（电力电子与电力传动专业论文）基于自抗扰的无轴承异步电机svmdtc控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o ri st ou s et w os e t so fs t a t o r w i n d i n g s c o o p e r a t et op r o d u c er a d i a lm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，t h er o t a t i o no ft h er o t o r s u s p e n d e di ns p a c e ，s ot h a tn oc o n t a c tb e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o ro fa n e w h i 曲一p e r f o r m a n c em o t o r i th a sn of r i c t i o n ，n ow e a r , n ol u b r i c a t i o na n ds e a l i n g ， h i 曲s p e e d ，h i 曲p r e c i s i o n ，l o n gl i f ea n das e r i e so fa d v a n t a g e sf o rh i g h s p e e d ， h i g hp r e c i s i o n ，h i g h - p o w e rf i e l d s f i r s t l y ，i n - d e p t ha n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fb e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o rs u s p e n s i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do i lam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o t o r , a n do nt h i sb a s i s ，f o rn o n - b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u c t i o n m o t o r s ， i n t r o d u c i n gs e v e r a lc l a s s i c a lc o n t r o lm e t h o d s ，s u c ha sv e c t o rc o n t r o l ，d i r e c t t o r q u ec o n t r o lm e t h o d ，w h i c hf o c u s e so ns p a c ev o l t a g ev e c t o r - b a s e dd i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( s v m - d t c ) m e t h o d ，b ys i m u l a t i o n ，c o n f i r m i n gt h a tt h ec o n t r o l m e t h o df o ri n d u c t i o nm o t o rw i t h o u tb e a r i n g sh a v eag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ， t oa c h i e v et h es t a b i l i t yo ft h er o t o rs u s p e n s i o n ，b u tt h e r ei so v e r s h o o ts p e e d ， t o r q u e a n df l u xw i t hp u l s a t i o n p r o b l e m s ，s ot h e a r t i c l eh a sp r o p o s e da d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o lt e c h n i q u e s a d r cu s i n gn o n l i n e a rc o n t r o l s t r a t e g yi ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h i sd i s a d v a n t a g eo ft h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n dt h e a s y n c h r o n o u sm o t o rc o m p l e xs y s t e m d e s i g n e ds p e e dt o r q u ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e rm o d u l e ，b a s e do ne s o s r o t o rf l u xa n ds p e e di d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，b u i l tb a s e do na d r c sn ob e a r i n g a s y n c h r o n o u ss v m - d t cm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t a d r cc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h es p e e do v e r s h o o t ，r e d u c et h et r a n s i t i o nt i m e ， s p e e da n df l u xi d e n t i f i c a t i o np r e c i s i o n ，c o n t r o ls y s t e mr o b u s t n e s s ，i m m u n i t yt o i n t e r f e r e n c e f i n a lt h ea r t i c l ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s b a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812 m o r e o v e r ，t h em a i nh a r d w a r e s y s t e m f o r i n d u c t i o nm o t o rw i t h o u tb e a r i n gt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o d u l ew e r ed e s i g n e ds p e e d ，d i s p l a c e m e n tm o d u l ew a s i m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，v e c t o rc o n t r o l ，s v m d t c ，a d r c ， f l u xi d e n t i f i c a t i o n ，s p e e ds e n s o r ，d i g i t a lc o n t r 0 1 i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 不保密叻。 学位论文作者签名： 签字日期：刊口年e 月l 歹日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位敝作者躲料义 日期：一口年g 月【 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 无轴承异步电机概述 第一章绪论 1 1 1 无轴承异步电机的起源和特点 1 9 世纪8 0 年代后期，德国m i c h a e lv o nd o l i w o d o b r o w o l s k i 发明了三相鼠 笼异步电动机。异步电动机不需电刷和换向器，但电机两端需要轴承来支撑。采 用传统的机械轴承【1 】支撑时，由于转子高速运行时带来的摩擦阻力增加，使轴承 磨损加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低了电机工作效率，缩短电机 和轴承使用寿命，也增加了对电机轴承的维护费用。二次世界大战后，直流磁轴 承技术的发展，使得电机和传动系统完全无接触运行成为可能，但是这种传动系 统造价很高。 2 0 世纪后半叶，为了满足核能的开发和利用，在欧洲开始了各种主动磁轴 承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s ) 研究计划，近三十多年来得到大力发展。磁轴承 是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种 新型高性能轴承，具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿 命长等一系列优良品质。高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承，气浮和液浮 轴承需要专门相配的气压、液压系统，造成电机系统结构复杂、能耗大、效率低； 磁浮轴承具有无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单的特点，但由于磁轴承本 身占有一定的轴向空间，轴向利用率低，限制了其临界转速和输出功率，也影响 到高速电机的微型化，另外磁轴承的成本过高也影响到它的广泛使用。 为了提高电机的临界转速和输出功率，就要求研究出集径向悬浮功能和驱 动力矩功能于一体的新型电机。无轴承电机1 2 l ( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 在磁轴承的基 础上，利用电机定子上两套绕组共同作用产生径向磁场力 7 1 ( 麦克斯韦力) 将旋 转的转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有接触的一种新型高性能电机。由于 无轴承电机具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长以 及无需外加五个自由度的辅助磁悬浮轴承等一系列优良品质，因此从根本上 改变了传统的轴承或磁轴承支撑型式。 1 江苏大学硕士学位论文 无轴承电机在保持磁轴承支撑电机的优点外，轴向尺寸缩小，突破更高转 速和大功率的限制，从根本上改变了传统电机的结构和控制，给难以实现的特种 电气传动提供了技术方案，在高速精密机械加工、航空航天、能源、交通、化工、 生命科学等特殊电气传动领域已经初步显示出了极其重要的科研与应用价值。这 种无轴承电气传动技术，用于需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染或有毒有 害液体或气体的传输系统、精密数控高速电主轴等场合。 与传统机械轴承、气浮轴承，液浮轴承及同为电磁悬浮的磁轴承电机相比， 无轴承电机具有如下的优点：( 1 ) 无轴承电机大幅度缩短轴向空间，提高轴向 利用率，可突破大功率和超高转速限制；( 2 ) 结构紧凑，轴承固有刚度大，可 微型化，从而体积可以更小，重量可以更轻；( 3 ) 悬浮能耗减少，转子的悬浮 控制是以电机本身的旋转磁场作为偏置磁场，功率消耗只有电机功耗的2 5 ； ( 4 ) 系统成本降低。一套磁轴承电机系统需要四个功率放大器驱动两个径向磁 轴承，来实现电机除轴向外其他四个自由度的悬浮，而无轴承电机系统只需两个 三相逆变器来实现两个无轴承电机四个自由度的悬浮。( 5 ) 电能消耗减少。对 于无轴承电机而言，传统磁轴承中的直流励磁电流已经不再需要，使转子悬浮的 电机悬浮控制力的产生是基于电机本身的励磁磁场作为偏置磁场。 无轴承电机其独特的悬浮机理和简单的结构特点使得它在大功率和超高速 领域以及一些生、化、医、机电等领域有着广泛的应用。主要有飞轮贮能，无轴 承密封泵等等。 1 1 2 无轴承异步电机的研究现状和发展前景 目前，国际上对无轴承电机的研究工作和学术气氛非常活跃，在国际电工 学科通常将无轴承电机技术归类为磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开 了第一届国际“磁悬浮轴承会议”( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i c b e a r i n g s ) ，此后每两年召开一次。美国航空航天局1 9 9 1 年3 月召开了一次“磁 悬浮技术在航天中的应用”( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cs u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ) 的学术讨论会。美国从1 9 9 1 年起，在上下两届国际“磁悬浮轴承 会议”的中间一年，召开国际“磁悬浮技术会议”( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n m a g n e t i ct e c h n o l o g y ) ，也是每两年召开一次。此外，瑞士、日本、美国、法国 2 江苏大学硕士学位论文 和我国等国家都在大力支持开展无轴承电机的研究和应用工作，国际上的这些努 力，大大推动了无轴承电机的理论研究和在工业中的广泛应用。就目前研究水平 而言，瑞士联邦工业学院( e t h ) 和东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 在无轴承电机研究领域处于领先地位。国内对无轴承电机的研究工作起步较晚， 且无轴承电机涉及到电机理论、机械设计、转子动力学、控制理论、电力电子技 术、电磁理论、测试技术、计算机技术及数字信号处理技术等众多学科的知识， 研究难度相当大，目前主要有清华大学、上海交通大学、沈阳工业大学、西安交 通大学、浙江大学、南京航空航天大学、江苏大学等单位都在开展这方面的研究 工作，并得到国家自然科学基金委和国防科工委等有关部门的大力支持。 随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步电机的发展方向大致 集中在以下几个方面： 1 电机结构、参数研究【3 】 根据无轴承电机的特殊结构和工作要求，要对无轴承电机进行优化设计。 主要研究对象是电机定转子结构形式、绕组的绕制方式、导线的厚度问题等因素 对无轴承电机参数、悬浮控制绕组电流控制、悬浮特性等工作效能的影响。 2 无轴承异步电机数学模型【4 1 无轴承异步电机数学模型是无轴承异步电机及其控制系统设计的基础。目 前使用的数学模型在推导过程中进行了一些理想化的假设，比如忽略了两套绕组 之间的互感、定转子齿槽效应等，从而在数学模型中引入了误差。为了获得高品 质的控制性能，则必须建立更准确的数学模型。 3 数字控制系统硬件和软件的优化【5 】 为满足无轴承电机更高的性能要求，控制器的数字化、智能化、集成化是 必然的发展趋势。随着电机转速的提高，对控制系统的软件和硬件提出了更高的 要求，因此有必要进一步优化软硬件设计，使控制系统不仅能高效可靠的运行， 而且成本要进一步降低。 4 无速度传感器技术1 6 1 为了实现无轴承异步电机的稳定悬浮，需要实时检测转子的位移信号。目 前无轴承异步电机使用的电涡流传感器，虽然能满足性能要求，但是价格昂贵。 因此，需要进一步研究其它满足性能要求且价格便宜的传感器或根据电机本体参 江苏大学硕士学位论文 数变化来识别转子位移的无速度传感器技术。 5 独立控制技术【s j 无轴承电机控制系统具有复杂的非线性强耦合特性，实现其电磁转矩和径 向悬浮力之间的解耦控制是无轴承电机稳定运行的基本要求，设计有效而可靠的 控制系统也是该领域研究的难点。在目前研究的无轴承电机控制策略中，转矩控 制子系统和悬浮控制子系统之间大多存在气隙磁场信息传递。这样，不仅在控制 策略上相互受到诸多制约，而且解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有必要实现 转矩控制子系统和悬浮控制子系统之间相互独立控制，这样悬浮控制子系统不受 转矩控制性能的影响，同时转矩控制也不再受悬浮理论制约，促进了无轴承悬浮 技术向高速化、实用化方向发展。 1 2 无轴承异步电机的经典控制理论及无速度传感器技术 由于无轴承异步电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，其转矩绕 组和悬浮绕组之间通过气隙磁场存在着耦合，实现悬浮力和旋转力之间的解耦是 无轴承异步电机稳定运行的前提。对它的控制方法也多种多样，但是比较经典的 控制方法大致有：矢量控制m ( 磁场定向控制) ，直接转矩控制阎( d t c ) ， 基于空间电压矢量的直接转矩控制瞄 ( s v m d t c ) ，滑模变结构控制f 1 1 】，人工神经 网络智能控制f 1 5 】等等。 1 2 1 矢量控制技术 简单的说矢量控制的本质就是实现d 、q 轴电流解耦，使得定子电流中只有交 轴分量，从电动机端口看，此时电动机相当于一台他励直流电动机。矢量变换控 制技术在国际上一般称为磁场定向控制，即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准 方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这一理论是1 9 6 8 年首先 i 扫d a n n s t a d e r - v 科大学的h a s s e 博士发现。1 9 7 1 年西门子公司的b l a s c h k e 又将这种 一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表。从直流电机的控制 得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电 枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控 制。在感应电机中，为了将交流矢量变换为两个独立的直流标量来分别加以调节， 4 江苏大学硕士学位论文 以及将被调节后的直流量还原成交流量最后控制交流电机的运行状态，必须采用 矢量的坐标变换及其逆变换，故这种系统称为矢量变换控制系统。通过矢量的坐 标变换能使交流电机获得如同直流电机一样良好的动态调速性能，使得这种控制 方法成为交流电机获得理想调速性能的重要途径。 在电机控制中使用最广的磁场定向控制可分为转差频率矢量控制( 间接矢量 控制) 、转子磁场定向、定子磁场定向及气隙磁场定向。其中转差频率矢量控制 方法仅考虑转子磁通的稳态过程，动态性能差，但系统结构最简单；转子磁场定 向控制简单且能做到完全解祸，但转子磁通的检测和转差频率的计算受转子参数 影响大，一定程度上影响了系统的性能；定子磁场定向控制利用定子方程作磁通 观测器，易于实现且不包含转子参数，加上解耦控制后可达到相当好的动静态性 能，然而低速时定子反电势测量误差较大，无法精确观测定子磁场，影响控制精 度；气隙磁场定向控制方式复杂，需增加解耦控制器，但通过控制器的设计可实 现对气隙磁场的幅值和相位的精确观测。 1 2 2 直接转矩控制技术 直接转矩控制和采用解耦控制思想的控制方法不同，它是一种瞬时转差控方 案，具有不同于矢量控制的全新的优点：快速的动态响应，对参数的依赖，控制 结构简单。但由于控制方法理论的不完备和对计算机处理速度的求，直到1 9 9 5 年瑞典a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高变频器才得以面世， 并将其看成是下一代交流电机的最优秀的控制方式。目前在德国，直接转矩控制 技术已成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日本研制成功的1 5 k w 直接转矩控 变频调速装置，其转矩响应频率高达z k h z 。国内南京航空航天大学1 9 9 7 年与澳 大利亚新南威尔士大学联合，l z h o n g ，m e r a h m a n 和y w h u 等人率先把直接转矩 控制与永磁同步电机结合起来，提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论， 实现了永磁同步电机直接转矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围， 取得了一系列成果，为同步电机直接转矩控制开创了新的篇章。 直接转矩控制( d t c ) 强调的是对转矩的直接控制来达到良好的控制效果。 在静止两相坐标系下定子磁链与转子磁链之间有一个惯性环节，这就使得定子磁 链发生变化时，转子磁链矢量基本上保持不变。电磁转矩与定子磁链，转子磁链 江苏大学硕士学位论文 幅值以及定转子磁链的相对位置有关，为了充分利用铁心，通常保持定子磁链恒 定，由于转子磁链受负载和转子电路影响变化缓慢，因此转矩大小取决予定子与 转子之间的夹角万，也称作转矩角，只要改变定子磁链矢量的空间位置就可以容 易的改变定转子磁链之间的夹角万，这样就可以改变电机的电磁转矩，从而达到 对电机转矩的直接控制。 直接转矩控制相比于矢量控制具有很多的优点：1 直接转矩控制是直接在定 子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，省掉了矢量 旋转变换等复杂的变换与计算，所需要的信号处理工作比较简单，控制信号易于 观察者对交流电动机的物理过程做出直接和明的判断。2 直接转矩控制采用的是 定子磁场定向，只要知道定子电阻就可把它观测出来，而矢量控制的磁场定向是 转子磁链轴，由此可见直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中制性能易受参数 变化影响的问题。3 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的 数学模型和各个物理量，问题简单明了。 但是直接转矩控制在电机上的控制研究还未完善，随着人们对基本d t c 的深 入研究，对其缺点也越发关注：由于数字控制的计算时间和滞环宽度的减小有限， 转矩产生稳态误差；在一个控制周期中既要调节转矩又要兼顾磁链调节，转矩和 磁链控制没有完全解耦；受目前d s p 芯片主频限制，控制周期较长，容易引起过 流；针对定子磁链的幅值和转矩误差，在一个控制周期内只能选择单一的空问电 压矢量，通常情况下磁链并不能达到期望的最佳值。 1 2 3s - d l t c 控制技术 为了克服传统直接转矩控制的诸多缺点，基于空间电压矢量调制的直接转矩 控$ 1 j ( s v m d t c ) 方案就是在原有基础上对直接转矩控制方案的一种改进。 s v m d t c 控制技术最早由t g h a b e t l e r 、f p r o f u m o 、m p a s t o r e l l i 和l m t o l b e r 等人于1 9 9 2 年应用于感应电机驱动中。2 0 0 1 年l t a n g 、l z h o n g 、m e r a h m a n 和 y w h u 等人从同步电机转矩角控制转矩这一本质出发提出了基于转矩角控制方 案，并首次把该项技术成功应用于永磁同步电机驱动系统中。s v m d t c 控制能 大幅降低直接转矩控制中电流、转矩脉动，从而适合在定子电感较低的电机上应 用，而且本质上也能适用于其他种类的电机，可大大地拓展了这一控制策略的应 6 江苏大学硕士学位论文 用领域，具有重大的研究价值。 在基本d t c 中，矢量的选择是根据定子磁链所在位置，通过开关表来选择不 同的电压矢量，而在s v m d t c 中，受到关注的不再是定子磁链本身而是实际观 测值和期望值之问的误差，即根据磁链矢量差来选择空间电压矢量并计算相应电 压矢量的作用时间，这样能很好的补偿误差。s v m d t c 的主要思想是在一个控 制周期中选择相邻的两个运动矢量和一个零矢量，计算出每个矢量作用时间，从 而合成出所需要的任意空间电压矢量，实现转矩快速控制及转矩和磁链的无静差 控制。 s v m d t c 主要包括磁链和转矩计算单元，空间电压矢量生成单元和电压矢 量调制单元三部分。它根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确 定参考电压矢量，然后利用s v p w m 合成该矢量。由于采样时刻的电压和磁链误 差，可在下一个控制周期内得到补偿，因此转矩和磁链的误差始终很小，二者的 脉动很小。s v p w m 算法保证了逆变器的开关频率恒定。利用这种方法在恒定开 关频率下，可以实现定子磁链近似为圆形，电磁转矩和磁链脉动不明显的性能。 s v p w m 的目标就是计算出合适的电压矢量及作用时间，控制使得电机定子磁 链在指定时间内走到给定的位置。s v m d t c 采用转矩p i 调节器和参考矢量计算 单元代替了基本d t c 的两个滞环控制器，用空间电压矢量调制单元来代替了基本 d t c 中的开关表，这样就没有了复杂的坐标变换，对电机参数依赖较小，无电流 环等诸多优点。 1 2 4 无速度传感器技术 在高性能的异步电动机直接转矩控制系统中，转速的闭环控制环节一般是 必不可少的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信 号。但是，由于速度传感器的安装也给系统带来了一些缺陷，主要因为高精度速 度传感器价格昂贵，对于中小型容量设备将显著增加硬件投资；速度传感器不适 用于温差较大以及较恶劣的工作环境，安装维护困难；在选用变频控制时必须顾 及速度传感器的参数，与其匹配，互换性差。 在实际应用中，可采用无速度传感器技术【3 1 来解决这些问题。无速度传 感器技术主要可分为：动态速度估计器，基于p i 自适应控制器法，自适应转速 7 江苏大学硕士学位论文 观测器，转子赤谐波法，高频注入法，基于人工神经元网络法等。 1 动态转速估计器 这种方法的出发点是基于动态关系的电机方程，从电机电磁关系式及转速的 定义中得到关于转差或转速关系的表达式，多数情况下角速度计算表达式是由同 步角速度与转差角速度相减得到的。该方法是从电机的动态方程出发直接得到角 速度的，直观性强，从理论上将速度的计算是没有延时的，但也有缺点：要知道 磁通，因而磁通观测的控制的好坏直接影响转速辨识的精度；计算过程中大量用 到电机参数，若电机参数变化，计算精度有影响；缺少误差校正环节，难以保证 电机的抗干扰能力。 2 基于p i 自适应控制器法 这种方法使用于转子磁场定向的矢量控制系统，其基本思想是利用某些量的 误差项，使其通过p i 自适应控制器而得到转速信息。除此之外，还有模型参考 自适应控制法。该方法大多数将电机的转子磁链电流模型作为可调模型，同时将 转子磁链的电压模型用作参考模型，那么估算转速与实际转速的偏差必然会导致 两个模型的输出转子磁链的偏差。根据该偏差通过辨识算法，从而对转速进行辨 识。 除此之外还有自适应转速观测器法，扩展卡尔曼滤波器法，转子齿谐波法， 高频注入法，基于人工智能控制法等无速度传感器技术。 1 3 自抗扰控制理论及应用 1 3 1 自抗扰控制器的原理和结构 自抗扰控制器p 引( a c t i v ed i s t u r b a n c e sr e j e c t i o nc o n t r o l l e r ，a d r c ) 的提出 综合了经典调节理论与现代控制理论的优点提出一种观测+ 补偿的方法可有效处 理系统中的非线性与不确定性问题同时配合非线性的反馈方式提高控制器的动 态性能。它解决了传统控制理论的过分依赖对象的精确模型，以及要求线性控制 器的模型，对过程的未建模动态和扰动有着较强的适应能力，特别适用于非线性 控制系统，鲁棒性能好。它不依赖于系统的精确模型，将模型内扰( 模型及参数 的摄动) 和不可测外扰的作用归结为系统的总扰动，利用误差反馈的方法对其进 江苏大学硕：上学位论文 行实时估计，并给予补偿，具有较强的鲁棒性。在电机中采用自抗扰控制方法不 仅能够提高系统的响应速度，减小稳态误差，并且超调很小，能有效的抑制负载 扰动带来的影响，对电机参数变化不敏感，鲁棒性好。 自抗扰控制器的结构包括三部分：扩张状态观测器( e s o ) ，跟踪微分器( t d ) 和非线性状态误差反馈控制率( n i s e f ) 。e s o 是a d r c 的核心，采用双通道补偿 的方法改造对象模型，将非线性、不确定的系统近似线性化和确定性化，在此基 础上，针对改造后的对象，采用非线性反馈方法实施控制，以加快a d r c 的动 态响应。 1 3 2 自抗扰控制器在电机中的应用 自抗扰控制器特殊的非线性和不确定性的处理方法，使得它同时具有经典 控制理论和现代控制理论的优点。其控制细想与工程实践结合紧密，在很多领域 得到了推广应用。不确定时滞系统，大时滞系统，惯性平台稳定回路等众多领域 都得到了成功的运用。 由于a d r c 具有良好的控制性能，一些学者研究了其在一部电机控制中应 用。由于高阶的a d r c 计算量很大，收敛较慢，而异步电机控制的实时性要求 较高，因此适宜采用低阶a d r c 或低阶a d r c 的组合，以提高响应速度和控制 效率。分别采用a d r c 中的跟踪微分器和扩张状态观测器用到一部电机控制中， 取得了较多的成果，可实现准确的磁通观测，电机的解耦控制等。 但同时a d r c 方法中的一些特性，增加了其实际应用的难度，为提高系统 的收敛速度和控制精度，a d r c 中普遍应用了非线性环节。由于非线性运算较多， 使得计算量很大，增加了实时控制的难度。另外，a d r c 中涉及较多的参数，其 控制性能很大程度上取决于参数的选取，如何调整选择众多的参数，使得控制器 工作于最佳状态，是a d r c 应用中的一个难题。 在整个无轴承异步电机s v m d t c 控制系统中，为结合s v m d t c 控制方 法和a d r c 控制器的优点，可以设计a d r c 控制器【2 刀，用来取代控制系统模块 中的转子磁链辨识模块，无速度传感器模块，速度转矩p i d 控制器模块，转矩 到转矩角p i d 控制器模块，以及悬浮绕组中的x ，y 方向上的p i d 控制器等。从 理论上可以提高系统的响应速度，减小稳态误差，并且超调很小，能有效的抑制 9 江苏人学硕士学位论文 负载扰动带来的影响，对电机参数变化不敏感，鲁棒性好等一系列优点。 1 4 论文的内容安排 针对无轴承异步电机的众多优点，在各个领域有着广泛的应用，其控制系 统具有复杂的非线性强耦合的特性，在无轴承异步电机中采用基于空间电压矢量 的直接转矩控制方法虽然可以得到良好的控制效果，但控制系统中存在着速度， 转矩，磁链的超调和脉动问题。本论文旨在将自抗扰控制器引入无轴承异步电机 s v m d t c 控制系统中以取代经典的p i d 控制器，讨论该控制器能否改善系统的 性能。利用自抗扰控制器的重要组成部分扩张的状态观测器( e s o ) 来改造异 步电机的转自磁链的观测方法，并转换成气隙磁链来满足悬浮绕组部分的需要。 除此之外还实现了无速度传感器技术，并用m a t l a b s i m u l i n k 中进行了仿真验证， 证明了其可行性，各章的安排如下： 第一章绪论：介绍无轴承电机的起源、特点、研究现状和发展方向，无轴 承电机的控制方法，自抗扰控制器技术以及本论文的内容安排。 第二章无轴承异步电机的基本理论：介绍了无轴承异步电机的工作原理， 数学模型。 第三章无轴承异步电机的控制策略：主要介绍了矢量控制技术，直接转矩 控制技术，s v m d t c 控制技术并做了仿真。 第四章自抗扰控制器在异步电机控制系统中的应用：系统的介绍了自抗扰 控制器技术的起源，工作原理和数学模型，以及在无轴承异步电机中的应用，设 计了转子磁链辨识模块，无速度模块等等。 第五章无轴承异步电动机数字控制系统实现：讲解了t m s 3 2 0 s f 2 8 1 2 d s p 结构性能，硬件组成，以及软件编程。 第六章总结与展望。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机的基本理论 无轴承异步电机是集电机和磁悬浮轴承于一体的新型电机。其悬浮机理是 利用悬浮绕组产生的磁场来改变气隙中合成磁场的分布，从而控制转轴所受麦克 斯韦力的大小和方向，实现转轴的稳定悬浮。无轴承异步电机的悬浮机理决定了 转矩控制和悬浮控制之间存在着电磁耦合关系。因此，建立有效的无轴承异步电 机数学模型是实现其解耦控制的基本前提，也是研究无轴承异步电机控制性能的 理论基础。 2 1 无轴承电机中的磁力和悬浮机理 在异步交流电机中有两种不同的磁力【2 6 】：洛伦兹力和麦克斯韦力。 2 1 1 洛伦兹力 磁场对其内的载流导体作用力称为洛伦兹力，也叫做安培力。洛伦兹力的 方向与转子表面相切，产生电动机的旋转力矩。洛伦兹力作用在载流导体上，异 步电机的旋转力矩就是基于它产生的。图2 1 ( a ) 以电流和磁链均为正弦分布 的两极电机为例来说明洛伦兹力和旋转力矩的产生。 ( a ) 2 1 2 麦克斯韦力 ( b )( c ) 图2 - 1 洛仑兹力和麦克斯韦力 磁路中在不同的磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张应 江苏大学硕士学位论文 力称之为麦克斯韦力( m a x w e l l 力) ，也称为磁阻力。对于电机来说，作用在电 机转子上的力主要有转子重量、外施负载力以及电机本身产生的作用在转子上的 电磁力( 麦克斯韦力) 。电机中垂直作用于电机转子表面的麦克斯韦力很大，但 当转子与定子同心的时候电机中磁通是对称分布的，其麦克斯韦力合力为零，如 图2 1 ( b ) 所示。但考虑到交流电机定转子、轴承和轴尺寸的变化以及转子重 量等因素，很难假设转子和定子有良好的同心度。当转子偏离了电机定子中心， 引起电机磁通分布的不均匀，则作用在转子上的麦克斯韦合力就不为零，其作用 方向和转子偏心的方向一致，使转子进一步偏离同心位置，如图2 1 ( c ) 。转 子的偏移量越大，麦克斯韦力也越大，该力的作用相当于一个负刚度的弹簧力。 2 1 3 无轴承异步电机的悬浮机理 从上面分析可知，转子偏心时引起的径向麦克斯韦力与转子位移方向一致， 所以当转子发生位移偏心时将无法回到气隙中心，转子偏心过程形成正反馈。为 实现无轴承电动机转子悬浮j ，在电动机的定子中放入两套具有不同极对数的 绕组，电枢绕组( 极对数p t ) ，悬浮控制绕组( 极对数p 2 ) ，当极对数满足p ：= p t l 时，电动机中才能产生可控的悬浮力。悬浮控制绕组的引入，打破了电动机原旋 转磁场的平衡，使得电动机气隙中的一个区域中磁场增强，而其对称区域磁场减 弱，其产生的磁张应力( 即麦克思韦力) 将指向磁场增强的一方。通过控制悬浮 绕组电流，改变原有磁场在气隙中的对称分布，产生可控的麦克斯韦力( 即可控 悬浮力) 来抵消转子偏心产生的麦克斯韦力( 即偏心磁拉力) ，把转子拉回气隙 中心实现稳定悬浮。无轴承电动机输出的电磁转矩也是基于洛仑兹力产生的，与 普通异步电动机相同，见图2 2 所示。 ( a )( b ) 图2 - 2 无轴承电动机悬浮力产生示意图 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 3 所示为一台两相坐标系描述的无轴承异步电动机，定子槽内有2 极电 枢绕组n ，和4 极悬浮力绕组一其中电枢绕组建立的旋转磁通不仅产生电磁转 矩还作为悬浮控制的偏置磁通。如果只有转矩控制绕组通入电流，区域1 、2 内的气隙磁密相同，那么转子受到的麦克斯韦合力为零。如果当转子受到一个向 右的外扰力时，转子离开平衡位置，向右移动。此时，气隙中的磁密分布将发生 变化：区域l 中气隙磁密减小；而区域2 中气隙磁密增加，转轴受到的平衡磁拉 力被破坏，即f x 最：。此时， 转子在麦克斯韦合力的作用下向左移动，又重新回复到平衡位置。同理，如果转 子沿y 方向偏移，依靠悬浮控制绕组作用也可以将转子拉回平衡位置。这样， 通过控制悬浮绕组电流可在转子上产生任意方向的可控悬浮力，用以抵消由于转 子偏心产生的单边磁拉力，实现无轴承异步电动机的悬浮。 图2 - 3 无轴承异步电动机悬浮力产生原理图 2 2 无轴承异步电机悬浮力模型推导 无轴承电动机悬浮原理决定了转矩绕组控制和悬浮绕组控制之间存在着电 磁耦合关系，所以，为了实现对无轴承电动机转子的稳定悬浮控制，关键是建立 精确的无轴承电动机悬浮力模型，实现两套绕组之间的有效解耦控制。 江苏大学硕士学位论文 在推导数学模型之前，先对参数标号作如下设定： 参数名：少一气隙磁链，u 一绕组电压，i 一绕组电流，一转子外径，_ 电动机铁心有效长度，驴一绕组匝数，f 一力，麦克斯韦力，国一电角频率，p 一极对数，b 一磁密，风一真空磁导率，名一悬浮控制绕组气隙磁链空间向量 的初始相位角，一转矩控制绕组气隙磁链空间向量的初始相位角，厶一等效 励磁互感。 下标：j 一定子分量，转子分量，1 一转矩控制绕组，2 一悬浮控制绕组， d 一直轴分量，鼋一交轴分量。 为了简化分析，先做如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组在空间对称分布，电流产生的磁势在气隙中正弦分布， 忽略其高次谐波分量； ( 2 ) 假定转矩绕组为2 极，悬浮绕组为4 极，且无轴承电动机转矩绕组和 悬浮绕组a 相绕组轴线方向重合，并定义为口方向； ( 3 ) 忽略铁心磁阻和涡流损耗； ( 4 ) 忽略槽漏感、绕组端部漏感和磁饱和效应； ( 5 ) 不考虑温度对电动机参数的影响。 。 现在假设电机中气隙磁密为b ，则作用在转自表面幽面积上的麦克斯韦力 为： d f ：_ b e d d ( 2 1 ) ，2 鳓 、。 麦克斯韦力沿x ，y 方向上的分量为： a v x ( q , ) = 去( 咖o s 咖( 2 - 2 ) 峨( 炉去矿( 妒) s i n 彬妒( 2 - 3 ) 由于无轴承电机定子上有两套绕组，因此无轴承电机的气隙磁场是由转矩绕 组和悬浮控制绕组共同产生的合成气隙磁场。假设定转子中心重合、忽略磁饱和 1 4 江苏大学硕士学位论文 和定子磁动势谐波，径向悬浮控制力x 轴分量正向与a 相绕组轴线重合，则由两 套绕组电流产生的气隙磁场磁感应强度时间空间向量表达式为： e ( e ，r ) = b ic o s ( p i 缈一缈l t + ) + b 2c o s ( p 2 缈一缈2 ，+ 兄) ( 2 - 4 ) 将( 2 - 4 ) 代入( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 并分别积分运算，得到可控径向悬浮力在x ，y 方向的分量为： e = r 万 怒! 高：东东卜 p 5 ， = f 厅s i n ( p l - p 2 - 1 ) 缈+ ( ( 0 2 - = ：1 ：；：2 ，卜缈 c 2 6 ， 从( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 发现如p l - p 2 - 1 ：0 和p l - p 2 + 1 0 同时成立，则 c = = 0 。只有在仍= p l 1 和q = 哆时，只和e 才是可控量。此时易y 方向 上的径向悬浮力为： e = c o s ( 2 一)( 2 - 7 ) e = 一s i n ( 2 , 一) ( 2 8 ) 其中麦克斯韦力幅值为： ：l r ：r - b 1b2(2-9) 2 百 电机两套绕组每相每极下的气隙磁通值分别为： 办：2 l r b l ，疵：2 1 r b 2 ( 2 - l o ) 1办2 ，办2 对应的每相气隙磁链值分别为： = 办彤，少：= 识 将式( 2 一l0 ) ，( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 9 ) 可得： 凡2 兹糌 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 - 7 ) 、( 2 8 ) 在同步旋转坐标系下分解为d , q 坐标轴上的分量形式为： 江苏大学硕士学位论文 ( 2 - 1 3 ) 其中2 讫瓦 刀 p 万l p 丽2 ，但悬浮力公式常用以下的形式： 鲁= 繁埘+ 眇 协 【c = k ( 屯田- d 一如耐y - g ) 、”7 其中后肼。西勿万p l 丽p 2 l m 2 ，从( 2 _ 1 4 ) 可以看出，无轴承异步电机在定转子同心情 况下产生的径向悬浮控制力与两套绕组气隙磁链在d ，q 轴上的分量有关，要实现 对作用在转子上的径向悬浮力的控制，必须准确控制两套绕组气隙磁链的幅值和 2 3 无轴承异步电动机的数学模型 无轴承异步电动机数学模型吲主要包括旋转绕组部分，悬浮绕组部分模型 和电机的运动方程等。 2 3 1 旋转部分基本方程式 假设无轴承异步电动机的转矩控制绕组三相对称分布，所产生的磁动势沿气 隙圆周按正弦规律分布，同时不考虑频率和温度变化对电动机参数的影响，并忽 略磁路饱和以及铁心损耗，可以得知与普通异步电动机相似，由旋转坐标系中 的定转子电压、电流、磁链和转矩方程为： 电压方程： 痒蜀r i 嚣p g q 1 ：二就 亿均 【甜l 叼2j f l 田+ 阳+ 缈l 吵l 埘 、7 麓r ：2 二譬：沈嚣 仁峋 【z ，1 w =l ，w + p y l w + ( q + q ) l y l 耐= o 、7 气隙和定转子磁链方程： 1 6 、，、-， g g 少 幻 材 y y + 一 d d y y 幻 缈缈助胁 = = e ，j、【 江苏大学硕士学位论文 1 y l g = 三肼( 叼+ w ) ( 2 - 1 7 ) 陟l d = l 矿l d + l 埘耐= ( l m + l 瑚) f l d + l m 耐 1 。叼= 叮+ “阳= ( l + 凹+ k w ( 2 。1 8 笼嚣+ 厶l l a 6 薹澎：拨二兰 p l 沙i 唧= i g凹= ( 珊+ 三l 一) w + 厶凹 、。1 7 电磁转矩方程： 疋= p 1 ( 跚l d 一耐l g ) ( 2 2 0 ) 式中，厶为转矩控制绕组互感，厶，和。，分别为转矩控制绕组定子和转子 漏感，q 为转矩控制绕组定子角速度，0 3 ，为转子角速度，耳。为转矩绕组电阻， 仍d ，鲲。分别是气隙磁链的d ，q 轴分量p 为微分算子，p l 为转矩控制绕组极对数。 2 3 2 径向悬浮力公式 令f = e + e 为悬浮力司控分重： 乏三乏 芝：冀：二i 之2 , 凹a 弘t ：； c