（信号与信息处理专业论文）感应电机矢量控制系统研究与实现.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 m 帅 y 17 4 7 2 4 0 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在 不保密。 菟侩讫 日期：2 夕f 年；月1 岁日 i 7 年解密后使用本版权书。 精狮龇磷劬 日期：弘f i 年汐3 月夕日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术和微处理器技术等不断发展，高性能矢量控制系统使普通交流感应 电机的控制性能接近直流电机调速系统，并具有显著的节能效果。再者，由于感应电机拖 动性价比高、维护方便等优点，且在实际应用中的使用量占全部驱动功率的一半以上，因 此进一步完善和提高感应电机变频调速性能，降低系统复杂程度等具有非常广泛的实际应 用价值。为此，本文针对三相感应电机矢量控制系统展开理论与实验研究，主要研究内容 和成果如下： ( 1 ) 研究了以电压源型逆变器、t 1 2 4 0 7 d s p 为平台的感应电机矢量控制系统。按目 前最常用的转子磁链定向原则建立感应电机矢量控制数学模型，以带转矩内环的转速、磁 链双闭环的方式设计整个矢量控制变频调速系统结构。探讨了电压源型逆变器中电流转电 压过程的解耦控制算法及弱磁升速的实现，通过m a t l a b 仿真计算感应电机系统处于弱 磁时的励磁电流分量给定值。实验证明良好的解耦控制算法能较大地提高感应电机矢量控 制系统力矩响应能力。 ( 2 ) 经过对转子磁链的分解与近似，研究了一种基于简化模型的感应电机矢量控制 和具体实现方案。考虑到传统直接矢量控制运算量庞大且极易产生饱和漂移和累积误差， 通过直接对励磁电流分量和转矩电流分量进行闭环控制，并将复杂的电流转电压过程归入 p i 调节器，简化了感应电机直接矢量控制。实验结果表明，此矢量控制方案动态抗扰动指 标可靠有效，系统编程量少且不易饱和振荡。 ( 3 ) 对感应电机全数字矢量控制系统进行了实验研究。硬件部分重点对共通冒险下 的i g b t 驱动电路、过流过压保护电路、相电流采集及速度检测等进行了设计。软件部分 通过分级调试完成。验证了本文所研究的基于简化模型的感应电机矢量控制系统的有效 性，并分析了整个矢量控制系统的实验效果。 关键词：感应电机；矢量控制；转子磁链；解耦；d s p ；逆变器 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y o j f o ri n c i u c t l o nm o t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo f n o r m a li n d u c t i o nm o t o rt h a tb a s e do nt h eh i 曲p e r f o r m a n c ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mc a nb ea p p r o a c h e dt ot h e a s y n c h r o n o u sm o t o r sa n dt h ec a p a b i l i t yo fe n e r g y - s a v e di sq u i t eg p o d m o r e o v e r , d u et ot h ea d v a n t a g e so f i n d u c t i o nm o t o rt h a ti n c l u d e sh i g l lp e r f o r m a n c et oc o s ta n dc o n v e n i e n tt om a i n t e n a n c ea n dm o r et h a nh a l fu s e i na l ld r i v ep o w e ri na c t u a ls y s t e m ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt oi m p r o v ea n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gs y s t e mo ft h ei n d u c t i o nm o t o r a n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h et h e o r i e sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft h ev e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m ( v c s ) o fi n d u c t i o nm o t o rt h a tb a s e do nv o l t a g e - s o u r c et y p ei n v e r t e ra n d t 1 2 4 0 7 d s pi sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fv c si se s t a b l i s h e db yf i e l do r i e n t e d c o n t r o l ( f o c ) p r i n c i p l ew h i c hi sp o p u l a ri nm o t o rc o n t r 0 1 t h ew h o l ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - a d j u s t i n g s y s t e ms t r u c t u r ei n c l u d e sr o t o rs p e e dt h a th a st o r q u ei n n e r - l o o pa n df l u xc l o s e 。l o o p t h ec u r r e n tt ov o l t a g e d e c o u p l i n gp r o c e s st h a tu s e sv o l t a g e - s o u r c e 锣p ei n v e r t e ra n dt h er e a l i z a t i o no ff l u xw e a k e n i n g c o n t r o li sa l s o s t u d i e di nh e r e d u r i n gf l u xw e a k e n i n g , t h ea p p o i n t e dv a l u eo fm a g n e t i z i n gc u r r e n ti sc a l c u l a t e db ym a t l a b t h ew e l ld e c o u p l i n gc o n t r o ls c h e m ec a no b v i o u s l yi m p r o v et h er e s p o n s ea b i l i t yo f t h ev c s o fi n d u c t i o nm o t o r i sp r o v e db ye x p e r i m e n tr e s u l t s ( 2 ) w i t ht h eh e a v yc o m p u t a t i o n , e a s ys a t u r a t i o n a n dc u m u l a t ee r r o r so fc o n v e n t i o n a ld i r e c tv e c t o r c o n t r o l ，sc o n s i d e r e d , t h ev e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do ns i m p l em o d e li ss t u d i e da n dt h ed e t a i l e d s c h e m ei sd e s c r i b e db a s e do nt h er o t o rf l u xi sd e c o m p o s e da n da p p r o x i m a t e d t h r o u g ht h ed i r e c tc l o s el o o p c o n t r o lo fm a g n e t i z i n gc u r r e n ta n dt o r q u ec u r r e n ta n dt h ec o m p l e xp r o c e s st h a tc u r r e n tt ov o l t a g ei si n c l u d e d b yp ir e g u l a t o r , s ot h ed i r e c tv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r i ss i m p l i f i e d t h ep r o p o s e dm e t h o di se f f e c t i v e b ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ts h o w s t h a tt h es i m p l i c i t yo ft h ec o d ep r o g r a m ，r a r es a t u r a t i o na n ds h o c k s ( 3 ) t h ew h o l ed i g i t a lv c so fi n d u c t i o nm o t o ra r es t u d i e db ye x p e r i m e n t i nh a r d w a r ed e s i g n , t h e i m p o r t a n tp a r t sa r et h ed r i v ec i r c u i to fi g b t , t h eo v e r - c u r r e n ta n do v e r - v o l t a g ec i r c u i t ，t h ep h a s ec u r r e n ta n d r o t o rs p e e dd e t e c t i n gc i r c u i t i ns 0 1 a r ed e s i g n , i ti sc o m p l e t e db ys u b r o u t i n ed e b u g g i n g t h ee f f e c t i v eo f 浙江理工大学硕士学位论文 v e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do ns i m p l em o d e lw h i c hi st h i sp a p e r sm a i nr e s e a r c hc o n t e n ta r e p r o v e db ye x p e r i m e n t s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；r o t o rf l u x ；d e c o u p l i n g ；d s p ；i n v e r t e r m 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 目两毛i v 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 矢量控制技术的发展2 1 2 1 感应电机矢量控制技术发展历程2 1 2 2 高性能矢量控制技术发展现状4 1 3 功率电子半导体技术的发展与性能6 1 3 1 电力电子器件6 1 3 2d s p 在交流调速系统中的应用7 1 4 论文主要研究内容及全文结构8 第二章感应电机矢量控制数学模型及原理1 0 2 1 矢量控制基本概念一1 0 2 1 1 直流电机与感应电机的电磁转矩1 0 2 1 2 矢量控制的基本思想1 2 2 2 感应电机矢量控制数学模型1 3 2 2 1 感应电机在静止坐标系上的基本方程。1 4 2 2 2 旋转坐标系上的数学模型1 8 2 2 3 感应电机在两相坐标系上的状态方程一2 1 2 3 转子磁链观测器。2 2 2 3 1 电流模型法磁链估计。2 3 2 3 2 电压模型法磁链估计。2 3 2 4 小结2 5 第三章基于简化模型的感应电机矢量控制系统研究2 6 3 1 基于电压源型逆变器的矢量控制理论2 6 3 1 1 电压源与电流源型逆变器的区别2 6 3 1 2 矢量控制系统的基本方程2 7 3 2 感应电机矢量控制系统及解耦算法研究2 9 3 2 1 传统直接矢量控制系统2 9 3 2 2 高动态性能矢量控制系统3 1 3 2 3 基于简化模型的矢量控制系统3 2 3 2 4 矢量控制解耦算法研究3 6 3 2 5 弱磁升速方案研究3 7 3 31 、结4 0 第四章感应电机全数字矢量控制系统硬件与软件设计4 2 4 1 矢量控制实验系统硬件设计4 2 4 1 1 电压源型逆变器电路结构4 3 4 1 2 共通冒险下的i g b t 驱动电路设计4 3 5 1 1 静态指标一5 6 5 1 2 动态及抗扰动指标5 7 5 2 实验装置及工具5 8 5 2 1 实验装置一5 8 5 2 2 实验工具。5 9 5 3 感应电机矢量控制系统实验结果分析6 0 5 3 1 恒压频比与传统直接矢量控制实验结果分析6 0 5 3 2 基于简化模型的矢量控制实验结果分析6 2 5 4 j 、结6 5 第六章结论6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 6 参考文献6 8 致 射7 2 攻读学位期间的研究成果7 3 v 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代工业技术的发展，变频调速系统已在诸多工业控制领域如精密机床、工业机 器人、电动汽车、自动化传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、起重设备等取得了 非常广泛的应用。尤其是交流伺服系统，随着功率电力电子技术、数字信号处理器等的飞 速发展，交流变频调速系统完全有能力处理复杂的实时状态观测等算法，现代交流传动的 各项性能也因此达到前所未有的高度。 目前，交流伺服系统已具备快速动态响应、高稳态精度、宽调速范围及四象限运行等 良好技术性能，其动、静态特性几乎完全可与直流伺服系统相媲美，某些特性已超过直流 伺服系统。以代表交流电机驱动控制最高水平的交流伺服为例，其需求随着先进生产技术 与新型加工原料的出现而迅速增长。据相关统计，高性能交流伺服驱动器数量的年增长率 超过1 2 ，因此交流伺服系统在现代工业上具有相当广阔的应用背景和研究意义。 感应电机作为交流伺服驱动中应用最多的电机，额定功率从5 0 w 到2 0 0 k w 不等，完 全满足各行业对传动系统功率容量的要求。且感应电机本身有着相比于直流电机的突出优 点：( 1 ) 结构简单、工作可靠、高效节能、制造工艺简单、成本低廉、维护方便、转动惯 量小、经济效益明显。( 2 ) 大功率容量的传动系统，如矿井卷扬机、厚板轧机等，以及高 速的传动，如高速磨头等，都宜采用感应电机传动。因此三相感应电机在工业传动领域， 占很大比重。 随着矢量控制理论不断实用化，通过对复杂的感应电机数学模型进行解耦控制，感应 电机矢量控制性能达到与直流电机系统相媲美的效果，因此，现代交流伺服系统大多采用 矢量控制技术。然而，我国在交流伺服系统的核心技术上与国际先进水平尚有明显差距， 尤为突出的是快速响应能力不足，调速精度低等。且欧美等发达国家对核心控制技术、软 件的保护及保密相当重视，为了不让这些核心技术受制于他人，我们必须走自主研发道路。 因此，必须加大对该领域科研与开发的力度。 近年来，国内各大院校及科研机构都把变频调速技术作为重点研究对象，以培养大量 该领域人才，逐步缩小与国外的技术差距，防止国外大型企业( 如：德国西门子，日本安 川、富士、三菱、三洋，美国罗克韦尔等) 对我国工业自动化领域的垄断。为此，本文选 择三相感应电机为研究对象，并将对矢量控制技术进行相关理论研究与实验论证。 本章将首先介绍感应电机变频调速中的矢量控制、直接转矩控制等理论发展状况；接 l 1 2 矢量控制技术的发展 1 2 1 感应电机矢量控制技术发展历程 在现代交流传动控制中，曾存在交流调速与直流调速方案之争。早在2 0 世纪7 0 年代 前，鉴于直流调速方案简单，转矩电流和励磁电流在本质上具有彻底的解耦特性，因此高 性能应用场合都采用直流调速系统，且能较方便实现四象限运行，但直流电机通常仅使用 于不变速的传动环境中。交流电机有着相比于直流电机的突出优点，直流电机缺点较明显 如：换向器成本高、结构复杂、运行时易产生火花严重影响电刷寿命，需要经常清洗与更 换，但交流感应电机就不受种种限制，由于转子与定子绕组之间只存在气息，没有任何接 触，维护相当容易且寿命长。而直流电机由于换向器的存在，导致其极限容量十分有限， 在大功率调速场合，显得力不从心。但交流电机的控制性能不如直流电机，如果能将交流 电机的控制性能提高到直流电机的运行特点，必将对电力传动领域造成重大影响。 2 0 世纪7 0 年代初，德国西门子公司的工程师f e l i x b l a s c h k e 发表论文感应电机矢量 变换( t r a n s v e c t o r ) 控制的磁场定向原理。同时，美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申 请专利感应电机定子电压的坐标变换控制，至此感应电机矢量控制基本原理被同时提 出【。科研人员提出的原理出于以下几点考虑：一、感应电机是一个相当复杂的时变参数 系统，各个变量之间相互耦合，当一个变量变化时会导致其他变量也随之变化；二、要想 将交流感应电机变得与直流电机控制方法那样简便，必须通过坐标变换，将定子电流分为 励磁电流和转矩电流，分别进行独立控制。德国和美国科学家通过理论研究，深入分析感 应电机数学模型，所提出的矢量变换控制方法很好的解决了以上两点问题，从而为传动领 域开辟了崭新的研究方向。但由于当时的技术水平，要想将感应电机矢量控制商业化，那 是极其困难的事情：一、矢量控制包含复杂的坐标变换及数学运算，必须要求控制核心不 仅有强大的控制能力，还要有非凡的运算能力；二、矢量控制涉及大功率开关器件，要求 功率半导体不仅可以通过瞬间大电流，还要具备快速开关性能甚至达到超音速。上面两个 原因对当时的矢量控制的实用化造成了极大地阻碍，科研人员只能停留在理论研究水平， 缺乏实践认知。 2 浙江理工大学硕士学位论文 在这之后的实践中，经过许多学者及技术人员的不断完善和改进，终于形成目前普遍 应用的矢量控制变频调速系统。在这个过程中，德国b r u n s w e i g 大学以w l e o n h a r d 教授为 首的研究所、美国w i s c o n s i n 大学以t l i p o 教授为首的w e m p e c 研究中心及日本长岗科 技大学以a n a b a e 为首的研究室发挥了重大作用。此外，德国西门子、美国r o c k w e l l 及日本三菱及安川等公司在推进交流电机矢量控制产业化的进程中，首先取得了突破性进 展。其后，随着现代控制理论、微处理器、电力电子等技术的不断发展与应用，经过近3 0 年的不断发展，从工业应用的角度来看，这项技术已经成熟。 直接转矩控制系统是继矢量控制后发展起来的另一种高动态性能交流电动机变压变 频调速系统【2 】。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授研制了直接自控制系统，采用 转矩模型、电压型磁链模型及电压空间矢量控制的p w m 逆变器，实现转速和定子磁链控 制，取得成功。直接转矩控制是一种选择定子磁链为被控量的非线性控制系统，被看作与 矢量控制并列的一种新控制策吲引。但直接转矩系统( d t c ) 与矢量控制系统( f o c ) 有 以下几点不同：( 1 ) d t c 避开将定子电流分解成磁链与转矩分量，省去旋转变换和电流控 制，简化了控制器结构。( 2 ) 选择定子磁链为被控量，不像f o c 那样选择转子磁链，这样 一来，计算磁链的电压模型可以不受转子参数变化影响，提高了系统鲁棒性( 3 ) 由于直 接采用转矩反馈b a n g - - b a n g 控制，动态过程中，可以获得快速转矩响应。当然，这两种 控制系统在控制性能上各有特色。表1 1 列出了这两种方案的性能与特点。 表1 1f o c 与d t c 性能与特点比较 现在，矢量控制和直接转矩控制这两种控制系统的产品都在朝着克服其缺点的方向前 进，通过在现有的f o c 和d t c 之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优 越的控制性能指标，这是一个相当有意义的研究方向。 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 2 高性能矢量控制技术发展现状 对于直流电机，电机的磁场由励磁绕组产生，在励磁电流不变、忽略电枢反应造成的 影响时，电机的转矩和电枢电流成正比，控制电枢电流即可控制电机转矩。但对于感应电 动机，控制电机的定子电流大小并不能控制电机的转矩。这是因为感应电动机的转矩不仅 与电机磁通和电流大小有关，而且还和他们之间的相位差密切相关。矢量控制是一种高性 能的感应电动机驱动控制方式，基于电动机的动态数学模型，通过坐标旋转变换，将感应 电动机在构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位差为9 0 。的可控分量，分别进 行独立控制，从而达到与直流电动机相类似的控制性能【1 ，4 ，5 1 。 目前，矢量控制系统常用的控制方案有三种：按转子磁链定向、按定子磁链定向和按 气隙磁链定向【刚。下面对它们的原理与特点进行阐述分析。 ( 1 ) 按转子磁链定向的矢量控制方案。此方法的矢量变换包括3 2 变换或矢量旋转变 换。当我们将同步旋转坐标变换得来的d ，q 电流分量的d 坐标轴指向转子总磁链矢量的 方向时，即可称为按转子磁链定向的矢量控制，电机的转矩与g 轴电流成正比，从而做到 了各个变量的独立控制，性能得到极大提高，但此方法中转子磁链估计较为复杂。我们可 将定子电流的口轴分量为转矩分量，定子电流的d 轴分量为励磁分量。可由电压方程d 轴 分量控制转子磁链，g 轴分量控制转矩，从而实现磁链与转矩的解耦控制。此方案的缺点： 磁链闭环控制系统中转子磁链的检测精度受转子时间常数的影响较大，降低了系统性能。 但它达到了完全解耦控制，控制方式简单，无需增加解耦器，具有较好的动态性能与控制 精度。 ( 2 ) 按定子磁链定向的矢量控制方案。与按转子磁链定向的矢量控制方案相反，此 方法是将定子磁链方向作为旋转坐标的d 轴，而g 轴分量等于零。与方法( 1 ) 相似，电 机的转矩与g 轴电流成正比，从而做到了独立控制，且此方法中定子磁链估计比方法( 1 ) 简单很多，并不受转子参数影响。但此方案也有缺点：一、电流耦合项的消除，由于电流 耦合的存在，必须通过相应算法进行解耦，否则调速性能变得不稳定。二、低速的性能提 升，由于定子电阻压降在低速时会占绝大部分，导致磁链估计出现偏离，严重影响系统性 能。综上，此方法可用于一般调速应用系统中。 ( 3 ) 按气隙磁链定向的矢量控制方案。气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的d 轴 定向在气隙磁场方向，此时气隙磁场的g 轴分量为零。若保持气隙磁链d 轴分量恒定，转 矩直接与g 轴电流成正比。因此，通过控制g 轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达 到控制电机目的。由于此方法需要解耦算法才能使磁通和转差解耦，使得此控制方式比方 4 浙江理工大学硕士学位论文 法( 1 ) 更加复杂，但也有优点：一、某些状态参数( 如气隙磁链等) 容易测量；二、对 系统的饱和效应反应更加灵敏。 比较感应电机三种磁场定向方法可以看出，按转子磁链定向的矢量控制方案是最佳选 择，可以实现励磁电流与转矩电流分量二者的完全解耦，因此转子磁链定向是目前主要采 用的交流调速方案。本文按目前最常用的转子磁链定向原则建立感应电机矢量控制数学模 型，以带转矩内环的转速、磁链双闭环的方式设计整个矢量控制变频调速系统结构。 近年来高性能矢量控制研究得到了较快发展，从有速度到无速度传感器，从电机参数 测量到参数自适应调整，从经典的p i 调节器到人工智能模糊控制等。下面对它们的特点作 简单分析。 ( 1 ) 电流调节器设计【7 1 0 】。感应电机中，定子电流的控制效果直接影响调速系统性能， 电流型逆变器( c s i ) 和电压型逆变器( v s i ) 都可以运行在电流控制状态下，c s i 本来就 是个电流源，可以很方便地进行控制，而v s i 需要更为复杂的电流调节器，但它与c s i 相比， 具有更简单的硬件结构、更少的电流谐波，因而更多地应用于实际控制系统中。由于交流 电流调节器必须同时控制定子电流的幅值及相位，所以它比直流调速系统的电流调节器更 为复杂。另外，电机参数具有时变特性，这在定子电流控制中必须予以考虑。同时由于电 流调节器构成整个控制系统最内环，因此它在系统中必须具有最大的带宽，必须具有极小 的稳态误差。这些问题在电流调节器设计过程中都是需要考虑的。就目前发展方向来说， 较为典型的定子电流控制方案有p i 型法、滞环电流控制法、智能控制法、预测控制法。电 流调节这一课题包含的内容非常丰富，对它的研究也很富有挑战性。 ( 2 ) 参数辨识技术【l 卜1 5 j 。感应电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、微处理器数字控制技术、现代控制理论以及其它 相关科学的进一步发展，抑制参数变化影响的新型非线性控制策略也纷纷提出，如自适应 控制、滑模变结构控制等。在电机动态数学模型的基础上，采用解耦后的线性控制或非线 性控制可以构成高性能控制系统，进一步要解决的问题是如何提高系统鲁棒性，以克服参 数变化及各种扰动( 例如负载扰动) 等影响，自适应控制便成为重要的研究课题。近十几 年来，主要采用的自适应方法有参数辨识自校正与模型参考自适应控制，以及各种非线性 自适应控制。滑模变结构控制是一种较新的自适应非线性控制，主要特点：根据被调量的 偏差及其导数，使系统沿着设计好的“滑动模态轨迹运动，与被控对象的参数和扰动无 关，系统具有较强的鲁棒性。 ( 3 ) 无速度传感器技术【1 1 1 。凡是高性能交流调速系统，包括矢量控制系统、直接 浙江理工大学硕士学位论文 转矩控制系统或其它系统，都需要转速反馈。然而，速度传感器的使用带来了系统成本增 加、可靠性降低、体积增大及易受工作环境影响等缺点。因此，无速度传感器控制技术是 现代交流传动控制的一个重要研究方向，它已成为当前交流传动控制系统研究的另一个热 点。经过十几年的研究，国内外学者在这方面做了大量的科研工作，到目前为止，提出了 许多解决方法，大体上可分为：( 1 ) 动态速度估计器。( 2 ) 模型参考自适应方法( m r a s ) 。 ( 3 ) 自适应转速观测器。( 4 ) 基于p i 调节器法。( 5 ) 高频注入法。( 6 ) 基于人工神经元网络 的方法。 1 3 功率电子半导体技术的发展与性能 1 3 1 电力电子器件 随着半导体技术的迅速发展，功率电子半导体器件性能也得到了飞速提升，使研制矢 量控制调速系统中的高效率、大动态、低电磁噪声、低谐波失真且能工作在较高开关频率 的p w m 波成为可能【2 刀。i g b t 集中了m o s f e t 输入阻抗高与g t r 输出低阻抗的优点， 但本质上仍是m o s 管栅极控制，从而电力电子器件进入到超音频时代。预计在未来的十 几年里，i g b t 仍将是变频器驱动的首选功率器件。当前，i g b t 及其模块在额定电流几百 安培下时，耐压可达3 3 4 5 k v ；在较低耐压下，额定电流超过2 0 0 0 a 。图1 1 是i r 公司 的i g b t ( i r g b l 5 8 6 0 k d ) ，最高耐压6 0 0 v ，额定连续工作电流为1 5 a ，典型应用频率为 1 5 抛。图1 2 是瓜公司的驱动器b d g ed 砌v e r ( i l 毪1 3 6 ) 。 冬令 t o 一2 2 0 a 8 誓， 2 8 l e a ds o i c 图1 1i r 公司i g b t 图1 2i r 公司i r 2 1 3 6 随着半导体集成技术的发展，功率驱动器件逐渐向模块化、智能化方向发展。i g b t 就其内部结构而言是功率集成器件，模块化即将多个集成器件按定电路拓扑安置一起以 构成功率模块( p m ) ，p m 外壳是导热性好的绝缘体，可外加散热器，可以明显提高电路 的功率密度和可靠性；更进一步，功率模块加上各种接口电路、过压、过流、过热保护电 6 浙江理工大学硕士学位论文 路及驱动电路等，就构成了智能功率模块【5 引，有些甚至集成光耦等器件。目前i p m 功率等 级有限，价格也较贵，如三菱的7 m b p 5 0 r a l 2 0 模块，额定电流5 0 a ，耐压1 2 0 0 v ，典型 工作频率2 0 k h z 。相信随着科学技术的不断进步，价格将不再成为瓶颈。最近，i r 公司工 程师提出一种全新的全集成电机驱动模块方案【5 3 1 ，且已完成样品开发，在目前i p m 基础上， 再集成了几个关键功能，如直流母线电压检测、电机相电流检测、嵌入式d s p 包含了电流 环与速度环，无需其他外围部件，工作频率1 6 k h z ，额定值1 2 0 0 v 、5 0 a ，采用著名的d b c 结构，在衬底等工艺上有诸多创新，代表了世界先进水平，见图1 3 。 1 3 2d s p 在交流调速系统中的应用 图1 3i r 公司口m 尽管变频技术和控制理论已相当完善，但由于新的控制方法的运算量很大，系统中有 相当一部分时间消耗在电流环等坐标调节上。要实现高性能交流伺服调速系统，必须采用 高性能实时微处理器。高性能低成本数字信号处理器的迅猛发展，促进了对交流电动机的 数字电流控制技术及p w m 控制的研究，使得矢量控制成为可能。 在微处理器发展早期，较典型的是i n t e l 公司的1 9 6 系列，具备1 6 位数据处理能力， 具有丰富i o 口及专用外设资源，能对电机运行现场的逻辑中断信号迅速及时地作出处理。 在现场逻辑复杂、调速性能高的场合得到广泛采用。但当需要大量复杂数据处理，尤其是 运算实时性要求较高时，诸如对矢量控制这种计算量大、方案复杂、计算精度要求较高的 控制场合，需要速度更快的高性能数字信号处理器( d s p ) 。8 0 年代初出现的d s p 有着无 可比拟的技术优势，目前已形成t i ( 德州仪器) 、a d ( 模拟器件) 、f r e e s c a l e ( 飞思卡 尔) 三大公司系列。而著名的变频产品生产厂家如三菱、三洋、西门子等则有自己的d s p 规格【5 3 】，这些公司变频器所用的d s p 多为专用型，保密性好，体积较小，如三菱的x c e 1 1 a 变频器控制板，某些硬件接口功能及控制程序直接嵌入多层电路板中，保密性更好，实时 处理能力更强。 目前使用最广泛当属1 i 公司c 2 0 0 0 系列d s p 。t m s 3 2 0 f c 2 4 0 x 系列是9 0 年代推出 7 浙江理工大学硕士学位论文 的一种专用于数字电机控制( d m c ) 的d s p 2 3 , 2 4 1 。具有高速实时处理、数字控制功能及单 片电机控制应用方案所需的各种外设功能，其内核采用改进的哈佛流水线结构，使几乎所 有指令都可在一个指令周期内完成，且制造工艺采用亚微米级c m o s ，功耗极低【5 3 j 。具有 专用1 2 路p w m 发生器、1 6 路1 0 位a d 转换模块及正交编码器接口，为多种类型电机提 供高速、高效的先进驱动控制技术。 3 2 位的t m s 3 2 0 x 2 8 x x 系列是t i 最新推出的高性能d s p 2 5 。2 7 1 。整合d s p 与微控制器 的最佳特性，能够在单周期内完成3 2 x 3 2 位的乘法累加运算，或两个1 6 x 1 6 位乘法累加运 算，从而使该d s p 系列能够实现更高精度的处理任务。快速的中断响应能够使2 8 x x 保护 关键的寄存器以及快速准确响应外部异步事件。2 8 x x 带有8 级流水线存储器访问保护机制， 流水线机制使2 8 x x 高速运行时不需要大容量快速存储单元。专门的分支跳转硬件减少了 条件指令执行反应时间，条件存储功能更进一步提高了2 8 x x 的性能。t m s 3 2 0 x 2 8 x 系列 d s p 集成了事件管理器( 2 8 1 x ) 、通用数字v o 、e p w m 、e q e p 、模数转换模块、e c a p 、 s p i 外设接口、s c i 通信接口、p l l 时钟模块、e c a n 总线通信模块、看门狗、多通道缓冲 串口、外部中断接1 3 等。高效率的c c + + 编译程序、独特的“i q m a t h ”虚拟浮点引擎库【2 8 】 及专用程序包为电机控制系统提供了更加高效、灵活的控制方案。c 2 8 x 内核是世界上最 高性能的控制优化内核，能够实时处理许多复杂的控制算法，如随机p w m 、无传感速度 控制及功率因数校正等。c 2 8 x 还提供足以与一般的m c u 相匹敌的c 代码编译效率，与 c 2 0 0 0 系列中的先前器件( 如c 2 4 x ) 完全代码兼容。2 8 x x 数字信号控制器内核将t i 在 性能和c 效率方面一流的d s p 与微控制器技术简便易用的结合在一起，为功能复杂的实 时控制系统设计提供了诸多方便。 1 4 论文主要研究内容及全文结构 随着现代电力电子技术和微处理器技术的发展，高性能矢量控制系统使普通交流感应 电机控制性能接近甚至超过直流电机调速系统，并具有显著的节能效果。再者，由于感应 电机的拖动性价比高、维护方便等诸多优点，在实际工程应用中的使用量占全部驱动功率 一半以上，因此进一步完善与提高感应电机变频调速运行性能，降低系统复杂程度等具有 非常广泛的实际应用价值。为此，本论文针对三相感应电机矢量控制系统展开理论与实验 研究。全文主要研究内容及章节安排如下： 第一章介绍矢量控制技术发展状况。介绍感应电机变频调速中矢量控制、直接转矩控 制等理论发展历程；接着，主要通过按转子磁链定向的矢量控制文献分析，阐述感应电机 3 浙江理工大学硕士学位论文 矢量控制技术的发展历程与现状，并对当前较流行的电力电子器件及d s p 在交流调速系统 中的应用作介绍。 第二章阐述以电压源型逆变器、t 1 2 4 0 7 d s p 为平台的感应电机矢量控制系统。按目前 最常用的转子磁链定向原则建立感应电机矢量控制数学模型，以带转矩内环的转速、磁链 双闭环的方式设计整个矢量控制变频调速系统结构。并对感应电机矢量控制数学模型及转 子磁链观测器进行了详细分析。 第三章研究了一种基于简化模型的感应电机矢量控制和具体实现方案。考虑到传统直 接矢量控制运算量庞大且极易产生饱和漂移和累积误差，通过直接对励磁电流分量和转矩 电流分量进行闭环控制，并将复杂的电流转电压过程归入p i 调节器，简化了感应电机直接 矢量控制。并探讨了电压源型逆变器中电流转电压过程的解耦控制算法及弱磁升速的实 现，通过m a t l a b 仿真计算感应电机系统处于弱磁时的励磁电流分量给定值。 第四章设计了感应电机矢量控制系统的硬软件系统。硬件部分重点对i g b t 驱动电路、 过流过压保护电路、相电流采集及速度检测等进行了设计。软件部分设计了软件流程，各 部分通过分级调试完成。给出了调速平台和感应电机参数，以及针对驱动不同功率等级的 感应电机时，程序中要修改的参数。 第五章分析了整个矢量控制系统的实验效果。实验中重点对空载启动、恒定负载、随 机扰动时的转速、相电流、转矩电流分量及励磁电流分量等参数波形进行了分析。一是给 出恒压频比控制与传统直接矢量控制的实验结果波形图；二是给出本论文重点研究的基于 简化模型的感应电机矢量控制实验结果，并作出分析。 第六章对全文工作进行总结，并展望今后研究方向。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第二章感应电机矢量控制数学模型及原理 基于恒压频控制与转差频率型矢量控制的感应电机变压变频调速系统，由于它们的控 制原则是建立在感应电机稳态数学模型基础上，其被控量( 如定子电压与定子电流) 是幅 值上的标量控制，忽略了幅角( 相位) 控制，造成感应电机电磁转矩未能得到实时、精确 的控制，自然也就不能获得优良的动态调速性能。矢量控制成功解决了交流电动机转子励 磁分量与转矩分量的耦合问题，从而实现了电磁转矩的实时高性能控制，大大提高了交流 电动机变压变频调速系统的动态调速性能。经历了三十多年的发展，目前，交流电动机矢 量控制系统的性能已经可以完全与直流调速系统性能相媲美，部分性能甚至超过了直流调 速系统性能。 本章先从对比直流电动机电磁转矩和感应电机电磁