（控制理论与控制工程专业论文）感应电动机的模糊矢量控制策略的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本史主要是以感应电动机为控制对象、以数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制核 心、以具有交互功能的m a t l a b s i m u l i n k 为仿真工具，着重研究具有强鲁棒t i - v , j 模糊速度控制器的设计理论和实现方法。致力于研制一套具有优良调速性能的交流f g 动系统。 本文在介绍矢量控制原理及其关键技术空阳j 矢量脉宽调制技术的基础上，提出了 一种针对交流传动系统的脉宽调制技术的仿真优化方法。该方法仿真效果接近实助i 系 统且能极大地提高系统仿真速度。 f 由于磁场定向控制的实观依赖系统的参数，实际系统中又存在着参数变化矧忆互 性提高速度控制器的鲁棒性一直是一个重要课题。模糊控制器具有实现筒i 扎鲁 i 二 性强的特点，因此，本文把模糊速度控制器的研究作为其最重要的内容。y 本文九：睽粥 控制的基础上提出了一种有过调模糊规则库，在m a 丁l a b s i m u l i n k 环境1 、建、i 丁 矢量控制系统的仿真平台，并在该仿真平台的基础上设计了模糊速度控制器，通过仿 真给出了模糊速度控制器的参数整定方法，最后分析和比较了模糊速度控制器和馋= ? i p l 速度控制器的性能，理论上得出了模糊速度控制器具有较好的调速性能和较慢的曾 棒性。 一 ft m s 3 2 0 f 2 4 0 和i p m 肿结合使用使交流传动系统的设计更简单、结陶更紧凑、性 能更优化、可靠性更高。y 本文在基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的交流传动系统实验平台e 设； 和 1 实现了模糊矢量控制系统。编写了实验平台的上位机通讯程序，分析和补偿了丌天器 件的死区效应。通过大量的实验，分析和整定了各种控制器的性能参数，最后比较了 各种控制器之间的性能指标。实验结果表明模糊速度控制器不仅具有易实现性，更县 有优良的调速性能和很强的鲁捧性，是构造实际交流变频调速系统比较理想的方案。 关键词：磁场定向，模糊控制，空问矢量脉宽调制，数字信号处理器 一 。 y 。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st l l e s i si sf o c u s e do nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no far o b u s ts p e e dc o n t r o l l e r b a s e do nf u z z y1 0 9 i cw i t ht h ei n d u c t i o nm o t o rt a k e na sc o n t r o lp l a n t ，t h e d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m $ 3 2 0 f 2 4 0a sc o n t r o lc o r e i n t e r a c t i v em a t l a b s i m u l i n ka ss i m u l a t i o n t o o l s i ta i m st od e v e l o pa l la cd r i v es y s t e mw i t hs u p e r p e r f o r m a n c eo ns p e e dr e s p o n s e o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e so fv e c t o rc o n t r o la n dt e c h n i q u e so f s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nb e i n gi n t r o d u c e d a no p t i m u ms i m u l a t i o nm e t h o df o rp w m u s e di na c d r i v es y s t e mi sp u tf o r w a r d sm e t h o dc a r lo b t a i nt h es a m ee f f e c ta st h et e a ls y s t e m a n d i m p r o v eg r e a t l yt h es i m u l a t i o n ss p e e d a sf i e l d - o r i e n t e dc o n t r o l i sd e p e n d e n to ns y s t e mp a r a m e t e r s t h ei m p r o v e m e n ti nt h e r o b u s t n e s sf o rs p e e dc o n t r o l l e ri sv e r yi m p o r t a n td u et ot h ev a r i e t yo f s y s t e mp a r a m e t e r s a n dn o n l i n e a r f u z z yc o n t r o l l e ri ss i m p l eb u tr o b u s t ，s ot h es t u d yo nf u z z ys p e e dc o n t r o l l e r i s h i g h l i g h t e d i nt h em o s t p a r t o ft h i st h e s i s o nt h eb a s i so f f u z z yc o n t r o l ，a n o v e r - r e g u l a t e df u z z yr u l ed a t a b a s ei sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fv e c t o rc o n t r o l s y s t e mi sb u i l tu n d e rm a t l a b s i m u l i n k t h ef u z z ys p e e dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e d 0 1 1t h es i m u l a t i o np l a t f o r m ；t h e p a r a m e t e r s o ff u z z y s p e e dc o n t r o l l e r a r e a d j u s t e db y s i m u l a t i n g ，f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ff u z z ys p e e dc o n t r o l l e ra n dt r a d i t i o n a lp is p e e d c o n t r o l l e ri sa n a l y z e d a n dc o m p a r e d i ti sv e r i f i e di nt h e o r yt h a tt h ef u z z ys p e e dc o n t r o l l e r h a ss u p e rp e r f o r m a n c eo n s p e e dr e s p o n s ea n d f i n e rr o b u s t n e s s t h ec o m b i n a t i o no ft m $ 3 2 0 f 2 4 0a n di p mm a k et h es y s t e m d e s i g nm o r es i m p l e t h e s t r u c t u r em o r ec o m p a c t ，t h ep e r f o r m a n c em o r e o p t i m i z e d ，t h er e l i a b i l i t ym o r eh i g h i nt h e t h e s i s ，f u z z yv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e do na cd r i v es y s t e m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 t h ep cs e r i a lc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a mo f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e d ；t h ed e a d - b a n do fi p mi sa n a l y z e da n dc o m p e n s a t e d t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fe a c hc o n t r o l l e ra r e a n a l y z e da n da d j u s t e db yp l e n t y o f e x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fe a c hc o n t r o l l e ri sc o m p a r e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tv e r i f i e s f u z z ys p e e dc o n t r o l l e rn o to n l yi se a s yi m p l e m e n t e d ，b u ta l s oh a ss u p e r p e r f o r m a n c ea n df i n e rr o b u s t n e s s f u z z ys p e e dc o n t r o l l e ri sm o r eo p t i m u mc h o i c ei na c d r i v es y s t e m k e y w o r d s ：f i e l d - o r i e n t a t i o n , f u z z yc o n t r o l ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r h 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 感应电动机具有制造成本低、结构简单、，轻固耐用，适用性强等+ 系列优点，但 却是一个多变量、强耦合、非线性的控制对象，因此，如何从本质上改变其控制特。陀， 侵之具有优良的调速性能，一直是电气传动研究者的主要课题【i “。 9 1 代交流变频传动是一项综合性和多学科交叉的研究领域，它涉及到电力电子技 术、微电子技术、检测技术、计算机技术以及控制技术等。近几十年柬随着新的电力 电子器件的不断涌现，功率变换电路的不断更新，高速微处理器的不断推出，智能控 制理论的广泛应用以及对环境保护和节约能源要求的越来越高，现代交流传动已f 1 泛 应用j ：各个领域，并成为国民经济的重要组成部分。交流变频传动在凋速范嘲、调速 精度、动态响应、输出特性、功率因数、运行效率、使用的方便性等方面达到甚争超 过直流传动，完全可以取代直流传动【3 “j 。由此，人们对变频凋速系统提出了更多和 更高的要求，比如更强的鲁棒性、更高的效率、更小的体积、以及能更方便更灵活地 使用等f 2 7 】。 磁场定向控制是感应电动机高性能驱动中应用的最为普遍最为成熟的种技术。 但是磁场定向控制的实现完全依赖于系统参数这导致感应电动机磁场定向调速系统 对系统参数的变化非常敏感，而且当系统的运行参数较大的偏离其设计参数时，系统 的调速性能严重恶化。人工智能例如专家系统、模糊逻辑、人工神经网络以及遗传算 法等的研究成果令人激动和富有挑战性，它已经得到了广泛的应用 3 1 。因此人工：智能 在交流传动系统中的应用成为电气传动研究者的一个研究热点，人工智能技术成为提 高交流传动系统性能的重要手段之一3 1 。 在智能控制的三大分支中，模糊逻辑在交流调速系统中应用得最为“泛，它。，以 进行速度控制，提高系统的鲁棒性 1 4 1 6 。本文利用模糊逻辑控制的优点，芹与矢最控 制相结合，实现感应电动机矢量控制系统的一种智能控制技术，试图使系统获得更好 的调速特性和更强的鲁棒性是本论文所要研究的内容。 1 2 现代变频调速技术的发展 二十世纪是变频调速技术从诞生到发展的一个全盛时代。三十年代就有人提出交 i 华中科技大学硕士学位论文 流变频调速理论：六、七十年代，由于电力电子器件的发展，丌始了电力电子变频技 术的新时代；八十年代，变频调速已经产品化，并开始取代直流调速；九十年代以柬， 交流调速已经完全可以取代直流调速系统。 1 2 1 电力电子和微电子技术 电力电子器件既是电力电子技术的基础，又是电力电子技术发展的强大动力。可 以 兑电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的1 4 j ”。现代固态功率 电子器件自5 0 年代末晶阐管问世以来，相继出现了三端双向可控硅开关器件、门极 可关断晶闸管( g t o ) 、双极性晶体管( b p t 或b j t ) 、功率m o s f e t 、绝缘性栅极晶 体管( g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶闸管 ( m c t ) 和集成门极换向晶闸管( i g c t ) 。9 0 年代m o s 场控型i g b t 和智能i p m 模 块广泛用作变频器的功率变换器件。它具有丌关频率高、并联容易，容易实现高压大 容量化、控制方便的特点在2 1 世纪初的一段时j 、日j 内仍将是电气传动领域主导功率 变换器件【2 2 2 4 1 。近年来，具有更高压、更高温、更高频和更低导通压降的新型材料电 力电子器件正在研制，如砷化镓( g a a s ) 、碳化硅( s i c ) 等。可以预见，2 l 世纪将 进入新一代电力电子时代 4 , 2 5 2 7 1 。 微电子技术的发展，使静止变频装置向着数字化、控制高精度化、多功能化以及 数据处理高速化方向发展。变频装置的数字化从8 0 年代中期丌始，目前市场七的变 频装置几乎全部实现了数字化控制。采用d s p 和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 不 仅实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形【2 3 1 ，使变频器的噪音大幅 度降低，而且装置的元器件数量也大幅度减少，从而提高了系统的可靠性。微电子技 术的发展使复杂的控制技术的实现成为可能，更高速、更高精度的微处理器是将柬微 电子技术的发展方向。 1 2 2 交流传动的控制技术 感应电动机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象。早期所采用的v f 控制 和标量控制仅能使交流电动机在低性能的场合应用。赢到7 0 年代，矢量控制技术的 应用才给高性能交流传动带来了突破【2 叭，现在利用矢量控制技术对交流感应电动机进 行控制越来越盛行【2 9 j 。1 9 7 5 1 9 8 2 期间，一种新型理论，直接转矩控制，得到了蓬 勃地发展，并在德国成功用于电力机车的调速系统中【3 0 j 。目前，高性能交流变频调速 系统基本上都采用的是矢量控制技术或者直接转矩控制技术 3 1 , 3 2 1 。 近年来，基于人工智能技术的智能控制为高性能交流传动系统的实现提供了保 2 华中科技大学硕士学位论文 证。人工智能包括专家系统( e s ) 、模糊逻辑( f l ) 、人【神经网络( a n n ) 和遗传 算法( g a ) 。智能控制能针对不同的系统自组织、自学爿，具有很强的鲁棒性，近年 柬，智能控制得到了广泛的研究，也取得了令人满意的效果。考虑到传动系统的参数 变化和负载扰动，模型参考自适应控制( m r a c ) 和变结构控制( v s s ) 也是当前比 较时兴的研究方向。 速度传感器在安装、维护、低速性能较差等方面影响了感应电动帆凋速系统的简 f 更胜、廉价f ! 生及系统的可靠生1 3 ”。目前，无速度传感器的研究在国翻、 受到_ 人疑的 关注，并取得了商业上的应用，但在精度和低速方面还需要进步的完善。 1 3 仿真技术 系统定性的仿真对于大量减少设计和实验模拟的费尉，从而减少总体成水和缩艇 扶构思到产品过程的滞后时间是非常必要的。通过仿真町以容易建屯系统简化模掣 弄清系统的基本性能；容易实现系统破坏性实验，分析故障和异常状态卜系统的特征： 可以确定系统的最优参数，优化系统的性能指标：容易重陶功率变换器 乜路的拓扑纪 陶，实现系统新的控制算法。在电力电子和运动控制系统中仿真技术起着越来越重要 的作用【3 】。 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 是m a t hw o r k s 公司丌发的一种数值计算型软什，具 有较强的数据管理、计算和可视化能力，运行效率高p “。m a t l a b 基于向量、数组 与矩阵的可编程语言、大量的工具箱、开放式和可扩展结构、交互式平台等功能，使 它在生产、科研和教学中发挥了巨大的作用1 3 5 1 。s i m u l i n k 是实现动念系统建陵、仿 真的个集成环境，它是m a t l a b 功能的进一步扩展。它为系统仿真提供了史加友 好的界面、更加歼放的环境，是当前系统仿真设计很流行的一种标准软件。m a t l a b 提供的电力系统工具箱可用于复杂电路的仿真，包括电源模块、基础电路筷块、电力 电子模块、电机模块、连接器模块、测量模块和附加功率模块等 3 6 i ，使运动控制系统 的仿其实现方便快捷，而且还有专门的控制工具箱( 模糊j ：具箱、神经网络1 ：具箱等) ， 容易实现仿真各种控制系统。本文的仿真平台就是建立在m a t l a b s i m u l i n k 环境 下的感应电动机的矢量控制系统。 1 4 模糊控制的发展及其在电气传动系统中的应用 在交流传动系统中根据经典的以及各种现代控制理论提出的控制策略都有一个 共同的问题，即控制算法依赖于电动机模型，当模型受参数变化和扰动作用的影响时， 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = 一= ： 系统性能将受到影响。近年来受到控制界十分重视的智能控制，出于其能摆脱对控制 对象数学模型的依赖，已成为众所瞩目的解决鲁棒性问题的蓖要方法p “，基f 人工智 能( a i ) 技术的智能控制在交流传动系统中的应用显示出巨大的潜力i j l 。 自叭1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e h 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的 e h m a m d a n i 成功地将模糊控制应用于蒸气机控制以来，模糊控制得以广泛地发展并 ! 芏现实中得以成功应用。与布尔逻辑或清晰逻辑不同，模糊逻辑主要处理那些含糊不 i 者、不确定、不精确的问题，它是利用隶属函数和模糊觇则来求解问题。模糊控制是 指基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，模糊控制器主要嵌有操作人员的经验和直 觉知识。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建。甚精 确数学馍型的对象实旌的一种控制口j 。 模糊控制作为一个相对比较新的控制技术，具有以下特点： ( 1 ) 在概念上易于理解：模糊逻辑源于人的模糊思维和不准确表达，【h 此馍硼 推理隐含的数学概念想当简单、自然，与人的思维方式比较u 匆合。 f ：) 柔性强：同一模糊控制器适用于多种不同的被控对象的控制， ( 3 ) 对数据准确度要求低：实际数据的准确获得是建立在高成本基础之卜的， 而模糊逻辑控制对数据的准确度要求不高，因为它的处理对象本束就是不 准确的数据( 即模糊信息) 。 ( 4 ) 可以对任意复杂的非线性函数进行建模：可以针对非线性系统的输入输出 数据对用一个模糊逻辑系统进行建模，所建z 系统的收敛速度f u 鲁棒性都 很好。 【5 ) 可以与号家系统配合形成模糊一专家控制系统，t j 其他经典控制技术结合， 发挥各自的优点，构造性能更优的混合控制器。 模糊控制不仅在众多的实时性不强和精度要求不高的场合中应用耿得了巨大成 功，而且在实时性强、精度要求高的交、直流调速系统中应用也取得了令人满意的效 果。模糊控制在交流传动系统中的应用主要是速度控制，以取代传统的p i 调节器， 提高系统的性能。在这种系统中，模糊控制器处于最外坏，而内环仍保留矢量控制、 滑动模解耦等传统的控制方法 3 8 q 孙。 在一定条件下即使在调节时间上模糊控制也呵与自适应控制相媲美。用模糊控制 取代常规的p i 控制，在参数变化、负载扰动的情况下仍能得到快速、强鲁棒性的控 制效果。在模糊控制系统中，量化因子和比例因子的选取对系统影响很大，采用固定 的量化因子和比例因子，当对象的参数和扰动过大时，控制效果会变差。一种改进方 法是采用自学习和自组织功能的模糊控制器【4 3 】。 一。 4 华中科技大学硕士学位论文 除速度控制器外，模糊逻辑在交流传动中还有多方面的应用，如系统参数珊以、 一孜章优化、非线性摩擦补偿和转差功率再7 e 控制等1 4 “。 在智能控制的三大分支中，模糊控制在电气传动中的，、训 j 最为广泛，也牛 j 对成熟 些，而且已经取得了些较好的实验结果。但它存在着自学爿能力笼，模糊建馍困难 等不足，使其在高性能电动机调速系统中还存在一些问题，如没有系统的分析和峻汁 方法，隶属函数和模糊规则必须依靠人的经验，大量的可凋参数( 跫化因f 及比佃! 系 数等) 的选取等，都要经过反复精心整定| 能投入使用。 1 5 全文的主要内容与结构 本文主要是以感应电动机为控制对象、以适用于交流电动机控制的高性能数宁f 等 i j 处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制核心、以具有交曩功能的m a t l a b s i m u l 州k 为仿真 ：具，以模糊逻辑为控制手段，力图寻求。种简单和强鲁棒性的控制方法，在矢； 控 制、速度控制器设计和系统实现方面展1 ：了“定的研究一作。全文内容安排如卜： 第章介绍现代变频调速技术的发腱及勺交流变颧f 划j 技术相关的仿真技术 j 模糊控制技术。 第“二章阐述了交流变频传动技术的矢量控制原理，片介绍了空f h j 矢量脉宽调制投 术及脉宽调制技术的一种仿真优化方法。此章是全文的理论基础。 第三章先介绍了速度控制器，结合模糊逻辑对矢量控制系统的模糊速度控制器的 设计作了详细的介绍，并论述了控制器的稳定性。再在m a t l a b s i m u l i n k 环境卜 建立了矢量控制系统的仿真平台，并基于此仿真平台对模糊控制器的参数整定方法进 行了一些研究。最后比较了模糊控制器和经典p i 控制器的性能指标。此章是后续蠖 糊矢量控制系统数字实现的理论基础。 第四章描述了感应电动机矢量控制系统的实验主电路和控制电路，并对系统的控 制核心t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理器做了简要介绍，最后，介绍了实 验平台的上位机通讯控制程序。此章是全文的物质基础。 第丘章基于二t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理器的实验乎台，详细阐述了模糊矢量控 制系统实现的具体问题，并介绍了s v p w m 的实现原理，分析和补偿了丌关器件的死 区效应，最后介绍了系统软件的整体设计。 第六章给出了大量的系统实验结果，对模糊逻辑控制算法和经典p i 控制算法儆 了比较分析，并总结了全文。 5 华中科技大学硕士学位论文 2交流变频调速系统的基础理论 2 1 矢量控制原理 从原理上说，v f = 常数的控制和转差频率控制都是依据稳态、f 弦量的等效电路， 并以稳念平均转矩为控制对象，因而无法说明过渡状态时的瞬时转矩特性。矢量控制能 实现转矩的瞬时控制，有良好的调速性能，是目前应用的最广泛、最成熟的一种高性 能的感应电动机控制方案。 2 1 1 感应电动机的数学模型 由于要研究的对象是感应电动机，所以建立感应电动机的数学模型，其在d q 珏筵 转坐标系中的数学模型为【4 5 4 6 “小 “叶 “山 “u r r l + l i p o l l m ”p ，m 1 2 0 3 0 l l r l + l 1 p 一，m ” m 1 2 p ( 2 1 ) 其中 、0 分别是定子电流在d 、q 轴上的分量； 0 、，分别是转子电流在d 、q 轴上的分量； 、分别是定予电压在d 、q 轴上的分量； “。、“。，分别是转子电压在d 、q 轴上的分量( 实际值为零) ： r 、r ：分别是定子电阻和转子电阻： 上1 、：、m ，：分别为定子电感、转子电感和定转子互感； 、c o ，分别是气隙磁场角速度和滑差角速度； p = _ - d 是微分算子。 d t 利用式( 2 1 ) ，以y 廿；工2 0 + m 1 2 如、= 厶0 + 肘1 2 0 表示0 、0 ，考虑 6 以0 2 f 却 锄一拨姥 华中科技大学硕士学位论文 “。= u q r = 0 ，并以l 。i 。y 。，r 作为状态变量，可得感应电动机的一种形式的 状态空闻模型为 r ， ，巨 一c 鲁+ 等， 一0 m 12 r 2 、 0 1 o - l “。 “u 、 0 o 0 一c 鲁+ 掣， o m 1 2 r 2 ： 式中盯= i 坐l i l 量2 感应电动机的漏磁系数 。、y 。，分别为转子磁链在d 、q 轴上的分量 甜，= c o o 一，转子角速度a 电磁转矩表达式为 乙= 【o0 一i 。，i 。】 式中 e 。，感应电动机的电磁转矩 h l ” 妒山 “r 。旦i 。o - l l 卜 m i ! r 10 瓦万、 川z ，l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ”。感应电动机的极对数。 为了进一步 兑明感应电动机数学模型的特征，可以将式( 2 1 ) 改写为如f 形式 “小 “卅 “廿 “u ， r 1 00 0 o 月i o o 慷 00 r 2 0k ooo r 2 j l o + 厶p 0 m l 2 p o 0 厶p 0 m 1 2 p m 1 2 p 0 l 2 p o ，驴 o j q r 7 箍喀j 丌iijoiii且 p ， o 钰o m 华中科技大学硕士学位论文 + 0 c o o 0 o 00 000 0 0 ， ( 2 4 ) 式中 y m 、y 。分别为定子磁链在d 、q 轴上的分量： 简记为 h = r i + p l i + e ( 2 5 ) 其中“和i 分别代表式( 2 4 ) 中的电压向量和电流向量，眉和分别代表等号右边第 一项和第二项中 的系数矩阵，p ，代表等号右边第三项即速度电动势。跟据传动系统 的运动方程瓦。，一瓦= 勿，可作出感应电动机数学模型的特征结构图，如图2 l 所 示。此处，为传动系统负载，j 为传动系统的转动惯量。 图2 一l 感廊电动机数学模犁结构翻 从图2 一l 的表示中，可以清楚地看出在d q 坐标系中感应电动机的数学模型具有 如下显著特征【4 5 】： 它是一个多输入多输出系统。 模型是非线性的，且其非线性因素仅存在于产生速度电动势p ，和建立电磁转 矩瓦。的两个环节x ( ) 和甲：( ) 上，其它部分均为线性环节。 输入一输出变量间的关系上存在耦合现象，且产生耦合的原因同样也在( ) 和y ，( ) 两环节上，这是感应电动机数学模型的一个重要特征，它决定了感应 电动机模型线性化与解耦的一致性。 暑 出 鲁 洳 旷 y y 妒y 丌oiiiooo且 o o 缈o 一 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 矢量变换控制的基本思路 矢量变换控制最初着眼于对感应电动机转矩模型的线性化处理，即在参考系变换 的基础上，通过附加特定的约束条件，使感应电动机的转矩模型转化为与直流电动机 一致的线性化模型，以期能构成动、静态性能均足以与直流调速系统相媲美的交流涧 速系统。 d q 参考系上感应电动机的转矩表达式由式( 2 3 ) 给出，它是。个关于转于电流i ， 的非线性模型，如果针对式( 2 3 ) 规定如下的约束条件 ，舞数 s ， y m 2 p ，2 吊裂j 式中，为转子总磁链。 则有 t 。，= 一 ，妒。i 。 ( ：7 ) 考虑到矿 = 0 和 = l 2 i 。，+ a ，l ! i 。、有 铲一警、 s ， 以式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，可使感应电动机的转矩馍型最终转化为 。”，警嘛 ( 2 。， 由式( 2 9 ) 可以看出，控制屯，的大小，就可以像控制直流电动机一一样，达到无时 间滞后地控制乙的目的。当然，前提就是要保证式( 2 6 ) 成立，这就是矢量变换控 制的基本思路。为保证式( 2 6 ) 中。，= 0 成立，必须且只需将d q 参考系上的d 轴取 在”的方向上，这种控制手段，在现代交流调速技术中称为转子磁场定向，它是实现 矢量变换控制的关键一步，以致在一段时间内，矢量变换控制和转子磁场定向控制成 为同义语【4 5 1 。 2 1 3 转子磁场定向的必要充分条件 可以证明，为实现转子磁场定向，即保证妒。，= 0 ，必须且只需 9 华中科技大学硕士学位论文 r 2 m 1 2 i 十 = 2 o o 4 l 2y 山 。：，+ r 2 m , 2 玉 l 2出 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 先证必要性。为此，以y 。，= 0 代入式( 2 2 ) 第4 行，并记此时的少。为矿。= ， 即可解出转子磁场定向的必要条件为 co一生t r 2 m i , 2矿廿 上式即为q 。= 妒。时的式( 2 1 0 ) ，必要性得证。 再汪充分性。为此，以式( 2 1 0 ) 代入式( 2 2 ) 第4 j 二，得 p y + _ 8 2 妒w = 0 l 、 解上式可得 式中 y q ，o ，= 0 时的。，值 y q ，= o p “7 r ：= 叁d q 参考系中一相转子绕组的电磁时问常数。 ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) 式( 2 1 3 ) 表明，在经过约( 3 4 ) r ：的时间后，y 。，已衰减至近似为零，。趋近于妒。 综上所述可知，只要按式( 2 1 1 ) 控制感应电动机供电电压的角频率珊。，总呵保 证y 。，= 0 ，达到转子磁场定向的目的h 5 1 。 2 1 4 矢量变换控制方程 在转子磁场定向的基础上，欲依式( 2 9 ) 控制乙，尚需导出独立控制”和i q ，的可 实现方程，或称控制算法。 以，= 0 代入式( 2 2 ) 第3 行，并注意到 c ，女= 妒m = ”，得 1 0 华中科技大学硕士学位论文 p 痧a r + i r 2 ”- 半以 从中可以解出妒。= p ，的控制方程为 特别地，当，为常数时，有 ”= 面m i i 2 以 ”= mj 2 l 。 式中 ，。f 。的稳念值，为常数。 ( 21 4 ) ( 2 ，1 5 ) ( 2 1 6 ) 式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 清楚地表明，在转子磁场定向条件f ，i 。、就是激励起。= p ， 的励磁电流，通称为i 。的励磁电流分量。相应地，依式( 2 9 ) ，称i 。为i 、的转魁 u 流 分量。因而对，和i 。、的独立控制，可通过对i 的d 、q 轴分量i 。和f 。的独立控制柬实 现。然而，从式( 2 1 1 ) 可以看出如果要对感应电动机进行准确的磁场定向，则盔很 大的程度上依赖于电机参数的准确性，特别是转子电磁时间常数，而转f 电磁时问常 数不容易得到且随环境和电机运行状况变化很大。为了得到良好的调速性能，提出对 电机参数敏感度低的控制方法，或者准确的在线参数辨识方法是值得考虑的两个有前 途的方案。 2 2 空间矢量脉宽调制技术 脉宽调制( p w m ) 技术是利用电力电子器件的导通和关断把直流电压变成定 形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压的技术。p w m 技术是交流传动系统的核心 技术，它对交流传动系统的性能有着重要的影响。随着电压型逆变器在高性能交流传 动系统中的广泛应用，脉宽调制技术受到了高度的重视并得到了深入的研究。 2 2 1 空间矢量脉宽调制技术的原理 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，把通信系统 中的调制技术应用到交流传动系统中，产生了i f 弦脉宽调制( s p w m ) 变频变压的思 想，从而为交流传动的应用开辟了新的领域。正弦脉宽调制波形为与正弦波等效的一 华中科技大学硕士学位论文 系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其控制主要着眼于使逆变器输出的电压尽量接近正 弦波，期望输出的p w m 电压波形的基波成分尽量大，而谐波含量尽量小。s p w m 技 术能有效地抑制低次谐波，可使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小，大 大扩展了交流电动机的调速范围。到目前为止，s p w m 在各种应用场合仍占主导地位， 并一直是人们研究的热点。 幽2 - 2 典 | ! 的：相鬯j i 逆娈器结h f 警j 典型的三相电压源逆变器( v s i ) 结构如图2 2 所示，k ，、p ：和为逆变器的输 出相电压，q l q 6 作为逆变器的六个开关。每个桥臂的两个丌关只有两种状态，三个 桥臂共存在八个开关矢量，其中六个有效歼关矢量和两个零开关矢量。又因每个开关 矢量对应一个电压矢量，因此有六个有效电压矢量厉i j 和两个零电压矢量p j 和；， 如图2 3 所示，图中“1 ”表示相应的上桥臂导通，“o ”表示相应的下桥臂导通。 豳2 - - 3 逆变器输出电压空间矢量 如果忽略感应电动机定子绕组电阻和上下开关管之间的死区，当定子绕组施加三 相理想正弦电压时，由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量，故气隙磁场以恒定角速 度旋转，轨迹为圆形。而从图2 3 可以看出，在实际运行中逆变器的输出电压只可 华中科技大学硕士学位论文 能有八种状态，因此，只能用元弓八个矢量的线性组合去近似模拟等幅旋转电压矢 量，这就是空问矢量脉宽调制的基本原理。 在图2 3 所示的ob 参考坐标系中，任何一个参考电压空间矢量呒，叮以表示为 l 叫= 屹+ = ，( c o s 0 + j s i n 臼) ( 2 17 ) 式中，为参考电压的幅值，臼= ，r ，珊，为参考电压的角频率。 尽管逆变器不能直接输出参考电压空f 日j 矢量吮，但是根掘期望获得圆形磁场的 要求可由和它相邻的两个电压矢量合成得到 呒瓦+ 吭+ ，瓦+ 。= 吃t ( 2 18 ) 式中瓦和瓦+ 分别为逆变器相邻两个电压空间矢蹙暖和只+ 的导通时间，t 为系统 p w m 的周期。 例如在第一扇区有 e 一+ 吃疋= 死t ( 2 1 9 ) 在ab 参考坐标系下可表示为【3 1 刖五+ 求解式( 2 2 0 ) 可得玩和吱的导通时间正和疋为 互= i ( 誓屹一抄 ( 2 2 1 ) 一 疋= 4 3 g t v ( 22 2 ) 6 日样可求出各个空阳j 矢量的导通时问。 式中k = 1 6 。 1 3 丁 吃 疋 睁峥 2323 三鼙 嵋 孥 g 罄 新 m 华中科技大学硕士学位论文 在一个p w m 周期r 中，除了有效电压空间矢量导通时间外，还有零矢量的导通 时怕jt o 瓦= t 一瓦一瓦+ l ( 2 2 4 ) 瓦和瓦+ 。导通时阳j 不足时，则插入零矢量v o 和露。般可取 ，- - ，4 t o o 蔓 (225)t lo ，= ( 1 4 ) t o 7 式中t o 。和t o ，分别代表零矢量呒和秀的导通时间。 从上述推导可知，e 不受任何限制，可为任意值，因此可得到许多种空阳j 矢量 咏宽调制实现方案。当舌= o 5 时可得到典型的空间矢量脉宽调制信号，例如在第一鹚 x i 内产7 的丌关序列为瓦一玩一元一只一只一疋一只一瓦，丌关序列顺守选择的原 则是保汪每次电压矢量变化时，只改变一个桥臂的状态。此时所对应的逆变器输出的 审压信号如图2 4 所示。 l， l l li l l i f 7 l!ll! t 7 ! e o ! t ；吒：哆：ti 只je o ! 五l 量i 墨；互i 互：量i 互i 互j ：4 224 t 422 4 ： il 图2 4 对称s v p w m 逆变器输出信号 按理想状态可以得到相电压波形如图2 - - 5 所示。圪、屹相电压可以得到依次 1 一 滞后竿，它们的线电压为三相正弦。这种方法得到的线电压比一般的s p w m 逆变器 3 输出线电压高1 5 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 r a ： ! ； ij | ； i ； ：! ： i ! i y ： i t ； l - 、一 图2 - - 5s v p w m 逆变器输出相电乐波形 2 2 2 脉宽调制技术的仿真优化 前面介绍了脉宽调制技术在交流变频传动技术中的应用，实现原理是把直流母线 电压调制成一系列幅值恒定、宽度不同的窄脉冲，达到电压幅值和频率均可调的目的 p w m 的数学模型为 f ( t ) ：if ( r ) 6 ( r t ) d r ( 2 2 6 ) 该表达式的意思是，如果能保证在任意小的时j 日j 内系统4 i 问的输入的冲击效果一致， 那么系统的响应是相同的，即对系统本身来说是等效的4 7 1 。 1 脉宽调制技术的一般仿真方法 仿真的一般方法就是对实际系统重构，对p w m 而言，就是构造一个三角载波， 再构造一个比较输入，通过它们的比较决定输出的状态。在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下的实现如图2 6 所示。 图2 6p w m 的一般仿真方法实现 由于要保证在足够小的时问内，需要的正弦输入和实际的脉冲输入有相同的冲 击效果，这就要求载波频率远大于正弦输入的频率，考虑到精度的要求和实际条件的 1 5 华中科技大学硕士学位论文 限制，一般相差2 3 个数量级，即载波频率是正弦频率的几百倍。为了达到仿真的 基本要求，仿真的采样时间至少要比系统出现的最小周期( 载波周期) 小一个数量级， 也就是说在一个正弦周期内至少要采样几千个点，这样的仿真模型对实际的仿真硬件 提出了很高的要求，而且在仿真精度方面，如果一个载波周期采样1 0 个点，在比较 点前和比较点后采样就有1 1 0 的采样误差，一个正弦周期内，几千次数学运算的累积 误差也值得考虑。仿真速度、采样误差和运算累积误差之间本身就是不可调和的矛盾。 2 脉宽调制技术的仿真优化方法 对调制后的脉冲输入进行傅利叶变换后发现，它的谐波成分黾包含被调制【f 弦输 入频率、载波频率和载波频率整数倍谐波及它们附近的极小谐波。正弦输入频率成分 萨是需要的正弦输入，载波频率和载波频率整数倍谐波成分是由于载波而引入的系统 f 扰输入。考虑实际的应用系统都是感性负载，而感性负载的固有特性是对不同频率 正弦输入所表现的感抗随频率按线性增加，即对高频输入有自然的抑制功能。 结合实际问题，由于由载波引起的干扰谐波的频率比正弦输入的频率高很多， 而干扰谐波的幅值比正弦输入小很多，所以在实际系统中的表现和只有l f 弦输入的效 果基本是一致的，即在载波周期内，如果调制后的脉冲输入和正弦输入的冲击效果一 致，那么它们对系统的作用效果是一致的，这工f 是p w m 的基本原理。那么在仿真的 时候就可以不考虑具体实现的难度，直接输入“正弦”，只要使它和实际的脉冲输入 具有相同的冲击效果就可以了，即把p w m 的原理“反向”运用，这样运用的目的是 为了降低系统的仿真难度。 运用上面的原理，可以得到仿真的框图如图2 7 所示，图中的转换函数模块的 幽2 7p w m 的仿真优化实现 功能是根据输入计算出占空比，再和母线电压相乘得到输出。实现2 ( 为了便于叙述， 称按基于实际系统重构方法的实现为实现l ，基于p w m 原理的实现为实现2 ) 显然 要比实现1 容易，由于它们基于的信号的频率和类型不同，仿真速度的差异是显然的， 而且是巨大的。考虑它们和实际模型的趋近程度，实现l 是基于实际系统的重构，只 有在足够高的采样频率和足够高的计算精度上才能保证它和实际系统的趋近程度，实 现2 是基于p w m 原理的实现方法，它和实际系统的差异的来源主要是由于载波的参 与而引起的和载波相关的谐波干扰，只有载波频率足够高，才能保证它和实际系统的 趋近程度。显然，在现有的条件下，实现1 只有牺牲时间来保证精度，而实现2 的精 1 6 华中科技大学硕士学位论文 度要求在实际系统的构造中得到保证，通常的系统都满足这个要求，综合考虑，实现 2 是比较理想的选择。 在m a t l a b s i m u l l n k 环境下建立一个交流电动机调速系统的仿真模型，分别 用上述两种方法对这个系统仿真，在只有p w m 实现模块不同，其它模块完全相同的 情况下所得到的仿真结果如图2 8 所示。其中实现1 曲线一l 是按实现1 仿真时，每 个载波周期采样1 0 个点得到的转速变化曲线，仿真时间为2 4 7 秒，实现1 曲线一2 是按实现1 仿真时，每个载波周期采样2 0 个点得到的转速变化曲线