（电力电子与电力传动专业论文）tpam矢量控制技术的研究.pdf

a b s t r a c t a cd r i v ei so n eo ft h em o s tc o m m o nm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ld e v i c e s ，w i d e l y u s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，t r a n s p o r t a t i o na n dn a t i o n a ld e f e n s e ，a sw e l la sh o u s e h o l d a p p l i a n c e s ，e l e v a t o r s ，e l e c t r i cv e h i c l e sa n do t h e rc i v i l i a na r e a s t p a m ( t h r e e p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o r ) h a sas i m p l es t r u c t u r e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , s u i t a b l ef o rw o r k i n gu n d e ra d v e r s ec o n d i t i o n s ，m o r ew i d e l yu s e dt h a nt h ed cm o t o r s w i t ht h ep o w e re l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to f v a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e dt op r o m o t et h er a p i dd e v e l o p m e n to fv e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g y d u et oi t se x c e l l e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，w i d es p e e dr a n g e ， p r e c i s ec o n t r o l ，v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sah o ts p o to fr e s e a r c hf o r c o n t r o l t e c h n o l o g yo ft p a m t h e r ei si n d e p t hs t u d yo nt h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t p a mi nt h ep a p e r t h ep r i n c i p l eo fas y s t e m a t i co ft h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi s s t u d i e d ： a n a l y s i so ft h ec o m p l e xd y n a m i ce l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n so ft p a m a n ds t u d yo ft h e v e c t o rc o n t r o lo ft p a m o nt h i sb a s i s 。v e c t o rc o n t r o lr o t o rf l u xo r i e n t a t i o na n d s v p w m ( s p a c ev e c t o rp w m ) t o a c h i e v es t u d i e d a n db p n n ( b pn e u r a ln e t w o r k ) u s e di nt h ef l u xi d e n t i f i e r , o n em o d e lo ft p a mf l u xi d e n t i f i e rb a s e do nt h eb p n ni s d e s i g n e d ，a n dt h e r ei sg i v e nm e t h o d s o fi t st r a i n i n ga n ds t u d y t h ef l u xi d e n t i f i e rf o r b p n nm o d e lh a sp a r a l l e li d e n t i f i c a t i o nm o d e lw i t hh i g he f f i c i e n c y , f a s ts p e e do v e r c o n v e n t i o n a lf l u xi d e n t i f i e r , c a no v e r c o m et h em a g n e t i ci d e n t i f i e ri nt h ed i g i t a l r e a l i z a t i o no ft h ec o m p u t a t i o ns p e e ds l o wa n de n o u g ha c c u m u l a t e de r r o r sa n do t h e r s h o r t c o m i n g s i nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ：d s pc o n t r o lc h i pi sh a r d w a r ed e s i g nc o r e ， t h eh a r d w a r ec o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n da u x i l i a r y c i r c u i td e s i g n ；s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt h r e ep a r t s ：t h em a i np r o g r a m ，i n t e r r u p t s e r v i c es u b r o u t i n ea n df u n c t i o n a ls e r v i c es u b r o u t i n e ，a n dt h e ns e r v i c es u b r o u t i n eo f f l u xi d e n t i f i e rf o rb p n ni sd e s i g n e d f i n a l l yt h er e l i a b i l i t yo ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r ed e s i g n e d ，i n c r e a s e ds y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o n i nt h es y s t e ms i m u l a t i o n ：u s i n go fm t a l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t p a mv e c t o r c o n t r o ls y s t e ms i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e l i sb u i l t ，t h e nt p a ms t a t o rc u r r e n t ，s p e e d ， i l t o r q u ea n df l u xs i m u l a t e dw a v e f o n na r ea n a l y z e d a n ds i m u l i n ks i m u l a t i o no ff l u x i d e n t i f i e rf o rb p n ni sb u i l t t h ew a v e f o r mo fc o n v e r g e n c eo fl e a r n i n ga n dt r a i n i n gi s g i v e na n da n a l y z e d t h ef l u xi d e n t i f i c a t i o nv a l u ea n da c t u a lv a l u ew e r ec o m p a r e d t h e n ，t h es i m u l a t e dw a v e f o n i lo fs p e e du n d e rf l u xi d e n t i f i e rf o rb p n na n dt h e w a v e f o r mu n d e rt h et r a d i t i o n a lf l u xi d e n t i f i e ra r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g i e s w h i c hi su s e df l u xi d e n t i f i e rf o rb p n n t h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s et o a c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：t p a m ，v e c t o rc o n t r o l ，p b n n i i i 独创性声明 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及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了说明并表示了致谢。 签名：同期兰竺! 全：皇：! 多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师( 签名) 企、 2 邓 日鲳2 6 | d i 多i 多 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 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 世纪上半叶，鉴于 直流传动具有优越的调速性能，当时高性能可调速系统大都采用直流电机，而 约占电力拖动总容量8 0 以上的不变速传动或简单调速传动则采用交流电机， 这种分工在当时己成为举世公认的格局。交流调速系统由于电力电子器件发展 的限制，虽然有很多控制策略提出，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹 敌，这也是阻碍其发展的根本原因。直到2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电力电子技 术的突破性发展，使得采用电力电子变换器的交流调速系统应运而生，交流电 动机控制系统进入了可调速领域，交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。 现在，交流传动系统相对于直流传动系统已成为应用最普遍的机电装置之 一，它广泛应用于工农业、交通运输业和国防事业以及电器、电梯与电动汽车 等民用领域。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、维护方便等优点， 并且性能高效，电源来源普遍，适合在恶劣环境下运行。t p a m ( t h r e e - p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o r ，三相异步电动机) 在交流电动机中的应用比重为8 0 以上。 因此研究t p a m 传动系统对于整个传动系统来说具有更为广泛的意义。 在t p a m 实际的应用中一般要满足下面的要求：一是要有较高的机电能量 转换效率；二是要能根据生产工艺的要求对t p a m 进行合理的设计。这就对 t p a m 的控制系统提出了较高的要求，使之能够满足其高精度和高性能的需要。 由于t p a m 转速控制是t p a m 控制中的关键部分，所以控制系统主要组成部分 也就是是调速系统。控制系统的调速性能直接影响着产品质量、生产效率和节 能性能。实现对t p a m 快速、动静态性能良好、节能性能好的调速，调速策略 尤显重要。 矢量控制调速和直接转矩调速是目前应用较为广泛的高性能调速方式。他们 都有着良好的t p a m 调速性能，但它们的调速策略和具体实现方法有所不同， 因此者两种调速各具有优缺点。矢量调速相比于直接转矩调速，具有可调速范 围较宽宽，速度能连续控制等优点，是目前t p a m 调速策略中比较成熟和应用 较广泛的一种1 7 , 1 2 j 。 随着t p a m 模型研究的日益精确、高速高性能芯片的性价比同益提高、现 武汉理工大学硕士学位论文 场总线技术和网络应用技术的日益发展、模糊控制和人工神经网络等先进调速 的逐渐应用、以及各种优秀仿真软件的不断增多功能日益强大，复合型的新控 制策略层出不穷。这也为矢量控制策略这一日益成熟的控制策略带来了新的研 究热潮。特别是矢量控制的基础上复合一些诸如模糊控制，神经网络控制，这 将成为近期乃至将来的研究方向所在1 2 0 1 。 随着国内经济的发展，一些先进的、高精密的生产工艺必将淘汰落后了，低 效率的生产工艺，t p a m 的控制工艺正是如此，大规模旧的生产工艺，生产设备 的更新换代，必将使t p a m 矢量控制系统得到的更为广泛应用。而另一方面交 流控制系统性能的不断提高，特别是大功率器件的批量化生产，现在从几百瓦 的家用电器到几兆瓦的工业调速系统都可以采用交流传动系统。交流调速已由 最初的只用于风机、水泵类电机的开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种 高精度、快速响应的高性能调速控制领域。矢量控制方法在国内的研究正处于 一个比较热点的研究课题。 所以结合最新的研究策略和控制理论，从t p a m 的矢量控制系统的技术研 究入手，改进传统的矢量控制方案，对改善我国的交流电动机矢量控制系统的 现状有着十分重要的实用意义。 1 2 相关的发展动向与现状 自7 0 年代矢量控制方法提出后，t p a m 矢量控制技术至今已获得了迅猛的 发展。因为这种方法需要进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速 度、处理能力等要求较高，微型计算机技术的发展为矢量变换控制的实现提供 了良好的外部条件。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂， 非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究， 提出了各种控制策略。目前t p a m 矢量控制技术的发展现状可以总结为以下方 面： 1 电力电子在耐高压，耐大电流方面有所提升，可实现矢量控制的t p a m 的容量进入大容量，特大容量阶段。 2 数字化芯片的性能比已能满足大部分t p a m 矢量控制的需求，而且价格 相对便宜，是控制性能有了很大提高。 3 由于新材料的应用和控制设备的价格下降，开发工具的丰富，t p a m 矢 量控制系统的成本也有所下降。 2 武汉理工大学硕十学位论文 4 采用高性能芯片和新技术的控制系统的性能已经非常高，完全可以和直 流电机相比拟。 5 部分性能要求比较高t p a m 控制系统，已经开始将现代控制算法引入其 中，使得t p a m 矢量控制系统的性能更加高。 目前，t p a m 矢量控制系统随着电力电子和计算机技术等系列新发展还将 继续迅猛发展。主要体现在以下几个方面： 1 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术； 新型电力电子器件开发和研制，无疑为交流电机控制系统的完善提供了物质 保证，尤其是新的开关器件使得高频化p w m 技术成为可能【l6 。 2 广泛应用计算机技术和微芯片技术； 数字式控制芯片处理器( 例如d s p ) 和计算机技术广泛应用于控制系统中， 是矢量控制的性能得到了质的提高。数字仿真和计算机辅助设计软件的日益强 大和丰富，大大缩短了矢量控制系统的开发周期，仿真的出现避免了实际调试 的盲目性及发生事故的可能性。 3 采用新材料和新型传感技术； 各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求，各种新型电动机 设计和建模有了新的研究内容，新的控制理论必将应运而生。 成本合理、性能良好传感器改变了以往机械传感器系统成本大、体积大、可 靠性低、易受工作环境影响等缺陷。 4 结合智能控制技术改善控制性能。 t p a m 是一个多变的时变非线性系统，传统的矢量控制或多或少的都存在一 系列的问题，智能控制能解决具有不确定性的复杂非线性过程或对象的控制， 可以有效的解决这一问题。但目前都还处于开创性研究阶段，还缺乏坚实的系 统化理论基础，许多概念尚处在发展之中。 正是有了上述新材料、新工艺、新技术、新理论的不断被开发使用，将会给 电气传动领域带来新的革命。矢量控制技术除了继续向高稳态精度、高动态调 速性能的方向发展外，还将在以下几个方面取得进展。 1 智能化：智能化主要体现在：一是系统有极强的抗干扰能力、容错能力、 故障自诊断自排除能力；二是系统应具有极强的自学习、自适应能力。运行状 态的改变系统能够自适应的去改变自己的参数，始终做到系统运行的最佳化。 2 网络化：在控制中引入现代互联网技术，可以实时的，远程的控制及监 控不同地方的控制系统，并通过并网的方式，是整个工厂( 可以不同城市) 的 3 武汉理工大学硕士学位论文 控制系统连成一线，以实现多台变频系统的通信，建成综合的控制平台，以提 高自动化水平和生产效率 3 一体化与绿色化：将变频器与拖动电机制造成一个整体，制造成“变频 电机”，这样可以简化系统结构，降低生产成本，提高效率和可靠性，安装调试 的方便。“绿色化”的定义一是环境友好型，即静音、低功耗、无公害污染等， 二是能源友好型，即以太阳能、风力和燃料电池等为新型能源的新型矢量控制 系统的开发。 从总的来看，各种控制理论、方法相结合，取长补短，是t p a m 矢量控制 技术今后的重点发展方向。 1 3 主要研究工作 论文的主要工作包括下列几个方面：对t p a m 矢量控制技术进行系统的理 论研究、提出了一种基于b p n n ( b p 神经网络) 的转子磁链观测模型、设计了用 于实现t p a m 矢量控制技术的设施( 包括系统的硬件设计和软件设计) 、完成了 t p a m 矢量控制的仿真与结果分析。具体安排如下： 第l 章介绍了课题的研究现状以及在出现的新的研究方法。第2 章主要是对 t p a m 的矢量控制技术进行了理论研究。第3 章主要研究了t p a m 矢量控制中 的智能方法的实现，以控制领域中新型的神经网络控制为研究出发点，设计了 一种基于神经网络的t p a m 转子磁链参数辨识模型。第4 章主要是对t p a m 矢 量控制系统的实现进行了设施的设计，包括了硬件设计和软件设计。第5 章对 系统进行了m a t l a b 仿真，通过仿真波形对系统的合理性进行了详细的分析。 第6 章对整篇文章进行了总结，并对课题的后续发展进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章t p a m 矢量控制技术 t p a m 的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因而实 现t p a m 的精确控制一直是个难题。上世纪7 0 年代工程师e b l a s c h k e 第一个提 出t p a m 矢量控制理论来解决t p a m 转矩控制的问题。t p a m 矢量控制实现的 基本原理是通过测量、控制异步电动机定子电流矢量，再根据磁场定向的原理 对异步电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，从而达到控制t 即州转矩 的目的。可以简单的说，矢量控制就是将电机的磁链与转矩解耦，分别设计他 们各自的调节器，从而实现对t p a m 的高性能调速控带l j t 2 , ：6 j 。 2 2t p a m 的数学模型 将转子绕组侧折算到定子绕组侧，规定t p a m 各个绕组电压、电流、磁链的 正方向符合电机惯例方向和右手螺旋法则，得到t p a m 的等效物理模型，如图 2 1 所示。模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成【2 】： 弋 n黛 图2 1t p a m 等效物理模型 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程： “一吒等 “8 = 讥+ i d g t 8 甜c = 挑+ 等 三相转子折算到定子侧后的电压方程： ”水，+ 等 旷墨+ 等 ”讽+ 等 式中：u a ，u b ，甜c ，u a ，如，z ，c 定子和转子的相电压瞬时值； i a ，i b ，i c ，厶，i t , ，卜定子和转子的相电流瞬时值； y 一，缈口，沙c ，虬各相绕组的全磁链； 咫，冠一定子和转子绕组电阻。 一般将电压方程写成如式( 2 - 3 ) 所示的矩阵形式。 “一 材b i t c 材口 甜6 t , t c 即：u = r i + p w 。 6 r l 少口 i y c + p l l 沙。 i i l 虬 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) kkb0 矿jijiiiiiiijii皿 0 o o 0 o 也 0 o 0 0 0 0 o o 心0 0 o o 0 o o 0 如0 0 o o 心0 o o o o 武汉理工大学硕士学位论文 2 磁链方程 其矩阵方程：如下： 1l1l ， 一，了 - b i s r 捌 l f ，。缈。】r ，丘= ai 8t 】r ， l m 5 + l 审 1 ， 一i 上。 z 1 ， 一j 三一 1 ， 一二l m s 二 l m s + l 争 1 ， 一互上m s c o s 8 c o s ( o - 1 2 0 0 ) c o s ( o + 1 2 0 0 ) = l 。ic o s ( o + 1 2 0 。) c o s o c o s ( o - 1 2 0 0 ) c o s ( o - 1 2 0 0 ) c o s ( o + 1 2 0 0 ) c o s o 1 ， 一i l m s 二 1 ， 一i l m s 二 三粥+ 三j r ( 2 4 ) 3 转矩方程和运动方程 系统的运动方程： 乙：瓦+ 三拿+ 旦缈+ 墨p ( 2 - 5 ) r i p u i 1 l p i p 式中：t l 负载阻转矩；j 机组的转动惯量；d 与转速成正 比的阻转矩阻尼系数；k 扭转弹性转矩系数。 t p a m 数学模型的性质【1 2 1 ： 将上述各项公式综合起来，可以得到在恒转矩负载状态下的t p a m 的数学 模型，它是多变量非线性系统，具有以下性质： t p a m 在x y z 坐标系上的数学模型是一个多变量、高阶、非线性、强耦合 的复杂系统。 7 厶 “ l = 1j 武汉理工大学硕士学位论文 2 3t p a m 的矢量控制策略 t p a m 矢量控制的原理如下：按照产生相同磁动势的原则，t p a m 经过矢量 坐标变换后得到其在同步旋转坐标系上的等效的直流电动机模型。 这样，我们就可以来通过模仿直流电动机的调速控制方法来设计t p a m 矢 量控制系统的控制结构。矢量控制方法的t p a m 交流调速系统的性能就可以与 直流电动机相比拟了，甚至在加入多种先进控制方法后其控制性能优于直流电 机调速。这就是t p a m 矢量控制的基本思路。 2 3 1 矢量坐标变换原理 首先，坐标变换 2 , 1 9 】也是现代矢量控制的理论基础和实现基础。坐标变换遵 循以下原则： 磁场相同原则和功率不变原则。 ( 1 ) c l a r k 变换 b 、 机如 ： ；6 0 叭 n 2 i , 。 口 f、 6 0 n3 h a n 2 i 8 1 c 么 图2 - 2c l a r k 变换示意图 图2 2 为c l a r k 变换示意图，其中令a 轴和口轴重合。设磁动势波形是按 正弦分布，当三相总磁动势和两相总磁动势相等，那么他们在a ，上的投影相 等。因此： 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 = 3 厶一n 3 i bc o s 6 0 0 一3 毛c o s 6 0 0 = 3 ( f a 一 2 = 3 名s i n 6 0 。- i n 6 0 0 - 孚- f c ) 矩阵形式： 计 划 么 ( 2 - 6 ) j ( 2 7 ) 变换前后的总功率不变，所以有匝数比为：丝n 2 = 手代入式( 2 7 ) ，得式( 2 8 ) 。 州。1 l c l a r k 变换的变换矩阵为： 1 。 c ：月 10 l l 2 l 2 压 2 用数学方法可得c l a r k 变换的逆变换矩阵式( 2 1 0 ) 。 9 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 龟 l 一2 k k 七 厂ioiooiijiil ，一2 压一2 1 2 一l 压丁 o m m k 龟 k 广jiiiiiiiill 。2 括2压丁 1 2 3一： 。2 压一2 武汉理工大学硕七学位论文 v 了l j i 。 l 一一 l2 o 压 2 压 2 ( 2 一l o ) ( 2 ) p a r k 变换 图2 3 为p a r k 变换示意图，图中d 、q 轴和矢量凡( ) 都以转速c o ，旋转， 分量乃和岛的长短不变，相当于d 、q 绕组的直流磁动势。但a 、轴是静止的， a 轴与d 轴的夹角9 随时间而变化，因此矗在仅，轴地上的分量如、i p 的长短也 随时间变换，相当于a ，绕组交流磁动势的瞬时值。有图可知，屯、珈和f d 、岛 存在以下关系，如式( 2 1 1 ) j o2 i mc o s 妒一1 ts l n 缈i t p2z ms i n 口o + l tc o s 缈j ( 2 - 1 1 ) b 乜，l 、 e 。及j j 矽。 j 1 t , , , s t n q ， k f ，f 缈 l m c o s ( p 图2 - 3p a r k 变换示意图 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 矩阵形式 ： = ：三- c 。s i s n 妒1 且。j 1 = c 驯：。 ： g ，2 ， ic o s 够一s i n 矽i 式中：c 2 m 。= i。l 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系 l s i n 缈 c o s j ( 2 r 2 s ) 的变换矩阵。 其逆变换矩阵： c o s s i n 伊- c 2 。，2 r = il ( 2 - 1 3 ) l s i n 缈c o s c j 其电压和磁链的选择变换矩阵和电流( 磁动势) 的变换矩阵相同。 ( 3 ) t p a m 在d 、q 坐标系下坐标下的模型方程 电压矩阵方程： 在该坐标系下，坐标的旋转速度等于定子频率的同步角速度0 9 ，转子的转 速为，d ，q 轴相对于转子的角速度为c o s ，即转差率。 电压矩阵方程： r s + l s p q 丘 l m p 织三m q l r s - i - l ；p c o i l 坍 l m p l ，p 劬乙 r r + l r p s l r 一缈l l m l m p q ， r ，+ l ，p ( 2 1 4 ) 转矩方程： 疋= n p l 。( f 叼i 耐一如) ( 2 - 1 5 ) 运动方程： t = 咒+ 丢警 ( 2 - 1 6 ) 押讲 两相同步转速的突出特点是，当三相a ，b 、c 坐标系中的电压和电流时j 下 弦波时，变换到d 、q 坐标系下就成了直流。其模型大大简化。 ： 。忉 ：彬 忉 耐 凹 耐 唧 掰 甜 “ 甜 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 2t p a m 矢量控制的磁链定向 对矢量控制的另一个关键问题就是对一坐标系的轴系取向加以确定，这个 步骤称为定向。选择t p a m 的某一旋转磁场轴作为特定的同步旋转坐标轴就叫 做磁场定向。磁场定向轴的选择有三种：转子磁场定向、定子磁场定向、气隙 磁场定向，他们各有不同的优缺点。本论文以转子磁链定向的矢量控制系统做 研究对象。 若d 轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为m ( m a g n e t i z a t i o n ) 轴， 而g 轴再逆时针转9 0 。，即垂直于转子总磁链矢量，称之为t ( t o r q u e ) 轴。这 样的两相同步旋转坐标系就具体规定为m ，丁坐标系，即按转子磁链定向( f i e l d o r i e n t a t i o n ) 的坐标系【2 , 1 2 。 当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有： 册= y ，= 工，f 。+ 三。j 。l ( 2 - 1 7 ) y 一= 0 = 三，+ 三。j 由式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 以及t p a m 状态方程我们可以得到： q 一缈= 缈，= i l m i s t ( 2 18 ) ，7 炸2 赤。( 2 - 1 9 ) ：掣，( 2 - 2 0 ) l ” 由上式表明： 1 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。 2 忻与式m 之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间 常数，当励磁电流分量k 突变时，忻的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流 电机励磁绕组的惯性作用是一致的。 3 表明忻稳态值由定子电流励磁分量唯一确定。 式( 2 1 9 ) 或( 2 2 0 ) 和( 2 1 8 ) 构成矢量控制基本方程式，可以求解出缈 和惭两个子系统来看，由于瓦同时受到f 。和惭的影响，两个子系统仍旧是 武汉理工大学硕士学位论文 耦合着的。按照系统的原理结构图对等效的t p a m 进行控制时，可设置磁链调 节器a v r 和转速调节器a s r 分别控制惭和。为了完全解耦系统，可以用转 子磁链的计算值( 上面标 表明为计算值，以和实际值相区别)，转子磁链 定向角的计算值；等于实际值汐； t p a m 矢量变换模型中的转子磁链忻和定向相位角妒都是实际存在的，而用 于控制的这两个量却难以直接检测的到，只能采用磁链模型来计算。 t p a m 的数学磁链观测模型如图图2 4 所示。 妇 冶 l c m 图2 4 转子磁链定向下t p a m 磁链观测模型 2 4 电压空间矢量脉宽调制 传统的s p w m 控制技术主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦 波，并未顾及输出电流的波形。然而t p a m 需要输入三相正弦电流的最终目的 是在电动机空间形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 为了实现这一目标，把逆变器和t p a m 视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来 控制逆变器的工作。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”又称“电压空间矢量 p w m ( s v p w m ，s p a c e v e c t o rp w m ) 控制”，即s v p w m 控制技术1 2 弘强j 。 2 4 1 电压空间矢量与磁链空间矢量 t p a m 绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时 间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，如图2 - 6 所示，定义为 定子电压空间矢量u a o ，l d b o ，l d c o 。 图2 5 中u 4 d 、u b 孙u c o 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大d , 贝j j 随时间 武汉理工大学硕士学位论文 按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是1 2 0 0 。由三相定子电压空间矢 量相加合成的空间矢量地是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压 值的3 1 2 倍。 图2 5 电压空间矢量 当电源频率不变时，合成空间矢量地以电源角频率幼为电气角速度作恒 速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。用 公式表示，则有 口j = 朋爿o + 埘肋+ i i c o ( 2 - 2 1 ) 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量五和熙 三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： 驴r , i ，+ 冬( 2 - 2 2 ) 式中：s 定予三相电压合成空间矢量；五 定子三相电流合成空间矢量； 娥定子三相磁链合成空间矢量。 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式( 2 2 2 ) q b 所占的成分很小，可 忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为： 等 毁n d t ( 2 2 3 ) 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间 矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形( 一般简称为磁链圆) 。这样 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的定子磁链旋转矢量可用式表示： 甲。= 甲所e 弘1 7 由式( 2 9 3 ) 和式( 2 2 4 ) 可得： ( 2 - 2 4 ) ”丢( 即脚h 妒妒“争( 2 - 2 5 ) 当磁链幅值一定时，的大小与( 或供电电压频率) 成正比，其方向则与磁 链矢量正交，即磁链圆的切线方向，如图2 - 6 所示，当磁链矢量在空间旋转一周 时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 7 【弧度，其轨迹与磁链圆重合。 这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。 图2 - 6 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 2 4 2 电压空间矢量的实现 在常规的p w m 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供 电采用1 8 0 0 导通型，功率开关器件共有8 种工作状态( 见表2 1 ) ，其中6 种有 效开关状态；2 种无效状态：上桥臂开关v t l 、v t 3 、v t 5 全部导通和下桥臂 开关v t 2 、v t 4 、v t 6 全部导通。 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各 出现一次。逆变器每隔形3 时刻就切换一次工作状态( 即换相) ，而在这兀3 时 刻内则保持不变。随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而 相位每次旋转尢3 ，直到一个周期结束。这样，在一个周期中6 个电压空间矢 量共转过2 兀弧度，形成一个封闭的正六边形。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 功率开关器件8 种工作状态 序号开关状态 开关代码 l v t 6 v t iv t 2 1 0 0 2 v t lv t 2 v t 3 1 1 0 2v t 2 v t 3 v t 40 1 0 4 v t 3 v t 4v t 5 0 1 l 5 v t 4v t 5 v t 6 0 0 1 6 v t 5v t 6v t i 1 0 1 7 v t ! v t 3v t 5 1 1 1 8 矿乃y 乃y 死 0 0 0 由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子 磁链矢量端点的运动轨迹，则六拍逆变器供电时t p a m 电压空间矢量与磁链矢 量的关系如图2 7 所示。 图2 - 7 六拍逆变器供电时t p a m 电压空间矢量与磁链矢量的关系 逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为奶，在第一个兀3 期间，电动机上 施加的电压空间矢量为u 1 ，则：a t = 吵。在兀3 所对应的时间，内， 施加u l 的结果是使定子磁链”产生一个增量a g j , 其幅值ul 与成正比，方 向与“l 一致，最后得到新的磁链，而吵2 = 缈l + a g i 。 依此类推，可以写成的通式 h ，a t = y 。l ( 2 - 2 6 ) 缈f + l = 沙，- pa v j 式中：i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 通过上述分析我们可以知道如果单纯地以此来控制功率开关管的 开通和关断，只能形成正六边形旋转磁场，得不到理想圆形旋转磁场。 据数学原理，可用正多边形来近似代替圆。而且当正多边形的边数越 多，近似程度越好。于是完全可以利用这六个非零电压空间矢量的线 性时间组合来得到更多的开关状态，从而得到理想的圆形旋转磁场来 代替理想磁链圆。控制p w m 的开关时间逼近圆形旋转磁场的方法有很多种例 如线性组合法、三段逼近法、比较判断法等，本文使用的是线性组合法i l 引。 如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图2 8 中的惭1 ， 惭2 ，辨3 ，帕4 这4 段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都 不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。 图2 8 逼近圆形时的磁链增量轨迹示意图 图2 - 9 表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。在一段换相周 期时间死中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量地， 新矢量的相位为秒。 可根据各段磁链增量的相位求出所需的作用时间，l 和t 2 。在图2 1l 中， 可以看出掰，= 争+ - 挈- u 2 = 口，c o s 0 + j u ，s i n0 ，把相电压的时间函数和空间相 0 10 位分开写，得u ，= d ( f ) + u b o ( ，) p 办+ ( w ( ，) p 7 h ，式中丫= 1 2 0 。若改用线电压表示， 可得u 。= u a b ( ，) 一甜，( f ) p 叫。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 sc o 妇 h 1 图2 - 9 线性组合构成新的电压矢量 这样，根据各个开关状态的线电压表达式可以推出： 船。= u a + l t _ z 2 。ue j 3 = u a ( l i t - - l 。+ 等p 叫3 = u d 丢+ ( c 。s ；+ ，s ；n ；) = u d 丢+ 筹( 三+ ，孚 也陪射剜 ( 2 2 7 ) 式( 2 2 7 ) 和上段中第一式比较，另其实部和虚部分别想等，这可得： i n 护= 等玑秕c 。s 臼= t l ：- + 2 t 瓦2 觚桃得：丢= 等一万1 等和猎2 警。 换相周期死应由旋转磁场所需的频率决定，死与，l + 屯未必相等，其间 隙时间可用零矢量“7 或“8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使u 7 和u g 各占一半时间，因此：t 7 = f 8 = 妻( 瓦一t l - t 2 ) 0 。 此外还要把逆变器的一个工作周期用6 个电压空间矢量划分成6 个区域，称为扇区( s e c t o r ) ，如图2 10 所示的i 、i i 、，每个 扇区对应的时间均为7 c 3 。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称 的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。 武汉理工大学硕七学位论文 图2 10电压矢量控制6 扇区的划分 在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗， 因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时， 只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。 - - 卜 一 瓦。 一 瓦 一 1一 一 2 2 图2 1 1开关状态序列 为此，应该把切换顺序改为 10 0 ，110 ，11 1 ，1 1 1 ，110 ，l0 0 ， 开关的要求了，如图2 1 1 所示。 8l2 7 7 2l8 ，即开关状态序列为0 0 0 ， 0 0 0 ，这样就能满足每次只切换一个 武汉理工大学硕七学位论文 第3 章t p a m 矢量控制的智能方法 a n n ( 人工神经网络) 的应用领域非常广泛。它的非线性映射能力、 自学习适应能力、联想记忆能力、并行信息处理方式及其优良的容错 性能使得它在控制领域受到广泛的重视。a n n 的优点使得它非常适合 于复杂系统的建模与控制，特别是当系统存在不确定因素时，更体现 了神经网络方法的优越性【5 l 】。 3 1t p a m 矢量控制所用的b p n n 目前在自动控制中所应用a n n ，按其结构主要分为前向型神经网 络和反馈型神经网络。本文采用的是反传播学习算法( b p ) 的多层前 向神经网络结构( b p n n ) m 】。该网络是多层结构，包括1 个输入层， 若干个隐含层和1 个输出层。神经元是分层排列的，任何一层的神经 元只与前一层的神经元相互连接。各级神经元从前一级接受输入，并 输入到下一级。网络的任何节点都没有自回环、层内不互连、也没有 反馈连接。b p n n 的结构如图3 1 所示。圆圈表示神经元，黑点表示相 应的连接权系数，模拟生物神经元的连接强度，可以是正的( 激励) ， 也可以是负的( 抑制) 。 如果一个b p n n 有个输入，多个隐含层，各层有j 、k 个神 经元，输出层有m 个神经元。设，1 层有三个神经元，则第，层的第f 神经元的静输入为： y ：= f ( u t ) ( 3 - 1 ) ( 3 _ 2