（电力电子与电力传动专业论文）模糊控制在矢量控制系统中的应用研究.pdfVIP

a b s t r a c t v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ym a k e sa cm o t o ra c h i e v et h es a m ec o n t r o le f f e c t a sd cm o t o rb yd e c o u p l i n gt h es t a t o rc u r r e n tv e c t o ro fa cm o t o ri n t ot h et w od c c o m p o n e n t s o ft o r q u ec u r r e n ta n dm a g n e t i z i n gc u r r e n tv i at h ec o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o na n dc o n t r o l l i n gt h e s et w oc o m p o n e n t ss e p a r a t e l y h o w e v e r , t h e r e a r ec h a r a c t e r i s t i c sl i k en o n 1 i n e a ra n dp a r a m e t e rv a r i a b i l i t yf o rm a n ya cd r i v e s y s t e m si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h e s ec a u s et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fv e c t o r c o n t r o l s y s t e m w h i c hl a r g e l y d e p e n d s o nt h e a c c u r a c yo ft h ep a r a m e t e rt o d e t e r i o r a t e i nr e s p o n s et ot h i sp h e n o m e n o n ，f u z z yc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e di nt h e v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h i sp a p e r a sat y p i c a lm e t h o do fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ， f u z z yc o n t r o lc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h er o b u s t n e s so fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h et h e o r i e so fv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n df u z z yc o n t r 0 1a r ei n d e p t hs t u d i e d a n dan o v e lp i t y p ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e da st h eg o a lo f p r a c t i c a l i t y i nt h i sp a p e r i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y , av e c t o rc o n t r o l s y s t e mm o d e lw a ss e tu pi nt h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t i n t h ep r o c e s so fm o d e l i n g ，t h ea c t u a ls i t u a t i o nw a sf u l l yt a k e ni n t oa c c o u n ts oa st o m a k es i m u l a t i o n c l o s e l y w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o na sm u c ha s p o s s i b l e p i c o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e rw e r er e s p e c t i v e l yu s e da st h es p e e dr e g u l a t o ro f v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h es i m u l a t i o n ，a n da n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o nw e r em a d e b e t w e e nt h et w or e s u l t so fs i m u l a t i o n a f t e rt h ec o n t r o lt h e o r yo ft h es y s t e mh a db e e nv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n r e s u l t s as u i to fh a r d w a r eo ft h r e e p h a s et w o 1 e v e li n v e r t e rw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sr e q u i r e m e n t s ，a n dt h es o f t w a r eo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m w a sd e v e l o p e db a s e do nt h eh a r d w a r es y s t e m a tl a s t ，m o t o rd r i v ee x p e r i m e n t s w e r em a d eb yu s i n gt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a db e e nd e s i g n e d ，a n da s t h es i m u l a t i o n ，p ic o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e rw e r er e s p e c t i v e l yu s e di nt h e s p e e dc l o s e l o o p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er o b u s t n e s so fs y s t e m w i l lb e o b v i o u l yi m p r o v e di ft h ep i t y p ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi s d e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa p p l i e di nt h es p e e dc o n t r o l l e ro fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：i n v e r t e r ，u n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o n ，s v p w m ，v e c t o rc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、针对传统矢量控制系统中非线性、变参数的不足，提出将模糊控制方 法应用其中，明显提高了系统的快速性与鲁棒性。 2 、针对目前模糊控制算法复杂而占用资源多的缺点，通过提炼模糊控制 方法的主要特点，设计出一种新型的模糊控制算法，使得模糊控制在实际中 更加容易实现，而不会占用微机的大量资源。 3 、采用l a b v i e w 设计了变频调速系统的监控界面，使得整个系统操作 起来更为直观方便。 学位论文作者签名：关桢红 日期： 力册伊应f 西南交通大学凹南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酗使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：关核生 日期：力加z1 2 j 指导老师签名：芝吉鸣 日期：7 、f 孔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 近年来，高性能智能化交流调速系统的研究和开发越来越受到国内外的 高度重视。目前国外已成功开发出了智能化的通用变频器和高性能产品，而 国内对模糊控制在变频调速系统中的应用主要还停留在仿真阶段，真正投入 实用还相对较少。 1 9 7 1 年，联邦德国西门子公司f b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向 控制原理”以及美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子 电压的坐标变换控制”为高性能的交流传动控制奠定了理论基础【l l 。感应电 机的矢量控制是采用坐标变换和磁场定向把感应电机的电流解耦成转矩分量 和磁通分量，再对其分别进行控制。这样，就将交流电机等效成了类似直流 电机的模型，从而可以仿照直流电机的控制方法进行控制。自该技术提出以 后，随着电力电子技术、微控制器和数字信号处理器的快速发展，再加上感 应电机固有的简单、结实、便宜以及维护方便等优点，使得采用矢量控制技 术的感应电机调速系统在以往只有直流调速系统的高性能调速领域中获得广 泛的应用。 然而，感应电机矢量控制的控制品质严重依赖于系统参数的正确程度， 当矢量控制器采用的系统参数与实际系统参数不匹配时，不但会使电机在不 合适的稳态工作点下运行，还会使电机的动态性能下降，甚至引起电磁转矩 振荡【2 j 。为了能进一步提高感应电机矢量控制系统的调速性能，国内外学者 们潜心研究，希望能找到种比传统p i d 控制器鲁棒性更强的控制方法， 进一步提高矢量控制系统的动态性能p j 。 由于智能控制无需对象的精确数学模型，并且可以在处理具有不精确性 和不确定性的问题中获得较好的鲁棒性，所以很多学者都致力于把智能控制 引入到感应电机矢量控制系统中。作为智能控制技术中较为成熟的模糊控制 更成为学者们主要的研究对象。他们借助模糊控制技术，在定程度上弥补 了感应电机矢量控制系统结构复杂、非线性和参数变化影响系统性能等缺陷， 增强了系统的鲁棒性，提高了系统的性能【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 本论文基于前人在矢量控制和模糊控制领域的研究成果，采用模糊控制 器增强感应电机矢量控制系统的鲁棒性，提高系统的性能。相信本论文的研 究对感应电机矢量控制技术的实现、提高系统性能等方面具有重要的理论和 实际意义。 1 。2 矢量控制技术的发展及其优缺点 矢量控制技术理论最早由d a r m s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士发表。1 9 7 1 年西门子公司的b l a s c h k e 又将这种一般化的概念转化成系统理论，并以磁场 定向控制的名称发表1 5 j 。虽然这种控制技术很先进，但是直到8 0 年代初， 这项技术都无法实现实用化，其主要原因在于当时的矢量控制系统基本上都 用模拟电路实现的，其硬件复杂，价格高，而且可靠性也难以保证。同时， 当时p w m 逆变器刚刚出现，g t r 和g t o 尚处于开发初期，所以矢量控 制系统采用的逆变器均由s c r 构成。这种逆变器不仅体积大、重量重，而 且无法适应急剧的加速和负荷冲击，这也大大限制了矢量控制器的应用范围。 直到上个世纪8 0 年代，随着电力电子技术、微电子技术的高速发展，才真 正解决矢量控制系统早期存在的问题，使得采用矢量控制技术的感应电机调 速系统在以往只有直流调速系统的高性能调速领域中获得越来越广泛的应 用。所以说，矢量控制技术的实用化离不开电力电子技术和微电子技术的发 展。 电力电子技术一直是电机控制发展的重要物质基础，它的发展推动了电 机控制技术的发展，反过来，电机控制技术的发展又对电力电子技术提出新 的要求。2 0 世纪是电力电子技术发展的一个全盛时期。2 0 世纪6 0 年代， 晶闸管问世。7 0 年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组，进入电力电子变 频技术时代。8 0 年代，自关断器件大功率双极性晶体管g t r 问世，出现了 高性能g t r 变频器，其性能大大优于晶闸管变频器，很快就在工业领域得到 推广应用。但是，g t r 和g t o 都属于电流控制器件，它们的驱动功率大， 开关频率较低，还不能完全满足工业界的要求。同一时代，电力场效应晶体 管m o s f e t 问世，它属于电压驱动型器件，驱动电路简单，功耗小，安全工 作区大，最大开关频率高达几百千赫兹。但是，这种器件的耐压低，电流容 量小，限制了它的应用范围。当绝缘栅晶体管i g b t 问世后，由于它集 m o s f e t 的电压控制和大功率双极性晶体管的大电流、低导通电阻等优点于 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一体，具备了高开关频率、易并联、易高压大容量化、控制方便等优点，所 以i g b t 变频器迅速取代g t r 变频器，成为9 0 年代至今变频调速技术的 主流。目前，大功率半导体器件又向集成化、智能化的方向发展。智能功率 模块i p m 是向下一代器件功率集成电路p i c 的过渡产物。它不但提供一定 的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。 它内部包含有驱动电路、保护电路，具有过流保护、短路保护、欠压保护和 过压保护等功能，是微电子技术和电力电子技术结合的产物。由于智能功率 模块的高度集成性，使得它的散热更均匀，体积更紧凑，而且还很容易实现 与微控制器之间的接口，不但可以提高可靠性，还可以减小系统的开发时间、 费用，为抢占市场创造了良好的先决条件。 微电子技术也是电机控制发展的重要物质基础。最初的电机控制系统都 是采用分立元件的模拟电路构成，这种控制系统不但成本高、体积大，而且 可靠性也低，控制精度无法保证。后来，随着微电子技术的发展，集成电路、 微控制器甚至于专用集成电路取代分立元件成为电机控制器的主要构成部 分。这样，不仅提高了系统的可靠性和抗干扰能力，还减小了体积，缩短了 开发周期，减少了研发费用。 目前，市面上通用的变频器大都采用微控制器作为核心控制单元，如英 特尔公司的8 0 9 6 系列产品。但是，矢量控制技术的实现包括大量的坐标变换、 矢量运算和其它复杂的非线性运算，需要处理的数据量大，精度高，传统的 微控制器已无法满足这些要求。随着d s p ( 数字信号处理器) 器件集成度的 提高、价格的下滑以及各种开发工具的完善，d s p 正日益取代高档微控制器 而成为电机控制的主角。本文即采用了t i 公司的3 2 位d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行系统控制部分的设计。 矢量控制自诞生之日起至今，已得到了长足的发展，并在许多工业场合 中得到广泛的应用。但任何一个系统都有其优点和缺点，矢量控制系统也一 样。 矢量控制的优点： ( 1 ) 实现了转矩和磁通的解耦控制，使得其动态性能近似于直流电机的 调速性能； ( 2 ) 在宽广的调速领域中能保持磁通的恒定； ( 3 ) 即使有大转矩的暂态过程，电流也不会过大； ( 4 ) 可在电动状态、反制动状态以及弱磁状态进行高效的转矩控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 矢量控制的缺点： ( 1 ) 尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得 到显著改善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变 换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全 解耦，使转矩的控制效果打了折扣； ( 2 ) 从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它 随温度和励磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实 际控制效果难以达到理论分析的结果，即使电机参数与转子磁链被精确知道， 也只有稳态的情况下才能实现解耦。当电机需要进行弱磁调速时，互感则不再 保持恒定，而是非线性变化，并且随着电机转速的提高，铁耗也必须考虑【6 j 。 因此，弱磁调速时耦合仍然存在； ( 3 ) 矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别 不小，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果； ( 4 ) 采用传统p i 调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不 确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统 参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差。 综上所述，矢量控制有其优越性，因此获得越来越多的重视及应用，但 其也有局限性，所以人们会不断研究并改进它。将来，矢量控制技术的发展 主要会集中在以下几个方面： ( 1 ) 高压大容量矢量控制装置的研制。在低开关频率条件下，通常的 p w m 逆变器输出谐波很大，这使得它不适用于高压大容量的场合，如轧钢 机主传动等。目前，一种新的多电平逆变器n p c 能够输出具有正、零、负三 种电平的相电压，在相同的开关频率下，可以提高逆变器的容量并降低高次 谐波。这种技术与目前大容量g t o 器件一起，可以构成总容量高达1 0 m v a 的逆变器。 ( 2 ) 数字电流控制系统的高速化。一方面，i g b t 的应用使得p w m 载 波频率可以提高到1 5 l ( h z ，同时，死区时间的减小也降低了逆变器输出电压 的畸变，从而减小电流纹波和畸变率，有利于提高电流检测的精度。另一方 面，d s p 器件的采用使系统具有很强的处理能力。从电流采样到最后的p w m 运算所需要的时间小于1 0 0us ，这样就有可能在小于一个p w m 周期内完成 矢量控制运算，提高转矩的响应速度。 ( 3 ) 电动机的非线性补偿。采用现代控制技术，补偿励磁电抗引起的饱 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和以及定子铁耗的变化，将转矩误差控制在3 以内。 ( 4 ) 最大效率的控制。由于矢量控制能提高转矩的控制性能，同时还可 以改变磁通，所以它可以在任何负载条件下进行最大效率的控制。 ( 5 ) 调速范围的扩大。矢量控制在极低速和高速领域还存在若干问题。 因为转子电阻的补偿和磁通、转速观测器都需要检测电压。而在极低速时由 于输出电压低，再加上p w m 调制谐波，容易产生误差。 ( 6 ) 参数的自辨识。感应电机参数辨识包括力学系统参数辨识和电机电 气参数辨识两类。电机力学参数辨识主要包括电动机的转动惯量，一般情况 下采用自适应控制和观测器理论可以取得良好的辨识结果。电机电气参数辨 识可由逆变器自身检测，也可以利用模糊逻辑或者人工神经网络等现代智能 控制技术加以整定。 ( 7 ) 高性能感应电机无速度传感器矢量控制的转速估计技术。目前，无 速度传感器矢量控制的转速估计技术主要包括开环估计器及其改进方案、基 于饱和定子相电压三次谐波的转速估计器、基于凸极效应的转速估计器、模 型参考自适应系统、观测器和人工智能技术等6 种。 1 3 模糊控制的发展及其在矢量控制系统中的应用 感应电机是一个多输入多输出、强耦合的复杂非线性系统，它一方面具 有较为确定的数学模型，另一方面又具有非线性和参数变化的特点。传统的 电机调速系统大多采用结构简单、性能稳定的p i 控制技术。它具有结构简单， 参数调节方便等优点，但这种方法局限于线性系统，并过分地依赖于控制对 象的模型参数，鲁棒性较差。对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环 节的系统，p i 调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，很多情况下不能 有效克服负载、模型参数的大范围变化及非线性因素的影响【_ 7 1 。现在的控制 方法，包括矢量控制都是建立在系统数学模型的基础上，一旦模型偏离了实 际的系统，控制系统的性能就会大大降低，而且由于感应电机负载特性各不 相同，使得系统控制器的设计和参数整定都很困难。当前，国内外学者运用 现代控制理论中几乎所有的方法对感应电机的控制进行了大量的研究，包括 滑模变结构技术、非线性解耦控制技术和模型参考自适应控制技术等等。这 些方法使得系统的控制性能得到改善，但是它们仍然是建立在被控对象精确 数学模型的基础上，它们或者需要大量的传感器，或者观测器模型过于复杂， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 所以还需要进一步探讨解决问题的方法和途径。 由于智能控制无需对象的精确数学模型，并且可以在处理具有不精确性 和不确定性的问题中获得较好的鲁棒性，所以很多学者都致力于把智能控制 引入到交流电机矢量控制系统中。作为智能控制中较为成熟的模糊控制更是 学者们的主要研究对象。 自1 9 6 5 年z a d e h 教授创立模糊系统理论后，1 9 7 4 年，m a n d a n ie h 等 第一个成功地将基于模糊逻辑的模糊控制器应用于气轮机的自动控制。模糊 控制器拥有以下的三个特征：( 1 ) 模糊控制器是一种基于语言的控制器，它 的实现不需要被控对象的精确数学模型。( 2 ) 模糊控制器是一种理想的，灵 活的非线性控制器，它可以克服非线性变化对系统的影响。( 3 ) 模糊控制器 拥有很强的鲁棒性，所以它对控制对象参数的变化不敏感。 模糊控制器的这些特点使得它非常适用于非线性、强耦合、变参数的感 应电机矢量控制系统，由于不需要建立被控对象的精确数学模型，因而设计 较方便。用模糊控制器取代常规的p i 控制器，在参数变化、负载扰动的情况 下仍可得到快速、强鲁棒性的控制效果。 在我国，许多学者对模糊控制在电机控制上的应用做了许多研究。文献 【8 提出用电流模糊控制决策表和转速模糊决策表构成的模糊控制器分别对 电流、转速进行模糊控制，还证明了模糊控制器不仅能用于低速采样系统， 而且完全能用于高速采样控制系统。文献【9 将变结构模糊控制器应用于变频 调速系统，获得了良好的静、动态性能。文献 1 0 l 将自调整模糊控制应用于 矢量控制系统的转速调节，这种自调整的模糊控制器可以根据输入变量的大 小调整模糊控制器的量化因子和两个输入变量的权重，从而自动调整模糊控 制规则。文献【11 】则基于常规模糊控制表，利用加权值构造了具有连续输出 值的电阻观察器，在线辨识感应电机的定子电阻。 国外方面，文献 1 2 】对采用传统的p i 控制器和采用模糊控制器的永磁同 步电机矢量控制系统的性能进行深入、全面的比较。该文献测试的瞬态工作 状态包括：( 1 ) 额定转动惯量和增加转动惯量条件下的大阶跃转速给定：( 2 ) 额定转动惯量和增加转动惯量条件下的小转速参考信号改变；( 3 ) 突加负载。 通过对实验数据分析，得出以下结论：( 1 ) 在任何情况下，模糊控制器的抗 扰动能力都比p i 控制器强；( 2 ) 在高速范围内，两种控制器性能基本一致。 在中等速度条件下，模糊控制器性能优于p i 控制器。而在低速条件下，模 糊控制则比不上p i 调节器；( 3 ) 在较小的速度给定变化条件下，p i 控制器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可以提供较好的响应，但是，在较大转速给定变化条件下，模糊控制器的性 能较好。可见，在很多情况下，模糊控制器可以提供更好的速度响应性能。 这些研究工作者们揭示了现代控制理论和智能控制技术在感应电机矢量控制 系统中扮演的重要角色【l 弘1 4 j 。 文献 1 5 1 6 提出了一种全模糊控制的矢量控制方案，在该矢量控制方案 中，转速控制器、磁通控制器和电流控制器都由模糊控制器构成。最终试验 结果证明这种全模糊控制的矢量控制方案不但提高了系统的性能，还大大减 小了系统的开发时间。 除了基于全模糊的矢量控制方案外，更多的学者把目光投向模糊电流控 制器或者模糊转速控制器【1 7 弓9 1 ，他们都试图采用模糊控制器改造感应电机矢 量控制系统中最关键的核心控制部分，从而提高感应电机矢量控制系统的性 能。此外，部分学者还将模糊控制技术用于感应电机参数在线辨识和提高电 机运行效率上1 4 0 喇j 。 1 4 本文的主要研究内容 本文以三相两电平变频器为研究对象，从调制方法、控制策略以及系统 性能出发，着重研究了模糊控制在矢量控制系统中的应用，并设计了模糊矢 量控制变频器的软硬件。 全文共分七章： 第一章为绪论，阐述了将模糊控制应用于矢量控制系统的研究背景和研 究意义，指出了当前国内外模糊控制变频器的研究现状，概括介绍了矢量控 制和模糊控制技术的发展情况，点明了本文的主要研究工作。 第二章介绍了基于统一电压调制的s v p w m 技术以及矢量控制理论，并 对矢量控制系统的几种实现方案进行讨论。 第三章介绍了模糊控制系统的组成及其常规设计方法，并设计了一种新 型的p i 型模糊控制器。 第四章在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了矢量控制系统模型，并分别 对采用p i 控制器以及模糊控制器的矢量控制系统进行了仿真，详细讲述了建 模的方法，最后将仿真结果进行比较，得出结论。 第五章设计了三相两电平变频器的硬件系统。 第六章介绍了在c c s 2 2 环境下基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的矢量控制系统的软 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 引言 第2 章矢量控制系统 上个世纪7 0 年代，德国的b l a s c h k e 、h a s s e 和l e o n h a r d 等人提出了感 应电机的矢量控制技术。这种控制技术可以将交流电机的电流解耦成转矩分 量和磁通分量，再分别对其进行控制，从而使感应电机获得与他励直流电机 一致的瞬态响应特性，实现对负载扰动和参考值变化的快速响应。 本章将介绍基于统一电压调制的s v p w m 技术以及矢量控制的基本原理 3 7 , 4 5 j ，并对矢量控制系统的几种实现方案进行讨论。 2 2 基于统一电压调制的s v p w m 技术 现今的逆变器大多数都采用可控开关管，因此无论什么样的交流电机控 制系统，都需要有一种调制方式，才能将控制算法施加于电机控制系统中。 s v p w m 技术从电动机的角度出发，以使交流电动机产生圆形磁场为目标， 最终使得电动机磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转。由于采用该技术可 以产生谐波较少的，且直流电源电压利用率较高的输出，所以在交流电机控 制领域中得到越来越广泛的应用。 2 2 1 电压矢量与磁链矢量的关系 电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图2 1 所 示。该坐标系有三个轴，互相间隔1 2 0 。，分别代表三个相。三相定子相电压 乩、坼分别加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量叱、, b 、u c 。 它们的方向始终在各相的轴线上，大小则随时间按正弦规律变化。因此，三 个相电压空间矢量相加所形成的一个合成电压空间矢量z ，是一个以电源角频 率国速度旋转的空间矢量。 u = u d + u 日+ u c ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - i 电压空间矢量 同样也可以定义电流和磁链的空间矢量，和杪。因此有 “：r i + 坐 如 当转速不是很低时，定子电阻r 的压降相对较小，上式可简化为 ，d y 甜 出 又因为 吵= y 。p 7 砷 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 所以有甜= 旦掣= 歹q y 册口呐，= q y 肌p “幼，+ j r 2 ) ( 2 5 ) 口r 式( 2 - 4 ) 说明，当磁链幅值沙。一定时，甜的大小与国成正比，其方向 是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续 地按磁链圆的切线方向运动2 万弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。这样，电 动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨 论。具体来说，就是只要能够让“。、“驴合成的电压空间矢量“幅值不变， 且按鳓恒速旋转，就能使电动机产生圆形磁场。 2 2 2 统一电压调制技术 图2 2 所示为一种典型的三相逆变电路，由图可以看出，逆变器有三个 桥臂，每个桥臂由两个功率开关管串联组成。现规定：当某桥臂的上桥臂开 关管为“开 状态时( 此时下桥臂开关管必然是“关状态) ，该桥臂的开关 状态为1 ；当下桥臂开关管为“开 状态时( 此时上桥臂开关管必然是“关” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 状态) ，该桥臂的开关状态为0 。这样，每个桥臂都只有“1 或“0 两种状 态。若视n 为零点，则当某桥臂状态为“1 时，该相输出电压为v d c ，而 当状态为“0 时，该相输出电压为0 。如此一来，只需分别控制各桥臂的开 关状态及其持续时间，即可分别在a 、b 、c 三点产生o v d c 的电压。而对 应到某个开关周期，就是通过控制各桥臂开关状态的占空比来控制输出电压。 假设在一个开关周期z 期间，a 、b 、c 三个桥臂状态为“1 ”的时间分别为l 、 死、疋，则在这个开关周期中，a 、b 、c 三点输出的平均电压y 。、圪、巧 分别为 ( 0 乃互) ( 0 乃c ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 圪：孕姚( o 毒c ) ( 2 8 ) l 互 l5 假设电动机定子绕组的零点电位为z o ，则此时三相定子相电压分别为 吩眦 ( 2 - 9 ) 每 ( 2 1 0 ) ：孕肋一圪 ( 2 1 1 ) l e ” p n 图2 - 2 三相逆变电路 将式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 所示三相定子电压分别加在三相绕组上时， 眦 阮 互c 互i = i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 由图2 1 可知，无论圪取多大，、“。，合成的电压空间矢量z f 都是一样 的。为了让u 彳、u b 、所能达到的i t ! 电压范围与负电压范围一样，不妨取 圪= 孚 ( 2 1 2 ) 此时，有 一等妣等 ( 2 1 3 ) 现假设甜为系统所要求的幅值不变，且按q 恒速旋转的电压空间矢量。 且在某一个开关周期中，已知“：、轧：、甜三可以合成“在这个开关周期中的平 均值，同时，甜j 、“：、甜；的幅值分别为呒、u ：、旺。具体怎么求取呒、吒、 畦可参看后续章节。当u ：、吒- 啦满足式( 2 1 3 ) 时，可以根据式( 2 9 ) 、 l = 瓦g a + 三) 互 ( 2 1 4 ) = 面g b + 三) z ( 2 1 5 ) 毛= 面g c + 三) e ( 2 1 6 ) 这样，就可以最终通过控制逆变器的功率开关管来实现这个开关周期中 ，的会带 ：，。， 一： r 1 t 1 _ r _ 1 a iiii _ i ；!瓦 ii!； l _ j + r - _ 。- 1 1 b ；一o li；l；i m ： ： ： ： 1 c ： 。o 。， ：卜叫： c ；毒；一 i 一一1 i 5 ：t s ：砖；0 0 0i l o o ；l l o； 1 1 l i l l o ；1 0 0；0 0 0； 图2 - 3 一个开关周期内逆变器的开关状态 在实际应用中，应把l 、乏置于开关周期的中间，使得输出波形对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 称，以减少谐波以及电机转矩脉动，如图2 3 所示。图中，s 。、s 。、为三 个桥臂的开关状态。某相波形为高电平时表示该相对应桥臂的开关状态为“l ”， 为低电平时表示对应桥臂的开关状态为“0 ”。 然而，上述方法只能在各相上调制出最大幅值为v d c 2 的正弦波，其本 质也就是s p w m ，它的直流电压利用率较低，只有0 8 6 5 。那么，要怎样才 能改善这一缺点呢? 2 。2 3 统一电压调制技术与s v p w m 的统一 逆变器三个桥臂的开关状态s 。、s 。、肺一共可以组合成8 种开关模式， 分别为0 0 0 、1 0 0 、1 1 0 、o l o 、0 11 、0 0 1 、1 0 1 、1 1 l 。若将这8 种开关模式对 应到图2 1 所示的空间坐标系中，就能得到8 种电压空间矢量，如图2 4 所 示。根据这8 种电压空间矢量相位角的特点可分别命名为d 0 。”“、u 矿 u 舯、u 瑚、以。、d 1 1 1 0 其中0 0 0 和1 1 1 开关模式使得逆变器输出电压为零， 因此其对应的空间矢量和a ，幅值为0 ，为零矢量，位于坐标系的中心， 而其余6 个矢量为非零矢量，非零矢量的幅值相同，相邻的矢量间隔6 0 。 图2 - 4 基本电压空间矢量 在某个开关周期内，若要得到某个电压矢量就+ ，只需用与其邻近的两个 电压矢量进行合成即可。例如，图2 4 中的“就可以用砜与进行合成， 方法是：令逆变器分别处于1 0 0 和1 1 0 的开关模式下一段时间。从图2 3 也 可以看出，在这个开关周期中，具有1 0 0 与1 1 0 的开关模式。同时，还可以 发现，除1 0 0 与1 1 0 之外，这个开关周期中还具有0 0 0 与1 1 1 两种开关模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 这是因为有时需要合成的电压矢量幅值较小，不需要逆交器处在非零矢量对 应的开关模式下太长时间，然而，开关周期z 一般是个定值，又因为任何矢 量加上幅值为0 的矢量都等于其本身，所以可以通过附加上零矢量对剩余时 间进行填充，从而保证z 恒定不变。对应到实际的逆变器中，其解释就是， 在0 0 0 与1 1 1 的开关模式下，逆变器输出电压为零，不会对电机的电流与磁 链产生影响。 既然逆变器在零矢量对应的开关模式下，不会对电机的电流与磁链产生 影响，那么就可以认为，在一个开关周期中，非零矢量作用的时间才是有效 时间，如图2 3 所示，是这个开关周期中的有效时间。 在2 2 2 节所述的调制方法中，的位置取决于l 、瓦、乏中的最小值 k ，而如果k 较大时，就会使得向外移，最终使得l 、毛、疋中的最 大值k 大于i 。然而，乙所对应的这段时间都为零矢量q 作用的时间， 完全可以将其缩短，从而让内移，最终使得小于或等于c 。这时，其 效果就相当于调制出了幅值超过v 2 的正弦波。理论上，只要满足码互， 就可以合成系统所要求的就。此条件对应裂图2 4 所示的矢量图中就是，合 成的u 必在6 个非零矢量终点所连成的六边形内。若要使u 以近似圆形的轨 迹旋转，其最大的圆形轨迹就是此六边形的内切圆，如图2 5 所示。 图2 - 5u 的最大轨迹圆 同时，可以认为，在一个开关周期中，只要保证非零矢量各自作用的总 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 时间不变，将其分配在这个开关周期中的任何位置都是可以的。反过来，亦 可以认为，只要保证零矢量作用的总时间不变，将它们放在这个开关周期中 的任何位置都可以。那么，就不妨将一个开关周期中的零矢量作用时间平均 分给瓯与0 1 1 1 ，这样做的好处是：使得磁链的运动速度更加平滑，减少电动 机转矩的脉动。 下面具体讲述这种调制技术的实现方法。 首先，根据式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 计算出l 、瓦、正，并求出它 们之中的最大值k 与最小值k 。这时，零矢量q 。作用的时间即为乙。 现在将乙平移，使得0 1 ，作用的时间满足 乏为 = 丝等型 ( 2 - 1 7 ) 则此时乃、瓦、疋都应随着互的变化而变化，由此可得到新的乃、乃、 l = l + ( 互，一k ) 磊= 疋+ ( 五。一正咖) l c2 l c + ( 1 1 1 1 一诚j 再将式( 2 1 7 ) 代入以上三式，可得 z ：l + 生转 正= 疋+ 生警 乏：乏+ 生辚 二 这样，便可求出a 、b 、c 三相上桥臂开通的时刻分别为 乙= 孕= 型半 = 孕= 型半 i r o c = ：r s - z t c = 型等等望 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由于各上桥臂的控制信号波形在一个开关周期中是左右对称的，所以只 要有了开通时刻，就可以相应地得到关断时刻。在忽略死区的情况下，三相 下桥臂的控制信号波形又正好与上桥臂控制信号波形互补。这样就得到了逆 变器6 个功率开关管的控制信号。 至此，实现了一个开关周期中的电压调制。 上述调制方法是基于平均电压的思想，即统一电压调制，同时它又结合 了电压空间矢量的概念，因此，这种调制技术是统一电压调制技术与s v p w m 的统一。这种调制方法调制出的相电压波形呈马鞍形，其直流电压利用率可 达到l ，并且与传统的s v p w m 技术相比，它无需判断扇区，易于实现。 有了调制方法之后，下面对矢量控制的基本原理进行详细的论述。 2 3 坐标变换 感应电机内的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势( 或磁动势) 产生的， 根据电动机旋转磁场理论【4 6 】可知，向对称的三相绕组中通以平衡的三相正 弦电流时，就会产生合成磁势，它是一个在空间以鳓速度旋转的空间矢量。 然而，产生这样一个旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外， 二相、三相、四相、等任意多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产 生旋转磁动势，当然以两相最为简单。 如果能以产生同样的旋转磁动势为准则，将三相静止坐标系下的交流电 流等效为两相旋转坐标系下的直流电流，就可以将交流电机等效为直流电机。 而要实现这种等效，就必须用到坐标变换。 2 3 1 坐标变换的约束条件 电机是电磁能量转化的物理实体，为了不改变电机在坐标变换后的物理 特性，在坐标变换时必须遵循以下原则： ( 1 ) 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效； ( 2 ) 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。 2 3 23 s 2 s 变换( c la r k e 变换) c l a r k e 变换是将三相静止坐标系o a b c 向两相静止直角坐标系oq1 3 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 变换，如图2 - 6 所示。 图2 6c l a r k e 变换 根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效， 别在两个坐标系坐标轴上的投影应该相等。因此有 n ：屯：3 + n 3 i bc o s 浮) + 3 誓c o s ( 一冬) )j n 2 绉：o + n 3 i bs i l l ( 孥) + 3 誓s i n ( 一孥) 即 但转换矩阵 i ： = 笔 1 1一 2 n 压 u 一 2 1 2 3 2 即合成磁势矢量分 ( 2 2 7 ) 李张 协 不是方阵，不能求逆。所以需要引进一个独 立于乞和f 口的新变量o ，称它为零轴电流。零轴是同时垂直于q 和b 轴的轴， 因此形成a 、b 、0 轴坐标系。定义 厂 毛= 寺( 巩+ 舱占+ 瓯) ( 2 - 2 9 ) 式中酪待定系数。 所以，式( 2 2 8 ) 可改写成 西南交通大学硕士研究生学位论文第】8 页 定义变换矩阵 豳ia 1 l 一一 一 o 鱼 2 kk ，、t3 b 鼢= 蓠 1 1 1 22 o 鱼一生 22 kkk 为了满足功率不变条件，应该有 因此，可求得 c 芜- c 簧 将式( 2 3 3 ) 代入式( 2 - 3 1 ) 得 1ok 一! 鱼k 22 一! 一巫k 22 。：未 因此，c l a r k e 变换( 3 s 2 s 变换) 式为 ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 吾了 m m l i 厅怔l互压 坠m