（电机与电器专业论文）基于dsp的感应电机无速度传感器矢量控制系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 向之一。显然，增加速度传感器，使系统可靠性降低，成本 增加，环境适应能力降低。因此，无速度传感器矢量控制技 术受到众多学者关注。无速度传感器矢量控制中，最关键的 问题是如何进行速度推算和转子磁链估计。基于定子电流转 矩分量进行速度推算3 1 ，基于转子磁链q 轴分量进行速度推 算【2 7 】，使速度推算精度得到较大提高。 本文首先介绍了交流传动的发展现状，接着阐述矢量控 制基本原理、坐标变换和异步电机在不同坐标系下的数学模 型p f 拐，深入研究了基于定子电流转矩分量进行速度推算3 】 及基于转子磁链q 轴分量进行速度推算【2 7 1 两种速度推算办 法，对电压解耦环节进行了修正，在基于转子磁链口轴分量 进行速度推算【2 7 1 调速系统中增加了磁链闭环部分。在此理 论基础上，设计了无速度传感器矢量控制系统仿真图，应用 电压控制理论，进行了控制系统动态仿真，并对结果进行理 论分析，通过仿真结果验证了修正环节的有效性和正确性， 电机调速特性有所提高。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：d s p ( 数字信号处理器) ，矢量控制，无速度传感 器，空间矢量变频调速( s v p w m ) ，磁链观测器， 电压解耦 1 1 1 太原理 ：大学硕：升究生学位论文 s t u d yo fs p e e d s e n s o r l e s sf i e l d o r i e n t e dc o n t r o lf o r t h e i n d u c t i o nm o t o rb a s e do nd s p a b s t r a c t t h ea cm o t o rs p e e d c o n t r o l l i n gi s ac o m p l e xs u b j e c t ，i t i n c l u d e st h e k n o w l e d g eo fm a n yo t h e rs u b j e c t ss u c ha st h e e l e c t r i ca n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h ec o n t r o le n g i n e e r , t h e c o m p u t e ra n dt h ei n d u c t i o nm o t o re t c t h er e a l i z a t i o no ft h e g o o dp e r f o r m a n c ea cc o n t r o ls y s t e mi sah a r dw o r k t h i si s b e c a u s et h ea cm o t o ri sa s t r o n g l y c o u p l e dn o n l i n e a rs y s t e m w i t hm a n yv a r i a b l e s t h et o r q u ei sn o te a s yt oc o n t r o l e i t h e r t h em e t h o do ft h e r o t o rf l u x p o s i t i o n c h e c k i n gi m p r o v e s g r e a t l y t h e d e v e l o p m e n t o fm o t o r c o n t r o l s y s t e m t h e i n d u c t i o nm o t o rs p e e d - s e n s o r l e s sf o c s y s t e mm a k e si tm u c h e a s i e rt oc o n t r o lt h es y s t e m t h ef o c c o n t r o lt h e o r yr e a l i z e s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e c o u p l i n go ft h es t a t o rv o l t a g ea n dt h et o r q u ec o n t r 0 1 t h e b a s i ci d e ai su s i n gt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt oc h a n g et h e t h r e e - p h a s e s y s t e mt ot h et w o - - - - p h a s es y s t e ma n di tr e a l i z e s t h ed e c o u p l i n gb e t w e e nf i e l dc u r r e n ta n d t o r q u ec u r r e n to f t h e s t a t o rc u r r e n t t h em e t h o dm a k e si tp o s s i b l et oc o n t r o lt h ef l u x a n dc u r r e n tr e s p e c t i v e l y ，j u s tl i k et h ed cm o t o r w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，h i g h i n t e g r a t e ds p e c i a lm o d u l e s a n dh i g h _ - _ - p r e c i s i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a r ea p p l i e d t oa cd r i v es ot h a tv e c t o rc o n t r o lh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l y n o w , t h es p e e d - s e n s o r l e s sf o ci so n eo ft h em o s t i m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n so ft h em o t o rc o n t r o ls y s t e m t h ef o cc o n t r o ln e e d st og e tt h ea c c u r a t e p o s i t i o no f t h er o t o r f l u x i ti sa l w a y st h r o u g ht h es p e e ds e n s o r b u ti fw ed ot h a ti t w i l lr e s u l ti nt h ed e g r a d i n go ft h ec r e d i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y a n dc o s ti n c r e a s i n go ft h ec o n t r o l s y s t e m s om a n ys c h o l a r s h a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt ot h es p e e d - s e n s o r l e s sf o c c o n t r o l m e t h o d t h es p e e da n df l u xc h e c k i n gi st h ek e yp r o b l e m i n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i s a r t i c l e ，w e c a l c u l a t et h e s p e e db yu s i n gt h e s t a t o rf l u x s e a r c h i n ga n di m p r o v e d t h er e s u l t p r e c i s i o n i nt h i sa r t i c l e f i r s tw ei n t r o d u c et h en o ws t a t eo ft h e m o t o rc o n t r o ld e v e l o p m e n t t h e nw ei n d u c et h eb a s i ct h e o r yo f t h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n a n db a s e do ni t ，w ed e s i g n e da n m a t h e m a t i cm o d e l b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k k e y w o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，v v v f ( v a r i e t y v o l t a g ev a r i e t yf r e q u e n c y ) ，f o c ，d e c o u p l i n g ，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) 太原理工火学硕士研究生学位论文 第一章概论 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由 于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高 转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于 维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生 产要求，于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人们就致力于交流调速技术 的研究。6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来，电力电子技术和控制技 术的飞速发展，使得交流调速的性能产生了质的飞跃。 1 1 交流调速发展现状 制约交流调速发展的重要原因1 1 1 是，交流电机是高阶、多变量、 强耦合非线性系统，与直流电机相比，转矩难于控制。如果从电机的 统一理论出发，能找到异步电机和直流电机电磁转矩之间的共同基础 和内在关系，就可以模拟直流电动机来控制异步电机了。首先在这方 面取得突破的是德国。德国学者在1 9 7 1 年首先提出了磁场定向1 2 控 制( 即后来的矢量控制) ，解决了交流电机解耦与转矩控制问题。矢量 控制的基本思路是，利用坐标变换，将三相系统等效为两相系统，再 通过按转子磁场定向的同步旋转变换( 即由变换) 实现了定子电流励 太原理工大学硕士研究生学位论文 磁分量和转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机定子电流励磁分 量和转矩分量分别控制的目的。这样就可以将三相异步电机等效为直 流电动机来控制，可以获得与直流调速系统同样优良的动静态性能 【1 0 】。随着电力电子技术的发展，新型电力电子器件不断涌现，微处理 器的进步以及现代控制理论的不断创新，矢量控制技术逐渐成熟，并 得到实用化。 1 1 1 电力电子技术的发展1 1 3 l 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。最初出现的是 半控型器件晶闸管，由晶闸管组成的静止变频装置输出方波或阶 梯波的交变电压，取代了旋转变频机组实现变频调速。但是晶闸管属 于半控型器件，可以控制导通，却不能由门极控制关断，因此由普通 晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换流电路。随后，出 现了能够自关断的全控型器件，例如g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、 i g b t 、m c t 等等。这些器件的应用，使得逆变器结构简单紧凑。 在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有g t o 、 g t r 、i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ，后面二种 集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目 前变频系统和通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。 i g b t 作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有 了很大的提高，主要表现为： 1 发热减少，将曾占主回路发热5 0 一7 0 的器件发热降低了3 0 ； 2 高载波控制，使输出电流波形有明显改善： 3 提高开关频率，实现了电机运行的静音化； 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 驱动功率减少，体积趋于更小； 智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p i c ) 的过渡产 品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功 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。i p m 具有以下特点： 1 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 2 采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑； 3 集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开 发时间： 4 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能 对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低； 5 保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全， 实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体 积、减轻了重量，又提高了可靠性； 6 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所 以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； 7 很高的性能价格比，i p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而采用i p m 后的开关电源容量、驱动功率容量的减d , s f 口器件的节省以及综合性能 提高等因素后在许多场合其性价比己高过i g b t ，有很好的经济性。 目前i p m 己经在工业变频器( 中、小功率) 中被大量采用，随着技 术的不断改进，i p m 的功率也越来越大。同时经济型的i p m 在近年 内也开始在一些民用品如家用空调变频器，冰箱变频器、洗衣机变频 器中得到应用。i p m 也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发 的专用智能模块a s i p m 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单 3 太原理丁大学硕士研究生学位论文 电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、 高性能、低成本方面又推进了一步。 在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也 得到改善与提高。晶闸管的诞生奠定了静止变换器的基础，全控型器 件的出现使得人们有可能抛开以往复杂的辅助环流设施，而专注于电 路拓扑结构和电动机控制算法的改进。随着开关器件速度的提高，桥 式p w m 逆变器( 主要是电压型) 已成为功率变换的主要形式。 p w m 逆变器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点， 随着其在高电压、强电流状态下开关频率的提高，将得到越来越广泛 的应用。 1 1 2p w m 技术 1 9 6 4 年，德国的a s h o n u n g 把通信中的调制技术应用到交流传动 中，产生了正弦脉宽调* , o ( s p w m ) 变压变频的思想。脉宽调制技术较 相控技术能有效抑制低次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能 交流调速的要求，目前已成为逆变的最主要控制方式。 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模 拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关，到目前采用全数字化方案，完成优化的 实时在线的p w m 信号输出，可以说直到目前为止，p w m 在各种应 用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于p w m 可以同 时实现变频变压抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换 系统中得到广泛应用。 p w m 控制技术大致可以分为三类，正弦p w m ( 包括电压，电流 或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) ， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 优化p w m 及随机p w m 。正弦p w m 己为人们所熟知，其旨在改善 输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率 变频器中有其独特的优势。而优化p w m 追求的则是实现电流谐波畸 变率( t h d ) 最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其 它特定优化目标。 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展， p w m 变频技术也获得了飞速发展，目前主要有三种形式：基于正弦 波对三角波脉宽调制的s p w m 控制、基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制和电压空间矢量s v p w m 控制。 目前主要应用的s p w m 可为三大类：电压s p w m 、电流s p w m 、 电压空间矢量p w m ( 尉1s v p w m ) 。具体实现的技术上则有：自然采样 法，对称规则采样法，消除特定谐波法，梯形调制技术，“”调制 技术，相位调制技术，面积等效法调制等1 0 多种p w m 调制技术。 电压s p w m 和电流s p w m 分别以追求电压和电流的正弦波形为目 标。电压空间矢量s v p w m 则把电动机与p w m 逆变器看为一体，着 眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，其思路是以三相 对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不 同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来近似模 拟圆形。理论分析和实验都表明s v p w m 调制具有转矩脉动小，噪音 低，直流电压利用率高等优点，目前已在变频器产品中得到了广泛的 应用。 1 1 3 微处理器与数字控制技术 随着各类高性能、高速微处理器和微控制器的出现，各类电气传 动装置的控制器已由模拟控制转向数字控制。全数字控制方式以微处 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 理器作为整个系统的核心，将复杂的控制电路用软件实现，在较少的 硬件支持下，既可以快速的计算出结果，将结果进行综合比较、分析、 判断，最后输出最优选择：又可以对结果进行诊断，发现故障时能及 时报警显示，使得人机界面更为友好，操作更加简易。数字化控制的 实现使得调速系统的动静态性能更加趋于完善，系统的可靠性、可操 作性、可维护性得以大幅度提高。早期较为流行的方案采用单片机来 构成全数字控制器，这种方案在低成本的简易型变频器中仍然采用， 但随着现代控制策略的日益复杂，系统自诊断功能的日益强劲，和各 种附加的装置的采用( 如有源滤波装置等) ，一般的单片机已较难实时 性的完成如此复杂的算法。目前在高性能的交流调速装备上，己由最 初的8 位、1 6 位单片机发展到了1 6 位、3 2 位的数字信号处t 里器( d s p 、 与精简指令级处理器( p , z s c ) 。高性能的微处理器的应用是各种先进复 杂的控制策略得以实现的基础。 1 1 4 d s p 技术的现状及前景1 8 1 1 9 l 【1 2 l 1 d s p 的特点嘲川 d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。但它 不同于一般的微处理器，它是微电子学专家、信号处理专家和计算机 专家共同合作的结晶。d s p 具有极其高速的数字处理能力和很大的运 算量。因此，它能满足高效实时信号处理的要求。这种新器件的特点 如下： ( 1 ) 采用哈佛( h a r v a r d ) 结构，高度并行运算大大提高运算速度， 传统的处理器采用程序和数据共享一个存储结构，而使处理器的速度 受总线速度的限制。d s p 采用h a r v a r d 结构，即将数据总线( d m a 总线) 分离开来，从而可以集合其它的并行处理单元，实现同一指令 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 周期内将操作数据从程序存储器和数据存储器中取出并送到运算单 元。改进型h a r v a r d 结构的存储嚣与数字存储器位于两个独立的空 间，但可以相互传递数据。数据存储器可以通过来自程序存储的固定 参数初始化。在一个属期内可以同时准备好指令与搡作数。这种高度 并行运算，内部操作采用时间上重叠的流水线结构，大大提高了运算 速度。片外扩展总线增加了d s p 的通用性和灵活性。 ( 2 ) 芯片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器，能实现单指令 乘加运算和变址运算，d s p 内部专门设置了乘法累加结构，在硬件上 实现了乘法与累加器的并行工作，能在个指令周期内完成乘法并将 乘积求和运算，以满足数字滤波卷积运算以及超越函数幂级数展开等 相乘后求和的运算需要。片内专门设置了专用变址器，便于实现变址 运算。 ( 3 ) 芯片内专门设置了功能很强的专用指令，可以实现指令的重叠 运行d s p 中每条指令的运行过程都可以分为获取、解码、读、执行 几个阶段组成，每个阶段独立操作，指令可以重叠。d s p 还在硬件上 采用了数组处理技术，可以在寄存器、运算单元中处理变量的同时， 使用指针访问数据存储器。而并行工作构成了功能很强的复合指令， 它相当于通用c p u 多条指令。 ( 4 ) 芯片内设置了多种功能很强的外围器件和接口，使其运算速度 比p c 机要快很多倍，现今的d s p 在其结构上般配备了可编程定时 高速串行接口、多处理器连接接口等。因此，用它来处理数字信号， 特别是线性变换( 快速傅立叶变换、希尔伯特变换、余弦变换等) 、数 字滤波( 有限冲激响应滤波和无限冲激响应滤波等) 、卷积运算等，其 速度大大提高。在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功 7 太原理： _ 人学硕士研究生学位论文 能。因频谱分析的理论基础是快速傅立叶变换( f f t ) ，从而大大加快 了频谱分析处理过程。 ( 5 ) d s p 增加了硬件循环控制，当完成循环初始化后，实际运行中 循环不再消耗指令周期。大大提高了数字信号处理的运算速度 ( 6 ) 超长指令字结构，使设计简单化，不需要动态码再排序的硬件 支持。超长指令字结构是指令级的并行机制，它在一个长指令中，安 排了若干个操作在多个功能单元中同时被执行。v l l w 结构将复杂性 从硬件移到了编译器，它的处理器依赖于指令编译的快慢。其特点是 在单个周期内，将含有多项运算操作的指令划分为多个操作，这些操 作的发出与执行都采用并行方式，以提高每次执行的操作总数。 ( 7 ) d s p 成本低，销售价格逐年降低，一般d s p 并非是为某种功能 设计的芯片，其应用范围广，出片量多，因而可以降低其成本。随着 d s p 设计质量提高，给用户提供很大的好处，用户量增多，销售价就 降低。 本课题所用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，它特别适用于交流电机调 速，现将其特点简介如下： ( 1 ) 5 4 4 字节的双访问片内程序数据内存，1 6 k 片内程序 f l a s h e e p r o m ，2 2 4 k 寻址空间( 6 4 k 字数据空间，6 4 k 字程序空间， 6 4 k 字i 0 空间和3 2 k 字的全局空间) ： ( 2 ) 两个1 0 位的a d 转换模块，共有1 6 路a d 输入； ( 3 ) 1 2 个比较器p w m 通道；三个定时器，分别有六种模式；三个 带有死区带宽的1 6 位完全比较单元；三个1 6 位的简单比较单元： ( 4 ) 2 8 个可编程的多功能i o 脚以及串行通讯接口模块； ( 5 ) 六个外部中断和四个掉电模块： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 作为电机数字控制的专用芯片，t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的最大特色在 于内置了一个功能强大的事件管理器( e v e n tm a n a g e r ) ，其完备的功 能，使得t m s e 3 2 0 f 2 4 0d s p 几乎可以实现各种电机的控制。 事件管理器主要是有通用定时器单元、比较单元( 全比较单元和简单 比较单元) 、死区生成单元以及捕获单元组成。 2 d s p 今后的发展方向 d s p 作为今后世界数字化技术发展的核心部件，将对许多行业包 括人们的日常生活起到很大的影响，其发展将表现在以下几方面： ( 1 ) 追求更高速度和更小封装； ( 2 ) 追求低价格，多功能； ( 3 ) d s p 的硬件设计简单化，软件设计多样化； ( 4 ) 发展低电压、低功耗的d s p 芯片，用于个人移动通信技术及便 携式设备等。d s p 的发展可以说是日新月异，它是未来数字化世界的 源泉。 i i 5 交流电动机的控制技术【2 1 1 1 0 1 在交流电动机控制技术中最具代表性的有：开环的变压变频 ( v v v f ) 控制、转差频率控制，矢量控制( 磁场定向控制) 以及当前研究 热点之一的直接转矩控制。 变压变频( v v v f ) 控制以电动机的稳态方程为推导基础，以控制 电动机的气隙磁通幅值恒定为目标，具有控制简单、容易实现，静态 性能指标在大多数场合都能满足需求等特点，目前市场上通用变频器 大多采用这种方式。但开环的变压变频控制并不能真正实现动态过程 中的转矩控制。 要使电动机的转速得到快速的动态响应，就必须像直流电动机双 9 太原理_ f ：= 大学硕士研究生学位论文 闭环控制那样，除了具有速度环外还必须有转矩环。能有效的控制交 流电动机的转矩就成为提升电动机动态性能的关键。 转差频率控制能够在一定程度上控制电动机的转矩，相对于开环 的v v v f 控制其动静态性能有所提高。但转差频率控制是以电动机的 稳态方程为基础设计的，并不能真正控制动态过程中的转矩。 1 9 7 1 年，德国西门子公司的e b l a s c h e k 提出异步电动机的矢量控 制技术，使交流调速控制理论获得了第一次质的飞跃。矢量控制技术 以经过3 2 坐标变换的电动机的动态模型为基础，利用坐标旋转变换 技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，使得交流电动机在 理论上能像直流电动机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控 制，获得像直流电动机一样良好的动态性能。应用矢量控制技术的变 频器目前己实现了商品化，展现了现代交流传动的工业应用水平和良 好的发展前景。 矢量控制技术使高性能交流调速得以实现，使其获得了巨大的发 展空间。但是，矢量控制需要确定转子磁链的具体位置，同时为了使 电机工作在合理的工作状态下，磁链幅值也必须加以控制。而磁链一 般不直接检测，因此在矢量控制系统中用电机参数计算出磁链的位置 角或利用磁链观测器观测磁链。这些方法都与电机参数有关，而在电 机运行过程中，电机参数会随着环境温度和励磁条件的变化，在一定 范围变动。这将严重影响控制系统的动态性能，甚至导致系统不稳定。 为了解决这类问题，国内外学者应用现代控制理论，如模型参考自适 应控制、卡尔曼滤波等，对电机参数( 定、转子电阻、转动惯量等) 进 行动态辨识。控制器利用初始化的参数进行在线校正并不困难，真正 的难点是在系统运行时如何利用电机参数对控制器参数进行正确跟 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 踪。很多学者提出了各种各样的矢量控制方案，例如，有人提出在低 速采用间接矢量控制，而在高速运行时转换为直接矢量控制。 电机在额定磁链下运行，能获得理想瞬态响应，但是在轻载时， 由于过多铁损导致效率低下。利用函数发生器或在实时损耗计算的基 础上减弱磁通，实时检测输入信号，实现效率最优控制。这种方法在 稳态轻载时可搜寻最优磁链以获得效率最优控制，在瞬态条件下，电 机转换到额定磁链下工作，同时实现了效率最优控制与瞬态最优控 制。 自适应控制如自校正调节、模型参考自适应系统( m r a s ) 、滑模 控制，使系统具有较强的鲁棒性。m r a s 理论比较成熟，在解决反馈 信号估计( 如磁链、转矩、转速等) 问题方面得到普遍应用。 1 , 1 6 无速度传感器交流电动机的控制技术 目前，由于交流电机增加转速传感器使整个系统成本提高、可靠 性降低，所以无速度传感器矢量控制技术的研究成为交流电机控制技 术的热点。无速度传感器矢量控制系统采用电流、电压传感器检测定 子电流或电压，利用速度观测器估计转速，其关键在于在线获得转速 信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。 目前，速度估算的方法主要有：利用电机转矩电流分量建立速度 估算法；基于观测器理论，用g 轴磁通的速度估算法：基于串联双模 型观测器异步电机速度估算法1 3 7 1 ，应用较多的是模型参考自适应法和 扩展卡尔曼滤波法i 加il a 3 1 。 利用电机转矩电流分量的速度估算法，速度推测的准确性主要决 定于磁链位置角的准确性，以及定子电流的准确性。其优点是这种速 度推算方法计算简单，很容易实现：缺点是速度推算不是很准确，而 太原理工大学硕士研究生学位论文 且系统要进行定子电流的在线辨识，所以要求系统装设快速而准确的 模数转换环节。 基于观测器理论，用口轴磁通进行转速推算的方法，由于使用磁 通观测值进行转速推算，速度推测的准确性就主要决定于磁链观测准 确性，电压模型的磁链观测法适合于高频场合，电流模型的磁链观测 法适合于低频场合。有些调速系统综合两种模型，在动态过程的不同 阶段利用不同的模型进行磁链观测，能得到较准确的磁链值。其优点 是由于g 轴磁通是根据与转子电阻无关的磁链观测器得到，因此解耦 条件与转子电阻无关，当转予电阻的设定值偏离实际值时，转差角频 率计算产生误差，该误差将导致速度估计稳态误差，且两者相等。由 于这一误差较小，因此速度估计稳态精度受转予电阻变化的影响较 小：缺点是这种速度推算方法计算较复杂，要求控制器有很快的运算 速度，并且需要对定予电压、电流同时进行快速采样，所以也要求系 统装设快速而准确的模数转换环节。 模型参考自适应法，主要是在m r a s 中有一个参考模型，它描 述被控对象的动态或表示一种理想的状态。这种方式是将被控过程输 出与参考模型输出进行比较，并按偏差进行控制。在无速度传感器矢 量控制情况下。转子的机械角速度不能直接测量，所以利用定子侧的 电压和电流构建m r a s 来计算出转速，电压模型作为参考模型，实 现无速度传感器矢量控制。电压模型不含角速度，而电流模型包含。 故可用电压模型的输出作为转子磁链的期望值，电流模型的输出作为 转子磁链的推算值，可构成转速自适应辨识。 转速的自适应率为： 国= 恽p + s k f 弦 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 该自适应率实际上是个p i 调节器。其优点是速度计算很准确， 受环境变化影响也很小；缺点是算法很复杂，要设计合适的自适应规 律，讨论构成自适应系统的稳定性问题，对控制器的性能要求很高。 目前，无速度传感器矢量控制需要进步解决的问题是： ( 1 ) 在极低速( 或频率) 下如何实现稳定运行，获得快速动态响应； ( 2 ) 在电机运行时，进行定转子电阻在线参数辨识，更先进的辨识 算法有待提出； ( 3 ) 如何获得精确的电压电流信号； ( 4 ) 调速范围的扩大。 随着现代控制理论的发展，这些问题逐步解决，这将使无速度传 感器矢量控制技术具有更加广阔的应用前景。 1 2 本文的主要研究目的和内容 本文深入研究了感应电动机矢量变换控制理论和基于定子电流 转矩分量速度推算【3 l 以及基于转子磁链g 轴分量速度推算1 2 9 1 两种方 法。对基于定子电流转矩分量速度推算法调速系统中的电压解耦环节 加以修正，对基于转子磁链q 轴分量速度推算法的调速系统增加了磁 链闭环控制，改进了仿真结果，无论在动态还是在静态过程中，实际 速度与计算速度吻合程度较好，仿真结果证明了这两种调速方法的可 行性和修正环节的正确性。 1 3 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 交流电机无速度传感器矢量控制的关键在于速度的获得和转子 磁链的获得，本文对这两部分的仿真及软件编程进行了详尽的描述。 本文还简要介绍了d s p 开发平台的硬件结构，并在其基础上进行了 调速系统的软件开发。最后，由于作者水平有限，未能完成最终程序 调试，深感遗憾。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章无速度传感器矢量控制基本理论 2 1 矢量控制基本原理 异步电动机矢量控制的思路，就是通过坐标变换1 2 1 1 3 1 ，把定子三 相电流分解成励磁电流和转矩电流厶两个垂直分量，在调速过程 中保持励磁电流不变，即磁通不变，此时与直流电动机调速原理 相同，控制转矩电流厶，就可以控制电磁转矩。 ( a ) 三相静止坐标( b ) 两相静止坐标 ( c ) 两相旋转坐标 图2 - 1 电机电流等效变换 f i g 2 - 1c u r r e n tc o o r d i n a t i o n 由电机学可知，三相对称绕组通入三相对称电流，在空间会产生 一个旋转磁势，以同步角速度旋转，如图2 - l ( a ) 所示。空间互相垂直 的二相绕组，通入时间互差9 0 度相位的二相交流电也可以在空间产 生一个同样大小的旋转磁势，以同步角速度旋转，如图2 - 1 ( b ) 所示。 此时，二相绕组与三相绕组等效，前者为三相交流静止坐标，后者为 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 二相交流静止坐标，对应的电压、电流为交流量，用3 s t 2 s 坐标变换 可以实现上述等效静止坐标变换。直流电厶、五分别输入在空间互成 9 0 度的二相绕组，在空问可以产生同样大小的静止磁势，再将该二相 绕组以同步角速度旋转，此时旋转磁势与上述交流电产生的磁势等 效，对应的坐标为旋转坐标，该坐标系的电压、电流为直流量，如图 2 - 1 ( c ) 所示。用2 s 2 r 坐标变换或3 s 3 r 坐标变换可以实现等效旋转 坐标变换1 4 儿1 6 | 。 2 2 坐标变换 2 2 ，1 3 s 2 s 变换( 三相静止坐标变两相静止坐标) 考虑变换前后预个坐标系统的总功率不变，则变换矩阵如下： 哦至 1 压 ( 2 1 ) 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 0 = 0 ，且f 。+ + = 0 ，三个变量只有两个是独立的。 因此上式可进一步简化为： 卧 鱼o 2 占i 4 2 1 6 ( 2 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 一 1 | = 信j t0 f i l 22 。 简化后的式子为 ： = 据o l1 4 6 2 2 2 3 2 s 2 r 变换( 两相静止坐标变两相旋转坐标) i 。 c o s 0 l j 2 l “n 0 其中口为两相静止坐标的口轴与两相旋转坐标的m 轴的夹角。 2 2 4 2 s 2 r 逆变换 _ s i n 曰 一 c o s 0 儿j 2 3 异步电动机在不同坐标系下的数学模型p ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 研究异步电动机的调速必须建立等效的数学模型，掌握电机的控 制规律。以下是异步电动机在不同坐标系下的电机模型。 2 3 1 异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型 1 7 1j 口 ， 一h一 j 口口 1 s “ 0 s c 口p证 c s 。l = 1j 0咯 。l 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 电压方程 。= 。+ p l 。 q 卢= i p r l + p 妒旧 ( 2 7 ) “2 口= f 2 口，2 + p g 2 d + 2 口 “2 口= i 2 口r 2 + p 2 口一c 0 9 2 口 ( 2 ) 磁链方程 口= l l a l l + 1 2 d 1 m 。“厶嘞m ( 2 8 ) y 2 口= f l 。m + f 2 。上2 g 2 p = l i p m + i 2 p l 2 式中m 定转子互感 ( 3 ) 电磁转矩方程 丁= 昙n m 0 咿i 2 。_ f l ，) ( 2 9 ) 2 3 2 异步电动机在以同步速旋转的砌坐标上的数学模型 ( 1 ) 电压矩阵方程 1 + p l l 一国l l l m i l i + p l l p m曲，m s mp m p m 国1 m 1 也+ p l 2 c o j l 2 一，m p m e o , l 2 ，2 + p l 2 d z 1 9 1 2 d 1 2 口 ( 2 1 0 ) ( 2 ) 电磁转矩方程 丁= 吾p 。m a - i l a i 2 q ) ( z ， 2 3 3 异步电动机在以转子磁场定向( 简称m - t 旋转坐标系) 的数 学模型， ( 1 ) 电压方程 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 “1 m = l l , h r l + p i 一国1 p 1 f “l r = l i t _ + p lr + 国1 妒l m u 2 。= f 2 m ，2 + p y 2 m 一缈，妒2 f u 2 ，= 1 2 t r 2 + p ；c ，2 f + c o j 妒2 m ( 2 ) 磁链方程 妒】。= f i 。厶+ f 2 。m r = l i t l l + 1 。2 t m 2 。= f 2 “三2 + f l 卅m = 。= 妒2 y 2 = i 2 ，l 2 + 屯m = y ，= 0 ( 3 ) 电磁转矩方程 r = 委p 。肘( f 。，f 2 。一f m f 2 ，) 式中， 厶，：定子、转子一相的自感； n ，吃定子、转子一相的电阻； m 定转子绕组的互感； p 。电机极对数； 转子角频率； 峨同步角速度； 脚；转差角频率0 3 ，= s o ) l = q 一彩 ，转动惯量； 2 4 矢量控制基本方程 2 4 1 定子电流r 轴分量与转矩的关系 将磁链方程中的 1 9 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 扣与芦和f 2 ，一争代入转矩方程中得 r = 弘争y ： ( 2 1 5 ) 从上式可以看出如果p ，固定不变，电机转矩可以由定子丁轴分量 唯一确定。 2 4 2 定子电流肘轴分量与转子磁链的关系 由磁链方程得到 ：一雩生： ( 2 1 6 ) 山m 式中，l ：生转子时间常数 吃 从上式可以看出转子磁链y ：可以由定子m 轴分量唯一确定，如 果能保持转子磁链恒定不变，则( 2 1 6 ) 又可以简化为下式 f ，i i = 等 ( 2 1 7 ) 本系统就是通过控制定子电流使得定子电流肘轴分量保持不变，即 转子磁链不变的情况下，根据负载变化调节定子电流t 轴分量控制电 机转矩以达到无速度传感器闭环控制。 2 5 无速度传感器矢量控制基本原理 本系统采用m - t 旋转坐标系来研究异步电动机的调速控制。矢量 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制系统的输入量为转矩信号和励磁信号，通过电压解祸环节可以将 转矩信号和励磁信号转化为施加在异步电机上的定子电压信号，在通 过s v p w m 环节将旋转电压信号，转化为p w m 脉冲输出，最终加在 电机上控制电机运行，由于采用无速度传感器的控制方法，这里参考 文献给出两种速度计算的方法。系统对给定速度与计算速度反馈量的 差值进行p i 调节，其输出就是转矩信号，另一个输入量励磁信号通 过确定励磁磁链的大小直接给出。图2 2 为系统结构框图。 2 5 1 电压解耦原理【3 1 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 异步电动机在同步旋转的j 】1 4r 上的数学模型可用如下公式来表 示，结构如图2 - 3 ： u 扩慨+ 厶，p ) - f 扩q 三+ 芒l m ( 2 - 1 8 ) u t l = 三。f 。+ ( r 。+ 工，。p ) l t l 三l 盟r 街。p ： ( 2 - 1 9 ) 由图2 - 3 可见，m 轴与丁轴之间存在着耦合关系，设由m 轴到t 轴耦合电动势为u 由r 轴到m 轴耦合电动势为u , m ，则 一i ( o l l n i m l + ( l ml 。l r ) 协z 。， = q 三。i t 1 ( 2 - 2 1 ) 为了消除m 轴与丁轴之间耦合电动势的影响，在电动机的输入 电压指令中应对这两个互相交叉的电动势予以补偿。 设电动机的输入电压包括两个分量，其中一个分量为u 。，或u 。， 用来补偿m 轴与r 轴之间耦合电动势，起到解耦的作用：另一分量 为u ：或u ：，用来产生电动机的励磁电流分量或转矩电流分量，即 u ，l = 吒i u ( 2 2 2 ) u 1 = 碥一u w ( 2 2 3 ) 在u ，。和u 。的作用下，丁轴与m 轴之间的耦合电动势得到补偿。 异步电动机的等效动态结构图变成图2 4 所示。由图2 - 4 可见，异步 电动机在 丁坐标上经电压矢量解耦后，其等效模型为两个定子电 太原理工大学硕士研究生学位论文 de日出810目iih c - h i 田霉军亭跑臀潦毒秣曾峨昧甲n田 太原理丁大学硕士研究生学位论文 # _ 四j j kso暑uidiilis o 【i 卜 寸n 吐e 科婪扣留垭蘖连嗵簪暮帮舻龋昧丫n田 太原理工大学硕士研究生学位论文 压子系统。其中，肼轴电压子系统产生f 。，t 轴电压子系统产生j n 。 假定在基频以下可以忽略电动机起动时的磁场建立过度过程，或采用 预先励磁的方法，则转子磁链恒定不变。微分算子p 均变为零。简化 后的异步电动机解耦结构如图2 - 5 所示，公式如下： u 二= r 矗 ( 2 2 4 ) u j = 伍+ 上。p ) f j “r t ( 2 2 5 ) 给定输入电压指令为： u ，】= u + ，l u 。，= r 1 f 。l 一l l ，i * t l ( 2 2 6 ) u 。l = 以- u 。= l l l 。i m l + r ：f r l + 专生l y + 2 ( 2 2