（电力电子与电力传动专业论文）异步电机的无源性控制器的设计.pdf

华南理工大学硕士学位论文 最后，本文设计了基于无源性控制方法的变频器实验系统。该变频器采用了 整流桥与i p m 构成主电路；由于d s p 具有强大的实时控制能力，因此以t i 公司 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制电路的核心。该设计为变频调速实验系统的实现打下 了基础。 本文的结尾部分，总结了全文的研究工作，提出了今后的具体研究方向。 关键词异步电机；建模：无源性控制；仿真；变频器； i i 一 垒! ! 塑曼 a b s t r a c t t h e r ei sa no i lc r i s i sa l io v e rt h ew o r l di ni9 7 0 s s oi t c o s tm a n yd e v e l o p e d c o u n t r i e sag r e a td e a lo fh u m a na n df i n a n c i a lr e s o u r c et od or e s e a r c ho ns a v i n ge n e r g y h o w e v e r ，6 0t o7 0p e r c e n to fe l e c t r i ce n e r g yi sc o s tb ym o t o r si nt h ep o w e rs y s t e m a n dt h ep r a c t i c ei n d i c a t e st h a ti tc a nb es a v e d2 0t o3 0p e r c e n te l e c t r i ce n e r g yi ft h e a cm o t o r sa r ed r i v e nb yf r e q u e n c yc o n v e r t e r m o r e o v e r ，a st h em a i ne q u i p m e n t w h i c hc o n v e r tt h ee l e c t r i ce n e r g yt om e c h a n i s me n e r g y ，m o t o r sa r er e q u i r e dt oa d j u s t i t s s p e e da c c o r d i n g t ot h et e c h n i c s r e q u e s t t h a t i s t o s a y ，s p e e d a d j u s t i n g p e r f o r m a n c eo fm o t o r s i s v e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n d p r o d u c t i v i t ya n ds a v ee n e r g y t h e r e f o r e ，a sf a ra se c o n o m ya n dt e c h n i q u ea r e c o n c e r n e d ，i ti sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho ns p e e d c o n t r o lm e t h o do fa cm o t o r s a t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sr e g a r d e da st h eo b j e c tt ob ec o n t r o l l e di nt h i s p a p e r ，b a s eo nt h ed e t a i l e da n a l y s i s o fi t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n do p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，a np a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l ( p b c ) m e t h o di sa p p l i e dt oc o n s t r u c tf lm o t o r d r i v i n gs y s t e m m o r e o v e r d e s i g ns t e p s o ft h e p a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l l e r 一 f r e q u e n c yc o n v e r t e ra r ep r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ef i r s t ，t w om a t h e m a t i c a lm o d e l so fi n d u c t i o nm o t o r ，t h a ti s ，s t a t es p a c e m o d e la n de u l e r l a g r a n g em o d e la r ed e d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r i nf a c t ，t h et o w m o d e li se q u a lt oe a c ho t h e re s s e n t i a l l y ；w ec a nc h o o s ed i f f e r e n tm o d e l sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n to b j e c ta n dc o n t r o lm e t h o d s w h e r e ，t h el a t t e ri so b t a i n e db a s e do nt h e v i e w p o i n to fe n e r g y ，s oi tc a nb eu n d e r s t a n de a s i l yb ye n g i n e e r s t h es e c o n d ，t h ec o n t r o lm e t h o d so fi n d u c t i o nm o t o ra r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r i ti n c l u d et h ec o n v e n t i o n a le n g i n e e r i n gm e t h o da n dm o d e r nc o n t r o lm e t h o d ，s u c ha s a d a p t i v ec o n t r o l ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o la n ds oo n t h e a d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n go ft h e s em e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e rt o o t h e r e i n t o ，p b ci so b t a i n e db a s e do nt h ev i e w p o i n to fe n e r g y , w h i c hm a d e e n g i n e e r su n d e r s t a n di tm o r ee a s i l y i ti san o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o dw h i c hi sg l o b a l d e f i n e da n dg l o b a ls t a b l e t h e r ei sn os i n g u l a r i t yi nt h i sm e t h o ds oi ti ss u i t a b l ef o r a p p l y i n gi tt ol o ws p e e ds t a t u so re v e ns t a r t u pa n dt h i sm e t h o di sr o b u s tf o ru n k n o w n p a r a m e t e r sa n du n m o d e ld y n a m i c t h e r e f o r e ，p a s s i v i t y b a s e dm e t h o di sa d o p t e di n t h i sp a p e r a p a s s i v es u b s y s t e md e c o m p o s e d ”m e t h o di su s e dt o d e c o m p o s et h e i n d u c t i o ns y s t e mi n t oaf e e d b a c ki n t e r c o n n e c t i o ns y s t e mb e t w e e ne l e c t r i cs u b s y s t e m 1 1 1 华南理工大学硕七学位论文 a n dm e c h a n i s ms u b s y s t e m ，t h e ni ti su n n e c e s s a r yt oc o n s t r u c ta nr o t o rs t a t eo b s e r v e r a b o u tt h ed i s t u r b a n c ef r o mt h eu n m o d e ld y n a m i c ，a ni n t e g r a lm e t h o do fs t a t o rc u r r e n t i su s e dt oc o m p e n s a t et h ee f f e c t a st ot h es i t u a t i o nt h a tt h ei n d u c t i o nm o t o ri sd r i v e n b yv o l t a g e f e di n v e r t e r ，ad qi m p l a n t a t i o n o ft h ep b cm e t h o di s p r e s e n t e df o r c o n v e n i e n c e an o n l i n e a ri n j e c t i o nm e t h o do fn o n l i n e a rd a m p i n gi s p r o p o s e dt o i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n da v o i dm a g n i f y i n gt h eu n m o d e l d y n a m i cs i m u l t a n e o u s l y t h et h i r d ，a ne m u l a t i o n a ls y s t e mo ft h ed r i v es y s t e mw h i c hb a s e do np b ci s e s t a b l i s h e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ka n dt e s t e d t h ee m u l a t i o n a lr e s u l ts h o w st h a t t h ed r i v es y s t e mb a s e do np b ch a v eag o o dp e r f o r m a n c ei ns p e e da n df l u xn o r m t r a c i n g t h ef o u r t h ，af r e q u e n c yc o n v e r t e rs y s t e mb a s e do np b ci sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i nt h i ss y s t e m ，r e c t i f i e rm o d u l ea n di p ma r eu s e dt oc o n s t r u c tt h em a i nc i r c u i t a st o t h ec o n t r o lc i r c u i t ，b e c a u s et h ed s ph a st h es t r o n ga b i l i t yo ft h er e a lt i m ec o n t r o l ，s o t h et m s 3 2 0 f 2 81 2w h i c hm a d eb yt ic o r p o r a t i o ni sc h o s e nt ob et h ec o r eo fc o n t r o l c i r c u i t t h i sd e s i g nl a y st h ef o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n gt h ed r i v es y s t e m i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r ，s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa n df u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n sa f t e rt h i sr e s e a r c ha r eg i v e no u tb r i e f l y k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；m o d e l i n g ；p a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n ； f r e q u e n c y c o n v e r t e r 物理量名称及符号表 u 一一电压 i 一一电流 五一一磁链 毋一一磁通 足一一定子电阻 尺，一一转子电阻 l 一一定予自感 l 一一转子自感 ，一一定、转子互感 n 。一一极对数 照一一磁场同步角速度 艘一一转子机械角速度 f 一一电机电磁转矩 f ，一一电机负载转矩 d 。一一电机转动惯量 r 一一电机阻尼系数 物理量名称及符号表 口一一广义位移坐标 d 一一广义速度 l ( q ，口) 一一拉格朗日函数 t ( q ，香) 一一动能 v ( g ) 一一势能 f ( q ) 一一r a y l e i g h 耗散函数 q 一一外部广义力 州l 一一向量工的欧氏范数 ，。一一n 维单位矩阵 互( k ) 一一足的最大特征值 墨( 芷) 一一k 的最小特征值 v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：牲日期：2 0 0 5 5 月s 。日 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。本人授权华南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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i | o ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：喳挣毒钍日期：2 0 0 5 5 月3 。日 导师签名： 杨芩 日期：2 0 0 5 年5 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流谓速技术的研究意义 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、困 防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占发电量的6 0 7 0 ，成为用 电量最多的电气设备。根据统计，在电机用电中，交流电动机用电量占电机总用 电量的8 5 左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。 2 0 世纪7 0 年代初，一场石油危机席卷全球，工业发达国家投入大量人力、 财力研究节能措施。人们发现，占电机用电量一半的风机、泵类负载是靠阀门和 挡板来调节流量或压力的，其拖动电机一般工作恒速状态，从而造成了大量的电 能浪费。如用改变电机转速的方法调节风量或流薰，在压力保持不变的情况下， 一般可节电2 0 3 0 。另外，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实 际应用中，除了要求电动机具有较高的机电能量转换效率外，还要求电动机能裉 据生产机械的工艺要求控制和调节旋转速度。因此，电动机的调速性能对提高产 品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。为了控制电动机的 运行，就要为电动机配上控制装置。也就是说，电动机+ 控制装置一电力传动自 动控制系统。 1 2 交流调速技术的发展与现状 1 2 1 交流调速技术的发展历程 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁 电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电 枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流 调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此在2 0 世纪8 0 年代以前的变速传 动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是直流电动机本身结构上存在着机械 式换向器和电刷使它具有一些难以克服的固有缺点，如造价偏高，维护困难，寿 命短，单机容量和最高电压都受到一定限制等等，使得直流调速系统的开发和应 用也相应受到了限制。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便 宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限 华南理上大学硕士学位论文 制等优点。虽然交流电动机拥有很多优点，但是长期以来由于受到科技发展的限 制，把交流电动机作为调速电机的困难问题未能得到较好的解决，只有一些调速 性能差、低效耗能的调速方法，如绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级 调速方法以及鼠笼式异步电动机定子调压调速方法及后来的电磁调速方法。2 0 世 纪6 0 年代以后，出于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流 调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅速发展 为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论 及应用技术大致沿下述四个方向发展。 1 变流技术与变换器的发展 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速 的发展。2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装 置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。8 0 年代中 期以后用第二代电力电子器件g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 等制造的变频装置 在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲荚。随着向大电流、高电压、高频化、 集成化、模块化方向继续发展。第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频 器的主流产品，中、小功率的变频调速装置( 1 1 0 0 0 k w ) 主要是采用i g b t ，中、 大功率的交频调速装置( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 k w ) 采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末至 今，电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为：高压i g b t 器件，i n s u l a t e dg a t ec o n t r o l l e dt r a n s i s t o r ( i g c t ) ，i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t e t r a n s i s t o r ( i e g t ) ，s y m m e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ( s g c t ) 。进入第四 代后，g t o 器件将被逐步淘汰，器件的模块化更为成熟。如：智能模块i p m ，专 用功率器件模块a s p m 等。模块化功率器件将是2 l 世纪主宰器件。在人类进入 信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术起仍是2 1 世纪最 重要的两大技术。 2 脉宽调制( p w l l ) 技术 脉宽调制技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为四类，即等 宽p w m 法，s p w m 法，磁链跟踪型p w m 法及电流跟踪型p w m 法。p w m 技术 的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动枫定子得到了接近正弦波形的电 压和电流，提高了电机的功率因数和输出效率。现代p w m 生成电路大多采用具 有高速输出口的单片机及数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 一一d s p ) ，通 过软件编程生成p w m 。近年来，新型全数字化专用p w m 生成芯片h e f 4 7 5 2 、 s l e 4 5 2 0 、m a 8 1 8 等达到实用化，并已实际应用。 3 矢量控制与直接转矩控制技术的发展 交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态 重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之 第一章绪论 间的解祸，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交 流调速系统的动态特性得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流 调速成为可能。目前对调速特性要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型 的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速控制系统的优越性高于直 流调速系统。针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中增加了自适应参数辨识。 继矢量控制技术后，2 0 世纪8 0 年代中期由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首 先取得了直接转矩控制技术实际应用的成功。近十几年的实际应用表明，直接转 矩控制与矢量控制相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此交流电动 机直接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。 4 。微型计算机控制技术的发展 交流调速从开始应用时起经过了十几年，其控制电路多为由模拟电子电路组 成。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片微机及数字信号处理器d s p 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用及大规模集成电路的应用，促 使交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。当今模拟控制器已被 淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍应用，主要的微处理器是单片机、d s p 、 精简指令集计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r - - - - r i s c ) 、高级专用集成 电路( a d v a n c e ds p e c i a l i z e di n t e g r a t e dc i r c u i t 一一a s i c ) 。 数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多复杂而难以实现的基于 现代控制理论的控制技术，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模 变结构控制、自适应参数辨识、无源性控制、状态观测器和卡尔曼滤波器等，采 用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可 能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特 别是故障诊断技术得到了完全的实现。 1 2 2 国外发展现状 就交流调速技术的现状而言，发达国家拥有很大的优势。在大功率交+ 交变频 调速技术方面，法国阿尔斯通已能把单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船 舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，a b b 公司提供了单机容 量6 万k w 的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子 公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0 k v a 和s i m o v e r t pg t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ，其控制系统已实现全数字 化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率变频调速技术方面，只本富士b j t 变频器最大单机容量可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器已形成系列产品，其控制系统也 已实现全数字化。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 2 3 国内发展现状 就电气传动技术水平而言，我国与国际先进水平差距1 0 1 5 年。在大功率交 一交、无换向器等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化 及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组 启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大的需求。在 中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的 样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年都需要大量进口。 1 3 现代交流调速系统的发展趋势和动向 综观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展趋 势和动向应该有以下四个方面： i 控制理论与控制技术方面的研究与开发 各种控制方法所依据的都是被控对象的数学模型，因此，为了建立交流调运 系统的合理适用的控制结构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点及内在规 律作深入研究和探讨。特别是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法是 今后的重要研究课题。 矢量控制中转子参数估计的不准确及参数变化影响造成定向坐标的偏移问 题，至今国内外并未真正艇决，因此转予参数辩识及针对参数变化的自适应控划 是今后矢量控制研究的攻坚课题。 直接转矩控制技术在应用实践中不断完善和提高，其研究的主攻方向是解决 低速时电机定子参数对磁链运动轨迹的影响；进一步提高低速时的控制性能，扩 大调速范围。 基于现代控制理论的控制策略。如滑模变结构控制、自适应控制、无源性控 制，采用微分几何理论的反馈线性化控制，鲁棒控制等，随着计算机控制技术的 发展必然会被更多更易她应用到实践上，因此基于现代控制理论的电机控制方法 与变换器控制方法也是研究热点之一。 近年来，不依赖电机模型的模糊控制、模糊聚类算法、人工神经网络、专家 系统等智能化控制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论与技 术新的研究发展方向。 2 变频器主电路拓扑结构研究与开发 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中主要解决的重要问题之一，其 主要措施是降低电力电予器件开关损耗，“软开关”技术的实现使得开关损耗降低 4 第一章绪论 到零。因此，围绕着变换器的“软开关”的实现问题，相应的谐振技术、准谐振 技术、z c s 、z v s 、z c t 、z v t 及其相关电路拓扑成为了研究热点。同时，采用 软开关技术也是解决电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e - - - - e m l ) 问题的有 效方法。 目前国内钤的关于交流调速系统的产品，重点都放在电机变频控制理论的实 现和完善上，而对变频器的输入电流波形、功率因数以及谐波污染等问题还没有 引起足够的重视。因此，实现变频器的功率因数校正( p f c ) 也是重点研究方向， 目前多采用多重化技术实现。 针对交一交变频器输出频率低的缺点，于2 0 世纪8 0 年代人们开始研究矩阵式 变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ) 。矩阵式变换器是一种可供选择的交一交变换器结构， 其输出频率可提高到4 5 h z 以上。近来已有研究成果表示，可望在不久的将来能 达到实用化的阶段。 3 p w m 模式改进与优化研究 近年来，随着中压变频器的兴起，对于电压空问矢量控制p w m 模式进行了 改进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电压 矢量合成p w m 模式，已取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中 压变频器的脉冲移相p w m 技术已有应用。 另外，p w m 技术也是实现变频器的功率因数校难( p f c ) 的有效方法之一。 4 无速度传感器的研究 从各种交流调速理论可知，一般的系统都要用到转速传感器，安装昂贵的光 电编码器式速度传感器，增加了系统的成本，破坏了变频调速系统的简易性和鲁 棒性。另外，在实际使用中。由于变频器与被控电动机有一定的距离，而高精度 的转速传感器都要使用专门的电源，被控电动机有的是在户外，运行工况恶劣， 要保证速度反馈的准确性，有时不得不采用特别措施，因此也会增加额外的费用， 运行的可靠性和控制精度也会因此受到影响。采用无速度传感器的变频调速系统， 式通过现场采集电流电压量，以及控制的实施策略，综合出被控电机的实际转速。 这种控制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。目前采用的方法有 模型参考自适应( m r a s ) 参数辨识，扩展的卡尔曼滤波器等。 5 中压变频装置的研究与开发 中压是指电压等级为2 3 0 0 1 0 0 0 0 v ，中、大功率是指功率等级在3 0 0 k w 以 上。中压、大容量的交流调速系统研究与开发实践已有2 0 多年了，逐步走上了实 际应用阶段，尤其高压全控型功率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加 快了。其中目前应用较多的是采用i g b t 、i g c t 三电平中压变频器及级联式多电 平中压变频器。当今多电平中压变频器已成为交流调速研究的新领域，是热点课 题之一。 华南理上大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要工作与内容安排 本文主要研究了异步电机的e u l e r l a g r a r t g e 模型，在此模型上的无源性控制 方法，仿真分析和实验系统设计等。具体各章节安排如下： 第一章为绪论，概述了交流调速技术的研究意义和背景，交流调速技术的发 展与国内外现状，交流调速技术的发展趋势与动向。 第二章论述了异步电动机的数学模型的建立与目前异步电动机的控制方法。 异步电动机的数学模型是基于一定的坐标系下建立的，因此在第二章中首先会先 介绍三种常用的坐标系；其次，给出了异步电动机的状态空间模型与 e u l e r - l a g r a n g e 模型，说明了电机是一个多变量、非线性、强耦合系统，这两种 数学模型分别适用于反馈线性化控制和无源性控制的实现；晟后，给出了异步电 动机转速控制的常规工程控制方法和非线性控制方法，并对各种方法的优缺点作 出了比较。 第三章详细论述了异步电动机的无源性控制方法。近年的研究表明，无源性 控制( p a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l 一一p b c ) 具有许多优良的控制性能，它基于能量 的观点，是一种全局定义而且全局稳定的控制方法，无奇异点因此适用于低速甚 至启动的情况，对未知参数和未建模动态具有很强的鲁棒性，是一种本质上的非 线性控制，其核心是“能量成型”与“阻尼注入”。第三章详细论述基于“无源子 系统分解”的无源性控制方法，并对非线性阻尼注入、转子磁通定义及电机参数 自适应辨识等作了论述。 第四章给出了采用无源性控制的变频调速系统的仿真分析。采用著名的系统 仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 来对基于无源性控制方法的变频调速系统进行仿真，给 出了在不同参考输入下，系统动静态性能的变化。 第五章给出了采用无源性控制的变频调速系统的具体设计步骤。根据异步电 动机的实际参数，采用电力电子器件实现变频器的主电路：根据无源性控制策略， 采用高性能的d s p 作为控制电路的核心。 在最后一章中，作者对全文的研究内容作简单的小结，并展塑了未来的研究 方向。 6 第二章异步电机的建模与控制方法综述 2 。1 引言 第二章异步电机的建模与控制方法综述 异步电动机的数学模型一般都是根据基尔霍夫定律和牛顿第二运动定律获 得的，这样的数学模型很容易让工程人员及有电工基础的人理解。但是，从控制 器设计者的角度来看，在对被控对象进行控制时，需要根据不同的控制目的和控 制方法而采用不同的模型。因此对于异步电动机，除了一般的电压、磁链方程模 型外，还有控制理论学者所熬悉的状态空间模型。本章会首先介绍这种数学模型。 在基于状态空间的非线性控制理论的发展过程中，强调的是整个系统的特 性，一般不考虑系统的物理结构和限制。而系统的建模过程又主要是根据系统的 物理原理和限制来进行的。建模与控制之间的这种两分性，突出了在包括系统物 理结构，尤其是能量耗散特性等基本问题上，建立非线性系统控制的系统理论框 架的必要性。当系统动态特性用e u l e r l a g r a n g e 方程来描述时，就可将对系统的 控制与系统的物理结构结合起来考虑。在本章中也会详细介绍e u l e r - l a g r a n g e 模 型。 自从异步电动机诞生以来，它以其结构简单、运行可靠、转动惯量小、适用 性强、维护简单等优点深受工业界青睐。尽管它的发展已有百余年的历史，但人 们对它的研究，特别是对其控制方法的研究仍在不断地进行。究其原因是除了异 步电动机在工业中用途广泛外，异步电动机还是一个多变量、非线性、强耦合的 系统，而且其转子电流一般很难直接测量，电机的参数会因为温度等影响而改变， 这样就给控制器设计者带来了许多困难。现在用于工程实践上的异步电动机控制 尽管在一定程度上能满足一定的工程要求，但是在需要更精确的情况下，传统的 工程控制方法往往力不从心。因此，国内外学者运用现代控制理论中几乎所有的 方法，对其进行了大量的研究。为异步电动机的高精度控制提供了多种方法。在 本章的第四部分中会对常规的工程控制方法和基于现代理论的控制方法作一个综 述。 2 2 异步电机的坐标系 异步电机的坐标系是按异步电机实际情况来确定的，这样做的目的是为了物 理意义更实际、更清晰，但是多种坐标系的运用也是导致读者疑惑的原因。因此， 根据外文文献的定义，本小节会较为简单地介绍异步电动机的三种常用坐标系。 1 定子坐标系 华南理丁大学硕十学位论文 ( 1 ) a b c 坐标系 三相电机定子中有三相绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，彼此互差1 2 0 度， 构成了一个a b c 三相坐标系。因为a 、b 、c 轴固定在定子绕组三相的轴线 上，所以a b c 坐标系属于静止坐标系。 ( 2 ) 卯坐标系 由于三相坐标系中，实际独立的变量只有两个，因此可以根据功率不变 和磁场等效的原则，通过线性交换来降阶，变成一个两相直角坐标系。因此， 定子坐标系中可以定义一个两相直角坐标系一一筇坐标系，它的口轴与a 轴重合，卢轴超前口轴9 0 度，筇坐标系属于静止坐标系。也就是说，可以 用一个假想的两相正交的绕组来等效三祖的对称绕组，这样傲的好处是由于 坐标系是正交的，因此定子两相绕组之间没有磁的耦合。 异步电机的定子坐标系如图2 1 所示。 图2 - 1 异步电机定子坐标系 f i g 2 1s t a t o rr e f e r e n c ef r a m eo fi n d u c t i o nm o t o r 2 转子坐标系 ( 1 ) a b c 坐标系 对于转子来说，它也有三相绕组a 、b 、c ，彼此互差1 2 0 度，构成了一 个a b c 三相坐标系。因为a 、b 、c 轴固定在定子绕组三相的轴线上，所以a b c 坐标系属于旋转坐标系，其旋转速度是转子的电气角速度。 ( 2 ) d q 坐标系 根据功率不变和磁场等效的原则，与定子坐标系一样，转子坐标系也可 以定义一个两相直角坐标系一一d q 坐标系，它的d 轴与a 轴重合，鼋轴超 前d 轴9 0 度。d q 坐标系属于旋转坐标系，其旋转速度是转子的电气角速 度。与定子的叩坐标系一样，其好处是由于坐标系是正交的，因此转子两 第二章异步电机的建模与控制方法综述 相绕组之间没有磁的耦合。 异步电机的转子坐标系如图2 2 所示 图2 - 2 异步电机转子坐标系 f i 9 2 2r o t o rr e f e r e n c ef r a m eo fi n d u c t i o nm o t o r 3 两相同步旋转坐标系一一由坐标系 在由两相旋转坐标系中，定子变量与转子变量均以一个以磁场同步转速 旋转的两相直角坐标系为参照系。该坐标系与口6 两相坐标系中的d q 坐标 系相似，但两者的旋转速度不同。q 轴超前d 轴9 0 度。若令d 轴与转子磁链 方向重合，则称为转子磁场定向。 图2 3 异步电机的旋转坐标系 f i g2 - 3r o t a t er e f e r e n c ef r a m eo fi n d u c t i o nm o t o r 2 3 异步电机的数学模型 对于异步电动机，根据其各部分的物理意义和物理联系，我们可以从数学的 9 华南理t 大学硕士学位论文 角度对它进行描述，也就是建立异步电动机的数学模型。描述异步电动机的数学 模型有很多种，比较常用的是本小节要介绍的状态空间模型与e u l e r - l a g r a n g e 模 型。我们会看到，在本质上这两种模型是等价的，只不过描述的角度不同。根据 被控对象的物理意义与限制，对被控对象作基于状态空问的描述，得到被控对象 的状态方程与输出方程，由这两个方程描述的模型就是状态空间模型。根据被控 对象的物理意义与限制，以分析力学的观点来分析被控对象，求出被控对象的拉 格朗日函数继而得到被控对象e u l e r l a g r a n g e 方程，由该方程描述的模型就是 e u l e r l a g r a n g e 模型。从控制方法上来说，如果我们要采用反馈线性化控制，那 么就更适合采用状态空间模型：如果我们要采用无源性控制，那么就更适合采用 e u l e r - l a g r a n g e 模型， 2 3 1 状态空间模型 阢+ 挚a 沼， r、 每吨， 。 r 5 l s b + 等“s 9 上咖式于明f 标如2 2 节腓述，蚬在我t f 】足义m 为转于机械角运厦，0 为转 子电角度，则有 i d o ：一p q ，口( o ) ：o ( 2 3 ) i 2 一p q ，f ( o ) 2 2 3 现在我们通过下面的式子，把在转子d q 坐标系上的矢量( i r a i r q ) ， ( 厶丸) 交换成在定子筇坐标系上的矢量( k0 ) ，( 屯4 ，) 阱coso-sin61坩i,，a,ksin0c o s 8 协4 ， l 钿j儿k _ j 鼢一c o 。s 口0 瑚豳 s ， 0 0 i i i i 垃出监出 + + k k 肆 r 釜三皇墨垄皇垫塑墓塑量丝型塑鎏堡堕 一一 r k + 簪砘。 鲁弛， 协。， r r i , 。+ 鲁坞嘞一o + 字1 珥丸= 。 假设电机的磁路是线性的并忽略铁耗，则可得到磁链方程： k = t 。+ ，i 。 k = l ；i 蹬+ t ，i ，8 k = l i 。+ l ，i ，。 t b = l s b + l 。i ，b ( 2 7 ) 可以看出，通过式( 2 4 ) ( 2 5 ) 的变换后等到的磁链方程式( 2 7 ) 是与转 子电气角度p 无关的。利用式( 2 6 ) ( 2 7 ) 消去f 。，如，丑。，b ，得： r s i s 。专簪地一争鲁 等等地每警嘞 。， 詈屯一等k 如+ 警+ 一一q 锄2 。 鲁k 一鲁。如+ 鲁一n ，婶幻2 。 而有转子磁链和定子电流表示的电机电磁转矩则为： 仁i n p l s r o 一幻) ( 2 9 ) “ 因此，转子的动态方程就为： 堕=毪(丸如一锄驴每(2-10)dtd 0 d m 其中d m 为转子转动惯量，气为负载转矩 综合式( 2 8 ) ( 2 - 1 0 ) ，并以状态空间形式重写方程，在线性磁路的条件下， 整个异步电动机的动态方程可由一个五阶模型表示： 华南理工大学硕十学位论文 鲁= 嚣钆+ 鲁鲁僻锄一心+ 壶 鲁= 嚣锄一羞碑丸钒+ 每一 鲁一号k 硝一+ r l r r l s r 。( 2 - 1 1 ) 鲁= 一鲁幻+ 鳞屯+ 气如 警= 毪( 丸如一锄沙乏 其中删一差一专+ 面l s 2 r 这样，异步电动机的状态空间模型就如式( 2 1 1 ) 所示，可以简单写成： i = f ( x ) + g u ( 2 1 2 ) 其中x = ( 。如砧钿鳞) 7 ，u = ( “。“，) 7 在本文的第四章中，我们会采用式( 2 - 1 1 ) 所示的数学模型来构造异步电机 的m a t l a b s i m u l i n k 模型。 2 3 2e u l e r - l a g r a n g e 模型 1 e u l e r - l a g r a n g e 方程 从分析力学可知，研究力学系统运动问题的一般方法，可以通过 e u l e r - l a g r a n g e 方程 旦f 掣粤 _ 掣趔：q ( 2 d t l 硇 j 为 4 来描述系统的行为。 其中日= ( q t ，”，窜。) 7 为n 维自由度系统的广义位移坐标，香= ( 京，口。) 1 为n 维 自由度系统的广义速度。 l ( q ，圣) = t (