得与它励直流电机一致的瞬态响应特性，实现对负载扰动和参考值变化的快速响 应。经过三十年的发展，这项技术已经成熟，在以往只有直流调速系统的高性能 调速领域中获得广泛的应用，并逐渐占据主导地位。 然而，矢量控制系统的性能完全依赖于电机参数的准确性。如何获取足够精 确的电机参数、如何提高转速控制器的鲁棒性，一直以来都是个重要的课题。 由于智能控制无需对象的精确数学模型，并且可以在处理具有不精确性和不确定 性的问题中获得较好的鲁棒性，是一个比较理想的解决方案。本论文将详细介绍 一个基于全模糊控制器的感应电机矢量控制系统。这个矢量控制系统一共包含三 个模糊控制器。一个模糊控制器用于控制电动机的转速，提高转速控制的鲁棒性。 在转子磁场定向同步坐标轴系下，另外两个模糊控制器用于控制电动机的励磁电 流分量和转矩电流分量，实现励磁和转矩之间的完全解耦。此外，本文还通过仿 真和实验，研究模糊控制器三个量化因子对系统静态性能和动态性能的影响，为 模糊控制器参数的整定提供依据。 感应电机参数辨识技术是提高矢量控制系统性能的一个重要基础。本文主要 针对r u s s e lj k e r k m a n b 】的一种基于频率的感应电机定子瞬态电感和定转子电阻 之和的辨识方案，提出了一种新的电流同步方法，降低系统的复杂性。同时，本 文还将详细讨论电机电压测量回路低通滤波器相位滞后对定子瞬态电感和定转子 电阻之和辨识精度的影响，并对之进行补偿，减小参数辨识的误差。 最后，本文分别对基于全模糊控制器的感应电机矢量控制系统和参数辨识方 案进行详细的仿真和实验研究，证明这些方案的可行性。 关键词：感应电机，矢量控制，磁场定向控制，模糊控制，参数辨识 里鏖查兰堡主兰堡笙奎 墨茎塑蔓 a b s t r a c t v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h ef a m o u st o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g i e so f t h e i n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e s w i t hv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm a c h i n e s ，t h et o r q u e - p r o d u c i n g a n d f l u x p r o d u c i n g c u r r e n t c o m p o n e n t s a r e d e c o u p l e d a n dt h et r a n s i e n t r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa r es i m i l a rt ot h o s eo f as e p a r a t e l ye x c i t e dd c m a c h i n e ，a n d t h es y s t e mw i l la d a p tt oa n yl o a dd i s t u r b a n c e sa n d o rr e f e r e n c ev a l u ev a r i a t i o n sa sf a s t a sd cm a c h i n e 。n o w a d a y s ，v e c t o r c o n t r o l t e c h n i q u e si n c o r p o r a t i n g f a s t m i c r o p r o c e s s o r sa n dd s p s h a v em a d ep o s s i b l et h ea p p l i c a t i o no fi n d u c t i o nm a c h i n e d r i v e sf o r h i g hp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n w h e r et r a d i t i o n a l l y o n l yd cd r i v e s w e r e a p p l i e d h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo f v e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e sr e l i e so n t h ea c c u r a c yo ft h em o t o rp a r a m e t e r sh e a v i l y s ot h ea c c u r a t em o t o rp a r a m e t e r sa n da r o b u s ts p e e dc o n t r o l l e ra r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t sf o rav e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o n m a c h i n ed r i v e s a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e i sa na l t e r n a t i v es o l u t i o nb e c a u s eo fi t s r o b u s t n e s si n s o l v i n gt h e u n c e r t a i na n dn o n l i n e a rp r o b l e m s av e c t o rc o n t r o l l e d i n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e ，w h i c hi sf u l l yb a s e do nf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r s ，i si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h e r ea r et h r e ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e r sw i l lb e u s e di ns u c had r i v es y s t e m o n eo ft h ec o n t r o l l e r si st h es p e e dc o n t r o l l e r t h eo t h e rt w oa r ec u r r e n tc o n t r o l l e r s ， w h i c hi su s e dt o d e c o u p l e t h e t o r q u e - p r o d u c i n g a n d f l u x p r o d u c i n g c u r r e n t c o m p o n e n t su n d e rt h er o t o rf l u xo r i e n t e dr e f e r e n c e 矗 a n l e m o r e o v e r , t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es c a l i n gf a c t o r so ff u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei s i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rt h r o u g h s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s p a r a m e t e re s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sf o ra h i g h p e r f o r m a n c e i n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e b a s e do nt h e s e l f - c o m m i s s i o n i n g m e t h o d i n t r o d u c e db yr u s s e lj k e r k m a n 1 1 ，as i m p l ec u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n da c o m p e n s a t i o nm e t h o do ft h ep h a s es h i f t o ft h em e a s u r e dm o t o rv o l t a g e ，w h i c hi s i n t r o d u c e db yt h el o w p a s sf i l t e r , a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r m a n y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o f t h e p r o p o s e d v e c t o rc o n t r o l l e dd r i v ea n dt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o d k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm a c h i n e ，v e c t o rc o n t r o l ，f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ， p a r a m e t e re s t i m a t i o n ，s e l f - c o m m i s s i o n i n g 重壅奎堂堡主兰垒迨奎土羔一j 垒一 1 绪论 1 1 课题的实用和学术意义 上个世纪7 0 年代，德国的b l a s c h k e 、h a s s e 和l e o r g a a r d 等人提出了感应电机 的矢量控制技术。这种控制技术可以实现感应电机产生转矩的电流分量和产生磁 通的电流分量之间的解耦控制，使感应电机获得与它励直流电机一致的瞬态响应 特性，实现对负载扰动和参考值变化的快速响应。自该技术提出以后，随着电力 电子技术、微控制器和数字信号处理器的快速发展，再加上感应电机固有的简单、 结实、便宜以及维护方便等优点，使得采用矢量控制技术的感应电机调速系统在 以往只有直流调速系统的高性能调速领域中获得广泛的应用。 然而，感应电机矢量控制的控制品质严重依赖于电机参数的正确程度，当矢 量控制器采用的电机参数与实际电机参数不匹配时，不但会使电机在不合适的稳 态工作点下运行，还会使电机的动态性能下降，甚至引起电磁转矩振荡。为了 能进一步提高感应电机矢量控制系统的调速性能，一方面，国内外学者们提出了 各种各样的参数辨识算法，用以辨识实现矢量控制所需要的电机参数，提高参数 辨识精度，并实现对电机参数变化的在线补偿【3 】；另一方面，不少学者把目光投 向现代控制理论，希望能找到一种比传统p i d 控制器鲁棒性更强的控制方法，进 一步提高矢量控制系统的动态性能1 4 1 。 由于智能控制无需对象的精确数学模型，并且可以在处理具有不精确性和不 确定性的问题中获得较好的鲁棒性，所以很多学者都致力于把智能控制引入到感 应电机矢量控制系统中。作为智能控制技术中较为成熟的模糊控制更成为学者们 主要的研究对象。他们借助模糊控制技术，在一定程度上弥补感应电机矢量控制 系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等缺陷，增强系统的鲁棒性， 提高系统的性能1 5 1 4 3 ”。 本论文正是基于前人的研究成果，试图采用感应电机参数离线辨识技术辨识 出实现矢量控制技术所需的电机参数。同时，本论文还试图采用模糊控制器来增 加感应电机矢量控制系统的鲁棒性，提高系统的性能。相信本论文的研究对感应 电机矢量控制技术的实现、提高系统性能等方面具有重要的理论和实际意义。 1 2 矢量控制技术的发展 矢量控制技术理论最早由d a n n s t d e r 工科大学的h a s s e 博士发表。1 9 7 1 年西 门子公司的b l a s c h k e 又将这种一般化的概念转化成系统理论，并以磁场定向控制 的名称发表3 3 】。虽然这种控制技术很先进，但是直到8 0 年代初，这项技术都无 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 法实现实用化，其主要原因在于当时的矢量控制系统基本上都用模拟电路实现的， 其硬件复杂，价格高，甚至连可靠性都无法保证。同时，当时p w m 逆变器刚刚 出现，g t r 和g t o 尚在开发之初，所以矢量控制系统采用的逆变器均由s c r 构 成。这种逆变器不仅体积大、重量重，而且无法适应急剧的加速和负荷冲击，这 也大大限制了矢量控制器的应用范围。直到上个世纪8 0 年代，随着电力电子技术、 微电子技术的高速发展，才真正解决矢量控制系统早期存在的问题，使得采用矢 量控制技术的感应电机调速系统在以往只有直流调速系统的高性能调速领域中获 得越来越广泛的应用。可以说，矢量控制技术的实用化离不开电力电子技术和微 电子技术的发展。 1 2 1 电力电子技术和微电子技术的发展p 4 心j 电力电子技术一直是电机控制发展的重要物质基础，它的发展推动了电机控 制技术的发展，反过来，电机控制技术的发展又对电力电子技术提出新的要求。 2 0 世纪是电力电子技术发展的一个全盛时期。2 0 世纪6 0 年代，晶闸管问世。7 0 年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组，进入电力电子变频技术时代。8 0 年代， 自关断器件大功率双极性晶体管g t r 问世，出现了高性麓g t r 变频器，其性能 大大优于晶闸管变频器，很快就在工业领域得到推广应用。但是，g t r 和g t o 都属于电流控制器件，它们的驱动功率大，开关频率较低，还不能完全满足工业 界的要求。同一时代，电力场效应晶体管m o s f e t 问世，它属于电压驱动型器件， 驱动电路简单，功耗小，安全工作区大，最大开关频率高达几百千赫兹。但是， 这种器件的耐压低，电流容量小，限制了它的应用范围。当绝缘栅晶体管i g b t 问世后，由于它集m o s f e t 的电压控制和大功率双极性晶体管的大电流、低导通 电阻等优点于一体，具备了高开关频率、易并联、易高压大容量化、控制方便等 优点，所以i g b t 变频器迅速取代g t r 变频器，成为9 0 年代至今变频调速技术 的主流。目前，大功率半导体器件又向集成化、智能化的方向发展。智能功率模 块i p m 是向下一代器件功率集成电路p i c 的过渡产物。它不但提供一定的功率输 出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内部包含 有驱动电路、保护电路，具有过流保护、短路保护、欠压保护和过压保护等功能， 是微电子技术和电力电子技术结合的产物。由于智能功率模块的高度集成性，使 得它的散热更均匀，体积更紧凑，而且还很容易实现与微控制器之间的接口，不 但可以提高可靠性，还可以减小系统的开发时间、费用，为抢占市场创造了良好 的先决条件。 微电子技术也是电机控制发展的重要物质基础。最初的电机控制系统都是采 用分立元件的模拟电路构成，这种控制系统不但成本高、体积大，而且可靠性也 低，控制精度无法保证。后来，随着微电子技术的发展，集成电路、微控制器甚 2 重盎查兰婴主兰垡堡塞 ：一! 苎_ 笙一 至于专用集成电路取代分立元件成为电机控制器的主要构成部分。这样，既提高 了可靠性和抗干扰能力，还缩短了开发周期和研发费用，减小体积等。 目前，市面上通用的变频器大都采用微控制器作为核心控制单元，如英特尔 公司的8 0 9 6 系列产品。但是，矢量控制技术的实现包括大量的坐标变换、矢量运 算和其它复杂的非线性运算，需要处理的数据量大，精度高，传统的微控制器已 无法满足这些要求。随着d s p ( 数字信号处理器) 器件集成度的提高、价格的下 滑以及各种开发工具的完善，d s p 正日益取代高档微控制器而成为电机控制的主 角。为了抢占电机控制市场份额，占d s p 市场份额4 5 的美国德州仪器公司率先 推出了第一款电机控制器专用d s p 芯片一- - t m s 3 2 0 f 2 4 x 。之后，它又不断改进 这款d s p ，先后推出了功能更强大的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x a 系列d s p 。目前，具有3 2 位内核的电机控制专用d s p 器件t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 也即将投入市场。这种电机控 制专用d s p 芯片是d s p 核、电机控制外设( 如p w m 发生器、正交编码电路和 捕捉电路) 和a d 转换器等器件的集成，可以提供一个单芯片式数字电机控制方 案。 1 2 2 矢量控制技术发展方向【4 】【3 3 【3 4 】 目前，基于矢量控制技术的高性能交流调速系统已经获得广泛的应用，并有 逐步取代直流调速的趋势。往后，矢量控制技术的发展主要集中在以下几个方面： 1 ) 高压大容量矢量控制装置的研制。在低开关频率条件下，通常的p w m 逆变器 输出谐波很大，这使得它不适用于高压大容量的场合，如轧钢机主传动等。目前， 一种新的多电平逆变器n p c 能够输出具有正、零、负三种电平的相电压，在相同 的开关频率下，可以提高逆变器的容量并降低高次谐波。这种技术与目前大容量 g t o 器件一起，可以构成总容量高达1 小硝的逆变器。 2 ) 数字电流控制系统的高速化。一方面，i g b t 的应用使得p w m 载波频率可以 提高到1 5 k h z ，同时，死区时间的减小也降低了逆变器输出电压的畸变，从而减 小电流纹波和畸变率，有利于提高电流检测的精度。另一方面，d s p 器件的采用 使系统具有很强的处理能力。从电流采样到最后的p w m 运算所需要的时间小于 1 0 0 9 s ，这样就有可能在小于一个p w m 周期内完成矢量控制运算，提高转矩的响 应速度。 3 ) 电动机的非线性补偿。采用现代控制技术，补偿励磁电抗引起的饱和以及定子 铁耗的变化，将转矩误差控制在3 以内。 4 ) 最大效率的控制。由于矢量控制能提高转矩的控制性能，同时还可以改变磁通， 所以它可以在任何负载条件下进行最大效率的控制。 5 ) 调速范围的扩大。矢量控制在极低速和高速领域还存在若干问题。因为转子电 阻的补偿和磁通、转速观测器都需要检测电压。而在极低速时由于输出电压低， 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 再加上p w m 调制谐波，容易产生误差。 6 ) 参数的自辨识。感应电机参数辨识包括力学系统参数辨识和电机电气参数辨识 两类。电机力学参数辨识主要包括电动机的转动惯量，一般情况下采用自适应控 制和观测器理论可以取得良好的辨识结果。电机电气参数辨识可由逆变器自身检 测，也可以利用模糊逻辑或者人工神经网络等现代智能控制技术加以整定。 7 ) 高性能感应电机无速度传感器矢量控制的转速估计技术。目前，无速度传感器 矢量控制的转速估计技术主要包括开环估计器及其改进方案、基于饱和定子相电 压三次谐波的转速估计器、基于凸极效应的转速估计器、模型参考自适应系统、 观测器和人工智能技术等6 种。 1 3 模糊逻辑的发展及其在感应电机矢量控制系统中的应用 感应电机是一个强非线性、强耦合的多输入多输出系统，它方面具有较确 定的数学模型，另一方面又具有非线性和参数变化的特点。传统的电机调速系统 大多采用结构简单、性能稳定的p i d 控制器，但是由于p i d 控制器是一种线性控 制器，为了达到较理想的控制目的，不得不依赖于被控对象的参数模型，鲁棒性 较差。对于模型参数变化范围大、非线性强的系统，p i d 控制器往往不能有效克 服负载、模型参数的大范围变化及非线性因素的影响，难以满足高精度、快响应 的控制要求【3 “。为了能够克服传统p i d 控制器的这些缺陷，国内外学者们运用了 现代控制理论中几乎所有的方法对其进行大量的研究，包括滑模变结构技术、非 线性解耦控制技术和模型参考自适应控制技术等等。这些方法使得系统的控制性 能得到改善，但是它们仍然是建立在被控对象精确数学模型的基础上，它们或者 需要大量的传感器，或者观测器模型过于复杂，所以还需要进步探讨解决问题 的方法和途径。 由于智能控制无需对象的精确数学模型，并且可以在处理具有不精确性和不 确定性的问题中获得较好的鲁棒性，所以很多学者都致力于把智能控制引入到感 应电机矢量控制系统中。作为智能控制中较为成熟的模糊控制更是学者们的主要 研究对象。 自1 9 6 5 年z a d e h 教授创立模糊系统理论后，1 9 7 4 年，m a n d a n ie h 等第一 个成功地将基于模糊逻辑的模糊控制器应用于气轮机的自动控制。模糊控制器拥 有以下的三个特征：1 ) 模糊控制器是一种基于语言的控制器，它的实现不需要被 控对象的精确数学模型。2 ) 模糊控制器是一种理想的，灵活的非线性控制器，它 可以克服非线性变化对系统的影响。3 ) 模糊控制器拥有很强的鲁棒性，所以它对 控制对象参数的变化不敏感。模糊控制器的这些特点使得它非常适合于非线性、 变参数的感应电机矢量控制系统。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在我国，洪钟威和邵世煌等较早将模糊控制应用于调速系统。他们提出了用 电流模糊控制决策表和转速模糊决策表构成的模糊控制器分别对电流、转速进行 模糊控制。还证明了模糊控制器不仅能用于低速采样系统，而且完全能用于高速 采样控制系统【3 7 】。谭惊涛、范衡和秦忆 3 8 懈变结构模糊控制器应用于变频调速系 统，获得良好的静、动态性能。孙巨禄、苏鹏声和李永东p 9 j 设计了一种二维自调 整模糊控制器作为感应电机矢量控制系统的转速调节器。该控制器可以根据输入 变量的大小调整模糊控制器的量化因子和两个输入变量的权重，从而自动调整模 糊控制规则。陈其工1 4 0 】基于常规模糊控制表，利用加权值构造了具有连续输出值 的电阻观察器，在线辨识感应电机的定子电阻。 在国外，z u u d f i l i ei b r a h i m 和e m i ll e v i l 7 1 分别对采用传统的p i 控制器和采用 模糊控制器的永磁同步电机矢量控制系统的性能进行深入、全面的比较。他们测 试的瞬态工作状态包括：1 ) 额定转动惯量和增加转动惯量条件下的大阶跃转速给 定。2 ) 额定转动惯量和增加转动惯量条件下的小转速参考信号改变。3 ) 突加负 载。通过对实验数据分析，得出以下结论：1 ) 在任何情况下，模糊控制器的抗扰 动能力都比p i 控制器强。2 ) 在高速范围内，两种控制器性能基本一致。在中等 速度条件下，模糊控制器性能优于p i 控制器。而在低速条件下，模糊控制则比不 上p i 调节器。3 ) 在较小的速度给定变化条件下，p i 控制器可以提供较好的响应， 但是，在较大转速给定变化条件下，模糊控制器的性能较好。可见，在很多情况 下，模糊控制器可以提供更好的速度响应性能。vs c r a v i r a j 碍】、ed s c a r d o s o f 9 】 等也分别作了类似的工作，揭示了现代控制理论和智能控制技术在感应电机矢量 控制系统中扮演的重要角色。 ev a s 、a es t r o n a c h 和m n e u r o t h 1 0 l 提出了一个全模糊控制的矢量控制方 案。在该矢量控制方案中，转速控制器、磁通控制器和电流控制器都由模糊控制 器构成。最终试验结果证明这种全模糊控制的矢量控制方案不但提高了系统的性 能，还大大减小了系统的开发时间。j i a n g r o n g b u ! 川等也作了一个类似的研究。 除了基于全模糊的矢量控制方案外，更多的学者把目光投向模糊电流控制器 1 2 】一【1 唧或者模糊转速控制器【5 1 1 6 1 1 17 】啦8 1 ，他们都试图采用模糊控制器改造感应电机矢 量控制系统中最关键的核心控制部分，从而提高感应电机矢量控制系统的性能。 此外，部分学者还将模糊逻辑技术用于感应电机参数在线辨识 2 9 i 和提高电机运行 效率1 3 0 卜口2 】上。 1 4 感应电机参数辨识技术3 】 矢量控制技术是在感应电机数学模型的基础上推导出来的。在感应电机矢量 控制系统，特别是间接磁场定向矢量控制系统中，磁场定向的准确性乃至于整个 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 矢量控制系统的性能都受到矢量控制器采用的电机参数精度影响。换句话说，能 够获取高精度的电机参数是提高感应电机矢量控制系统性能的一个重要基础。 为了能够获取足够精度的电机参数，国内外学者进行了大量的研究工作，并 提出了各种各样的感应电机参数辨识方案。这些参数辨识方案可以分为两种，一 种称之为离线参数辨识，它是通过利用矢量控制系统自身固有的资源，如逆变器、 微控制器等，在控制系统处于停机状态下，控制逆变器输出各种电压或者电流信 号，通过检测其响应，求出电机的参数值。另一种称为在线参数辨识。这种参数 辨识方案能够在矢量控制系统处于运行状态下，采用自适应方案，在线更改控制 器采用的参数值，使之始终与电机的实际参数相匹配。 空载实验和堵转实验法是最基本、最古老的离线参数辨识法 4 】【叫。这种方法 能辨识出绝大部分电机参数，但是这些参数的精度却往往无法满足矢量控制的要 求。离线电机参数自测试方梨1 l 【4 lj 【5 0 1 目前已广泛应用于各种新型矢量控制变频器 中。这种参数辨识方案就是通过变频器，向电机注入一个直流或者单相交流电流 ( 或者电压) ，然后测量电机电压( 或者电流) 的稳态和动态值，从而确定电机的 各种参数，如定子电阻、转子时间常数、定子瞬态电感等等。这种参数辨识方法 最大的优点是在整个参数辨识过程中，由于电机无法形成旋转磁场，始终处于堵 转状态，有利于参数辨识的自动化。此外，极大似然估计法【5 “、最b - - 乘法i s 2 也常常用于离线辨识感应电机参数。 感应电机离线参数辨识方案虽然能够为矢量控制系统提供足够精确的电机参 数初始值，然而，在电机整个工作范围内，电机的实际参数值并不是保持不变的， 它们会随着电机的频率、温度、饱和程度的变化而改变。为了保证矢量控制系统 在运行过程中能够实时地检测和调整电机参数值，人们又提出了多种感应电机参 数在线辨识方案。频谱分析技术h j 【5 3 】、观测器技术5 4 】【5 5 j 、模型参考自适应技术嘲 和人工智能技术 2 9 t 5 7 1 等都在这一领域中获得广泛的应用。 1 5 本文的研究目的和内容 基于感应电动机矢量控制和模糊控制的基本原理，构造直接模糊逻辑控制器， 并将它应用于感应电动机的矢量控制系统，以增强控制系统的鲁棒性，提高系统 的静、动态性能，减少系统开发、调试所需的时间。同时，着眼于系统辨识原理 和感应电动机数学模型，研究感应电动机离线参数辨识方案，意图以最快、最简 单的途径获取实现间接转子磁场定向所需的感应电机参数，如转子时间常数等， 提高电机参数的辨识精度，为感应电机参数在线辨识的研究打下基础。 论文研究的主要内容包括以下5 个方面： 1 ) 感应电机离线参数辨识方法。 6 重庆大学硕士学位论文i 绪论 2 ) 直接模糊控制器的基本实现方案。 3 ) 系统仿真。 4 ) 系统调试及实验。 5 ) 仿真、实验数据分析。 7 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 2 感应电机矢量控制 2 1 引言 上个世纪7 0 年代，德国的b l a s c h k e 、h a s s e 和l e o n h a r d 等人提出了感应电机 的矢量控制技术。这种控制技术可以实现感应电机产生转矩的电流分量和产生磁 通的电流分量之间的解耦控制，使感应电机获得与它励直流电机一致的瞬态响应 特性，实现对负载扰动和参考值变化的快速响应。 间接型转子磁场定向矢量控制系统的结构简单，而且动态性能基本上可以达 到直流双闭环控制系统的水平，是目前应用最广泛、最成熟的一种高性能矢量控 制方案。本章将详细介绍矢量控制的基本原理，讨论这种矢量控制系统的几种实 现方案，最后对感应电机矢量控制系统进行仿真研究。 2 2 感应电机矢量控制基本原理【4 】【5 9 】 洲废澎- 1 2 讹- 1 2 i a 眩t ， 洲- 一v 德豫0 燃a i v j o 亿z ， 8 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 二蔷涮 眩s ， c 絮o s _ 0 - s i n 罐0 眩4 ， 2 2 2 感应电机在任意两相旋转坐标系上的数学模型 1 ) 电压方程 u 船 u 0 o 2 ) 磁链方程 y 船 y y 疗 y f 图2 1 任意两相旋转坐标系示意图 f i g2 1 g e n e r a lr e f e r e n c ef a n e r + 儿 f 丘 p l 。 b ，一q k t 0 0 丘 l 0 0 k 一g t 足+ 儿 一白。一( d r ：吐 心 l0 k o k 悔 0 0 o l r j 【o 9 p 工m c o j 乞 b + p ，一q k 一g 匕 p l m 一白。一g o r k + p l r ( 2 6 ) 1iilj 5 0 k 0 =ooijioi业 蘑庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 3 ) 转矩方程 t ，：一姜p l 。0 。i ，一i 。i 3 t e i p 址一一一l ”l n ) 4 ) 运动方程 t e - = j + 瓯 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中： 、u 。分别是定子电压瓜y 轴分量； k 、k 分别是定子电流瓜y 轴分量； i 。、咿。分别是定子磁链墨y 轴分量； 0 、0 分别是转子电流x 、y 轴分量； y 。、l f ，。分别是转子磁链x 、y 轴分量； r 、碍分别是电机的定予电阻和转子电阻： j 【。、厶、厶分别是电机的互感、定子电感和转子电感； 。、c o r 分别是任意两相旋转坐标系的角速度和电机转子角速度： p 、p 分别是微分算子和电机的极对数； o 分别是电机的电磁转矩和负载转矩； d 分别是转动惯量和摩擦系数。 等式( 2 5 ) 是任意两相旋转坐标系下的电机电压方程，所以选择不同的， 可以得到各种常用坐标系下的电机模型。例如，当r o ，= 0 时，x 、y 坐标系就是定 子两相静止坐标系s a 、妒，电机模型就是k r o d 模型；当。= 国，时，瓜y 坐标系 就是转子坐标系m 、印，电机模型就是p a r k 模型；当c o 。等于电机同步转速时， 电机模型就成为同步坐标系下的数学模型了。 2 2 - 3 感应电机转子磁场定向控制基本方程 令任意两相旋转坐标系的旋转角速度等于电机的同步角速度。同时，规定x 坐标轴沿着转子磁链矢量呒的方向，并称之为d 轴；规定y 坐标轴逆时针转9 0 度，垂直于转子磁链矢量旺，并称之为q 轴。这样，由等式( 2 5 ) ，就可以推导 出电机在转子磁场定向坐标系下的定子电压方程： 由于转子磁场定向坐标轴系d 轴沿着转子磁链矢量旺的方向，所以必然有 v 。= 阮【、v ，= 0 ，此时，由等式( 2 5 ) 和等式( 2 6 ) 可得转子磁场定向坐标 1 0 掣饥 岛 n也k k t 岛 厶 k r r 堕出生出 t 。 l。 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 系下的磁通模型 由等式( 2 1 0 ) 可知，电机的励磁电流分量。只与电机的定子电流d 轴分量 如有关，而不受定子电流q 轴分量茹的影响，这说明在转子磁场定向坐标系下， 感应电机的励磁电流分量和转矩电流分量之间是完全解耦的。这样就可以大大简 化多变量强耦合的感应电机变频调速系统的控制问题。但是，这个解耦的前提是 实现准确的磁场定向，然而，磁场定向的准确性却取决于转子时间常数瓦的准确 性，这正是这种磁通模型的最大缺点。 电机电磁转矩方程也可以化简为： 气r 2 = 吾p 等巴1 0 p ， ( 2 1 1 ) “ 等式( 2 1 1 ) 与直流电机的转矩方程是很相似的，其中，k 和蠡分别对应于 它励直流电机的励磁电流和电枢电流。 图2 2 所示是定子电流矢量在各个坐标系上的投影关系。其中，- 是定子电 流矢量；0 是转子励磁电流矢量；s 口、妒为定子静止两相坐标系；埘、印是转子 两相旋转坐标系；d 、口是转子磁场定向坐标系。 q 地耋， 孬 图2 2 定子电流矢量在各坐标系上的投影 f i g 2 2s t a t o rc u r r e n t s p a c ep h a s o r i nt h es t a t o rr e f e r e n c ef r a i l ，r o t o rr e f e r e n c e 丹鲫1 ea n d r o t o r - f l u x - o r i e n t e dr e f e r e n c ef l a m e 2 2 4 电压解耦电路 由等式( 2 9 ) 可知，电机的定子电压d 轴分量方程中包含了个旋转电压耦 合项n ) 。t ，这意味着定子电流q 轴分量b 的变化将会影响定子电压的d 轴分 量u 出。同样，电机的定子电压q 轴分量方程中也包含了一个旋转电压耦合项 。t 屯一忆一t _ k ) 。1 0 i ，这也意味着定子电流d 轴分量如的变化也会影响定 子电压q 轴分量u 。这些耦合项的存在会影响到电流控制器的控制效果，所以需 一 些南 掣一 i 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 要增加一个电压解耦电路以消除这些耦合项对电流控制的影响a 假设d 。、舀，分别是定予电流d 轴分量如和q 轴分量b 控制器的输出，u a a 、 u a q 分别代表定子电压d 轴分量和q 轴分量的耦合项a 等式( 2 9 ) 可以改写为： 吨t 。+ 也一t ) 掣地鹄。 ( 2 1 2 ) + 。t 屯+ 也一t b 。i o l = o 。+ u 姻 根据等式( 2 1 2 ) 可以得出电压解耦电路，如图2 3 所示。 图2 3 电压解耦电路图 f i g 2 3v o l t a g ed e e o u p l i n gc i r c u i t 2 _ 2 5 磁通模型 等式( 2 1 0 ) 是感应电机在转子磁场定向坐标系下的磁通模型。其框图如图 2 4 所示，它需要测量电机的三相定子电流( 拓、珐、如) 、电机的转子角速度国， 和电机的转子时间常数e 。 图2 4 感应电机在转子磁场定向坐标系下的磁通模型 f i 9 2 4 f l u x m o d e l o f i n d u c t i o n m a c h i n e i n t h e r o t o r - f l u x - o r i e n t e dr e f e r e n c e t a m e 2 - 2 6 感应电机转子磁场定向控制的基本控制方案 通常情况下，感应电机矢量控制系统都是由脉宽调制( p w m ) 电压源逆变器 供电的，这些系统都需要采用电流闭环来实现电流控制。所以根据逆变器开关频 率的高低和电流控制器的鲁棒性，可以将感应电机转子磁场定向控制的基本方案 1 2 k k r r + + 堕出生1 毽 k 厶 = i i 出 驴 u u ，：、，l 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 分为两种：一、逆变器开关频率较低，电流控制器鲁棒性较差，控制系统无法实 现快速的定子电流控制。此时，控制系统需要采用电机的定子电压方程来建立恰 当的定子参考电压，称这种矢量控制方案为电压注入型矢量控制方案。这种方案 特别适用于一些大功率、低开关频率的矢量控制系统；二、逆变器开关频率较高， 而且电流控制器鲁棒性足够强，则控制系统可以实现快速的定子电流控制。此时 控制系统的定子参考电压完全可以由定子电流控制器提供，而无需考虑电机的定 子电压方程，称这种矢量控制方案为电流注入型矢量控制方案。这种控制方案适 用于中、小功率、高开关频率的矢量控制系统。 图2 5 所示是磁链开环间接转子磁场定向电压注入型感应电机矢量控制方案。 由于电机是星形接法，无零序电流分量，所以该控制系统只需要测量电机的两相 电流，第三相电流可以通过方程如= 一玩k 求出。此外，控制系统还需要测量电 机的转速，用于实现转速闭环和计算转子磁链位置角。控制系统总共包含转速控 制器、励磁电流控制器和转矩电流控制器等三个控制器，通常情况下，这三个控 制器可以是p i d 控制器。控制系统的解耦模块、磁通模型分别如图2 3 和图2 4 所示。p w m 发生器采用空间矢量p w m 技术，可以获得较高的直流母线电压利 用率和更小的谐波损耗i 6 0 l 。 图2 5 间接转子磁场定向电压注入型感应电机矢量控制方案 f i g 2 5s c h e m a t i co f t h ei n d i r e c tr o t o r - f l u x - o r i e n t e dc o n t r o lo f a v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r - f e d i n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e 图2 , 6 所示是间接转子磁场定向电流注入型感应电机矢量控制方案。由于该 控制方案采用滞环控制器作为电流控制器，这种电流控制器的鲁棒性非常强，能 够在大频率范围内实现对电流的无差跟踪。所以这种控制方案能够通过电流控制 器直接提供实现矢量控制所需的电压参考量，而不需要像电压注入型控制方案( 图 1 3 重丛查堂堡主兰堡笙壅! 壁壁皇翌! 叁量型一 2 5 ) 那样利用电机的电压方程和解耦模块，这些特点使得控制器的结构非常简单。 但是，这种控制方案的最大缺点是逆变器开关频率不恒定，输出电流谐波大i 6 n 。 图2 6 间接转子磁场定向电流注入型感应电机矢量控制方案( 电流滞环控制器) f i g 2 6s c h e m a t i co f t h ei n d i r e c tr o t o r - f l u x - o r i e n t e dc o n t r o lo f ac u r t e n tc o n t r o l l e dv o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r - f e di n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e ( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r ) 图2 7 间接转子磁场定向电流注入型感应电机矢量控制方案( 同步电流控制器) f i g 2 7s c h e m a t i co f t h ei n d i r e c tr o t o r - f l u x - o r i e n t e dc o n t r o lo f ac u r r e n tc o n t r o l l e dv o l t a g e - s o u r c e i n v e r t e r - f e di n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e ( s y n c h r o n o u sc u r r e n tc o n t r o l l e o 图2 7 所示也是一种间接转子磁场定向电流注入型感应电机矢量控制方案。 但是它采用同步p i 控制器作为电流控制器。由于在转子磁场定向坐标系下，电机 的励磁电流分量和转矩电流分量都是直流，所以这种电流控制器也能实现无差的 电流跟踪。同时，这种控制方案采用空间矢薰p w m 技术输出参考电压，所以它 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 感应电机矢量控制 能获得很好的电流频谱，但是，与图2 6 所示的控制方案相比，这种控制方案的 动态性能要差一些【6 1 1 。 2 3 仿真研究 本文采用m a t l a b s i m u l i n k 对图2 7 所示间接转子磁场定向电流注入型 感应电机矢量控制方案进行仿真研究。仿真内容为额定负载下的系统的阶跃响应， 仿真系统模型如图2 8 所示，仿真结果如图2 9 所示，仿真电机参数如表2 1 。 表2 1 仿真电机参数表 t h b l e2 1p a r a m e t * mo f i n d u c t i o n m a c h i n e 4 k w ，3 8 0 v ，3 对极，5 0 h z ，9 6 0 r p m r = 3 2 q l = 6 4 9 4 m h k ；6 2 2 2 m h 足芦3 5 1 1 9 q l = 6 4 9 4 m h j - - 0 1 2 k g m z 图2 8 仿真系统模型 f i g 2 8s i m u l a t i o nm o d e l 图2 9 所示是系统在额定负载条件下的转速阶跃响应波形。在c = l s 时刻前， 系统处于静止励磁阶段，以建立额定磁通，如图2 9 ( b ) 所示。辟1 s 时刻，系统 转速给定阶跃为8 0m d s ，转速调节器迅速饱和，电机以恒定加速度启动，并在 o 5 s