（电气工程专业论文）三相异步电动机磁链观测器与参数辨识技术研究.pdf

加脉冲对转矩的影响来判断转子的磁场定向是否准确，进而校准转子时间常数。 仿真结果表明，利用这种方法能够很好地跟踪转子时间常数的变化。 关键词异步电动机；高性能传动；磁链观测器；空间矢量；状态观测器 参数辨识；模型参考方法；遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t 而ea cd r i v e sh a v ep l a y c dad o m 证a n tp l a c ei n 协ef i e l do f v a r i a b l es p dd r i v e s a n dv a r i o u sh i g h - p e r f b 衄a i l c ev a r i a b l e 舶q u e n c ya c “v e sa r e 诚d e l y 印p l i e di n i n “蛳a la n da g r i c u l 恤m lp f o d u “o n f l u xe g t i i n a t i o na n dp 赶a m e t e r si d e r 岖舭a _ n a r em e 嘶t i c a lt e c h i l o l o g i e si n | l i 咖p e r f o m l a i l c ea cd r i v e s ，趴dh a v et u m e dt ob et l l e h o t s p o to f r e s e a r c h a cm r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r sa r es 雠o n g l yc o u p l i n gl l i g h o r d e r s y s t e m so fm u l 邱l e r i a b l e s 锄dn o n l i n e 删ut l l i sp a p e r 撕z e d 也ec o 瑚p l e x n m b e rm o d e l so f a cm o t o r sb 鹊e do ns p a c ev e c t o ra i l a l y s i s ，w i l i c hh a v et l l ef e a t u r c s o fc l e a rp h y s i c a lc o n c e p t sa 1 1 dc o n c i s ef o r i n s i nt h i sp a p e r ，i tp r o p o s e d 血el l i l i v 蹦湖 f b h no ff l u xo b s e r v e ro fs 诅t o r 锄dr o t o rb a s e do nl u e n b e 玛e r 蚴e o b s e r v e rm e o m a n di ti q r o v e dm em b u s t i l c s so fn u xo b s e r v e rb yt h es e l e c t i o no ff e e d b a c km a 仕i x ， w h j c hm a k e sc e n a i np 舢如r sn o ta p p e a ri 1 1m o d e l so ff l u xo b s e r v e rs o 也a ti t8 r e n o ti n n u e n c e db yt l l ep a r 蛐e t e r s i ti sv e r i f i e dt h a tt l l ec o m m o nn u xm o d e l sa r ej u s t t h es p e c i a lc a s e so f l u e n b c r g e rn l o b s e r v e r 0 n ek 证do fm o d e l 删f e r e n c e 印p r o a c hf o ra d 印t i v ef l l l ( e s t 岫a t i o na i l dp a 础l e t e r i d e m i f i c a t i o na r ep r e s e i l t e d ，w l l i c hc a nn o t0 n l yo b s e r v et l l es t a t o ro rr o t o rn u x a c c u r a t e l y ，b ma l s oi d e n t i 母a u 也ef 0 1 l rp a r a m e t e r sr a p i d l yi n 也ec a s eo fp e r s i s t o n t e x c i 枷o n ，w l l e ns o m ep 猢e t e r sa r ck n o w n ，m er c s to f t l l e 群咖e t e r sc o m da l s ob e i d e n t i 氏de v e nt h o u 曲也ee x c i 妊m o ni sn o tp e r s i s t e m t h ep a p e rh a ss t u d - e dt h i s 印p r o a c hi ns 协o ra n dr o t o rr e f c r 锄c e 触m er e s p e c t i v e l y ，d e d u c t c d 山ea d a p d v el a w s o fp a r a m e t e r sa n dt 1 1 e o r e t i c a l l yp r o v e dt h ea s t r i n g e n c yo ff l u xa l l dp a r 锄e t e r si n c c n a i nc o n m t i o n s s i i t l u l a t i o n b ym a t l d b s i m u l h l l 【a n dm e ne x p e r i m e n t s 、v i 吐l s 锄p l e dd a t af 如ma l l 协d u c t i o nm o t o r sh a v eb e e nd o n e ，趾dm er e s u l t so fs 诵u l a t i o n a n de x p c r i m e n t ss h o wt h a t 廿l em e t l l o da r ea c c u r a t e 趾de 丘宅c t i v e g e n e t i ca l g o r i m mi sak i n do f 、v e l l 一m u n d e d 西o b a lo p t i m i z a t i o nm e t l l o d 恤a t o 1 s 也ef e a m r e so fs 拍n gr o b u s 垭c s sa n db r o a da p p l k a b i n t y a s 也eg e n e t i c a l g o r i m mi sn o t l i m i t e db yc h a r a c t e ro ft 1 1 ep r o b l e t i l s ，“h 船d e e pp o t e n t i a li nd e a l i n g 、v i t l l p a r a m e t e r s i d e m i f i c a t i o no fm o t o r s t h i s p a p e rp r o p o s e dt 1 1 ep a r 锄e t e r s i d e n t i f i c a t i o nb 嬲e do ng e n e t i ca l g o r i t 吼u s i n gd a t ao f 曲d u c t i o nm o t o r sd i l r i n g s t a r t i n gp r o c e s s ni ss h o w e dm a ti nm es t a t o rr e f e r e n c e 丹a m e ，t 1 1 es t a t o rr e s i s t a n c e a n dw h o l el e a k 访gi n d u c t a n c eh a v er c l a t i v e l yh i 曲i d e n t m c a t i o na c c u r a c yw h i l em e l l i 浙江大学博士学位论文 r o t o rt l m ec o n s t a n ta n ds t a t o rl n d u c t a n c eh a v el o wl d e n t l l c a t l o na c c l l r a c y ，锄di n m t o rr e f e r e n c e疔a n l e ，t l l el e 灿gm d u c t a n c e ，r o t o rt i m ec o n s t a i l t卸ds t a t o r 抽d u c t a j l c eh a v eh i 曲i d e n d 丘c a t i o na c c u r a c y ，b u t 协ei d e n t i f i c a t i o na c c u r a c yo fs t a t o r r e s i s 妊m c e1 1 a so b “o u sd e c r e a s e i ft 1 1 ei d e n t 墒c a t i o ni nt w dr e f e r e n c e 矗砌e sa r c c o m b i n e dt o g e t l l e r ，t h es t a t o rr e s i s t a n c ei si d e i n i f i e di ns t a t o rr e f e r e n c ef h m ei n a d v a n c e ，a n d t l l e no t h c rp 盯锄e t e r sa r e g a i l l e di n r o t o rr e f e 豫n c e 丹锄e ；m e i d e n t m c 撕o na c c u r 粒yo fa l ln l ep a r a m e t e r s 砸l lb ei i n p r o v e dal o t w i t hr e g a r dt ot l l er o t o r - f i e l d - o r i e n t a t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t c m ，m ec h a n g eo f r o t o rt i m ec o n s 协mh a st l l eg r e a t e s ti n n u c n c eo nm en l n i l i n gp e r f b m 岫c eo fs y s t e i n c o m p a r e dt oo m e rp a r 锄e t e r s s oi i lt l l i sp a p e r ，j tp r o p o s e d 粕o t h e rn e wm e t h o df o r a 由u s t i n gt l l et i m ec o n s 乜m to fi n d u c d o nm o t o r so n l k ，、h i c hi n t e n t l i n e n t l yo v c r l a p n a r r o wn e g a 廿v ep m s i 驴a ji n t ot h ef l u xr e f 打e n c ec t l r r e n t ，趾dm e nf i n do u tw h e t l l e r v e c t o rc o 曲r o lw a sr o t o r _ n u x 嘶t e da c c u r a l r e i ya c c o r d 访gt 0t 1 1 e c h a i l g eo ft o r q l l e c a u s e db yo v e d a p p e dp u l s e ，锄dh e r e b ya d j u s tt h et i m ec o n s t a n tc o 玎e 印o n d i n g l y _ t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h d w e dt h j sm e t l l o dc o u l dt r a c k 吐 ev a r i a n c eo fr o t o rt i m ec o n s t a n t v e r y 、v e l l | k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ( i 1 1 d u c t i o nm o t o r ) ；址g l l - p e r f b m 卸c e “v e s ；s p a c e v e m o r ；n u xo b s e r v e r ；s t a t eo b s e r v e r ；p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n ；m o d e lr e f b r e i l c e a p p o a c h ；g e n e t i ca l g o 血岫 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在电动机变速传动领域，过去一直由直流电动机调速系统占据统治地位。这 是由于直流电动机调速系统结构简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态 特性。但是直流电动机的机械接触式换向器不但结构复杂、制造费时、价格昂贵， 而且在运行中容易产生火花，需要经常性的维护检修，对环境的要求比较高。这 就使得直流传动的运营成本很高。另外，由于换向问题的存在，直流电动机无法 做成高速大容量的机组，难于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极广泛的应用。但是交流电动机模型是多变量、非线性和强 耦合的高阶系统，在电力电子技术发展以前，交流电动机的调速比较困难，早期 的应用主要是变压调速、电磁转差离合器调速、变极调速、绕线式异步电动机转 子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速方法等。除变极调速外，这些方法都 是在电动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。变极调 速是调节电动机旋转磁场的同步速度，虽然这是一种高效的调速方法，但只能有 级调速，应用场合有限。交流电动机的另一种调节电动机旋转磁场同步转速的调 速方法是变频调速。变频调速能在宽范围内实现无级调速，而且可以获得良好的 启动和运行特性。早在上世纪2 0 年代人们就已经认识到变频调速是交流电动机 的一种最好的调速方法，但由于受当时电力电子器件和其它技术条件的限制，变 频调速装置往往体积大、效率低、价格高、可靠性差，未能获得广泛应用。可见， 早期的交流电动机调速确实无法与直流调速竞争，交流电动机唯一的优势是电动 机本身。 电力电子技术的发展和新型电力电子器件的出现使得交流电动机的变频调 速装置出现小型化、高效率、高可靠性趋势，价格也日益降低，交流变频调速在 很多场合逐渐取代直流电动机调速。目前广泛应用的转速开环恒压频比控制的变 频调速系统，结构最简单，成本低，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平滑调速的要求，但是它的 动静态性能有限，为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 方法的基本原理是，在转差很小的范围内，只要保持气隙磁通不变，异步电动机 浙江大学博士学位论文 转矩就近似与转差率成正比，这样控制了电动机的转差率就控制了电动机的转 矩。但是转差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 磁通恒定也只是在稳态情况下成立，所以它只适合用于电动机转速变化缓慢的场 合1 1 3 1 ，而在要求电动机转速做出快速响应的动态过程，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 时候的静态转矩有很大的不同。因此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，提出了对交流异步电动机更有效的控 制策略。 1 9 7 1 年f - b l a s c h k e 提出的矢量控制理论h l 和1 9 8 5 年m d e p e n b r o c k 提出的直 接转矩控制理论1 5 】，使得交流电动机的调速性能和直流电动机相比已经毫不逊 色。交流电动机的所谓“高性能o l i g h p e 黼n a n c e ) ”传动系统一般就是指采用矢 量控制理论和或者直接转矩控制理论等控制策略的闭环交流变频调速系统。矢量 控制在国际上一般多称为“磁场定向控制( 箭e n d o r i e m e dc o m o l ，简称f o c ) ”， 也就是把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向 均用瞬时值来表示。坐标系按转子磁场定向后，电动机的直轴电流为激磁电流， 交轴电流为转矩电流，这就使得磁链和转矩的控制是相互解耦的，可以分别控制 激磁电流和转矩电流来控制电动机的磁链和转矩，仿佛控制直流电动机一样，调 速性能也完全能和直流电动机媲美。直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o i 灯o l ，简称 d t c ) 利用逆变器六个桥臂的“开关特性”直接对电动机的转矩进行控制，而不 是以控制电流为目的。具体地说，就是根据电动机的实际电磁转矩大于还是小于 给定转矩，通过直接选择逆变器开关的状态从而选择合适的电压空间矢量，使彳导 转矩减小或者增大，同时为了保持定子磁链的基本恒定，电压空间矢量的选择还 要决定于定子磁链大于还是小于给定值。直接转矩控制的提出是继矢量控制后的 又一个熏大发展，它利用电压空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控 制电机的转矩，省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，信号 处理的物理概念明确，转矩响应迅速，电机磁场可以接近圆形，谐波小，开关损 耗小，噪声及温升较小。它的缺点是有较大转矩脉动。综上所述，矢量控制和直 接转矩控制都是具有高静、动态性能的交流电动机调速方法，在实现方法和控制 效果上各有千秋，可根据不同情况选用。 在交流调速和直流调速的竞争中，正是矢量控制和直接转矩控制的理论的出 现为确立交流调速在当代变速传动领域的主导地位奠定了基础。但矢量控制技术 和直接转矩控制技术本身也存在一些问题。矢量控制要以转子磁链定向，必须求 得转子磁链的相位，才能进行坐标变换，转子磁链的闭环控制还需要获得转子磁 链的大小。最初的矢量控制系统曾尝试用直接检测的方法来获得实际磁链信号， 2 第1 章绪论 一种办法是在电机槽内埋设探测线圈，另一种办法是利用贴在定子内表面的霍尔 片或其它磁敏元件。虽然直接检测方法从理论上说比较准确，但实际上埋设线圈 和敷设磁敏元件都遇到不少工艺和技术问题，特别是由于齿槽的影响使得检测信 号中含有较大的脉冲分量，速度越低影响越严重。而且直接法只能测出气隙磁链， 转子磁链只能经过计算求得。因此实用系统多采用间接观测磁链的方法，即通过 电压、电流和转速等容易测量的物理量来实时计算磁链的幅值和相位，用以计算 磁链的表达式被称作磁链模型。磁链模型往往对电动机参数依赖很大，而在电动 机运行中参数具有一定的时变性，特别是转子时间常数随温度和激磁饱和程度变 化显著。矢量控制系统的对电动机参数的敏感性使得实际控制效果变差，严重时 可失控。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电动机的数学模型，省掉了复杂 的坐标变换。它在定子坐标系下观测定子磁链，高速时的磁链模型虽只涉及定子 电阻一个参数，克服了矢量控制时性能易受转子参数变化影响的问题，但定子电 阻同样是受电动机温度变化等因素影响的时变参数，控制性能同样受电动机参数 的影响。并且，低速时由于存在误差淹没反电势问题，磁链模型往往由电压模型 切换至电流模型，这时仍不能避开转予参数的影响。 为了消除或减小电动机参数的时变性对高性能交流传动系统的影响，国内外 学者进行了不懈的努力。电动机参数辨识技术一直是高性能交流传动系统研究的 热点之一。近年来随着现代电力电子技术、现代控制理论、微电子技术、微处理 器数字控制技术以及其它相关科学的进一步发展，拟制参数变化影响的新型非线 性控制策略纷纷提出，如反馈线性化控制【6 7 】、自适应控制0 8 一、滑模变结构控制 1 m 1 1 ，12 1 、智能控制1 3 也6 】，等等，出现了各种性能更高的、全数字控制的“高性 能”交流传动系统。 高j 眭能的交流调速系统离不开速度的闭环控制，电动机转速信号的获得是必 需的。然而，速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低及 性能易受工作环境影响等缺点。因此，无速度传感器传动控制技术是现代交流传 动控制的一个重要研究方向，它也已成为当前交流传动系统研究的另一个热点 口”“。无速度传感器控制技术使得“只用三根线控制电动机”的设想变为现实。 总之，交流传动发展到今天，已经取得了丰硕的成果，同时还有许多问题有 待解决。 1 2 异步电动机磁链估计 在各种高性能交流异步电动机传动系统中，电动机磁链信号的获得是必不可 少的，如矢量控制需要获得电动机的转子磁链，直接转矩控制需要获得的是定子 3 浙江大学博士学位论文 磁链。不仅如此，获得的磁链信号是否准确往往还是系统是否能够维持高性能的 决定因素。由于工艺等方面的原因，般不希望采用直接检测磁链的方法，磁链 信号的获得大多采用间接估计的方法，即检测电动机的定子电压、定子电流和电 动机转速等容易测取的物理量，根据电动机的数学模型，实时地计算出所需磁链 的幅值和相位。但是电动机的数学模型是用电动机的参数来表示的，使用磁链模 型来估计磁链不可避免要用到电动机的定、转子参数。因此，电动机使用的参数 是否准确决定磁链估计是否准确，因而也是高性能传动系统能否维持“高性能” 的关键。高性能交流传动系统一出现，怎样准确观测电动机的磁链，或者说怎样 减小甚至消除参数不准确给磁链估计带来的影响，就一直是使各国学者孜孜不倦 的课题。 不论对定子磁链还是转子磁链，磁链估计有两种基本的观测方法，就是电流 模型法和电压模型法阱】。电流模型根据定子电流和电机转速的测量值来估计磁 链，这种观测模型具有负的特征根，观测值是渐近收敛的，但由于涉及到转子时 间常数这个易受电机运行条件影响的慢时变参数，往往需要实时辨识才能保证磁 链的观测精度口”o 】。电压模型利用定子反电势与磁链的导数关系，采用对反电 势积分的方法来估计磁链，只需要测量定子电压和电流，不需要用到电机转速， 也不涉及容易变化的转子参数，但是由于纯积分环节的误差积累和漂移问题可能 导致系统不稳定，尤其在低速时，定子电阻压降作用明显，反电势被测量误差淹 没，使观测精度变低，个普遍的解决方法是采用一阶低通滤波器来代替纯积分 环节以解决误差累积，但同时引入了附加相移和幅度误差。h uj l l l l 等人提出一种 带有饱和反馈环节的一阶低通滤波器来代替纯积分环节 4 l 】，基本解决纯积分中的 直流误差累积的同时，又不会引入了附加相移和幅度误差，思路新颖，但这种方 法有饱和环节闽值选取较困难问题。由于电压模型和电流模型各有优缺点，有人 提出将两种模型结合的所谓组合模型，在高速时让电压模型起作用，通过低通 滤波器将电流模型的观测值虑除；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器 将电压模型的观测值虑除。这样在一定程度上克服了二者的缺点，但也增加了系 统的开销，而在本质上仍属于开环的观测器。 上述观测模型都属于降阶状态观钡4 器的范畴，由于降阶状态观测器只对磁链 进行观测，而对其他状态变量即定子电流不作估计，对测量噪声比较敏感。扩展 龙贝格状态观测器和扩展卡尔曼滤波器都可以对电机进行状态和参数的联合估 计，且对噪声干扰具有较强的鲁棒性，但是算法复杂，实际应用有困难。 1 3 异步电动机参数辨识方法综述 为了能在运行时观测电动机的磁链，必须预先获得电动机的参数，如定转子 4 第1 章绪论 电阻、漏感、定转子电感等等。通常来说，通用变频器并不是为某一台电机设计 的，变频器由某个厂家设计生产，电动机则来自另一个厂家，这就不可能预先设 置好变频器中的电动机参数而必须现场设置。因此，必须预先获得电动机的参数。 获得电动机参数的传统方法是空载实验和堵转实验，但通过空载实验和堵转实验 获得的参数是粗略的，并不能很好满足变频器参数设定的需要，况且由于受到现 场条件的限制，往往不便于进行传统的空载实验和堵转实验。所以变频器在运行 之前有必要对电动机参数进行自动辨识。具体做法是，在电动机运行之前，变频 器执行一套用于检测电动机参数的自动程序，对电动机施加特定波形的激励，一 般保持电动机处于静止状态，检测电动机的响应以辨识电动机的参数，并将变频 器中的电动机的参数设置好，称为“参数自设定”【4 2 州。这种为了变频器设定、 以获得电动机初始参数为目的而进行的参数辨识即为通常所说的离线参数辨识。 异步电动机离线参数辨识虽然能够为矢量控制、直接转矩控制等高性能变频 调速系统提供足够精度的电动机参数初始值，然而，在电动机整个工作范围内， 电动机的实际参数值并不是保持不变的，而是随着电动机工况的不断变化在一定 的范围内变化，如由于电动机温度变化、由于频率不同引起的集肤效应，会影响 电动机的定转子电阻值；由于磁场饱和程度的不同而影响电感参数等等。而且这 种由于工况变化弓【起的参数改变的规律是不能事先预知的，要保持和提高交流变 频调速系统的性能就必须解决异步电动机的参数自适应的问题。因为这种由工况 变化引起的电动机参数改变是缓慢的，因而对电动机的参数进行实时在线辨识然 后及时校准控制器中的电动机参数是广泛使用的参数自适应方案，称为参数自校 准。 因此，异步电动机的参数辨识包括离线辨识( 参数自设定) 和在线辨识( 参 数自校准) 。自从高性能变频调速技术诞生以来，电动机的参数辨识技术就一直 是各国学者研究的热点，各种辨识方法纷纷出台。异步电动机的参数辨识技术 般可以分为三大类，一是频域辨识，根据系统的频率特性来获取电动机的参数。 频域辨识在计算方法上较为成熟，稳定性好且具有一定的滤波功能，但它对输入 信号的要求比较严格，并且是建立在线性系统稳态分析的基础上，不能反应动态 过程中的非线性，目前国内外电机的频域响应研究趋于减少。二是时域辨识，目 前异步电动机参数辨识的典型方法均属i 比类，如递推最小二乘法( r l s 、，扩展卡 尔曼滤波( e k f ) 、模型参考自适应法( m r a s ) ，等等。三是人工智能方法，如神经 网络辨识、遗传算法等。 最小二乘法是常用的参数辨识方法，其目标函数为测量结果对计算结果误差 的平方和，目标函数简单明了，最小目标函数值等于零。其递推算法适合于异步 电动机参数的在线实时辨识，计算量也不算很大，但在优化的过程中要用到目标 5 浙江大学博士学位论文 函数对电动机参数的导数，对测量噪声很敏感，同时对转速波动很敏感。【4 ”1 扩展卡尔曼滤波是一种适合于动态数学模型的优化算法，也适合研究有噪声 污染的系统，将其用于异步电动机参数辨识时，在一定程度上克服了最小二乘法 的噪声敏感问题，并且可以对异步电动机的状态和参数的联合估计。缺点是每步 都要进行矢量或矩阵运算，计算量相当大。另外，这种方法用于异步电动机参数 辨识时需要对电动机数学模型做十分仔细的预处理，把参数处理成状态变量，当 辨识的参数较多时，这种处理十分复杂。p l ，5 ”州 模型参考方法是自适应方法的一种，模型参考辨识基于稳定性设计，能保证 参数辨识的渐近收敛性。这种方法以实际运行的异步电动机为参考模型，以电动 机的状态观测方程为可调模型，利用电动机某些可测量( 如定子电流) 的估计偏 差来实时调整可调模型使用的电动机参数，从而辨识电动机的参数。这种方法 具有算法简单、易于在数字控制系统实现的优点，但是同时辨识多个电动机的参 数时，是否存在满足稳定性设计要求的参数自适应律就是一个难于解决的问题。 6 0 巧5 】 基于人工神经元网络的方法是近年用于异步电动机参数辨识的新方法，利用 神经网络对异步电动机参数进行辨识时，要先规定网络结构，然后对通过输入和 输出对系统进行学习，学习的手段是使误差函数达到最小，从而找出隐含在系统 输入，输出中的关系。一般说来，基于人工神经网络的辨识方法在理论上的研究 还不太成熟，在电机拖动中实现也存在一定的难度，需要专用硬件的支持，这就 使得这种方法的实用化存在问题。【6 “9 j 遗传算法是近年来兴起的一种基于自然选择和进化的搜索算法，目前还不能 以严格数学推理来证明其收敛机理，但实际应用证明遗传算法是一种成熟的具有 极高鲁棒性和广泛适用性的全局优化方法。由于遗传算法具有不受问题性质( 如 连续性，可微性) 的限制，能够处理传统优化算法难以解决的复杂问题等优点，显 示了它在解决电机参数辨识方面的较大潜力。但因为遗传算法存在早熟以及收敛 速度较低等问题，要将遗传算法实际用于异步电动机参数辨识特别是在线实时辨 识还有相当难度，目前这方面应用多数还处于理论性仿真研究阶段。1 7 ”搠 从理论上来说，上述各种参数辨识的方法既可以用于异步电动机的离线辨 识，也可以用于在线辨识，不过，对离线辨识来说，其目的是实现变频器的自设 定，只要找出可信度较高的异步电动机参数的初始值即可。而且离线辨识是在电 动机和变频器没有运行的时候进行，不受正常激励信号的限制，可以自行施加辨 识所用的特定激励信号，因而就可以采用更为简单直接的方法。异步电动机的离 线参数辨识一般分步进行。例如，先以定子电流对电压的阶跃响应法辨识出电动 机的总漏感，以直流法辨识电动机的定子电阻，然后以异步电动机静止时的模型 6 第l 章绪论 为基础、在已知漏感和定予电阻的情况下，通过转子磁链对空载电流的阶跃响应 来辨识转子时间常数等其它参数。 对在线参数辨识来说，其目的是为了及时跟踪异步电动机参数的变化，使得 矢量控制等高性能的变频调速系统不因为电动机参数的变化而发生性能下降。对 异步电动机来说，虽然几乎所有参数都会随着电动机工况不同而发生改变，但改 变的幅度是不同的，并且，高性能变频系统对异步电动机的各个参数变化的敏感 程度也是不一样的。如果只对变化较大和敏感程度高的电动机参数进行在线实时 辨识，辨识的难度会大大降低。这样，辨识参数占用的系统软硬件资源相应减少， 又能满足系统在参数时交情况下维持系统性能的要求，这无疑对异步电动机高性 能变频调速系统具有很大的现实意义。异步电动机运行中变化明显的算是随温度 变化的定、转子电阻了，恰恰高性能变频系统对定转子电阻是最敏感的，如矢量 控制敏感的是转子时间常数( 转子电阻) ，直接转矩对定子电子敏感。实际上， 只对电阻参数进行在线实时跟踪辨识是很多实际的高性能变频调速系统一类典 型的方案。 最后要指出的是，电动机参数在线实时辨识除了满足高性能变频调速系统的 需要外，还用于其它用途，如电机温度监测、电机故障诊断等，这已不属于本文 的讨论范围。 1 4 论文的主要内容 高性能交流变频调速系统的出现使得交流传动逐步取代直流传动，而准确观 测磁链和估计电动机参数是维持交流传动系统高性能的必要条件。高性能变频调 速系统有两种典型而又基本的控制策略就是矢量控制和直接转矩控制，其它各种 高性能的控制策略大多是这两种控制的演化或者扩展。本论文主要研究高性能变 频调速系统的磁链估计、参数自检测和参数在线辨识问题，全文主要研究内容按 如下安排： 第1 章是绪论，介绍了变速传动的发展过程，指出交流传动已经占领主导地 位，而磁链估计和参数辨识是变频调速传动的关键技术。简要论述了异步电动机 磁链观测的基本技术，介绍了常见的磁链模型；并对各种电动机参数辨识方法做 了论述，对比了它们的优缺点。 第2 章论述了三相异步电动机数学模型及状态观测。不论是矢量控制还是直 接转矩控制，都以交流电机的数学模型为基础，都需要对定子或者转子磁链做出 估计，都不可避免要使用到电动机的定转子参数，所以本章首先从空间矢量出发， 全面总结了电机的数学模型。基于空问矢量分析的交流电机数学模型，在形式上 7 浙江大学博士学位论文 非常简洁，物理意义也很明确。然后以空间矢量数学模型为基础，分别推导了基 于l u e n b e r g e r 状态观测器的定予磁链估计模型和转子磁链估计模型一般形式，并 得到各种具体的磁链模型，意义在于把握它之间的内在联系，从而为可能发现更 好的磁链观测模型提供思路。人们熟悉的转子磁链的电压电流模型和电流转速模 型等实际上是l u e n b e 曜e r 状态观测器的特例。 第3 章提出了基于模型参考方法的异步电动机磁链自适应观测及参数辨识， 分别研究了在定子坐标系下和转子坐标系下磁链观测和参数辨识，推导了参数的 自适应律，先从理论上证明了一定条件下的磁链和参数的收敛性，然后基于 m a t l a b s i m u l i l l l 【进行了仿真，最后对实际电动机的采样数据进行了实验，仿真和 实验结果都证明了这种方法的正确性。 第4 章研究了另一种参数辨识方法：基于遗传算法的异步电动机参数辨识。 提出了所有参数未知情况下利用遗传算法来进行电动机参数辨识的方法和步骤， 并分别在定子坐标系和转子坐标系下进行了辨识，最后结合两种坐标系下辨识精 度的优缺点提出改进辨识精度的方法。 第5 章研究了矢量控制系统转子时间常数的在线辨识问题，提出一种新的异 步电动机转子时间常数的在线校准方法，这种方法在励磁电流中间歇地叠加窄的 负脉冲信号，根据此叠加脉冲对转矩的影响来判断转子的磁场定向是否准确，进 而校准转子时间常数。仿真结果表明，利用这种方法能够很好地跟踪转子时间常 数的变化。 第6 章总结了全文的工作，提出进一步研究的方向。 8 第2 章三相异步电动机数学模型及状态观测 第2 章三相异步电动机的数学模型及状态观测 三相异步电动机的磁链观测与参数辨识技术一般以电动机的动态数学模型 为出发点，而传统的以二轴坐标变换理论为基础的电动机模型在形式上较为复 杂。以空间矢量分析为基础的三相交流电机复数模型，不仅各个变量的物理意义 十分清晰，容易理解，而且以复数形式表达的模型在形式上非常简洁。 三相异步电动机的磁链估计实质是对电动机进行状态观测，以l u e n b c r g e r 观测器理论为基础，从电动机的状态方程出发，可以获得电动机磁链估计模型的 一般形式，观测器的极点可以通过选择反馈矩阵任意配置。通过反馈矩阵的选择， 还可以使得磁链观测模型不出现某些特定的参数，从而使得磁链观测不受某些参 数变化的影响，提高磁链观测的鲁棒性。具体分析可知，各种常见磁链模型都只 是l u e n b e r g e r 观测器的特例。 2 1 基于空间矢量分析三相异步电动机数学模型【1 2 3 4 8 1 8 3 】 交流三相异步电动机是多变量、非线性和强耦合的高阶系统，为了能对电动 机进行深入分析和控制，有必要对它进行数学建模。在建模之前，对三相异步电 动机作如下假设： 1 ) 定转子绕组在空间上是三相对称分布，即在空间相差1 2 0 0 的电角度；且 每相绕组的电阻电感参数相同： 2 ) 定转子问气隙均匀，气隙磁场呈辐射状，忽略齿槽效应和端部效应，气 隙圆周的磁场在空间按正弦分布： 3 ) 忽略铁心损耗，假定铁心的磁阻为零，磁导为无穷大( 相对气隙而言) ； 4 ) 暂不考虑电感和电阻参数的时变性。 在进行分析建模前，对各个变量符号说明如下：以电动机横截面为复平面， 定子一、口、c 三相绕组的轴线和转子三相绕组口、6 、c 的轴线在复平面为逆 时针分布，电动机旋转以逆时针方向为正方向，转子口相绕组轴线相对于定子爿 相绕组轴线的夹角为e ，转子角速度为脚，。以乙( f ) 、( r ) 、c 0 ) 表示三相定 子电流的瞬时值；以0 ( f ) 、( ，) 、t ( f ) 表示三相转子电流的瞬时值；以“。( r ) 、 “m ( ，) 、( ，) 表示三相定子电压的瞬时值；以甜。( ，) 、( f ) 、“。( f ) 表示三相转 9 浙江大学博士学位论文 子电压的瞬时值：眠。( f ) 、i f ，m ( f ) 、( f ) 表示三相定子磁链的瞬时值；以( ，) 、 ( f ) 、( ，) 表示三相转子磁链的瞬时值。 根据选取的坐标系不同，异步电动机的分析建模也存在多种形式，本小节以 空间矢量分为析基础，除在静止和转子两种特定坐标系下对异步电动机进行分析 建模外，还讨论了更一般坐标系下( 本文称之为g 坐标系) 的电动机模型。这 三种坐标系说明如下： 1 ) 静止坐标系：在电动机横截面以定子一相绕组轴线为实轴定义的复平面 坐标系。i ，、i ，、u ，、u ，、甲，、誓，分别表示静止坐标系下定子和转子的电流、 电压、磁链空间矢量； 2 ) 转子坐标系：在电动机横截面以转子口相绕组轴线为实轴定义的复平面 坐标系。l ；7 、i ，、u ；7 、u ，7 、t ，7 、t ，7 分别表示转子坐标系下定子和转子的 电流、电压、磁链空间矢量，其中上标“”表示矢量在转子坐标系下定义； 2 ) g 坐标系：在电动机横截面以角速度。旋转的复平面坐标系，g 坐标系 与静止坐标系的夹角为。i 。3 、i ，8 、u 。、u ，8 、叩，8 、甲，8 分别表示g 坐标 系下定子和转子的电流、电压、磁链空间矢量，其中上标“g ”表示矢量在g 坐标系下定义。 2 1 1 磁动势分布和电流空间矢量 一、定子磁动势分布和定子电流空间矢量 设定子每相绕组有相同的有效匝数m 。= m 七。，这里m 和。分别为实际匝 数和绕组系数。以定子绕组彳相轴线为参考轴，p 表示气隙空间位置和参考轴的 夹角，则定子磁动势沿气隙圆周的分布表示为 工( 臼，f ) = 虬( f ) c o s 口+ ( ) c o s ( 口一警) + k ( f ) c o s ( 占一与】( 2 1 ) jj 由于余弦函数为偶函数，也可以写成 z ( 占，) = o ( f ) c o s ( - p ) + 如( f ) c o s ( 孥一目) + k ( f ) c o s ( 兰；一目) 】( 2 2 ) jj 于是可用复数表示 l o 一兰! 兰三塑墨生皇垫塑塑堂矍型垦鲨查婴型 z ( 目，f ) 2 号吧r e 詈f o ) + k ( ，如2 “3 + k p 汐。“”p 一妒) ( 2 3 ) 分别定义静止坐标系下、转子坐标系下以及以g 坐标系下定子电流空间矢量为 i 。2k + ，如= 詈 屯( ，) + 匕( f ) p 。“”+ k ( ，) p 。4 “3 】 ( 2 4 ) i ，7 = 匕+ ，薯= 詈【( f ) + k ( f ) p 7 2 “3 + c o ) p 。b ”p 一婵= i 。f 一旭( 2 5 ) i s 8 。0 + _ ，0 = 詈【乙( f ) + k ( f ) e 7 2 州3 + k ( f ) e 4 “3 k 一皿= i ，e 一埠( 2 6 ) 于是 z ( 印) = 吾心r e 仉e 一胛) ：寻虬r e 弭r e 叫岬 ：要也r e 豫v 肛巳 ( 2 7 ) 从电流矢量的表达式容易写出以下变换式 阱； c o s oc o s 塾c o s 竺 33 s i n os i n 塾s i n 竺 3 3 黔譬霉嚣 盟谢鞠 c 。s ( 孥一吃) s i n ( 芋吲 剐迸塞抛 其他各量如磁链、电压等有类似的变换式。 在三相对称正弦供电的情况下，有 1 0 = 丘c o s ( 眈r 一以) = t c o s ( ，一九一2 州3 ) 【k = t c o s ( 甜一绣一4 万3 ) 所以 ；睦委 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一i o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 1 k b k ilj 啡 只 一 一 学学 出 o k k 1旷iiiiii卜 巳 一 一 磁旃 懈 心 f f 0 k 浙江大学博士学位论文 i 。= ； 。( f ) + b ( f ) p 口“3 + k ( ，) e “3 - 叫吨 ( 2 - 1 4 ) 因为t 是正弦相电流的幅值，为一个常数，所以电流空间矢量的端点轨迹是一个 圆，并且空间矢量以同步角吐速度旋转。需要指出的是，这是非恒功率变换情 况下的定义，如果是恒功率变换，系数为再而不是；。在非恒功率变换下，一 个有用的结论就是，空间矢量在相坐标系a 、b 、c 轴的投影就是各相的瞬时值。 二、转子磁动势分布和转子电流空间矢量 设转子每相绕组有相同的有效匝数 k = ，m 和k ，分别为实际匝数和 绕组系数。仍然以定子绕组一相轴线为参考轴，则转子磁动势沿气隙圆周的分布 表示为 p ，f ) ：。【o ( f ) c 。s ( 毋一只) + k ( d c o s ( 8 一辞一娶) + f 。( f ) c 。s ( 驴一幺一孥) 】 ( 2 1 5 ) 由于余弦函数为偶函数，也可以写成 z ( 口，f ) ：。 o o ) c 。s 卜( 口一只) 】+ k ( r ) c o s 牟一( 口一只) 】+ k ( f ) c 。s 【孥一( 口一绋) 】 ( 2 1 6 ) 于是可用复数矢量表示 z ( 口，f ) = 昙。r e 吾【k o ) + ( f ) p ，2 ”+ k o ，4 ”】p 婵p 一声) ( 2 1 7 ) 分别定义静止坐标系、转子坐标系以及g 坐标系下转予电流空间矢量为 i ，：0 + ，= 妻【0 ( f ) + ( r ) e 。2 “3 +