（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的矿井提升机变频调速系统研究.pdf

摘要 根据现在各大煤矿提升机调速系统的现状，研究了基于d s p 控制的矿井提 升机变频调速系统。该系统是基于d s p ( 数字信号处理器) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核 心的无速度传感器矢量控制的变频调速系统。该系统利用大功率电力电子器件 i g c t 和d s p 技术，采用高一高直接变换方式，使高压变频调速在矿井提升电机 上的应用成为可能。 深入研究了异步电动机矢量变换控制理论和利用电动机转矩电流分量进行 速度推算的方法，设计了一个闭环的无速度传感器矢量控制变频调速系统。最后， 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的研究开发平台上，在实验室中对一台电梯模型进行了实验， 并得出实验波形。实验结果证明了该系统具有带负载能力强、响应速度快、超调 量小等优点；尤其能及其准确的显示实际速度，获得理想的速度控制信号，实现 电机的数字化控制；同时还证明了速度推算环节具有良好的跟随性。 关键字：d s p ( 数字信号处理器)变频调速矢量控制标量解耦 i g c t 空间矢量脉宽调制 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no fb i gc o a li n i n ee l e v a t o rv e l o c i t ym o d u l a t i o n s y s t e m , f e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mh a ss t u d i e db a s e do nt h e d s pc o n t r o ln l i n ep i te l e v a t o r 1 1 1 i ss y s t e md o e sn o th a v et h ev e l o c i t yg e n e r a t o rv e c t o t c o n t r o lb a s e do nd s pm i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) t h a tt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2i st h ec o r e s s y s t e mu s e sh i g he 伍c i e n c ye l e c t r i cp c l w e re l e c t r o n i cd e v i c ei g c ta n dt h ed s p t e c h n o l o g y , s e l e c t st h eh i g h 1 l i g l ld i r e c tt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d c a u s e st h e h i g h - p r e s s u r e df r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o ni n t ot ob ep o s s i b l eo nt h e m i l l eh o i s te l e c t r i c a lm a c h i n e r ya p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l eh a ss t u d 诘dt h ea s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o lt h e o r y a n dc a r r i e so nt h es p e e dc a l c u l a t i o nu s i n gt h ee l e c t r i cm o t o rt o r q u ec o m p o n e n to f c u r r e n tt h em e t h o d d e s i g n e dad o s e d1 0 0 pv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mn o tt oh a v et h e v e l o c i t yg e n e r a t o r f i n a l l y ，i nt h ep l a t f o r mb a s e d0 1 1t h et m s 3 2 0 f 2 9 1 2r e s e a r c h t h e s y s t e mh a sc a r r i e do n t h ee x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r yt oa l le l e v a t o rm o d e la n d o b t a i n st h ee x p e r i m e n t a lp r o f i l e 1 1 艟e x p e r i m e n t a lr e s u l th a dp r o v e nt h i ss y s t e mh a s t h eb e l tl o a dc a p a c i t ys t r o n g l y ，t h e 删o f r e s p o n s cq u i c k , o v e rs m a l la n d8 0o n ；a n d i t st h ea c c u r a t ed e m o n s t r a t i o nt r u es p e e d o b t a i l l i l gt h ei d e a ls p e e dc o n t r o ls i g n a l 。 r e a l i z i n gt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yn u m e d c a lc o n t r o l ；a tt h es a m et i m et h el i n ko ft h e s p e e dc a l c u l a t e dh a sg o o df o l l o w i n g k e y w o r d ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r )f r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t y m o d u l a t i o nv e c t o rc o n t r o ls c a l a rd e c o u p l i n gi g c t s d a t i a lv e c t o rp u l s e - d u r a t i o nm o d u l a t i o n 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果：论文采用大功率i g c t 作为变频器的开关元 件，控制核心采用2 0 0 3 年才出产的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。将i g c t 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 相组合构成的变频调速系统用于矿井提升机上是本 文的创新点。尽我所知，到目前为止国内外文献未见报道。 作者：林雪岩日期：2 0 0 6 年4 月1 9 日 广_r慷l 、 o 夕r 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1交流调速系统的发展及现状 一、交流调速的发展 2 0 世纪3 0 年代，不少国家开始提出各种交流电动机的原始方案，但 由于电力变换技术控制手段的制约，进展十分缓慢；在相当长的时期内， 直流调速一直以性能优良而领先于交流调速。 直流电动机虽然有调速性能好的优越性，但也有一些固有的难以克服 的缺点。主要是机械式换向器带来的弊端，其缺点是：( 1 ) 维修工作量大， 事故率高；( 2 ) 容量，电压，电流和转速的上限值，均受到换向条件的制 约，在一些大、特大容量的调速领域中无法应用：( 3 ) 使用环境受限，特 别是在易燃易爆场合难于应用。 而交流电动机有一些固有的优点：( 1 ) 容量，电压，电流和转速的上 限，不像直流电动机那样受限制；( 2 ) 结构简单，造价低；( 3 ) 坚固耐用， 事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指 标不佳。 2 0 世纪6 0 年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管实现了实用化，使 交流电动机调速也进入了实用化。采用晶体管的同步电动机自控式变频调 速系统( 包括不属于变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统等 先后实现了实用化，使变频调速成为交流调速的主流。2 0 世纪7 0 年代以 后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，使变频传动技术也取得了很 大的进步。这种进步集中表现在变频器的大容量化，主开关器件的自关断 化，开关模式的p w m 化以及控制方式的全数字化等方面。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键技术 的突破性进展有关。它们是电力电子器件( 包括半控型和全控型器件) 的 制造技术；基于电力电子电路的变换技术；交流电动机的矢量变换控制技 术；p w m 技术以及微型计算机和以大规模集成电路为基础的全数字化控 制技术等。 随着交流电动机调速理论问题的突破和调速装置( 主要是变频器) 性 能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到克服。目前，交流调速 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。 二、交流调速方法 交流电动机按其工作原理分为异步电动机( 感应电动机) 和同步电动 机两类。 1 异步电动机 所谓异步电动机调速是指在某一转矩下，调节转速使它为某一指定 值。异步电动机的转速可表示为： 疗= 啊( 1 一s ) ：警( 1 一一) 式中：n 一转子转速；，l l 一同步转速：石一定子供电频率； 晶一极对数；j 一转差率 由此可归纳出三种调速方法： 厂，变极调速一对鼠笼型转子 lr 调压调速 j 变转差率调速j 转予串电阻调速一对绕线型转子 弋电磁转差率离合器调速 il 转子串附加电势调速( 串级调速) l 变频调速丁萎二茎竺萋霎薹调速 2 同步电动机 同步电动机转速可表示为： 啊= 等五 式中，l l 为同步转速，如果接入恒频电源，则由于同步电动机的转速 将与电源频率保持严格的同步关系，故而不可调。随着电力电子变频技术 的飞速发展，同步电动机同样可以进行变频调速。而且由于旋转磁场的转 速可以调节，曾经困扰同步电动机的启动，振荡及失步问题也随之得到解 决，扩大了应用范围。 同步电动机变频调速可以分为他控式变频调速和自控式变频调速两 大类。 辽宁工程技术大学硕士学位论史 三、交流调速系统的发展趋势 1 发展水平 ( 1 ) 中小容量等级发展到大、特大容量等级，解决了交流调速系统 的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速时的空白。例如， 法国a l s t h o n 公司制造，1 9 8 4 年投入使用的交一直一交无换向器电动 机。该公司提供的5 0 0 0 k w 以下的无换向器电动机调速系统，转速可达 1 0 0 0 0 r m i n 7 5 0 0 0 k w 以下的转速可达4 0 0 0 r m i n 。又如德国西门子公司， 1 9 8 4 年生产的一台低速大容量交一交变频器，为2 1 0 9 2 0 k w 同步电动机 交一交矢量控制系统，用于厚轧钢机，其技术指标已优于直流传动。 ( 2 ) 可使交流调速系统具有较高的可靠性和长期连续运行能力，从 而满足有些场合长期不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。例如用 g t r 组成电流型逆变器、笼型异步电动机传动的高速电梯，1 9 8 6 年投入 使用后，取得了显著的效果。 ( 3 ) 可以使交流调速系统实现高性能，高精度的转速控制，除了控 制部分可以得到和直流调速同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优 点又使整个控制系统得到更好的动态性能。采用锁相控制的异步电动机交 频调速系统，调速精度可达到0 0 0 2 。 ( 4 ) 交流调速已从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞 争、相媲美、相抗衡，并且逐步取代的地位。 2 技术发展趋势 交流调速技术依赖于电子逆变技术的发展，也依赖于交流电动机制造 技术的发展。其技术发展趋势概括为如下5 点。 ( 1 ) 研制新型的开关元件和储能元件 2 0 世纪8 0 年代以来，各种具有自关断能力的全控型、高速型功率开 关器件相继研制成功，为现代化的变频装置提供了物质保证。采用i g b t 作为功率开关实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，是 功率器件的一个重要发展方向。 ( 2 ) 引入新的控制思想、理论和技术，改善交流调速系统的性能 目前，这两方面最先进的是采用交流电动机的矢量变换控制，在建模、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电动机的某些参数变化对系统影响、矢量变换的模块问题上，尚有许多待 研究的课题。另外，对电流型变频器，可以使用近年来才发展的多重化技 术，改善输出波形。 ( 3 ) 控制系统硬件由模拟技术向数字技术 微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展，为交流电 动机调速理论的实现提供了最重要的物质特征。 ( 4 ) 进一步改进现有交流调速装置的可靠性，彻底解决瞬时停电后 的装置安全及恢复正常工作问题。 ( 5 ) 研制大、特大容量调速系统理想的新型交流电动机 。 随着现代控制理论的不断出现，交流电动机控制技术的发展，交流调 速系统，尤其是变频调速系统的性能将大大提高。 l 。2 高压变频技术的发展概况 t 目前，国内外对高压电动机所采用的变频调速方案主要有以下几种： 一是传统的高一低一高型，它通过两台变压器先将电网高压变为低压 送至低压变频器，再将低压变频器输出的低压变为高压，提供给高压电动 机变频调速。其缺点是升压变压器在变频工况下效率低、功率因数低、整 个系统成本高且占地面积大。 二是高一高型，它通过单支或者多支高压变频器件串联实现高压直接 转换。缺点是单支高压变频器件成本很高，而且受耐压条件所限，其额定 工作电压以3 5 k v 居多；多支高压变频器件串联的变频装置可靠性较差， 造价也很高。 三是多重化型，它通过一种特制的变压器将高压电降为不同电角度的 低压电，经多台低压变频器再叠加成高压电。其优点是输出波形更接近于 正弦，高次谐波含量较低( 其电压总谐波在1 4 以下) ；缺点是所用元器件数 量是普通低压变频器的十多倍，故障概率增大，成本相当高。 四是低压型。即采用低压供电，改用普通低压电动机实现低压交频调 速。然而低压变频器高次谐波较大( 近5 ) ，国家标准要求6 1 0 k v 电网不 超过4 。国外通常采用变频调速专用电动机方案加以解决，但成本较高： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 国内采用普通低压电动机虽然成本较低，但普通低压电动机的绝缘脆弱， 长期在脉冲频率下运行将加速绝缘老化，甚至发生击穿或烧毁事故。而且 同等容量的低压电动机的机座一般要比高压电动机座小一号，势必因底座 尺寸小且轴中心高度低不得不重打地基或者另加底座，还因轴径细而需要 更换对轮等；若换成低压变频调速专用电动机，不仅造价高，而且同等容量 的低压变频调速专用电动机的机座则比高压电动机座大一号，势必因底座 尺寸大且轴中心高度高需重打地基或者给水泵添加底座，还因轴径粗而需 要更换对轮，以至影响机组的动平衡，给现场改造带来不小的麻烦。此外， 容量超过5 0 0 k w 的低压电动机，因受绝缘导线截面积和绕线工艺所限， 难以制造。 五是内反馈型。它是传统的串级调速类型的一种，是基于绕线电动机 的晶闸管变频调速方式。从传统的直流调速发展到绕线电动机串级调速， 又发展到笼型电动机变频调速，可以说内反馈型曾经起到了重要的推动作 用；但在高、低压笼型电动机变须调速技术业已成熟，价格大幅度下降，变 频器己从第一代晶闸管，第二代g t r ，g t o ，发展到第三代i g b t 的今天， 基于绕线电动机的内反馈型晶闸管变频调速方式己经落后了。况且，同等 容量的内反馈调速专用电动机的机座也比原高压电动机座至少大一至两 号，势必因底座尺寸和轴中心高度问题而需要重打地基，还得更换对轮。 此外，内反馈方式还存在先天性的高次谐波大( 约5 ，超过了国标限值) ， 功率因数低( 加上补偿电容器和斩波调速也不过0 9 ) ，调速频率不能超过 5 0 h z ，逆变器易遭颠覆等缺陷。 1 3 矢量控制系统的控制策略和无速度传感器技术的研究 一、矢量控制系统的控制策略 自1 9 6 8 年德国人发明矢量控制理论以来，迄今已有2 0 余年，产品开 发也有l o 年左右历史，技术目趋成熟。从1 9 9 2 年开始陆续有进口的矢量 控制变频器进入国内市场，但国内尚无专门阐述异步电动机无速度传感器 矢量控制系统的专著。矢量控制变频器的知识含量高，体现在：一是应用 自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等现代控制理论设计新的系统； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 二是新的功率器件层出不穷，g t r 已过时，并且已从i g b t 发展到i p m 等 智能模块；三是最新微电子技术的采用十分普遍，如3 2 位d s p ，新型固 体混合电路( h w ) 等。当今高精度通用变频器( 特别是中小容量) ，普 遍采用d s p 无速度传感器矢量控制方案。 1 基本设想。一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系 统，以两相系统作为过渡，可以互相进行等效交换，所以如果将变频器的 给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，就是说，假想有 两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通 入由给定信号分解得到的励磁电流信号乇和转矩电流信号( 带号者 表示控制信号) ，并且把0 和作为基本控制信号，则通过等效变换，可 以得到与基本控制信号0 和等效的三相交流控制信号j 二，t c 去控制 逆变电路，对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效 变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分，用以修正基本 骛 制信号0 和。 进行控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流信号c 0 ) 不变，而控制另一个磁场电流信号( e ) ，从而获得和直流电动机类似的控 制性能。 2 基本框图。如图1 1 所示，给定控制器将给定信号分解成两个互相 垂直且独立的直流信号0 和i ；。然后通过“直交变换”将乇和交换成两 相电流信号e 和，又经“2 3 变换”，得到三相交流的控制信号e ，f ；，e ， 去控制逆变桥。 电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号中的转矩分量c 能随负载 而变，从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。 速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之 以最快的速度进行校正，从而提高了系统的动态性能。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 图1 t 矢量控制构想图 矢量控制法的成功实施，使异步电动机变频调速后的机械特性以及动 态性能达到了足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美的程度，从而使 异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位处于优势地位。 二、无速度传感器技术的研究 ， 要改变交流调速系统的性能，就要引入速度闭环。速度闭环的加入改 善了电机运行的动态性能，然而传统的速度闭环需要采用速度传感器，速 度传感器的安装，增加了系统的成本，破坏了交流调速系统的简易性，同 时机械上的误差还将影响检测精度与控制性能，导致系统可调性下降；此 外速度传感器不适用于潮湿、粉尘等恶劣环境，因此无速度传感器技术的 研究就显得极为迫切，成为研究的热点。 目前，较典型的速度算法有：利用电机方程式直接计算法；模型参考 自适应法：扩展卡尔曼滤波法；定子侧电压f f t 分析法；非线性方法等。 日本学者t o s h i y u kk a n m a c h 提出了一种转速的直接估算方案。该方 案需要准确地测量定予和转子磁链，借助于低通滤波器，才能实现其功能， 这种方案并非十分实用。 基于模型参考自适应( m r a s ) 方法采用两种不同结构的电机模型来 估计相同的状态变量。其中一个模型不包括电机转速，称为参考模型；包 含转速变量的模型称为可调模型。通过两个模型的偏差得到电机估计转速 的自适应收敛律。c o l i n s c h a u l e r 在1 9 8 9 年首次提出利用电机转子磁链的 电压模型作为参考模型，电流模型作为可调模型，建立一个模型参考自适 辽宁工程技术大学硕士学位论文 应系统来估计电机转速，利用p o p o v 超稳定性定理，给出转速估计算法。 1 9 9 3 年，h i r o k a z u t a j i m a 等利用s e h a u l e r 提出的方法进行实验，实验结果 表明系统转速估计收敛于给定值。但速度超调相对较大。随后各国学者对 基于模型参考自适应的转速估计和磁链观测做了大量研究，取得了一定效 果。 卡尔曼滤波器是鲁棒性良好的线性系统滤波器，当输入和输出信号被 噪声所污染时，通过选择合理的增益矩阵可以获得最优的滤波效果。对于 非线性系统的状态估计，则必须考虑使用扩展卡尔曼滤波。扩展卡尔曼滤 波用于速度辨识中已获得了成功，但由于算法复杂，离实际应用还有一段 距离。 1 4 我国矿井提升机调速控制系统的现状 在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关 键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全， 又代表着矿井提升机发展的整体水平。 目前，我国矿井提升机9 0 以上是采用单机容量在1 0 0 0 k w 以下传统 的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器一接触器构成 逻辑控制装置。其中多半为电动机一发电机组( f - d 机组) 供电，采用晶闸 管整流传动( s c r d ) 的只占一部分。传统的交流拖动系统的显著缺点是： 调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度 低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运 行不经济。 由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生 有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的转速。耳前多采取动力制 动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制 动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困 难、维护量大的问题。 传统交流调速系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统 不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 影响。1 9 8 6 年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了经常影响 提升安全的深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初 步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提 升安全状况有所改善。 在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前步的意识紧盯 国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的 合作，采取引进消化、吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合 中国国情的煤矿提升电机现代化的变频调速系统。 1 5 本文的主要工作及意义 根据现在各大煤矿提升机调速系统的现状，又由于矿井提升用高压电 动机以其绝缘强度高和坚固耐用而著称，而且内风冷量较大，具备甚至超 过变频调速专用电机的一些特点，在本文中主要针对这样的高压电机研究 了种基于d s p 的矿井提升机变频调速系统。该系统是以d s p ( 数字信 号处理器) 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的无速度传感器矢量控制的变频调 速系统。该系统利用大功率电力电子器件i g c t 和d s p 技术，采用高一高 直接变换方式，使高压( 6 k v , 1 0 k v ) 交频调速在矿井提升电机上的应用 成为可能。主要内容如下： 深入研究了矿井提升用异步电动机矢量变换控制理论和利用电动机转 矩电流分量进行速度推算的方法，接着在转差型频率矢量控制的基础上， 分析了电压型矢量解耦控制的原理，并考虑了转子磁链相位偏差的补偿， 设计了一个闭环的无速度传感器矢量控制变频调速系统。 另外还深入研 究了这一新型变频调速系统的硬件电路，包括主回路的设计，逆交器件的 选择，控制回路的设计，保护电路的设计，及能量回馈问题的考虑等。该 部分主要分析了选择i g c t 作为逆变器的功率器件和选择d s p 数字信号处 理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制部分的核心芯片。 针对矿井提升机的无速度传感器矢量控制变频调速系统的软件实现关 键在于速度推算模块、电压型矢量解耦模块、速度调节器模块的实现以及 如何实时地得到p w m 开关信号。在该部分首先讲述了系统的软件组织， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 然后主要对速度推算模块、电压型矢量解耦模块、速度调节器模块这三个 模块做了详细的分析，给出了它们的设计方法和编程思想。由于与其它的 p w m 生成方式相比，用s v p w m 时，直流母线电压利用率高，并且能减 小谐波损耗，所以本文采用s v p w m 方法，在这里重点讨论了s v p w m 的 原理，并给出了实现s v p w m 的算法，并对这几部分编程实现。 最后，在基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的研究开发平台上，在实验室中对一台电 梯模型进行了实验，并得出实验波形。实验结果证明了该系统具有带负载 能力强、响应速度快、超调量小等优点；尤其能及其准确的显示实际速度， 获得理想的速度控制信号，实现电机的数字化控制；同时还证明了速度推 算环节具有良好的跟随性。因为矿井提升机运行方式跟电梯及其相似，因 此此实验也能说明在矿井提升机上应用的可能性。 本文所做的工作无疑为矿井提升机变频调速系统的改进拓宽了思路， 也为高压变频控制策略的进一步升级奠定了基础。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 无速度传感器矢量控制系统的原理和速度观测理论 2 1 矢量控制变频调速系统的原理 一、矢量变换控制的原理 三相异步电动机定子三相绕组嵌在定子铁芯槽中，在空间上互差1 2 0 。 电角度，当在定子三相绕组上加三相交流电时，异步电动机在空间上产生 的是旋转磁场。根据直流电动机的电枢电流与磁场相互垂直，将异步电动 机物理模型等效变换为m 、t 坐标下的两相绕组模型，如图2 1 所示。 该模型有两个相互垂直的绕组：m 绕组和t 绕组，且以角速度m 在 空间上旋转。m 、t 绕组分别通以直流电流、。沿m 绕组轴线方向 图2 - 1 异步电动机m 、t 两相 绕组模型 产生磁势，沿t 绕组轴线方向产生磁势，0 与相互垂直，而且分别可调、可控，当保 持恒定不变，控制t 即可很方便地控制电动机 的转矩。 由异步电动机两相绕组模型可得出矢量 变换控制的思路是：把异步电动机的三相绕 组等效为在空间上互相垂直的两个静止的口、 绕组，三相绕组的电流和两相口、绕组电 流有固有的变换关系。再经过旋转坐标变换，将两相静止口，绕组电流 等效变换为磁场方向与m 轴、t 轴方向一致的同步旋转两相m 、t 绕组电 流。这样，通过控制m 轴，t 轴两个方向的电流大小来等效地控制三相电 流、岛、如的瞬时值，从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。 二、矢量变换规律， 在进行矢量变换控制时，需要对矢量进行一系列的坐标交换，其中包 括三相坐标系与两相坐标系之间的变换，静止坐标系与旋转坐标系之间的 变换，现以电流矢量 为例推导这些变换式。 ( 一) 三相两相变换( 3 2 变换) 在三相静止坐标系a 、b 、c 和两相旋转坐标系d ，q 之间的变换，简 称3 2 变换。 取垂直的坐标d ，q 如图2 2 ( a ) 所示，d 轴与定子a 相轴线之间的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 夹角岛。 设三相系统每相绕组匝数为m ，两相系统每相绕组匝数为2 ，令三相 系统总磁势等于两相系统总磁势，则有： - 簧 删小0 s ( 2 0 ) 哪。s ( 2 0 0 ) ( 2 1 ) = 瓮 一j s i n o , 一献2 0 ) - i cs i n o , + 1 2 0 ) ( 2 2 ) 式中，是d ，q 坐标系中的定子电流在d ，q 轴方向上的分量。 再定义一个零轴电流： q 南= 簧砜m 屯) c 图( a ) 三相两相旋转变换 f j g ( a ) t h r e e t w or o t a t i o nt r a n s f r o m 写成矩阵形式，得 ( 2 3 ) a c 图( b ) 三相两相静止变换 f 培( b ) t h r q w o s t a t i ct r a n s f r o m 图2 - 2 三相两相变换 掣c o s ( o , - 1 2 0 叼。) 三s i n ( e , + 1 2 0 制咆：豳( 2 - 4 ) 一s i n ( 毋一1 2 0 。) 一 。) 0 l = c j ，：l l 七 | j j | _ li 厶i 式中，g ，：是三相坐标系a ，b ，c 变换到d ，q 两相坐标系之间的变换矩阵。 设变换前后两个坐标系中的总功率不变，则有：瓮= 括，七= 万1 ，将其代入 ( 2 - 4 ) 式，得， 芦 篙七 ，。l m m = 1jl = h h 一哺 辽宁工程技术大学硕士学位论文 c l 其反变换式为： ，压 n 。、了 c o s 8 l s i n o , 1 2 c o s ( 最一1 2 0 。) - s i n ( o l 一1 2 0 。) l 4 2 c o s 0 1- s m o , c o s ( o i + 1 2 0 。) 一s i n c e l + 1 2 0 。、 1 压 c o s ( 瞑一1 2 0 9 ) 一s i n ( 最一1 2 0 。) c o s ( 岛+ 1 2 0 。) 一s i n ( o l + 1 2 0 4 ) 1 也 l 压 l 压 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 如果把d ，q 坐标轴固定于定子上，且取d 轴方向与定子a 相绕组轴线的 方向一致，则这种变换称为三相两相静止变换，简称3 s 2 s 变换，其中s 表示静止，r 表示旋转。如图2 2 ( b ) 所示，其坐标系称为口、夕坐标系， 在口、口坐标系下，变换阵为： 一 f 2 q m ，2 、j 变换式为： 反变换阵为： 1 1 1 括压 0 坐一竺 22 l11 压压压 1 1 。1 压压 0 竺一竺 22 ll 1 压压压 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 压恬 = 1jk_bpl 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 ：c 3 ，1 2 s - i 、厍 y j 交换式为： l0 1压 22 i3 22 i 1 i 历 压0竺一竺 22 111 忑万西 1 压 1 压 l 互 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在交流调速系统中多为对称接法的三线制，即不带中线的星型接法，零轴 分量f o = 0 ，且+ + t = 0 ，三个变量只有两个是独立的。因而以上关系 式可以迸一步简化为： 3 s 2 s 变换式： ： = 巫o 2 占压 , 2 2 s 3 s 变换式： 阡 o l 2 ( 二) 两相两相旋转变换 从两相静止的坐标系口、到两相旋 转坐标m 、t 的变换称为两相两相旋转 变换，简称2 s 2 r 变换，把两个坐标系画 在一起，即得图2 3 所示。 口、坐标系中两个电流分量，与 m 、t 坐标系中的两个电流分量，之 t ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 峙 砾一 图2 - 3 两相俩相旋转坐标系 压怄 l l 1j0，估k_。l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 间的关系为： = c o s o + i ，s i n 8 ：= 一屯s i n 口+ c o s 6 写成矩阵形式，得 = 。c 。o i n s 曰o c s 0 1 n e 曰 ) f l 乞，p j = c ：，。 乏 c z - - 。， 式中，= ( 墨黝是两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变 换矩阵。口是口轴与m 轴的夹角。同理可得两相旋转坐标系到两相静止坐 标系的变换方程式： = 。c 。o m s p e c s o m s o 口) l i , c 2 - ，4 ， 三、异步电动机的数学模型 为了提高交流电机调速系统的性能，必须建立交流电机的数学模型， 掌握电压，电流，转矩与电机参数之间的关系。 ( 一) 异步电动机在任意两相旋转坐标系d ，q 上的模型 根据坐标变换的方程式得到异步电动机在任意两相旋转坐标系上的 数学模型。这样得到的数学模型只有两相，比原来的简单，又由于其坐标 系是以任意旋转的，所以更具有一般性。 1 电压方程 定子电压方程： 转予电压方程： “d l = 蜀+ p 伤l q 1 伤i l“d 2 = 如2 + p 伤2 一q 2 伤2 1 j = 蜀+ p 伤j + 0 4j 9 _ ( 2 - 1 5 )2 = 是如+ p 2 + q 2 p 如 ( 2 1 6 ) l = 墨f o l + p 9 0 1 j4 0 2 = r + p j 式中，q ，一为0 坐标系相对于转子的角速度；r l ，r 一定，转予电阻； d p 一磊 2 磁链方程 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 00 厶0 00 00 0 0 厶， 0 l 0 l 龟l b 2 _ 2 k ( 2 1 7 ) 式中，厶，一定，转子电感；l 一定转子绕组之间的互感；l i t , l ：，一由漏 磁通产生的定转子漏感；厶一面o 坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互 感；厶= 厶+ l 一由0 坐标系等效的两相定子绕组的自感；= 三2 ，+ k 一 由0 坐标系等效的两相转子绕组的自感。 将式( 2 - 1 7 ) 代入( 2 - 1 5 ) ，( 2 - 1 6 ) 中，并考虑到零轴电压、电流、 磁链独立于d ，q 轴参数，它们的求解与d ，q 轴变量无关，所以d ，q 轴 上异步电动机的数学模型为： l d 1 l u d 2 u q 2 r l + p q 。厶 l 。p q ：l - 0 6 1 t 蜀+ l , p q 2 厶p 厶p q 1 醚+ l r p q 2 一q l l 厶p q ： 是+ l , p h 钿 0 2 0 2 ( 2 1 8 ) 3 转矩方程 c = 毛+ i ji d c 0 2 砜：一弛z ) ( 2 - 1 9 ) 式中，n 。是电机的极对数。 ( 二) 异步电动机在两相静止口，坐标系上的数学模型 在静止坐标系口，上的数学模型是任意旋转坐标系d ，q 数学模型的一 个特例，只要在旋转坐标系模型中令q = 0 ，p 鼠= 0 6 。= 0 即可，这时p 8 = 国， 即转子的角速度，0 4 ：= 鹏= p ( o - o ) = 一p 8 = - - c o 。于是异步电动机在口，坐 标系的数学模型为： l 甜棚 2 2 蜀+ l a , o l m p 一乙 0 l 。p 置+ l a ,k 咀足+ p 厶pc o l , o 三m p c o l , 足+ p k 0 l 2 b 2 ( 2 2 0 ) k o o o 0 o o k 0 o o o 厶o o k o t o o k o 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 电磁转矩方程 = p 厶( ，2 一l 2 ) ( 2 - 2 1 ) ( 三) 异步电动机在两相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模 型 在同步旋转坐标系上，坐标系相对定子的角速度q 。= o h ，转子的转速 为，d ，q 坐标系相对转子的角速度q 2 = q - - c a _ - - c a , ，即转差频率，得到异 步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型： 焉+ t pq 丘 q t墨+ 厶p l 。p s l m i l 。l 。p 厶pq q 厶z p 是+ l , pc o , q 岛+ l , p 0 l 0 0 2 0 2 ( 2 2 2 ) 现在规定d 轴沿着转子磁链矢量讫的方向，并称之为m 轴；而q 轴则 逆时针旋转9 0 度，即垂直于矢量纯的方向，称之为t 轴，这样，两相同 步旋转坐标系就具体规定为m ，t 坐标系，即按转子磁场定向的坐标系。将 式( 2 - 2 2 ) 中坐标轴的符号改变一下，即得m ，t 坐标系上的数学模型： 置+ 厶p a h q 厶焉+ 丘p 厶pc o , 厶 s l ml 。p 厶pq l q 厶上肼p r l + l r pc a , l r q 马+ p l m i l l m 2 2 ( 2 2 3 ) = 厶( - 2 一l 2 ) ( 2 - 2 4 ) 由于仍与m 轴重合，显然有：= 仍，识2 = o ，所以有： 厶。+ 2 = 纯，厶f f i + ：= o ( 2 2 5 ) 将式( 2 - 2 5 ) 代入式( 2 2 3 ) 中，又笼型转子电机，转子短路，则u m 2 = 2 = 0 ， 这样就得到了笼型异步电动机在两相同步旋转坐标系下的电压方程： “m 1 n t l “m 2 l i t 2 “m 1 l l t l o 0 墨+ t pq 丘 q 丘置+ g p 厶p 0 q l 0 l pq k 嵋k上埘p 恐+ l , p 0 q r 将式( 2 - 2 5 ) 代入式( 2 - 2 4 ) 的转矩方程为： l m l k i m 2 2 ( 2 2 6 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i = 争。讫 q ( 2 2 7 ) 式( 2 - 2 7 ) 表明，在保持转子磁链仍恒定不变时，电磁转矩只与i 成正 比当定子电流励磁分量0 突变而引起变化时，立即在转子中感生转子电 流励磁分量如，阻止仍的变化，这和直流电机励磁绕组惯性的作用是一致 的，使仍只能按时间常数五的指数规律变化。 四、矢量控制的基本方程式 将式( 2 2 5 ) 代入式( 2 - 2 6 ) 中第三行中，得： 铲一譬 ( 2 - 2 8 ) 再将式( 2 - 2 8 ) 代入式( 2 2 5 ) 中，得： 一 ：掣仍 ( 一2 9 ) 22 9 i2 。： 一仍 l 式中，瓦= i l r 一转子回路时间常数 式( 2 - 2 9 ) 表明，转子磁链仍仅由，产生，与。无关，因而被称为定子电 流的励磁分量。 由式( 2 2 5 ) 得一鲁毛 ( 2 3 0 ) 由式( 2 - 2 6 ) 得第四行可得： 0 = q ( 厶十三，2 ) + 恐2 = q 仍+ 足2 q ：一生， ( 2 3 1 ) 铲一葛k 睨。 将式( 2 - 3 0 ) 代入式( 2 - 3 1 ) ，得： q = 镪( 2 - 3 2 ) 式( 2 2 7 ) ，( 2 - 2 9 ) ，( 2 3 1 ) 就是矢量控制的基本方程式。从这些方程式 中可以看出，控制k 就可以控制励磁磁通经，只要保持仍不变，则控制。 就可以控制力矩。这样就达到了类似控制直流电机一样的控制方式。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 2 2 无速度传感器矢量控制系统的原理 无速度传感器的矢量控制系统的o j 虽然不能直接检测，但若找到转子 磁链角速度q ，则可反过来求出国，即= 玛一c o , ( 2 - 3 3 ) 这就是速度观测原理，式中的啦是在已知电机参数的情况下，由式 ( 2 - 3 2 ) 算出。无速度传感器矢量控制系统实现方法很多，有动态转速估 计器，自适应转速观测器，模型参考自适应方法，高频注入法等。 一、异步电动机标量解耦控制 在矢量控制中，有采用以磁通观测器获取转子磁链的直接磁场定向方 法，以及采用计算机转差频率的间接磁场定向方法，后者又称为转差频率 法。在直接磁场定向控制中，磁通观测器的模型与电动机参数密切相关， 因此磁通观测器的准确性受电动机参数，特别是转子回路时间常数 五= 是的影响很大。尽管它可望采用现代控制技术中的自适应控制方法 来加以解决，但是由于在系统中同时要确定转子磁链，又要进行坐标变换 和考虑参数变化的影响，因此系统趋于复杂，实用化比较困难。而在转差 频率矢量控制中，在保证转子磁链的大小恒定不变的前提条件下，只要测 出电动机转子的角速度彩，以及根据所需要的转矩推算出相应的转差角频 率q 和计算动态过程中为保持转子磁链相位不变的附加转差角频率q ， 并以三者之和的积分进行磁场定向，就可实现间接磁场定向控制。转差频 率矢量控制不需要进行复杂的磁通检测，也不需要进行繁琐的坐标变换， 运算和控制较简单，因而在基频以下得到较多的推广应用。 在传统的异步电动机矢量控制系统中，常采用带电流负反馈的可控电 压源，以提供正弦电流输出，降低转矩脉动和电动机损耗。但由于采用的 是异步电动机的电流源模型的电压控制方式，因此不能解除同步旋转坐标 系统中定子电压方程中的交叉耦合项，使电动机定子电流的转矩分量与励 磁分量相互影响，从而影响系统的品质。如果能从电动机输入指令中附加 一个去耦合项，就可以抵消电动机内部的耦合作用，达到解耦的目的。现 介绍的电压矢量解耦控制实现了两个彼此独立的定子电压子系统，即m 轴 电压子系统和t 轴电压子系统。m 轴电压子系统用来产生电动机的励磁电 流分量，t 轴电压子系统用来产生电动机的转矩电流分量。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 基于转差频率矢量控制，分析电压矢量解耦控制原理，以及保证m 轴 按转子磁链方向定向的转子磁链相位偏差补偿原理，然后在电压型矢量解 耦控制的基础上，阐述利用