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无速度传感器异步电机控制系统的研究 摘要 电力电子技术和计算机技术迅速发展为实现高性能交流调速系统提供 了必要条件。要实现高性能交流调速就必须对转速进行闭环控制。由于安 装转速、磁通传感器增加了传动系统的价格、降低了系统的可靠性、破坏 了异步电动机固有的坚固性和简单性。 本文以异步电机的无速度传感器控制为主要研究内容，构建了d s p a c e 框架的硬件控制平台，在此平台上进行了感应电机按定子磁场定向的无速 度传感器矢量控制的调速实验。 本课题采用定子磁链定向控制，控制算法是结合矢量控制和直接转矩控 制的优点，控制方法简单，直接，无需交流电压传感器，无需加装测速传 感器，保证了电机结构完整性，而且节省系统成本；电流可控p w m 模块代替 开关表，电流可控性得到了保障；pl 控制取代滞环控制，开关频率恒定， 采样频率要求不高。 关键词：无速度传感器异步电机矢量控制直接转矩控制定子磁链定 向 as e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e m0 fi n d u c t i o n m a c h i n e a b s t r a c t p o w e re l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yp r o v i d e dt h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - p e r f o r m a n c ea cd r i v e ss p e e dc o n t r o ls y s t e m i n o r d e rt oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c eo fs p e e dc o n t r o lc l o s e d - l o o pc o n t r o lm u s tb ec a r r i e do u t a sar e s u l t ，i n s t a l l a t i o no fs p e e d ，m a g n e t i cf l u xs e n s o r si n c r e a s e dt h ep r i c eo ft h et r a n s m i s s i o n s y s t e m ，a n da l s or e d u c i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，d a m a g ei n h e r e n tr o b u s t n e s sa n d s i m p l i c i t yo ft h ei n d u c t i o nm o t o r t h i st h e s i sf o c u s e do nt h es p e e ds e n s o r l e s sc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r ( i m ) i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h es t r u c t u r eo fd s p a c eh a sb e e nc o n s t r u c t e d ，a n d t h es p e e ds e n s o r l e s sa cv a r i a b l es p e e dd r i v ee x p e r i m e n t so fi mb a s e do ns t a t o rf l u x o r i e n t a t i o nh a v eb e e np e r f o r m e d t h es u b j e c to ft h ec o n t r o la l g o r i t h mu s i n gac o m b i n a t i o no fv e c t o rc o n t r o la n dt h e a d v a n t a g e so fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lu s i n gs t a t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o l ，t h ec o n t r o lm e t h o di s s i m p l e ，d i r e c t ，n oa cv o l t a g es e n s o r s ，s p e e ds e n s o r sn e e dt oi n s t a l lt oe n s u r et h es t r u c t u r a l i n t e g r i t yo ft h em o t o r , a n ds y s t e mc o s ts a v i n g s ；c u r r e n tc o n t r o l l e dp w m m o d u l es w i t c ht a b l e i nl i e uo fc u r r e n tc o n t r o li sg u a r a n t e e d ；p ic o n t r o lt or e p l a c et h eh y s t e r e s i sc o n t r o l ，w i t h c o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dl o w e rs a m p l i n gf r e q u e n c y k e y w o r d s ：s p e e ds e n s o r l e s 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 ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ；s t a t o rf l u x o r i e n t a t i o n ( s f o ) i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：侄使 2 0 0 9 6 月筇日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囤即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 经 芷新签名夕可2 0 0 9 年6 月穸日 广西太掌硕士学位论文无逮度传感器异步电机控制葳统的研究 第1 章 引言 1 1课题研究背景 对电机的转速进行闭环控制需要电机的实时转速。通常速度反馈信号的检测一般通 过光电脉冲编码器、同步测速发电机或者旋转变压器来获得。安装速度传感器会给电机 传动系统带来许多的缺陷，光电脉冲码盘安装在电枕转子轴上，傻辅上的体积变大，电 机维护起来变得困难，安装也破坏了异步电机简单坚固的特点，降低机械的鲁棒性等。 厨时杰于安装在转子辘上会有霜心度的偏差，安装不当更加会影嗡测量转速的精度。光 电码盘工作时易受环境条件的影响在高温、高湿的恶劣环境下无法正常的工作。还有最 主要的是大大增加了系统的成本。 无速度传感器控制也就是s e n s o r l e s sc o n t r o l n 刊。无速度传感器不是完全没有任 何的传感器检测，系统仍装有电压和电流传感器，无速度传感器控制实际上就是利用相 对较容易测量的电机三相电压、电流信号，配合以适合的算法来计算转速信息，由此构 成转速的闭环控制的方法。无速度传感器控制可以使得系统的降低体积、重量，简化连 线同时使用算法代替检测硬件，节约系统酶成本、功耗，还没有速度传感器带来的那些 麻烦。一般地讲，无速度传感器传动系统适用于对转矩、转速的性能要求适度的场合中， 并不是所有情况都能适用，但是，无速度传感器技术的优势使褥在实际工程的交流变频 调速系统越来越重要。 本章主要分析了圜内外出现的无速度传感器控制技术研究的现状情况，并指出了设 计无速度传感器系统的一些关键闻题，对本文韵研究背景和意义以及论文的主要分章研 究内容进行了阐述描写。 1 2国内外研究现状 圈外在2 0 世纪7 0 年代时就开始了这方面的理论研究，1 9 8 3 年r j o e t t e n 首次将无 速度传感器应用于电机矢量控制1 5 j 。国内外学者在这方面做了许许多多的工作，提出了 许多不厨的转速辨识方法，分基于感应毫枧理想模型霸菲理怨模型两大类，其孛主流的 有影响的为1 ：动态的速度估计器；基于模型参考自适应系统的估计方法；速度自适应 观测器( m r a s ) 法；卡尔曼滤波( k f t ) 技术；基于神经网络( a n n s ) 的速度估计器；转子 的齿谐波法；高频注入法等。 初期的无速度传感器技术是根据电机稳态模型计算推导滑差频率的数学表达式【7 】。 这是基于电机的稳态方程的方法，系统的调速范围相对比较小、动态性能也差，完全无 法满足高性能变频调速系统的要求。在此之后有人根据异步电机的动态p a r k 方程，来 无速度传感器异步电机控制系统的研究 设计出了电机的开环的动态速度估计器。这是基于动态关系的异步电机p a r k 方程，通 过由电机转子同步角速度与转差角速度相减即可得到电机的瞬间转子角速度。 观= o r专皆一 q 。 陟。= j ( 魂一r 互) d t 豫) k ： 卧譬乏 公式( 1 2 ) 可以计算转子磁链。这种方法有许多缺点，有人提出了改进的基于反电动 势方法 7 1 。 日本的t k a n m a c h i 教授提出了转速的直接计算法n 刳，是通过电机动态方程式直接 推导角速度，推得的角速度计算公式为下式 一( y ，l , i , o ) p v ，芦一( 妒。芦一厶0 ) 洲。 ( 1 _ 3 ) 蛾2 弋o 产二_ 一 似。一丘如) 糠+ ( 1 f ，锣一t 如j w ，芦 转差角频率的计算可以按磁场定向方式的不同计算方法不同，按转子磁场定向的， 其转差角频率的计算公式为 国& 豆 1 _ 4 “t rv 啦 丽按定予磁场定向时，转差角频率的值是按下式计算的 略寺等骀 。巧 动态的转速估计器具有计算的直接性，在转速估算时理论上讲没有延时，但是转速 估算精度受磁链理测与控制的影嗨，计算过程需要大量的电机参数，对控制效果电机参 数改变相当的敏感，抗干扰能力差。 c o l i ns c h a u e r 巧j 在1 9 8 9 年设计一个基于模型参考自适应系统，首次把模型参考自 适应系统应用于电机矢量控制的文献报告，从此人们在此基础上开始了对采用m r a s 的矢量控制进 亍了大量研究工作【咖1 i6 1 。输出量没有必须是实际的转子磁链，它只要是与 其相关的辅助变量即可，这是m r a s 在结构上静优势。于是有学者采囊一些新的辅助变 量作为模型的输出，构造了其它的一些m r a s 的速度辨识方法。文献 9 】利用控制系统 中待状态窥测器的理论改进设计了个降阶观测器对转子磁链进行观测，遥过d s p 的 实时控制实验研究表明系统转速估计收敛于给定值，但实验的转速超调量相对较大。 p e n g f a n g z h e n g 艮2 1 等人提出了一种不需要纯积分环节的m r a s 方案，剥用电机的反电 势作为电机的模型输出量，该方法受定予电阻变化的影响，后又提出了一种改进的基于 电机的无功功率的方法，该方法在参考模型和可调模型中均不含有定子的电阻参数，但仍 6 无速度传感器异步电机控制系统的研l 豫 然受转子时间常数的直接影响。 速度自适应观测器其实也可以归纳到m r a s 一类，通过利用l u e n b e r g e r 观测器实 现了转子磁链观测，并根据毫枢电流偏差量j ；罄转子磁链观测值自适应辨识毒来转子转速 和定子电阻，通过外加注入信号的方法实现了对转子速度和转子电阻两个的同时自适应 辨识，这季孛方案把磁链豹理测和速度及参数的辨识是紧密结合在一起i i t f n 。 也有文献中提到在定子磁场直接定向控带i ( d f o c ) 控制中采用定转子磁链的全阶状 态观测器来实现了对定转子磁链的观测，并利用定子电流实际值和观测值的夹角来辨识 电机转速p 引。此外，采用了扩展l u e n b e r g e r 观测器【2 4 】也是一种不错的选择，因为在观 测器中负载转矩也被认为是状态变量，( 为了避免求解复杂的非线性、时变系统的方程， 负载转矩通常般被视作常数，或者认为其变化很缓慢) 。通过这种方法的l u e n b e r g e r 观测器可以根据负载转矩独立的估算电机的机械转速。 享孛经溺络( a n n s ) 对于未知的菲线性函数具有出色的逼近以及学习功能，可以耀来 描述认知、决策和控制等智能行为，目前已经形成了许许多多的基予神经网络的控制器 设计方法，最常见的属于b p 神经网络，也已经有被成功用来解决实际的菲线性系统控 制问题的例子，因此是一种很具吸引力的控制方法羽。但是，由于神经网络本身高度的 非线性使得神经网络翻身的数学模型就难以获得，再加上被控对象的数学模型也是未 知，因此理论上难上加难，难以对整个系统稳定性与收敛性分析。神经网络疆前仍然处 在开创性研究阶段，缺乏坚实系统化理论基础，还没有在工业工程实际应用的例子。 卡尔曼滤波器是一个最优化鸯回归数据处理算法，在电枧转速辨识领域上也是个良 好的线性系统滤波器，当系统的输入和输出信号被高频噪声谐波信号所干扰时，只要通 过选择合理的增益矩眸就可以获得最优的滤波效果u 翔。采用卡尔曼滤波的方法实现速度 估计缺点是，运算量显得过大，不过随着计算机处理能力的提高这种方法将越来越多被 采用。 异步电机速度辨识还有些通过对电机自身物理性质得到转速信号的，包括转子的齿 谐波法【3 5 】与信号高频注入法【2 l 】。当电机旋转时在定子的绕组中感应出谐波电压进而产生 会谐波电流。当穰用带通滤波器来对定子电压、电流进行滤波可以得到一个转子豹齿槽 谐波分量，当检测到这个谐波分量的频率，那么将可以到转子的转速。 文献【2 1 】通过在电机上的接线端上注入一个三相平衡的高频电压信号，人为造成豹 ( 如对电机进行改造) 内部寄生的不对称性，使得电机产生一个可检测的磁凸极，这样 通过对该磁凸极位置的检测来获取转速信息，称为高频注入法。 此外，国内外的学者们还提出了漏感脉动检测法、由阻抗差异定向法、饱和凸极 检测法等等诸多的速度辨识方法 2 0 - 2 3 1 。这几种基于电机非理想特性的无速度传感器方案 为实现无速度传感器控制在极低速下的应雳提供了新的思路，但是这几种都存在性质相 同的问题：人为注入高频谐波，增加了电机的损耗；受负载影响较大，磁路饱和会影响 检测精度；信号提取过程泷较复杂，计算量大，容易雩| 起信号的滞后，影赡系统带宽。 广黼大掌硕女掌位论文 无速度传感器异步电机控制系统的研究 目前为止，无速度传感器技术上还是存在许多的技术上的难点，国内外还没有一种 公认通用的性能好、实现简单的实现方法。应用所提及的所有这些方法均可以实现一定 调速范匿内异步电机在无速度传感器情况下的运行，不过，当电机的转速接近零速或者 经过零速时，控制系统低速时的性能会下降。有些方案采用的估计技术自调节或在线调 节麓减小速度估计的误差却实现起来极其复杂性。 目前的无速度传感器技术都是根据相同的异步电机基本模型推导出来，因此某种程 度上缺点相似，主要区别仅在调节方式和实现方法上。在工业应用中最适用应当是硬件 结构简单、整体性能优良的系统。 1 3课题的提出及研究意义 对无速度传感器传动控制系统的研究，国外晕已开始并且通过不断的发展实现了成 熟的产品化，并且在市场互相竞争中产晶不断更新换代。但是我们国内在交流变频传动 方面的研究的起步较晚，起点较低，与发达的工业国家技术水平上相比差距还很大。在 基本理论、新型的控制方法等方面的研究上，国内的有关高校、研究所都开展了大量的 工作，并且并且取得一些进展，具有了一定的基础，但是在产业化的能力上与国外先进 水平相比差距还是较大，尤其是在高性麓的交流变频传动方面更如此。 本论文选取“无速度传感器异步电机控制系统的研究 作为研究课题，希望能为我 国的高性戆交流变频传动方面研究尽己所能地做出些微薄的贡献，力我们圜内今后的研 究和产品化做出具有参考价值的理论以及实践方面的成果。 1 。4 课题研究方法 无速度传感器控制技术关键是对电机转速进行准确计算，并将计算的转速信号反馈 给速度控制器。典型的无速度传感器磁场定向控制系统的通常由速度控铡环，磁链翻转 矩控制环以及速度估计器( 有时含磁链、转矩观测) 构成。 本文以定子磁场定向作为光速度传感器异步电机控制系统的控制策略，详细阐述了 定子磁场定向技术( s f o ) 的凼发点和理论基础。本系统控制方法简单、宣接，无需安 装测速传感器，不但保证了电机结构完整性，而且大大的节省系统成本；使用、电流可 控p w m 模块代替开关表，电流可控性得到了保障；p l 控制取代滞环控制，开关频率 恒定，采样频率要求不高。采用m a t l a b s i m u l i n k 和d s p a c e 实时仿真平台【3 0 】 【3 2 1 对无 速度传感器异步电枧控制系统进行建模，露时搭建硬件电路，并与搭配带速度传感器的 异步电机控制系统比较研究分析系统静、动态特性。 1 。s论文各部分的主要内容 第二章对感应电机无速度传感器系统矢量控制的理论基础和各种控制结构建立进 行了详细地阐述。并院较各种矢量控制算法的特点、优劣。 8 厂西大掌硕士学位论文元速度传感器异步电机控制系统的研究 第三章主要研究无速度传感器系统中状态变量估计的方法。其中主要对其中 无速度传感器控制中最重要的定子磁链估计做了深入的分析，并在电机动态数学 模型的基础上介绍了转矩以及速度估算的方法。 第四章建立定子磁链定向无传感器异步电机矢量控制系统的仿真模型并进 行了离线仿真，对各部分模型进行分析，并对仿真数据进行分析。 第五章在d s p a c e 实时平台下对建立好的无速度传感器异步电机控制系统进 行实验，系统能很好地动静态性能，论证了仿真结果。并与带传感器的异步电机 控制系统中转速观测效果进行对比，实验结果充分验证了理论。 无遗度传感器异步电机控制系统的研究 第2 章异步电机无测速传感器矢量控制理论基础 2 1 引言 如图2 1 所示标量控制和矢量控制分别是交流电机控制策略低级和高级的两种实 现。标量控制是初期最简单、实际的控制方法，现在实际使用的也比较多，它基于异步 电机的稳态模型来控制电压、电流以及磁链空闻矢量的幅值和频率这些标量，这使得标 量控制在空间矢量相位发生瞬变时不起作用。矢量控制无论是在静态还是动态情况下都 能准确播述空闯矢量，它是基于电视的动态模型，颞名思义焉于控制动态矢量【翊。 图2 1 异步电动机控制策略分类 f i g 2 - 1c l a s s i f i c a t i o no fi n d u c t i o nm o t o rc o n t r o lm e t h o d s 这里我们主要对离性能的矢量控制技术进行研究，矢量控制技术以转子磁链定离的 磁场定向控制( f o c ) 即矢量控制( v c ) 和以定子磁链直接转矩控制( d t c ) 为主，还包括 其悠被动控制、反馈线性化等其他的方法。 本章将介绍主要的矢量控制算法及模型，当然首先介绍异步电机的动态数学 模型，因为这些高性能的异步电机控制方法都是基于动态数学模型。 2 2异步电机的动态数学模型 + 假设异步电机的三相绕组宠全对称，旋转体表悉光滑，不计及涡流损耗，三提电流 、t 所产生的合成磁动势在空间中呈正弦分布，它的旋转转速为同步转速q 。定 子电流的空间矢量 乏：昙心+ e j 2 a r 3 i s 。+ e j 棚) ( 2 _ 1 ) 图2 2 新示为扶三相坐标系到鹾襁坐标系的变纯，简称3 2 变换。 1 0 广西大掌硕士学位论文 无遗度传感器异步电机控制系统的研究 c 3 2 变换 亡= = = 图2 - 2 三相坐标系到两相坐标系的变换 f i g 2 2t r a n s f o r m a t i o no f3 2p h a s ec o o r d i n a t e s 定子坐标系中转子电压、电流和磁链空间矢量为 乏= i r e 弦，霉= 扩，妒，= l f ，r 扩 ( 2 - 2 ) 我们习惯把定子、转子的电压和电流的正方向按电动机惯例，正的电流产生正的磁链，以下为 异步电机动态模型的矢量方程幽】为异步电机定子坐标系中定子磁链和转子磁链a ，卢分量 的微分方程： p y ，。= 甜。一r s i s 。 n + p 羔矿蚝三吨二( 2 - 3 ) p i f ，州2 一缉i r a 一v ，坩 p i f ，印= 一r ，+ y ，口 其中式中p = d d t 为微分算子；定子坐标系中定子电流，定子磁链空间矢量虬；转子 坐标系中转子电压、电流为、厶，磁链空间矢量y 异；定子电阻r ，转子绕组电阻墨， 定子、转子绕组自感以及定子与转子绕组间互感分别是厶、l r 、l m ；机械转矩、电 磁转矩为坛、必；p ，j 分别表示极对数，转子转动惯量，转子机械角速度；0 ， s = p o 分别为转子机械角，转子电角。定子坐标系中定子电流和转子电流的口，卢分量： t 。= ( 厶y ，。一匕l f ，旭) ( g ：r - l i ) 钿i r a 尝二二发滋ll r 二骞 p 4 ， = ( 丘y ，。一l y ，a ) ( 。一e ) 、。 k = ( t y 巾一乙l f ，妒) “t t 一已) 3 淼l mp(1日s#lltr剐a_illmmlllr#蛳)3_p i m 仁5 ， = 2k 、- ，川】= 三剐伽y 一 其中y 为定子磁链矢量与转子磁链矢量之间夹角；i m 表示虚部；( ) 表示共轭 复数；k = 乜。，一e ) 三。 广西大学硕士学位- b e 文无速度传感器异步电机控制系统的研究 i u s a - 1 列目 电机的定子相电流屯、乙、t 。： 蹦二：1 ；主辨妇 2 3 磁场定向控制( f o c ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 1 9 6 8 年h a s s e 初步提出了磁场定向控帝f j ( f i e l do r i e n t a t i o n ) 的理论【2 8 1 ，之后在1 9 7 1 年由f b l a s c h k e 对这个理论进行了总结和实现，并通过以专利的形式发表，逐步完善并 形成了现在的各种矢量控制方法。 矢量控制实现的基本原理很简单，那就是是通过测量并且加以控制异步电机定子端 的电流矢量，而根据磁场定向原理分别对于异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制， 从而最终能够达到控制异步电机转矩的这样一个目的。实际具体上是将异步电机定子的 电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 独 立解耦、互补干涉两部分，分别各自加以控制，并同时协调控制两分量间的幅值和相位， 即控制电流矢量。这样就可以将一台三相异步电机简单等效为直流电机来进行控制，因 而具有类似直流电机的很好的动、静态性能。 磁场定向控制( f o g ) 的原理图如2 3 所示。 图2 - 3 磁场定向控制系统图 f i g 2 3 b l o c kd i a g r a mo f v e c t o rc o n t r o ls y s t e m 磁场定向控制( f o c ) 的主要特点在于坐标变换，包括p a r k 变换以及c l a r k 变换还 有他们的逆变换。测量的电流量是在静止的a 一卢坐标系下测得的，因而定子的电流分 量，。，曲必须要进行c l a r k 变换到动态的d g 坐标系下。同理，定子电压分量u ， 玑踟也必须进行相同的c l a r k 坐标变换。这些方程必须要求得到转子偏转角度y 而基 于得到转子偏转角度的方法磁场定向控制分成为：直接磁场定向控制( d f o c ) 与间接 磁场定向控制( i f o c ) 。 广西大掌硕士学位论文 元遗度传感器异步电机控制系统的研究 凶为基于转于磁链定向，在坐标系里感应电秽l 饭链相转矩解祸控制与转于磁链天量 有关。当在d - q 坐标系下的角速度等于转子磁链角速度q 置啦，即 卟警 q 培 d f 那在正g 坐标系下三相异步电机的动态模型方程可写成 卟足乙+ 等乜i f ，叼 仁 ：r k + 粤+ q 肌 q 。1 u s q s is q 七等娟s 即s d o ：r 乙+ 誓 2 。1 1 o = 耳乇+ l f ，( q ，一碑。) ( 2 - 1 2 ) l f ，。= l 。i 。+ l 。，l 。 ( 2 1 3 ) v 吗= l s is q + l m ip q vr = l r l 嵋+ l m i 畦 0 = l r i r q + l m i l q 警= 专l 等y ，一心 虹d t 半岛一争l l “ d ” 三相电机的电磁转矩就可由转子磁链虬和定子电流分量表达为 m e - p b 专鼍v 凡 三相异步电机在d a 坐标系下的简化框图如下( 图2 4 ) 。 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 1 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 广西大学硕士学位论文 无速度传感器异步电机控制系统的研究 图2 - 4 异步电机在d q 坐标系下的框图 f i g 2 3 b l o c kd i a g r a mo fi n d u c t i o nm o t o ri n d - qc o o r d i n a t es y s t e m 间接磁场定向( i f o c ) 转子偏转电角度k 由系统的定子电流分量乞。，l 8 。得到。 转子角速度为 f 2 ，= q “+ p b f 2 。 ( 2 2 0 ) 其中q ，转差角速度。由( 2 2 8 ) 和( 2 3 2 ) 计算得到。 q “2 瓦1r l ，r i , q 。 2 2 1 如图2 5 所示为间接磁场定向控制( i f o c ) 框图。 u 。? 图2 - 5 间接磁场定向控制( i f o c ) 系统框图 f i g 2 - 5 b l o c kd i a g r a mo fi n d i r e c tf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( i f o c ) 在直接磁场定向控制中，转子偏转电角度是通过估计器或者观察器推算得到的。 估计器或者观测器的输入信号为定子的电压和电流。如图2 - 6 所示为间接磁场定向控制 广西大掌硕士掌位论文 元速度传感器异步电机控制系统的研究 ( i f o c ) 框图。 图2 - 6 直接磁场定向控制( d f o c ) 系 框图 f i g 2 6 b l o c kd i 艇孵吼o fd i r e c tf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( d f o c ) 在上述两种控制方法中，涉及的旋转坐标系下定子电流分量k 。，t 口。是由磁链磁 通量和转矩值计算得来的。基于( 2 3 4 ) 和( 2 3 5 ) 在磁场定向坐标系中定子电流分量稳态方 程为 k = 1 2 垅 k ：土 上收 2 。2 3 p b m sl mvr c 磁场定向控制( f o c ) 方法的性质可以归纳为下面几点： 1 ) 控制的方法是基于类似成直流电机控制； 2 ) 磁场定向控制( f o c ) 方法不能确保在动态稳定条件下转矩和磁链的精确解耦； 3 ) 只有持续的转子磁链变化时调节值和控制变量间才为线性关系； 4 ) 需要全面的电机状态变量和负载转矩信息( 对转子时间常数很敏感) ； 5 ) 需要电流控制器； 6 ) 要进行坐标变换； 7 ) 需要p w m 算法( 保证恒定的开关频率) ； 8 )在直接磁场控制中要对转子磁链估算； 9 ) 在间接磁场控制中需要电机的机械转速； 1 0 ) 不考虑高频率的开关谐波定子电流为正弦曲线。 广西大掌硕士掌位论文无a 毫r a , 传感器异步电机控制系统的研究 2 3 直接转矩控制( d t g ) 德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授和日本的i t a k a h a s h i 在1 9 8 5 年分别首先提出了 直接转矩控制( d t c ) ，这种控制也叫直接自控制( d s c ) 阮7 2 9 l 。直接转矩控制的磁链不 同于磁场定向控制的磁链正六边形为磁链圆形。其基本思想是在通过准确的观测定子磁 链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定，以及在准确计算负载转矩的条件下，通过 控制电机的瞬时输入电压进行控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，从而改变它对转子的 瞬时转差率，最终达到直接控制电机输出的目的。直接转矩控制不同于磁场定向控制它 是把异步电机和整流逆变器看成一个完全的整体，采用空间电压矢量( s v ) 的方法来分 析此在定子坐标系进行磁通和转矩的计算。它是通过跟踪型脉宽调节p w m 的开关状态 直接来控制电机转矩，顾名直接转矩控制。这种方法无需要对定子电流进行解耦，控制 结构简单，省去了矢量变换的复杂计算。直接转矩控制和矢量控制都是通过把旋转电机 的励磁分量和转速、转矩分量分开控制。 直接转矩控制的原理图如下图的图2 7 所示。 图2 7 直接转矩控制框图 f i g 2 - 7 b l o c ks c h e m eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d 直接转矩控制技术是基于定子磁场定向的空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下 来分析异步电机的数学模型，计算并控制电机的磁场、转矩，采用的p i n g p i n g 控制器， 把检测的转矩值、磁链的估算值以及转矩、磁链给定来进行比较，使转矩、磁链波动控 制在限制的有限范围内，产生出p w m 脉宽调制信号来对变流器开关状态进行控制。 通过开关表给系统发运动矢量和零矢量可以控制定子磁链变化，从而改变定子磁链 与转子磁链夹角大小，也可以改变定子磁链给定幅值。 异步电机电流的转矩分量之与么、以及定子磁链i f ，：与i f ，。比较信号经滞环控制器比 较的输出值，与扇区判断信号色一起作为开关表的输入，来进行最佳电压矢量调制。其 中l f ，：要根据定子频率及直流电流综合计算得来。 直接转矩控制控制器为p i n g - p i n g 控制，属于p 控制，阶跃响应速度比采用 p i 控制要快。直接转矩控制的结构简单，响应速度快，系统的鲁棒性也很强，但 1 6 广西大掌硕士掌位论文元速度传感器异步电机控制系统的研究 是由于采用的滞环比较器，不可避免会造成转矩的脉动；加上开关频率不恒定， 采样频率要求高，因此实际应用中需要进行结构的优化。现在最热门的结合直接 转矩控制和空间矢量调制的直接转矩空间矢量控制( d t c s v m ) 就是基于这种 优化，d t c s v m 实际上就是s f o c 。 2 4 反馈线性化控制( f l o ) 基于空间矢量坐标系的异步电机状态方程有个很关键的物理基础就是其解耦后转 矩能类似于直流电机独立控制。实际上，从理论上看，还有其他的一些坐标系也能够使 得异步电机的状态方程解耦以及线性化。 反馈线性化控制的原理是设计出具有希望动态特性的线性参考模型；然后将参考模 型的状态作为控制系统的动平衡状态，再利用李亚普诺夫第二方法设计控制律使系统对 动平衡状态渐近稳定。这样被控系统的动态过程将收敛于参考模型给出的希望动态过 程，从而使系统获得预期的性能。这种控制算法越来越多的使用在许多转子磁链和机械 速度控制方法中。鼠笼异步电机数学模型方程( 2 6 2 1 1 ) 可写成下面形式： 戈= 厂( x ) + 乙k g 。+ 玑口g 口( 2 - 2 4 ) 其中 且 f ( x ) = 一q 、p m pb k 2 洲r 8 q l m js 口 p p 。w m 一伐、l lr b + 伐l m is b 仅、l ，m + f l p b d 捌r 8 一y i 啦 一p p 捌。+ 0 【p vr b 一7 is b ( 1 f ，。噌卢l ) 一等 冲咭，o ，。丁 驴l o , o , o , - - l 。 2 昂2 l0 j 石= i f ，地，y 咿i s a ，q 。 r 伉：生 卢= 面l m 6 l l f 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 广西大掌硕士掌位论文 无速度传感器异步电机控制系统的研究 ，= 笋 p = 见訾 因为q 。，v s 。，i i s ，卢不是依赖于玑口，玑卢，因此选择独立变量z ： 蛾( x ) = l l s 。2 + y r j b 2 = l l s ，2 欢( x ) = q 。 假定破( x ) ，如( x ) 是输出变量，那么由下面的式子可定义新的坐标： 毛= 嘲( x ) z ：= l i e , , ( x ) 乃= 屯( x ) z 4 = l i 妒2 ( x ) 毛a n ( 等 其中第5 个变量不是完全线性的，因此不完全可控，因此在电机控制模型可以里忽 略。因此( 2 5 4 ) 不做考虑。因此动态系统模型为： 差 = l 鸶2l + 。 瓷 q _ 4 其中 d ：l 0 破t 卢。咖i ( 2 - 4 1 ) l z ；g o l 4b t 虫j 当咖0 ( 磁通量不为零) 时d e t ( d ) 0 ，可以定义线性反馈为： 玑u ：a 卢| 1 = 。一 二笔2 + 芝 ) q 一4 2 ， 系统由下面方程描述： 毛=z2(2-43) 乞2m z 32z 4 1 8 ( 2 - 4 4 ) ( 2 4 5 ) d 动 钟 筇 回 乃 即 叻 o o 0 o o 弓 o o o q q q q q q p p 侈 厂。西大掌硕士掌位论文无速度传感器异步电机控制系统的研究 乞= v 2 ( 2 - 4 6 ) 新定义的控制信号的异步电机框图如图2 - 8 所示? 图2 - 8 带新控制信号的异步电机框图 f i g 2 - 8b l o c kd i a g r a mo f t h ei n d u c t i o nm o t o rw i t hn e wc o n t r o ls i g n a l s 反馈线性化控制系统如图2 - 9 所示。 u d c 图2 - 9 反馈线性化控制系统框图 f i g 2 - 9b l o c ks c h e m eo ft h ef e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d 2 5本章小结 本章详细介绍了异步动电机矢量控制的主要方法，以磁场定向控制、直接转矩控制、 反馈线性化控制为研究对象，分析了各自的控制策略和优缺点。着重分析了磁场定向控 制直接磁场定向控制与间接磁场定向控制，以及按磁场定向的选择不同分为转子磁场定 向控制与定子磁场定向控制的优缺点。 这一章的研究为无速度传感器异步电机控制系统算法选择的研究提供了理论基础。 转子磁场定向控制对参数的敏感使得无速度传感器控制变得比较困难，而传统的直接转 1 9 广西大掌硕士掌位论文 元速度传感器异步电机控制系统的研究 矩控制中转矩和磁链一般采用滞环控制与开关表，在不同的工作区间内电压矢量的选择 是固定的。由于每个采样周期内的转矩变化量不同，必然会使得低速转矩中包含有锯齿 波分量，造成严重的转矩脉动。 通过转子磁链定向控制、直接转矩控制以及定子磁链定向控制方案特性的比较，可 以看出s f o c 控制不受转子参数影响，开关频率恒定，采样要求不高。 基于这些因素，本文控制算法采用定子磁链定向矢量控制( s f o c ) 的方法，该方 法结合磁场定向控制与传统直接转矩控制的优点。 广西大学硕士掌位论文无遗度传感器异步电枫控制系统的研究 第3 章异步电机控制系统中的估算方法 3 1 引言 异步电机的闭环控制需要反馈信号。本章介绍了无机械传感器来获得包括磁 链、转矩和机械转速等这些电机运行关键的反馈信号的方法。获得电机运行的状 态变量的方法有很多，基本上可以分为以下3 类【6 】f 7 】： 1 ) 物理方法一基于电机的非线性结构 1 9 】； 2 ) 数学模型一用数学模型描述的异步电机控制理论； 3 ) 神经网络方法一基于人工智能技术 18 ，2 9 ，3 0 】。 图3 一l 为异步电机状态变量的计算方法的一般分类。 图3 - 1异步电机状态变量计算方法分类 f i g 3 - 1c l a s s i f i c a t i o no fi n d u c t i o ns t a t ev a r i a b l e sc a l c u l a t i o nm e t h o d s 数学模型的方法是基于异步电机的空间矢量方程，由图3 一l 所示分为3 类： 1 ) 状态变量估计器， 2 ) 状态变量观测器， 3 ) 卡尔曼滤波法。 电机磁链是计算转矩和速度的主要成分，因此磁链估算的精度非常重要。在 高性能电机驱动应用中磁链估计是非常重要的一个方面。 高效的状态变量计算算法要具备的特征有： 1 ) 稳定动态变量的精确度， 2 ) 电机参数变化的鲁棒性， 3 ) 尽少量的使用传感器， 4 ) 在整个调速范围内有效， 5 ) 较少的计算量。 所有的估算算法基于电机参数，而这些参数随时间是变换的，例如温度参数。 2 l 广西大掌硕士学位论文 无速度传感器异步电机控制系统的研究 因此，估算算法必须尽可能的降低对参数的依赖性。在矢量控制中，转子磁场定 向对电机的参数依赖性很强，定子磁链是在定子两相静止坐标系中对反电势的积 分所得到的，仅仅需要定子电阻一个电机参数，而定子电阻足可以较为准确的测 量，所以定子磁链的观测受电机参数影响较小。这里我们主要讨论定子磁链估算 算法。 3 2 定子磁链估算方法 磁链的估算方法由输入信号的不同可以分为两类。输入信号为电压和电流的 为电压模型，输入信号为电流和速度或位置信号的为电流模型。显然，无测速传 感器控制算法主要为基本电压模型的各种改进和提高方法。 3 2 1 纯积分法 纯积分器是实现定子磁链观测的最简单的方法。这种方法仅仅需要知道定子 电阻足，而通过对定子的反电动势方程的积分即可计算得出定子磁链。 每，= f ( 玑一r lp ( 3 - 1 ) 这是一个通过电机反电动势求解的定子磁链估算的典型电压模型，估算模型 的方框图如图3 2 所示。 图3 - 2 基于纯积分法的电压模型 f i g 3 - 2v o l t a g em o d e lb a s e de s t i m a t o rw i t hp u r ei n t e g r a t o r s 积分器在目前在定子磁链定向控制系统中的应用非常广泛【1 7 】【2 3 】【2 4 1 ，当电机 运行于高速时，定子电阻的影响可以忽略，利用该方法计算磁链可以取得较好效 果。然而，一直以来在实际应用中，纯积分法不可避免的产生测量的噪声、误差 的积累以及直流偏移等积分器的非理想实际上因素的影响，这使得电机在低速运 行时采用积分器很难实现定子磁链的准确计算，需要进行改进。 3 2 2 低通滤波法 基于上述的原因，文献 3 l 】中采用加入低通滤波器来代替纯积分器消除积分 器的辨识系统的缺陷，而这种低通滤波器可以很容易用模拟电路或数字处理的方 法加以实现。在积分器中的一直存在的直流偏移问题也可以通过在滤波器中设定 较大的时间常数即截止频率来得以解决。 等= ( 眈吨) 一扣 p 2 ) 广西大掌硕士掌位论文 无速度传感器异步电机控制系统的研究 低通滤波法的框图如图3 3 。 图3 - 3 基于低通滤波法的磁链估计电压模型 f i g 3 3f l u xe s t i m a t o rb a s e d o nv o l t a g em o d e lw i t hl o w - p a s sf i l t e r 但是，在滤波器的截止频率附近或者它以下区域部分，在积分器与低通滤波 器的相位角之间会存在很大的一个差别。因此，必须采用措施来降低低通滤波器 的截止频率。但是不幸的是，采用上述措施虽然降低地通滤波器的截至频率，却 会将增加低通滤波器对电流的直流分量的敏感性。因此加入低通滤波器代替纯积 分器必然会引入对定子磁链幅值和相位的计算误差，此误差既非常数，也不是时 间的函数。因此，如果当电机运行于低速时，这时使用低通滤波器来观测定子磁 链仍然会存在严重问题，使得积分器存在的缺陷是不可能从根本上得到解决的。 3 2 3 带补偿的低通滤波法 一个解决积分器与低通滤波器的相位角之间误差的方法就是进行相位补偿。 这种方法就是在低通滤波前进行补偿。定子的磁链方程为： 晕，l n s 咖【q 。)( 3 3