（控制理论与控制工程专业论文）异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 异步电机无速度传感器矢量控制系统因为其固有的许多优点而受到广大研 究人员和用户的关注和欢迎，本文就此课题进行了研究与实验，并基于 t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 实现了异步电机无速度传感器矢量控制系统。 异步电机高性能调速系统的实现基于异步电机的动态数学模型，本文对异 步电机的动态数学模型进行了分析研究；无速度传感器矢量控制系统是建立在 常规带速度传感器矢量控制系统的基础上的，本文对矢量控制系统进行了分析 研究；接着对现有的一些无速度传感器控制方案进行了分析研究，进而提出本 文采用的基于转矩电流微分估算转速的无速度传感器矢量控制方案。 在前述理论分析研究中，借助数学软件m a t l a b s m f u l i n k 为仿真工具， 对每个环节进行了仿真分析，仿真分析能起到对理论进行验证的作用，仿真结 果对后续的实验有一定的指导意义。前述的理论分析研究和仿真工作为进一步 的实验工作打下了基础。 文中对实验平台做了较详细的介绍，基于此实验平台，进行软件调试和系 统调试，先后实现了对异步电机的带速度传感器的磁链闭环的矢量控制控制、 带速度传感器的磁链开环的矢量控制和无速度传感器矢量控制。 实验结果表明，在中高速阶段，本文实现的无速度传感器矢量控制系统调 速性能良好，有较好的带载能力；与带速度传感器矢量控制系统相比，静态性 能相差无几，动态性能还有一些差距；在低速阶段，本文实现的无速度传感器 矢量控制系统性能还不够理想，有待进一步的改进。 本文实现的无速度传感器矢量控制系统无需转速检测硬件，免去了速度传 感器带来的种种麻烦，而且减少了电机与控制器的连线，提高了系统的可靠性， 降低了系统的成本，有一定的实际意义。 关键词：无速度传感器，矢量控制，转速估算，电流微分，d s p m a t l a b 0 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p e e ds e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o rh a sb e e nt h ep o p u l a r r e s e a r c hp r o j e c to w i n gt oi t si n h e r e n ta d v a n t a g e s r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t sa r e d o n ei nt h i sp a p e r , a n das p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o ri s r e a l i z e db a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 4 0 t h er e a l i z a t i o n so fh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e mf o ri n d u c t i o nm o t o ra l l b a s eo nt h ed y n a m i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r , a n ds p e e ds e n s o r l e s sc o n t r o lo f i n d u c t i o nm o t o rb a s e so nv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rw i t hs p e e ds e n s o r s o ，t h e d y n a m i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n ds o m es c h e m e sf o r s p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d a n dt h e nt h eu s e ds c h e m e b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a lo f t o r q u ec u r r e n ti nt h i sp a p e ri sp r e s e n t e d t h em a t hs o f t w a r em a t l a b s i m u l i n ki su s e dt os i m u l a t et h ep r e v i o u s t h e o r i e s s i m u l a t i o ni sh e l p f i a lf o rt h et e s to ft h e o r i e s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e h e l p f u lf o rt h el a t t e re x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r ed e b u ga n d s y s t e md e b u ga r ed o n eb a s eo nt h i sp l a t f o r m ，a n df l u xc l o s el o o pv e c t o rc o n t r o l s y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r , f l u xo p e nl o o pv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r , a n dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o ra r er e a l i z e do n e b y e o n e 。 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m r e a l i z e di nt h i sp a p e rc a nw e l lt r a c et h eg i v e ns p e e dw i t hb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n db e t t e rl o a d i n ga b i l i t y c o m p a r e d 、i t ht h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m w i t hs p e e ds e n s o r , t h es t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o ri sa s g o o da st h es y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r , b u tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sal i t t l ew o r s e t h el o ws p e e dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mn e e d st ob es t r e n g t h e n e d t h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o rr e a l i z e di nt h i s p a p e rd o e sn o tn e e ds p e e ds e n s o r , a v o i d st h ed i s a d v a n t a g e sb r o u g h tb ys p e e ds e n s o r , r a i s e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，d e c r e a s et h ec o s to ft h es y s t e m ，m a k e st h es y s t e m b e c o m es m a l l e ra n dl i g h t e r , a n dr e d u c e st h el i n e sb e t w e e nt h em o t o rm a dt h e c o n t r o l l e r t h es y s t e mh a sn o v e lp r a c t i c a lm e a n i n g s k e y w o r d s ：s p e e ds e n s o r l c s s ，v e c t o rc o n t r o l ，s p e e de s t i m a t i o n ， d i f f e r e n t i a lo fc u r r e n t d s p ，m a t l a b 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：主7 毛日期：v 。弓) 8 签名：盈! 盏日期：鲨! ：) 5 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：煎! 整导师签名： 计 i i 上海大学硕士学位论文 1 。1 课题相关科学概况 第一章绪论 电气传动技术以电机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子功 率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达 到控制电机转速或位置的目的。 电机可分为直流电机和交流电机两大类。一般说来，直流电机控制起来简单， 但由于具有电刷和换向器，必须经常检查维修，换向火花使其应用环境受到限制， 换向能力限制了直流电动机的容量和速度( 极限容量与转速之积约为 1 0 6 k w r r a i n ) 等等。交流电机，特别是笼型电机，由于其结构简单，制造成 本低廉、运行方便可靠、环境适应能力强等优点“，在实际中有广泛的应用，但 由于其数学模型复杂，要对它实行控制相对困难。在近几十年里，随着电力电子 技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步电机控制技术不断被 提出，尤其是矢量控制技术的提出和实用化，使得交流传动控制系统的性能达到 直流电气传动控制的水平。在矢量控制之后又提出了直接转矩控制、智能控制等 不同的先进控制策略，推动着交流调速系统不断向前发展。 1 1 1 微处理器 早期电气传动控制系统完全由电子器件构成。整个控制系统的硬件结构复 杂，控制装置的可靠性差，而且调试复杂。随着微电子技术的发展，电子控制器 从模拟控制转为数字控制，实现了硬件电路标准化、降低了成本，而且提高了控 制方法的灵活性。可以在一套硬件上通过改变控制算法的软件，实现不同的控制 策略，提高了设备的效能。尽管数字控制具有许多优越性，但是也存在问题，如： 模拟量量化时带来了量化误差，影响了控制精度和平滑性；数字控制离散化后， 影响了控制的实时性，甚至会造成系统的不稳定。但是，随着微处理器的不断进 步，从8 1 6 位的单片机到1 6 3 2 位的数字信号处理器( d s p ) ，位数增多，执行速 度加快，控制能力也越来越快，数字控制带来的一些问题逐步得到克服，其优越 性更加明显。d s p 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大 上海大学硕士学位论文 大的提高了其功能。t 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 就是一种具有上述优点的电机控制 专用芯片”23 2 “。 应用于规模生产的生产线上的调速系统，往往需要多台机械的连续协调控 制，运用计算机集散控制技术可形成级连的控制形式。上位机、p l c 和各台控制 器之间的信息联系( 指令信息、反馈信息、监测信息) 通过控制电缆或现场总线 ( f i e l db u s ) 或计算机网络( n e t w o r k ) ，用通信板和通信协议( p r o t o c 0 1 ) 来实现联系， 于是，电子控制又由数字化发展到网络化。 1 1 2 电力电子开关器件 电力电子器件为交流调速奠定了物质基础。电力电子器件在交流调速系统中 的主要应用是构成电力电子变换器，起弱电控制强电的纽带作用“”“。 至今，电力电子器件的发展大致经过了四个阶段“：( 1 ) 晶闸管s c r ；( 2 ) 门 极可关断晶闸管g t o 和双极型功率晶体管b j t ：( 3 ) 绝缘栅双极晶体管i g b t ；( 4 ) 功率集成电路p i c 和智能模块口m ，目前它继续向大功率、高频化、模块化、智 能化方向发展。 晶闸管属于半控型开关器件，可以控制开通，但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相电路，这样整个系统 就比较复杂，而且开关速度慢，无法满足高性能调速系统的要求；g t o 虽然是 既能控制开通又能控制关断的全控型器件，但器件贵，开关速度慢，损耗大，可 靠性低，需要体积较大的缓冲电路和门极驱动电路；i g b t 的研制成功才真正成 为高性能的全控型电力电子器件，无论在开关速度还是在可靠性方面都比前两种 有了很大程度的提高，具有很好的综合性能，是目前应用最为广泛的功率开关器 件；8 0 年代以后出现的功率集成电路( p i c ) 集功率驱动电路、保护电路、接口电 路于一体，但在制造上存在着高低电压之间的绝缘问题和温升与散热的有效处理 问题。有些公司采用表面贴装技术制成混合功率模块，如智能功率模块( i p m ) 采 用i g b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路以及过载、短路、欠电压等 保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，减小了体积， 减轻了重量，又提高了可靠性。模块化能减小器件内引线的寄生电感，是增强可 靠性的要求，其发展已经经历了标准模块、智能模块( i p m ) 至1 专用功率模块 上海大学硕士学位论文 ( a s p m ) ，尤其是被称为“a ui no n e ”的a s p m 越来越普及，它把变流装置中的 所有硬件尽量以芯片形式封装成一个模块，这样既降低成本、缩小体积，又提高 可靠性，还把寄生电感几乎压缩到零“。 1 - 1 3 异步电机的控制策略 按照异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率分为有效功率和转差功 率，根据转差功率的流向，异步电机的调速系统可以分成三类“： ( 1 ) 转差功率消耗型，如降电压调速、转子回路串电阻等，这种系统的效率 最低，是靠增加转差功率的消耗来换取转速的降低。因为结构简单，在一些场合 还有应用。 ( 2 ) 转差功率馈送型，如双馈电动机调速，这时候大部分转差功率在转子侧 通过变流装置馈出或馈入，虽然提高了效率，但是要增加变流装置，消耗了一部 分功率，同时也增加了系统控制的复杂性。 ( 3 ) 转差功率不变型，如变极对数调速、变压变频调速等。变压变频调速效 率高、性能好，所以最有发展前途。 交流电机变压变频调速由于其性能的优越性在实际中有广泛的应用，同时也 是许多学者关心的热点。变压变频调速系统主要可分为： ( 1 ) 转速开环的电压频率协调控制 这是变压变频调速中一种最简单的控制策略，是基于异步电机稳态数学模型 得出的控制规律。在基频以下时，保持磁通幅值恒定；在基频以上时，保持定子 电压恒定。由于这种系统只是开环控制，转速没有闭环，因此带载时产生稳态误 差。这类系统适用于性能要求不高的场合。 佗) 转速闭环转差频率控制 转速闭环转差频率控制实质是在保持气隙磁通幅值恒定的条件下，通过控制 转差频率去控制转矩，转速闭环控制使得转速在负载扰动下没有静差，控制效果 较转速开环的电压频率协调控制有所提高，但由于其基本的控制规律仍从电机 的稳态数学模型中导出的，因此动态性能与直流双闭环调速系统相比仍有一定的 差距。 f 3 1 矢量控制 l 海大学硕士学位论文 矢量控制是基于异步电机动态数学模型的高性能控制系统。它通过坐标变换 并按转子磁链定向，把定子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直 的励磁电流分量与转矩电流分量，实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦； 通过控制转子磁链和电磁转矩，得到了与他励直流电动机一样的线性机械特性 “。采用矢量控制技术的交流调速系统的动、静态性能达nt 直流双闭环调速 系统的水平。 实现矢量控制的关键是按转子磁链定向，即需找到同步旋转坐标系的d 轴( 即 控制基准轴) 与静止坐标系a 轴之间的夹角( 1 1 转子磁链的空间角度) 。磁链定向 控制分直接磁链定向控制与间接磁链定向控制。直接磁链定向控制需要获得电机 转子磁链的知识，一般采用磁链反馈控制方式。电机转子磁链可直接检测，或用 磁链观测器得到。直接检测磁链需要在电机内部埋置磁敏元件，在实际应用中存 在一些缺陷0 1 ，很少采用。磁链观测器实际上是磁链仿真器，它根据转子磁链模 型，利用电机的电压、电流、转速等信息解算出磁链幅值与角度，其准确性受电 机参数影响。在矢量控制中，如果定向不准，将会影响系统的性能。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制也是一种高动态性能的交流调速系统，是在静止的两相坐标系 中直接控制定子磁链幅值与电磁转矩。直接转矩控制系统根据定子磁链幅值偏差 的符号s ，和电磁转矩偏差的符号s 。以及定子磁链所在的区间，直接产生定子电 压矢量。 由于采用了b a n g b a n g 控制，不需要精确计算定子电压矢量的两个分量，只 要根据偏差的符号确定调节的方向，再根据定子磁链所在的区间，在八个p w m 逆变器输出电压矢量中寻找最为接近的空间矢量作为定子电压。因此，直接转矩 控制系统不需要定子磁链的精确定向，只要确定定子磁链所在的区间就可完成控 制。 直接转矩控制因采用了磁链和转矩的b a n g - b a n g 控制，引起转矩和转速的脉 动，低速时尤为严重，因而限制了系统的调速范围。 ( 5 ) 智能控制技术应用在电机控制中 智能控制是自动控制学科发展过程中一个崭新的阶段。目前，智能控制的研 究与应用己深入到众多的领域；同样，它的发展也给电气传动系统的控制策略带 4 上海大学硕士学位论文 来了新思想、新方法。目前发展的属于智能控制方法的有：模糊逻辑控制、神经 网络控制、专家控制、学习控制、分层递阶智能控制和遗传算法，它们在传动控 制领域中都得到了一定的应用，很多文献中都有这方面的介绍。 1 2 本课题的概况 在常规的高性能交流传动系统中，为了达到较高的动、静态性能，转速的闭 环控制环节一般是必不可少的，从某种意义上讲，甚至决定了控制系统性能的优 劣。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行速度的检测，并反馈转速信号，但 是，速度传感器的安装会给系统带来以下一些缺陷”1 ： ( 1 ) 系统的成本大大增加。精度越高的码盘价格也越高，有时占到中小容量 控制系统总成本的1 5 - 2 5 。 ( 2 ) 码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。 ( 3 ) 使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定的困难，同时破坏 了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。 ( 4 ) 在高温、高湿度的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条 件的影响。 ( 5 ) 转速反馈信号的传输容易受到各种扰动信号的污染，且传送距离受到限 制。 在这种情况下，人们转而研究无需速度传感器的电机转速估算方法，提出了 无需速度传感器的矢量控制，这项研究也成为交流传动的一个热点问题”1 。近年 来，国内外学者致力于无速度传感器控制系统的研究，在这方面做了大量的工作 并取得了许多成果，国外已有比较成熟的产品问世，国内也有很多理论性的研究 成果，还有的通过实验实现无速度传感器矢量控制，但离产品化还有一段距离。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的就是实现异步电机无速度传感器矢量控制系统，得到一些 研究成果和实际经验，为国内无速度传感器矢量控制通用变频器的产品化做贡 献。 实现异步电机无速度传感器矢量控制，可以免除前述速度传感器给系统带来 上海大学硕士学位论文 的种种缺陷，使得系统中电机与控制器的连线减少，系统成本降低，而且对提高 系统的可靠性、对环境的适应性、进一步扩大交流调速系统的应用范围具有重要 的意义。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础。 第一章阐述了本课题相关科学的发展状况、本课题的概况以及课题研究的目 的和意义。 第二章对异步电机的动态数学模型进行理论分析研究，并用 m a t u 啦s i m u l i n k 对其进行仿真。 第三章对矢量控制系统和无速度传感器矢量控制系统进行了分析研究，并对 比较转子磁链的电压模型和电流模型用p i 控制闭环构造转速和比较定子电压用 p i 控制闭环构造转速等转速估算方法进行较深入的分析研究，最后提出本文采 用的基于转矩电流微分估算转速的无速度传感器矢量控制方案。 第四章介绍了实验用的实验平台。 第五章阐述了无速度传感器矢量控制系统的实现过程，详细介绍了系统的软 件设计，并给出了实验结果。 最后第六章总结全文。 t 海大学硕士学位论文 第二章异步电机的动态模型及其仿真 2 1 引言 异步电机高性能调速系统的实现都是基于异步电机的动态数学模型，本章对 异步电机的动态数学模型进行分析研究，并用m a t l a b s i m u l i n k 对其进行仿 真。 随着交流传动技术的发展，尤其是变频调速技术和矢量控制技术的发展，人 们对交流传动技术的研究越来越深入。计算机仿真作为研究交流传动的一种重要 手段，也越来越受到人们的重视“。在进行仿真研究时，首先必须建立被控 对象，即异步电机的仿真模型，电机仿真模型的好坏直接关系到仿真结果的可信 度。有些电机仿真模型能提供的物理量少，通用性较差，且许多模型由于内含求 导环节，存在稳定性差的缺点。一个好的电机仿真模型要求尽可能真实地反映电 机的实际物理过程，具有较强的稳定性，还要尽可能多地提供电机内部各机电状 态量的值，以供仿真研究时使用。 我们从异步电机的空间p a r k 矢量模型出发，建立异步电机的仿真模型，模型 中不含任何求导环节，所以有较强的稳定性，并能提供定子电压、定子电流、转 子电流、定子磁链、转子磁链、电磁转矩、负载转矩、电机转速、同步角频率、 转差角频率等物理量的数值，具有较强的通用性，可以方便地用于异步电机及其 控制系统的动、静态过程的研究。 最后以本实验室的一台3 k w 四极三相异步电机为例，进行仿真验证，给出 仿真结果，证明了仿真模型的有效性。 2 2 异步电机的动态数学模型 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究 异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设： ( ) - - , f i 绕组在空间对称互差1 2 0 。，磁势在空间按正弦分布 ( 2 ) 忽略铁芯损耗； 卜海大学硕士学位论文 ( 3 ) 不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的 ( 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响”。 2 2 1 异步电机三相原始模型 图2 1 笼型异步电机三相绕组空司分布和三相坐标系 如图2 1 ，其中r 表示电阻，l 表示电感，下标s 代表定子，下标r 代表转子， a 、b 、c 分别代表三相绕组，m ，表示转子旋转角速度。在上述条件下得异步电机 三相原始数学模型如下： 磁链方程：旷= 口( 2 - 1 ) 电压方程：厅：尺i + 掣( 2 2 ) d t 转速施丢等= t 一互 ( 2 _ 3 ) 其中： 电流矢量 i = i s 。i 。i ii 。f 。r 磁链矢量币= 眇。y ：6 ，。y 。y 。r 电压矢量 函= - ；。“。“，。“。“，。“。r 电阻矩阵 r = r ，0 0 0 r ，0 00 r ， 000 000 0oo 000 000 000 r ，0 0 0 r ，0 00 r ， 8 壶。 罐 上海大学硕士学位论文 电感矩阵= 匪：i ，s r 定子自感矩阵和转子自感矩阵分别为： 上仍+ 三t 。 一 工，。 一士上。 l 盯= 一 三。 五四+ ，一 ，f l 一 。 一 三。工伍+ 上mj 三一+ 上，。 一 三。， 一 三t 。 丌= l 一 三h三盯+ 上。一 三。i l 一 工，。 一号l - 。三贯+ 上t 。j 互感矩阵 l l 。c o s o s ，l l 。c o s ( 0 ，+ 1 2 0 。) l 1 。c o s ，一1 2 0 。) l 上，= i l l 。c o s ( 0 , r 一1 2 0 。) l l 。c o s 0 ，l 1 。c o s ( 0 , ，+ 1 2 0 。) l l 厶。c o s ( 0 , ，+ 1 2 0 。) 厶，c 。s ( 口”1 2 0 。) 工一。s o , ，j 三，= 上二 s i n 0 ， s i n ，+ 1 2 0 。) s i n ( a , ，一1 2 0 。) 0i 。i t = 一n p 厶。b ，。如l 。1s i n ( 0 厂1 2 0 。) s i n 0 。， s i n ( 0 ：，+ 1 2 0 。) 怦陋4 ) ls i n ( 0 ，+ 1 2 0 。) s i n ( 巳一1 2 0 。) s i n 0 。 b j 互感，瓦为负载转矩，t 为电磁转矩，j 为机组的转动惯量，n p 为极对数。 2 2 2 异步电机空间p a r k 矢量模型 三相异步电机数学模型也可以用空间p a r k 矢量形式表示。用空间矢量来描述 异步电机，具有结构紧凑，物理意义明确等特点，具有一定的普遍意义。空间矢 量图如2 2 所示“1 。 上海大学硕士学位论文 以定子a 相绕组轴为参考轴，定义电流，电 压和磁链矢量 = 尼( i 。+ i s b e ”+ f ，。p 7 2 7 ) = 七( “，。+ r s b e 打+ “5 c e 2 7 ) 老毫鬈窖 陋s ， = 七( i 。+ f ，6 p + l 。e 2 7 ) e 。站 = k 沁、。+ l l r b e 如+ u r c e j 。r1 e i e ， = k t 甲m + i ；，_ b e ”+ v 。e i f ) e i 6 ， 图2 2 异步电机空间矢量 其中t = 2 n 3 ，k 为待定系数。若按磁势相等而且匝数相同的等效原则，则取 !：!三：；：莩：rj,5l云二二妻二：i善+。=disj。ti+上。t，cza，t 咄云+ 誓一驴耳i “鲁+ 乙百叫t i 也油 旷，：三，+ 三。云( 2 - 7 ) 正：2 r i ；一p 三。i m 瞳( i ) 】：2 r i ；一p _ l m1 i l r f v - ，) ， ( 2 8 ) jj l 一虬一虬_一坼_” 上海大学硕士学位论文 成另一种表达式。可以证明，将空间矢量用复数的形式表达，按不同的方向分解 能得到各种类型的数学模型。 2 2 3 异步电机在两相静止坐标系上的数学模型 鲁专( 吲 等= 一p 1+ l r o i ( 2 1 1 ) 等一i 1 州。寺 咀爹2 如+ 扣妒一半。托a陋协 吐鲁= 苦 一半。， 以定子电流i 、转子磁链矿，和转速。，为状态变量，可得异步电机状态方程 卜海大学硕士学位论文 咀堕d t 一盟l 笋 3 2 t + 苦驴旭钞岖 誓一扣伽属专云 曼竺：三兰!im眨(痧，)+卜瓦d h ，t 3 l ， 。 f 2 - 1 4 ) 图2 3 按转子磁链定向的空间矢量图 以旋转坐标系m t 为参考坐标系，令m 轴始终与转子磁链矢量同向，根据空间 矢量图( 参见图2 3 ) 可知 妒，= 妒，e i 8 云= ( f 。+ j i 。) 8 p ( 2 1 5 ) 玩= ( “，+ “。) e 8 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 14 ) ，并将实部与虚部分开，得到异步电机按转子磁链定 向的数学模型： 疋= 詈孚眠 i j i d c o 哥五= 詈等嵋， 盟d t = 一扣寺- t t ? 3 ” s ：# 1 ，y ， f 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) 吐鲁一半i 。慨诋+ 苦”“。 c z - z 2 t 海大学硕士学位论文 吐鲁= 一盟笋包叫f l m ” ( 2 _ z ) 其中盯= 1 一云l 专2 为电机漏磁系数，= 每为转子电磁时间常数。 按匝数相同的原则，定子电流三相一两相变换为： 甜： 2 3 异步电机的仿真模型 f 2 2 2 ) f 2 2 3 ) 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过 程和规律。在实际过程中，系统可能太复杂，无法求得其解析解，可以通过仿真 求得其数值解。计算机仿真是利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为以及 参与系统控制的主动者人的思维过程和行为，进行动态性的比较和模仿，利 用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来“副“。 系统仿真软件m a t l a b 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能， 而且在计算结果的分析和数据可视化方面有着其他类似软件难以匹敌的优势。界 面友好，编程效率高，扩展性强。m a t l a b 提供的s i m u l i n k 是一个用来对动 态系统进行建模、仿真和分析的软件包。s i m u l i n k 的目的是让用户能够把更 多的精力投入到模型设计本身。它提供了一些基本的模块，这些模块放在浏览器 里面，用户可以随时调用。当模型构造之后，用户可以进行仿真，等待结果，或 者改变参数，再进行仿真。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦 合的多变量系统，其动态和静态特性都相当复杂。以下将介绍用s i m u l i n k 如 何来建立三相异步电机的计算机仿真模型，为以后的系统仿真做好准备。 上海大学硕士学位论文 2 3 1 仿真模型的建立 为使仿真结果尽可能地接近异步电机的实际运行情况，仿真模型在应尽可能 接近物理对象时所得到的仿真结果才有意义。以异步电机的空间p a r k 矢量数学 模型作为仿真模型的依据”。 考虑到笼型电机转子侧短路，电压为零。则： 呦程：睁r 。爹( 2 - 2 4 ) n 等埘以 磁链方程：l ；! ! s2 三士+ 三m ! ( 2 - 2 , 5 ) 矿，= l ，i ，+ l ，i 。 转矩方程：疋= 孚lh 1 1 眨( i ) ( 2 2 6 ) 运动方程：疋一瓦= 丢等 ( 2 - 2 7 ) 驴? ：j k j 哥j ? 一r 了rhdt(2-28) “卜参咄一， “l 一疗l 2 珥咄专旷； 4 上海大学硕士学位论文 图2 4 异步电机的空间矢量模型的仿真结构 利用m a t l a b 的s i m u l i n k 内丰富的仿真模块，可以很方便地将以上仿真 模型图示化。如图2 5 所示。 j o o 图2 5 电机内部仿真结构 图中幻吨为比例环节，k - l 三m ，一，：= 瓦1 i ，女，= 等，女。= 古o ，女；= ；”，ll，l，ol，l， 3 电机的输入电压玩为互差1 2 0 度的三相对称正弦电压空间矢量和，表示为 面j = = “5 n + “j 6 e 1 1 2 0 + b l s c e 2 2 4 0 ，一 = k 上海大学硕士学位论文 仿真实现图如图2 6 。 图2 6 定子电压的空间矢量形式转换图 醚嚣 图2 7 电机仿真模型的封装和对话框 利用m a t l a b 的封装功能可以把电机和定子电压的矢量生成两部分封装，模型 与外界的交换除了输入和输出外，只有模块参数的对话框，这样对象简洁直观， 而且可以通过改变模块参数仿真的不同状态。如图2 7 所示，中间的模块就是电 机模型，左边的是输入电压的封装，非常简洁直观，而且可以通过改变模块参数 仿真不同电机状态。 2 3 2 异步电机模型的仿真 实验三相异步电机仿真的有关参数为： 电机铭牌参数： 额定功率为目= 3 k w ，额定电压为u 。2 3 8 0 v ，额定电流为i u = 6 9 a ，额定 转速为n _ 1 4 0 0 “m i n ，极对数为n p = 2 ； 电机参数测定实验将在第五章介绍，实验测得相关参数： 1 6 上海大学硕士学位论文 定子电阻为r s = 1 8 5 q ，转子电阻为见= 1 2 0 ，定子电感为l s = 0 2 9 4 0 h ，转 子电感为三，= o 2 8 9 8 h ，转动惯量为j = 0 1 2 8 4 n m , s2 ，互感为三，= o 2 8 3 7 5 h 计算得： 额定转矩= 2 0 n m 电机在5 0 h z 、空载情况下起动，起动后1 秒突加额定负载，起动后2 秒突 减负载到空载，仿真波形如图2 8 2 1 0 所示。 从转速、电磁转矩和定子电流波形看，仿真电机的起动及稳态状况与实际电 机基本相同，其中仿真得到的转速比实际额定值略高的原因是我们的仿真模型中 忽略了铁耗及风阻等因素的影响。因此电机仿真是正确的，而且可以用于系统仿 真中。 图2 8 转速波形图2 9 电磁转矩波形 图2 1 0 定子电流在a 、b 轴上分量 上海大学硕士学位论文 第三章矢量控制系统和无速度传感器矢量控制系统 3 。1 引言 无速度传感器矢量控制是建立在常规带速度传感器矢量控制的基础上的，所 以在对无速度传感器矢量控制系统进行研究前，首先要对矢量控制进行分析研 究。本章介绍了按转子磁链定向的矢量控制的原理，转子磁链模型，按转子磁链 定向的矢量控制系统及其仿真，并对无速度传感器调速系统进行了分类、分析研 究和仿真，最后在前述工作的基础上，提出了一种基于异步电机按转子磁链定向 的动态数学模型的转速估算方法，进而构成按转子磁链定向的矢量控制系统，并 通过仿真验证了此方法的可行性。 3 2 按转子磁链定向的矢量控制 对任何电气传动系统而言，从转矩到转速均为一积分环节，其积分时间常数 由传动系统的转动惯量决定，动态转矩则为电磁转矩和负载转矩之差。因而电磁 转矩是联系电系统和机械系统的纽带，传动系统的性能归根到底取决于系统控制 电磁转矩的能力”1 。 交流异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的受控对象，欲控制转矩，必 先控制磁通。如何使交流电机获得和直流电机一样的转矩控制性能，是对交流电 机实施有效控制的关键。在磁链定向矢量控制系统中，借助于坐标变换，把静止 坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并通过磁链定向把定子电流 分解为两个互相垂直的分量，即励磁分量和转矩分量，然后模拟直流电机实现磁 通和转矩的分别控制，也即解耦控制。坐标变换中的旋转变换实际为时变变换， 经过时变变换把时变系统变为定常系统。而通过磁链定向，并保持磁通恒定，则 实现了转矩的线性化处理。 3 2 1 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 前面已经介绍了异步电机按转子磁链定向的数学模型，以微分算子p 代替微 分符号，由( 2 - 1 8 ) 可得： r 海大学硕士学位论文 r , p v , ，+ y ，= l i 妣”南 由( 2 1 9 ) 可得 旷q 毯= 每 重写式( 2 - 1 6 ) ，如下 = 詈等瞩 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 异步电机按转子磁链定向，将定子电流分解为转矩分量i 。和励磁分量i ；。 式( 3 1 ) 表明，转子磁链”仅由定子电流励磁分量。产生，与转矩分量无关， 从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。式( 3 1 ) 还表明， 与i ，之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数为转子磁链励磁时间常 数，当励磁电流分量i 。突变时，”的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电 动机励磁绕组的惯性作用是一致的。b 只影响转矩，i 。唯一决定转子磁链， 与直流电机中的电枢和励磁电流相对应，因此可以等效成一直流电动机。 3 2 2 转子磁链模型 转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或 状态估计理论得到闭环的观测模型。在实用中，多用比较简单的计算模型。在计 算模型中，由于主要实测信号的不同，又分电流模型和电压模型两种。 1 计算转子磁链的电流模型 根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电 流模型。电流模型可以在不同的坐标系上获得。 ( 1 ) 在两相静止坐标系上转子磁链的电流模型 上海大学硕士学位论文 由实测的三相定子电流通过3 2 变换很容易得到两相静止坐标系上的电流o a 和k p ，由( 2 - 1 1 ) 可得转子磁链的电流模型 矿m2 击。一码y 印) 3 ) p 巾2 击( l m i , p + g o t ，) ( 3 q ) 有了妒，。和y 。，要计算”的幅值和相位就很容易了。 此转子磁链的电流模型适合于模拟控制，用运算放大器和乘法器就可以实 现。采用微机数字控制时，由于y ，。与矿。z f u 。时，便以限幅值 作为输出；若没有积分限幅，当反馈大于给定使调节器退出饱和时，积分项可能 仍很大，将产生较大的退饱和超调，所以要设积分限幅。 带有积分限幅和输出限幅的数字p i 调节程序框图如图5 5 所示。 在p i 调节器中，比例部分能快速响应控制作用，而积分部分是偏差的积累， 能最终消除稳态误差。在模拟p i 调节器中，只要有偏差存在，p 和i 就同时起 作用，因此，在满足快速调节功能的同时，会不可避免地带来过大的退饱和超调， 严重时将导致系统的振荡。 在微机数字控制系统中，很容易把p 和1 分开。当偏差大时，只让比例部分 起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可 最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。这就是积分分离算法的基本思 想1 。 积分分离算法表达式为 其中 “( 女) = k p e ( k ) + c i k ，k e ( o ( 5 3 ) c ，：j 1 ? 。) i 占 6 为一常值。 。1 0 ，k ) i d 上海大学硕+ 学位论文 本系统中，将积分分离法应用到转速调节器中。实验证明，相对与传统p l 算法，积分分离法可以有效地抑制振荡，减小超调。 图5 5 数字p i 调节器程序框图 上海大学硕士学位论文 5 5 4 测速程序 一、原理简介 转速检测可以采用数字测速和模拟测速两种方法。模拟测速方法的精度不 高，在低速时更为严重。对于精度高、调速范围大的调速系统，往往采用数字测 速。本系统测速就采用数字式的光电码盘。为了能在高速与低速都能取得较高的 精度，采用m t 法。m t 法测速综合了1 法和t 法两种方法的优点，能适合较大 的转速范围。m t 法测速，一方面检测疋时间内旋转编码器输出的脉冲个数m ， 另一方面也检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数m ：，见图5 6 。 仁生：三j j _ n 光电码盘脉冲 1 n n n o n f u l 。n n 1 1 n n n i f l n f l 1 f 1 1 高频时钟脉冲 1 竺上叫 二二 广测削间 图5 6m 厂r 法测速 电机转速表达式为： ，l ：皇堕：6 0 m j or m i n z r ,z m 2 ( 5 4 ) 二、速度测量的实现 光电编码器的a 、b 两相输出脉冲送入正交解码电路。为保证m 和t 同步计 数，a 相输出脉冲同时与捕获引脚c a p 3 相连。正交解码电路产生的脉冲送入计 数器t 3 ，t 3 设置成增，减计数模式，正转时为增计数，反转时为减计数，根据 t 3 计数模式和计数值就可正确判断转速的方向和大小。计数器t 2 的周期寄存器 设置为2 5 m s ，t 2 比较寄存器设定为1 2 5 m s 。t 2 设置成连续增计数模式，t 2 在运行时不断产生周期中断信号和比较中断信号。如图5 7 所示。t 2 的周期中 断信号作为测速允许信号，在t 2 的周期中断中开放捕获中断允许，当a 相脉冲 前沿到达时进入捕获中断时允许t 3 计数，并同时读取此时的t 2 计数值，为避 上海人学硕士学位论文 免a 相脉冲前沿的再次进入，应禁止捕获中断。t 2 的比较中断信号作为测速结 束信号，在t 2 的比较中断中开放捕获中断允许，当a 相脉冲前沿到达时进入捕 获中断时关闭t 3 计数，并再次读取此时的t 2 计数值，然后禁止捕获中断。两 次t 2 计数值之差作为高频时钟脉冲计数值m 2 ，t 3 的计数值为光电编码器的输 入脉冲m 1 ，最后根据式5 - 8 即可算出转速，其软件框图如图5 8 所示。 定时器t 2 n 期中断 l 保护现场 + 由m l ( m 1 2 - m 1 1 ) 和 m z 计算转速 l 转速调节l 开t 2 比较巾断 和捕获中断i i 早 5 7 计数器t 2 设置示意图 图58