（电机与电器专业论文）基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究.pdf

硕士学位论文 量皇量量篁皇曼曼! 兰舅曼曼量罾笪曼! 苎皇舅曼量董i ii 曼曼皇罡曼皇曼兰蔓曼曼晕皇皇曼皇皇量詈皇皇曼皇曼曼 a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) o fi n d u c t i o nm a c h i n ei san e wc o n t r o ls t r a t e g yi nt h e f i e l do fv a r i a b l es p e e da cm o t o rd r i v ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p e di nt h em i de i g h t yo f l a s tc e n t u r y i td i r e c t l yc o n t r o l st h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n ds t a t o rf l u xl i n k a g e i t h a ss i m p l es t r u c t u r e ，d i r e c t l yc o n t r o lm e a n sa n dh i g hs t a b l ea n dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c e c o n v e n t i o n a ld t c e m p l o y st w oh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r st or e g u l a t et h es t a t o rf l u xa n d t o r q u er e s p e c t i v e l y , w h i c hr e s u l t si na p p r o x i m a t e l yd e c o u p l i n gb e t w e e nt h ef l u xa n d t h et o r q u ec o n t r 0 1 a n da l s oi tb r i n g st o r q u er i p p l ep r o b l e m t h ep a p e r se m p h a s e sa r e t w oa s p e c t s ：o n ei sr e d u c i n gt h et o r q u er i p p l eu s i n ga d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sa n dt h e o t h e ri st h er e s e a r c ho ft h es p e e ds e n s o r l e s ss c h e m e s f i r s t l y , a f t e ri n t r o d u c i n gt h ei n d u c t i o nm a t h e m a t i cm o d e l ，t h ec o n v e n t i o n a ld t c i sd i s c u s s e da n dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fi ti sb u i l du pb yu s i n go ft h es i m u l i n k t o o l b o xo fm a t l a bs o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f yt h ed t ch a sg o o ds t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，c o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s a r eb a s e do ni n d u c t i o nm a t h e m a t i c m o d e l t h ep e r f o r m a n c ew o u l db ea f f e c t e db yt h em o d e lp a r a m e t e r so rr a n d o mn o i s e b u tt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e r sd o e sn o tn e e dt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e la n d h a v eg r e a tr o b u s t n e s s i nt h i sp a p e rt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y , i n c l u d i n gf u z z y c o n t r o la n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o la r ei n t r o d u c e d o nt h eb a s i so fi t ，t w o c o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y ，w h i c ha r ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra n da r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kv o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o l l e rb yu s eo fb pn e t w o r k s i m u l a t i o nw o r k i sd o n er e s p e c t i v e l yf o rt h et w oc o n t r o l l e r sa b o v e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h a tt h et w oc o n t r o l l e r sb o t hc a nd e p r e s st h et o q u er i p p l ee f f e c t i v e l y t h et w ot y p eo f c o n t r o l l e r sc a nb o t hr e p l a c et h ec o n v e n t i o n a lh y s t e r e s i s c o m p a r a t o rt o m a k et h e s t r u c t u r em o r es i m p l ea n di m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ef u r t h e r f i n a l l y , t h es p e e ds e n s o r l e s sa l g o r i t h mi sah o tr e s e a r c hf i e l di nr e c e n ty e a r s w h e nf a m i l i a rs e v e r a ls c h e m e so nt h es p e e ds e n s o r - l e s sf i l e da r el i s t e dr e c e n t l y , t w o d i f f e r e n ts p e e ds e n s o r - l e s so b s e r v e r sa r ep r o p o s e db yu s i n gm o d e lr e f e r e n c es e l f a d a p t i v es y s t e ma n ds e l fa d a p t i v el i n en e u r a ln e t w o r kr e s p e c t i v e l y t h e ye n l a r g et h e a p p r o a c h e so fs p e e ds e n s o r l e s st e c h n o l o g ya n dt h e ya r eh e l p f u lt op u ti np r a c t i c ei n t h ef u t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h es c h e m e sa r ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h i sp a p e r ，i ti n d i c a t e st h a tt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o q u ec o n t r 0 1 a n di tw i l lb ea i i i b r o a dp r o s p e c ti nt h ed t ca n da cv a r i a b l es p e e df i e l d k e y w o r d s ：a cv a r i a b l es p e e dd r i v es y s t e m ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ； s p e e ds e n s o r - l e s st e c h n o l o g y ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；a d a p t i v ec o n t r o l ； 湖南大学 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。除了文中特另t l d n 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。 名：许东中 1 一 日期：粥年5 月 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签 导师签 ， 日期：o 年 日期：口g 年 孓日| p 日 厂月f 厂日 第1 章绪论 1 1 交流调速的背景和发展概况 直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪先后诞生。在2 0 世纪的大部分年代 里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机， 而约占电气传动总容量8 0 的不变速传动则采用交流电动机，这种分工持续了一 段时期。交流调速虽然早已有多种方案问世，并已获得一些实际应用的领域，但 其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到2 0 世纪7 0 年代初叶，席卷世界 先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流调 速系统。经过多年努力，到了上世纪7 0 年代末，一直被认为是天经地义的交直流 传动按调速分工的格局终于被打破。交流调速系统【1 】【2 l 【3 】1 4 】【5 1 主要沿着下述三方向 发展和应用。 1 一般性能的节能调速 在过去大量的所谓的不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工 业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交 流电机本身不调速，不得不依靠挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能 因而白白的浪费掉了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节 省下来，每台风机、水泵平均约可节能2 0 ，效果很可观。 2 高性能交流调速系统 许多在工艺上就需要调速的生产设备，过去多用直流传动，鉴于交流电机比 直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如 果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的 原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施加灵活的即时控制。7 0 年 代初发明了矢量法控制技术( 磁场定向控制技术) ，通过坐标变换，把交流电机的 定子电流分解成励磁分量和转矩分量，分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流 电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后， 陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流 调速系统媲美的高性能交流调速系统。 3 特大容景、极高转速的交流调速 直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量与转速的乘 积约为1 0 6 k w * r m i n ，超过这一数值时，直流电机的设计与制造就非常困难。交 流电机则不受这个限制，因此，特大容量的传动，如厚板轧机、矿井卷扬机等和 基丁- 模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都宜采用交流调速。 异步电机的交流调速可以分为：滑差功率消耗型和滑差功率回馈型【6 j 。滑差 功率不变型。其中滑差功率不变型主要通过改变同步电机转速实现调速，滑差功 率消耗水平保持不变，因而是一种真正的高效调速方式，变频调速、变极调速就 是具体的方法。变频调速更是交流电机调速的主要调速方式，以此为基础可以构 成许多高性能的交流调速系统。 1 2 直接转矩的研究现状及文献综述 1 9 8 5 年，德国人m d e p e n b r o c k 提出了直接转矩控制的理论 j ，用空间矢量的 分析方法，直接在定予坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定 向，借助于离散的两点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变 器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变 换与电动机数学模型的简化处理，没有了通常的p w m 信号发生器。该控制系统 的转矩响应迅速，限制在一拍咀内，无超调。在实现磁链控制的同时，也实现了 转矩的直接控制，从而使得直接转矩控制感应电动机变频调速系统具有超越以往 任何控制系统的静态性能，成为近几年来国内外交流电机传动领域的研究热点。 异步电动机直接转矩是变频调速技术中的一种。它具有以下几个主要特点： ( 1 ) 直接转矩控制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。它省掉了矢量变换等的复杂的变换和计算。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道了定子电阻就可以把 它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链要知道转子 电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变 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 控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含两层意思：1 、它 直接控制转矩；2 、对转矩的直接控制。 感应电动机直接转矩控制系统作为新一代交流电机调速系统，在理论和应用 实践方面都还有不少问题值得进一步的研究和探讨。目前，关于直接转矩控制研 究8 1 【9 】 10 1 主要围绕以下几个方面： ( 1 ) 整个系统的性能基本上不受电机参数的影响，但定子电阻在不同频率时 的变化值得考虑。研究表明，当低频频率高于2 h z 时定子电阻所产生的电压降才 可以不予考虑。所以，在超低频时，定子电阻上的电压降对系统性能的影响必须 计算在内。否则，静态特性不够理想。目前的解决办法中，文献 1 1 】采用模糊控 制和p i 控制分别对定子电阻进行观测。文献【1 2 】用绕组端部某点的瞬态温度t 硕士学位论文 及其时间变化率作为模糊定子电阻估计器的输入量，定子电阻r s 的变化率作为 输出。文献 1 3 】给出一种新的3 层神经网络定子电阻观测器。模糊神经网络是模 糊控制与神经网络的结合，也被引入到直接转矩控制中。文献【1 4 以电机绕组端 部某一点温度变化率a t 作为网络的输入，用模糊神经网络来实时在线估测定子 电阻r s 的值。文献 1 5 】采用最小二乘法来估计定子电阻，以定予零序电流i s 0 及 其微分作为输入，定子零序电压u s 0 作为输出来辨识定子电阻，同时给出了电机 漏感的值。定子电阻的估计采用最多的方法是模糊控制、神经网络。模糊神经网 络和最小二乘法估计定子电阻的研究还很少。因此，超低速时定子电阻的正确辩 识或偏差补偿，无疑是d t c 值得深入探讨的理论问题和实践课题。 ( 2 ) 直接转矩控制的采用免除了会给动态特性提高带来限制的p i 调节器的使 用，使系统具有极高的转矩响应频率和快速响应性，而其功率元件的开关切换次 数却明显少于其它调速系统，从而使开关损耗大为减少。然而，在采用瞬时空间 p w m 策略的d t c 系统中，对交流侧电压的检测一般使通过间接方法得到的，逆 变器的死区效应问题不能不考虑。理论分析和仿真研究表明：死区效应在反馈环 节引入的转矩偏差，使得系统稳态时实际转矩小于给定植，并以基频的6 倍频率 脉动，引入的磁通偏差使得电机欠磁，系统带负载能力下降，这两种现象在低速 时尤为突出。如何克服死区效应【16 】i l ”给d t c 系统低速性能带来的诸多恶性影响 和对延迟时间实现在线补偿也是下一步要解决好的实际问题。 ( 3 ) 无速度传感器研究是是交流传动中的一个热门课题。速度检测装置的安装 使交流传动系统成本增高，可靠性降低尤其是速度开环系统在低速区内转矩难以 达到指标要求等原因，客观上促进了无速度传感器交流调速系统的研究。宣接转 矩控制也是一种无需速度直接反馈的控制技术，而由于测量交流电压玑、玑、甜。 比较困难，可以利用逆变器模型【l8 】得到，因此其基本的控制系统只需两个电流传 感器。所以具有很高可靠性。但是，采用什么样的速度辩认方法和模型，需要迸 一步的研究。aa b b o n d a t i 等人首次报道了无速度传感器矢量控制的异步电动机 调速系统；t o n t a n i 首次提出了理论意义上的转速辩识方法；1 9 8 7 年，t a m a is h i n z o 采用模型参考自适应( m a r s ) 的方法实现了对电动机转速的自适应辩识。文献 【1 9 2 0 提出利用自适应控制来估计转子转速；文献【2 1 】利用滑模变结构理论来估 计速度，转子磁链等参量，并证明了其收敛性。文献【2 2 】利用非线性理论来观测 速度，定子磁链，负载转矩等。文献【2 3 】采用扩展卡尔曼滤波来得到转速，定子 磁链等参量。有关利用神经网络理论进行速度辨识【2 4 1 1 2 5 】【2 6 1 也有不少。此外，利 用遗传算法估计异步电机转速也有人涉及i ”1 。 ( 4 ) 直接转矩控制系统形成p w m 脉冲不是以产生三相正弦波为目的，而是以 产生圆形气隙磁场为目的。通过优选主回路中电压型逆变器开关切换时间，使电 极磁场接近圆形，可以明显的改善其输出波形，从而使电机的谐波损耗、温升、 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 转矩波动和噪音明显降低。但是，如何合理的根据实际可能的开关频率和微机运 行速度来选择最佳开关状态无疑具有很大的技巧。所以最佳开关策略的研究是一 个有待深入探讨的问题。 ( 5 ) 直接转矩控制系统一个最显著的优点是控制结构简单，易于实现，便于全 数字化。因此，实现全数字化1 2 8 1 的直接转矩控制的交流电机调速系统无疑具有潜 在的经济价值和实际意义。但是，如何解决实时性却是一个棘手的问题。在全数 字式d t c 控制系统中，实时性的要求甚至比矢量控制还要严格。这个问题的解决， 似乎还需要高速d s p 的实际运用。但是，高速d s p 的价格比较昂贵。为了降低 系统的造价，可以考虑采用普通的单片机，如何在相对慢的单片机速度和控制性 能之间找到了一种合理的折中方法也是需要进一步考虑的问题。 1 3 直接转矩控制的发展方向 直接转矩控制将向以下几个方向发展： 1 现代控制技术和智能控制技术的运用 现代控制理论”中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性得以 提高。功能强大的数字处理芯片( d s p ) 的推出，许多以前无法实时实现的算法都可 以应用到实时控制系统中，如最近研究十分活跃的模糊控制“”“、神经网络控制 m o m “、模糊神经网络控制川3 33 非线性控制等。 2 控制手段的全数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于全数字化，对处理的实时性、快速性要求很 高，d s p 正是能满足这种需求的芯片，它快速高效地实现复杂的控制规律，同时便 于故障监视、诊断和保护，增强系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 3 无速度传感器的控制系统 无速度传感器用于矢量控制、直接转矩控制已有产品，像a b b 公司的a c s 6 0 0 系列、三星的s a m c 0 一i 系列、日立的s j 3 0 0 系统，a b 公司的13 3 6 p l u s ，但调速范 围较小，有待于进一步改善。该领域今后研究的努力方向仍是提高转速估。该领 域今后研究的努力方向仍是提高转速估计的精度及动态响应，增强对参数变化的 鲁棒性以及获得更宽的调速范围。 4 应用于同步电机的控制 d t c 技术主要的应用领域是异步电机，现在人们开始把它用在同步电机控制 中。现代控制理论与经典控制算法的进一步结合成为交流电机控制算法发展的一 种趋势。现在人们正致力于改善低速性能、发展鲁棒控制策略。 1 4 本文的研究意义和主要研究内容 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机以及当i i 茸环境问题的严重性，引起世界各国对节 硕士学位论文 能技术的广泛关注。解决城市环境污染和交通拥挤的重要途径是发展高速公共交 通工具( 地铁，城市轻轨) 及电动汽车，高速电气化列车则是实现城际快速交通 的首选。交流电机高性能传动的关键在于动态力矩控制。感应电动机直接转矩控 制( d t c ) ，它不需要解耦电机数学模型，强调对电机转矩进行直接控制，在很大程 度上克服了矢量控制计算复杂和易受参数变化影响的特点，成为交流调速控制 理论第二次质的飞跃。因此，研究高性能的直接转矩控制系统的理论与装置，对 我国国民经济的发展具有重要的意义。 本文在以下几个方面对感应电动机直接转矩控制系统进行了研究： 第一章，介绍了交流调速系统的发展进程和直接转矩控制的发展历程和主要 的特点。 第二章，简要的介绍了感应电动机在定子三相坐标系和口、卢系统下数学模 型。 第三章，对传统直接转矩控制的结构、原理进行了分析，建立了仿真模型和 进行了仿真分析。 第四章，研究利用模糊控制理论、神经网络理论来改善直接转矩控制性能， 设计了一种模糊控制器，通过仿真验证了其正确性，表明模糊控制对直接转矩控 制的稳态性能和动态性能都有明显的改善；同时设计了一种神经网络电压矢量控 制器，给出了样本，利用样本进行了训练，并利用训练后的控制器进行了仿真分 析，说明利用神经网络在直接转矩控制中能改善感应电机直接转矩控制系统的性 能，拥有广阔应用的前景。 第五章，研究无速度传感器理论，利用模型参考自适应控制方法作了详细的 分析，设计速度观测器。同时，研究并设计了自适应线性神经网络在线学习的速 度辨识器，通过仿真验证了设计的正确性与可行性。 基丁：模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 第2 章感应电动机的数学模型 感应电动机( 又称为异步电动机) 的数学模型“是一个高阶、非线性、 强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波；( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；( 3 ) 忽略铁芯损耗；( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。无论电机转子是 绕线式还式鼠笼式的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相 匝数都相等，这样，实际电机绕组就被等效为图2 1 所示的三相感应电机的物理 模型。图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为参考坐标 轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴间的电角度0 为空 间角位移变量。并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手 螺旋定则。这样，异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运 动方程组成。 k 珊 “惑一 蕊态 澎v 2 1 感应电机的数学模型 i篇a=rlia+p黧垆ahb r i i b p 2 r i i c p ， = + 妒日 ( 1 ) 甜f = + 妒r l 硕士学位论文 其中p = d d t ；相应的，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 材。2 r 2 i 。+ p 。l “6 = 太2 如+ p ；f ，6 ( 2 2 ) “。= 胄2 l + p 。j 式中“，“b ，甜c ，”口，u b ，“c 表示定子和转子相电压的瞬时值； “，i 。，i c ，i 。，i 6 ，i 。表示定子和转子相电流的瞬时值； 。，缈。，儿，帆，眈表示各相绕组的全磁链； r 。，月：表示定子和转子绕组电阻。 上述各量都已折算到定子侧。 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此， 六个绕组的磁链可表达为 ” 彬 ( 2 3 ) 或写成： w = l i( 2 3 a ) 式中l 是6 * 6 电感矩阵，其中对角线元素三。，k ，上。，。，l ，三。是各有 关绕组的自感，其余各项则是绕组问的互感。 实际上，与电机绕组交链的磁通主要有两类：一类是只与某一相绕组交链而 不穿过气隙的漏磁通。另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者是主要的。定子 各相漏磁通所对应的电感称作定子漏感三儿，由于各相的对称性，各相漏感值均 相等；同样，转予各相漏磁通则对应于转子漏感三。与定子一相绕组交链的最 大互感磁通对应于定子互感上。，与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应于转 户互感三。：，由于折算后定、转于绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气 隙，磁阻相同，故可认为l ，= l 。：。 3 运动方程 在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是 t 。：t ，+ 三塑+ 旦+ 墨0 ( 2 4 )。= + _ + + ( ) 饰口f饰鄞 式中n 表示负载阻转矩；j 表示机组的转动惯量：d 表示与转速成正比的阻 转矩阻尼系数；k 表示扭转弹性转矩系数；n p 表示极对数。 一厶厶厶l厶k厶厶厶厶厶厶乙厶厶厶厶lk k k 厶厶厶乙厶厶厶厶厶厶厶厶l厶厶 基于模糊神经自适应的感应电动机南接转矩控制研究 ( 2 5 ) 4 转矩方程 根据载流导体在磁场中受力的基本公式可以得到电机电磁转矩的公式为 t e = - n p 上m 】【o i a + i 口i b + i 【1 i c ) 8 i n 目+ ( “站+ i b i c + i c i a ) s i n ( 口+ 1 2 0 。) + ( 2 6 ) ( f i 。+ i 口i 。+ i c i b ) s i n ( o 一1 2 0 。) 应该指出，上述公式是在磁路为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下 得出的，但对定、转子电流的波形并没有作任何假定，它们可以是任意的。因此， 上述电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相感应电动机调速系统很有实用意 义。 2 2 坐标变换和变换阵 上节虽然已推导出感应电机的动态数学模型，但是，要分析和求解这组非线 性方程显然是十分困难的，即使要画出很清晰的结构图也并非易事。通常须采用 坐标变换的方法加以改造，使坐标变换后的数学模型容易处理一些。 以产生同样的旋转磁动势为准则，图2 2 a 的三相交流绕组、图2 2 b 的两相交 流绕组和图2 2 c 中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的i ， i 。，i c 和在两相坐标系下小i 口和在旋转两相坐标系下的直流电流f m ，f ，是等效 的，它们能产生相同的旋转磁动势。对图2 2 c 的m 、t 两个绕组而言，当观察者 站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着 的铁心上看，它们其实就是一个直流电机的物理模型了。这样，通过坐标系的变 换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。现在的问题是，如何求出i 。， b ，i c 和如，之间准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。 8 塑者 j 一 + i u l 贝 r ， = 0 e = z ko = d 载负矩转恒于对 。：。；。，。，。堡主堂!；i p 。 一d 。、q 卢li i 。，l = j 、? 。 夕v i ia k c h ) 图2 2 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型 ( a ) 三相交流绕组( b ) 两相交流绕组 ( c ) 旋转的直流绕组 1 三相二相变换 在三相静止坐标系a 、b 、c 和二相静止坐标系口、卢2 _ r n q 的变换，简称3 2 变换。令该变换服从于功率不变约束条件。得到变换阵为： 也蠢 反之，如果要从二相坐标系变换得到三相坐标系，可求其反变换阵，得 c 2 舻c 剪2 = 据 1o 一1 3 22 1一3 2 2 1 压 l 压 1 压 在实际电机中没有零轴电流，因此实际的电流变换式为： 阡- - i l i a 9 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 在图2 2 b ( 虚线) 中，定义同步旋转的两相坐标系d 、q ，其中0 1 角是旋转坐 标系d 轴和静止坐标系口轴之间的电角度。并令静止的二相系统与旋转的二相系 统绕组匝数相同，磁势相等。可以得到二相- - 相旋转变换( 也即p a r k 变换) 关 系式如下： c ：2 = 雠麓n 引 b10a)sln c o s 0 c 2 s 一，= 1：l( 2 i 一tl h o s 0 l - s i n o l 10b)c2r-2s=(210b s i 。n 臼：c o s 目。1 1d l 经过如上的坐标变换就可以将电机的数学模型从三相坐标系统转到二相坐标 系系统下，从而大大简化了电机的模型，使得对其的分析不再复杂。 2 3a 、系统中的感应电机数学模型 利用式( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 9 ) 对进行变换就可以得到口、口系统感应电机数 学模型如下： 1 电压方程 2 磁链方程 “d2r i i a l + p y 。l m 嘲竺i p ， ( 2 1 1 ) u a 2 = r 2 i , z 2 + p 口2 + 国i f ，口2 、。 u p 2 2 r 2 妇2 + p p 口2 + 0 9 ；c d 2 y 。12 l s i 。1 + l m 屯2 l ，2l s i n + l m i0 2 y 。2 = 厶。如l + l ，i 。2 y 口2 2 上m f 口l + l ，i # 2 3 电磁转矩方程 丁。= 饰l 。( i p l i 。2 一如l 如2 ) 4 口系统中定子磁链模型 y 。= ( u 。一f 。，。砒 血= f ( u 母一j 廖r ，砌 5 口、系统中转子磁链模型 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) r 2 1 4 a ) ( 2 1 4 b ) ( 2 15 ) 盯卢 j j r一 d 一出 s 盯一 孵妒 l 二 一一 占 品 一 1j 口卢 s j 一r 生 = 1j m 妒 y y l d 一西 硕士学位论文 其中盯：1 一芷 三s r 2 4 本章小结： 本章建立了三相感应电机在三相系统中的数学模型，通过所介绍的变换矩阵 得到了感应电机在二相静止坐标系下的数学模型。并经由数学推导得出感应电机 的电磁转矩与电机定、转予磁链及其交角的关系。最后本章建立了鼠笼型感应电 机在舐从0 系统中的状态方程。它们是后续理论分析和实验的基础。在以后的分 析中如不加说明都是在口、鼠0 静止坐标系下进行的。 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 第3 章传统直接转矩控制的原理和性能分析 3 1 直接转矩控制的基本原理 3 1 1 逆变器的开关状态和输出空间电压矢量 图3 1 是一个理想的电压型逆变器的主回路结构图，同组开关状态总是相反 若令三相负载的某一相与直 流电源的正极相连时，该相 对应的开关状态为1 ，反 之与直流电源的负极相连 时，相应的开关状态为0 。 6 个开关组合共有2 3 = 8 种 状态。即s c s 6 s 。的开关组合 为：0 0 0 ，0 0 l ，0 1 0 ，0 1 1 ， 1 0 0 ，1 0 1 ，1 1 0 ，1 1 1 。 p i 五直、 直 b 8 s b t ， 一3 c l 六 士 直 n 圈3 1逆变器的主回路结构图 在三相定子坐标系下，感应电机的电压，电流，磁通都是三相( 三维) 变量， 利用p a r k 变换，可将一个三维标量变换为一个二维矢量，给感应电机的分析和 控制带来方便。选三相定子坐标系中的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴口重合，输 出电压空间矢量的p a r k 矢量变换表达式为： “s ( f ) = 白u a + u b p j 2 z c 3 + t t c e j 4 疗3 1 ( 3 1 ) j 其中“口，u b ，u c 分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压。 令逆变器的直流电压为2 e ，电机定子三相绕组参数对称，且在空间互差1 2 0 。 对称分布，以a 相绕组的正方向为参考方向，8 种输出状态除两种零电压矢量外， 其余6 个空间电压矢量如图3 2 。这6 个空问电压矢量可统一表示为： u s 讲订= 芸e 8 j o ( i ) ( i = l 、2 、6 )( 3 2 ) j 它们的相角差为6 0 。，呈均匀分布。必须明确的是：6 个非零空间电压矢量 是孤立的，每选中一种状态就对应一个电压矢量。而零电压矢量u s ( 0 0 0 ) = u ， ( 1 11 ) = 0 被选中时，逆变器没有输出。 电压空间矢量在定子三相坐标系和口坐标系下的相对位置图如图3 2 所示 硕士学位论文 图3 2 电压矢量圈 综合图3 1 逆边器开关状态和电压状态的关系，见表3 1 所示。 表3 1逆变器的开关状态与电压状态关系 状态 工作状态零状态 1 。i2 3 i4 5678 f f 关状态 叭1 l0 0 1 1 0 1 l1 0 0“00 1 00 0 0 1 1 l 电压状态玑( 0 ld i ( 0 0 9“。l | 地( 1 。o )u 。( 1 1 0 )她( 0 l 吩“，( o o o )u 。( 1 1 1 ) 3 1 2 直接转矩控制的基本结构 直接转矩控制的基本结构如下： 图3 3 直接转矩控制的基本组成框图 由上图可知，直接转矩控制由以下几个部分组成，开关信号选择单元，磁链 观测计算单元；坐标变换器；转矩调节单元；磁链调节单元；磁链位置判断单元； 转速调节器；逆变器单元； 各单元的功能简述如下： 测量得到“s ，i s 信号，这两个信号由磁链观测计算单元处理后得到磁链妒。， 妒卢，进一步通过转矩计算单元得到转矩实际值，记为r ，。p 口，y 通过磁链 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 调节器得到磁链的调节信号帕。同时，通过磁链位置判断单元可以计算出磁链所 在的区间号。通过转矩调节单元可以得到此时转矩的调节信号t q ，这样，磁链 调节信号旧，转矩调节信号t q ，磁链位置信号n 同时作为输入量送给开关信号 选择单元，通过对开关信号选择单元，得出当前需要的电压矢量，输出电压开关 信号s a 、s b 、s c 到电压型逆变器。从而实现了转矩和磁链的自控制。在传统d t c 控制中，转矩调节单元和磁链调节单元一般采用施密特触发器，构成了滞环比较 器。下面具体的介绍直接转矩控制系统的基本组成： ( 1 ) 磁链位置判断单元 磁链位置判断的任务是选择正确的区段，以形成六 变形或者圆形的磁链。 ( 2 ) 转矩调节单元转矩调节环实现转矩直接自控制。采用旖密特触发器， 容差选为s 。，见图3 4 ，调节器的输出是转矩开关信号t q ，采用两点式调节方 式。 图3 4 转矩两点式调节器 ( 3 ) 磁链调节磁链调节环实现对磁链幅值的直接自控制。见图3 5 。也是 用施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节。 图3 5 磁链两点式调节器 ( 4 ) 开关信号选择开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调节 环和磁链调节环的控制信号，按电压矢量选择表( 稍后有介绍) 形成正确的电压 开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。 ( 5 ) 转速调节转速调节环实现对转速的调节。转矩给定值可由转速调节器 的输出得到，也可由单独给定得到。 ( 6 ) 异步电动机的数学模型 异步电动机的数学模型包括磁链计算模型和转 矩计算模型。它可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。 4 此外，还可以有开关频率调节单元，它用来调节环控制逆变器的开关频率及 转矩容差的大小。 3 1 3 常用的磁链模型 1 u i 模型 用定予电压与定子电流来确定定子磁链的方法叫u - i 模型。根据公式( 2 1 1 ) ， 可以得到其计算公式为： 2 i n 模型 由定子电流和转速来确定定子磁链的方法称为i - n 模型法，该模型适合在 3 0 的额定转速内使用。它可以根据以下公式推导而来。 口2 砑。眦b 坤 。， 略口= 鲁( i f ，s a 一妒一一曲，巾 b 盯 y s 口= ；二= _ 7 ( f 占口三盯+ ，口) 1 + 吖 译旷笔婶旷缈r 亩 与u i 模型相比，i _ n 模型中不出现定子电阻r 。，不受定子电阻变化的影响。但 是i - n 模型受转子电阻r r 、漏电感l 盯、主电感l 变化的影响。此外i - n 模型还 要求精确的测量角速度国，国的测量误差对i - n 模型的结果影响很大。 3 u - n 模型 通过由定子电压和转速来获得定子磁链。所用的数学模型方程式如下： 转子方程： 驴，= r ，r ( s l f ，r ) + 歹国妒r ( 3 5 ) 定子方程： s 2 “s i s r s 磁链方程： y ”2 l i “ p ，= 妒“一l 盯i r 其中u i 模型由于低速时定子电阻的影响不能忽略 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 一般在3 0 额定转速以 描 如 跗妒 0 咄 叫可 跗妒 妒p 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 上适应。而在3 0 额定转速以下，可以采用i - n 模型，u 一1 1 模型是一个全速范围内 都实用的磁链模型，它综合了u i 模型和i - n 模型的特点。 3 2 异步电机直接转矩控制系统的仿真模型 利用s i m u l i n k m a t l a b ”7 “。“”建立电机的仿真模型。m a t l a b 是m a t h w o r k 公司开发出的具有强大数值分析功能的软件，可用于数据分析，数值和符号计算， 工程与科学绘图，控制系统设计，数字图象信号处理，建模、仿真、原型开发。 m a t l a b 的核心是一个基于矩阵运算的快速解释程序，它交互式的接收用户输入的 各项命令。其在控制仿真方面的应用越来越广。具有建模仿真可视化功能的 s i m u l i n k 是m a t l a b 的五大通用功能之一；它是在m a t l a b 语言环境下实现动态系 统建模、仿真的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可 封装等特点，可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。s i m u l i n k 提供了大量的模 型库供系统仿真使用，用户还可以根据自己的需要丌发自己的模型并通过封装扩 充自己的模型库。 ( 1 ) 磁链观测模块 ( 2 ) 坐标变换单元 1 6 ( 3 ) 转矩计算单元 ( 4 ) 磁链幅值计算单元 p r o d u c t l ( 5 ) 磁链区间计算 ( a ) 下图中虚线将磁链圆划分为6 个扇区，每个扇区6 0 0 ，目为定子磁链虮的 磁链角，带箭头的实线为电压空间矢量。如下图所示： 9 l 目3 。口2 夫7 一 蕊_ ，、 r ，- 一 l ln 一。 ll ；弋 谨| | 黉_ i 一 口5 日6 图3 6 定子磁链及电压空间矢量分布 ( b ) 磁链区间计算单元 基于模糊神经自适应的感应电动机直接转矩控制研究 ( 6 ) 磁链两点式调节 0 p e m t o r 筘p 酽罾芒p 甘叫r 罾 、 白 。 ( 7 ) 转矩计算单元 ( 8 ) 转矩两点式调节器 1 8 ( 9 ) 逆变器开关信号选择 在本文中，电压矢量的选择根据下反转信号( p n ) ，转矩信号( t q ) ，磁链信 号( 旧) ，磁链扇区号( n ) 作出选择。开关表如下所示。 表3 1 电压开关矢量表 qt q p n s 1s