（模式识别与智能系统专业论文）电动车辆用异步电机矢量控制系统中参数辨识的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，电动车辆产业蓬勃发展，使用电动机作为动力源的车辆广泛应用在 短途货物搬运，公共交通，旅游观光等场合。异步电机是中大功率电动车辆的主 流驱动器。矢量控制具有优良的动态性能，但其需要获得电机的准确参数。本文 在电动车辆用异步电机矢量控制器的设计过程中，结合车辆中电机驱动的特点和 要求，对异步电机参数的离线辨识和在线辨识技术进行了深入研究。 论文首先介绍了异步电机的数学模型及矢量控制原理。由于高性能的矢量控 制依赖于磁链信号的准确度，论文对常用的磁链观测方法的性能和对参数偏差的 敏感性进行了分析和比较，根据控制器对调速范围和低速性能的高要求，选择全 阶观测器方法进行磁链观测。 为使控制器能够自动获取矢量控制所需的电机参数初始值，本文针对控制器 通过三相逆变电路驱动电机，检测相电流的硬件结构，提出一套完整的异步电机 参数离线辨识方案，对电机不可转动的情况也给出相应辨识方法。使控制器能在 短时间内按一定步骤实现对转子、定子电阻、漏感、定子瞬态电感、定子电感和 互感的测量，实现电机参数的自测定。 考虑到转子和定子电阻随工况变化幅度大且对矢量控制影响显著，需要对其 进行在线辨识。本文给出一种基于全阶状态观测器的模型参考自适应方法，同时 对转子和定子电阻进行在线跟踪辨识。使用m a t l a b s i m u l i n k 对方法进行了仿 真，结果表明参数和磁链观测值可以快速收敛到真实值，证明了方法的可行性。 论文最后介绍了本电机控制器的硬件和软件设计，给出了部分电路图和软件 流程图。 关键词：异步电机矢量控制磁链观测参数自测定参数辨识模型参考自 适应 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n d u s t r yo fe l e c t r i cv e h i c l e sh a sd e v e l o p e dr a p i d l y v e h i c l e s w i t hm o t o r sa st h ee n g i n ea r ew i d e l yu s e di ns h o r t - d i s t a n c et r a n s p o r t a t i o no fg o o d s ， p u b l i ct r a n s p o r t ，t o u r i s ma n ds oo n i n d u c t i o nm o t o ri st h em a i n s t r e a md r i v e ro f m i d d l e p o w e ra n dh i g h - p o w e re l e c t r i cv e h i c l e s t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo f i n d u c t i o nm o t o r sc a na c h i e v ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，b u ti ti sn e e d e dt o o b t a i nt h ea c c u r a t ep a r a m e t e r so fm o t o r i nt h i s p a p e r ，t h eo f f - l i n ea n do n l i n e p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e di nd e p t hd u r i n gt h ed e s i g n p r o c e s so fe l e c t r i cv e h i c l e si n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o l l e r , c o m b i n i n gw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fm o t o rd r i v ei nv e h i c l e s a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fv e c t o r c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r h i g h p e r f o r m a n c ev e c t o rc o n t r o ld e p e n d so nt h ea c c u r a c y o ft h ef l u xl i n k a g es i g n a l ，s ot h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo f c o m m o n l yu s e dm e t h o d so ff l u xo b s e r v ea n di t ss e n s i t i v i t yo ft h ep a r a m e t e re r r o r a c c o r d i n gt ot h eh i g hd e m a n do fs p e e da d j u s t a b l er a n g ea n dl o w - s p e e dp e r f o r m a n c e ， t h ef u l l o r d e rf l u xo b s e r v e rm e t h o di ss e l e c t e d i no r d e rt h a tt h ec o n t r o l l e rc a na u t o m a t i c a l l yo b t a i nt h ei n i t i a lv a l u eo ft h em o t o r e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sn e e d e df o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e m ，i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e h a r d w a r es t r u c t u r et h a tc o n t r o l l e rd r i v e sm o t o r st h r o u g ht h et h r e e p h a s ei n v e r t e r m o t o ra n dd e t e c t sp h a s ec u r r e n t ，ac o m p l e t es e to fm e t h o d sf o ro f f - l i n ep a r a m e t e r s i d e n t i f i c a t i o ni sp r o p o s e d f o rt h es i t u a t i o nt h a tt h em o t o ri sn o ta l l o w e dt or o t a t e ，t h e c o r r e s p o n d i n g i d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sa l s o g i v e n t h e c o n t r o l l e rc a nm a k e m e a s u r e m e n t st or o t o rr e s i s t a n c e ，s t a t o rr e s i s t a n c e ，l e a k a g ei n d u c t a n c e ，s t a t o rt r a n s i e n t i n d u c t a n c e ，s t a t o ri n d u c t a n c ea n dm u t u a li n d u c t a n c ef o l l o w i n gc e r t a i ns t e pi nas h o r t p e r i o do ft i m e ，a n dt h es e l f - c o m m i s s i o no fm o t o re l e c t r i c a lp a r a m e t e r sc a nb e a c t u a l i z e d o n - l i n ei d e n t i f i c a t i o ni sn e e d e dc o n s i d e r i n gt h a tt h er o t o rr e s i s t a n c ea n ds t a t o r r e s i s t a n c ec h a n g e sg r e a t l yw h i l em o t o rr t m n i n ga n dh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nv e c t o r c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , am o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v em e t h o db a s e do nf u l l - o r d e rs t a t e o b s e r v e ri sg i v e n r o t o ra n ds t a t o rr e s i s t a n c ec a nb et r a c k e do n l i n ef o rp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep a r a m e t e r sa n d f l u x l i n k a g ev a l u e sc a nq u i c k l yc o n v e r g et o t h et r u ev a l u e ，w h i c hp r o v e st h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d i i i a b s t r a c t f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sm o t o r c o n t r o l l e ra n dap a r t i a lc i r c u i td i a g r a ma n ds o f t w a r ef l o wc h a r ta r eg i v e n k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ( 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 ( f i e l d o r i e n t e d c o n t r 0 1 ) ，f l u xo b s e r v e r , p a r a m e t e r ss e l f - c o m m i s s i o n ，p a r a m e t e r s i d e n t i f i c a t i o n ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) i v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：赴 如7 年多月厂日 第1 章绪论 1 1研究背景与目的 第1 章绪论 近年来，电动车辆产业蓬勃发展，使用电动机作为动力源的车辆广泛应用在 短途货物搬运，公共交通，旅游观光等场合。电动机基本上可根据电源形式可分 为直流与交流两种。直流电机数学模型简单，可分别控制磁场电流和电枢电流来 独立的控制磁通和转矩，并且电枢电流允许小电磁时间常数的快速变化。因此易 于控制，早期广为工业界所使用。但直流电机需要电刷和换向器，容易磨损及产 生火花，除了保养困难，还使直流电机的转速受到一定的限制。交流电机尤其是 鼠笼异步电机，具有结构简单坚固，价格低廉，转速范围大，维护简单等突出优 点，但其具有多变量、强耦合、非线性的特点，它的动态方程由高阶、非线性、 多变量状态方程来描述，并且部分状态变量难以测量，因而其控制相当复杂。使 其在早期难以应用于需要精确位置及速度控制的场合。 随着功率器件、微电子技术和控制理论的发展，更复杂的控制方法得以实现。 1 9 7 1 年f b l a s c h k e 提出的矢量控制理论，即磁场定向控匍j ( f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ， 简称f o c ) 和1 9 8 5 年m d e p e n b r o c k 提出的直接转矩控匍j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， 简称d t c ) 理论对于交流电机的控制起到了很大的指导意义。矢量控制理论的 主要思想是把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电机电流矢量的大小、方 向均用瞬时值表示。坐标系按转子磁场定向后，电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，能同直流电机一 样分别对其励磁分量及转矩分量进行独立控制。直接转矩控制理论，是直接着眼 于电机的电磁转矩，根据电机实际电磁转矩偏离给定转矩的程度，直接选择逆变 器开关的状态来选择合适的电压空间矢量，使得实际转矩接近给定转距，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取决于定子磁链大于或小 于给定值。直接转矩控制，无需矢量变换，控制结构简单，转矩响应迅速。它的 缺点是转矩脉动较大。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。矢量 控制和直接转矩控制的出现使得交流异步电机逐渐取代直流电机，成为工业用驱 动器的主流。 本文基于实验室的课题：电动车辆( 叉车) 用交流异步电机矢量控制器的设 计开发。车辆电机控制器除车辆参数设定、状态维护等整车控制功能外，就电机 控制部分而言，和通用矢量控制变频器的原理基本相同，但性能要求更高，即要 1 第1 章绪论 求：调速范围宽，无级调速，在恒转矩、恒功率区都可长期稳定运行并保持高效 率，起动转矩大，低速性能好，动态响应快，系统鲁棒性好。矢量控制中的坐标 系是以转子磁链相位作为基准，必须在求得转子磁链相位的情况下才能进行坐标 变换，同时转子磁链的闭环控制还依赖于转子磁链的大小，所以实现电机的高性 能控制依赖于获得的电机磁链信号的准确度。一般通过间接观测的方法获得磁链 信号，即检测电机的定子电压、定子电流和转速等物理量，根据电机的数学模型， 实时地计算出所需磁链的幅值和相位，用以计算磁链的表达式被称作磁链模型。 磁链模型中不可避免要用到电机的参数，如定转子电阻、漏感、定转子电感等， 这些参数的精确度将直接影响到获得的磁链信号的准确度，进而影响系统控制特 性的好坏。 车辆电机控制器不是为某一厂家、某一款电机设计的。这就使得控制器中的 电机参数不可能预先设置好而必须现场设置。电机参数可以通过空载试验和堵转 试验等传统方法获得( v a s ，1 9 9 0 ) ，但受到现场条件的限制，往往不便于进行传统 的空载试验和堵转试验，而且这些试验需借助仪器及电机堵转设备，且必须顾及 电机旋转时的负载，导致传统方法无法由控制器自动执行。因此，需要设计一套 可由控制器自主执行的参数辨识方法来获得控制器运行所需的电机参数。控制器 在电机运行之前，执行一套自动检测程序，对电机施加特定的激励的，一般使电 机处于静止状态，这时通过检测电机的响应以辨识电机的参数，并以此来设置控 制器，称之为“参数自测定”。这种为了控制器设定、以获得电机初始参数为 目的而进行的参数辨识即为通常所说的离线参数辨识。 离线参数辨识为矢量控制提供了足够精度的电机参数初始值，但是在电机的 整个工作范围内，电机的实际参数会随着电机工作状况的改变在一定范围内发生 变化，如电机的定转子电阻值会受到由于电机温度、和集肤效应的影响；电感参 数也会因磁场饱和程度的不同而受到影响等。这种由于工作情况变化引起的参数 变化是无法事先预知的，因此为了保持和提高矢量控制系统的性能就必须解决异 步电机的参数自适应的问题。这种由工况变化引起的电机参数改变是缓慢的，因 而可以对电机的参数进行实时在线辨识然后及时对控制器中的电机参数进行校 准，这称为“参数自校准”。 本文的目的在于针对电动车辆异步电机矢量控制的实际要求，以准确的磁链 观测为目标，探讨参数自辨识技术，包括离线辨识( 参数自测定) a n 在线辨识( 参数 自校准) 。论文将结合异步电机的数学模型，分析参数误差对磁链观测的影响， 提供一套完整的、可由控制器自动执行的电机参数离线辨识和在线辨识的方案。 文章还对矢量控制系统的软硬件实现进行了介绍。 2 第1 章绪论 1 2 异步电机磁链观测和参数辨识研究综述 高胂1 2 1 2 厶匕月匕的矢量控制依赖于准确的磁链观测，磁链观测的精度受电机参数精确 程度的影响。目前国内外的研究主要集中在两个方向：一是研究对电机参数变化 敏感程度低的磁链观测方法，二是研究高效的参数辨识方法来精确获取电机参 数。 1 2 1 磁链观测方法 根据磁链相位信息的获得方式不同，磁场定向可分为间接磁场定向( i f o c ) 和直接磁场定向( d f o c ) 。直接磁场定向基于数学模型对电机进行观测来得到 磁链；间接磁场定向是基于转速信息的获得，加上计算得到的转差速度后经积分 得到磁链相位，不需要对磁链进行观测。 间接矢量控制根据转速和前馈的转差频率获得转子磁场位置信号，结构简 单、易于实现，应用广泛。间接矢量控制要得到快速、准确的转矩响应依赖于准 确的转子时间常数( 转子电感除以转子电阻) 。转子时间常数不准确将导致前馈 的转差频率环节出现偏差，由此产生的定向偏差造成励磁、转矩电流的互相耦合， 使系统性能变差。若此时p i 速度调节器的参数设置不当，还可能因出现h o p f 分岔而导致系统振荡。实用中，使用间接磁场定向方案需要实时辨识转子时间常 数，并合理配置p i 速度调节器的参数。 直接磁场定向对磁链进行观测的基本方法有电流模型法和电压模型法。电流 模型法计算磁链是基于定子电流和电机转速的测量值，这种观测模型的一大优点 是它不涉及纯积分项，具有负的特征根，观测值是渐近收敛的。但电流模型法容 易受到转子电阻变化的影响，故需要实时辨识才能保证磁链的观测精度。 电压模型法计算磁链是利用定子反电势与磁链的导数关系，采用对反电势积 分进行估计。这种方法的简单之处在于它只测量定子电压和电流，不需要电机转 速，也不涉及易变的转子参数。且该方法的高速性能好。但是由于纯积分环节的 初值和漂移问题可能导致系统不稳定，电压模型法在低速时易受定子电阻变化影 响，且低速时反电势很小，易被测量误差淹没，使电压模型法在低速时观测精度 变低。通常解决误差累积的方法是采用一阶低通滤波器来代替纯积分环节，但同 时引入了附加相移和幅度误差。h ue ta l ( 1 9 9 8 ) 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，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，但这种方法有饱和环节选取困难的问题。 由于电压模型和电流模型各有优缺点，故可将两种模型进行组合( 李永东， 2 0 0 2 ) ，在高速时通过低通滤波器将电流模型的观测值滤除，让电压模型起作用； 第1 章绪论 在低速时通过高通滤波器将电压模型的观测值滤除，让电流模型起作用。这样在 一定程度上吸收了两种模型的优点，克服了两者的缺点，但在本质上仍属于开环 的观测器，也增加了系统的开销。 状态观测器方法是一种闭环观测方法，它以电机的定子电压方程和转子电压 方程为基础，可以看作是电流模型和电压模型的不同结合。其中有l u e n b e r g e r 观测器( 全阶状态观测器) 、降阶状态观测器、k a l m a n 滤波器等。全阶状态观测 器的增益矩阵比较复杂，相对而言降阶状态观测器在全阶观测器的基础上利用原 有状态方程中已知信息( 如电流) 来降阶，使观测器中的积分个数减少，简化了 计算。降阶观测器的优点是可以任意配置，其缺点是对除磁链外的其它状态变量 不做估计，对测量噪声比较敏感，抗干扰性不如全阶观测器。k a l m a n 滤波器是 递推的优化随机状态估计器，在假设检测噪声和干扰噪声是互不相关的的前提下 通过检测随机噪声可以用来在非线性动态系统中实时估计状态。k a l m a n 滤波器 的计算分为两个阶段：第一阶段是对状态的预测：第二阶段是使用反馈校正环节 来校正预测状态，这个校正环节包含有检测和估计输出信号。 状态观测器方法常常能够和参数辨识融为一体，在具体实现上，可以把全阶 状态观测器作为可调模型，实现基于全阶状态观测器的模型参考自适应观测器 ( m r a s ) 。或者通过把要辨识的参数作为一个状态变量，构造扩展l u e n b e r g e r 观测器( e l o ) 或扩展k a l m a n 滤波器( e k f ) 。还可以通过不同的滑模超平面的 设计实现滑模观测器。 滑模观测器是采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，并使控制系统的状态 最终稳定在设计好的滑模超平面上( u t k i n ，1 9 9 3 ) 。滑模变结构控制的优点是：系 统对外界干扰具有较强的鲁棒性。且当到达滑模面后系统阶数降低，有利于简化 控制。其缺点为：理想的滑模变结构系统和实际的滑模变结构系统之间存在比较 大的差异，理想情况下滑动模态总是降维的光滑运动而且渐近地稳定于原点，不 会出现抖振，但实际中由于控制力的有限性、系统的惯性、切换开关的时间空间 滞后以及状态检测的误差都将会在光滑的滑动模态上叠加一个锯齿形的轨迹，因 此产生了抖动现象。 除了以上基于电机的理想特性的磁链观测方法以外，在低速范围内还有一些 基于电机的非理想特性的磁链位置观测方法。但是这些方法大多要求在饱和状态 下运行；需要人为注入谐波。 1 2 2 参数辨识方法 异步电机的参数辨识技术一般可以分为三大类：频域辨识、时域辨识和人工 智能方法。频域辨识是根据系统的频率特性来获取电机的参数。虽然其计算方法 4 第l 章绪论 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。目前异步电机参数辨识的典型方法均属时 域辨识，其中包含递推最小二乘法( r l s ) ，扩展k a l m a n 滤波( e k f ) 、扩展 l u e n b e r g e r 观测器( e l o ) 、模型参考自适应法( m r a s ) 等等。人工智能方法包含 神经网络辨识、遗传算法、进化算法等。 递推最d x - - 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 异步电机参数的在线实时辨识，计算量不算很大，但在优化的过程中要用到目标 函数对电机参数的导数，对测量噪声很敏感，同时对转速波动很敏感。 扩展k a l m a n 滤波( e k f ) 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，将其用于异步电机参数辨识时，把要辨识的参数也作为 一个状态变量，构造时域的电机模型，并对其离散化，确定噪声和状态协方差矩 阵，再实现离散化的扩展k a l m a n 滤波器策略。一定程度上克服了噪声敏感问题。 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 电机参数辨识时需要对电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。 扩展l u e n b e r g e r 观测器( e l o ) 在仅适用于线性时不变确定性系统的 l u e n b e r g e r 观测器的基础上进行了扩展，可以适用于非线性时变确定系统。在 e l o 中将待估计参数看成状态变量，可在观测磁通的同时辨识待估计参数。e l o 与e k f 相比具有算法简单，便于调节的优点。 模型参考自适应法( 眦s ) 的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可 调模型，将不含待估计参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的 输出量，这个输出量可以是电流、磁链、无功功率等。利用两个模型输出量的偏 差根据一定的自适应率来实时调节模型的参数。基于全阶观测器的m r a s 是以 实际运行的异步电机为参考模型，以全阶观测器为可调模型，利用电机定子电流 的估计偏差来实时调整可调模型中的电机参数，从而达到辨识的目的。模型参考 辨识基于稳定性设计，只要作为模型输入的定子电压满足“充分激励” ( p e r s i s t e n c yo f e x c i t a t i o n ，简称p e ) 条件，就能保证待估计参数的渐近收敛。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机的 参数时，设计满足稳定性设计要求的参数自适应律是比较困难的。 基于神经网络、遗传算法等人工智能方法的参数辨识，具有不受数学模型的 限制，能够处理传统算法难以解决的复杂问题等优点，显示了它们在电机参数辨 识方面的较大潜力。但由于理论上的不成熟、计算量大等原因，使方法的实用化 5 第1 章绪论 存在问题，目前多数还处于理论性仿真研究阶段。 由于异步电机的定转子电阻易变且对控制影响显著，对电阻参数进行在线辨 识的研究占大多数。t a ne ta l ( 2 0 0 0 ) 提出具有多项参数估计的全阶模型参考自适应 系统，由其模拟结果可看出若仅单独估计速度、定子电阻、或转子电阻时可获得 不错的效果。但同时执行速度与定子电阻估计时虽可收敛到实际值，但是收敛速 度慢。在同时执行速度与转子电阻估计时虽然仍具收敛性，但改变初值条件或运 转速度范围可能会造成估计转子电阻无法到达实际值。另在同时执行速度、定子 电阻、转子电阻估计时，虽然速度可收敛到实际值，但因存在多稳定点影响，使 定子电阻与转子电阻无法达到其实际值。m a r i n oe ta l ( 2 0 0 0 ) 使用一个九阶非线性 算法来在线估计定子与转子电阻，并且证明当速度为定值且信号有界情况下，转 子与定子电阻可在定子电流积分有限的情况下指数收敛至其真实值。h a b e t l e re t a 1 ( 1 9 9 8 ) 的方法可在整个运行速率范围内精确地计算定子磁通，尤其以低速操作 时更为有效，它采用两种方法来交互计算定子磁通以同时校准定子与转子电阻。 w a d ee ta l ( 19 9 7 ) 在两轴同步坐标系统上建立扩展l u e n b e r g e r 观测器( e l o ) ，其在 参考磁通电流命令中加入高频率正弦波信号来改良转子电阻估计的精确度，还可 近似的计算出铁损电阻效应。z a r e m b ae ta l ( 2 0 0 0 ) 以注入虚拟电流与电压信号的 方式来对异步电机的速度与转子时间常数进行估计。 从理论上来说，异步电机的在线辨识和离线辨识都可以使用上述的各种参数 辨识方法。但是，对离线辨识来说，它只要找出可信度较高的异步电机参数的初 始值来实现控制器的自设定即可。且离线辨识是在电机和控制器没有运行的时候 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。 异步电机主要的电气参数包括定子电阻、转子电阻、漏电感、定子电感、互 感等。其中，定子电阻辨识的方法，通常使用直流试验，即在电机的端点加上适 当的直流电压，然后检测电机电流，再由电压和电流值计算得到电阻。电感则可 分为漏电感、定子电感与转子电感三部分，依照动态响应的特性，将漏电感和定 子电阻合成，称为定子瞬态时间常数，将定子电感与定子电阻合成，称为定子时 间常数，将转子电感与转子电阻合成，则称为转子时间常数。 s c h i e r l i n g ( 1 9 9 8 ) 、k h a m b a d k o n ee ta 1 ( 1 9 9 1 ) 、c a u s s a te ta 1 ( 1 9 9 4 ) 提出在电机端 点或控制器加上电压测试信号，再利用电流响应间接推算得到异步电机参数及转 子时间常数，其中，k h a m b a d k o n e 测算转子时间常数的过程中需以额外硬件线路 检测定子感应电压。而s c h i e r l i n g 则设计了一套参数自动辨识的步骤，于转子静 止时，由控制器输入不同的电压、电流信号，根据相应的电流值或电压值计算电 机参数，由于此方法适合于微处理器控制器，且电机不需转动即可进行参数估测， 6 第1 章绪论 因此后来在参数估测的研究多半以此方法为基础，再加以改良。之后陆续提出不 同改良方法，其中，r u f fe ta 1 ( 1 9 9 4 ) 提出的方法主要着重在探讨变频器及互感的 非线性现象。g a s t l ie ta 1 ( 1 9 9 0 ) 提出运用变频器，以数字滤波( d i g i t a lf i l t e r i n g ) 及傅里叶级数展开( f o u r i e rs e r i e se x p a n s i o n ) 两种不同的方式分别计算电机参数。 而s u m n e re ta 1 ( 1 9 9 2 ) 在间接矢量控制架构下以d 轴电压及电流响应估测得到电机 参数。w a n ge ta 1 ( 1 9 8 8 ) 则提出利用电流调节脉宽调制( c u r r e n t r e g u l a t e d p u l s e m o d u l a t e d ) 变频器估测转子时间常数。另外，l o r e n z ( 1 9 8 5 ) 采用m r a s 结 构调整转差增益。y a n a g a w ae ta l ( 1 9 9 5 ) 贝1 j 针对无传感器矢量控制变频器提出方 法，利用类似传统测量技术，以单相交流试验代替传统的堵转试验得到转子电阻 与漏电感。 通常辨识定子时间常数时，输入电压脉冲，并测量电流的瞬时响应，或在激 磁电压上j l - d n 高频信号以得到定子时间常数( k a r a y a k ae ta l ，1 9 9 7 ) 。而辨识转子时 间常数时，则输入直流电压产生额定转子磁通，然后突然将电压反向，并根据电 流的瞬时响应来得到转子时间常数( m o o ne ta l ，1 9 9 4 ) ，也可控制电流以量取电压 的瞬时响应，也可得到相同结果。电机静止时，亦可使用单相交流电压( k e r k m a n e ta l ，1 9 9 5 ) 激磁，利用其频率响应测定转子电阻与漏电感。另外b e r t o l u z z oe t a l ( 2 0 0 1 ) 提出另一种所谓的虚拟堵转试验以测量定子时间常数，此方法加一不会 产生旋转但为交流的电压在电机上，以模拟堵转试验，并量取电压、电流及功率 以计算参数。 在线参数辨识的目的在于及时跟踪异步电机参数的变化。几乎所有参数都会 随着电机工况不同而发生改变，但改变的幅度是不同的，若对每一个电机参数都 进行在线实时跟踪辨识的话，在线参数辨识的难度会大很多，而且会占用相当多 的系统软硬件资源。所以应该有选择的对某些敏感的且变化幅度大的参数进行在 线辨识，而其它参数沿用离线辨识得到的结果。这样，辨识的难度将会大大降低。 如异步电机运行中变化最明显的参数是随温度变化的定、转子电阻，而恰恰矢量 控制系统对定转子电阻的变化最为敏感。所以实际上，只对电阻参数进行在线实 时跟踪辨识是很多高性能变频调速系统的典型方案。 1 3 论文的主要内容 结合车辆电机控制调速范围宽、低速特性好、动态响应快的性能要求，本文 选择全阶状态观测器进行磁链观测，并就参数误差对全阶状态观测器的影响进行 了分析。离线参数辨识方面，总结目前一些简单，但行之有效有效的方法，加以 改良并整理成一完整的自动辨识步骤。在线参数辨识方面，由于异步电机的电感 7 第1 章绪论 参数变化主要是由磁通饱和引起的，根据异步电机的高效率控制理论，异步电机 矢量控制系统在稳态运作时，转子磁通过大会产生多余的能量消耗，这在车辆电 机控制中是竭力避免的。所以可以认为，在电机控制得当的情况下，磁通饱和的 情况很少出现，电感参数的变化是很小的，且电感的变化与给定的励磁电流之间 有着确定的关系，即电感的变化可以预估，也就可以预先补偿。所以只需对定子、 转子电阻进行实时在线辨识。本文采用模型参考自适应法，以全阶观测器为可调 模型，设计参数自适应律同时辨识定子、转子电阻。文章还对矢量控制系统的软 硬件实现进行了介绍。全文内容安排如下： 第二章介绍了异步电机的静态和动态数学模型，及其转子磁场定向矢量控制 原理，是之后的磁链观测及参数辨识研究的基础； 第三章分析了电压模型、电流模型及全阶观测器三种基本磁链观测方法，指 出了全阶观测器方法的优势，并就全阶观测器对参数偏差的敏感性进行了分析； 第四章先介绍了传统的空载与堵转试验的原理，之后分别针对电机可转动、 不可转动两种情况，给出了一套完整的、可由控制器自主执行的电机参数离线辨 识方法； 第五章针对在电机运行期间易变的定子、转子电阻，给出一种基于全阶观测 器的模型参考自适应方法，实现对定子、转子电阻的在线跟踪辨识。之后基于 m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真，证明了方法的正确性； 第六章着重介绍课题中设计的电动车辆异步电机矢量控制器的硬件框架、软 件结构，以及实现中抗干扰、算法定点化等几点问题； 第七章总结了全文的工作，提出进一步的研究方向。 8 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 异步电机的矢量控制、磁链观测与参数辨识技术一般以电机的动态数学模型 为出发点。矢量控制基于两相同步旋转坐标系下的电机状态方程，磁链观测的实 质是对电机进行状态观测，大部分参数辨识方法也以电机不同形式的数学模型为 依据。离线参数辨识需要在电机静止的情况下施加特定的激励来测量某些参数， 所以需要考虑电机的静态数学模型。 异步电机是多变量、非线性和强耦合的高阶系统，在研究其数学模犁之前， 常作如下假设： 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 。的电角度；目 每相绕组的电阻电感参数相同： 2 ) 忽略空间谐波，磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； 3 ) 忽略磁路饱和，各绕组自感和互感恒定； 4 ) 忽略铁心损耗； 5 ) 暂不考虑电阻和电感参数的时变性。 2 1 单相等效电路 异步电机的运转模式与变压器类似，即由定子电路经由电磁感应，于转子电 路感应电压和电流。因此，根据变压器原理，令异步电机从定子绕阻的输入电压 感应至转子侧电压为e ，则稳态下，异步电机单相等效电路如图2 1 所示。其中， k 及f ，分别表示输入相电压及相电流，r 为单相定子电阻，r 为转子电阻，幺为 定子漏电感，厶为转子漏电感，匕为互感，。与，分别表示定子与转予侧的 等效匝数。 r sj 国善晦 n s n r 图2 1定子与转子单相等效电路 当转子旋转时，转子侧电压可表示为： j f c o t ) l i t 9 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 e ? = ( _ 0 e - - 0 3 re 2 ：s e t 吧 ( 2 1 ) 上式中的s = 竺二竺为转差，其中，敛为定子电压频率，q 为转子的电气 缈 速度( r 。t 。re 1 e c t r i c a ls p e e d ) ，疋= 等乓。由图2 1f i ( 2 1 ) 式的关系，可得到转 子侧感应电流如下 =上r,+jco,s4,2高=上_r孑+jco,l1+joo, ( 2 2 ) j = o 一= l 一= 三一 l2z l r rs l - 、1 观察式( 2 1 ) 及( 2 2 ) ，可将转子侧电路由图2 2 ( a ) 的实际电路化为图2 2 ( b ) 考虑 转差的等效电路。结合定子侧等效电路与转子等效电路，并将图2 1 的转子侧电 路参数等效至定子侧，其等效电路如图2 3 所示，其中 砖2 ( 别碍 为等效至定刊4 的转子电阻。 厶= 阿厶， 为等效至定子侧的转子电感。 i ：= 等f r ，为等效至定子侧的转子感应电流。 s l t , ( a ) 实际电路( b ) 考虑转差的等效电路 图2 2 转子等效电路 r ， s 图2 1 、图2 2 、图2 3 的等效电路假设电机三相完全相同，且仪适用于稳态 的情况，下一节接着说明可以用于描述瞬时响应的d - q 轴模型。 1 0 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 2 2 d - q 轴模型 图2 3 异步电机单相稳态等效电路 图2 4 理想三相交流异步电机的绕组电路图 r ： s 即小斟 亿3 ， 其中，吃、吒、吃分别为a 、b 、c 三相定子电压，么、i b , 、t 分别为 a 、b 、c 三相定子电流，丸、气、丸分别为定子线圈的磁链( f l u x l i n k a g e ) ， 足为定子电阻，p 为微分运算子，即p ( ) 2 瓦d ( 。) 。同理，转子电压方程可以表 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 阱小圈 叫， 其中，圪，、圪，、吃分别为a 、b 、c 三相转子电压，0 、f 6 ，、f c ，分别为 a 、b 、c 三相转子感应电流，以、屯，、丸，分别为转子的三相磁链，r r 为转子 电阻。以上的方程可以利用复数向量及坐标转换将其转换至d - q 轴模型并简化。 首先定义复数向量( n o v o t n ye ta l ，1 9 9 6 ) 为 厶。= 詈( 六+ 晚+ 口2 z ) ( 2 5 ) 其中，厂可为电压、电流或磁链，下标分别代表a 、b 、c - - * h 的l ，z 缸为 f 的复数向量，口= e m 0 。、口2 = e 。2 4 旷、口3 = 1 ，且1 + 口+ 口2 = 0 ，歹为复数运算符 乙。= 詈( 乞+ 口么+ 口2 屯) ( 2 6 ) b 。= 普( 丸+ 口气+ 口2 丸) ( 2 7 ) 吃。一z v 。+ 口圪，+ d 2 比) = 足k + 砘。 ( 2 8 ) 屯。c ，= 普( ，+ 口f 6 ，+ 口2 0 ) ( 2 9 ) 九姗= 鲁( 以，+ 口，+ 口2 f c ，) ( 2 1 0 ) 圪胁= 詈( 圪，+ 口圪，+ d 2 圪，) = r , 。b ，+ p 九栅 ( 2 1 1 ) 将t ( 2 6 ) - ( 2 1 1 ) 代入式( 2 3 ) 及( 2 4 ) ，经整理后可得到定子、转子电压方程分 y 幽c s = r i o b c s 七l s p i o b c s + l 乒j 8 r0 j r + p 、i 幽c rq 1 2 、 。，= ( r + p ) 屯6 c r + 厶口一孵( 一q + p ) 屯。 ( 2 1 3 ) 其中l 为三相等效磁化电感，厶= 厶+ 匕，为定子电感，i a 胁为由定子侧 观察的转子电流，圪。为由定子侧观察的转子电压，l 为由定子侧观察的转子电 感，只为转子旋转的角度，即定子轴与转子轴相差的角度。 d - q 轴坐标轴由正交的d 及q 轴组成，其中，q 轴超前d 轴9 0 。，图2 5 为 d - q 轴与定子轴、转子轴之间的关系，由图可知，三相与d - q 轴的转换关系式如 1 2 第2 章异步电机数学模型及矢量控制原理 图2 5d - q 轴与定子、转子轴关系图 f q d s = e - j o f a 6 。 ( 2 1 4 ) l d r = e 肥一9 厶， ( 2 1 5 ) 其中，0 为d - q 轴与定子轴之间的角度。由式( 2 1 4 ) 及( 2 1 5 ) 可将( 2 1 2 ) 式的定 子电压方程与( 2 1 3 ) 式转子电压方程转换为d - q 轴模型，又因为本文使用鼠笼式 异步电机，故v q d r = 0 ，因此可整理成下式： k 曲= 足l q d s + 厶( 国+ p ) l 。q d s + 厶( j w + p ) 办 ( 2 1 6 ) 0 = 碍o + ( j c o - j c o ，+ p ) l q d r + 厶( 缈一q + p ) ( 2 1 7 ) 在固定轴坐标( s t a t i o n a r yf r a m e ) 下，即c o = 0 ，式( 2 1 6 ) 及( 2 1 7 ) 可改写如 式( 2 1 8 ) 及( 2 1 9 )